Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка эффективных биоанодов на основе иммобилизованных биокатализаторов для биотопливных элементов

Сведения об участнике
ФИО
Возчикова Софья Вадимовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Физическая химия. Электрохимия. Физические методы исследования химических соединений
Тема
Разработка эффективных биоанодов на основе иммобилизованных биокатализаторов для биотопливных элементов
Резюме
Биотопливный элемент (БТЭ) – это биотехнологическое устройство, способное генерировать электроэнергию за счет окисления органических субстратов микроорганизмами, которые выступают в качестве биокатализатора. Биокатализатор в БТЭ может быть представлен в виде суспензии. Применение такого биокатализатора не позволяет использовать его несколько раз и требует постоянного обновления. Увеличения долговременной и операционной стабильности БТЭ возможно достичь, разработав биоанод на основе иммобилизованного на поверхность электрода биокатализатора, что позволит увеличить энергетические и мощностные характеристики БТЭ и сократить время генерации максимального потенциала.
Ключевые слова
Биотопливный элемент, биоанод, бактерии Gluconobacter oxydans, иммобилизация.
Цели и задачи
Целью данной работы являлась разработка биоанодов биотопливного элемента (БТЭ) на основе иммобилизованных целых клеток и мембранной фракции бактерий Gluconobacter oxydans.
В задачи работы входило:
1. Выделение мембранной фракции бактерий методом ультразвукового разрушения целых клеток микроорганизмов с дальнейшим ступенчатым центрифугироваем.
2. Иммобилизация целых клеток G. oxydans в поливиниловый спирт модифицированный N-винилпирролидономна поверхность графитового электрода.
3. Иммобилизация мембранной фракции G. oxydans в глутаровый альдегид на поверхность графитового электрода.
4. Сравнительная оценка величин генерируемого потенциала, а также долговременной и операционной стабильностей для БТЭ на основе различных видов биокатализатора.
Введение

Биотопливный элемент – это устройство, преобразующее химическую энергию органических соединений в электричество посредством их окисления микроорганизмами. В качестве биокатализатора для БТЭ применяют уксуснокислые бактерии Gluconobacter oxydans, обладающие особой метаболической системой – мембранной локализацией основных ферментов - дегидрогеназ.

Ранее был разработан БТЭ на основе биокатализатора в суспендированном виде. Применение такого биокатализатора создает потребность в его постоянном обновлении. Таким образом, для повышения эффективности работы БТЭ существует необходимость в разработке биоанодов длительного действия, содержащих биокатализатор, закрепленный на поверхности электрода.

Методы и материалы

В плане проекта заложено использование двух биокатализаторов: целых клеток и мембранной фракции бактерий G. oxydans. Культивирование бактерий производилось на питательной среде следующего состава: D-сорбит и дрожжевой экстракт, при температуре 28 оС, в течение 18-20 часов. Получение мембранной фракции бактерий проводилось путем разрушения целых клеток ультразвуковым диспергатором с последующим ступенчатым центрифугированием полученного лизата.

Для иммобилизации целых клеток бактерий G. oxydans использовали метод включения биоматериала в пленку поливинилового спирта модифицированного N-винилпирролидоном. Иммобилизация мембранной фракции проводилась сшивкой ферментов, содержащихся в мембранной фракции, глутаровым альдегидом.

Для оценки эффективности работы полученного модифицированного анода проводилось измерение генерируемого потенциала с помощью гальванопотенциостата IPC Micro в потенциометрическом режиме. Измеряемым параметром в процессе биокаталитического окисления субстрата в режиме генерации потенциала являлась величина разности потенциалов за время проведения эксперимента.

Описание и обсуждение результатов

Целью исследования являлась разработка биоанода для БТЭ с закрепленными на его поверхности биокатализаторами на основе бактерия G.oxydans и их мембранной фракции.

В данном исследовании использовали 2 вида биокатализатора: целые клетки бактерий G.oxydans и их мембранная фракция. БТЭ, основанный на суспензии целых клеток бактерий, не способен вырабатывать достаточную мощность, которая нашла бы применение на практике. Поэтому ставилась задача перехода от суспензии к закрепленному на электроде биокатализатору. Для этого использовали метод включения целых клеток бактерий G.oxydans в пленку химически модифицированного поливинилового спирта. Иммобилизация мембранной фракции основана на сшивке ферментов глутаровым альдегидом, который является бифункциональным реагентом и взаимодействует со свободными аминогруппами ферментов, образуя матрицу на электроде.

Далее провели оценку генерируемого потенциала, а так же долговременной и операционной стабильностей БТЭ на основе различных биокатализаторов.

Величины генерированного потенциала для БТЭ на основе различных биокатализаторов составили: 300±10мВ для иммобилизованной мембранной фракции бактерий G.oxydans, что почти в три раза больше по сравнению с суспензией клеток микроорганизмов (120±10 мВ), для иммобилизованных целых клеток значение результатов измерений - 250±10мВ, а суспензии мембранной фракции - 220±10мВ.

Операционная стабильность является одной из важнейших характеристик работы электрода. Она показывает устойчивость величины генерируемого потенциала при добавлении одной и той же концентрации субстрата при многократных последовательных измерениях. Для определения операционной стабильности было проведено 10 измерений с концентрацией глюкозы в анодном отделении 10 ммоль/л. Количество последовательных измерений, благодаря использованию иммобилизованного биокатализатора составляет: для иммобилизованных целых клеток бактерий G.oxydans – 8, а для иммобилизованной мембранной фракции не менее 10.

Долговременная стабильность характеризует устойчивость работы электрода в течение длительного периода времени. За время стабильной работы иммобилизованного электрода принимается время, в течение которого величина генерируемого потенциала составляла не менее 50 % от первоначальной активности. Долговременную стабильность определяли путём ежедневного измерения величины генерируемого потенциала. Установлено, что долговременная стабильность для целых клеток бактерий составляет 7 суток, а при использовании мембранной фракции 5 суток.

Можно сделать вывод, что применение биоанода на основе иммобилизованной мембранной фракции бактерий G.oxydans является наиболее оптимальным. Так как его использование позволяет проводить не менее 10 последовательных измерений и сохранять самое высокое значение генерированного потенциала по сравнению с другими биокатализаторами. 

Используемые источники
1. Кузьмичева Е.В. «Кинетика процесса окисления глюкозы с помощью микроорганиз-ма Escherichia Coli в присутствии экзогенных медиаторов», автореф. дис. канд. пед. наук / Е.В. Кузьмичева; Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевкого. — Саратов, 2009.
Information about the project
Surname Name
Vozchikova Sofia
Project title
Development of the bioanods based on immobilized biocatalysts for biofuel cells
Summary of the project
Biofuel element (BFC) is a biotechnological device capable of generating electricity by oxidation of organic substrates by microorganisms, which act as a biocatalyst. Biocatalyst in BFC may be as a suspension. The use of such biocatalyst does not allow using it several times and requires constant updating. Increases in long-term operational stability and BFC is possible to achieve by developing bioanod based on the biocatalyst immobilized on the electrode surface, leads to increase the energy and power characteristics of the BFC and reduce the time of generation of the maximum potential.
Keywords
Biofuel element, bioanod, bacteria Gluconobacter oxydans, immobilization