一種采用液滴微流控技術提高微生物燃料電池的輸出功率的實驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及可持續發展和再生的新能源技術領域，特別涉及一種能夠提高目前限 制微生物燃料電池大規模推廣應用的輸出功率低的一種液滴微流控技術的實驗方法。
【背景技術】
[0002] 最近的諾貝爾獎得主理查德斯莫利（RichardSmalley)經常說"能源問題是人類 面臨的最大挑戰"。科學家們嘗試能夠尋找到石油的替代品，比如甲烷水合物和把煤轉化成 沼氣，但是這些替代品都存在一個副作用，它們會釋放二氧化碳，從而加劇全球溫室效應， 核能雖然能夠提供無碳排放的清潔能源，但是目前缺乏行之有效的安全的辦法來處理核廢 棄物。因此一系列可持續的替代能源應該滿足零碳排放和可再生的要求，比如目前已有的 太陽能，風能和生物質能量都能夠滿足我們未來對能量的需求。微生物燃料電池，是一種把 生物化學能轉化成電能的裝置，是其中一個很有前景的可持續發展的能源。微生物燃料電 池不僅是一種新能源而且還可以進行廢水處理和進行生物降解，具有非常廣泛的應用。但 是，使其作為可再生的清潔能源輸出并且大規模的推廣應用還面臨很多的挑戰。
[0003] 近些年研究人員從各個方面對微生物燃料電池進行改進使其能夠推廣應用，取得 了很大進展。首先，基質材料被認為是影響微生物燃料電池輸出功率的其中一個重要參數。 幾乎所有的可以進行生物降解的有機物質都可以作為為生物燃料電池的基質來產生電能， 包括簡單的分子，比如碳水化合物和蛋白質；以及人體，動物和食物加工過程中所產生廢水 中復雜的有機物的混合物。Angenent等人研究表明，包含有能夠轉化成燃料的化學成分的 基質材料是理想的微生物燃料電池的基質材料，這些成分還會影響陽極表面生物膜中的細 菌群落的組成，以及微生物燃料電池的輸出功率和庫侖效率。通常用到的基質材料主要有 醋酸鹽，葡萄糖，木質纖維素生物質，人工合成廢水，啤酒制造廢水，淀粉加工廢水，染料廢 水，垃圾滲出液，纖維素和甲殼素，太陽光等。
[0004] 電荷傳輸機理是決定微生物燃料電池輸出功率的其中一個重要因素。細菌細胞通 過呼吸代謝產生電荷，不同的菌種以及不同的電極勢都會有不同的代謝過程。然后，這些 電荷通過物理傳輸系統（胞外電荷傳遞）從細胞轉移到電極。這一過程可以通過多種途徑 來實現，一種是采用可溶性的電荷載體或者某種表面可以粘附電荷的成分；另一方法是通 過人工添加或者細菌分泌的介質來傳導電荷；還有一種是細菌細胞產生的納米導線來傳導 電荷。
[0005] 還有其他非常多的重要參數會影響微生物燃料電池的輸出功率，比如陽極表面生 物膜的形成過程會受到細菌菌種、環境因素、陽極材料和陽極電勢以及生物膜中電荷流動 的影響。電極結構和材料也是影響參數之一，比如采用碳納米管制成的多孔隙結構的陽極 會大大提高微生物燃料電池的輸出功率。最近Peter等人通過采用調整陽極工作周期辦法 來提高功率，即調整陽極與電路接通的時間間隔。這樣克服了由于基質的擴散時間以及電 荷在胞外或者細胞膜內傳輸時間的延遲導致的功率減小。研究表明盡管很多種微生物都 可以產生電流，但是大多數單一菌種溶液產生的電荷密度比較小，而不同菌種的混合溶液 會提高電荷密度。因此選擇合適的菌種或者菌種組合對提高微生物燃料電池的性能很有必 要。
【發明內容】
[0006]因此本發明將設計新的動態膠體電極來改善電荷在電極表面的傳輸。我們還利用 微流控技術對細菌菌種和基質材料進行高速率篩選，選擇出能夠產生最高電荷密度的菌種 或者菌種組合，以及基質材料，最終通過優化這些因素來提高微生物燃料電池的性能。
[0007] 本發明提供一種采用液滴微流控技術提高微生物燃料電池的輸出功率的實驗方 法，包括以下步驟：
[0008] (1)建立液滴微流控實驗裝置平臺：將水相溶液和油相溶液以不同流速從不同的 方向共同流經微管道產生的油相溶液包裹水相溶液的液滴，油相溶液形成液滴外殼，可密 封任何水相溶液中細胞，顆粒或者分子等；培養包含一定數量菌種的液滴，將液滴收集在 微管中。
[0009] (2)建立微量（picoinjection)實驗溶液注入實驗裝置，將醋酸鹽電解液注入到 上述包含有細菌細胞的液滴中，并對醋酸鹽溶液添加有機染料，便于顯微鏡觀測。
[0010] (3)建立菌種數據庫，選取不同的細菌菌種，每個液滴包含相同數量的一種菌種， 或者某幾種菌種的組合，采用步驟（2)的方法在細菌溶液液滴中添加不同的染料顏色進行 染色，從而進行分類，即每一種顏色對應一種細菌或者細菌組合，從而建立菌種數據庫。
[0011] (4)建立基質材料數據庫，采用（2)的方法對每一種基質材料進行染色，及每一種 顏色對應一種基質材料，從而建立菌種數據庫。
[0012] (5)制作具有晃動陽極的微生物燃料電池裝置；在特定膠體液滴中培養生物膜， 利用不同的膠體液滴來培養生物膜，所述特定膠體液滴是加入膠體和碳導線絲的不同液滴 表面的液滴；并在膠粒的膠體內部加入碳導線絲，增加膠粒的導電性，通過一定頻率周期性 晃動陽極溶液，來更換陽極表面的已經釋放到電荷的生物膜膠粒，而電解液中產生電子的 生物膜膠粒會吸引到陽極，被置換的生物膜膠粒在電解液中進行恢復；所述一定頻率周期 性晃動是通過調整晃動的頻率和幅度，調整細胞恢復時間，提高置換效率。
[0013] (6)采用步驟（4)的基質數據庫中的基質材料與步驟（3)中的菌種數據庫中的液 滴菌種采用步驟（5)的微生物燃料電池裝置，測量特定基質材料和特定菌種條件下的，電 池裝置的輸出功率；從而篩選出能產生最大電流功率的生物菌種，將細菌細胞，DNA或者其 他的分子顆粒包裹在體積從〇. 05微微升到1納升的反應液滴中來測量輸出功率，這么小 的液滴體積極大地縮短了反應時間，使得高速率的測量以建立不同細菌液滴數據庫，從而 篩選出能夠使微生物燃料電池達到最大功率的菌種；這種方法最大的優點是非常經濟和高 效。
[0014] 通過液滴微流控技術，采用步驟1~6的篩選方法定量分析各種基質材料在相同 的條件下能夠產生的電流密度，從而挑選出最優的基質材料，提高微生物燃料電池的輸出 功率。把各種基質材料按照不同的濃度和成分包裹在很小體積的反應液滴中，建立基質材 料數據庫。可以實現每天對10s個反應液滴進行制作和測量。通過這種方法，可以用最低 的成本對不常見的比較貴的基質材料進行實驗測量分析。
[0015] 通過以上實驗數據得到的優化方案，在微生物燃料電池裝置中進行實驗，經過大 量的不同菌種，基質和液滴生物膜的組合，得到最優的設計方案，使微生物燃料電池的輸出 功率達到最大。
[0016] 進一步的，所述步驟（1)中的水相溶液采用Luria-Bertani細菌培養溶液，每1升 Luria-Bertani溶液包括10克蛋白胨、5克氯化鈉、5克酵母提取物和1升蒸餾水，把混合物 溶液進行高溫滅菌，可以儲存到零下4度的冰箱中備用。
[0017] 進一步的，所述步驟（3)中不同的細菌菌種包括地桿菌，希瓦氏菌，綠膿桿菌，產 琥珀酸放線桿菌，嗜水氣單胞菌，糞產堿桿菌，丁酸梭菌，脫硫脫硫弧菌，歐文氏菌，大腸桿 菌，氧化葡糖桿菌，肺炎桿菌，植物乳桿菌，奇異變形桿菌，嗜甜微生物，乳酸鏈球菌。每個液 體包含相同數量的一種菌種，測量它們產生電荷的多少，從而對菌種液滴進行分類，類似方 法測試不同菌種組合的液滴，產生的電荷數進行分類。即在細菌溶液液滴中添加不同的染 料顏色進行染色。進行數據分析，得到不同菌種產生電荷的數據庫。
[0018] 進一步的，所述步驟（2)的有機染料是靛藍染料（一種從植物中提取的有機染料， 化學表達式為C16H1(]N202)，也可以采用其他顏色染料，
[0019] 進一步的，所述步驟（4)，基質材料為醋酸鹽，阿糖醇，葡萄糖，羧甲基纖維素，纖維 素顆粒，玉米秸桿生物質，半胱氨酸，1，2-二氯乙烷，酒精或糠醛。并且比較不同濃度下產生 電荷數，建立電解液基質材料數據庫。
[0020] 進一步的，所述步驟（5)中不同的膠體液滴是單表面膠體液滴，雙層表面膠體液 滴和三層膠體表面液滴中的一種，
[0021] 進一步的，所述步驟（5)中晃動幅度和晃動頻率需要根據對應的輸出功率測量值 確定，保證輸出功率測量值為輸出功率測量值范圍內最高值上下5~20%的范圍值內（優 選保證輸出功率測量值為輸出功率測量值范圍內最高值上下10%的范圍值內），所述輸出 功率測量值為微生物燃料電池裝置，測量特定基質材料和特定菌種條件下的，電池裝置的 輸出功率。
[0022] 進一步的，所述步驟（5)中細胞恢復時間為3~1