Биоэлектрохимический реактор

Биоэлектрохимический реактор — это тип биореактора , в котором биоэлектрохимические процессы используются для разложения/производства органических материалов с использованием микроорганизмов. ^[1] Этот биореактор имеет два отсека: анод , где окисления протекает реакция ; И катод , где происходит восстановление . На этих участках электроны передаются микробам и от них для энергетического восстановления протонов, расщепления органических отходов или других желаемых процессов. ^[2] Они используются в микробном электросинтезе , восстановлении окружающей среды и электрохимическом преобразовании энергии . Примеры биоэлектрохимических реакторов включают микробные электролизные ячейки , микробные топливные элементы , ферментативные биотопливные элементы , электролизные ячейки, микробные ячейки электросинтеза и биобатареи . ^[3]^[4]

Принципы

Электронный ток присущ микробному метаболизму . Микроорганизмы переносят электроны от донора электронов (виды с более низким потенциалом) к акцептору электронов (виды с более высоким потенциалом). Если акцептором электронов является внешний ион или молекула, этот процесс называется дыханием. Если процесс внутренний, перенос электронов называется ферментацией. Микроорганизм пытается максимизировать выигрыш в энергии, выбирая акцептор электронов с максимально доступным потенциалом. В природе преимущественно минералы, содержащие оксиды железа или марганца восстанавливаются . Часто растворимые акцепторы электронов обеднены в микробной среде. Микроорганизм также может максимизировать свою энергию, выбрав хорошего донора электронов, который легко метаболизируется. Эти процессы осуществляются за счет внеклеточного переноса электронов (EET). ^[5] Теоретическое изменение свободной энергии (ΔG) микроорганизмов напрямую связано с разницей потенциалов между акцептором электронов и донором. Однако неэффективность, такая как внутреннее сопротивление, уменьшит это изменение свободной энергии. ^[6] Преимуществом этих устройств является их высокая селективность в высокоскоростных процессах, ограниченная кинетическими факторами.

Наиболее часто изучаемые виды — Shewanella oneidensis и Geobacterulfurreducens . ^[7]^[8] Однако в последние годы было изучено больше видов. ^[9]

25 марта 2013 года учёным из Университета Восточной Англии удалось передать электрический заряд, позволив бактериям коснуться металлической или минеральной поверхности. Исследования показывают, что можно «привязать» бактерии непосредственно к электродам. ^[10]

История

В 1911 году М. Поттер описал, как микробные преобразования могут создавать восстанавливающую энергию и, следовательно, электрический ток. Двадцать лет спустя Коэн (1931) исследовал способность бактерий производить электрический ток и отметил, что основным ограничением является малая способность микроорганизмов генерировать ток. Берк и Кэнфилд (1964) создали первый микробный топливный элемент (МТЭ) только в 60-х годах.

В настоящее время исследования биоэлектрохимических реакторов расширяются. Эти устройства имеют реальное применение в таких областях, как очистка воды, ^[11] производство и хранение энергии, производство ресурсов, переработка и восстановление.

Приложения

Очистка воды

Биоэлектрохимические реакторы находят применение в системах очистки сточных вод. Современные процессы с активным илом являются энерго- и экономически неэффективными из-за необходимости содержания ила, аэрации и энергетических потребностей. используя биоэлектрохимический реактор, в котором используется концепция капельной фильтрации . Эту неэффективность можно устранить, ^[12] При обработке сточных вод в этом реакторе нитрификация, денитрификация и удаление органических веществ происходят одновременно как в аэробных, так и в анаэробных условиях с использованием множества различных микробов, расположенных на аноде системы. Хотя параметры обработки в реакторе влияют на общий состав каждого микроба, рода Geobacter и Desulfuromonas . в этих приложениях часто встречаются ^[12]

В популярной культуре

В Final Fantasy: The Spirits Within солдаты используют силовые рюкзаки, основанные на бактериях.
В Subnautica игрок может построить биореактор, который служит той же цели, что и биоэлектрохимический реактор.

См. также

Ссылки

^ Криг, Томас; Маджаров, Джоана (13 апреля 2018 г.). «Реакторы для микробной электробиотехнологии» (PDF) . Adv Biochem Eng Биотехнологии . Достижения в области биохимической инженерии/биотехнологии. 167 : 231–272. дои : 10.1007/10_2017_40 . ISBN 978-3-030-03298-2 . ПМИД 29651504 . S2CID 4797483 .
^ Криг Т., Сюдов А., Шредер Ю., Шредер Дж., Хольтманн Д. (декабрь 2014 г.). «Концепции реакторов для биоэлектрохимического синтеза и преобразования энергии». Тенденции в биотехнологии . 32 (12): 645–55. дои : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . ПМИД 25457389 .
^ Рабай К., Ангенент Л., Шредер У., Келлер Дж., ред. (2010). Биоэлектрохимические системы: от внеклеточного переноса электронов к биотехнологическому применению . Лондон: Издательство IWA. ISBN 978-1-84339-233-0 .
^ Кунтке П., Смих К.М., Брунинг Х., Зееман Г., Саакс М., Слейтелс Т.Х. и др. (май 2012 г.). «Извлечение аммония и производство энергии из мочи с помощью микробного топливного элемента». Исследования воды . 46 (8): 2627–36. Бибкод : 2012WatRe..46.2627K . дои : 10.1016/j.watres.2012.02.025 . ПМИД 22406284 .
^ Рабай К., Ангенент Л., Шредер У., Келлер Дж., ред. (2010). Биоэлектрохимические системы: от внеклеточного переноса электронов к биотехнологическому применению . Лондон: Издательство IWA. ISBN 978-1-84339-233-0 .
^ Хейнен Дж.Дж.; Фликинджер MC; Дрю С.В. (1999). Технология биопроцессов: ферментация, биокатализ и биосепарация . Нью-Йорк: JohnWiley & Sons, Inc., стр. 267–291. ISBN 978-0-471-13822-8 .
^ Криг Т., Сюдов А., Шредер Ю., Шредер Дж., Хольтманн Д. (декабрь 2014 г.). «Концепции реакторов для биоэлектрохимического синтеза и преобразования энергии». Тенденции в биотехнологии . 32 (12): 645–55. дои : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . ПМИД 25457389 .
^ Лян К., Ямасита Т., Койке К., Мацуура Н., Хонда Р., Хара-Ямамура Х. и др. (ноябрь 2020 г.). «Реактор капельного фильтра для очистки сточных вод на базе биоэлектрохимической системы». Биоресурсные технологии . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . ПМИД 32707501 . S2CID 225536351 .
^ Чжан X, Раби Х., Фрэнк Дж., Цай С., Старк Т., Вирдис Б. и др. (16 октября 2020 г.). «Усиление окисления метана в биоэлектрохимическом мембранном реакторе с использованием растворимого электронного медиатора» . Биотехнология для биотоплива . 13 (1): 173. дои : 10.1186/s13068-020-01808-7 . ПМЦ 7568384 . PMID 33088343 .
^ Очистить электричество от бактерий? Исследователи совершили прорыв в гонке за создание «биобатарей» Sciencedaily , 25 марта 2013 г.
^ Лян К., Ямасита Т., Койке К., Мацуура Н., Хонда Р., Хара-Ямамура Х. и др. (ноябрь 2020 г.). «Реактор капельного фильтра для очистки сточных вод на базе биоэлектрохимической системы». Биоресурсные технологии . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . ПМИД 32707501 . S2CID 225536351 .
^ Jump up to: ^а ^б Лян К., Ямасита Т., Койке К., Мацуура Н., Хонда Р., Хара-Ямамура Х. и др. (ноябрь 2020 г.). «Реактор капельного фильтра для очистки сточных вод на базе биоэлектрохимической системы». Биоресурсные технологии . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . ПМИД 32707501 . S2CID 225536351 .

Внешние ссылки

Сасаки К., Морита М., Сасаки Д., Хирано С., Мацумото Н., Омура Н., Игараси Ю. (январь 2011 г.). «Метаногенные сообщества на электродах биоэлектрохимических реакторов без мембран». Журнал бионауки и биоинженерии . 111 (1): 47–9. дои : 10.1016/j.jbiosc.2010.08.010 . ПМИД 20840887 .
Гафари С., Хасан М., Аруа М.К. (2009). «Восстановление нитратов в новом биоэлектрохимическом реакторе с восходящим потоком (UBER) с использованием активированного угля из скорлупы пальмы в качестве катодного материала». Электрохимика Акта . 54 (17): 4164–71. дои : 10.1016/j.electacta.2009.02.062 .
Гоэл РК, Флора-младший (2005). «Последовательная нитрификация и денитрификация в биоэлектрохимическом реакторе для выращивания разделенных клеток». Экологическая инженерия . 22 (4): 440–9. дои : 10.1089/ees.2005.22.440 .
Ватанабэ Т., Джин Х.В., Чо К.Дж., Курода М. (2004). «Применение биоэлектрохимического реакторного процесса для прямой очистки сточных вод травления металлов, содержащих тяжелые металлы и нитраты высокой концентрации». Водные науки и технологии . 50 (8): 111–8. дои : 10.2166/wst.2004.0501 . ПМИД 15566194 .

[1] Криг, Томас; Маджаров, Джоана (13 апреля 2018 г.). «Реакторы для микробной электробиотехнологии» (PDF) . Adv Biochem Eng Биотехнологии . Достижения в области биохимической инженерии/биотехнологии. 167 : 231–272. дои : 10.1007/10_2017_40 . ISBN 978-3-030-03298-2 . ПМИД 29651504 . S2CID 4797483 .

[:1-2] Криг Т., Сюдов А., Шредер Ю., Шредер Дж., Хольтманн Д. (декабрь 2014 г.). «Концепции реакторов для биоэлектрохимического синтеза и преобразования энергии». Тенденции в биотехнологии . 32 (12): 645–55. дои : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . ПМИД 25457389 .

[Rabaey_20102-3] Рабай К., Ангенент Л., Шредер У., Келлер Дж., ред. (2010). Биоэлектрохимические системы: от внеклеточного переноса электронов к биотехнологическому применению . Лондон: Издательство IWA. ISBN 978-1-84339-233-0 .

[Kuntke_20122-4] Кунтке П., Смих К.М., Брунинг Х., Зееман Г., Саакс М., Слейтелс Т.Х. и др. (май 2012 г.). «Извлечение аммония и производство энергии из мочи с помощью микробного топливного элемента». Исследования воды . 46 (8): 2627–36. Бибкод : 2012WatRe..46.2627K . дои : 10.1016/j.watres.2012.02.025 . ПМИД 22406284 .

[Rabaey_201022-5] Рабай К., Ангенент Л., Шредер У., Келлер Дж., ред. (2010). Биоэлектрохимические системы: от внеклеточного переноса электронов к биотехнологическому применению . Лондон: Издательство IWA. ISBN 978-1-84339-233-0 .

[Heijnen2-6] Хейнен Дж.Дж.; Фликинджер MC; Дрю С.В. (1999). Технология биопроцессов: ферментация, биокатализ и биосепарация . Нью-Йорк: JohnWiley & Sons, Inc., стр. 267–291. ISBN 978-0-471-13822-8 .

[:12-7] Криг Т., Сюдов А., Шредер Ю., Шредер Дж., Хольтманн Д. (декабрь 2014 г.). «Концепции реакторов для биоэлектрохимического синтеза и преобразования энергии». Тенденции в биотехнологии . 32 (12): 645–55. дои : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . ПМИД 25457389 .

[:02-8] Лян К., Ямасита Т., Койке К., Мацуура Н., Хонда Р., Хара-Ямамура Х. и др. (ноябрь 2020 г.). «Реактор капельного фильтра для очистки сточных вод на базе биоэлектрохимической системы». Биоресурсные технологии . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . ПМИД 32707501 . S2CID 225536351 .

[9] Чжан X, Раби Х., Фрэнк Дж., Цай С., Старк Т., Вирдис Б. и др. (16 октября 2020 г.). «Усиление окисления метана в биоэлектрохимическом мембранном реакторе с использованием растворимого электронного медиатора» . Биотехнология для биотоплива . 13 (1): 173. дои : 10.1186/s13068-020-01808-7 . ПМЦ 7568384 . PMID 33088343 .

[sciencedaily2013032-10] Очистить электричество от бактерий? Исследователи совершили прорыв в гонке за создание «биобатарей» Sciencedaily , 25 марта 2013 г.

[:03-11] Лян К., Ямасита Т., Койке К., Мацуура Н., Хонда Р., Хара-Ямамура Х. и др. (ноябрь 2020 г.). «Реактор капельного фильтра для очистки сточных вод на базе биоэлектрохимической системы». Биоресурсные технологии . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . ПМИД 32707501 . S2CID 225536351 .

[:022-12] Jump up to: ^а ^б Лян К., Ямасита Т., Койке К., Мацуура Н., Хонда Р., Хара-Ямамура Х. и др. (ноябрь 2020 г.). «Реактор капельного фильтра для очистки сточных вод на базе биоэлектрохимической системы». Биоресурсные технологии . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . ПМИД 32707501 . S2CID 225536351 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]