Биоагент для выработки электроэнергии в микробных топливных элементах


 

C12N1/00 - Микроорганизмы, например простейшие; их композиции (лекарственные препараты, содержащие материал из микроорганизмов A61K 35/66; приготовление лекарственных составов, содержащих бактериальные антигены или антитела, например бактериальных вакцин A61K 39/00); способы размножения, содержания или консервирования микроорганизмов или их композиций; способы приготовления или выделения композиций, содержащих микроорганизмы; питательные среды

Владельцы патента RU 2562118:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области биохимии. Предложено средство для выработки электроэнергии. Средство представляет собой препарат «Восток ЭМ-1». Препарат используют в качестве биоагента для выработки электроэнергии в микробных топливных системах. Изобретение обеспечивает эффективное производство электроэнергии в микробных топливных элементах. 1 ил.

 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к биоэнергетике и технической микробиологии, и касается выработки электрической энергии с помощью микроорганизмов в микробных топливных элементах.

Технология микробных топливных элементов является новым направлением в биотехнологии. Она позволяет получать электроэнергию с помощью микроорганизмов. В качестве источника электронов для электрического тока микроорганизмы могут использовать широкий спектр органических субстратов и комплексных соединений: бытовые сточные воды [Lefebvre О. et al. Microbial fuel cells for energy self-sufficient domestic wastewater treatment-a review and discussion from energetic consideration // Appl Microbiol Biotechnol., V. 89., 2011, pp. 259-270], стоки целлюлозно-бумажных производств [Kengo Sasaki, Shin-ichi Hirano et al. Bioelectrochemical system accelerates microbial growth and degradation of filter paper // Appl Microbiol Biotechnol., V. 89, 2011, pp. 449-455], солому [Thygesen et al. Upgrading of straw hydrolysate for production of hydrogen and phenols in a microbial electrolysis cell (MEC) // Appl Microbiol Biotechnology, V. 89, 2011, pp. 855-865], глицерол, получаемый как отход при производстве биодизеля [Clauwaert Peter, David van der Ha, Willy Verstraete. Energy recovery from energy rich - vegetable products with microbial fuel cells // Biotechnology Letters, V. 30., 2008, pp. 1947-1951] и др.

Известно, что в технологии микробных топливных элементов применяются различные микроорганизмы, например Shewanella oneidensis [Нао Ren · Hyung-Sool · Lee Junseok Chae. Miniaturizing microbial fuel cells for potential portable power sources: promises and challenges / Microfluid Nanofluid. Vol. 13, 2012, pp. 353-381], Geobacter sulfurreducens [Ashley E. Franks, Kelly P. Nevin. Microbial fuel cells, a current review / Energies. Vol. 3, 2010, pp. 899-919], Rhodoferax ferrireducens [Swades K Chaudhuri, Derek R Lovley. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells. / Nature biotechnology. Vol. 21, №10, 2003, pp. 1229-1232], Escherichia coli [X. Zheng, N. Nirmalakhandan. Cattle wastes as substrates for bioelectricity production via microbial fuel cells / Biotechnol Lett. Vol. 32, 2010, pp. 1809-1814] и др.

Недостатком вышеназванных монокультр микроорганизмов как биоагентов является то, что они обладают сравнительно узким диапазоном используемых субстратов и поэтому не способны вырабатывать высокий потенциал электроэнергии при работе с нехарактерными для них субстратами.

Известно, что утилизация отходов с помощью микроорганизмов наиболее эффективна при действии не одного конкретного вида, а целого консорциума бактерий. Это связано, прежде всего, с тем, что метаболические возможности отдельного микроорганизма ограничены его геномом, в то время как метаболические возможности сообщества микроорганизмов связаны с совокупностью всех геномов микробов, входящих в состав сообщества. Такая вариабельность и гибкость позволяет консорциуму выживать в постоянно меняющихся условиях среды обитания и при этом максимально эффективно утилизировать субстраты - бытовые и промышленные отходы, сточные воды и т.п.

Довольно часто можно встретить работы, в которых описывается использование не какой-то конкретной культуры микроорганизма, а, к примеру, осадка сточных вод (т.е. консорциум различных микроорганизмов), где после определенного времени культивирования в микробном топливном элементе, проводится филогенетический анализ микробного сообщества с помощью метода полимеразной цепной реакции. Это позволяет определить видовой состав микроорганизмов, но в то же время не дает четкого ответа, какие конкретно микроорганизмы участвуют в процессах передачи электронов от субстрата на электрод [Al-Shehri, A.N., Ghanem, K.М., Al-Garni, S. Μ. A comparative study for electricity generation in microbial fuel cell reactor with and without mediators. / Scientific Research and Essays. Vol. 6 (9), 2011, pp. 6197-6202].

Известно использование консорциума микроорганизмов, выделенных из сточных вод и взятых нами за прототип [Liping Huang & Bruce Ε. Logan. Electricity generation and treatment of paper recycling wastewater using a microbial fuel cell / Appl Microbiol Biotechnol, V. 80, 2008, pp. 349-355]. В данной работе были достигнуты следующие показатели по напряжению: 420 мВ после 286 часов культивирования. Это говорит о низкой эффективности работы вышеуказанного консорциума микроорганизмов.

Задачей предлагаемого изобретения является выявление новых свойств препарата микроорганизмов «Восток ЭМ-1» для использования его как эффективного биоагента при производстве электроэнергии в микробных топливных элементах.

Сущность изобретения заключается в том для получения электроэнергии в микробном топливном элементе анодную камеру инокулируют готовым к применению препаратом «Восток ЭМ-1», что позволяет получить стабильные значения электрического тока в диапазоне от 500 до 700 мВ в течение 3 суток в ячейке с объемом анодной камеры 230 мл.

В указанном препарате содержатся различные виды микроорганизмов, в частности фототрофные и молочнокислые бактерии, дрожжи, актиномицеты и ферментные грибки; генетически модифицированные микроорганизмы и патогенные или потенциально патогенные микроорганизмы в препарате не обнаружены (ссылка 1: Эффективные микроорганизмы: практические рекомендации по применению продукции серии ЭМ / сост. Северина В.Я., Адаменко Л.Я. // Приморский ЭМ-центр, - Владивосток, 2002. Стр. 11; ссылка 2: «Биопрепарат «Восток ЭМ-1». Теория и практика. Сост. В.Я. Северина. - Владивосток, 2006. 36 с. См. с. 8; ссылка 3: Т. Higa, JF. Parr, Bneficial and effective microorganisms for a sustainable agriculture and environment, Infrc Atami, Japan, 1994).

Основными направлениями применения препарата «Восток ЭМ-1» является сельское хозяйство (повышает иммунитет растений, снижает содержание пестицидов, увеличивает содержание витаминов, сахаров, белков), переработка отходов (ускорение процессов минерализации и компостирования органических отходов, соломы и мусора) [Семыкин В.А. и др. Перспективы применения ЭМ - технологий на картофеле в Центральном Черноземье. / Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2012. Т. 1. №1. С. 70-73; Голов В.И. и др. Бытовые и промышленные отходы: возможности утилизации и резервы самоочищения почвенного покрова. Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2008. №1. С. 91-97].

Из просмотренных источников информации использование препарата «Восток ЭМ-1» в качестве биоагента микробных топливных элементов нами не обнаружено.

Постановка эксперимента осуществлялась в модельных микробных топливных элементах объемом 460 мл. В анодном отсеке, где находились микроорганизмы, использовалась следующая среда: 0.1 Μ фосфатный буфер, 1% по массе глюкозы, 1% по массе экстракт лизированных клеток дрожжей в качестве источника витаминов и азота. В катодном отсеке была налита дистиллированная вода. Данный отсек аэрировался с помощью компрессора со скоростью 1,5 л/ч. Время работы ячейки микробного топливного элемента: 72 часа.

Динамика изменения вольтамперных характеристик прототипа и предлагаемого биоагента представлена на рис. 1.

Если сравнить полученные нами данные с прототипом, то можно увидеть, что мы получили более высокие показатели по напряжению - после 72 часа культивирования в ячейке объемом 230 мл было зарегистрировано напряжение чуть более 640 мВ (при максимальном в 710 мВ), в то время как у прототипа напряжение в 420 мВ было достигнуто за 286 часов культивирования.

Положительным результатом применения препарата «Восток ЭМ-1» в качестве биоагента является то, что консорциум микроорганизмов, входящий в его состав, обеспечивает широкие метаболические возможности, позволяя перерабатывать в микробном топливном элементе сточные воды и отходы самых разных производств, не только очищая их при этом, но и получая электроэнергию.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение №14.В37.21.1225 от 18.09.12).

Применение препарата "Восток ЭМ-1" в качестве биоагента для выработки электроэнергии в микробных топливных элементах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области техники получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности к биоэлектрохимическому реактору. Реактор выполнен в виде секционированной емкости и включает анодную и катодную зоны, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, где катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов, причем секции образованы плоскими перегородками, содержащими отверстия, расположенные на минимальном расстоянии от верхней крышки реактора для протока жидкой фазы, анодные электроды представляют собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда с образованием четырех поверхностей из волокна и четырех внутренних каналов для прохождения жидкой фазы, а катодные электроды представляют собой воздушные катоды с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. .

Изобретение относится к источникам тока на биохимической основе. .

Изобретение относится к способу защиты кисломолочных продуктов от порчи грибами. Способ предусматривает внесение в кисломолочные продукты путем перемешивания жидкой культуры штамма пропионовокислых бактерий Propionibacterium freudenreichii R13-slg ВКПМ В-11325 в количестве 0,5-2,5 об.
Изобретение относится к области полезных для здоровья композиций и способу их получения. Способ получения композиции неживой лактобациллы, обладающей способностью специфического связывания со Streptococcus mutans, включает следующие стадии: нагревание суспензии клеток лактобациллы или смеси лактобацилл, обладающих способностью специфического связывания со Streptococcus mutans, с исходной температуры ниже 40°C до температуры пастеризации от 75 до 85°C с изменением температуры от 0,5 до 2°C/мин, удерживание нагретой суспензии при температуре пастеризации в течение от 20 до 40 минут и охлаждение суспензии до конечной температуры ниже 40°C с изменением температуры от 0,5 до 2°C/мин.
Изобретение относится к биотехнологии, в частности к технологии получения антигена для диагностики бруцеллеза. Способ получения бруцеллезного L-антигена осуществляют следующим образом.

Изобретение относится к аппаратам для проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости, в частности при культивировании клеток тканей и микроорганизмов в питательных средах повышенной вязкости, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности биотехнологии и пищевой промышленности.
Изобретение относится к биотехнологии. Плоды и кожуру бананов взвешивают, промывают, измельчают и смешивают с предварительно подогретой до 45±1°C водой в соотношении 1:3.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для получения протективных антигенов на основе секретируемых белоксодержащих соединений Staphylococcus aureus.

Изобретение относится к микробиологии. Способ культивирования сублимированных штаммов микроорганизмов предусматривает внесение в плотную питательную среду стимулятора роста и источника углерода с последующим посевом клеток микроорганизма, инкубацией посевов и учетом жизнеспособных микробных клеток.
Изобретение относится к области микробиологии. Готовят две взвеси.

Изобретение относится к области биотехнологии, конкретно к лейколектинам, и может быть использовано в медицине. Получен полипептид лейколектин, характеризующийся SEQ ID NO:1-8.

Изобретение относится к очистке окружающей среды. Для детоксикации загрязненного нефтепродуктами грунта в него вносят природный сорбент с биопрепаратом до достижения заданной концентрации загрязняющего вещества в грунте.

Изобретение относится к устройствам для доочистки питьевой воды. Водоочиститель для получения талой питьевой воды включает зону подачи воды, зону замораживания с морозильной камерой 1 и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с отделяющим лед элементом, раздельные патрубки 2 для вывода талой питьевой воды.

Изобретение относится к устройствам для доочистки питьевой воды. Водоочиститель для получения талой питьевой воды включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде 1 зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой 2, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола, зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом 13, раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды 12, расположенные в нижней части сосуда 1, приводное устройство перемещения стержня 3 замороженной воды, а также разобщающее устройство в виде трубы 11 с кольцевой режущей частью.

Изобретение относится, в общем, к концентраторам жидкости, конкретнее - к компактным, переносным, экономически эффективным концентраторам сточных вод, которые можно легко подсоединить и использовать с источниками теплового сброса, еще конкретнее - к компактным, переносным, экономически эффективным концентраторам сточных вод, которые одновременно концентрируют сточные воды и удаляют загрязняющие вещества, растворенные в потоке сточных вод.

Изобретение относится к обработке воды, масел, смесей масел, воды, водных растворов, смесей масел с водой (эмульсий) для повышения их биологической активности и может быть использовано в медицине, косметологии, пищевой промышленность.

Изобретение относится к промышленной обработке питьевой воды озонированием. Диспергатор озоно-воздушной смеси для обработки питьевой воды в барботажном контактном резервуаре включает корпус 1 тарельчатой формы, выполненный из титана, с перфорированной лазером крышкой 2, обращенной при установке в контактном резервуаре вверх в сторону горизонта свободной поверхности воды, штуцер 4 для приема озоно-воздушной смеси внутрь полости диспергатора, пристыкованный к основанию диспергатора.

Изобретение относится к устройствам для доочистки питьевой воды. Водоочиститель на основе получения талой воды включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде 1 зоны замораживания воды, вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола, перехода воды из твердого состояния в жидкое.

Изобретение относится к области переработки хлорсодержащих отходов производств химической промышленности. Способ переработки хлорорганических отходов включает стадии их каталитического оксихлорирования смесью кислородсодержащего газа и хлороводородом и ректификации смеси хлоруглеводородов с выделением тетрахлорэтилена и трихлорэтилена.
Наверх