МИКРОБНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к биоэнергетике и технической микробиологии, и касается выработки электрической энергии с помощью микроорганизмов в микробных топливных элементах.
Из имеющегося уровня техники известна конструкция спирально-навивного микробного топливного элемента Номер заявки на патент 201390854. Спирально-навивной микробный топливный элемент. В изобретении представлен бактериальный топливный элемент, включающий в себя по меньшей мере один анод и по меньшей мере два катода в жидкостном сообщении с подлежащей обработке жидкостью, причем упомянутый по меньшей мере один анод отделен от упомянутых по меньшей мере двух катодов по меньшей мере первой и второй электроизолирующими прокладками, и упомянутый по меньшей мере один анод и упомянутые по меньшей мере два катода электрически соединены через внешнюю нагрузку, и упомянутый по меньшей мере один анод и упомянутые по меньшей мере два катода совместно навиты, в общем, в конфигурации спирали вместе по меньшей мере с третьей электроизолирующей прокладкой. Недостатками данного изобретения являются большое количество деталей конструкции и трудоемкий процесс изготовления.
Известен микробный биотопливный элемент /Патент РФ на полезную модель №109758 С12М 1/00, C12N 13/00, Н01М 8/16 2011 г./, содержащий разделенные между собой посредством ионнообменной мембраны две кюветы, в одной из которых размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter cerinus ВКМ В-1283.
Известен микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 / Патент РФ на полезную модель №108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г./, представляющий собой микробный биотопливный элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую, содержащий две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, в другой находится электрод сравнения, а генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения, отличающийся тем, что использован штамм Gluconobacter oxydans ВКМ В-1227, не использовавшийся ранее с этой целью.
Известен микробный топливный элемент /Патент СА 2769833 С12М 1/00; С12М 1/04; С12Р 3/00; Н01М 2/16; Н01М 8/16. 10.02.11/, состоящий из катодного отсека, анодного отсека, с электродом и имеющий по крайней мере один вход для внедрения на топливе водород отделенные проницаемой мембраной для протонов, в которой микроорганизмы являются одним из chemolithoautotrophic; миксотрофных; chemolithoauotrophic и миксотрофных; и chemolithoautotrophic, миксотрофных и гетеротрофных, где род каждого из указанных микроорганизмов является одним из Leptospirillum, Ферроплазма, Sulfobacillus, Acidithiobacillus, Alicyclobacilus, Acidimicrobium и Ferrimicrobium.
Известен почвенный микробный топливный элемент переменной конфигурации. Номер патента CN 102891333. В изобретении раскрыт топливный элемент для почвенных микроорганизмов с переменной конфигурацией. Основываясь на характеристиках большого количества разнообразных видов бактерий в почве, почва используется в качестве источника микроорганизмов для микробного топливного элемента, а электричество производится путем смешивания почвы и глюкозы или другого растворенного органического углерода. По сравнению с чистыми культурами бактерий или активным илом, почву легче приобрести, и она практически не требует затрат, и поэтому почва является идеальным источником микроорганизмов для микробного топливного элемента. Почвенный микробный топливный элемент путем демонтажа и сборки можно трансформировать из однокамерной структуры в двухкамерную структуру. Недостатком данного изобретения является использование почвы как ограниченного источника микроорганизмов, не учтены различные механизмы переноса электронов бактериями и материалы электродов, тем самым производительность микробного топливного элемента ниже, чем у предлагаемой полезной модели.
Задачей настоящей полезной модели является получение микробного топливного элемента с высокой плотностью тока и увеличение времени его работы.
Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, заключается в повышении эффективности работы устройства за счет увеличения плотности тока, как следствие - выходной мощности микробного топливного элемента, и увеличении времени его беспрерывной работы.
Технический результат достигается тем, что микробный топливный элемент, работающий на основе окисления питательного субстрата с помощью микроорганизмов, содержит, расположенные в одной емкости, анодную, заполненную питательным субстратом, содержащим в качестве источника электронов электрогенные микроорганизмы, и катодную области, разделенные сепаратором, проницаемым для протонов водорода. В анодной области расположен устойчивый к коррозии гибкий перфорированный проводник, по обе стороны которого расположен углеродосодержащий материал, образующий электрический контакт с гибким перфорированным проводником, соединенный с электропроводящей пластиной, выполненной в герметичном корпусе, при этом гибкий перфорированный проводник и углеродосодержащий материал, расположенный по обе стороны от него, свернуты в спираль, при этом в катодной области расположен устойчивый к коррозии проводник, проницаемый для протонов водорода, соединенный с электропроводящей пластиной, выполненной в герметичном корпусе, при этом топливный элемент содержит внешние выводы от электропроводящих катодной и анодной пластин, выполненные с изолирующим покрытием, при этом в анодной области выполнены элементы для введения и удаления питательного субстрата и микроорганизмов.
При этом в некоторых вариантах исполнения для увеличения электрохимической активности питательный субстрат может содержать оксид графена, а также хлорид натрия для увеличения электрической проводимости среды.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен вид спереди микробного топливного элемента, где 5 - корпус микробного топливного элемента; 11 - выводы от электропроводящих катодной и анодной пластин.
На фиг. 2 представлен вид сверху микробного топливного элемента, где 2 - герметичный корпус катодной электропроводящей пластины; 5 - корпус микробного топливного элемента; 8 - гибкий перфорированный проводник; 11 - выводы от электропроводящих катодной и анодной пластин; 13 - элемент для введения питательного субстрата и микроорганизмов; 14 - элемент для удаления питательного субстрата и микроорганизмов.
На фиг. 3 представлен продольный разрез (вид А-А) микробного топливного элемента, где 1 - герметичный корпус анодной электропроводящей пластины; 2 - герметичный корпус катодной электропроводящей пластины; 3 - анодная электропроводящая пластина; 4 - катодная электропроводящая пластина; 5 - корпус микробного топливного элемента; 6 - гибкий перфорированный проводник в анодной области; 7 - сепаратор; 8 - гибкий перфорированный проводник в катодной области; 9 - электропроводящий углеродосодержащий материал; 10 - питательный субстрат с микроорганизмами; 13 - элемент для введения питательного субстрата и микроорганизмов; 14 - элемент для удаления питательного субстрата и микроорганизмов.
На фиг. 4 представлен поперечный разрез (вид В-В) микробного топливного элемента, где 1 - герметичный корпус анодной электропроводящей пластины; 3 - анодная электропроводящая пластина; 5 - корпус микробного топливного элемента; 6 - гибкий перфорированный проводник в анодной области; 9 - электропроводящий углеродосодержащий материал; 10 - питательный субстрат с микроорганизмами.
Микробный топливный элемент, работающий на основе окисления питательного субстрата с помощью микроорганизмов, содержит, расположенные в одной емкости, анодную, заполненную питательным субстратом, содержащим в качестве источника электронов электрогенные микроорганизмы, и катодную области, разделенные сепаратором 7, проницаемым для протонов водорода. В анодной области расположен устойчивый к коррозии гибкий перфорированный проводник 6, по обе стороны которого расположен электропроводящий углеродосодержащий материал 9, образующий электрический контакт с гибким перфорированным проводником 6, соединенный с электропроводящей пластиной 3, выполненной в герметичном корпусе 1, при этом гибкий перфорированный проводник 6 и, расположенный по обе стороны от него, электропроводящий углеродосодержащий материал 9 свернуты в спираль. В катодной области расположен устойчивый к коррозии проводник 8, проницаемый для протонов водорода, соединенный с электропроводящей пластиной 4, выполненной в герметичном корпусе 2, при этом топливный элемент содержит внешние выводы 11 от электропроводящих катодной 4 и анодной 3 пластин, выполненные с изолирующим покрытием, при этом в анодной области выполнены элементы для введения 13 и удаления 14 питательного субстрата и микроорганизмов.
В качестве питательного субстрата могут быть использованы: ацетат, глюкоза, трипсин-соевый бульон, лактат, лизогенная среда LB, бытовые сточные воды.
При этом в некоторых вариантах исполнения для увеличения электрохимической активности питательный субстрат может содержать оксид графена, который при взаимодействии с микроорганизмами повышает эффективность формирования электроактивной, макропористой биопленки на электропроводящем углеродосодержащем материале 9 и обеспечивает повышение эффективности двунаправленного переноса электронов между микроорганизмами и гибким электропроводящим проводником 6 благодаря повышению интенсивности роста биомассы и усиленному внеклеточному переносу электронов, основанному на прямом контакте, а также хлорид натрия для увеличения электрической проводимости среды.
В качестве электрогенных бактерий могут быть использованы Erwinia dissolven, Actinobacillus succinogenes, Alcaligenes faecalis, Clostridium beijerinckii, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus lactis, Escherichia coli, Lactobacillus plantarum, Geobacter metallireducens, Klebsiella pneumoniae, Gluconobacter oxydans, Proteus mirabilis, Aeromonas hydrophila, Pseudomonas aeruginosa, Rhodoferax ferrireducens, Enterococcus gallinarum, Shewanella oneidensis, Geobacter sulfurreducens, Shewanella putrefaciens, Desulfovibrio desulfuricans.
Осуществление полезной модели
Как показано в представленном на фиг. 1-4 варианте исполнения, микробный топливный элемент представляет собой полипропиленовый корпус 5 цилиндрической формы с дном, в котором выполнены анодная, заполненная питательным субстратом, содержащим в качестве источника электронов электрогенные микроорганизмы, и катодная области, разделенные сепаратором 7, проницаемым для протонов водорода.
В представленном варианте исполнения сепаратор выполнен из тонкого слоя графитового войлока, покрытого снизу гидрофобным составом для устранения капиллярного эффекта и снижения испарения влаги, и выполняет роль перегородки из проницаемого для протонов водорода материала, разделяющей анодную и катодную области.
Снизу и сверху анодной области просверлены отверстия, в которые установлены элементы для подачи для введения 13 и удаления 14 питательного субстрата и микроорганизмов. При этом подача питательного субстрата и микроорганизмов в анодную область осуществляется при помощи насоса из емкости.
В анодной области расположен корпус 1 электропроводящей пластины, в котором на задней стенке расположена непосредственно электропроводящая пластина 3 из фольгированной меди, а передняя стенка выполняет функцию прижимного элемента. К анодной электропроводящей пластине припаян медный одножильный провод 11, выполненный в изоляции, второй конец которого выведен из корпуса сверху. Кроме того, в анодной области также расположен устойчивый к коррозии гибкий перфорированный проводник 6, представляющий собой сетку из нержавеющей стали. С двух сторон от нержавеющей сетки 6 наложены листы углеродосодержащего материала 9 из графитового войлока, после чего скреплены с нержавеющей сеткой полимерной нитью. Далее, часть сетки из нержавеющей стали заводится в корпус 1 электропроводящей пластины таким образом, чтобы обеспечить контакт гибкого перфорированного проводника 6 из нержавеющей стали и электропроводящей анодной пластины 3. После чего осуществляется соединение элементов корпуса 1 и электропроводящей платины 3 с гибким перфоририванным проводником 6 в виде сетки из нержавеющей стали болтовым соединением с помощью винтов и гаек из нержавеющей стали через соосные отверстия для соединения, расположенные на обеих частях корпуса 1 электропроводящей пластины и на самой пластине 3. После соединения зазоры между частями корпуса 1 электропроводящей пластины герметизируются составом из эпоксидной смолы. При этом гибкий перфорированный проводник 6, соединенный с электропроводящей пластиной, и, расположенный по обе стороны от него, электропроводящий углеродосодержащий материал выполнены свернутыми в спираль под диаметр цилиндрического корпуса.
Как показано на фиг. 1-4 в катодной области расположены корпус 2 катодной электропроводящей пластины, имеющий форму кольца, в котором на задней стенке расположена непосредственно электропроводящая пластина 4 из фольгированной меди, а передняя стенка выполняет функцию прижимного элемента, и устойчивый к коррозии гибкий перфорированный проводник 8, представляющий собой сетку из нержавеющей стали, установленный между стенками корпуса 2 катодной электропроводящей пластины таким образом, чтобы обеспечить контакт гибкого перфорированного проводника 8 из нержавеющей стали и электропроводящей катодной пластины 4. При этом к катодной электропроводящей пластине припаян медный одножильный провод 11, выполненный в изоляции, второй конец которого выведен из корпуса сверху. Соединение элементов корпуса 2 и электропроводящей платины 4 с гибким перфорированным проводником 8 в виде сетки из нержавеющей стали осуществляется болтовым соединением с помощью винтов и гаек из нержавеющей стали через соосные отверстия для соединения, расположенные на обеих частях корпуса 2 электропроводящей пластины и на самой пластине 4.
Принцип работы микробного топливного элемента.
В анодной области происходит окисление питательного субстрата с выделением продуктов реакции: протонов водорода, свободных электронов, углекислого газа. Протоны водорода, имея положительный электрохимический потенциал, диффундируют в катодную зону, под действием градиента потенциала, возникающего между протонами водорода и окислителем. Электроотрицательность окислителя влияет на скорость протекания процесса диффузии протонов водорода в катодную область. При протекании данного процесса, вблизи катода, формируется область с положительным электрическим потенциалом. Это объясняется расположением катода на границе анодной и катодной зон. Катод является проницаемым для протонов водорода. Весь объем протонов, в процессе диффузии, протекает через катод и консолидируется в катодной области. При коммутации электродов происходит упорядоченное движение электронов в область с более положительным потенциалом через внешнюю цепь. На катоде происходит восстановление водорода и образование ковалентных связей с молекулами окислителя. Побочным продуктом химической реакции в катодной области является вода.
Применение проводящего электрический ток углеродосодержащего материала в анодной зоне, образующего электрический контакт с перфорированным, устойчивым к коррозии, гибким проводником, позволило увеличить удельную площадь поверхности анода, снизить электрическое сопротивление анода и увеличить площадь, доступную для роста биопленки, что, в свою очередь, повысило эффективность переноса электронов от общего количества микроорганизмов в анодной камере к аноду, при непосредственном контакте биопленки с его поверхностью, что позволило увеличить выходную плотность тока микробного топливного элемента и общую эффективность работы устройства.
Кроме того, применение перфорированного, устойчивого к коррозии, гибкого проводника, по обе стороны которого расположен углеродосодержащий материал, имеющий электрический контакт с ним, и герметичного корпуса электропроводящей пластины, в которой перфорированный, устойчивый к коррозии гибкий проводник соединяется с пластиной из проводящего материала, а также герметичное соединение электропроводящей пластины с проводником, поверх которого нанесена диэлектрическая герметичная изоляция, второй конец которого выведен наружу для возможности электрического соединения микробного топливного элемента с внешней электрической цепью, позволило обеспечить надежный, устойчивый к химическим воздействиям и изолированный от других проводников электрический контакт проводникового углеродосодержащего материала анода с проводником, обеспечивающим возможность электрического соединения анода с внешней электрической цепью. При этом применение материала-посредника, в роли которого выступает перфорированный, устойчивый к коррозии гибкий проводник, позволило устранить попадание веществ питательного субстрата, находящихся в жидком состоянии, в место контакта с проводящей пластиной, расположенной внутри герметичного корпуса анода, что повысило коррозионную устойчивость контактного соединения на электропроводящей пластине.
Также заявляемая конфигурация конструкции анода позволила увеличить площадь контакта электропроводящего углеродосодержащего материала с гибким, устойчивым к коррозии, проводящим материалом, имеющим меньшее значение удельного сопротивления, относительно углеродосодержащего материала, что также снизило сопротивление анода и, как следствие, снизило энергетические потери и повысило эффективность работы микробного топливного элемента.
Спиралевидная конфигурация анода позволила увеличить его рабочую площадь и распределить ее по объему анодной зоны цилиндрической формы, что позволило увеличить плотность выходного тока микробного топливного элемента, с единицы объема анодной зоны.
Конструкция герметичной корпуса катодной электропроводящей пластины обеспечивает надежный, защищенный от воздействия внешних химических воздействий, электрический контакт проницаемого для протонов водорода проводника с катодной проводящей пластиной, которая также соединена с проводником, обеспечивающим возможность электрического соединения катода с внешний электрической цепью, что увеличивает срок службы и надежность катода, тем самым повышая эффективность работы микробного топливного элемента. Кроме того, применение сепаратора, проницаемого для протонов водорода, разделяющего анодную и катодную области, обеспечивает снижение скорости испарения жидкости из анодной зоны, что увеличивает срок непрерывной работы микробного топливного элемента.
В свою очередь, наличие на корпусе элементов для введения и удаления питательного субстрата и микроорганизмов из анодной области позволяет осуществить обновление питательного субстрата и микроорганизмов без необходимости демонтажа катода, а также способствует фильтрации жидкости, проходящей через анодную зону, за счет оседания части нерастворимых веществ в объеме анодной камеры, что также положительно влияет на степень ее очистки и повышает эффективность работы устройства.
Кроме того, добавление оксид графена в питательный субстрат для увеличения электрохимической активности и хлорида натрия для увеличения электрической проводимости среды повышает эффективность формирования электроактивной, макропористой биопленки на электропроводящем углеродосодержащем материале и обеспечивает повышение эффективности двунаправленного переноса электронов между микроорганизмами и гибким электропроводящим проводником благодаря повышению интенсивности роста биомассы и усиленному внеклеточному переносу электронов, основанному на прямом контакте, что также повышает эффективность работы заявляемого устройства.
Таким образом, существенные признаки данного технического решения позволяют повысить эффективность работы микробного топливного элемента, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.