Установка замкнутого биоэлектрохимического цикла для генерации энергии и способ генерации энергии микроорганизмами

2
1. Установка замкнутого биоэлектрохимического цикла для генерации энергии, характеризующаяся тем, что представляет собой микробный топливный элемент, который содержит корпус цилиндрической формы с размещенными в нем биоэлектродами разных электрических потенциалов, вокруг которых образуются анодное и катодное пространства, биоэлектроды имеют выводы для замыкания электрической сети и генерации электричества, при этом оба вида биоэлектродов в корпусе цилиндрической формы микробного топливного элемента погружены в одну и ту же анаэробную питательную среду, оптимальную для одновременного развития как электрогенных микроорганизмов на аноде, так и электротрофных микроорганизмов на катоде, катодное пространство инокулировано чистой культурой электротрофного микроорганизма, анодное нокулировано чистой культурой электрогенного микроорганизма, при этом корпус цилиндрической формы выполнен с возможностью обеспечения обмена источниками углерода и энергии между анодной и катодной культурами, при этом источником углерода и энергии для электрогенных микроорганизмов на аноде является ацетат, синтезируемый электротрофными микроорганизмами в биопленке на катоде, а источником углерода для электротрофных микроорганизмов на катоде является СО в форме газа или солей угольной кислоты, образующийся в результате окисления ацетата электрогенными микроорганизмами в биопленке на аноде, при этом часть генерируемого тока в форме свободных электронов потребляется катодными электротрофными микроорганизмами.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе цилиндрической формы могут быть размещены, по меньшей мере один биоанод и, по меньшей мере один биокатод.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что множество биоэлектродов разных электрических потенциалов расположено в корпусе цилиндрической формы в эффективном для показателей конечных электрических характеристик установки порядке.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве анодных электрогенных микроорганизмов, инокулированных в анодное пространство, могут быть выбраны: Clostridium butyricum EG3, Aeromonas hydrophila PA3, Geopsychrobacter electrodiphilus, Ochrobactrum anthropi YZ-1, Rhodopseudomonas palustris DX-1, Thermincola potens JR, Brevibacteria sp, Arcobacter sp, Shewanella marisflavi EP1, Comamonas denitrificans DX-4, Citrobacter sp. SX‐1, Geobacter bremensis, Bacillus pseudofirmus MC02, Tolumonas osonensis OCF, Geobacter sulfurreducens D8, Geobacter Sulfurreducens PCA, Geobacter Sulfurreducens KN400, Raoultella electrica, Enterobacter sp. R2B1, Geobacter sp. SD-1, Klebsiella sp. MC-1, Citrobacter freundii Z7, Desulfuromonas soudanensis WTL, Delftia sp. WE1-13 Azonexus sp. WE2-4, Cloacibacterium normanense RA1, Micrococcus luteus RA2, Diaphorobacter oryzae RA3, Pseudomonas aeruginosa RA5, Paenibacillus sp., Geobacter metallireducens, Aeromonas sp., Enterbacter sp., Geobacter sulfurreducens subsp. Ethanolicus CL-1, Citrobacter sp. KVM11, Kluyvera georgiana MCC 3673, Citrobacter sp. strain ND-2, Ca. Brocadia, Ca. Scalindua, Enterobacter cloacae, Escherichia coli W3110, Escherichia coli BL21, Escherichia coli DH5α, Shewanella putrefacians, Tolumonas osonensis, Acetobacter aceti, Arcobacter butzleri, Bacillus subtilis, Corynebacterium strain MFC03, Gluconobacter roseus, Klebsiella aerogenes, Klebsiella pneumoniae, Lysinibacillus sphaericus D-8, Lysinibacillus sphaericus VA5, Proteus vulgaris, Rhodoferax ferrireducens., Sporomusa ovata.
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве катодных электротрофных микроорганизмов, инокулированных в катодное пространство, могут быть выбраны: Dechlorospirillum strain VDY, Labrenzia aggregate, Hyphomonas adhaerens, Bacillus firmus, Marinobacter, Phaeobacter daeponensis, Candidatus, H. Aquamarina, Roseobacter sp., Silicibacter, Winogradskyella poriferorum, Acinetobacter johsonii, Thioclava electrotropha, Halomonas sp., Idiomarina sp., Marinobacter sp., Pseudomonas sp., Thalassospira sp., Bacillus sp. strain H, Sporomusa ovata, Micrococcus luteus RA2, Sporomusa acidovorans, Sporomusa malonica, Sporomusa aerivorans, Rhodopseudomonas palustris, Clostridium ljungdahlii, Clostridium pasteurianum, Cupriavidus metallidurans, Acidithiobacillus thiooxidans, Thiobacillus denitrifican, Sulfurimonas denitrificans, Desulfosporosinus orientis, Desulfovibrio piger.
6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что анодное и катодное пространства могут быть разделены мембраной, проницаемой для ацетата и СО2 в форме газа или солей угольной кислоты.
7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве мембраны может быть выбрана ионобменная мембрана.
8. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве мембраны может быть выбрана протонообменная мембрана с высоким количеством карбоксигрупп.
9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что установка замкнутого биоэлектрохимического цикла может дополнительно быть оснащена системой удаления осадков, образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.
10. Способ генерации энергии микроорганизмами, характеризующийся тем, что для его осуществления последовательно выполняют следующие действия:
сборку установки замкнутого биоэлектрохимического цикла для генерации энергии по любому из пп. 1-9,
обеспечение стерильности установки и питательной среды путем автоклавирования,
заполнение анодного и катодного пространств в корпусе цилиндрической формы одной и той же анаэробной питательной средой и поддержание анаэробных условий барботированием газом, очищенным от кислорода,
инокуляцию в анодное пространство чистой культуры электрогенных микроорганизмов, предварительно выращенной до максимально возможной плотности клеток, для формирования на аноде электрогенной биопленки, микроорганизмы которой потребляют ацетат,
инокуляцию в катодное пространство чистой культуры электротрофных микроорганизмов, предварительно выращенной до максимально возможной плотности клеток, для формирования на катоде электротрофной биопленки, потребляющей CO2 в форме газа или солей угольной кислоты,
достижение равновесия процессов полного окисления ацетата электрогенными микроорганизмами на аноде и потребления СО2 в форме газа или солей угольной кислоты в ацетат электротрофными микроорганизмами на катоде, обеспечение равномерной циркуляции ацетата и СО2 в форме газа или солей угольной кислоты между катодным и анодным пространствами.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для предварительного выращивания биопленки анодных электрогенных микроорганизмов в питательную среду анодного пространства добавляют ацетат.
12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для предварительного выращивания биопленки катодных электротрофных микроорганизмов катодное пространство продувают водородом особой чистоты.
13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для предварительного выращивания биопленки катодных электротрофных микроорганизмов в катодное пространство добавляют соли формиата.
14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для предварительного выращивания биопленки катодных электротрофных микроорганизмов в катодное пространство добавляют органическое соединение углерода.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что для предварительного выращивания биопленки катодных электротрофных микроорганизмов в катодное пространство добавляют фруктозу.
16. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для предварительного выращивания биопленки катодных электротрофных микроорганизмов в катодное пространство добавляют квантовые точки.
17. Способ по п. 10, отличающийся тем, что барботирование осуществляют азотом, аргоном, водородом, углекислым газом, или смесью данных газов.
18. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для регулирования скорости процесса варьируют содержание анионов вольфрамата в питательной среде.
19. Способ по п. 10, отличающийся тем, что равномерная циркуляция питательной среды между катодным и анодным пространствами может дополнительно обеспечиваться системой удаления осадков, образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.