微生物燃料电池(mfc)研究进展

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微生物燃料电池(mfc)利用微生物分解代谢活动，从各种复杂的有机废物中产生电力，如生活废水、木质纤维素生物质、啤酒厂废水、淀粉处理废水和垃圾填埋场渗滤液。

mfc中常用微生物

几种细菌被用于mfc中，例如:

• 放线杆菌succinogenes
• 欧文氏菌dissolven
• 变形杆菌
• 铜绿假单胞菌
• Shewanella oneidensis
• 链球菌lactis
• 气单胞菌属hydrophila
• 金属还原地杆菌属
• Rhodoferax ferrireducens
• Shewanella putrefacien
• 肺炎克雷伯菌

mfc电池的应用

废水处理

废水中含有大量复杂的生物和化学物质，由于其随机降解，造成严重的健康、卫生和环境问题。废水也是无数微生物菌群的来源，即使在极端环境下也能存活，并导致许多有害的疾病。

mfc利用选择性微生物去除废水处理中所需的硫化物。MFC基质具有高水平的生长促进剂，可增强废水处理过程中生物电化学活性微生物的生长。这些同步过程不仅减少了对处理厂的能源需求，而且减少了现有厌氧生产产生的污泥量。

生物传感器

生物需氧量(BOD)检测:mfc可更换厌氧菌群作为生物传感器用于有机物在线监测。传统的计算废水中总有机含量(BOD)的方法大多不适合污水生物处理工艺的在线筛选和控制。MFC的库仑产率与废水中有机物强度之间的线性相关使MFC成为一种可能的BOD传感器。

水毒性检测:检测水中的有毒成分是规范必要行动的一个关键因素，以提供供人类、动物和作物食用的高质量安全水。因此，mfc可以作为生物传感器，因为存在于水溶液中的任何有毒元素都会直接改变微生物的代谢活性。通过监测mfc产生的电流扰动，可以很容易地检测到流动水中的毒物的存在。基于mfc的毒性传感器的性能和对不同毒物的敏感性强烈依赖于细胞中使用的电活性微生物的类型。

二次燃料生产

利用mfc可以生产二次燃料，如氢(H₂)作为电力的替代品。在常规的实验条件下，质子和电子在阳极室中产生，并转移到阴极，最终与氧结合形成水。

H₂生成不受热力学的支持。研究人员目前已经报道了H₂和甲烷，在微生物电解槽的帮助下使用改性MFC，在阴极端增加外部电位。

发电

mfc的主要应用是发电。mfc，连同特定的微生物，有可能将储存在几乎每一种化合物中的化学能转化为电能。人们已经确定，任何可以被细菌代谢的化合物都可以转化为电能。

过氧化氢

过氧化氢(H₂O₂)是一种常用的环保漂白或清洁试剂。它是由有毒和昂贵的蒽醌工艺进行商业生产的。mfc可为H₂O₂阴极端子的生产。

生物质

mfc广泛用于生物质生产和生物发电。例如，一种绿藻小球藻在阴极上充当生物电子受体，同时利用介质将二氧化碳减少为生物质，从而产生生物电。

醋酸

通过一系列重复分批发酵，成功建立了MFC醋酸电联产工艺。该方法生产醋酸的速度虽小，但可以随着重复分批发酵次数的增加而提高。

机器人

具有在遥远的陆地或水下高效工作能力的自主机器人越来越多地应用于工业领域。目前，各代机器人都采用mfc作为主要的动力来源。

世界上第一个使用细菌的机器人是2000年威尔金森的“美食家”(Chew-chew)，它使用化学燃料电池为镍镉电池充电。这个机器人利用大肠杆菌消耗糖分产生的电能，通过合成介质(HNQ)进行工作。

下面将讨论此类机器人的一些例子:

• 胃机器人是一类智能生物电化学机器，它通过微生物的催化活动捕获食物消化的能量来获得操作动力。

• 生态机器人(EcoBot)是一种利用mfc提供运行能量的自主机器人。

• 蛞蝓机器人利用生物质产生的电能。它发酵鼻涕虫并将其转化为电能，然后用它在电场中捕捉鼻涕虫。

• EvoBot以人工进化的形式运用人工智能。布里斯托尔西英格兰大学(UWE)的研究人员调查了各种环境条件，以实现微生物燃料电池的更快生长和最大功率传递。EvoBot有效地优化了培养基的底物浓度，以响应微生物燃料电池的功率输出剖面。evbot培育的微生物培养物表现出更好的性能，可以产生足够的能量来驱动另一个机器人。

太空计划

mfc的发展是在20世纪60年代由美国太空计划引发的，作为一种可能的技术，用于太空飞行的废物处理系统，也可以产生电力。

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mfc全球市场展望

全球多功能燃料电池市场预计将在未来几年迅速增长。2017年，这一数字为860万美元，预计到2026年将增长约两倍。生物传感器和废水处理等各种行业的使用增加是市场增长的重要原因之一。

在mfc市场有许多成功的参与者，如寒武纪创新公司，微生物机器人，Emefcy, Protonex, ElectroChem, Sainergy Tech, Inc.和microorganic Technologies。

参考资料和进一步阅读

欧洲委员会。(2018)。下一代微生物燃料电池:https://cordis.europa.eu/article/id/241030-the-next-generation-of-microbial-fuel-cells

Gajda, I.， Greenman, J.和Leropoulos, i.a.(2018)。微生物燃料电池应用的最新进展。《电化学现状．11日,78 - 83。

Singh, A.和Yakhmi, J.(2014)。微生物燃料电池-发电及其他方面的应用。微生物学综述．42.1卷。

Ivars-Barcelo等人(2018)。微生物燃料电池在传感器和生物传感器中的新应用。应用科学。8(7), 1184。

研究和市场。(2017)。微生物燃料电池(MFC) -全球市场展望(2017-2026)。

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