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直接利用秸秆发电的MFC

已有 6919 次阅读 2009-6-21 22:17 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记| 微生物燃料电池, 秸秆

玉米秸秆是大家再熟悉不过的农田废弃物。关于秸秆的研究不少,有人拿它制乙醇,有人拿它产氢,有人产沼气……我这里说的是利用秸秆在MFC中发电。在介绍实验之前,我有必要解释一下秸秆的主要成分以及利用过程。秸秆是纤维素、半纤维素和木质素紧密排列的天然混合体,结构复杂,很难用单一的细菌将其降解。在秸秆产乙醇的过程中,为了打开这种天然的结构,提高秸秆利用率,一般采用蒸汽爆破的方法,即在一定的空间内,外加短时间的蒸汽压力,然后骤然减压,使半纤维素转化为糖类和小分子酸,秸秆变为棕色木屑状固体,增大纤维素与外界的接触面积(为酶解提供足够的表面积)。汽爆后会产生两种物质,一种是汽爆洗液,即含糖和小分子酸的溶液,另一种为汽爆固体(主要为纤维素和木质素)。Logan教授的小组首先证明了汽爆洗液能够在MFC中产电,并能获得较高的功率输出。Ohio StateRismani-Yazdi用牛胃液作为阳极接种细菌,阴极使用铁氰化钾,发现了纤维素能够为该MFC提供底物,并获得了55mW/m2的功率输出。后来Dr. Ren做出了开创性的工作,他将Geobacter和纤维素降解菌Clostridium共培养,发现了纤维素降解菌与产电菌的共生作用。但是对于更加复杂的秸秆,尚未有直接利用其产电的报道。考虑到降解纤维素、半纤维素和木质素的菌株不相同,而且在降解过程中需要不同菌株的协作(如打开表面氢键),因此我们选择了本实验室另一个小组分离的秸秆糖化混合菌群H-C作为秸秆降解菌。论文基于前人的结果,使用空气阴极MFC,和由生活污水驯化得到的产电菌群与H-C协同作用,直接在MFC中降解天然秸秆,并获得了331mW/m2的功率输出。以秸秆为底物,单独使用H-C或者单独利用生活污水驯化得到的产电菌均不能获得明显的功率输出。将汽爆预处理后的秸秆固体作为底物,MFC的功率输出提高了8%406mW/m2),但是此功率密度与葡萄糖(1g/L)为底物(510mW/m2)时相比,功率输出仍需提高。综合计算能量效率,我们发现直接利用秸秆的能量效率为3.6%,高于汽爆预处理(1.6%),原因是汽爆过程中耗能过多。此外,我们对秸秆上的微生物和电极表面的微生物间隔15d取样,使用DGGE进行了群落演替分析。

这篇论文从开始实验到现在差不多快2年了。首先要感谢corn-stover-whm师妹的辛勤劳动,感谢实验室纤维素乙醇小组的铺垫和贡献,感谢中粮集团提供的帮助,感谢Logan教授耐心的修改,感谢…….

 

参考文献:

 

Wang X, Feng Y, Wang H, Qu Y, Yu Y, Ren N, Li N, Wang E, Lee H, Logan B E. Bioaugmentation for electricity generation from corn stover biomass using microbial fuel cells. Environmental Science & Technology, 2009, in press.

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