Проточный микробный топливный элемент с мобильными электродными блоками

Проточный микробный топливный элемент с мобильными электродными блоками

Ключевые слова
Рациональное природопользование Технологии использования новых видов топлива, возобновляемых и альтернативных источников энергии Биоте

Описание
Микробный топливный элемент – биоэлектрохимическое устройство, в котором реализуется преобразования энергии химических связей в электрическую энергию с помощью бактерий и их ферментных систем. При этом источником энергии химических связей могут служить как простые однокомпонентные субстраты (ацетат, глюкоза), так и комплексные многокомпонентные смеси (сточные воды, отходы и т.д.). Принцип работы устройства основан на природной способности бактерий при анаэробных условиях потреблять субстрат и передавать электроны, образованные в процессе метаболизма в нерастворимый терминальный акцептор – коллектор тока (анод). За счет разности потенциалов между анодом и катодом образуется направленный поток электронов (ток). На катоде электроны взаимодействуют с кислородом воздуха и протонами, которые диффундировали через Н+- селективную мембрану с образованием молекулы воды. Таким образом, процесс является безотходным и делает возможным использование сточных вод и вторичного сырья для производства энергии.

Новизна инновации:
Проточный микробный топливный элемент с мобильными электродными блоками состоит из анодного ячейки, содержащей биосовместимый материал, катодной ячейки и Н+-селективной мембраны, разделяющей их и проводника первого рода, который соединяет анод и катод через нагрузку, который отличается тем, что анодный материал организован в заменимые блоки специальной конструкции, а также устройство дополнительно содержит полимерные фильтры и в анодной ячейке выполнено 2 отверстия в направлении движения субстрата. Это, улучшает эксплуатационные характеристики устройства, позволяет уменьшить омические и диффузионные потери по сравнению с существующими аналогами на 12-15% в зависимости от конструкции.
Кроме того, устройство оснащено полимерными фильтрами для защиты Н+-селективной мембраны от нежелательной иммобилизации микроорганизмов, что продлевает эксплуатацию мембраны и снижает себестоимость устройства.
В проточном микробном топливном элементе с мобильными электродными блоками на 60-90% сокращена продолжительность пускового периода и улучшены эксплуатационные характеристики в условиях залповых сбросов и неравномерной подачи субстрата. Это реализовано за счет возможности замены электродных блоков, при чем возобновления работы установки происходит в течение 5-7 суток, тогда как, в случае гибели микроорганизмов при залповых сбросах полное восстановление электроактивной биопленки на электродах прототипа продлится более двух месяцев. Кроме того, устройство может служить биоректором-инокулятором для наращивания биомассы ассоциации электроактивных микроорганизмов-деструкторов.

Описание проблемы:
Развитие нетрадиционных и возобновляемых источников энергии является одним из главных научно-технических задач современности. Так, согласно Энергетической стратегии Украины, в 2030 г. более 10% от общей установленной мощности приходиться на возобновляемую энергетику. Производство электрической энергии с помощью микроорганизмов в биотопливных элементах является новым трендом не только в Украине, но и в мире, который образовался в результате синтеза достижений биотехнологии и технической электрохимии. Разработка технологии биоэлектрохимического генерирования электрической энергии, позволит использовать механизмы биоэлектрохимического превращения вещества и энергии микроорганизмов, реализовать способ альтернативного безотходного получения электрической энергии, расширить сырьевую базу возобновляемых и экономически выгодных источников энергии (сточные воды, отходы производства и сельского хозяйства).
Инновация является способом биоэлектрохимического получения электрической энергии с помощью микроорганизмов с целью интегрирования в очистные сооружения и использования при переработке отходов.

Стадия разработки:
Прототип с успешными лабораторными испытаниями

Потенциальные потребители, рынки:
Возобновляемая энергетика, предприятия пищевой промышленности, городские очистные сооружения, сельское хозяйство.