微生物燃料电池法处理生物柴油副产物粗甘油的相关研究

发布时间：2020-07-30 01:38

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)作为一种新型的燃料电池,凭借其燃料来源多样化、处理过程绿色化等特点,可以将有机物直接转化成电能回收利用,目前已被广泛应用于可再生能源生产以及废弃物处理等领域。近年来,生物柴油作为一种有潜力替代化石燃料的可再生的生物质能源,得到了各国政府的大规模推广应用,但是在炼制过程中积攒了大量粗甘油,给市场和环境带来了巨大压力。因此迫切需要寻求一种绿色环保的技术方法来合理地、有效地回收或利用粗甘油副产物,将其转化成有更高价值的产品。本课题构建了一套双室混菌微生物燃料电池,以甘油为唯一碳源,以克雷伯氏菌(Klebsiella peneumoniae)和希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)作为阳极菌种,以铁氰化钾溶液为阴极液,通过电化学和合成生物学等研究方法,探索了不同菌种、混合比例、碳代谢流分布和电子传递效率等因素对MFCs产电性能的影响,系统分析了MFCs同步处理甘油并回收电能的优势和特点。以上研究取得的主要成果包括:(1)拓宽了MFCs的碳源利用谱。单纯的S.oneidensis MFCs很难利用甘油产电,当加入K.peneumoniae作为发酵菌株与S.oneidensis组成混合MFCs时,产电量会得到明显提升,其最高的输出电压值可达127 mV,最大功率密度值可达8.17 mW/m~2,说明对不同菌株进行合理组合能够拓宽MFCs的碳源利用谱。(2)当K.peneumoniae和S.oneidensis以不同接种比例混合时,MFCs产生的输出电压也会有差别。本课题分别比较了1:5、1:10和1:15三种接种比例下MFCs的输出电压情况,结果表明:在其他条件相同的情况下,K.peneumoniae和S.oneidensis以OD_(600)之比为0.05:0.5,即1:10的比例混合时会得到更好地产电性能,其最高输出电压可以达到114 mV,而其他两种比例下的最高输出电压分别为99 mV和108 mV。(3)合理调控K.peneumoniae胞内的碳代谢流分布和S.oneidensis与电极间的电子传递效率可显著提升MFCs的产电和利用甘油的能力。运用合成生物学技术,敲除K.peneumoniae胞内的乙醇代谢路径,并引入了乳酸异源表达路径使碳源更多的流向对MFCs产电有利的方向;在S.oneidensis胞内引入核黄素异源表达路径使MFCs中的电子传递介质增多,从而加速产电菌与电极之间的胞外电子传递效率(Extracellular Electron Transfer,EET),结果表明:改造后的K.peneumoniae产生乙醇的水平降低了98%,产生乳酸的水平提高了350%,产生核黄素的水平提高了790%,最终,MFCs的最高输出电压达到了233 mV,功率密度值从原来的8.17 mW/m~2提高到了19.9 mW/m~2。(4)加快了利用甘油的速率。我们分别比较了单菌、混菌、野生型和工程型等MFCs中甘油的利用情况,结果显示,混菌MFCs对甘油的利用情况优于单菌MFCs,同时,经过工程改造后的MFCs利用甘油的速率要快于野生型。这是由于在MFCs中,能量传递有效拉动了能量代谢,使得阳极菌对甘油的利用速率得到显著提高。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45
【图文】：

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