微生物燃料電池應用前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

全球能源需求的增長和化石能源的快速消耗，使得新能源開發(fā)變得尤為重要。微生物燃料電池即為一類全新的能源利用方式[1]。通過對微生物氧化-還原反應電子轉(zhuǎn)移過程的人工控制，使得利用微生物發(fā)電具備了廣泛的應用前景。微生物燃料電池可定義為由生物催化的電化學系統(tǒng)，可將燃料中的化學能在無氧條件下發(fā)生氧化-還原反應的過程中直接轉(zhuǎn)化為電能[2]。在技術(shù)上，通過選擇性離子滲透膜，可將微生物的呼吸作用和發(fā)酵作用隔離，再利用人工控制的電子受體和電子傳輸電路，實現(xiàn)生物電能的利用。

1 微生物燃料電池

微生物燃料電池中的微生物來源廣泛，例如廢棄物以及廢水中的微生物均可用于發(fā)電。由于它具有可再生能源的特性，近年來在生物能源研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。除了用于發(fā)電，微生物燃料電池還應用于具備商業(yè)價值的化工產(chǎn)品，如有機酸、醛類以及乙醇等。除此之外，有毒物質(zhì)的分解和廢棄物的處理也是近年來的開發(fā)重點。此類有毒物質(zhì)以及廢棄物可用作發(fā)電過程中的電子給體或受體。可見，微生物燃料電池的發(fā)展不僅解決了此類有毒、有害廢棄物在處理方面的難題，還將其轉(zhuǎn)變成一種新的能源利用方式。微生物燃料電池在還原反應過程中不僅產(chǎn)生了電能，還可產(chǎn)生如乙醇、丁醇等液體燃料，實現(xiàn)了碳循環(huán)，減少了二氧化碳的排放，在全球碳減排方面發(fā)揮著積極作用。

2 微生物燃料電池的發(fā)電機理

自然界中的微生物在有氧或者無氧的條件下均可進行新陳代謝，即合成代謝和分解代謝。即使具有不代謝性，微生物也會對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)進行發(fā)酵作用，產(chǎn)生還原當量子，并作用于氧化還原載體上，有利于微生物在呼吸作用的過程中產(chǎn)生能量物質(zhì)。微生物在有氧或者無氧條件下均可進行糖酵解反應，將六碳糖分解成兩分子丙酮酸。然而，糖酵解反應對氧氣較為敏感，但無論哪種代謝方式，微生物均會產(chǎn)生質(zhì)子，且產(chǎn)生的質(zhì)子會吸附在具有高能量的氧化還原載體分子上。通過發(fā)酵脫氫作用產(chǎn)生的質(zhì)子，會利用氧化還原載體向最終電子受體移動，形成質(zhì)子的傳輸過程。

然而，最終電子受體在體系中的作用是受到熱力學限制的。在有氧條件下，由于體系中很強的還原電勢和電負性，質(zhì)子會通過由氧化-還原載體組成的電子傳輸鏈向氧氣移動，從而引發(fā)氧化磷酸化作用產(chǎn)生三磷酸腺苷ATP。在無氧條件下，其他電子受體分子會攜帶電子通過氧化-還原載體進行傳輸。

同樣，電子傳輸速度也會受到熱力學的限制。傳輸速度會隨著具有高能量的最終還原產(chǎn)物的生成而減慢。由于氧化劑的電正性較低，因此微生物在無氧條件下的代謝能力明顯低于有氧環(huán)境。但在無氧條件下，微生物會利用體系中的電子產(chǎn)生多種形式的生物能和各類生化反應產(chǎn)物。微生物燃料電池的主要作用即利用此類產(chǎn)生的電子，通過電極作為最終電子受體的傳輸媒介而獲得電能。

工作過程中，微生物燃料電池第一步是陽極上微生物催化發(fā)生氧化反應而生成質(zhì)子與電子，質(zhì)子會通過質(zhì)子交換膜到達陰極，從而使得陰極和陽極產(chǎn)生電勢差。由于這種電勢差的存在，陽極上的電子會通過外電路從陽極流向陰極，并與最終電子受體發(fā)生還原反應。在電子從陽極流向陰極的過程中，外電路的負載即可獲得電能。反應過程可簡單描述為微生物催化培養(yǎng)基在陽極催化發(fā)生氧化反應生成還原當量，隨后這些還原當量通過電解質(zhì)和外電路的傳輸，最終在陰極發(fā)生還原反應[3-5]。

將陽極與陰極隔離開的質(zhì)子交換膜PEM在電池中起到的作用與微生物外膜的作用類似，目的是產(chǎn)生電勢梯度，而電極的作用即為產(chǎn)生類似氧化-還原載體。前者是使電子從陽極流向陰極[6]，后者則是為了協(xié)助電子向最終電子受體進行傳輸。電子從產(chǎn)生到流向最終電子受體的驅(qū)動力即為微生物氧化-還原載體與電池間的電勢差。微生物在產(chǎn)生還原當量的時候，細胞膜內(nèi)外就形成了電勢差，即膜電位。

由于膜電位的存在，還原當量可穿越細胞膜并繼續(xù)傳輸，所以膜電位即已成為質(zhì)子動力勢。當電子到達陽極時，陽極會產(chǎn)生一個負電位。同理，質(zhì)子到達陰極時也會使得陰極含有正電位，由此產(chǎn)生的電極電位差，從宏觀上可反映即電池的電壓。實際上，電子的整個運動過程均是在氧化-還原電位的驅(qū)動下進行的。大量不同種類的培養(yǎng)基可用于微生物燃料電池的陽極電子給體和陰極電子受體。

3 影響微生物燃料電池性能的因素

3.1 影響微生物燃料電池性能的物理因素

微生物燃料電池的物理組件對于調(diào)節(jié)電池發(fā)電效率較為重要，包括電池結(jié)構(gòu)、陽極液的體積、電極材料及電解質(zhì)膜等。通常，如果不考慮電池結(jié)構(gòu)，微生物燃料電池的發(fā)電能力與反應器體積無關(guān)，因為電池的電極間電勢差是由電子給體和電子受體決定的[7]。

電子受體的不同對于電池發(fā)電效率影響較大。氧氣是目前公認的生物氧化-還原體系中最好的電子受體。除氧氣之外，F(xiàn)e3+和Mn2+也是目前研究較多的電子受體。相比其他的電子受體，F(xiàn)e3+的發(fā)電能力更為突出，因為它具備強氧化性、高效的傳質(zhì)速率以及在陰極上具有較低的反應活化能。但是，如果采用金屬作為離子受體，同樣存在一定的缺陷和不足，如金屬離子需要及時補充，金屬的排放會污染環(huán)境。因此，氧氣依然為電子受體的最佳選擇。

作為電子傳輸?shù)拿浇橹唬姌O材料本身的性質(zhì)也會影響電池的發(fā)電效率。此外，具有電化學活性微生物的增長也與電極材料有關(guān)。電極材料能否有效接受電子，會直接影響微生物的代謝速度。在選取電極材料時，需考慮以下幾方面因素，包括材料本身的導電性、與微生物的適應性、在反應器溶液中的化學穩(wěn)定性、高效的電子釋放速率以及長時間工作的穩(wěn)定性等。

離子交換膜也是影響微生物燃料電池性能的重要部件之一。微生物燃料電池研究初期采用鹽橋進行離子交換，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，質(zhì)子交換膜問世，并很快被應用至燃料電池領(lǐng)域。由于質(zhì)子交換膜對質(zhì)子的選擇透過性，避免了電池在運行過程中由于其他副反應的發(fā)生而造成能量損失。盡管仍存在制造成本高昂等不利因素，但就目前而言，質(zhì)子交換膜依然具備廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2 影響微生物燃料電池性能的生物因素

除了物理因素之外，微生物自身的特點也影響微生物燃料電池的發(fā)電性能，通常包括微生物的增長、微生物與電極之間的相互作用、電子傳輸?shù)臋C理及電子穿梭載體等。微生物在陽極的氧化反應對整個電池的性能至關(guān)重要。不考慮反應機理，細胞外的電子傳輸與電子載體和陽極間的電勢差緊密相關(guān)。

3.3 影響微生物燃料電池性能的運行條件

運行條件對微生物燃料電池同樣重要，如電子給體的性質(zhì)、有機負荷、運行時間、氧化-還原反應條件及微環(huán)境等。微生物燃料電池可選取不同種類的培養(yǎng)基作為陽極氧化反應的電子給體，并產(chǎn)生原當量物。較為簡單的培養(yǎng)基、葡萄糖和醋酸，是應用最廣的電子給體。

4 微生物燃料電池的應用

在微生物燃料電池運行過程中，產(chǎn)生的當量還原物在產(chǎn)能和廢棄物治理方面有著多種用途。總體而言，微生物燃料電池的應用主要包括三大領(lǐng)域：發(fā)電、廢水處理以及高附加值產(chǎn)品再生。

在發(fā)電方面，它可簡述為微生物通過代謝活動產(chǎn)生當量物，這些還原當量物與電子受體發(fā)生化學反應，在反應過程中電子的傳輸過程產(chǎn)生電能；從發(fā)電電池的角度而言，它可描述為物質(zhì)在陽極發(fā)生氧化反應，在陰極發(fā)生還原反應，在整個氧化-還原反應進行的過程中通過電子轉(zhuǎn)移獲得電能。

對于廢棄物及廢水而言，在特定條件下，它既可以作為電子給體，也可以作為電子受體。無論是在陽極被氧化，還是在陰極被還原，微生物燃料電池對廢棄物和廢水治理都有著明顯的作用。類似地，在電池運行過程中，一些氧化代謝產(chǎn)物可作為電子受體，并可生成具有商業(yè)價值的最終還原產(chǎn)物。

近年來，隨著微生物燃料電池的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出多元化特點，除了上述一些應用領(lǐng)域之外，還出現(xiàn)了一些新興應用發(fā)展方向，如光合成、碳捕捉、海底沉積物發(fā)電、海水淡化、生物質(zhì)發(fā)電以及生物傳感器等。目前，這些新興應用領(lǐng)域還處于探索及發(fā)展階段，需要大量的基礎(chǔ)研究才能最終實現(xiàn)大規(guī)模推廣。

總體而言，微生物燃料電池陰極反應在環(huán)境治理和生物電化學合成方面的應用受到的關(guān)注與日俱增。在保持電壓的條件下，微生物燃料電池不僅可還原硫、氮以及金屬污染物，還可合成乙醇、丁醇和甲烷等具有價值的產(chǎn)物。究其根本，在于微生物與陰極電極之間的相互作用可使得一些生物化學反應的活化能降低，從而使其具備一定的實際應用價值。如果可有效解決電子損失和產(chǎn)物的選擇性問題，將進一步加快其推廣的步伐。

5 微生物燃料電池應用前景展望

微生物燃料電池因兼有污染物治理及化工產(chǎn)品合成的功用，目前已成為一項環(huán)境友好且發(fā)展迅猛的新型發(fā)電技術(shù)，且涉及諸多應用領(lǐng)域的前瞻性研究。微生物燃料電池用以發(fā)電的原料來源極廣，因此具備較好的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢捎诋斍凹夹g(shù)所限，微生物燃料電池的制造成本和發(fā)電能力尚無法與現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)相比，因此現(xiàn)階段其尚未得以大規(guī)模應用。

考慮到它高昂的造價，無膜微生物燃料電池應為未來發(fā)展的重點。有毒、有害物質(zhì)及污水的處理也是微生物燃料電池的重要發(fā)展方向，應在現(xiàn)有研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，進一步提升其環(huán)境治理方面的性能。

在化工產(chǎn)品合成方面，它仍處于初級階段，諸多關(guān)鍵性問題目前尚未得以解決，仍需開展大量基礎(chǔ)性研究，才能進一步拓展其在合成方面的技術(shù)發(fā)展空間，尤其應致力于研究來源廣泛且對環(huán)境存在不利影響的物質(zhì)為燃料進行產(chǎn)品合成。總體而言，微生物燃料電池的發(fā)展道路依然較長，也會存在諸多技術(shù)難題有待于研究和解決。

6 結(jié) 論

現(xiàn)階段，人口在不斷增長，能源危機和環(huán)境問題日趨嚴重。在當前較為嚴峻的形勢下，考慮到微生物燃料電池技術(shù)在環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域的獨到優(yōu)勢，隨著科技的進步，它在不遠的將來必然會獲得長足的進步和廣泛的應用。