Биоэлектрохимический реактор - Bioelectrochemical reactor

Биоэлектрохимические реакторы являются разновидностью биореактор куда биоэлектрохимический процессы могут иметь место. Они используются в биоэлектрохимических синтезах, восстановление окружающей среды и электрохимическое преобразование энергии. Примеры биоэлектрохимических реакторов[1][2] включают микробные электролизеры, микробные топливные элементы и ферментативные биотопливные клетки и электролизеры, клетки микробного электросинтеза, и биобатареи.Этот биореактор делится на две части: анод, где окисление реакция происходит; И катод, где снижение происходит.

История

В 1911 г. М. Поттер описал, как микробные преобразования могут создавать понижающую мощность и, следовательно, электрический ток. Двадцать лет спустя Коэн (1931) исследовал способность бактерий производить электрический поток и отметил, что основным ограничением является малая способность микроорганизмов к текущему поколению. Только в 60-х годах Берк и Кэнфилд (1964 г.) построили первый микробный топливный элемент (MFC).

В настоящее время исследования биоэлектрохимических реакторов растут в геометрической прогрессии. Эти устройства находят реальное применение в таких областях, как очистка воды, производство и хранение энергии, производство ресурсов, переработка и восстановление.

Принципы

Электронный ток присущ микробному метаболизму. Микроорганизмы переносят электроны от донора электронов (виды с более низким потенциалом) к акцептору электронов (виды с более высоким потенциалом). Если акцептором электронов является внешний ион или молекула, процесс называется дыханием. Если процесс внутренний, перенос электронов называется брожением. Микроорганизмы пытаются максимизировать выигрыш в энергии, выбирая акцептор электронов с наивысшим доступным потенциалом. В природе восстанавливаются в основном минералы, содержащие оксиды железа или марганца. Часто растворимые акцепторы электронов истощаются в микробной среде. Микроорганизмы также могут максимизировать свою энергию, выбирая хорошего донора электронов, который легко метаболизируется. Эти процессы выполняются за счет внеклеточного переноса электронов (EET).[1]Теоретический выигрыш в энергии ΔG для микроорганизмов напрямую связан с разностью потенциалов между акцептором электронов и донором. Но такие недостатки, как внутреннее сопротивление, уменьшат этот выигрыш в энергии.[3] Преимущество этих устройств заключается в их высокой селективности и высокой скорости процессов, ограниченных кинетическими факторами. Наиболее часто изучаемыми видами являются Shewanella oneidensis и Геобактер серы. Однако в последние годы было изучено больше видов.

25 марта 2013 г. ученые Университет Восточной Англии были способны передавать электрический заряд, позволяя бактериям соприкасаться с металлической или минеральной поверхностью. Исследования показывают, что бактерии можно «привязать» непосредственно к электродам.[4]

В популярной культуре

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Биоэлектрохимические системы: от внеклеточного переноса электронов до биотехнологического применения. IWA. 2010. с. 488. ISBN  978-1843392330.
  2. ^ Kuntke, P .; Miech, K. M .; Bruning, H .; Zeeman, G .; Саакес, М .; Sleutels, T.H.J.A; Hamelers, H. V. M .; Буйсман, К. Дж. Н. (2012). «Восстановление аммония и производство энергии из мочи с помощью микробного топливного элемента». Водные исследования. 46 (8): 2627–2636. Дои:10.1016 / j.watres.2012.02.025. PMID  22406284.
  3. ^ Heijnen J.J .; Фликингер M.C .; Дрю С.В. (1999). Технология биопроцесса: ферментация, биокатализ и биоразделение. Нью-Йорк: JohnWiley & Sons, Inc., стр. 267–291. ISBN  978-0-471-13822-8.
  4. ^ Очистить электричество от бактерий? Исследователи совершают прорыв в гонке за создание «биобатарей» Sciencedaily, 25 марта 2013 г.

внешняя ссылка

  • Сасаки, Кенго; Морита, Масахико; Сасаки, Дайсуке; Хирано, Син-Ичи; Мацумото, Норио; Омура, Наоя; Игараси, Ясуо (2011). «Метаногенные сообщества на электродах биоэлектрохимических реакторов без мембран». Журнал биологии и биоинженерии. 111 (1): 47–9. Дои:10.1016 / j.jbiosc.2010.08.010. PMID  20840887.
  • Гафари, Шахин; Хасан, Масита; Ароуа, Мохамед Хейреддин (2009). «Восстановление нитратов в новом биоэлектрохимическом реакторе с восходящим потоком (UBER) с использованием активированного угля из скорлупы пальмы в качестве катодного материала». Electrochimica Acta. 54 (17): 4164–71. Дои:10.1016 / j.electacta.2009.02.062.
  • Goel, Ramesh K .; Флора, Джозеф Р.В. (2005). «Последовательная нитрификация и денитрификация в биоэлектрохимическом реакторе для роста разделенных клеток». Экологическая инженерия. 22 (4): 440–9. Дои:10.1089 / ees.2005.22.440.
  • Ватанабэ, Т; Джин, HW; Чо, КДж; Курода, М (2004). «Применение процесса биоэлектрохимического реактора для прямой очистки сточных вод травления металлов, содержащих тяжелые металлы и высокопрочные нитраты». Водные науки и технологии. 50 (8): 111–8. Дои:10.2166 / wst.2004.0501. PMID  15566194.