微生物燃料电池..
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微 生 物 和 酶 燃 料 电 池
起刘 文秀 斌峰
节目介绍
㈠剩余污泥 ㈢微生物燃料电池 中 国 风 中 国 风 呀
㈡酶及其催化作用
㈣微生物和酶燃 料电池
剩余污泥
定义 城市污水处理厂采用活性污泥法处理污水，在处理过程中伴随产 生的大量的污泥。 现状 余污泥必须经过一定的处理，才能排入环境中，然而污泥处理所需成本十分高。我
阳极电子传递
(1)
生物膜接触传递
与阳极表面直接接触的产电微生物，可通过c型细胞色素将细胞内呼吸链中电子直接传递 至电极表面，原因可能是c型细胞色素内血红素基团间紧密排列，且相邻血红素的铁卟啉 平行或垂直的特殊结构，让电子可以在血红素基团间传递，在细胞色素间形成的蛋白复 合物，使得每两个细胞色素上血红素基团排列靠近，让电子在细胞色素间也得以传递。
酶及其作用
酶的催化机制：能显著提升化学反应速率
(1)“锁和钥匙”模式 酶与底物的结合有非常强的专一性，也就是对底物具有严格的选择 性，即使底物分子结构有细微的变化，酶也不能将它转变为产物。 (2)“诱导契合”学说 “诱导契合”学说认为催化部位不是现成的，而要经过底物的诱导 才能形成。这样就可以避免那些不适合的物质偶然 “落入” 现成 的催化部位而被催化。
776 mW/m2
（3）混合酶强化剩余污泥燃料电池库仑效率
电子回收率，也称为库伦效率（CE），即产生有效电流的电子总量与剩余污泥中有机 物氧化所释放电子总量的比值。
随着淀粉酶比例升高，CE 有增大趋 势。当酶比为1:4 时获得最高的C（18.3%）
（4）碳纳米管的酶电极的制备
展望
可再生的新能源与人们赖以生存的环境质量， 都是目前举世瞩目的重大问题。酶催化剩余污泥 燃料电池的开发既能提高环境质量，又能产生可 再生替代性能源，因此促进污泥水解，增强产电 效率及污泥减量程度，是一个具有广阔发展前景 和重要意义的研究方向。
如果三项结合？
微生物和酶燃料电池
添加标题
酶技术作为一种低能耗、低污染、低成本、 更安全的污泥预处理技术受到了广泛的关注，但对 于污泥及预处理方式结合MFC技术的产电效率，仍 缺乏系统研究。
影响因素：温度，酶的种类和比例
（1）温度对单一酶强化的SMFC 功率密度的影响 P=UI/A=U2/（Re×A） 分别在40 ℃、45 ℃和50 ℃条件下考察中性蛋白酶和α-淀粉酶对剩 余污泥MFC 产电特性的强化效果（以功率密度衡量）.
（2)纳米导线辅助传递
某些细菌的细胞表面存在一种可导电的纳米级菌毛，协助进行电 子传递，这种产电菌的菌毛被称为纳米导线。
(3) 电子穿梭传递
利用氧化还原介体来进行电子传递。，
二
特点
(1)底物燃料来源广泛，醋酸盐、葡萄糖等纯物质燃料及生活污水、 垃圾渗滤液等复杂污染物都可最为MFC的燃料；(2)反应条件温和 ，MFC是利用微生物作为催化剂，在常温甚至低温下都能有效运行 ；(3)清洁、环保，MFC最终产生的气体是C02，其对环境无污染， 无需处理；(4)无耗能、高产能，MFC运行中，无需能量输入，仅 需通风补充阴极的气体(02)或维持阴极与空气接触良好；(5)生物相 容性良好，MFC可直接以人体内的葡萄糖作为燃料、氧气作为电子 接受体，从而MFC能方便地植入人体内，作为心脏起搏器等人造器 官的电源。在全球能源短缺与环境。
微生物燃料电池
微生Βιβλιοθήκη Baidu燃料电池是利用厌氧条件下的微生物作为生物催化 剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的新型产电技 术。
MODERN
（1）
微生物燃料电池的原理
微生物燃料电池产电的基本原理分为5 个步骤：第一步是产电微生物氧化底物：通 过微生物的代谢作用，底物在阳极室厌氧环 境下被分解而释放出电子和质子；第二步是 阳极还原：电子依靠合适的电子传递介体从 微生物细胞传递至阳极表面，使电极材料发 生还原反应而被还原；第三步是电子在外电 路的传输：通过外电路传递到阴极从而形成 有效电流；第四步是质子迁移：产生的质子 通过质子交换膜传递到阴极；第五步是阴极 的还原反应：阴极室中的电子受体即氧化态 物质得到电子被还原。
谢谢！
592 mW/m2
（2）（40度）混合酶对SMFC功率密度的影响（蛋白酶浓度：淀粉酶浓度）
40℃条件下，酶比为2:3 时，复合酶 促进污泥水解效率最高。功率密度 有显著的提高。 由于酶的催化作用具有高度的专一性，中性 蛋白酶只能催化蛋白质水解为胨、肽或氨基酸， α-淀粉酶只能催化淀粉水解为小分子的多糖甚至 单糖，所以当只加入一种酶时（中性蛋白质或α淀粉酶）时，只能强化蛋白质或者淀粉或纤维素 的水解，而另一种物质的水解得不到强化，因此 污泥液相中溶解性可以被产电微生物直接利用的 小分子有机物浓度就低，从而限制了产电性能。
国剩余污泥处置费用占整个污水处理厂总投资的25％～60％。 据统计，2010年，我国污水处理厂产生的剩余污泥干重高达360万吨。这些剩
成分复杂，其中包含重金属、病原菌、寄生虫卵及难降解合成有机物等有害 特性 物质。若不加以处理，将污泥直接排入环境中，会产生恶臭气体，造成“二次污染” 最终严重危害到人类的身体健康。 从微生物所需营养考虑，剩余污泥含有大量碳水化合物、蛋白质等营养物质 及氮磷营养元素，具备作为MFC底物燃料的基本条件。
起刘 文秀 斌峰
节目介绍
㈠剩余污泥 ㈢微生物燃料电池 中 国 风 中 国 风 呀
㈡酶及其催化作用
㈣微生物和酶燃 料电池
剩余污泥
定义 城市污水处理厂采用活性污泥法处理污水，在处理过程中伴随产 生的大量的污泥。 现状 余污泥必须经过一定的处理，才能排入环境中，然而污泥处理所需成本十分高。我
阳极电子传递
(1)
生物膜接触传递
与阳极表面直接接触的产电微生物，可通过c型细胞色素将细胞内呼吸链中电子直接传递 至电极表面，原因可能是c型细胞色素内血红素基团间紧密排列，且相邻血红素的铁卟啉 平行或垂直的特殊结构，让电子可以在血红素基团间传递，在细胞色素间形成的蛋白复 合物，使得每两个细胞色素上血红素基团排列靠近，让电子在细胞色素间也得以传递。
酶及其作用
酶的催化机制：能显著提升化学反应速率
(1)“锁和钥匙”模式 酶与底物的结合有非常强的专一性，也就是对底物具有严格的选择 性，即使底物分子结构有细微的变化，酶也不能将它转变为产物。 (2)“诱导契合”学说 “诱导契合”学说认为催化部位不是现成的，而要经过底物的诱导 才能形成。这样就可以避免那些不适合的物质偶然 “落入” 现成 的催化部位而被催化。
776 mW/m2
（3）混合酶强化剩余污泥燃料电池库仑效率
电子回收率，也称为库伦效率（CE），即产生有效电流的电子总量与剩余污泥中有机 物氧化所释放电子总量的比值。
随着淀粉酶比例升高，CE 有增大趋 势。当酶比为1:4 时获得最高的C（18.3%）
（4）碳纳米管的酶电极的制备
展望
可再生的新能源与人们赖以生存的环境质量， 都是目前举世瞩目的重大问题。酶催化剩余污泥 燃料电池的开发既能提高环境质量，又能产生可 再生替代性能源，因此促进污泥水解，增强产电 效率及污泥减量程度，是一个具有广阔发展前景 和重要意义的研究方向。
如果三项结合？
微生物和酶燃料电池
添加标题
酶技术作为一种低能耗、低污染、低成本、 更安全的污泥预处理技术受到了广泛的关注，但对 于污泥及预处理方式结合MFC技术的产电效率，仍 缺乏系统研究。
影响因素：温度，酶的种类和比例
（1）温度对单一酶强化的SMFC 功率密度的影响 P=UI/A=U2/（Re×A） 分别在40 ℃、45 ℃和50 ℃条件下考察中性蛋白酶和α-淀粉酶对剩 余污泥MFC 产电特性的强化效果（以功率密度衡量）.
（2)纳米导线辅助传递
某些细菌的细胞表面存在一种可导电的纳米级菌毛，协助进行电 子传递，这种产电菌的菌毛被称为纳米导线。
(3) 电子穿梭传递
利用氧化还原介体来进行电子传递。，
二
特点
(1)底物燃料来源广泛，醋酸盐、葡萄糖等纯物质燃料及生活污水、 垃圾渗滤液等复杂污染物都可最为MFC的燃料；(2)反应条件温和 ，MFC是利用微生物作为催化剂，在常温甚至低温下都能有效运行 ；(3)清洁、环保，MFC最终产生的气体是C02，其对环境无污染， 无需处理；(4)无耗能、高产能，MFC运行中，无需能量输入，仅 需通风补充阴极的气体(02)或维持阴极与空气接触良好；(5)生物相 容性良好，MFC可直接以人体内的葡萄糖作为燃料、氧气作为电子 接受体，从而MFC能方便地植入人体内，作为心脏起搏器等人造器 官的电源。在全球能源短缺与环境。
微生物燃料电池
微生Βιβλιοθήκη Baidu燃料电池是利用厌氧条件下的微生物作为生物催化 剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的新型产电技 术。
MODERN
（1）
微生物燃料电池的原理
微生物燃料电池产电的基本原理分为5 个步骤：第一步是产电微生物氧化底物：通 过微生物的代谢作用，底物在阳极室厌氧环 境下被分解而释放出电子和质子；第二步是 阳极还原：电子依靠合适的电子传递介体从 微生物细胞传递至阳极表面，使电极材料发 生还原反应而被还原；第三步是电子在外电 路的传输：通过外电路传递到阴极从而形成 有效电流；第四步是质子迁移：产生的质子 通过质子交换膜传递到阴极；第五步是阴极 的还原反应：阴极室中的电子受体即氧化态 物质得到电子被还原。
谢谢！
592 mW/m2
（2）（40度）混合酶对SMFC功率密度的影响（蛋白酶浓度：淀粉酶浓度）
40℃条件下，酶比为2:3 时，复合酶 促进污泥水解效率最高。功率密度 有显著的提高。 由于酶的催化作用具有高度的专一性，中性 蛋白酶只能催化蛋白质水解为胨、肽或氨基酸， α-淀粉酶只能催化淀粉水解为小分子的多糖甚至 单糖，所以当只加入一种酶时（中性蛋白质或α淀粉酶）时，只能强化蛋白质或者淀粉或纤维素 的水解，而另一种物质的水解得不到强化，因此 污泥液相中溶解性可以被产电微生物直接利用的 小分子有机物浓度就低，从而限制了产电性能。
国剩余污泥处置费用占整个污水处理厂总投资的25％～60％。 据统计，2010年，我国污水处理厂产生的剩余污泥干重高达360万吨。这些剩
成分复杂，其中包含重金属、病原菌、寄生虫卵及难降解合成有机物等有害 特性 物质。若不加以处理，将污泥直接排入环境中，会产生恶臭气体，造成“二次污染” 最终严重危害到人类的身体健康。 从微生物所需营养考虑，剩余污泥含有大量碳水化合物、蛋白质等营养物质 及氮磷营养元素，具备作为MFC底物燃料的基本条件。