专利名称：一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物电化学领域，特别是一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法及 装置。
背景技术：
中国拥有丰富的天然纤维素资源，其中可有效收集的秸秆类农业废弃物约有7亿吨/ 年。目前采用的纤维素发电技术基本上是传统的热机方式，不仅严重污染环境，而且热 能利用率极低(在10%以下)。随着生物电化学的蓬勃发展，利用微生物降解有机物产生 电能的研究，越来越受到研究者的重视。由于纤维素分子结构复杂，很难被微生物直 接利用，因此目前用于发电的主要有机物是葡萄糖、淀粉、有机废水等。
清华大学专利CN 1874040A公开了一种能够同时产电和处理有机废水的技术，阳极 池装有有机废水和厌氧微生物，在阳极开口端固定阴极小室，使阳极隔绝空气；采用还 原性铁细菌降解废水中的有机物，同时获得电子并产生质子，电子通过阳极、外电路到 达阴极，阴极外侧直接与空气接触，空气中的氧气可自然扩散到阴极内侧，与质子、电 子结合生成水。这种方法阳极室采用还原性铁细菌，铁细菌长时间培养会附着在阳极金 属上，造成电极损伤，影响产电周期。
中国专利CN 101118973A提供了一种兼顾微生物产电和污水处理的系统，阴极室利 用一种新型的膜阴极组件，提高了质子迁移的效率，主要是在实现污水的大规模连续处 理的同时产生电能，其适用的活性微生物仍然是极端金属微生物，避免不了对膜阴极组 件的损坏，而且阳极工作液只能间歇式加入，装置复杂且拆装困难，这必定导致成本的 升高。
中国专利CN 1937297A同样公开了一种处理生活、工业用水和产电的装置——双筒 型微生物燃料电池，是集污水产电和脱氮为一体的微生物产电技术，并采用生物阴极替 代Pt阴极，降低了产电成本，适用于高浓度有机废水的降解和产电，其最大的缺点是采 用了硝化细菌，在代谢产物中含有N032—，极易引起二次污染问题。
中国专利CN 101150200A公开了一种采用质子交换膜将电池的阴、阳极室隔开，使 用新亚甲基蓝作电子媒介体，以修饰后的碳纸作为电极材料，在温和的条件下利用厌氧微生物菌降解葡萄糖、淀粉等底物，将化学能转换为电能，虽然整个过程清洁高效无污 染，但这种阳极厌氧、阴极通气的工艺方式，往往会因为操作困难而影响产电效果，阳 极釆用的含糖底物更是会加大产能成本。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种结构简单、操作容易、产电性能好、 生产成本低、无环境二次污染的利用秸秆纤维素产电的方法及装置。 本发明的技术方案
一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，阳极室内培养阳极菌群，阴极室内培 养阴极菌群；阳极菌群为以常规驯化方法从瘤胃中得到的产电菌群，阴极菌群为以常规 驯化方法从瘤胃中得到的产气菌群；将秸秆纤维素粉碎成末，然后加入阳极产电菌群的 菌悬液和微生物营养物质并均匀混合，间歇或连续的通过阳极入料口进入阳极室，阴极 室先加入工作液，阴极产气菌群的菌悬液通过阴极室的接种口进入阴极室；在温度为37 'C的条件下，培养24小时后，用导线将阴阳极板与负载连接，即可发生产电效应。
所述阳极菌群和阴极菌群是采用常规驯化方法从反刍动物的瘤胃中得到的菌群或纯 菌种。
所述阳极产电菌群菌悬液与阴极产气菌群菌悬液的氧化还原电势相差0. 3 0. 5V。 所述桔秆纤维素是农作物秸秆或任何固体纤维废弃物。
所述阳极室加入的微生物营养物质为维生素B、蛋白胨和无机盐KH2P04、 MgS04、 CaCl2、 FeS04、 NaCl。
所述阴极室先加入工作液为碳酸盐溶液或碳酸氢盐溶液。
所述阳极产电菌群的添加量为lmL,阳极发电液接种1 10"06个菌体。
所述阴极产气菌群的添加量为lmL，阴极工作液接种1 10><105个菌体。
一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的装置，包括真空密封圈l、金属阳极板2、隔
膜3、阳极室4、金属阴极板5、阴极室6和气体输出孔7，隔膜3为天然生物膜并镶嵌
在阳极室4和阴极室6之间，金属阳极板2和金属阴极板5通过导线与负载8相连。
所述天然生物膜是动物肠衣、胃膜、肚膜或卵膜。
本发明的化学反应机理.-
阳极机理.-纤维素 葡萄糖
nC6H1206+2nNAD++2nADP+2nPi -
2nCH3COCOOH+2nNADH+2nH++2nATP+2nH20+2ne-
阴极机理
2nlT+2ne隱 - nH2
nC02 + 8nH^+8ne- - nCH4 + 2nH20
本发明的优点是提供了一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，利用农业废 弃物为原料，在微生物降解纤维素的同时产生电能的新技术，即在阳极室利用纤维素降 解菌群厌氧发酵，在将农用废弃物转化为粗饲料的同时将电子传递给外电路，无需特殊 电极和电子介体，单纯依靠菌群中的协同作用完成电子传递，阳极室内纤维素降解产物 可作为粗饲料；阴极利用自养型产气菌群，接受的H+和电子，产生H2、 CH4等气体，可 作为燃料或提纯后作为工业原料；阴、阳室之间以成本较低的生物膜相隔，同时处于厌 氧环境，无需采用通氮保护；该方法产电性能好、生产成本低且避免给环境造成二次污 染，具有广阔的应用前景；该降解装置结构简单、操作容易，实用性强，有利于大规模
推广。
图1为秸秆纤维素产电装置结构示意图。 图2为羧甲基纤维素钠浓度对产电的影响。 图3为秸秆纤维素连续产电结果。
图中l.真空密封圈2.金属阳极板 3.隔膜 4.阳极室
5.金属阴极板 6.阴极室 7.气体输出孔 8.负载。
具体的实施方式
本发明的具体实施方案参照附图详细说明如下，但仅作说明而不是限制本发明。
实施例1:
采用羧甲基纤维素钠粉末作为阳极降解底物，与其它微生物营养物质和纤维素降解 微生物菌群混合均匀，采用连续的方式向阳极室进料，边进料边抽出阳极室的空气，料液进满后，封闭阳极室顶端，停止入料；阴极室采用同样的方法，将阴极工作液和产气 微生物菌群，输送进阴极室。中间的隔膜为动物肠衣膜。37'C培养24小时后，测定输出 电压，同时打开气体输出孔7。经测定排除的气体大部分是H2和CH4，可直接用于炊事 燃料，图2是24小时后，利用不同浓度羧甲基纤维素钠时，对输出电压的影响，随浓度 的升高，输出电压明显变大，加入20g/L时，输出电压达到最大值240mV。 实施例2:
采用玉米轴芯和稻草粉末作为阳极降解底物，阴阳极室的拌种方法和进料方法同实 施例l，三天更换一次阳极室料液，采用边抽出边进料的方式，以保护厌氧环境；阴极室 工作液可以IO天更换一次，换料方法同阳极室；在37'C连续操作250小时，图3是输出 电压的监控结果，最大输出电压的为800mV;阳极每隔三天卸料一次，可直接用于农用 粗饲料，阴极在24小时后持续排放以H2和CH4为主的可燃气体，可直接用于炊事燃料。
权利要求
1. 一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于阳极室内培养阳极菌群，阴极室内培养阴极菌群；阳极菌群为以常规驯化方法从瘤胃中得到的产电菌群，阴极菌群为以常规驯化方法从瘤胃中得到的产气菌群；将秸秆纤维素粉碎成末，然后加入阳极产电菌群的菌悬液和微生物营养物质并均匀混合，间歇或连续的通过阳极入料口进入阳极室，阴极室先加入工作液，阴极产气菌群的菌悬液通过阴极室的接种口进入阴极室；在温度为37℃的条件下，培养24小时后，用导线将阴阳极板与负载连接，即可发生产电效应。
2. 根据权利要求1所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于所 述阳极菌群和阴极菌群是采用常规驯化方法从反刍动物的瘤胃中得到的菌群或纯菌种。
3. 根据权利要求1所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于阳极产电菌群菌悬液与阴极产气菌群菌悬液的氧化还原电势相差0. 3 0. 5V。
4. 根据权利要求1所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于所述秸秆纤维素是农作物秸秆或任何固体纤维废弃物。
5. 根据权利要求1所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于所述 阳极室加入的微生物营养物质为维生素B、蛋白胨和无机盐KK2P04、 MgS04、 CaCl2、 FeS04、 NaCl。
6. 根据权利要求1所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于所 述阴极室先加入工作液为碳酸盐溶液或碳酸氢盐溶液。
7. 根据权利要求1所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于所述 阳极产电菌群的添加量为lmL，阳极发电液接种1 10><106个菌体。
8. 根据权利要求l所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，其特征在于所述阴极产气菌群的添加量为lmL，阴极工作液接种1 10xl0S个菌体。
9. 一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的装置，其特征在于包括真空密封圈1、金属阳极板2、隔膜3、阳极室4、金属阴极板5、阴极室6和气体输出孔7，隔膜3为天 然生物膜并镶嵌在阳极室4和阴极室6之间，金属阳极板2和金属阴极板5通过导线与 负载8相连。
10. 根据权利要求8所说的利用微生物降解秸秆纤维素产电的装置，其特征在于所 述天然生物膜是动物肠衣、胃膜、肚膜或卵膜。
全文摘要
一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，将秸秆纤维素粉碎，与阳极产电菌群菌悬液和微生物营养物质均匀混合，通过入料口进入降解装置中阳极室，阴极产气菌群菌悬液通过阴极室的接种口进入阴极室，在温度为37℃下，培养24小时，用导线将阴、阳极板与负载连接，即可发生产电效应；阳极产电菌群和阴极产气菌群通过常规驯化方法从反刍动物的瘤胃胃液中获得。本发明提供的利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，产电性能好，阳极室内纤维素降解产物可作为粗饲料，阴极产生H<sub>2</sub>、CH<sub>4</sub>气体，可作为燃料或提纯后作为工业原料，生产成本低、避免环境的二次污染；该产电装置结构简单、操作容易、实用性强的特点，具有广阔的应用前景。
文档编号H01M8/16GK101459254SQ20081015462
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者明 应 申请人:天津理工大学