Анод биотопливного элемента на основе иммобилизованных бактерий Gluconobacter oxydans

Минайчева П.Р., Алферов С.В.

Биотопливный элемент – устройство, которое непосредственно преобразует энергию химических связей субстрата в электричество путем биокаталитического окисления органических или неорганических веществ [1]. Одним из важнейших достоинств биотопливных элементов является то, что они представляют собой экологически чистые источники электрической энергии. Основой БТЭ является биокатализатор, в качестве которого могут выступать либо ферменты, либо целые клетки микроорганизмов. Одними из перспективных биокатализаторов являются бактерии Gluconobacter oxydans subsp. industrius благодаря мембранной локализацией основных ферментов клеточного метаболизма – дегидрогеназ, осуществляющих неполное окисление углеродных субстратов, обеспечивается легкий доступ медиатора и субстрата к активным центрам ферментов.

Одной из акутальных задач, направленных на увеличение долговременной работы и энергетических характеристик БТЭ является иммобилизация биокатализатора на поверхности анода. Разнообразие субстратов, которые могут быть окислены микроорганизмами, позволяет использовать в качестве топлива достаточно широкий спектр веществ, а иммобилизация биоматериала на поверхности анода является необходимым условием при разработке биоанодов многократного применения, что позволит создать на их основе биотопливные элементы непрерывного (проточного) типа.

Целью данной работы являлось определение параметров макета биотопливного элемента на основе бактерий Gluconobacter oxydans иммобилизованных в химически модифицированный поливиниловый спирт (ПВС) на поверхности анода.

Проведена иммобилизация бактерий Gluconobacter oxydans в ПВС модифицированный N-винилпирролидоном на поверхности анода. Долговременная стабильность биоанодов составила 5-8 суток. Выявлено, что для достижения максимального значения генерируемого потенциала при использовании разработанных биоанодов в макете БТЭ при окислении глюкозы в присутствии медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорфенолиндофенола (рис 1) необходимо содержание биокатализатора 3 – 13 мг/см² рабочей поверхности электрода.

Рис. 1 Зависимость величины генерируемого потенциала от количества биокатализатора на аноде.

Дальнейшее увеличение биомассы (20-27 мг/см²) приводит к снижению генерируемого потенциала, что может быть связано с преимущественным окислением глюкозы клетками, находящимися в поверхностном слое пленки химически модифицированного ПВС, что препятствует диффузии субстрата и медиатора к клеткам, находящимся вблизи поверхности электрода.

Следует отметить, что среднее время генерации потенциала заметно возрастает с увеличением количества биокатализатора и варьирует от 30-130 минут (рис 2).

Рис. 2 Зависимость времени генерации потенциала от количества

иммобилизованного биокатализатора.

Важнейшей проблемой при создании микробного БТЭ является сопряжение ферментативной и электрохимической реакций, то есть обеспечение активного транспорта электронов с бактериальной цепи переноса электронов на электрод. Достичь этого можно при использовании искусственных переносчиков электронов – медиаторов – растворимых веществ, которые облегчают электронный транспорт [2] Для изучения влияния концентрации медиатора электронного транспорта 2,6-ДХФИФ в анолите на величину генерируемого потенциала в макете БТЭ на основе иммобилизованных бактерий Gluconobacter oxydans варьировали концентрацию медиатора в анолите от 20мкМ до 190 мкМ. Субстратом биоокисления являлась глюкоза (концентрация в анолите 10мМ). Измерения проводили в режиме замкнутой цепи при внешнем сопротивлении 150 кОм. (рис. 3).

Рис.3 Зависимость генерируемого потенциала от концентрации медиатора 2,6-ДХФИФ.

В диапазоне концентраций медиатора 2,6-ДХФИФ от 20 до 80 мкМ наблюдается возрастание величины генерируемого потенциала с 90±5 до 180±10 мВ. Установлено, что максимальное значение генерируемого потенциала 250±10 мВ наблюдается при концентрации 2,6- ДХФИФ в анолите 110-130 мкМ. При дальнейшем увеличении концентрации медиатора в анолите не происходит значительного возрастания величины генерируемого потенциала. Необходимо также отметить, что высокие концентрации 2,6-ДХФИФ могут оказывать негативное влияние на клетки бактерий [3]

Таким образом, для достижения максимальных значений генерируемого потенциала в макете БТЭ на основе бактерий Gluconobacter oxydans иммобилизованных на аноде требуется содержание биомассы от 3 - 13 мг/см² рабочей поверхности электрода, концентрация медиатора электронного транспорта в анолите 110-130 мкМ.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук, договор № 16.120.11.4341 – МК.

1. Davis F., Higson S. Biofuel cells — recent advances and applications. // Biosensors & Bioelectronics - 2007 - №22 – P.1224–1235.

2. Казаринов И.А., Кузьмичева Е.В. Микробные топливные элементы – новое направление в развитии альтернативной энергетики // Автономная энергетика – 2009 - №26 – С. 37-47.

3. Ouitrakul S, Sriyudthsak M, Charojrochkul S, Kakizono T. Impedance analysis of bio-fuel cell electrodes // Biosensors. &Bioelectronics - 2007 - №23 – P.721–727