[發明專利]自動構建穩定電催化細菌生物膜的方法

有效

• 申請號: 201410291215.3
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104091962A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 張恩仁;汪霄;刁國旺
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 任利國

技術領域

本發明涉及一種自動構建穩定電催化細菌生物膜的方法，屬于微生物電化學反應器技術領域。

背景技術

微生物電化學反應器包括微生物燃料電池、微生物電解池和微生物電化學傳感器等。在微生物電化學反應器中，附著在電極表面的電催化細菌生物膜的電催化活性和運行穩定性是決定反應器性能的關鍵部件，穩定高效的電催化細菌生物膜可提高微生物燃料電池和微生物電解池的能量效率，提高微生物電化學傳感器信號響應的靈敏度。電催化細菌生物膜是由具有完整生命代謝功能的產電細菌(有時還包括非產電細菌)細胞及胞外物質共同形成的具有一定空間結構的細胞堆積層。在生物電化學反應器的電極表面上，細菌生物膜具有將反應底物氧化分解，并將氧化過程釋放的電子傳遞到電極上形成電流的電化學催化功能。

目前，構建穩定電催化細菌生物膜的方法有兩種。第一種是恒外阻模式的構建方法，主要步驟有：(1)將細菌接種源接種到反應器的陽極室中，細菌接種源包括取自環境沉積物、污水生物處理廠中的含產電菌的污泥以及在實驗室條件下培養出來的含產電菌的培養菌等；(2)將陽極通過某一定值外電阻與陰極接通，構成閉合電路，利用接種到陽極室的細菌在電極表面上進行的適應性生長，形成電催化細菌生物膜。

第二種是恒電極電勢模式的構建方法，主要步驟有：(1)將細菌接種源接種到反應器的陽極室中，細菌接種源包括取自環境沉積物、污水生物處理廠中的含產電菌的污泥以及在實驗室條件下培養出來的含產電菌的培養菌等；(2)利用恒電位儀和參比電極控制陽極電勢保持某一恒定值，使接種到陽極室中的細菌在電極表面進行適應性生長，形成電催化細菌生物膜。雖然兩種方法的電化學控制方法不同，但兩種方法實質上都是利用細菌對陽極電勢的適應性生長，達到構建電催化細菌生物膜的目的。

以上兩種構建電催化細菌生物膜的方法的不同之處是：在第一種方法中，細菌適應的是動態變化的電勢。根據目前公開的資料，利用第一種方法在陽極表面構建電催化活性生物膜過程中，陽極電勢(相對于標準氫電極)通常都在約+0.5V～-0.3V的范圍內變化。在第二種方法中，細菌適應的是恒定的陽極電勢，在生物膜形成過程中，通常將陽極電勢保持在某一個固定數值，根據相關資料，在第二種構建方法中，也基本上都是在+0.5V～-0.3V?(相對于標準氫電極)的范圍內選定一個恒定的陽極電勢培養陽極生物膜。

利用電勢適應方法構建出來的電催化細菌生物膜，普遍存在如下不足：(1)?電極能達到的極限工作電流較小，電催化效率低；(2)?電催化細菌生物膜對較高工作電流的承受能力差，當通過電極的工作電流接近或超過其極限電流時，電極會被迅速過度極化，過度極化會造成陽極電勢在短時間內(通常不超過10分鐘)正移到+1.2V?(相對于標準氫電極)以上，這樣高的陽極電勢會對細菌本身造成不可逆轉的傷害，導致電催化細菌生物膜被破壞，失去催化功能。總之，利用電勢適應法構建的電催化細菌生物膜，普遍存在著催化活性較小，對高工作電流適應性差的缺點，構建出來的電催化細菌生物膜，即使在營養物質充足的情況下，也無法在接近其極限電流水平的工作電流下連續穩定工作。因此，研發出具有較高催化活性和在較高工作電流下具有運行穩定性的電催化細菌生物膜的構建方法，對于開發穩定高效的生物電化學反應器具有重要的技術意義和廣泛的應用推廣價值。

發明內容

本發明的目的在于，克服現有技術中存在的問題，提供一種自動構建穩定電催化細菌生物膜的方法，構建的電催化細菌生物膜能夠在較高工作電流下穩定運行。