一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置和方法，所述装置包括相对设置的第一导电碳纤维极板和第二导电碳纤维极板，第一导电碳纤维极板与步进电机相连接，第二导电碳纤维极板与测距仪相连接，并且第一导电碳纤维极板和第二导电碳纤维极板与直流电源和开关形成一个电场回路，所述电场回路并联一电场监测装置；所述第一导电碳纤维极板和第二导电碳纤维极板设置在一磁场线圈中，所述磁场线圈置于一密闭透明容器中，所述磁场线圈的两端分别与磁场电源相连接，所述方法为基于上述装置对产电细菌进行分离、生长和驯化的方法。本发明能提高微生物燃料电池阳极产电细菌分离、生长和驯化的效率。
【专利说明】一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源环境【技术领域】，具体地，本发明涉及一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置和方法。
【背景技术】
[0002]随着人类社会的高速发展，煤炭、石油等传统化石燃料已经濒临枯竭，难以长期维系人类的生存和发展，同时也带来了环境污染、全球气候变暖等生态问题。随着经济和社会的发展，工业和生活废水排放量以及温室气体排放量也在逐年递增，进一步危害环境，降低经济运行效率。同时，传统的废水处理技术耗能大，温室气体排放量大，也不利于环境保护。
[0003]微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFCs)是近几年来发展的产电和水处理的一种实用新技术。MFCs利用微生物作为催化剂来降解有机物，产生电能，实现了从污水处理到能量回收的一步转化。此外，MFCs还具有转化效率高，底物适用范围广，操作条件温和，微生物作为催化剂可自我复制等众多优点，因此，其将具有不可限量的应用开发前景。
[0004]但是目前，MFCs的阳极效率是制约MFCs进行产电和废水处理应用的主要因素。首先，大多数MFCs的阳极产电细菌是从活性污泥里分离得来，是几种具有协同作用、共同生长的混合细菌。其次，分离出来的混合细菌要做组装的MFCs中进行接种以驯化其产电特性，该驯化需要经过多个周期，驯化过程非常耗费时间。再次，产电混合细菌的生长环境不尽相同，在不同的环境条件下，优势菌的种类可能不同，所以影响MFCs的产电性能和效率。因此，研究出一种诱导混合产电细菌分离、生长以及产电特性驯化的方法以及反应器，不仅能从根本上提高MFCs的阳极效率，同时产电细菌分离和驯化过程简便、省时省力，对MFCs的大规模实际应用具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，该装置能提高微生物燃料电池阳极产电细菌分离、生长和驯化的效率，将分离驯化后的微生物接种到微生物燃料电池阳极室中可以缩短微生物燃料电池的启动时间，提高电池电流和功率密度输出，降低电池内阻等。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案:
[0007]—种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，所述装置包括相对设置的第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9，第一导电碳纤维极板6与步进电机I相连接，第二导电碳纤维极板9与测距仪3相连接，并且第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9与直流电源7和开关8形成一个电场回路，所述电场回路并联一电场监测装置4 ；
[0008]所述第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9设置在一磁场线圈5中，所述磁场线圈5置于一密闭透明容器10中，所述磁场线圈5的两端分别与磁场电源2相连接。
[0009]本发明的步进电机I控制第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离，将混合细菌接种在其中一个导电碳纤维极板上，通过控制两个导电碳纤维极板之间的距离，诱导产电细菌向另一导电碳纤维极板生长。
[0010]本发明的测距仪3用于测量第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离，通过测距仪3反映的数值除以产电细菌的平均体长，可以大体估算一个产电细菌链上菌体个数。
[0011]本发明的磁场电源2和磁场线圈5用以产生一个稳定的磁场，第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9置于磁场线圈5中，产生的磁场作用于极板上的混合细菌，通过磁场诱导产电细菌分离、生长和驯化。
[0012]本发明的开关8控制整个电场的接通和断开，直流电源7为两个导电碳纤维极板提供电场以诱导产电细菌的分离和驯化，电场监测装置4监测电场中电流电压的大小和变化等。
[0013]本发明的另一个目的在于，提供一种基于上述装置的电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的方法，所述方法包括以下步骤:
[0014]I)将厌氧污泥当中的混合细菌接种在第一导电碳纤维极板6上，保持第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离为0.5?I毫米；
[0015]2)接通开关8，同时打开磁场电源2向磁场线圈5通电产生稳定的磁场，此时电场监测装置4中的电流为O;
[0016]3)在电场和磁场的双重作用下,经过4?6小时的生长,第一导电碳纤维极板6上的产电细菌生长到达第二导电碳纤维极板9表面时，由于产电细菌具有导电性，电场回路从而接通，此时电场监测装置4中的电流不再为O ;
[0017]4)调节步进电机1，使第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离增加至I?2毫米，此时电路再次断开，电流监测装置4中的电流再次为0，再经过3?5小时，第一导电碳纤维极板6上的产电细菌再次生长到达第二导电碳纤维极板9表面时，电路再次接通；
[0018]5)重复步骤3) -4)直到第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离为4?8毫米后，当电路接通后，断开磁场和电场，取下第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9，得到经过电磁诱导分离、生长和驯化的产电细菌。
[0019]所述产电细菌可以为芽孢杆菌属、克雷伯氏菌属、地杆菌属或假单胞菌属的能够产生电子的菌种中的一种或多种。
[0020]将分离驯化的产电细菌接种到微生物燃料电池阳极室当中进行产电的实验和测试。
[0021]本发明通过磁场和电场的共同作用来进行产电细菌的分离、生长和驯化，其相对于现有技术有以下几个显著优点:1)通过电场和磁场对产电细菌进行分离和驯化，省时高效；2)通过调节电场和磁场的大小，对某些种属的产电细菌进行特异性的选择，提高菌种分离的选择性；3)通过这种方法分离和驯化的产电细菌接种到微生物燃料电池当中后，启动时间缩短，输出功率提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置的结构示意图；
[0023]其中，1、步进电机；2、磁场电源；3、测距仪；4、电场监测装置；5、磁场线圈；6、第一导电碳纤维极板；7、直流电源；8、开关；9、第二导电碳纤维极板；10、透明密闭容器。
【具体实施方式】
[0024]下面以附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0025]实施例1
[0026]如图1所示，一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，所述装置包括相对设置的第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9,第一导电碳纤维极板6与步进电机I相连接，第二导电碳纤维极板9与测距仪3相连接，并且第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9与直流电源7和开关8形成一个电场回路，所述电场回路并联一电场监测装置4 ；
[0027]所述第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9设置在一磁场线圈5中，所述磁场线圈5置于一密闭透明容器10中，所述磁场线圈5的两端分别与磁场电源2相连接。
[0028]一种基于上述装置的电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的方法，所述方法包括以下步骤:
[0029]I)将北京某污水处理厂的厌氧污泥当中的混合细菌接种在第一导电碳纤维极板6上，保持第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离为0.5?I毫米；
[0030]2)接通开关8，同时打开磁场电源2向磁场线圈5通电产生稳定的磁场，此时电场监测装置4中的电流为O;
[0031]3)在电场和磁场的双重作用下,经过4?6小时的生长,第一导电碳纤维极板6上的产电细菌生长到达第二导电碳纤维极板9表面时，由于产电细菌具有导电性，电场回路从而接通，此时电场监测装置4中的电流不再为O ;
[0032]4)调节步进电机1，使第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离增加至I?2毫米，此时电路再次断开，电流监测装置4中的电流再次为0，再经过3?5小时，第一导电碳纤维极板6上的产电细菌再次生长到达第二导电碳纤维极板9表面时，电路再次接通；
[0033]5)重复步骤3) -4)直到第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9之间的距离为4?8毫米后，当电路接通后，断开磁场和电场，取下第一导电碳纤维极板6和第二导电碳纤维极板9，得到经过电磁诱导分离、生长和驯化的克雷伯氏菌属的产电细菌。
[0034]对比例I
[0035]将实施例1分离得到克雷伯氏菌属产电细菌的菌液20mL接种到阴阳极容积均为10mL的H型双室微生物燃料电池中，外接500欧姆电阻，以20mM醋酸钠为底物，电解液由以下几种物质组成:0.13g/L KCl、0.31g/L NH4Cl,2.93g/L NaH2PO4、4.09g/L Na2HPO4'2.90g/L NaCl。经过30小时后电池启动完成,稳定运行后输出电压为390毫伏。而北京某污水处理厂的厌氧污泥当中的混合细菌经传统分离筛选和驯化方法得到的克雷伯氏菌属产电细菌，米用相同的实验方法的结果为:启动时间约为86小时,稳定运行后输出电压为310毫伏。由以上数据可知，运用本发明的装置和方法对产电细菌进行分离和驯化，可以大幅提高的电池的产电性能。
【权利要求】
1.一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，其特征在于，所述装置包括相对设置的第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)，第一导电碳纤维极板(6)与步进电机(I)相连接，第二导电碳纤维极板(9)与测距仪(3)相连接，并且第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)与直流电源(7)和开关(8)形成一个电场回路，所述电场回路并联一电场监测装置(4); 所述第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)设置在一磁场线圈(5)中，所述磁场线圈(5)置于一密闭透明容器(10)中，所述磁场线圈(5)的两端分别与磁场电源(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，其特征在于，所述步进电机(I)控制第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)之间的距离；所述测距仪(3)用于测定第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，其特征在于，所述磁场电源(2)和磁场线圈(5)产生稳定的磁场，用于诱导产电细菌分离、生长和驯化。
4.根据权利要求1所述的一种电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的装置，其特征在于，所述电场监测装置(4)用来测定所述电场回路中的电流。
5.一种基于权利要求1所述装置的电磁诱导产电细菌分离、生长和驯化的方法，所述方法包括以下步骤: 1)将厌氧污泥当中的混合细菌接种在第一导电碳纤维极板(6)上，保持第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)之间的距离为0.5?I毫米； 2)接通开关(8)，同时打开磁场电源(2)向磁场线圈(5)通电产生稳定的磁场，此时电场监测装置(4)中的电流为O; 3)在电场和磁场的双重作用下,经过4?6小时的生长,第一导电碳纤维极板(6)上的产电细菌生长到达第二导电碳纤维极板(9)表面时，由于产电细菌具有导电性，电场回路从而接通，此时电场监测装置(4)中的电流不再为O ; 4)调节步进电机(1)，使第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)之间的距离增加至I?2毫米，此时电路再次断开，电流监测装置(4)中的电流再次为0，再经过3?5小时,第一导电碳纤维极板(6)上的产电细菌再次生长到达第二导电碳纤维极板(9)表面时，电路再次接通； 5)重复步骤3)-4)直到第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)之间的距离为4?8毫米后，当电路接通后，断开磁场和电场，取下第一导电碳纤维极板(6)和第二导电碳纤维极板(9)，得到经过电磁诱导分离、生长和驯化的产电细菌。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5)得到的产电细菌为芽孢杆菌属、克雷伯氏菌属、地杆菌属或假单胞菌属的能够产生电子的菌种中的一种或多种。
【文档编号】C12R1/22GK104277970SQ201310270940
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月1日 优先权日:2013年7月1日
【发明者】李浩然, 王鹏 申请人:中国科学院过程工程研究所