一种微生物燃料电池及其构建方法与应用

摘要

本发明提供了一种微生物燃料电池及其构建方法与应用，所述微生物燃料电池包括阳极室，所述阳极室内填充固态发酵体系，包括固体吸附载体和微生物。本发明采用固态发酵与燃料电池的耦合，能够在发酵产化学品的同时进行发电，实现了化学品和电的联产；采用固体吸附载体，其不仅能重复使用，不会出现电子载体被消耗的情况，还能提高微生物的抗逆性，进而提高微生物菌体密度，提升发酵产物的产量；来源于生物质的糖源和代谢活性的微生物燃料电池，在各批次或连续发酵中能保持稳定，进而保障了输出电能的稳定。

权利要求

1.一种微生物燃料电池，其特征在于，所述微生物燃料电池包括阳极室，所述阳极室内填充固态发酵体系，包括固体吸附载体和微生物；

所述固体吸附载体包括碳毡和海绵的组合、碳毡和纱布的组合或碳毡和无纺布的组合；

所述微生物为具有电活性的微生物；

所述具有电活性的微生物包括丙酮丁醇梭菌、酵母菌、嗜水气单胞菌、硫杆菌或枯草芽孢杆菌中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极室还包括阳极电极和培养基。

3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述微生物燃料电池还包括阴极室、阴极电极、阴极液和质子交换膜。

4.一种如权利要求1 3任一项所述的微生物燃料电池的构建方法，其特征在于，所述构~

建方法包括：

将微生物的种子液、培养基、阳极电极、阴极电极、固体吸附载体和质子交换膜放置于燃料电池反应器中，灭菌，得到所述微生物燃料电池。

5.根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述微生物的种子液由微生物在玉米粉液中培养得到。

6.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于，所述固体吸附载体为经过预处理的吸附载体，所述预处理方法包括酸液浸泡固体吸附载体，冲洗后，进行干燥。

7.一种如权利要求1 3任一项所述的微生物燃料电池的应用，其特征在于，所述应用包~

括用于产电和发酵的联产领域。

说明书

一种微生物燃料电池及其构建方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于微生物电化学领域，涉及一种微生物燃料电池，尤其涉及一种微生物燃料电池及其构建方法与应用。

背景技术

[0002] 生物发酵行业是重要的民生产业，在生物制造产业中占据重要地位。生物发酵工业主要通过微生物将有机物转化为高附加值产品。该产品涉及有机酸、醇、氨基酸、酶制剂、
维生素、抗生素、药物和其他化学品。近几年，新型微生物厌氧能量代谢方式‑胞外呼吸被发
现。具有这种胞外呼吸的微生物可以在代谢活动中产生电子，传递到固体上形成电流。这就
意味着在发酵过程中微生物不仅可以产生高附加值化学品，还可以发电，改变了人们以往
对于发酵产品单一化的认知。然而，这一部分能量在传统的发酵产业中未能被有效利用，造
成了资源的浪费。微生物燃料电池是一种新型绿色发电方式，是利用微生物将有机物中的
化学能直接转化成电能的装置。

[0003] CN 112390374A公开了一种可以提高微藻阴极微生物燃料电池产电和脱氮除磷性能方法，该方法通过固定化微藻提高了其产电性能且增大了对氮磷污染物的吸附量。但是
污水中营养成分复杂且各批次之间差异性大，从而导致电能输出的起伏性大，难以利用。此
外，液态基质中存在电子传递速率低、易泄露及安全性差等问题，很大程度上限制了微生物
燃料电池耦合发酵的应用。

[0004] CN 105647981A公开了一种通过电化学系统强化微生物菌体利用甘油的方法及其应用，包括菌种活化、种子培养和厌氧发酵步骤，所述厌氧发酵采用电化学发酵，在发酵培
养基中添加电子载体，所述电子载体为具有氧化还原对特性的化合物；CN 108103136A公开
了一种通过电化学系统强化微生物菌体生产丁二酸的方法及其应用，包括菌种活化、种子
培养和厌氧发酵步骤，所述厌氧发酵采用电化学发酵，在发酵培养基中添加电子载体，所述
电子载体的浓度为0.1 1.0mmol/L；上述公开的电子载体在发电过程中不断被消耗，需要定
~
时补充，不能被重复利用。

[0005] 基于以上研究，如何提供一种微生物燃料电池，其中微生物载体能有效提高胞外电子传递速率，提高微生物的抗逆性，进而提高菌体密度，且不会被消耗，能重复使用，所述
微生物燃料电池可实现在发酵产出化学品的同时进行发电，实现化学品与电能的联产，成
为了目前迫切需要解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种微生物燃料电池及其构建方法与应用，微生物燃料电池中的微生物载体能与微生物相互作用，有效提高胞外电子传递速率，提高微生物的抗逆
性，进而提高菌体密度，且不会被消耗，能重复使用，所述微生物燃料电池可实现在发酵产
出化学品的同时进行发电，实现化学品与电能的联产。

[0007] 为达此目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 第一方面，本发明提供了一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室，所述阳极室内填充固态发酵体系，包括固体吸附载体和微生物。

[0009] 本发明采用固体吸附载体作为微生物载体，其能与微生物相互作用，提高微生物的抗逆性，进而提高微生物菌体密度，提升发酵产物的产量；同时，固态吸附载体可以有效
提高胞外电子传递速率，且不会被消耗，能够重复使用；此外，将燃料电池与固态发酵相耦
合，可实现在发酵产出化学品的同时进行发电，实现化学品与电能的联产。

[0010] 优选地，所述阳极室还包括阳极电极和培养基。

[0011] 优选地，所述固体吸附载体浸入培养基中。

[0012] 优选地，所述固体吸附载体包括碳毡和海绵的组合、碳毡和纱布的组合或碳毡和无纺布的组合。

[0013] 优选地，所述微生物为具有电活性的微生物。

[0014] 优选地，所述具有电活性的微生物包括丙酮丁醇梭菌、酵母菌、嗜水气单胞菌、硫杆菌或枯草芽孢杆菌中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制的组合包括丙酮丁醇
梭菌和酵母菌的组合，丙酮丁醇梭菌和嗜水气单胞菌的组合，或硫杆菌和枯草芽孢杆菌的
组合。

[0015] 优选地，所述微生物燃料电池还包括阴极室、阴极电极、阴极液和质子交换膜。

[0016] 优选地，所述阳极电极和阴极电极分别独立地为碳毡。

[0017] 优选地，所述阴极液包括20 30mM的铁氰化钾水溶液，例如可以是20mM、25mM或~
30mM，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

[0018] 第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的微生物燃料电池的构建方法，所述构建方法包括：

[0019] 将微生物的种子液、培养基、阳极电极、阴极电极、固体吸附载体和质子交换膜放置于燃料电池反应器中，灭菌，得到所述微生物燃料电池。

[0020] 优选地，所述微生物的种子液由微生物在玉米粉液中培养得到。

[0021] 优选地，所述微生物的种子液和培养基的体积比为1:(9 11)，例如可以是1:9、1:~
10或1:11，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

[0022] 优选地，所述固体吸附载体为经过预处理的吸附载体，所述预处理方法包括酸液浸泡固体吸附载体，冲洗后，进行干燥。

[0023] 优选地，所述酸液为0.8 1.2mol/L的盐酸，例如可以是0.8mol/L、1mol/L或~
1.2mol/L，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

[0024] 优选地，所述冲洗的方式包括采用水冲洗至中性。

[0025] 第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的微生物燃料电池的应用，所述应用包括用于产电和发酵的联产领域。

[0026] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0027] 本发明提供的微生物燃料电池，通过采用固态发酵与燃料电池的耦合，能够在发酵产化学品的同时进行发电，实现了化学品和电的联产；采用固体吸附载体，其不仅能重复
使用，不会出现电子载体被消耗的情况，还能提高微生物的抗逆性，进而提高微生物菌体密
度，提升发酵产物的产量；来源于生物质的糖源和代谢活性的微生物燃料电池，在各批次或
连续发酵中能保持稳定，进而保障了输出电能的稳定。

附图说明

[0028] 图1是本发明提供的微生物燃料电池的结构示意图。

[0029] 图2是实施例4、实施例5、实施例6和对比例1提供的微生物燃料电池实时输出电压曲线。

[0030] 图3是实施例4、实施例5、实施例6和对比例1提供的微生物燃料电池培养288h后得到的发酵产物量。

[0031] 其中，1‑固体吸附载体，2‑阳极室，3‑阴极室，4‑质子交换膜，5‑数据采集器，6‑阳极电极，7‑阴极电极。

具体实施方式

[0032] 下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

[0033] 以下实施方式中微生物的种子液的制备方法包括：

[0034] 微生物接种于玉米粉液中，100℃热激10分钟，后放置37℃培养箱培养48h得到所述微生物的种子液；所述接种的接种量占玉米粉液的10wt%，所述接种的次数为3次，所述玉
米粉液中的玉米粉占6wt%。

[0035] 以下实施方式中所用培养基的成分包括：60g/L的C6H12O6，3.68g/L的(NH4)2SO4，1.768g/L的KH2PO4，2.938g/L的K2HPO4，2g/L的Ca(OH)2，6g/L的酵母浸粉，3g/L的蛋白胨和
10mL/L的微量元素。所述微量元素的组成包括2.4g/L的Na2MoO4，1.5g/L的CaCl2，27g/L的
FeCl3，1g/L的CuSO4，0.29g/L的ZnSO4，1.7g/L的MnSO4·H2O，12g/L的MgSO4·7H2O，1g/L的对
氨基苯甲酸和1g/L的生物素。

[0036] 上述对于微生物种子液的制备方法和培养基成分的说明是为了更完整的阐述技术方案，不应视为对本发明的具体限定。

[0037] 实施例1

[0038] 本实施例提供了一种如图1所示的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室和质子交换膜（杜邦N‑17）；

[0039] 所述阳极室内包括20mL丙酮丁醇梭菌的种子液、200mL的培养基、碳毡阳极电极、40个碳毡和海绵的组合吸附载体；

[0040] 所述组合吸附载体由20×20×3mm的碳毡吸附载体以及20×20×3mm的海绵吸附载体通过回形针组合而成；所述组合吸附载体采用1mol/L的盐酸浸泡24h，用水冲洗至中性
后得到；所述碳毡阳极电极的大小为50×100×3mm；

[0041] 所述阴极室内包括200mL的25mM铁氰化钾水溶液和碳毡阴极电极，所述碳毡阴极电极的大小为50×100×3mm；

[0042] 所述微生物燃料电池的构建方法包括：

[0043] 将丙酮丁醇梭菌的种子液、培养基、碳毡阳极电极、碳毡阴极电极、碳毡和海绵的组合吸附载体、铁氰化钾阴极液和质子交换膜（杜邦N‑17）组装成如图1所示的微生物燃料
电池，115℃灭菌30分钟，得到所述微生物燃料电池。

[0044] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养72h，测试实时输出电压和发酵产物
量。

[0045] 实施例2

[0046] 本实施例提供了一种如图1所示的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室和质子交换膜（杜邦N‑17）；

[0047] 所述阳极室内包括20mL丙酮丁醇梭菌的种子液、200mL的培养基、碳毡阳极电极、40个碳毡和纱布的组合吸附载体；

[0048] 所述组合吸附载体由20×20×3mm的碳毡吸附载体以及20×20×3mm的纱布吸附载体通过回形针组合而成；所述组合吸附载体采用1.2mol/L的盐酸浸泡24h，用水冲洗至中
性后得到；所述碳毡阳极电极的大小为50×100×3mm；

[0049] 所述阴极室内包括200mL的20mM铁氰化钾水溶液和碳毡阴极电极，所述碳毡阴极电极的大小为50×100×3mm；

[0050] 所述微生物燃料电池的构建方法包括：

[0051] 将丙酮丁醇梭菌的种子液、培养基、碳毡阳极电极、碳毡阴极电极、碳毡和纱布的组合吸附载体、铁氰化钾阴极液和质子交换膜（杜邦N‑17）组装成如图1所示的微生物燃料
电池，115℃灭菌30分钟，得到所述微生物燃料电池。

[0052] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养72h，测试实时输出电压和发酵产物
量。

[0053] 实施例3

[0054] 本实施例提供了一种如图1所示的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室和质子交换膜（杜邦N‑17）；

[0055] 所述阳极室内包括20mL丙酮丁醇梭菌的种子液、200mL的培养基、碳毡阳极电极、40个碳毡和无纺布的组合吸附载体；

[0056] 所述组合吸附载体由20×20×3mm的碳毡吸附载体以及20×20×3mm的无纺布吸附载体通过回形针组合而成；所述组合吸附载体采用0.8mol/L的盐酸浸泡24h，用水冲洗至
中性后得到；所述碳毡阳极电极的大小为50×100×3mm；

[0057] 所述阴极室内包括200mL的35mM铁氰化钾水溶液和碳毡阴极电极，所述碳毡阴极电极的大小为50×100×3mm；

[0058] 所述微生物燃料电池的构建方法包括：

[0059] 将丙酮丁醇梭菌的种子液、培养基、碳毡阳极电极、碳毡阴极电极、碳毡和无纺布的组合吸附载体、铁氰化钾阴极液和质子交换膜（杜邦N‑17）组装成如图1所示的微生物燃
料电池，115℃灭菌30分钟，得到所述微生物燃料电池。

[0060] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养72h，测试实时输出电压和发酵产物
量。

[0061] 实施例4

[0062] 本实施例提供了一种如图1所示的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室和质子交换膜（杜邦N‑17）；

[0063] 所述阳极室内包括20mL丙酮丁醇梭菌的种子液、200mL的培养基、碳毡阳极电极、40个碳毡和海绵的组合吸附载体；

[0064] 所述组合吸附载体由20×20×3mm的碳毡吸附载体以及20×20×3mm的海绵吸附载体通过回形针组合而成；所述组合吸附载体采用1mol/L的盐酸浸泡24h，用水冲洗至中性
后得到；所述碳毡阳极电极的大小为50×100×3mm；

[0065] 所述阴极室内包括200mL的25mM铁氰化钾水溶液和碳毡阴极电极，所述碳毡阴极电极的大小为50×100×3mm；

[0066] 所述微生物燃料电池的构建方法包括：

[0067] 将丙酮丁醇梭菌的种子液、培养基、碳毡阳极电极、碳毡阴极电极、碳毡和海绵的组合吸附载体、铁氰化钾阴极液和质子交换膜（杜邦N‑17）组装成如图1所示的微生物燃料
电池，115℃灭菌30分钟，得到所述微生物燃料电池。

[0068] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养288h，其中在培养72h、120h、168h和
216h时，更换培养基，测试实时输出电压和发酵产物量；所述微生物燃料电池实时输出电压
曲线如图2所示，培养288h后得到的发酵产物量如图3所示。

[0069] 实施例5

[0070] 本实施例提供了一种如图1所示的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室和质子交换膜（杜邦N‑17）；

[0071] 所述阳极室内包括20mL丙酮丁醇梭菌的种子液、200mL的培养基、碳毡阳极电极、40个碳毡和纱布的组合吸附载体；

[0072] 所述组合吸附载体由20×20×3mm的碳毡吸附载体以及20×20×3mm的纱布吸附载体通过回形针组合而成；所述组合吸附载体采用1.2mol/L的盐酸浸泡24h，用水冲洗至中
性后得到；所述碳毡阳极电极的大小为50×100×3mm；

[0073] 所述阴极室内包括200mL的20mM铁氰化钾水溶液和碳毡阴极电极，所述碳毡阴极电极的大小为50×100×3mm；

[0074] 所述微生物燃料电池的构建方法包括：

[0075] 将丙酮丁醇梭菌的种子液、培养基、碳毡阳极电极、碳毡阴极电极、碳毡和纱布的组合吸附载体、铁氰化钾阴极液和质子交换膜（杜邦N‑17）组装成如图1所示的微生物燃料
电池，115℃灭菌30分钟，得到所述微生物燃料电池。

[0076] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养288h，其中在培养72h、120h、168h和
216h时，更换培养基，测试实时输出电压和发酵产物量；所述微生物燃料电池实时输出电压
曲线如图2所示，培养288h后得到的发酵产物量如图3所示。

[0077] 实施例6

[0078] 本实施例提供了一种如图1所示的微生物燃料电池，所述微生物燃料电池包括阳极室、阴极室和质子交换膜（杜邦N‑17）；

[0079] 所述阳极室内包括20mL丙酮丁醇梭菌的种子液、200mL的培养基、碳毡阳极电极、40个碳毡和无纺布的组合吸附载体；

[0080] 所述组合吸附载体由20×20×3mm的碳毡吸附载体以及20×20×3mm的无纺布吸附载体通过回形针组合而成；所述组合吸附载体采用0.8mol/L的盐酸浸泡24h，用水冲洗至
中性后得到；所述碳毡阳极电极的大小为50×100×3mm；

[0081] 所述阴极室内包括200mL的35mM铁氰化钾水溶液和碳毡阴极电极，所述碳毡阴极电极的大小为50×100×3mm；

[0082] 所述微生物燃料电池的构建方法包括：

[0083] 将丙酮丁醇梭菌的种子液、培养基、碳毡阳极电极、碳毡阴极电极、碳毡和无纺布的组合吸附载体、铁氰化钾阴极液和质子交换膜（杜邦N‑17）组装成如图1所示的微生物燃
料电池，115℃灭菌30分钟，得到所述微生物燃料电池。

[0084] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养288h，其中在培养72h、120h、168h和
216h时，更换培养基，测试实时输出电压和发酵产物量；所述微生物燃料电池实时输出电压
曲线如图2所示，培养288h后得到的发酵产物量如图3所示。

[0085] 对比例1

[0086] 本对比例提供了一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池除不包括碳毡吸附载体外，其余均与实施例1相同；

[0087] 所述微生物燃料电池的构建方法与实施例1相同；

[0088] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养288h，其中在培养72h、120h、168h和
216h时，更换培养基，测试实时输出电压和发酵产物量；所述微生物燃料电池实时输出电压
曲线如图2所示，培养288h后得到的发酵产物量如图3所示。

[0089] 对比例2

[0090] 本对比例提供了一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池除阳极室内不包括碳毡吸附载体，包括1mM的中性红电子载体外，其余均与实施例1相同；

[0091] 所述微生物燃料电池的构建方法与实施例1相同。

[0092] 所述微生物燃料电池的碳毡阳极电极和碳毡阴极电极用10kΩ电阻丝连接，电阻丝二端连接数据采集器，然后于37℃水浴条件下培养72h，测试实时输出电压和发酵产物
量。

[0093] 以上实施例与对比例提供的微生物燃料电池培养输出电压和各发酵产物量如表1所示：

[0094] 表1

[0095]

[0096] 从表1可以看出以下几点：

[0097] （1）由实施例1与实施例4可知，实施例4提供的微生物燃料电池于37℃水浴条件下培养288h，其能稳定输出电压和产出发酵产物；同理，由实施例2与实施例5，实施例3与实施
例6可知，实施例5和实施例6提供的微生物燃料电池在37℃水浴条件下培养288h后，能稳定
输出电压和产出发酵产物；由此表明，本发明提供的微生物燃料电池能长时间稳定输出电
压和产出发酵产物。

[0098] （2）由实施例1与对比例1可知，对比例1阳极室内未加入固体吸附载体，相对于实施例1，对比例1提供的微生物燃料电池其产电和发酵产能下降；由此可知，采用固体吸附载
体作为微生物载体，其能与微生物相互作用，可以有效提高胞外电子传递速率，提高微生物
的抗逆性，进而提高微生物菌体密度，提升发酵产物的产量。

[0099] （3）由实施例1与对比例2可知，对比例2采用电子载体，其在发酵过程中会被不断消耗，相较于实施例1，对比例2提供的微生物燃料电池其产电和发酵产能下降；由此可知，
采用固体吸附载体作为微生物载体，其在发酵过程中不会被消耗，同时能与微生物相互作
用，可以有效提高胞外电子传递速率，提高微生物的抗逆性，进而提高微生物菌体密度，提
升发酵产物的产量。

[0100] 综上所述，本发明提供了一种微生物燃料电池及其构建方法与应用，所述微生物燃料电池包括阳极室，所述阳极室内采用固态发酵体系，包括固体吸附载体和微生物。本发
明提供的微生物燃料电池，通过采用固态发酵与燃料电池的耦合，能够在发酵产化学品的
同时进行发电，实现了化学品和电的联产；采用固体吸附载体，其不仅能重复使用，不会出
现电子载体被消耗的情况，还能提高微生物的抗逆性，进而提高微生物菌体密度，提升发酵
产物的产量；来源于生物质的糖源和代谢活性的微生物燃料电池，在各批次或连续发酵中
能保持稳定，进而保障了输出电能的稳定。

[0101] 申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭
露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。