[发明专利]一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用

说明书

本发明公开了一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用。该电活性菌全细胞湿气发电装置包括：顶部电极、底部电极以及电活性菌全细胞生物膜，所述电活性菌全细胞生物膜一侧表面与所述顶部电极贴合连接，另一侧表面与所述底部电极贴合连接。该装置能够持续的利用空气湿气产生0～0.4伏的开路电压和0～0.3微安的负载电流(外接电阻为500千欧)，具有无污染、清洁、可持续、发电条件几乎不受限等特点，可应用于电器供电或大型发电设备，具有较高的经济、环境和社会效益，也具有实际应用的技术潜力。

技术领域

本发明属于生物发电技术领域，具体涉及一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用。

背景技术

新型能源技术的发展对于缓解化石能源短缺和环境污染的压力具有重要意义。但是太阳能、风能、生物能源等新能源的开发还不能满足全球的能源需求，需要近一步探索和开发新能源技术。大气不仅是地球水循环的重要组成部分，也是一种能量充沛的可再生清洁能源来源。有研究者通过采用吸湿材料成功组装湿气发电装置将大气中的气态水中蕴含的能量转化为电能。然而，相关技术中，大多数研究工作都是采用石墨烯、高分子聚合物等高价值材料制作湿气发电装置，导致技术成本高和制作过程复杂等问题，使其无法被大规模推广应用。此外，湿气发电存在的发电时间短(大部分是少于50秒的瞬时湿气发电)、效率低等其他技术层面的问题还未能得到解决，从而限制了湿气发电可应用性。

相关研究中，存在着利用生物纳米导线作为材料制备可持续发电的湿气发电装置，通过将生物纳米导线烘干制备出生物纳米导线膜，将其附着在金片电极表面制备得到湿气发电装置。依靠纳米导线的丰富亲水基团、良好导电性和多孔结构，该湿气发电装置可以进行持续湿气发电。虽然该装置在一定程度上可以持续发电，但也存在着十分显著的技术缺陷，如生物纳米导线的提取过程复杂且产量极低(1克生物纳米导线/20克菌)；所使用的金片电极价格昂贵且制作过程复杂；装置的组装过程繁琐且复杂；该电极装置中的金平板电极不能有效将电子从纳米导线薄膜中导出。这些缺陷严重限制了其实际应用。因此，开发一种可以利用更加易获取、环保、储量丰富的材料制成且制备方法简单的可持续湿气发电装置及相关技术对于新型环保能源的开发和利用具有极为重要的意义。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种利用电活性菌全细胞的湿气发电装置及其制备方法与应用。电活性菌是自然界中广泛存在且可再生的生物资源，它是指能将新陈代谢过程中产生的电子传递至胞外受体或者接受胞外电子的一类菌，例如硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens PCA)和希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)。电活性菌由于含有丰富的亲水官能团和良好的导电性，因此具有很强的吸水能力和电离能力。该电活性菌全细胞湿气发电装置能够实现长时间且稳定的电力输出，而且制备方法简单，成本低廉，具有极大的应用前景。

本发明的第一个方面，提供一种电活性菌全细胞生物膜，该电活性菌全细胞生物膜含有电活性菌全细胞菌体。

根据本发明的第一个方面，在本发明的一些实施方式中，所述电活性菌包括硫还原地杆菌和希瓦氏菌。

在本发明的一些优选实施方式中，所述电活性菌为硫还原地杆菌PCA和希瓦氏菌MR-1。

当然，本发明中的电活性菌包括但不仅限于本发明实施例中所涉及的硫还原地杆菌和希瓦氏菌，本领域技术人员可以根据实际需求，合理的选择任意本领域已知的电活性菌。

根据本发明的第一个方面，在本发明的一些实施方式中，所述电活性菌全细胞生物膜由电活性菌经干燥处理制得。即取电活性菌培养至对数期后，6000rpm离心得到电活性菌菌体。将电活性菌菌体均匀滴加在平面状的底部电极上，干燥，获得附在底部电极表面的电活性菌全细胞生物膜。

其中，电活性菌菌体采用去离子水重悬浮，电活性菌菌体的使用浓度约为1g湿菌体/10mL菌液。

当然，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行合理调整。