Функционирование гидрогеназного электрода в биореакторе с водородвыделяющими микроорганизмами

• Автор: Шастик, Евгений Сергеевич
• Шифр специальности: 03.02.03, 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Содержание
СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1. Интегральные системы получения водорода биологическим путем
1.1. Получение водорода биологическим путем
1.2. Совмещение брожения и фотоферментации
1.3. Совмещение топливных элементов и выделения водорода различными микроорганизмами для получения электричества
1.4. Другие интегрированные системы
2. Микробные топливные элементы
2.1. Механизм электронного транспорта
2.2. Дизайн МТЭ
2.3. Материалы электродов
2.4. Микроорганизмы в МТЭ
2.5. Субстраты, используемые в МТЭ
3. Гидрогеназы
3.1. Строение [Ni-Fe] гидрогеназ
3.2. Классификация [Ni-Fe] гидрогеназ
4. Гидрогеназные электроды
5.Материалы и методы
5.1 .Экспериментальная установка для изучения температурной и операционной стабильностей ГЭ
5.2. Электрохимическая ячейка
5.3. Исследование электрохимической активности ГЭ
5.4. Исследование стабильности ГЭ во времени
5.5. Исследование зависимости значений тока ГЭ от температуры
5.6. Интеграция ГЭ и крахмалразлагающего консорциума в биореакторе
5.7. Выбор мешальника
5.7. Изучение работы ГЭ в биореакторе с микробным консорциумом
5.8. Питательная среда и консорциум микроорганизмов
5.9. Методы биохимического анализа
5.10. Препараты гидрогеназ
5.11. Изготовление ГЭ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
6. Исследование особенностей работы ГЭ
6.1. Вольтамперные характеристики ГЭ
6.2. Исследование стабильности ГЭ во времени
6.3. Выявление основной лимитирующей стадии в процессе электрокатализа
7. Совмещение ГЭ и водородвыделяющих микроорганизмов
7.1. Выявление возможности работы ГЭ в биореакторе с крахмалразлагающим микробным консорциумом
7.2. Влияние повышенного поглощения водорода ГЭ на метаболизм микробного консорциума
7.3. Работа ГЭ в биореакторе при проточном культивировании
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СОКРАЩЕНИЯ
МТЭ - микробный топливный элемент; МЭЯ - микробная электролизная ячейка; ТЭ - топливный элемент;
НК - нейтральный красный;
ГЭ — гидрогеназный электрод;
ПСМ — протонселективная мембрана; КЭ - кулоновская эффективность;
ЛЖК - летучие жирные кислоты; н. г. - начальная глюкоза.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. К наиболее важным проблемам, стоящим перед современной цивилизацией, можно отнести дефицит энергоносителей и утилизацию техногенных отходов, загрязняющих окружающую среду. Эти проблемы являются взаимосвязанными, так как большая часть современной энергетики использует полезные ископаемые: нефть, газ, каменный уголь. При использовании ископаемого топлива выделяется углекислый газ, который загрязняет атмосферу. Очистка органических отходов, в свою очередь, требует больших затрат электроэнергии, хотя окисление этих же отходов могло бы давать энергию. Таким образом, использование отходов как вторичных ресурсов для получения энергии - перспективный путь решения проблем энергосбережения и утилизации мусора. Особенно интересен с этих позиций молекулярный водород, синтезируемый биологическим путем из сточных вод. Несмотря на интенсивные исследования в течение нескольких десятилетий, проводимые как на фундаментальном, так и прикладном уровнях с участием молекулярных биологов, микробиологов, биотехнологов, уровень наших знаний еще недостаточен для использования на практике биологического преобразования органических отходов в молекулярный водород.
Преобразование биоводорода в электричество является важной практической задачей. При этом использование Н2 в топливных элементах (ТЭ) в децентрализованных энергосистемах, где Н2 образуется из органических отходов на месте их получения, может решить проблемы его хранения и транспортировки без изменения инфраструктуры энергосетей. В литературе описаны работы по сопряжению топливных элементов на основе платины с биореакторами, образующими водород (глава 1.5). Однако для использования биоводорода в ТЭ на основе платины требуется его предварительная очистка от каталитических ядов, таких как сероводород, необратимо инактивирующих металлический катализатор, что приведет к дополнительным затратам энергии. С другой стороны совмещение в одном пространстве ТЭ и биореактора, генерирующего водород, может дать дополнительные преимущества. Снижение парциального давления водорода в биореакторе, за счет его поглощения ТЭ, может увеличить скорость выделения водорода, а также и изменить спектр получаемых продуктов брожения. Как альтернативу катализу благородными металлами предлагается использовать биологические катализаторы — ферменты (глава 4). В качестве биологического катализатора окисления водорода в ТЭ может использоваться гидрогеназа -

5.3. Исследование электрохимической активности ГЭ
Для изучения вольтамперных характеристик ГЭ использовали установку (рисунок 4) либо (рисунок 7), продували систему в течение 1,5 ч. аргоном, для удаления следов кислорода из системы, затем подключали водород. Переходный период при изменении питания ГЭ считали установившимся, когда потенциал на электроде изменялся менее чем на 1 тУ за 2 мин.
5.4. Исследование стабильности ГЭ во времени
Подготовка установки для эксперимента:
• сбор электрохимической ячейки (рисунок 51 и экспериментальной установки (рисунок 43:
• продувание системы в течение 90 минут аргоном, а затем включение ІП;
• подключение потенциостата к ячейке в режиме гальваностат при 1=0 мкА (относительно хлорсеребряного электрода сравнения) и измерение вольтамперных характеристик ГЭ;
• установление режима потенциостат при 200 тУ перенапряжения;
• ежедневное измерение силы тока при различных скоростях протока буфера через ячейку;
Необходимо было учесть, что в экспериментальной ячейке при поглощении водорода электроны участвуют в реакции превращения химической энергии водорода в электрическую, а протоны накапливаются в системе. За счёт этого накопления понижается pH буферного раствора, следовательно, понижается потенциал водородного электрода, который зависит от pH. Для предотвращения этой проблемы нужно регулярно корректировать pH раствора до рН=7.0. Эта операция осуществлялась автоматически при помощи рН-статирования добавлением 0,5 молярного раствора ЫаОН (рисунок 4 (2)).
5.5. Исследование зависимости значений тока ГЭ от температуры
Подготовка установки для эксперимента:
• сбор электрохимической ячейки и экспериментальной установки;
• продувание системы в течение 90 минут аргоном, а затем включение 1Ь;