Содержание к диссертации
Введение
1 Биологические топливные элементы 8
1.1. Устройство и классификация биологических топливных элементов 8
1.2. Особенности работы ферментных топливных элементов 8
1.3. Общие представления о микробном метаболизме 11
1.3.1. Катаболизм углеводов 14
1.3.2. Дыхательная цепь 16
1.3.3. Искусственные акцепторы электронов 18
1.3.4. Особенности брожения осуществляемого микроорганизмами семейства Enterobacteriaceae 20
1.4. Механизмы электронного переноса в микробных топливных элементах
1.4.1. Медиаторный электронный перенос 20
1.4.2. Прямой электронный перенос 26
1.5. Основные проблемы и оптимизация условий работы микробного топливного элемента 28
1.6. Применение микробных топливных элементов 32
1.6.1. Очистка сточных вод 3 2
1.6.2. Седиментные микробные топливные элементы 33
1.6.3. Производство водорода 33
1.6.4. Создание гастророботов 34
2 Методика эксперимента 35
2.1. Материалы и приборы 35
2.1.1. Микроорганизмы 35
2.1.2. Экспериментальная ячейка 35
2.1.3. Реактивы 36
2.1.4. Рабочий электрод 36
2.1.5. Электрохимические измерения 37
2.2. Методика биоэлектрохимического эксперимента 37
2.3. Методика снятия разрядньгх кривых в макете микробного топливного элемента 38
3 Изучение кинетики процесса окисления глюкозы с помощью клеток Escherichia coli в присутствии экзогенных медиаторов методом вращающегося дискового электрода 41
3.1. Электрохимическое поведение редокс-медиаторов в рабочем электролите на стеклографитовом электроде
3.2. Оценка эффективности работы редокс-медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза — клетки Escherichia coli
4 Изучение каталитической активности микроорганизма Escherichia coli при окислении глюкозы в присутствии экзогенных медиаторов 71
5 Апробация работы микробного медиаторного анода в макете микробного топливного элемента 86
5.1. Электрохимические характеристики микробного медиаторного анода в макете микробного топливного элемента
5.2. Кинетика анодного окисления микробного медиаторного анода 89
Выводы 94
- Особенности работы ферментных топливных элементов
- Основные проблемы и оптимизация условий работы микробного топливного элемента
- Оценка эффективности работы редокс-медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза — клетки Escherichia coli
- Кинетика анодного окисления микробного медиаторного анода
Введение к работе
Актуальность темы. На протяжении XX века мировой расход энергии существенно возрос, что привело энергетику в неуравновешенное состояние. Интерес к разработке альтернативных источников энергии, в том числе и химических источников тока, не ослабевает в связи с грядущим глобальным истощением на Земле источников полезных ископаемых, используемых для нужд энергетики. В настоящее время новым витком в развитии электрохимической энергетики является создание биологических топливных элементов, которые находят применение для очистки сточных вод [1,2], производства водорода [3,4], в медицине (запитывание имплантируемых устройств) [5].
Особенности работы ферментных топливных элементов
Биологические топливные элементы (БТЭ) - это электрохимические устройства, в которых реакции на одном или обоих электродах реализуются биокаталитически при умеренных температурах и давлениях [18]. В зависимости от способа взаимодействия биологического катализатора с электродом БТЭ обычно делят на два типа [6]: - элементы, в которых топливо, например, водород, генерируют биологически в отдельной камере, а затем подают в электродное отделение для последующего электрохимического окисления; это БТЭ «косвенного» действия (рис. 1.1а); - элементы, в которых непрерывное поступление электронов обеспечивается прямым взаимодействием биокатализатора с электродом, причем этот процесс часто облегчается при использовании медиатора; это БТЭ «прямого» действия (рис. 1.1 б). В свою очередь, последние подразделяются на ферментные топливные элементы (ФТЭ) и микробные топливные элементы (МТЭ). 1.2. Особенности работы ферментных топливных элементов Движущая сила ферментного топливного элемента - это окислительно-восстановительная реакция используемого субстрата (например, углевода или спирта), катализируемая ферментом. Характеристики ферментных топливных элементов наиболее полно представлены в обзоре [9]. Для объяснения принципа действия ферментного топливного элемента на рис. 1.2 приведена анодная часть последнего, которая обычно содержит фермент, медиатор (R) и субстрат. - относительно дороги, так как получение, выделение и очистка ферментов сопряжены со значительными материальными и временными затратами; - ограниченное время работы в связи с постепенной инактивацией ферментов; - присущая ферментам узкая субстратная специфичность и частая под верженность ингибированию ограничивает их применение для муль- тикомпонентных сред (например, отходов). Указанные обстоятельства накладывают достаточно жесткие требования к аппаратурному оформлению ферментных топливных элементов и составу используемых субстратов.
В связи с этим более перспективным направлением является подход, основанный на использовании в качестве биокатализаторов целых микроорганизмов. 1.3. Общие представления о микробном метаболизме Наиболее перспективным направлением является подход, основанный на использовании в качестве биокатализаторов целых микроорганизмов, поскольку по сравнению с ферментами они обладают рядом существенных преимуществ [19,20]: - изменчивость микроорганизмов очень велика, и, в принципе, они могут служить биокатализаторами для широкого круга природных соединений углерода; - стоимость производства многих микроорганизмов не слишком велика, тогда как выделение фермента из его источника обходится дорого; - микробные катализаторы позволяют получить более высокий выход электронов (окисление в клетках включает несколько стадий разложения субстрата); - в микроорганизмах устойчивость и активность ферментов обеспечивается естественной внутриклеточной средой, которую трудно имитировать, а способы иммобилизации клеток довольно просты; - в микроорганизмах ферменты лучше защищены от мешающих или ингибирующих растворенных веществ (например, соединений тяжелых металлов); - для ферментативного биоэлектрохимического переноса электронов часто необходимы коферменты. При использовании микроорганизмов не требуется вводить экзогенные кофакторы, поскольку эти вещества регенерируются в клетках; - многие микроорганизмы подробно охарактеризованы генетически, а методы селекции штаммов с высоким выходом определенных ферментов достаточно отработаны. Разумное использование мутации позволяет дополнительно увеличить активность, селективность и специфичность микроорганизмов. Огромное разнообразие микроорганизмов, их уникальные свойства и особенности метаболизма дают неисчерпаемый ресурс для создания МТЭ, которые интенсивно разрабатывают в настоящее время [21-30]. По существующей в настоящее время классификации они могут быть медиаторными (за счет внешних или внутренних переносчиков электронов, проникающих через клеточную мембрану) [31] или безмедиаторными (например, на основе металловосстанавливающих бактерий, которые имеют цитохромы в наружной мембране и способны электрически контактировать с электродной поверхностью) [32]. Одноклеточный организм представляет собой высокоорганизованную материю и уникален тем, что обладает собственным обменом веществ. Совокупность всех химических превращений, происходящих в клетках, называется метаболизмом [33]. Благодаря метаболизму микроорганизмы получают энергию солнечного света или химическую энергию из субстратов окружающей среды. Они превращают экзогенные вещества в строительные блоки, из которых синтезируют полимерные структуры (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды) и прочие компоненты клеток. Метаболизм подразделяют на энергетический и конструктивный, как отображено на рис. 1.3. В конструктивной ветви метаболизма осуществляется биосинтез для внутренних нужд клетки (анаболизм) и активный транспорт питательных веществ. При этом расходуется энергия, запасенная ранее в виде высокоэнергетических фосфоэфирных связей АТФ (аденозинтрифосфата), причем часть энергии может непроизводительно рассеиваться, например, в виде тепла.
В энергетической ветви метаболизма осуществляется распад молекулы субстрата и её биологическое окисление (катаболизм) и синтез АТФ из АДФ (аденозиндифосфата) и неорганического фосфат-иона (Фн). По источнику используемой энергии микроорганизмы делят на фото-синтезирующие, или фототрофные, и хемосинтезирующие, или хемотроф-ные. Первые в качестве источника энергии используют свет, вторые - химические вещества. Для большинства хемоорганотрофных микроорганизмов основными питательными веществами являются углеводы. Рассмотрим наиболее под- робно энергетическую ветвь метаболизма углеводов, осуществляемого хемо-трофными микроорганизмами в процессе дыхания. Метаболизм углеводов можно рассматривать на примере метаболизма гексоз (глюкозы, фруктозы), так как все полисахариды, перед тем как включиться в обмен веществ микроорганизма, подвергаются деструкции экзофер-ментами. Крахмал, целлюлоза, клетчатка при деструкции образуют гексозы, которые затем участвуют в метаболизме [34]. Гексозы после ряда предварительных этапов расщепляются «пополам». Расщепление может осуществляться по трем основным путям: фруктозобис-фосфатный путь (гликолиз или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса), пентозо-фосфатный путь (гексозомонофосфатный путь или схема Варбурга-Диккенса-Хореккера), кетодезоксифосфоглюконатный путь (путь Энтнера-Дудорова). Продукты расщепления превращаются в пировиноградную кислоту (пируват), которая занимает ключевое положение в промежуточном метаболизме, так как служит исходным соединением во многих процессах синтеза и распада. Фруктозо-1,6-бисфосфатный путь расщепления глюкозы приведен на рис. 1.4. В результате декарбоксилирования пирувата образуются С2-соединения, которые связываются сначала с подходящей акцепторной молекулой (оксалоацетатом), а затем в цикле трикарбоновых кислот, называемом также циклом лимонной кислоты или циклом Кребса, постепенно окисляются до СОг- Оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) в этом циклическом процессе регенерируется. Восстановительные эквиваленты («водород с электроном»), отщепившиеся на разных этапах окисления органических веществ, переносятся на плазматическую мембрану клетки, где локализован особый аппарат - дыхательная (электрон-транспортная) цепь и фермент АТФ-синтаза.
Основные проблемы и оптимизация условий работы микробного топливного элемента
Лучшим электродным материалом является графит, который доступен в виде графитовых пластинок, стержней или гранул [85,86], а также в виде различных волокнистых материалов (войлок, ткань, пена) [87-90]. Большой интерес представляют пористые графитовые электроды с большой площадью поверхности [91], однако их цена остается высокой для применения в МТЭ. Электрохимически активные вещества, способствующие электронному переносу на анод, могут быть включены в состав электродного материала. Так, введение веществ, содержащих железо и марганец, в состав анода, а также использование ковалентно связанного нейтрального красного, привело к увеличению мощности МТЭ [81,92]. К сожалению, проблема стабильного закрепления медиаторов на поверхности анода, как с химической, так и с экономической точек зрения все еще до конца не решена. Катод Работа катода существенным образом влияет на генерацию электричества в МТЭ [93]. Катодные реакции могут быть как химическими, так и биохимическими. Кислород - это наиболее подходящий электронный акцептор для МТЭ, благодаря его высокому редокс-потенциалу, низкой цене, доступности, устойчивости и отсутствию химических отходов (вода является единственным конечным продуктом) [94-96]. Однако низкая скорость восстановления кислорода на поверхности графитовых электродов является одним из лимитирующих факторов для оптимальной работы МТЭ. Поэтому платину обычно используют в качестве катализатора для растворенного кислорода или воздушных катодов. Однако ее применение ограничено из-за высокой стоимости и возможного отравления компонентами, присутствующими в растворе. Феррицианид часто используют в МТЭ. Однако его восстановление происходит гораздо быстрее, чем окисление в условиях работы МТЭ. Поэтому он скорее является электронным акцептором, а не катодным медиатором. Кроме того, феррицианид не устойчив и не подходит для длительной работы [93]. Таким образом, для эффективной работы катода требуются катализаторы или электронные медиаторы, использовать которые дорого. В этом плане биокатоды представляют весьма перспективную альтернативу [97]. Они имеют преимущества по нескольким причинам.
Во-первых, потому что металлические катализаторы или искусственные электронные медиаторы оказываются ненужными в МТЭ с биокатодами, так как микроорганизмы функционируют как катализаторы и способствуют электронному переносу. Во-вторых, биокатоды могут увеличить продолжительность действия МТЭ, поскольку отсутствуют такие проблемы, как отравление платины серой или накопление электронных медиаторов. В-третьих, микробный метаболизм в биокатодах может быть использован для производства полезных продуктов или удаления нежелательных соединений. Биокатоды могут быть аэробными и анаэробными в зависимости от конечного электронного акцептора на катоде. Для аэробных биокатодов с кислородом в качестве конечного электронного акцептора электронные медиаторы, такие как железо или марганец, сначала восстанавливаются на катоде, а затем заново окисляются микроорганизмами. Анаэробные биокатоды прямо восстанавливают конечные электронные акцепторы, такие как нитрат и сульфат. В качестве примера рассмотрим биокатод, который использует марганец в качестве электронного медиатора. Восстановление и окисление марганца происходит с высокой скоростью. Первый шаг в цикле является не биологическим, в котором МпСЬ восстанавливается до промежуточного продукта МпООН, принимая один электрон от катода. Затем следует дальнейшее восстановление МпООН до иона МгГ+ посредством принятия второго электрона. На следующей стадии микроорганизм Leptothrix discophora заново окисляет ион Мп до МпОг, при этом происходит освобождение двух электронов, которые потребляются кислородом. Анод этого МТЭ содержит микроорганизм Klebsiella pneumoniae в качестве биокатализатора для окисления глюкозы в присутствии электронного медиатора 2-гидрокси-1,4-нафтохинона. Показано, что мощность такого МТЭ увеличилась более чем в 40 раз, применяя биологическую реакцию на катоде. Все же для успешного применения биокатодов необходимы дополнительные исследования. Во-первых, должны быть полностью изучены механизмы бактериального электронного переноса на катоде. Во-вторых, должно быть поддержано преобладание электрохимически активных бактерий над другими бактериями на катоде, в особенности в природных системах или когда сточные воды используют как католит. Присут- ствие наряду с электродом других электронных доноров может уменьшить мощность МТЭ. Протонообменная мембрана Значительные трудности представляет собой выбор и срок службы ионообменной мембраны, разделяющей анодное и катодное пространства. В МТЭ можно использовать различные типы мембран [98,99]. Мембрана Nafion широко применяется как протонобменная мембрана для МТЭ [100,101]. Эта мембрана является высоко селективной для протонов, но низкой по стабильности, поскольку чувствительна к загрязнению. Лучшие результаты были получены, используя катионобменную мембрану Ultrex [102]. Эта мембрана является менее селективной, но более стабильной и способна работать в течение трех месяцев. Протонобменая мембрана увеличивает внутреннее сопротивление системы, поэтому в некоторых исследованиях ее удаляют, чтобы увеличить мощность МТЭ, однако из-за диффузии кислорода в анодную камеру происходит уменьшение кулоновской эффективности анода [103].
Таким образом, МТЭ имеют множество нерешенных проблем, поэтому их внедрение пока тормозится. Во многих случаях сточные воды содержат тяжелые металлы или устойчивые органические соединения. Цель очистки сточных вод состоит в освобождении их от твердых и жидких минеральных и органических веществ, прежде чем эти воды попадут в ручьи и реки. С помощью МТЭ возможно прямо генерировать электричество, одновременно совершая очистку сточных вод [104-109]. МТЭ является гибридной системой. На микробиологическом уровне -это система анаэробной очистки. Микроорганизмы должны находиться в анаэробных условиях, чтобы производить электричество. Однако, поскольку кислород используют на катоде — это также система аэробной очистки. Современный технологический стандарт для очистки сточных вод - это анаэробный реактор с восходящим потоком через слой гранулированного ила (UASB-реактор). Удельная мощность UASB-реактора равна примерно 0.5 кВт/м [110]. Наилучший из лабораторных МТЭ пока не достигает этой величины и имеет удельную мощность 0.36 кВт/м3 [54]. 1.6.2. Седиментные микробные топливные элементы Седиментные МТЭ развиты для контроля над такими природными системами, как водоемы, реки, моря [111,112]. В донных отложениях устанавливается отрицательный окислительно-восстановительный потенциал среды. При помещении анода в такую среду, богатую органическими веществами и сульфидами, а катода - в поверхностный (стихийно аэрируемый) слой воды, имеющий положительный потенциал, возникают условия для генерации электричества, которого может быть достаточно для питания некоторых морских устройств. Так, разработан и применяется на практике осадочный топливный элемент для погодных буев. Погодный буй может мерить значения рН, температуру и т.д. и практически не требует обслуживания. Плотности мощности в седиментных МТЭ низкие (до 28 мВт/м") вследствие их высокого внутреннего сопротивления и низких концентраций органических веществ [98].
Оценка эффективности работы редокс-медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза — клетки Escherichia coli
Массоперенос играет важную роль в химических реакциях, поэтому проблемам массопереноса в течение многих лет уделялось большое внимание. В ферментативном катализе проблемы массопереноса начали привлекать внимание исследователей в связи с изучением кинетики действия ферментов и микроорганизмов в электрохимических системах. Гетерогенные превращения на границе раздела фаз (частным случаем которых являются электрохимические реакции) состоят из нескольких, последовательных стадий, среди которых обязательными являются: перенос реагирующих веществ к месту реакции, собственно гетерогенное превращение, и отвод продуктов реакции от реакционной поверхности. Если самой медленной из них является доставка реагирующих веществ или отвод продуктов, то принято считать, что гетерогенное превращение идет в режиме диффузионной кинетики. Если же самым медленным оказывается собственно гетерогенное превращение, то процесс идет в режиме замедленного разряда. Часто гетерогенные превращения, особенно в тех случаях, когда перенос компонентов реакции происходит в жидкой фазе, протекают в режиме смешанной кинетики, то есть в условиях, когда скорости переноса реагентов и собственно гетерогенного превращения сравнимы между собой [119]. Для изучения кинетики процесса окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli в присутствии экзогенных диффузионно- подвижных окислительно-восстановительных медиаторов — метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина решались следующие задачи: - изучение поведения исследуемых медиаторов в биоэлектрохимической системе и определение эффективности их работы; - изучение методом вращающегося дискового электрода электрохимических процессов, протекающих во внешнедиффузионной цепи; - экспериментальное определение кинетических характеристик электродных реакций. С целью изучения кинетики электрохимических процессов, протекающих во внешнедиффузионной цепи, были проведены амперометрические измерения биоэлектрохимического окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli на вращающемся дисковом электроде при различных концентрациях субстрата и исследуемых медиаторов в рабочем электролите.
На рис. 3.13-3.15 приведены потенциостатические кривые анодного окисления метиленового синего на платиновом вращающемся дисковом электроде в рабочем электролите, содержащем 4.6-10" моль/л глюкозы, 2 мг вл.веса/мл клеток и 7.5-Ю"4 моль/л, 9.4-10"4 моль/л и 11.2-Ю"4 моль/л медиатора при различных скоростях вращения дискового электрода. Из рис. 3.13-3.18 видно, что при добавлении бактериальных клеток в рабочий электролит начинается резкое возрастание плотности анодного тока, поскольку происходит увеличение концентрации восстановленной формы метиленового синего в объеме раствора, о чем свидетельствует постепенное обесцвечивание электролита. Кривые проходят через максимум, после чего наблюдается постепенное снижение плотности тока во времени с выходом на постоянное значение, что по всей видимости связано со снижением концентрации окисленной формы медиатора в объеме раствора. Как видно из рисунков величина плотности тока максимума возрастает при увеличении скорости вращения дискового электрода и общая скорость процесса зависит от объемной концентрации медиатора и субстрата в растворе. Из рис. 3.19 и рис. 3.20 видно, что процесс окисления метиленового синего на электроде протекает в режиме смешанного диффузионно-кинетического контроля. Это позволяет определить кинетические характеристики электродной реакции — порядок реакции р и гетерогенную константу скорости к. На рис. 3.21 и рис. 3.22 представлены зависимости обратной плотности тока максимума анодного окисления медиатора от обратной величины корня квадратного из скорости вращения вращающегося дискового электрода при различных концентрациях медиатора и глюкозы. Отрезок, отсекаемый на оси ординат при бесконечной скорости вращения электрода, равен обратной величине кинетического тока процесса окисления глюкозы на биоэлектрохимическом аноде. Из рис. 3.21 и рис. 3.22 следует зависимость кинетического тока от концентрации медиатора и глюкозы, соответственно. Анализ полученных экспериментальных результатов позволяет определить порядок реакции, который является одной из важнейших характеристик механизма электрохимических реакций. На рис. 3.23 и рис. 3.24 представлены зависимости логарифма кинетического тока от логарифма концентрации медиатора и субстрата, соответственно. Эти зависимости представляют собой прямые, из тангенса угла наклона которых следует, что порядок гетерогенной реакции окисления медиатора на электроде приблизительно равен единице, следовательно, кинетический ток пропорционален объемной концентрации медиатора и глюкозы в растворе. Из рис. 3.25 видно, что при добавлении бактериальных клеток в рабо-чий электролит, содержащий 1-10" моль/л глюкозы и раствор галлоцианина при различной концентрации наблюдается медленное возрастание плотности анодного тока, поскольку происходит увеличение концентрации восстановленной формы галлоцианина в объеме раствора, о чем свидетельствует постепенное обесцвечивание электролита. Плотность тока достигает предельного значения за время 2500-3000 с, что примерно в 10 раз продолжительнее, чем для метиленового синего.
При достижении предельной плотности тока раствор галлоцианина полностью меняет окраску от синей до светло-розовой, что свидетельствует о его полном восстановлении. На рис. 3.26 приведена зависимость предельной плотности тока процесса анодного окисления галлоцианина от корня квадратного из скорости вращения дискового электрода при различной концентрации галлоцианина. Как видно из рис. 3.27, при введении бактериальных клеток в рабочий электролит, содержащий 1-Ю"3 моль/л глюкозы и 5-Ю"4 моль/л нейтрального красного не происходит возрастания плотности анодного тока. Аналогичная картина наблюдалась и при других концентрациях нейтрального красного в рабочем электролите. Это связано, по всей видимости, с неудовлетворительной работой нейтрального красного как медиатора, осуществляющего перенос электронов от микроорганизма на электрод. По имеющимся в литературе сведениям [80] окисленная форма нейтрального красного легко проникает через липидный слой мембраны клетки, для того, чтобы забрать электроны, полученные в результате метаболизма глюкозы. Однако, выход восстановленной формы медиатора из клетки в электрохимическую систему затруднен, в связи с чем в липидных слоях мембраны бактериальной клетки происходит его накопление. Выводы по третьей главе: - установлено, что метиленовыи синий и галлоцианин на стеклографи-товом электроде работают обратимо, а нейтральный красный является необратимо работающим окислительно-восстановительным медиатором. Показано, что электрохимические реакции восстановления исследуемых медиаторов на рабочем электроде протекают в режиме диффузионной кинетики. Определены их коэффициенты диффузии, которые близки между собой и составляют (1.3±0.1)-10"6 см2/с, (1Л±0.2)-10"6 см2/с и (1.5±0.1)-10"6 см2/с для метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина, соответвтвенно; - изучено поведение исследуемых медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза-клетки Escherichia coli и показано, что метиленовыи синий и галлоцианин являются наиболее подходящими медиаторами при реализации условий работы микробного медиаторного анода; - изучена кинетика процесса биоэлектрохимического окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli с использованием метиленового синего и галлоцианина в качестве медиаторов.
Кинетика анодного окисления микробного медиаторного анода
В данной главе проведено изучение свойств микробного анода на основе глюкозы и клеток Escherichia coli медиаторного типа в макете микробного топливного элемента. Схема макета микробного элемента приведена на рис. 2.1 (п. 2.3.). В качестве анода использовался пористый графитовый электрод легированный металлической платиной, а в качестве катода использовался производственный диоксидносвинцовый электрод. Рабочее напряжение тако го макета микробного топливного элемента составляло от 1.0 до 1.4 В, что определялось степенью заряженности диоксидносвинцового электрода. Та кое высокое значение напряжения позволило для изучения разрядных харак теристик созданного макета микробного топливного элемента применить I электрическую схему, которая приведена на рис. 2.2 (п. 2.3.). Сопротивление нагрузки менялось от нескольких Ом до нескольких тысяч Ом. Разрядные кривые исследуемого макета микробного топливного элемента при различных разрядных токах приведены на рис. 5.1. Как видно из рис. 5.1а при токе разряда 1 мА разрядная кривая характеризуется практически постоянным значением напряжения, которое незначительно снижается в течение 90 минут. Из изменения потенциалов электродов при разряде видно, что в этих условиях разрядное напряжение меняется за счет снижения потенциала диоксидносвинцового электрода. При этом имеет место некоторое улучшение характеристик микробного анода (его потенциал снижается от -0.028 до -0.046 В). Аналогичная картина наблюдается и при разряде макета микробного топливного элемента при более высоких разрядных токах. На рис. 5.16 приведены разрядные характеристики макета топливного элемента при токе разряда 10 мА. И в этих условиях разряда потенциал микробного анода снижается от -0.024 до -0.033 В, а более существенное снижение разрядного напряжения в этих условиях в основном обусловлено снижением разрядных характеристик диоксидносвинцового электрода, что связано с низким значением концентрации серной кислоты в катодном отсеке элемента (1.0 М). а) На рис. 5.2 приведена зависимость разрядного напряжения исследуемого макета микробного топливного элемента от величины тока разряда. Как видно из рис. 5.2, при увеличении тока разряда от 1 до 20 мА напряжение разряда уменьшается незначительно ( на 0.1 В). Дальнейшее увеличение разрядного тока до 100 мА приводит к резкому снижению разрядного напряжения макета микробного топливного элемента, что связано с неудовлетворительной работой диоксидносвинцового катода.
Проведенные исследования на макете микробного топливного элемента показали, что предложенный микробный медиаторный анод на основе глюкозы и микроорганизма Escherichia coli работает удовлетворительно и может быть в дальнейшем использован для практических целей при создании ме-диаторного микробного топливного элемента. Необходима работа по созданию катода соответствующего этой системе, лучше также микробного. С целью изучения кинетики процесса анодного окисления исследуемого микробного медиаторного электрода были сняты в прямом и в обратном направлениях поляризационные кривые пористого графитового микробного медиаторного электрода в условиях работы макета микробного топливного элемента. Как видно из рис. 5.3а полученные поляризационные кривые характеризуются двумя линейными участками, различающимися по величине углового наклона. Линейный участок в области малых плотностей токов (I участок) характеризуется величиной углового наклона, равной 0.030 В/порядок тока, а в области высоких скоростей процесса окисления (II участок) величина этого наклона составляет 0.10 В/порядок тока. Такое различие в поведении исследуемого электрода можно объяснить различной степенью проникновения процесса вглубь электрода, что определяется его пористой структурой. Если между переключениями от одной плотности тока к другой не было перерыва, то обратный ход зависимости несколько отличается от прямого хода, имеется незначительный гистерезис. Если между переключениями от одной плотности тока к другой делается перерыв (10 мин), то такой гистерезис исчезает (рис. 5.36). По-видимому, это связано с тем, что за действующий промежуток времени в результате метаболизма глюкозы клетками происходит повышение концентрации восстановленной формы медиатора, в результате чего прямой и обратный ход поляризационной кривой практически совпадают. В таблице 13 приведены значения угловых наклонов поляризационных кривых, рассчитанные из рис. 5.3а и рис. 5.36 на I и II участках этих кривых. Независимо от способа снятия поляризационных кривых (с перерывом и без перерыва) величины этих поляризационных наклонов практически совпадают. Для выяснения природы процесса окисления были сняты поляризационные кривые пористого графитового электрода в рабочем электролите, содержащем метиленовый синий без добавления в него клеток. Полученные поляризационные кривые представлены на рис. 5.4. Из рис. 5.4 видно, что гистрезис между прямым и обратным ходом снятия поляризационных кривых сохраняется даже в условиях, когда между переключениями тока имелся перерыв 10 минут. Это свидетельствует о том, что отсутствие клеток делает невозможным восстановление окисленной формы медиатора в процессе отключения тока. Сравнение угловых наклонов поляризационных кривых рис. 5.4 указывает на их совпадение с величинами угловых наклонов поляризационных кривых, представленных на рис. 5.3 (см. таблицу 13). Это свидетельствует о том, что лимитирующей стадией процесса окисления глюкозы в присутствии клеток является процесс окисления медиатора.
Таким образом, в условиях, которые мы реализовали при работе микробного медиаторного анода, кинетика процесса окисления определяется кинетикой окисления метиленового синего. На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: - разработан микробный медиаторный анод на основе микроорганизма Escherichia coli для процесса окисления глюкозы и оптимизированы условия его работы; - проведено испытание микробного медиаторного анода в макете микробного топливного элемента, в котором катодом являлся диоксидносвинцо-вый электрод; показано, что работа макета микробного топливного элемента ограничена диоксидносвинцовым элктродом; - изучение кинетики процесса окисления микробного медиаторного электрода показало, что лимитирующей стадией в работе микробного медиа торного анода является процесс окисления медиатора — метиленового синего. 1. Изучено электрохимическое поведение некоторых окислительно-восстановительных систем: метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина на стеклографитовом электроде в фосфатном буферном растворе (рН 7.0). Показано, что метиленовый синий и галлоцианин являются обратимыми окислительно-восстановительными системами и могут быть использованы в качестве медиаторов при реализации микробного анода на основе клеток Escherichia coli. Установлено, что электрохимические реакции восстановления исследуемых медиаторов на рабочем электроде протекают в режиме диффузионной кинетики. Определены их коэффициенты диффузии, которые близки между собой и составляют (1.3±0.1 1(Г см7с, (1.1 ±0.2)-10 см7с и (1.5±0.1)-10" см7с для метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина, соответственно. 2. Изучено поведение исследуемых медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза - медиатор - клетки Escherichia coli. Показано, что метиленовый синий и галлоцианин являются эффективными окислительно-восстановительными медиаторами при реализации условий работы микробного медиаторного анода, а нейтральный красный работает не эффективно. 3. Изучена кинетика процесса биоэлектрохимического окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli с использованием метиленового синего и галлоцианина в качестве медиаторов. Показано, что общая скорость электрохимической реакции зависит от концентрации медиаторов и субстрата в объеме раствора.
Похожие диссертации на Кинетика процесса окисления глюкозы с помощью микроорганизма Escherichia coli в присутствии экзогенных медиаторов
