БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.
Известен /Патент РФ на полезную модель №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г./ биоэлектрохимический элемент, содержащий разделенные между собой посредством протоннообменной мембраны две кюветы. В одной размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, а в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды выполнены из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter Cerinus ВКМ В-1283.
Также известен биоэлектрохимический элемент на основе не использовавшегося ранее с этой целью штамма Gluconobacter Oxydans ВКМВ-1227 /Патент РФ на полезную модель №108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г./, представляющий собой биоэлектрохимический элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую. Содержит две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, а в другой находится электрод сравнения (оба электрода выполнены из графита). А генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения.
Известен реактор /Патент РФ №2496187 H01M 8/16 2012 г./, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества. Анодные и катодные зоны, разделенные протоннообменной мембраной, расположены таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов. Для чего катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора. Анод представляет собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда, образуя четыре поверхности из волокна и четыре внутренних канала для прохождения жидкой фазы, тогда как катод представляет собой воздушный электрод с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.
Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический элемент /Патент РФ №153593 H01M 8/16 2015 г./, выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется. Анод и катод выполнены из карбида кремния, анод запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть при этом, в верхней части имеется патрубок для аэрации, интенсифицирующей процесс восстановления атомов водорода до воды.
Недостатками является то, что в представленных выше моделях невозможно произвести анализ среды (отбор проб, внесение субстрата или микробиологического препарата) во время работы элементов, без нарушения стерильности и герметичности. Так как нарушение герметичности сопряжено с нарушением анаэробных условий анодного пространства и подавляет генерирование электрической энергии, а нарушение стерильности приводит к появлению конкурентной, по отношению к биоагентам, микрофлоры.
Задача предлагаемой полезной модели направлена на устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат - повышение эффективности работы биоэлектрохимического элемента.
Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический элемент, выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, отличающийся тем, что анодная камера в нижней части имеет патрубок с внешней резьбой и заглушку в виде пробки из полипропиленовой резины, герметично прижатой к патрубку при помощи колпачка с внутренней резьбой, накручиваемого на внешнюю резьбу патрубка.
Во время непрерывной и продолжительной работы биоэлектрохимического элемента необходим способ отбора проб для произведения экспресс-анализа жизнеспособности биоагента, а также периодическая подача специфических субстратов, концентрация которых падает в процессе генерирования электроэнергии. Поскольку в биоэлектрохимическом элементе наибольшее значение имеет сохранение стерильности и герметичности анаэробной камеры, необходим механизм, который позволит надежно и многократно производить манипуляции со средами и при этом не удорожать производство элемента. Для создания такого механизма в нижней части анодной камеры вырезается отверстие, к которому монтируется патрубок с внешней резьбой, наружный торец которого закрыт пробкой из полипропилена. Для крепления пробки использовался колпачок с внутренней резьбой, который герметично прижимал пробку к краям патрубка. Поскольку полипропиленовая резина обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, солям и прочим агрессивным средам, а также возможностью использования в температурном диапазоне от -10 до 120°C, она идеально подходит для использования в биоэлектрохимическом элементе. При этом не оказывает токсического воздействия на микроорганизмы даже при длительном воздействии жидких сред, а также легко подвергается утилизации, не оказывая нагрузки на окружающую среду. Также полипропиленовая резина намного дешевле прочих материалов с подобными свойствами. Больше свойств полипропилена указанно в таблице 1, 2, 3 и 4.
Схема биоэлектрохимического элемента представлена на фиг. 1, где а - вид сбоку, б - вид спереди, в - вид сверху.
Фиг. 1, где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 - катодная камера, 4 - протоннообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - уплотнитель, 8 - токоснимающая часть, 9 - патрубок для аэрации, 10 - патрубок с резьбой для отбора проб, 11 - пробка из полипропилена, 12 - колпачок с резьбой, прижимающий пробку к патрубку.
Предложенный биоэлектрохимический элемент в общем виде представляет собой ячейку 1. Она содержит два отсека - анодную 2 и катодную 3 камеры, разделенные ионоселективной мембраной 4. Корпус ячейки изготовлен из прозрачного органического стекла. Анод 5 и катод 6 закреплены в ячейке 1 посредством уплотнителя 7, сквозь который проходит токоснимающая часть 8, место контакта электродов с токоснимающей частью закреплено токопроводящим клеем. Для подачи воздуха в верхней части катода имеется патрубок 9, который соединен с воздушным компрессором. В нижней части анодной камеры располагается патрубок с резьбой 10, через который производится отбор и внесение сред с помощью шприца. Внешняя сторона патрубка 10 закрыта пробкой из полипропилена 11, которая прижимается колпачком с резьбой 12. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с неодинаковыми кислородными условиями (аэробная катодная и анаэробная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной камеры в катодную.
Устройство работает следующим образом: в анодную камеру 2 вносят биообъект, которыми могут выступать, к примеру, коммерческие микробиологические биоагенты, а также среду и субстрат. В катодную камеру 3 наливают аналогичную среду, погружают в камеры электроды 5 и 6, герметично закрепив их с помощью уплотнителя 7, подключают аэрацию с помощью патрубка 9. К токоснимающей части электродов 8 присоединяется измерительный прибор, например мультиметр, и фиксирует изменения ЭДС и силы тока. Через патрубок 10, прокалывая шприцем пробку 11, отбираются пробы для экспресс-анализа, также возможно вносить необходимые субстраты, среды или биоагенты.
Технический эффект - появление возможности многократно производить отбор проб из элемента без нарушения его работы, а также вносить необходимые компоненты и субстраты для биоагентов для длительной работы биоэлектрохимического элемента.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание №13.1263.2014/K от 11.07.2014).