專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光合作用產(chǎn)電的綠藻生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物燃料電池，具體地說(shuō)是通過(guò)微藻光合作用與電池系統(tǒng)的耦合， 將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是一種基于光合作用產(chǎn)電的綠藻生物燃料電池。
背景技術(shù)：
綠藻生物燃料電池是利用綠藻通過(guò)光合作用將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，屬于 微生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。目前微生物燃料電池均為利用微生物(包括細(xì)菌和微藻，如 CN1874040左劍惡等人、CN1360677金炳弘等人的專(zhuān)利)將有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谔幱趨?氧狀態(tài)的陽(yáng)極池中，微生物將底物氧化產(chǎn)生電子，電子被傳遞到陽(yáng)極經(jīng)外電路到達(dá)陰極，同 時(shí)質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，在陰極池中氧氣或氧化劑與質(zhì)子和電子結(jié)合生成水。 R.A. Bullen 等人綜述文獻(xiàn)(Biosensors and Bioelectronics, 2006, V21, P2015-2045.) Biofuel cells and their development中引述的有關(guān)光合微生物燃料電池的文獻(xiàn)涉及的 光合微生物為紫色光合細(xì)菌Rhodopseudomonas (Rps. )palustris或藍(lán)細(xì)菌。微生物燃料電池僅能利用廢水中的有機(jī)物質(zhì)通過(guò)分解代謝獲得電能，其能量來(lái)源 是廢水中的有機(jī)底物，廢水的來(lái)源以及廢水的進(jìn)料組成難以保證長(zhǎng)期穩(wěn)定，太陽(yáng)能是作為 地球上核能以外能源的最終來(lái)源，實(shí)現(xiàn)光能在生物燃料電池中的直接轉(zhuǎn)化無(wú)疑意義重大。在間接法綠藻光解水產(chǎn)氫的體系中，系統(tǒng)處于厭氧狀態(tài)，這與微生物燃料電池的 陽(yáng)極池極為相似，綠藻生物燃料電池就是通過(guò)電子介體在微藻生物生化反應(yīng)部位和電極間 往返運(yùn)送電子，介體分子在細(xì)胞內(nèi)被還原，在燃料電池的陽(yáng)極上被氧化釋放出電子，質(zhì)子經(jīng) 由質(zhì)子交換膜擴(kuò)散至陰極，這樣就可以將綠藻間接產(chǎn)氫的光合作用部分與燃料電池耦合起 來(lái)，形成新型的將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的綠藻生物燃料電池系統(tǒng)，這一基于綠藻光合作用 產(chǎn)電的裝置技術(shù)或結(jié)果未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種將綠藻間接產(chǎn)氫的光合作用部分與燃料電池耦合起 來(lái)，形成新型的將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的綠藻生物燃料電池系統(tǒng)，即一種基于光合作用產(chǎn) 電的綠藻生物燃料電池裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于光合作用產(chǎn)電的綠藻生物燃料電池，包括陽(yáng)極池和陰極池，陽(yáng)極池和陰 極池之間由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極和陰極分別固定于陽(yáng)、陰極池內(nèi)部；所述陽(yáng)極池為裝有綠藻培養(yǎng)液的透光陽(yáng)極池，陰極池為裝有富含氧氣的堿性溶液 或加入氧化劑溶液的陰極池；陽(yáng)極池與空氣隔絕，內(nèi)部為厭氧環(huán)境，以產(chǎn)氫綠藻為體系綠藻材料，產(chǎn)氫綠藻懸浮 于綠藻培養(yǎng)液中，并在綠藻培養(yǎng)液中加入電子介體，使光合作用產(chǎn)生的電子通過(guò)電子傳遞 鏈在到達(dá)綠藻氫酶前與電子介體結(jié)合，電子介體在陽(yáng)極電極釋放電子并通過(guò)電池外電路傳 遞至陰極，在陰極與通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子及陽(yáng)極池內(nèi)的氧氣或氧化劑結(jié)合生成水。
本發(fā)明通過(guò)電子介體在微藻生物生化反應(yīng)部位和電極間往返運(yùn)送電子，介體分子 在細(xì)胞內(nèi)被還原，在燃料電池的陽(yáng)極上被氧化釋放出電子，質(zhì)子經(jīng)由質(zhì)子交換膜擴(kuò)散至陰 極，這樣就可以將綠藻間接產(chǎn)氫的光合作用部分與燃料電池耦合起來(lái)，形成新型的將光能 直接轉(zhuǎn)化為電能的綠藻生物燃料電池系統(tǒng)。所述綠藻為海洋綠藻-亞心型扁藻(Platymonas subcordiformis)，采用解偶聯(lián) 齊U，于綠藻培養(yǎng)液中添加有解偶聯(lián)劑，解偶聯(lián)劑CCCP濃度為7. 5 15 μ M ；

所述綠藻為淡水衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)，采用無(wú)硫調(diào)控技術(shù)，其采用 的綠藻培養(yǎng)液為無(wú)硫的綠藻培養(yǎng)基。所述綠藻培養(yǎng)液為康維方培養(yǎng)基；亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì) 數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集懸浮于綠藻培養(yǎng)液中藻細(xì)胞濃度400 800萬(wàn)cells/mL ； 或亞心型扁藻直接高密度培養(yǎng)至藻細(xì)胞濃度400 800萬(wàn)cells/mL ；所述綠藻培養(yǎng)液為無(wú)硫TAP培養(yǎng)基，淡水萊茵衣藻采用TAP培養(yǎng)基，培養(yǎng)到對(duì)數(shù) 生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集藻細(xì)胞，加入無(wú)硫TAP培養(yǎng)基中，藻細(xì)胞濃度600 800萬(wàn) cells/mL。所述綠藻培養(yǎng)液使用碳酸氫鈉溶液、磷酸緩沖溶液、醋酸鈉溶液或Tris-鹽酸緩 沖溶液調(diào)節(jié)綠藻培養(yǎng)液pH值為7 8. 3。所述綠藻生物燃料電池的陽(yáng)極池為透光的光反應(yīng)器。所述富含氧氣的堿性溶液是指持續(xù)通入空氣或氧氣的5_25wt%氫氧化鉀溶液； 所述氧化劑溶液是指20-80mM的K3Fe (CN)6溶液。所述綠藻生物燃料電池的陽(yáng)極材料為碳布或碳板；所述綠藻生物燃料電池的陰極 材料為碳布、碳板、鉬電極、碳鍍鉬電極或氫酶電極。所述電子介體為甲基紫精、芐基紫精、亞甲基蘭、中性紅、NADPH或NADP ；電子介體 于綠藻培養(yǎng)液中的濃度5-50 μ Μ。所述陽(yáng)極池內(nèi)的光照強(qiáng)度5000-9000LX，綠藻培養(yǎng)液溫度為20-30°C，攪拌速度 50-200rpm。具體操作過(guò)程為1)亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集 或高密度培養(yǎng)至藻液濃度400 800萬(wàn)cells/mL。淡水萊茵衣藻采用TAP培養(yǎng)基，培養(yǎng)到對(duì) 數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集藻細(xì)胞，加入無(wú)硫培養(yǎng)基中，藻液濃度600 800萬(wàn)cells/
mLo2)取容積為500mL的攪拌式光反應(yīng)器陽(yáng)極池，裝滿(mǎn)步驟1)濃度的扁藻藻液，密 封，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25°C培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)以誘導(dǎo)可逆氫酶，藻液暗誘導(dǎo)時(shí)間 為4 24h。或取容積為500mL的攪拌式光反應(yīng)器陽(yáng)極池，裝滿(mǎn)步驟1)濃度的衣藻藻液，密 封，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，藻液無(wú)需暗誘導(dǎo)。3)解偶聯(lián)劑調(diào)控方法下，暗誘導(dǎo)后，向藻液中加入CCCP至CCCP濃度為7. 5 15 μ Μ,并加入電子介體甲基紫精(或芐基紫精、亞甲基蘭、中性紅、NADPH)，并使用碳酸氫 鈉溶液、磷酸緩沖溶液、醋酸鈉溶液或Tris-鹽酸緩沖溶液調(diào)節(jié)藻液pH值為7 8. 3，然后 由陽(yáng)極池外的光源光照，由陽(yáng)極池下部的磁力攪拌器攪拌藻液，使陽(yáng)極池內(nèi)的藻液進(jìn)行光 化學(xué)反應(yīng)；光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌；電子介體濃度5_50 μ Μ。
4)無(wú)硫調(diào)控方法下，向陽(yáng)極池的衣藻藻液中加入電子介體甲基紫精(或芐基紫 精、亞甲基蘭、中性紅、NADPH)，然后由陽(yáng)極池外的光源光照，由陽(yáng)極池下部的磁力攪拌器攪 拌藻液，使陽(yáng)極池內(nèi)的藻液進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)；光照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度下攪拌； 電子介體濃度5-50 μ M05)燃料電池陰極池中為20_80mM的K3Fe(CN)6溶液，陰陽(yáng)電極均為3*7cm的石墨 板，電極池間以9cm2的nafion膜隔開(kāi)，所用電極連線(xiàn)為鈦導(dǎo)線(xiàn)。6)燃料電池的陰極和陽(yáng)極接到阻值為10-10000歐姆的外電阻兩端形成回路，通 過(guò)測(cè)定電路的外電壓、燃料電池內(nèi)阻及開(kāi)路電壓，計(jì)算電池的各項(xiàng)指標(biāo)。7)由陽(yáng)極池中取出10 μ 1藻液，注入Water PAM葉綠素?zé)晒鈨x的測(cè)量杯中，再加入 3ml無(wú)菌海水培養(yǎng)基，混勻后進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)Δ F/Fm’的變化，反映藻細(xì)胞光合系統(tǒng)II的化 學(xué)活性的變化。


圖1為本發(fā)明所述的綠藻生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意
圖2為利用本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例轉(zhuǎn)換光能發(fā)電的運(yùn)行結(jié)果；圖2a為MFC放電曲 線(xiàn)圖，圖2b為MFC的電流密度與輸出功率圖，圖2c為MFC的外電阻與外電壓關(guān)系圖，圖2d 為MFC電流密度與電壓變化圖；圖3為利用本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例轉(zhuǎn)換光能發(fā)電的運(yùn)行結(jié)果；圖4為對(duì)比實(shí)施例的運(yùn)行結(jié)果。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的各實(shí)施例及其工作過(guò)程實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例所述的綠藻生物燃料電池包括綠藻培養(yǎng)液的 透光陽(yáng)極池1和富含氧氣或加入氧化劑溶液的陰極池5，兩池之間由質(zhì)子交換膜4隔開(kāi)，并 由密封墊3進(jìn)行密封，陽(yáng)極2和陰極6分別固定于陰陽(yáng)極池內(nèi)部；陽(yáng)極池與空氣隔絕，內(nèi)部 為厭氧環(huán)境，以產(chǎn)氫綠藻為體系綠藻材料，采用間接法產(chǎn)氫調(diào)控技術(shù)，并在體系中加入電子 轉(zhuǎn)移介體，使光合作用產(chǎn)生的電子通過(guò)電子傳遞鏈在到達(dá)氫酶前與電子介體結(jié)合，電子介 體在陽(yáng)極電極釋放電子并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)8及電阻7，傳遞至陰極與通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子及陽(yáng) 極池氧化劑結(jié)合生成水。所述綠藻生物燃料電池的陽(yáng)極池為透光的光反應(yīng)器。所述綠藻生物燃料 電池的陽(yáng)極池與空氣隔絕，內(nèi)部為厭氧環(huán)境，以海洋綠藻-亞心型扁藻(Platymonas subcordiformis)為體系綠藻材料，采用解偶聯(lián)劑調(diào)控技術(shù)；陽(yáng)極池中加入的電子介體為 甲基紫精、芐基紫精、亞甲基蘭、中性紅、NADPH或NADP ；綠藻生物燃料電池陰極池為富含氧 氣的堿性溶液或加入氧化劑溶液的陰極池。所述綠藻生物燃料電池的陰極池與陽(yáng)極池由質(zhì) 子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極和陰極分別固定于陰陽(yáng)極池內(nèi)部。所述綠藻生物燃料電池的陽(yáng)極材料為碳布或碳板；所述綠藻生物燃料電池的陰極 材料為碳布、碳板、鉬電極、碳鍍鉬電極或氫酶電極；其工作過(guò)程如下在陽(yáng)極池中注入濃度600萬(wàn)/ml的亞心型扁藻藻液，密封，用氮?dú)庵脫Q空氣5min，放置到25°C培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)，藻液暗誘導(dǎo)時(shí)間為4 24h。暗誘導(dǎo)后，向藻液中加入CCCP至CCCP濃度為7. 5 15 μ M，并使用碳酸氫鈉溶液、磷酸緩沖溶液、醋酸鈉 溶液或Tris-鹽酸緩沖溶液調(diào)節(jié)藻液ρΗ值為7 8. 3，加入10 μ M電子介體甲基紫精，然后 由陽(yáng)極池外側(cè)的光源光照陽(yáng)極池，由陽(yáng)極池下部的磁力攪拌器攪拌藻液，陽(yáng)極池置于中光 照強(qiáng)度9000LX、150rpm的攪拌速度條件下。解偶聯(lián)劑調(diào)控的扁藻PSII將水分解為氧氣、質(zhì)子和電子，氧氣由綠藻消耗維持厭 氧條件，電子經(jīng)由電子傳遞鏈在到達(dá)氫酶前與電子介體結(jié)合，電子介體在陽(yáng)極電極釋放電 子并傳遞至陰極與通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子及陽(yáng)極池氧化劑結(jié)合生成水。實(shí)現(xiàn)光能到電能的
直接轉(zhuǎn)化。MFC放電曲線(xiàn)圖(圖2a)顯示了在解偶聯(lián)劑作用下，光合電子確實(shí)可被電子介體引 出，同時(shí)系統(tǒng)中無(wú)氫氣產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了微藻與燃料電池系統(tǒng)的耦合，證明了基于光合放氫的微 藻燃料電池原理的可行性。MFC的外電阻與外電壓關(guān)系(圖2c)、MFC電流密度與電壓變化 (圖2d)及MFC的電流密度與輸出功率(圖2b)等圖則表明可以利用這一系統(tǒng)直接將光能 和化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，過(guò)程的產(chǎn)電功率密度達(dá)到16mW/m2。實(shí)施例2工作過(guò)程如實(shí)施例1所述，但在陽(yáng)極池中加入淡水衣藻藻液，以淡水衣藻為體系 綠藻材料，采用無(wú)硫調(diào)控技術(shù)，即采用無(wú)硫TAP培養(yǎng)基。其實(shí)施效果如圖3所示。對(duì)比實(shí)施例3 工作過(guò)程如實(shí)施例1所述，但沒(méi)有在陽(yáng)極池中加入電子介體，其實(shí) 施效果如圖4所示。其與實(shí)施例1的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。無(wú)電子介體情況下，系統(tǒng)基本無(wú)電流 輸出，陽(yáng)極池有氫氣放出。表1實(shí)施例1與對(duì)比實(shí)施例3結(jié)果對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種基于光合作用產(chǎn)電的綠藻生物燃料電池，包括陽(yáng)極池和陰極池，陽(yáng)極池和陰極 池之間由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極和陰極分別固定于陽(yáng)、陰極池內(nèi)部；其特征在于所述陽(yáng)極池為裝有綠藻培養(yǎng)液的透光陽(yáng)極池，陰極池為裝有富含氧氣的堿性溶液或加 入氧化劑溶液的陰極池；陽(yáng)極池與空氣隔絕，內(nèi)部為厭氧環(huán)境，以產(chǎn)氫綠藻為體系綠藻材料，產(chǎn)氫綠藻懸浮于綠 藻培養(yǎng)液中，并在綠藻培養(yǎng)液中加入電子介體，使光合作用產(chǎn)生的電子通過(guò)電子傳遞鏈在 到達(dá)綠藻氫酶前與電子介體結(jié)合，電子介體在陽(yáng)極電極釋放電子并通過(guò)電池外電路傳遞至 陰極，在陰極與通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子及陽(yáng)極池內(nèi)的氧氣或氧化劑結(jié)合生成水。
2.按照權(quán)利要求1所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述綠藻為海洋綠藻-亞 心型扁藻，于綠藻培養(yǎng)液中添加有解偶聯(lián)劑，解偶聯(lián)劑CCCP濃度為7. 5 15 μ M ；所述綠藻 為淡水衣藻，其采用的綠藻培養(yǎng)液為無(wú)硫的綠藻培養(yǎng)基。
3.按照權(quán)利要求2所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述綠藻培養(yǎng)液為康維方 培養(yǎng)基；亞心型扁藻采用康維方營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期后離心、膜過(guò)濾收集懸浮于 綠藻培養(yǎng)液中藻細(xì)胞濃度400 800萬(wàn)cells/mL ；或亞心型扁藻直接高密度培養(yǎng)至藻細(xì)胞 濃度 400 800 萬(wàn) cells/mL ；所述綠藻培養(yǎng)液為無(wú)硫TAP培養(yǎng)基，淡水萊茵衣藻采用TAP培養(yǎng)基，培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后 期后離心、膜過(guò)濾收集藻細(xì)胞，加入無(wú)硫TAP培養(yǎng)基中，藻細(xì)胞濃度600 800萬(wàn)cells/mL。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述綠藻培養(yǎng)液使 用碳酸氫鈉溶液、磷酸緩沖溶液、醋酸鈉溶液或Tris-鹽酸緩沖溶液調(diào)節(jié)綠藻培養(yǎng)液pH值 為7 8. 3。
5.按照權(quán)利要求1所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述綠藻生物燃料電池的 陽(yáng)極池為透光的光反應(yīng)器。
6.按照權(quán)利要求1所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述富含氧氣的堿性溶 液是指持續(xù)通入空氣或氧氣的5-25wt%氫氧化鉀溶液；所述氧化劑溶液是指20-80mM的 K3Fe (CN)6 溶液。
7.按照權(quán)利要求1所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述綠藻生物燃料電池的 陽(yáng)極材料為碳布或碳板；所述綠藻生物燃料電池的陰極材料為碳布、碳板、鉬電極、碳鍍鉬 電極或氫酶電極。
8.按照權(quán)利要求1所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述電子介體為甲基紫精、 芐基紫精、亞甲基蘭、中性紅、NADPH或NADP ；電子介體于綠藻培養(yǎng)液中的濃度5_50 μ M。
9.按照權(quán)利要求1所述的綠藻生物燃料電池，其特征在于所述陽(yáng)極池內(nèi)的光照強(qiáng)度 5000-9000LX，綠藻培養(yǎng)液溫度為20-30°C，攪拌速度50_200rpm。
全文摘要
本發(fā)明涉及微生物燃料電池，具體地說(shuō)是一種基于光合作用產(chǎn)電的綠藻生物燃料電池，包括綠藻培養(yǎng)液的透光陽(yáng)極池和富含氧氣或加入氧化劑溶液的陰極池，兩池之間由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極和陰極分別固定于陽(yáng)、陰極池內(nèi)部；陽(yáng)極池與空氣隔絕，內(nèi)部為厭氧環(huán)境，以產(chǎn)氫綠藻為體系綠藻材料，采用間接法產(chǎn)氫調(diào)控技術(shù)，并在體系中加入電子轉(zhuǎn)移介體，使光合作用產(chǎn)生的電子通過(guò)電子傳遞鏈在到達(dá)氫酶前與電子介體結(jié)合，電子介體在陽(yáng)極電極釋放電子并傳遞至陰極與通過(guò)質(zhì)子交換膜的質(zhì)子及陽(yáng)極池氧化劑結(jié)合生成水。本發(fā)明可以通過(guò)微藻光合作用與電池系統(tǒng)的耦合，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能，提供了一種新型的生物燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102075113SQ20091022003
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者張衛(wèi), 紀(jì)超凡, 陸洪斌, 陳兆安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所