БИООТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ГРАФИТОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ НА ОСНОВЕ ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ МАТРИЦЫ И МЕМБРАННЫХ ФРАКЦИЙ БАКТЕРИЙ GLUCONOBACTER OXYDANS

Данная разработка вызывает интерес из-за глобальных проблем истощением на Земле полезных ископаемых, которые используются для нужд энергетики. Биотопливный элемент может быть использован для создания маломощных необслуживаемых источников постоянного тока, которые могут применяться для светодиодного освещения, различных датчиков и сенсоров и т.д.
Аналогом прототипа является электрохимическая ячейка, использующая в качестве рабочего электрода графитовый стержень с иммобилизованной PQQ-зависимой алкогольдегидрогеназой штамма Gluconobacter sp.33 [Ramanavicius Α., Kausaite Α., Ramanaviciene Α. Potentiometric study of quinohemoprotein alcohol dehydrogenase immobilized on the carbon rod electrode // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. V. 113. №1. P. 435-444]. Недостатком вышеуказанного аналога является применение индивидуального фермента алкогольдегидрогеназы, что влечет необходимость дорогостоящего выделения и очистки этого фермента, а также значительное сужение спектра окисляемых субстратов.
Наиболее близким по признакам, что было принято за прототип, является электрод, представленный в патенте РФ на полезную модель [Китова А.Е., Решетилов А.Н., Колесов В.В. Биотопливный элемент на основе терморасширенного графита и мембранных фракций Gluconobacter oxydans II Патент РФ на полезную модель №146588. Зарегистрировано 12.05.2014]. Устройство состоит из измерительной ячейки содержащая одну кювету, в которую помещены рабочий электрод на основе прессованного терморасширенного графита и мембранных фракций штамма бактерий G. oxydans ВКМ В-1280, иммобилизованных в гель хитозана, электрод сравнения (Ag/AgCl), платиновый электрод, окисляемый субстрат. Для усиления сигнала в кювету добавлен медиатор электронного транспорта.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение энергетических характеристик биотопливного элемента, а именно генерируемого потенциала и мощности рассматриваемого устройства.
Биотопливный элемент содержит модифицированный графитовый электрод на основе токопроводящей матрицы из геля хитозана, сшитого бифункциональным агентом глутаровым альдегидом, и мембранных фракций бактерий Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280, причем мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans закреплена на поверхности графитового электрода с помощью геля хитозана в композиции с многостенными карбоксилированными углеродными нанотрубками.
На фигуре изображен биотопливный элемент, который содержит графитовый электрод 1, на который нанесена мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans 2, на которой закреплена токопроводящая матрица на основе хитозана 3 с углеродными нанотрубками 4.
Для формирования модифицированного графитового электрода наносили 60 мкл мембранных фракций бактерий G. oxydans, высота нанесения 1 см, помещали в холодильник на 20 минут до высыхания. В это время готовили матрицу, для этого растворяли 1 мг хитозана в 100 мкл 1% уксусной кислоты, перемешивали в течение 3 минут, затем добавляли углеродные нанотрубоки (Т=0,2222 мкг/мкл), диспергированных в деионизованной воде, снова перемешивали в течении 1 -2 минут. Для сшивания реагентов добавляли 15 мкл бифункционального агента глутарового альдегида, перемешивали 30 секунд и наносили на электрод, высота нанесения 1 см. Полученный модифицированный графитовый электрод ставили в холодильник на 18 часов для высыхания.
-4
-4
Работа биотопливного элемента при использовании модифицированного графитового электрода основана на том, что мембранная фракция бактерий G. oxydans окисляет субстрат - глюкозу, электроны с помощью экзогенного медиатора переносятся на анод, в присутствии многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок. В результате генерируемый потенциал в режиме разомкнутой цепи составил 343±7 мВ, максимальная мощность 50±4(*10) Вт при приложенном внешнем сопротивлении 10 кОм. Полученные значения сравнивали с матрицей без использования многостенных карбоксилированных углеродных нанотрубок, получали следующие энергетические характеристики: генерируемый потенциал в режиме разомкнутой цепи составил 290±12 мВ, максимальная мощность 38±7(*10) Вт при приложенном внешнем сопротивлении 13 кОм. В патенте принятый за прототип генерируемый потенциал в режиме разомкнутой внешней цепи составлял 120 мВ.
Таким образом, графитовый биоанод для иммобилизации биоматериала может быть использован в биотопливных элементах, представляющих устройства для производства малой энергетики и создания стационарных источников питания с невысокими уровнями отдаваемой энергии; для выполнения научных исследований.