РАСТИТЕЛЬНО-МИКРОБНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к технике получения электрической энергии при культивировании растений за счет способности корневой системы к электрогенезу.
+
+
2+
2+
4+
-
3-
4-
2-
2
4
Производство электроэнергии в растительно-микробном топливном элементе (РМТЭ) основано на взаимодействии растений и микроорганизмов: органические соединения, выделяемые корнями растений, окисляются электрохимически активными бактериями, в результате чего выделяется углекислый газ и образуются свободные носители заряда (протоны и электроны). Принцип работы РМТЭ основан на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) между электродами, находящимися в средах с разными окислительно-восстановительными потенциалами и соединенных внешней цепью. В качестве ЭДС выступает корневая система растений - в результате транспорта положительных (Na, К, Са, Mg, NH и др.) и отрицательных (Cl, NO, HPO, SO и др.) ионов через системы пор, ионных помп, обменников и каналов плазматической мембраны клеток корня в ризосферной среде наблюдается разделение зарядов и возникает разность потенциалов. Причем направление движения ионов и, соответственно, направление электрического тока, зависит от метаболизма корневой системы.
Известен биореактор для получения электрической энергии (см. патент RU 2700653, МПК Н01М 8/16, H02J 7/00, опубл. 18.09.2018), включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенные мембраной. Анодная камера заполнена биожидкостью, а анод и катод выполнены из электропроводного углеродного материала, при этом анод выполнен с металлической сердцевиной. Биореактор снабжен повышающим генератором импульсов с переменным конденсатором, переменным резистором, повышающей катушкой индуктивности, диодным мостом и электролитическим конденсатором. Катодная камера выполнена с вентиляционными отверстиями в корпусе, а электроды установлены горизонтально. Сердцевина анода и катода выполнена в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном электропроводном углеродном материале.
Недостатком известного биореактора является необходимость подстройки переменного конденсатора во время работы генератора и использование электролита дополнительно к биожидкости.
Известен биотопливный элемент (см. патент RU 2657289, МПК Н01М 8/16, Н01М 4/96, опубл. 13.06.2018), состоящий из анода и катода, соединенных электрическими проводами с нагрузкой. Катод расположен над анодом и их взаиморасположение обеспечено поддерживающим устройством. Анод и катод выполнены из электропроводящего углеродного войлока с развитой поверхностью. На поверхность анода нанесены органические вещества, обеспечивающие при эксплуатации формирование на нем биопленки электрогенной микрофлоры. На одном из оснований анода, ориентированном к катоду, расположена водогазонепроницаемая пластина, повторяющая форму и имеющая размеры, соответствующие катоду.
Недостатком известного устройства является отсутствие постоянной диффузионной ЭДС.
Известна двухсекционная установка для получения электрической энергии из сине-зеленых водорослей (см. патент RU 2726327, МПК Н01М 8/16, Н01М 4/96, B82Y 40/00, С01 В 3/36, опубл. 13.07.2020), включающая трубопровод, биовегетарий, источник света, гидротаранный механизм и биореактор с разделенными мембраной анодом и катодом, выполненными из электропроводного углеродосодержащего наноструктурированного войлока, колонны из светопроницаемого материала, соединенные трубопроводами через гидравлические затворы с гидротаранным механизмом и емкость для воды. Биовегетарий снабжен анодом и катодом, разделенными мембраной. Биовегетарий и биореактор снабжены разделительной сеткой, расположенной под анодом.
Недостатком известного устройства является необходимость постоянного пополнения питательных ресурсов, реализованных в виде гидроэнергии течения реки или ручья.
Известен биоэлектрохимический топливный элемент (см. патент RU 162308, МПК Н01М 8/16, опубл. 10.06.2016), выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом. Анодная камера выполнена герметичной, а катодная аэрируется. Анод и катод, в соответствующих камерах, выполнены из микроканальных пластин, к которым подведен токосниматель.
Недостатком известного устройства является использование трудно изготавливаемых путем специального отжига в водороде микроканальных пластин, а также необходимость аэрации катодной камеры.
Известна установка для получения электрической энергии из сине-зеленых водорослей (см. патент RU 2699123, МПК Н01М 8/16, опубл. 03.09.2019), включающая трубопровод, биовегетарий и источник света. Установка снабжена гидротаранным механизмом и биореактором с анодом и катодом, разделенными мембраной, выполненными из электропроводного углеродосодержащего войлока. Биовегетарий выполнен из светопроницаемого материала в виде колонн, соединенных трубопроводами через гидравлические затворы с гидротаранным механизмом, емкостью для воды и биореактором.
Недостатком известного устройства является сложность эксплуатации, обусловленная размещением биовегетария и биореактора в отдельных емкостях.
Известно устройство для преобразования световой энергии в электрическую (см. патент ЕР 2137782, МПК Н01М 8/06, Н01М 8/16, опубл. 30.12.2009), включающее реактор, содержащий анодный отсек с анодным материалом и катодный отсек, отделенные протон-селективной мембраной. Катод и анод расположены параллельно в вертикальной плоскости. Анодный отсек содержит анодофильный микроорганизм, способный окислять электронодонорное органическое соединение, и живое растение или его часть, способную преобразовывать световую энергию посредством фотосинтеза в электронодонорное органическое соединение, при этом корни растения, по существу, находятся в анодном материале.
Недостатком известного устройства являются значительные потери энергии из-за съема тока, генерируемого только в процессе метаболизма микроорганизмов. Кроме того ограничен выбор подходящих совместимых растений - корневая система должна быть приспособлена к анаэробным условиям, необходимым для функционирования анодной камеры.
Известен растительно-микробный топливный элемент (см. Кулешова Т.Э., Иванова А.Г., Кручинина И.Ю., Шеина И.Ю., Удалова О.Р., Жесткое А.С., Галушко А.С., Панова Г.Г., Галль Н.Р. - Растительно-микробные топливные элементы на основе неинвазивных электродных систем // В сборнике: VI Съезд биофизиков России. Сборник научных трудов, 2019, с. 382-383), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Растительно-микробный топливный элемент-прототип включает светонепроницаемую растильню с живыми растениями и сопутствующей им микрофлорой, содержащую питательную среду, два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода, подключенные проводниками с электроизолирующим покрытием к выходным контактам, при этом один электрод расположен у поверхности питательной среды, а другой электрод установлен на дне растильни.
Растительно-микробный топливный элемент-прототип не обеспечивает стабильную выработку электроэнергии при подключении потребителей электрического тока из-за смены полярности электродов в процессе жизнедеятельности растений.
Задачей настоящей полезной модели является разработка растительно-микробного топливного элемента, который бы обеспечивал стабильную выработку электроэнергии постоянной полярности.
Поставленная задача достигается тем, что растительно-микробный топливный элемент включает светонепроницаемую растильню с живыми растениями и сопутствующей им микрофлорой, содержащую питательную среду, два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода, подключенные проводниками с электроизолирующим покрытием к выходным контактам, при этом один электрод расположен у поверхности питательной среды, а другой электрод установлен на дне растильни. Новым в настоящей полезной модели является то, что в растительно-микробный топливный элемент введен диодный мост, к входу которого подключены проводники с электроизолирующим покрытием, а выход диодного моста соединен с выходными контактами.
В растительно-микробном топливном элементе питательная среда может быть выполнена в виде питательного раствора или в виде почвенного субстрата.
Пористые электроды могут быть выполнены из графитового войлока или в виде сетки из нержавеющей стали, обеспечивающие нахождение в них большого количества микроорганизмов, формирующих электрогенные характеристики биохимического топливного элемента.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически изображен настоящий растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде питательного раствора;
на фиг. 2 схематически показан настоящий растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде почвенного субстрата;
на фиг. 3 приведена зависимость биоэлектрического потенциала в растительно-микробном топливном элементе с подключенным перед выходными контактами диодным мостом (кривая 16) и без диодного моста (кривая 15).
Растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде питательного раствора 1 (см. фиг. 1) содержит светонепроницаемую растильню 2 с живыми растениями 3 и сопутствующей им микрофлорой (на чертеже не показана). Размеры растильни 2 выбирают, исходя из потребностей живых растений 3, а высоту растильни 2 подбирают в зависимости от длины корневой системы растений 13. В растильне 2 установлены два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода 4, 5, подключенные проводниками 6 с электроизолирующим покрытием на вход диодного моста 8, выход которого соединен с выходными контактами 7. К выходным контактам 7 присоединяют внешнюю нагрузку 9, требующую постоянства полярности питания. Электрод 4, выполненный из графитового войлока или в виде сетки из нержавеющей стали, расположен на дне растильни 2. Посередине растильни 2 установлена платформа 10 для размещения растений 3. Поверхность платформы 10 покрыта влагопроводящей тканью 11, частично погруженной в питательный раствор 1, поднимающей его до корневых шеек растений 3 за счет капиллярного эффекта и заполняющий растильню 2 до уровня 12. На платформе 10 установлен верхний электрод 5, также изготовленный из графитового войлока или нержавеющий стали, через который проходит корневая система 13 растений 3. Уровень питательного раствора 1 поддерживают постоянным. Растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде почвенного субстрата 14, показан на фиг. 2. В таком растительно-микробном топливном элементе два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода 4, 5 размещают в почвенном субстрате 14, соответственно, на дне растильни 2 и у корневых шеек растений 3.
+
+
2+
2+
4+
-
-
4-
2-
3
2
4
Растительно-микробный топливный элемент работает следующим образом. В начале вегетационного периода, когда корневая система 13 слабо развита и еще не достигла дна растильни 2, то есть нижнего электрода 4, электрогенные свойства растительно-микробного топливного элемента обусловлены окислительно-восстановительными реакциями в питательной среде. В качестве электродвижущей силы (ЭДС) выступают химические реакции и создаваемая разность потенциалов на верхнем электроде 5, находящемся вблизи воздушной среды, и нижнем электроде 4, погруженном в корнеобитаемую среду, заполняющую растильню 2. По аналогии с химическими источниками тока, электроны по внешней цепи движутся от нижнего электрода 4 к верхнему электроду 5, в случае положительно заряженного нижнего электрода 4 и отрицательно заряженного верхнего 5. В зависимости от скорости роста корневой системы 13 и вида растений 3, начиная примерно с 3-15 суток вегетационного периода, наблюдается рост биоэлектрического потенциала, связанный с развитием корневой системы 13 и установлением поверхностного электрического контакта с нижним электродом 4. В результате транспорта положительных (Na, К, Са, Mg, NH и других) и отрицательных (Cl, NO, HPO, SO и других) ионов через системы пор, ионных помп, обменников и каналов плазматической мембраны клеток корневой системы 13, в ризосферной среде наблюдается разделение зарядов и возникает электрический градиент. В этом случае корневая система 13 играет роль дополнительной диффузионной ЭДС. Цитоплазма живых клеток заряжена отрицательно по отношению к наружной среде, то есть существует разность электрических потенциалов, которая может служить движущей силой ионного транспорта, при этом облегчается поступление катионов внутрь клетки и выход из нее анионов. На более поздних стадиях вегетации, начиная примерно с 20-го дня развития растений 3, возможна смена полярности (см. фиг. 3, кривая 15), причиной чего может быть увеличение интенсивности выделения ризодепозитов в прикорневой зоне. Введение в растительно-микробный топливный элемент диодного моста 8, к входу которого подключены проводники 6 с электроизолирующим покрытием, а выход которого соединен с выходными контактами 7, обеспечивает фиксированную полярность на внешней нагрузке 9 (см. фиг. 3, кривая 16).
3
2
Пример. Был изготовлен опытный образец растительно-микробного топливного элемента, состоящий из растильни объемом 390×100×60 мм, в которой были размещены два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода из графитового войлока толщиной 5 мм, платформа для поддержания растений, покрытая влагопроводящей тканью, питательный раствор, занимающий половину объема растильни, 15 проростков растений салата сорта Азарт, подводящие провода, соединенные с входом диодного моста, к выходу которого было подключено устройство для автоматического измерения напряжения (микроконтроллер). Испытания проводили в условиях интенсивной светокультуры, для освещения растений использовали лампы ДНаТ, облученность составляла (70-75) Вт/м в области фотосинтетически активной радиации (ФАР). Температуру воздуха поддерживали в пределах +(20-22)°С днем и +(18-20)°С - ночью, относительную влажность воздуха - (65-70)%. В начале вегетационного периода нижний электрод был заряжен положительно, а верхний - отрицательно. Проведено сравнение динамики получаемых биоэлектрических потенциалов в ходе работы РМТЭ с диодным мостом на выходе (см. фиг. 3, кривая 16) и без него (см. фиг. 3, кривая 15). В варианте с диодным мостом наблюдалась постоянная полярность в течение всего периода вегетации, причем падения напряжения, связанного с работой диодного моста в такой системе, не зафиксировано.
Было также проведено сравнение показателей качества и продуктивности растительных культур на примере салата сорта Азарт, при выращивании стандартным методом панопоники и при организации биохимического топливного элемента. Установка электродов в растильню и подключение внешней цепи с нагрузкой 100 кОм не отразились на показателях роста, продуктивности и качестве полученной растительной продукции. Полученная зеленая масса, соответствующая стадии технической спелости салата, площадь листа, высота растений, содержание сухого вещества практически не различаются и лежат в диапазоне значений, обычно получаемых при стандартном культивировании методом панопоники. Биохимический состав растительной продукции также показал хорошие результаты. Содержание нитратов не превышает ПДК. Количество витамина С в контрольном варианте на 27% выше, но при этом в биохимическом топливном элементе наблюдается повышенное на 40% содержание Сахаров.
Таким образом, настоящий растительно-микробный топливный элемент позволяет использовать электрогенные свойства растительных организмов с участием сопутствующих им электрогенных хемоорганогетеротрофных микроорганизмов для получения экологически чистой альтернативной электроэнергии. Применение электрической активности корневой системы растений в качестве электродвижущей силы позволяет обеспечить длительную и устойчивую работу растительно-микробного топливного элемента, постоянство значений напряжения и полярности в течение 24 часов в сутки в многосуточном режиме. Настоящий растительно-микробный топливный элемент с фиксированной полярностью, с одной стороны, может обеспечить электропитание для установки различных маломощных датчиков, с другой стороны, в условиях защищенного грунта при аварийных ситуациях такой растительно-микробный топливный элемент мог бы поддерживать работу жизнеобеспечивающих растения устройств. Настоящий растительно-микробный топливный элемент, в котором основная электродвижущая сила создается корневой системой растений, может быть использован как для зарядки аккумуляторов или для создания маломощных источников питания, способных частично обеспечить жизнедеятельность растений за счет снабжения электрической энергией источников света на основе светодиодов, различных датчиков параметров окружающей среды и физиологического состояния растений, насосов капельного полива, циркуляционных насосов, так и для применения в научных исследованиях в области растениеводства, агрофизики, биофизики растений в качестве биосенсора для мониторинга состояния растительного организма и корректировки технологий выращивания. Настоящий растительно-микробный топливный элемент может быть реализован как при выращивании растений в условиях естественного освещения, при этом накопленное электричество, вырабатываемое в прикорневой зоне, можно расходовать в темный период для светодиодного освещения границ клумб, дорог, питания датчиков состояния окружающей среды, сигнализации, пожарной безопасности и др.; так и в условиях интенсивной светокультуры для питания фитотехкомплекса, в том числе в аварийном режиме, при временном отключении внешнего энергоснабжения, что необходимо для сохранности выращиваемых растений.