【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFCs)作為一種新型的燃料電池,憑借其燃料來源多樣化、處理過程綠色化等特點,可以將有機物直接轉(zhuǎn)化成電能回收利用,目前已被廣泛應(yīng)用于可再生能源生產(chǎn)以及廢棄物處理等領(lǐng)域。近年來,生物柴油作為一種有潛力替代化石燃料的可再生的生物質(zhì)能源,得到了各國政府的大規(guī)模推廣應(yīng)用,但是在煉制過程中積攢了大量粗甘油,給市場和環(huán)境帶來了巨大壓力。因此迫切需要尋求一種綠色環(huán)保的技術(shù)方法來合理地、有效地回收或利用粗甘油副產(chǎn)物,將其轉(zhuǎn)化成有更高價值的產(chǎn)品。本課題構(gòu)建了一套雙室混菌微生物燃料電池,以甘油為唯一碳源,以克雷伯氏菌(Klebsiella peneumoniae)和希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)作為陽極菌種,以鐵氰化鉀溶液為陰極液,通過電化學(xué)和合成生物學(xué)等研究方法,探索了不同菌種、混合比例、碳代謝流分布和電子傳遞效率等因素對MFCs產(chǎn)電性能的影響,系統(tǒng)分析了MFCs同步處理甘油并回收電能的優(yōu)勢和特點。以上研究取得的主要成果包括:(1)拓寬了MFCs的碳源利用譜。單純的S.oneidensis MFCs很難利用甘油產(chǎn)電,當加入K.peneumoniae作為發(fā)酵菌株與S.oneidensis組成混合MFCs時,產(chǎn)電量會得到明顯提升,其最高的輸出電壓值可達127 mV,最大功率密度值可達8.17 mW/m~2,說明對不同菌株進行合理組合能夠拓寬MFCs的碳源利用譜。(2)當K.peneumoniae和S.oneidensis以不同接種比例混合時,MFCs產(chǎn)生的輸出電壓也會有差別。本課題分別比較了1:5、1:10和1:15三種接種比例下MFCs的輸出電壓情況,結(jié)果表明:在其他條件相同的情況下,K.peneumoniae和S.oneidensis以O(shè)D_(600)之比為0.05:0.5,即1:10的比例混合時會得到更好地產(chǎn)電性能,其最高輸出電壓可以達到114 mV,而其他兩種比例下的最高輸出電壓分別為99 mV和108 mV。(3)合理調(diào)控K.peneumoniae胞內(nèi)的碳代謝流分布和S.oneidensis與電極間的電子傳遞效率可顯著提升MFCs的產(chǎn)電和利用甘油的能力。運用合成生物學(xué)技術(shù),敲除K.peneumoniae胞內(nèi)的乙醇代謝路徑,并引入了乳酸異源表達路徑使碳源更多的流向?qū)FCs產(chǎn)電有利的方向;在S.oneidensis胞內(nèi)引入核黃素異源表達路徑使MFCs中的電子傳遞介質(zhì)增多,從而加速產(chǎn)電菌與電極之間的胞外電子傳遞效率(Extracellular Electron Transfer,EET),結(jié)果表明:改造后的K.peneumoniae產(chǎn)生乙醇的水平降低了98%,產(chǎn)生乳酸的水平提高了350%,產(chǎn)生核黃素的水平提高了790%,最終,MFCs的最高輸出電壓達到了233 mV,功率密度值從原來的8.17 mW/m~2提高到了19.9 mW/m~2。(4)加快了利用甘油的速率。我們分別比較了單菌、混菌、野生型和工程型等MFCs中甘油的利用情況,結(jié)果顯示,混菌MFCs對甘油的利用情況優(yōu)于單菌MFCs,同時,經(jīng)過工程改造后的MFCs利用甘油的速率要快于野生型。這是由于在MFCs中,能量傳遞有效拉動了能量代謝,使得陽極菌對甘油的利用速率得到顯著提高。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.45
【圖文】：

圖 1-1 生物柴油和粗甘油的生產(chǎn)流程Figure 1-1 Scheme of the biodiesel production and crude glycero應(yīng)過程中產(chǎn)生甘油的具體過程如圖 1-2 所示：甘油三酯醇在堿性環(huán)境的催化下發(fā)生酯交換反應(yīng)，逐漸脫酯，

圖 1-2 粗甘油在酯交換過程中的產(chǎn)生過程Figure 1-2 Process of crude glycerol in the transesterification reactio來全球的甘油產(chǎn)量發(fā)生了極大地變化，在上世紀 90 年代范圍的甘油產(chǎn)量依舊平穩(wěn)保持在較低水平，但是從 2004產(chǎn)量的略微提升，相應(yīng)的粗甘油的量也隨之上漲。此后，

圖 1-3 微生物電合成生產(chǎn)過程Figure1-3 Process of Microbial electrochemical synthes感器一種能夠提供定量(或半定量)分析的裝置，包括

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本文編號：2774807