專利名稱：一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物電化學領域，特別是一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法及 裝置。
背景技術：
中國擁有豐富的天然纖維素資源，其中可有效收集的秸稈類農業廢棄物約有7億噸/ 年。目前采用的纖維素發電技術基本上是傳統的熱機方式，不僅嚴重污染環境，而且熱 能利用率極低(在10%以下)。隨著生物電化學的蓬勃發展，利用微生物降解有機物產生 電能的研究，越來越受到研究者的重視。由于纖維素分子結構復雜，很難被微生物直 接利用，因此目前用于發電的主要有機物是葡萄糖、淀粉、有機廢水等。
清華大學專利CN 1874040A公開了一種能夠同時產電和處理有機廢水的技術，陽極 池裝有有機廢水和厭氧微生物，在陽極開口端固定陰極小室，使陽極隔絕空氣；采用還 原性鐵細菌降解廢水中的有機物，同時獲得電子并產生質子，電子通過陽極、外電路到 達陰極，陰極外側直接與空氣接觸，空氣中的氧氣可自然擴散到陰極內側，與質子、電 子結合生成水。這種方法陽極室采用還原性鐵細菌，鐵細菌長時間培養會附著在陽極金 屬上，造成電極損傷，影響產電周期。
中國專利CN 101118973A提供了一種兼顧微生物產電和污水處理的系統，陰極室利 用一種新型的膜陰極組件，提高了質子遷移的效率，主要是在實現污水的大規模連續處 理的同時產生電能，其適用的活性微生物仍然是極端金屬微生物，避免不了對膜陰極組 件的損壞，而且陽極工作液只能間歇式加入，裝置復雜且拆裝困難，這必定導致成本的 升高。
中國專利CN 1937297A同樣公開了一種處理生活、工業用水和產電的裝置——雙筒 型微生物燃料電池，是集污水產電和脫氮為一體的微生物產電技術，并采用生物陰極替 代Pt陰極，降低了產電成本，適用于高濃度有機廢水的降解和產電，其最大的缺點是采 用了硝化細菌，在代謝產物中含有N032—，極易引起二次污染問題。
中國專利CN 101150200A公開了一種采用質子交換膜將電池的陰、陽極室隔開，使 用新亞甲基藍作電子媒介體，以修飾后的碳紙作為電極材料，在溫和的條件下利用厭氧微生物菌降解葡萄糖、淀粉等底物，將化學能轉換為電能，雖然整個過程清潔高效無污 染，但這種陽極厭氧、陰極通氣的工藝方式，往往會因為操作困難而影響產電效果，陽 極釆用的含糖底物更是會加大產能成本。
發明內容
本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種結構簡單、操作容易、產電性能好、 生產成本低、無環境二次污染的利用秸稈纖維素產電的方法及裝置。 本發明的技術方案
一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，陽極室內培養陽極菌群，陰極室內培 養陰極菌群；陽極菌群為以常規馴化方法從瘤胃中得到的產電菌群，陰極菌群為以常規 馴化方法從瘤胃中得到的產氣菌群；將秸稈纖維素粉碎成末，然后加入陽極產電菌群的 菌懸液和微生物營養物質并均勻混合，間歇或連續的通過陽極入料口進入陽極室，陰極 室先加入工作液，陰極產氣菌群的菌懸液通過陰極室的接種口進入陰極室；在溫度為37 'C的條件下，培養24小時后，用導線將陰陽極板與負載連接，即可發生產電效應。
所述陽極菌群和陰極菌群是采用常規馴化方法從反芻動物的瘤胃中得到的菌群或純 菌種。
所述陽極產電菌群菌懸液與陰極產氣菌群菌懸液的氧化還原電勢相差0. 3 0. 5V。 所述桔稈纖維素是農作物秸稈或任何固體纖維廢棄物。
所述陽極室加入的微生物營養物質為維生素B、蛋白胨和無機鹽KH2P04、 MgS04、 CaCl2、 FeS04、 NaCl。
所述陰極室先加入工作液為碳酸鹽溶液或碳酸氫鹽溶液。
所述陽極產電菌群的添加量為lmL,陽極發電液接種1 10"06個菌體。
所述陰極產氣菌群的添加量為lmL，陰極工作液接種1 10><105個菌體。
一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的裝置，包括真空密封圈l、金屬陽極板2、隔
膜3、陽極室4、金屬陰極板5、陰極室6和氣體輸出孔7，隔膜3為天然生物膜并鑲嵌
在陽極室4和陰極室6之間，金屬陽極板2和金屬陰極板5通過導線與負載8相連。
所述天然生物膜是動物腸衣、胃膜、肚膜或卵膜。
本發明的化學反應機理.-
陽極機理.-纖維素 葡萄糖
nC6H1206+2nNAD++2nADP+2nPi -
2nCH3COCOOH+2nNADH+2nH++2nATP+2nH20+2ne-
陰極機理
2nlT+2ne隱 - nH2
nC02 + 8nH^+8ne- - nCH4 + 2nH20
本發明的優點是提供了一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，利用農業廢 棄物為原料，在微生物降解纖維素的同時產生電能的新技術，即在陽極室利用纖維素降 解菌群厭氧發酵，在將農用廢棄物轉化為粗飼料的同時將電子傳遞給外電路，無需特殊 電極和電子介體，單純依靠菌群中的協同作用完成電子傳遞，陽極室內纖維素降解產物 可作為粗飼料；陰極利用自養型產氣菌群，接受的H+和電子，產生H2、 CH4等氣體，可 作為燃料或提純后作為工業原料；陰、陽室之間以成本較低的生物膜相隔，同時處于厭 氧環境，無需采用通氮保護；該方法產電性能好、生產成本低且避免給環境造成二次污 染，具有廣闊的應用前景；該降解裝置結構簡單、操作容易，實用性強，有利于大規模
推廣。
圖1為秸稈纖維素產電裝置結構示意圖。 圖2為羧甲基纖維素鈉濃度對產電的影響。 圖3為秸稈纖維素連續產電結果。
圖中l.真空密封圈2.金屬陽極板 3.隔膜 4.陽極室
5.金屬陰極板 6.陰極室 7.氣體輸出孔 8.負載。
具體的實施方式
本發明的具體實施方案參照附圖詳細說明如下，但僅作說明而不是限制本發明。
實施例1:
采用羧甲基纖維素鈉粉末作為陽極降解底物，與其它微生物營養物質和纖維素降解 微生物菌群混合均勻，采用連續的方式向陽極室進料，邊進料邊抽出陽極室的空氣，料液進滿后，封閉陽極室頂端，停止入料；陰極室采用同樣的方法，將陰極工作液和產氣 微生物菌群，輸送進陰極室。中間的隔膜為動物腸衣膜。37'C培養24小時后，測定輸出 電壓，同時打開氣體輸出孔7。經測定排除的氣體大部分是H2和CH4，可直接用于炊事 燃料，圖2是24小時后，利用不同濃度羧甲基纖維素鈉時，對輸出電壓的影響，隨濃度 的升高，輸出電壓明顯變大，加入20g/L時，輸出電壓達到最大值240mV。 實施例2:
采用玉米軸芯和稻草粉末作為陽極降解底物，陰陽極室的拌種方法和進料方法同實 施例l，三天更換一次陽極室料液，采用邊抽出邊進料的方式，以保護厭氧環境；陰極室 工作液可以IO天更換一次，換料方法同陽極室；在37'C連續操作250小時，圖3是輸出 電壓的監控結果，最大輸出電壓的為800mV;陽極每隔三天卸料一次，可直接用于農用 粗飼料，陰極在24小時后持續排放以H2和CH4為主的可燃氣體，可直接用于炊事燃料。
權利要求
1. 一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于陽極室內培養陽極菌群，陰極室內培養陰極菌群；陽極菌群為以常規馴化方法從瘤胃中得到的產電菌群，陰極菌群為以常規馴化方法從瘤胃中得到的產氣菌群；將秸稈纖維素粉碎成末，然后加入陽極產電菌群的菌懸液和微生物營養物質并均勻混合，間歇或連續的通過陽極入料口進入陽極室，陰極室先加入工作液，陰極產氣菌群的菌懸液通過陰極室的接種口進入陰極室；在溫度為37℃的條件下，培養24小時后，用導線將陰陽極板與負載連接，即可發生產電效應。
2. 根據權利要求1所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于所 述陽極菌群和陰極菌群是采用常規馴化方法從反芻動物的瘤胃中得到的菌群或純菌種。
3. 根據權利要求1所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于陽極產電菌群菌懸液與陰極產氣菌群菌懸液的氧化還原電勢相差0. 3 0. 5V。
4. 根據權利要求1所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于所述秸稈纖維素是農作物秸稈或任何固體纖維廢棄物。
5. 根據權利要求1所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于所述 陽極室加入的微生物營養物質為維生素B、蛋白胨和無機鹽KK2P04、 MgS04、 CaCl2、 FeS04、 NaCl。
6. 根據權利要求1所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于所 述陰極室先加入工作液為碳酸鹽溶液或碳酸氫鹽溶液。
7. 根據權利要求1所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于所述 陽極產電菌群的添加量為lmL，陽極發電液接種1 10><106個菌體。
8. 根據權利要求l所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，其特征在于所述陰極產氣菌群的添加量為lmL，陰極工作液接種1 10xl0S個菌體。
9. 一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的裝置，其特征在于包括真空密封圈1、金屬陽極板2、隔膜3、陽極室4、金屬陰極板5、陰極室6和氣體輸出孔7，隔膜3為天 然生物膜并鑲嵌在陽極室4和陰極室6之間，金屬陽極板2和金屬陰極板5通過導線與 負載8相連。
10. 根據權利要求8所說的利用微生物降解秸稈纖維素產電的裝置，其特征在于所 述天然生物膜是動物腸衣、胃膜、肚膜或卵膜。
全文摘要
一種利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，將秸稈纖維素粉碎，與陽極產電菌群菌懸液和微生物營養物質均勻混合，通過入料口進入降解裝置中陽極室，陰極產氣菌群菌懸液通過陰極室的接種口進入陰極室，在溫度為37℃下，培養24小時，用導線將陰、陽極板與負載連接，即可發生產電效應；陽極產電菌群和陰極產氣菌群通過常規馴化方法從反芻動物的瘤胃胃液中獲得。本發明提供的利用微生物降解秸稈纖維素產電的方法，產電性能好，陽極室內纖維素降解產物可作為粗飼料，陰極產生H<sub>2</sub>、CH<sub>4</sub>氣體，可作為燃料或提純后作為工業原料，生產成本低、避免環境的二次污染；該產電裝置結構簡單、操作容易、實用性強的特點，具有廣闊的應用前景。
文檔編號H01M8/16GK101459254SQ20081015462
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月29日 優先權日2008年12月29日
發明者明 應 申請人:天津理工大學