Биотопливные элементы
Р.Г.Василов, А.Н.Решетилов, А.И.Шестаков
Биоэнергетика — новое научное и прикладное направление в сфере альтернативной энергетики, занимающееся получением энергии на основе принципов живой природы. В современной биоэнергетике идея получения электричества с использованием механизмов живой природы весьма популярна и реализуется, в частности, путем разработки экологически безопасных, неиссякаемых и недорогих биологических топливных элементов. В таких электрохимических устройствах химическая энергия превращается в электрическую с помощью биокатализаторов [1]. Ими могут быть ферменты (ферментные топливные элементы) или органеллы и целые клетки (микробные топливные элементы), в которых энергия трансформируется за счет метаболической активности микроорганизмов. Широкое внедрение таких элементов позволит значительно снизить потребление органического топлива, не уменьшая при этом уровень энергопотребления. Именно этому направлению исследований в области биоэнергетики посвящена наша статья.
Раиф Гаянович Василов, доктор биологических наук, профессор, начальник Научно-технического комплекса биоэнергетики НБИКС-Центра. Президент Общества биотехнологов России имЮА.Овчинникова. Занимается вопросами биотехнологии, биоэнергетики и биоэкономики: разработкой и созданием биотехнологических производств, а также нанобиоэнергетическими устройствами, интегрированными региональными биоэкономическими кластерами.
Анатолий Николаевич Решетилов, доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией бионаноэнергетичес-ких устройств того же центра и лабораторией биосенсоров Института биохимии и физиологии микроорганизмов им.Г.К.Скрябина РАН. Основные научные интересы — разработка и применение электрохимических биосенсоров, а также импедансной спектроскопии к изучению параметров биотопливных элементов.
Андрей Иннокентьевич Шестаков, научный сотрудник кафедры микробиологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова. Руководитель группы микробной биотехнологии и автор патента в этой области. Занимается микробиологической конверсией органических отходов различного типа в электрическую энергию.
Микробные
биотопливные элементы
Первые публикации о возможном использовании микроорганизмов для генерирования электричества появились еще в начале ХХ в. [1, 2]. Однако 90%
© Василов Р.Г., Решетилов А.Н., Шестаков А.И., 2013
работ в этой области относится к последним 10—15 годам, когда стали очевидными уникальные перспективы таких биотопливных элементов [3—6]. Но для их практического применения надо решить ряд взаимосвязанных технологических задач, требующих специфического подхода (микробиологического, электрохимического, молекулярно-биологического, экологического, геологического и др.).
Рис.1. Микрофотография фиксированного препарата микробного электрохимически активного сообщества микроорганизмов. Клетки на поверхности железа (люминесцентная микроскопия, краситель — акридиновый оранжевый, увел.40).
Перспективная сфера приложения микробных биотопливных элементов — утилизация органических отходов с выработкой электричества. Интенсивный рост численности населения и увеличение производственных мощностей в течение XX в.
привели к значительному накоплению локальных антропогенных отходов, в том числе и органических, большую часть которых можно использовать как источник энергии. Так, отходы сельского хозяйства и деревоперерабатывающей промышленности, пищевые и др. могут обеспечивать энергией потребителей в населённых пунктах, сельскохозяйственных и промышленных зонах за счет небольших установок по переработке. Это позволит решить проблему избыточного накопления органических отходов и снизить зависимость потребителей от традиционных источников энергии.
Работа по созданию систем микробной переработки отходов была направлена на разработку топливного элемента, который позволяет получать электроэнергию из послеспиртовой барды. Этот отход часто сливают на поля фильтрации (в среднем на 1 л произведенного спирта приходится до 10 л барды), что негативным образом сказывается на состоянии окружающей среды. Нами было выделено сообщество микроорганизмов (бактерии ЕиЬаШпит aggregans, ЕМвгососеи^ gilvus, А4юепе11а /аеарога, Oscillibacter sp, ЬасЮсоссш 1асШ и др.), которое при переработке сточных вод от предприятий, производящих спирт, восстанавливало нерастворимые акцепторы электронов — Fe2O2 (рис.1,2). В разработанном нами лабораторном
и чистых культур электрогенных микроорганизмов: 1 — Рис.2. Электронные микрофотографии поверхности части- анод, 2 — катодная камера, 3 — рН-электрод, 4 — элект-цы FeгOз, покрытой биопленкой микробного сообщества. род сравнения.
Рис.4. Электронная микрофотография поверхности рабочего электрода, покрытого клетками микроорганизмов (12 дней культивирования).
Рис.5. Электронная микрофотография клеток формирующих филаментоподобные структуры на поверхности рабочего электрода (12 дней культивирования).
прототипе микробного элемента использовались микроорганизмы, наиболее эффективно перерабатывающие барду и генерирующие электроэнергию (рис.3). В процессе роста они избирательно покрывали поверхность анодного электрода (рис.4,5). Для культивирования отобранного микробного сообщества была создана уникальная конструкция (рис.6). Максимальная мощность этого микробного элемента, стабильно работающего более 50 дней, составила более 0.5 мВт/300 мл среды культивирования (рис.7).
Такая технология в будущем может иметь значительные перспективы. В июне 2012 г. международный научный химический журнал посвятил специальный выпуск технологии биологических топливных элементов [7]. Главным образом, это вызвано перспективами использования микробных биотопливных элементов в очистке сточных вод от сравнительно безопасных пищевых до токсичных и даже радионуклидов и в переработке различных типов отходов с получением возобновляемой энергии.
Микробные электролизные элементы, схожие с топливными, используются для получения важных химических веществ (например, водорода) [8]. В них на аноде микроорганизмы (Geobacter, 8Ьвтапв11а и др.) окисляют органические вещества, что уменьшает мощность, необходимую для получения на катоде водорода. Такая система годится и для переработки сточных вод в анодной камере. Катодный процесс может быть химическим или катализироваться микроорганизмами.
Рис.6. Микробный топливный элемент, разработанный нами для культивирования отобранного сообщества электрохимически активных микроорганизмов.
Рис.7. Динамика зависимости мощности от напряжения на протяжении 49 дней непрерывной работы микробного элемента.
Ферментные элементы
Конструкция ферментных биотопливных элементов проще, чем микробных. Чаще всего в качестве анода используют иммобилизованную глюкозоок-сидазу в смеси с различными медиаторами, затем другие ферменты: алкогольдегидрогеназы (часто в паре с формиатдегидрогеназой), глюкозодегид-рогеназы и гидрогеназы. Катодом служит главным образом лакказа и билирубиноксидаза [9].
Как показывают исследования, мощность этих систем все еще довольно низка, примерно 50 мВт/см2. В 1998 г. был разработан ферментный элемент, в анод которого помимо алкогольдегид-рогеназы входили диафораза и бензилвиологен, ускоряющие окисление естественного медиатора (никотинамидадениндинуклеотида). Максимальная мощность описанного метанол/кислородного элемента (катодом была платина) составила 670 мкВт/см2, а мощность ферментного элемента на основе глюкозооксидазы (анод) и цитохромок-сидазы (катод) — 550 мкВт/см2 [10]. Пока такие элементы стабильно работают часами, днями, реже — десятками дней [11]. Полному окислению субстратов могут способствовать мультиферментные системы, имитирующие метаболизм бактерий. Хрупкость ферментов, казалось бы, исключает долгосрочное применение таких элементов. Однако современные достижения в области генетической инженерии позволили разработать простую систему экспрессии ферментов на поверхности клеток, делая их тем самым воспроизводимыми и более устойчивыми к внешним условиям. Будущие системы, несомненно, должны быть лишены искусственных медиаторов из-за их высокой стоимости. Перспективные разработки необходимо сосредоточить на прямом транспорте электронов.
Устройства, имеющие большую мощность, могут заменять обычные батареи, обеспечивая работу имплантированных медицинских и портативных конструкций, а также объектов, находящихся в труднодоступных местах, биороботов и др. Так, в компании Sony создали глюкозный элемент (он генерировал ток в результате ферментативного расщепления молекул залитого в батарею раствора глюкозы) с максимальной мощностью 1.45 ± 0.24 Вт/см2 при перенапряжении 0.3 В, который может обеспечить энергией небольшой радиоуправляемый автомобиль и музыкальный плеер.
Одно из самых разработанных направлений — применение ферментных элементов в медицине. Многие научные коллективы сосредоточены сегодня на создании совместимых имплантируемых медицинских устройств, работающих за счет энергии от переработки органических веществ, поступающих с пищей. Это, безусловно, сложная задача, но, судя по всему, вполне решаемая. Опубликованы данные об успешных работах по вживлению подобных устройств в организм животных (кроли-
ков, крыс, насекомых, моллюсков). Так, глюкозный биотопливный элемент (мощностью 7.5 мкВт/мл), помещенный в брюшную полость живой крысы, работал в течение нескольких часов [12].
Американские исследователи из Университета Кларксон в свое время создали гибридное устройство, помещенное в тело улитки, в котором для генерирования электричества использовали глюкозу из крови моллюска. В настоящее время ученые работают с ферментными элементами, вживленными одновременно двум омарам. В результате удалось получить более эффективную систему, генерирующую мощность, работающую в течение нескольких часов, а батарея из пяти таких топливных элементов могла поддерживать функционирование стимулятора сердца [13]. Значит, уже в обозримом будущем можно рассчитывать на разработку и практическое применение стимуляторов, не требующих операций для замены источ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.