Кинетика процесса окисления глюкозы с помощью микроорганизма Escherichia coli в присутствии экзогенных медиаторов

• Автор: Кузьмичева, Елена Валерьевна
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 109 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Биологические топливные элементы литературный обзор

1.1. Устройство и классификация биологических топливных

элементов

1.2. Особенности работы ферментных топливных элементов

1.3. Общие представления о микробном метаболизме

1.3.1. Катаболизм углеводов

1.3.2. Дыхательная цепь

1.3.3. Искусственные акцепторы электронов

1.3.4. Особенности брожения осуществляемого микроорганизмами

семейства ЕгйегоЬаепасеае

1.4. Механизмы электронного переноса в микробных топливных
элементах
1.4.1. Медиаторный электронный перенос
1.4.2. Прямой электронный перенос
1.5. Основные проблемы и оптимизация условий работы микробного
топливного элемента
1.6. Применение микробных топливных элементов
1.6.1. Очистка сточных вод
1.6.2. Седиментные микробные топливные элементы
1.6.3. Производство водорода
1.6.4. Создание гастророботов
ГЛАВА 2 Методика эксперимента
2.1. Материалы и приборы
2.1.1. Микроорганизмы
2.1.2. Экспериментальная ячейка
2.1.3. Реактивы
2.1.4. Рабочий электрод
2.1.5. Электрохимические измерения
2.2. Методика биоэлектрохимического эксперимента
2.3. Методика снятия разрядных кривых в макете микробного гоп
ливного элемента ГЛАВА 3 Изучение кинетики процесса окисления глюкозы с помощью клеток ii i в присутствии экзогенных 4
медиаторов методом вращающегося дискового электрода
3.1. Электрохимическое поведение редоксмедиаторов в рабочем электролите на стеклографитовом электроде
3.2. Оценка эффективности работы редоксмедиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза клетки ii i
ГЛАВА 4 Изучение каталитической активности микроорганизма ii СО ПрИ ОКИСЛеНИИ ГЛЮКОЗЫ В ПРИСУТСТВИИ ЭКЗО 7
генных медиаторов ГЛАВА 5 Апробация работы микробного медиаторного анода в макете микробного топливного элемента
5.1. Электрохимические характеристики микробного медиаторного анода в макете микробного топливного элемента
5.2. Кинетика анодного окисления микробного медиаторного анода
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Каталитическая активность микроорганизмов в присутствии экзогенных редоксмедиаторов, а также кинетика процессов, протекающих на микробных медиаторы ых электродах, на сегодняшний день мало изучены. Существует только несколько попыток их исследования с применением современных методов экспериментальной электрохимии . Между тем, исследование кинетических закономерностей процессов, протекающих на биоанодах, представляется действительно актуальной задачей, поскольку они могут служить фундаментальной основой при создании МТЭ медиаторного типа. Целыо данной работы является установление кинетических закономерностей процесса окисления глюкозы с помощью микроорганизма ii i в присутствии экзогенных медиаторов. Научная новизна. Впервые электрохимическими методами проведено изучение каталитической активности микроорганизма ii i при окислении глюкозы в присутствии экзогенных медиаторов метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина. Обосновано и доказано, что метиленовый синий и галлоцианин являются эффективными медиаторами при реализации микробного медиаторного анода на основе клеток ii i. Установлено, что процесс окисления метиленового синего на биоаноде протекает в режиме смешанного диффузионнокинетического контроля, а процесс окисления галлоцианина в режиме диффузионной кинетики. Определены кинетические характеристики реакции окисления метиленового синего на биоаноде порядок реакции и гетерогенная константа скорости. На основе уравнения МихаэлисаМентен проведен кинетический анализ процессов диффузии метиленового синего и галлоцианина между клеткой катализатором и контактирующим с ней раствором. Показано, что метиленовый синий является более эффективным медиатором по сравнению с галлоцианином в реакции окисления глюкозы с помощью микроорганизма ii i. Изучена кинетика процесса окисления глюкозы бактериальными клетками в условиях работы макета микробного топливного элемента. Показано, что лимитирующей стадией в работе микробного медиаторного анода является процесс окисления медиатора метиленового синего. Практическая значимость. Разработан микробный медиаторный анод на основе клеток ii i для процесса окисления глюкозы и оптимизированы условия его работы. Проведенные испытания на макете микробного топливного элемента показали, что предложенный микробный медиаторный анод на основе глюкозы и микроорганизма ii i работает удовлетворительно и может быть в дальнейшем использован для практических целей при создании медиаторного микробного топливного элемента. Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на III Всероссийском семинаре с международным участием Топливные элементы и энергоустановки на их основе Екатеринбург, , на III Всероссийской конференции Физикохимические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН Воронеж, , на VI Всероссийской конференции молодых ученых Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии Саратов, , на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии Москва, , на III Всероссийской конференции Актуальные проблемы электрохимической технологии Энгельс, , на VII Международной конференции Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики Саратов, , а также на IV Всероссийской конференции Физикохимические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах ФАГРАН Воронеж, . Биологические топливные элементы БТЭ это электрохимические устройства, в которых реакции на одном или обоих электродах реализуются биокаталитически при умеренных температурах и давлениях . БТЭ косвенного действия рис. БТЭ прямого дейс твия рис. В свою очередь, последние подразделяются па ферментные топливные элементы ФТЭ и микробные топливные элементы МТЭ. Движущая сила ферментного топливного элемента это окислительновосстановительная реакция используемого субстрат например, углевода или спирта, катализируемая ферментом. Характеристики ферментных топливных элементов наиболее полно представлены в обзоре 9. Для объяснения принципа действия ферментного топливного элемента на рис. Я и субстрат.