一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的实验方法技术

本发明专利技术提出一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的方法，该方法包括步骤：（1）建立液滴微流控实验装置平台：（2）建立微量（picoinjection）实验溶液注入实验装置；（3）建立菌种数据库；（4）建立基质材料数据库；（5）制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；（6）采用步骤（4）的基质数据库中的基质材料与步骤（3）中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤（5）的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种和最优的基质材料。我们采用的液滴微流控实验方法具有成本低，可以大批量实验的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的实验方法
本专利技术涉及可持续发展和再生的新能源
，特别涉及一种能够提高目前限制微生物燃料电池大规模推广应用的输出功率低的一种液滴微流控技术的实验方法。
技术介绍
最近的诺贝尔奖得主理查德斯莫利(RichardSmalley)经常说“能源问题是人类面临的最大挑战”。科学家们尝试能够寻找到石油的替代品，比如甲烷水合物和把煤转化成沼气，但是这些替代品都存在一个副作用，它们会释放二氧化碳，从而加剧全球温室效应，核能虽然能够提供无碳排放的清洁能源，但是目前缺乏行之有效的安全的办法来处理核废弃物。因此一系列可持续的替代能源应该满足零碳排放和可再生的要求，比如目前已有的太阳能，风能和生物质能量都能够满足我们未来对能量的需求。微生物燃料电池，是一种把生物化学能转化成电能的装置，是其中一个很有前景的可持续发展的能源。微生物燃料电池不仅是一种新能源而且还可以进行废水处理和进行生物降解，具有非常广泛的应用。但是，使其作为可再生的清洁能源输出并且大规模的推广应用还面临很多的挑战。近些年研究人员从各个方面对微生物燃料电池进行改进使其能够推广应用，取得了很大进展。首先，基质材料被认为是影响微生物燃料电池输出功率的其中一个重要参数。几乎所有的可以进行生物降解的有机物质都可以作为为生物燃料电池的基质来产生电能，包括简单的分子，比如碳水化合物和蛋白质；以及人体，动物和食物加工过程中所产生废水中复杂的有机物的混合物。Angenent等人研究表明，包含有能够转化成燃料的化学成分的基质材料是理想的微生物燃料电池的基质材料，这些成分还会影响阳极表面生物膜中的细菌群落的组成，以及微生物燃料电池的输出功率和库仑效率。通常用到的基质材料主要有醋酸盐，葡萄糖，木质纤维素生物质，人工合成废水，啤酒制造废水，淀粉加工废水，染料废水，垃圾渗出液，纤维素和甲壳素，太阳光等。电荷传输机理是决定微生物燃料电池输出功率的其中一个重要因素。细菌细胞通过呼吸代谢产生电荷，不同的菌种以及不同的电极势都会有不同的代谢过程。然后,这些电荷通过物理传输系统(胞外电荷传递)从细胞转移到电极。这一过程可以通过多种途径来实现，一种是采用可溶性的电荷载体或者某种表面可以粘附电荷的成分；另一方法是通过人工添加或者细菌分泌的介质来传导电荷；还有一种是细菌细胞产生的纳米导线来传导电荷。还有其他非常多的重要参数会影响微生物燃料电池的输出功率，比如阳极表面生物膜的形成过程会受到细菌菌种、环境因素、阳极材料和阳极电势以及生物膜中电荷流动的影响。电极结构和材料也是影响参数之一，比如采用碳纳米管制成的多孔隙结构的阳极会大大提高微生物燃料电池的输出功率。最近Peter等人通过采用调整阳极工作周期办法来提高功率，即调整阳极与电路接通的时间间隔。这样克服了由于基质的扩散时间以及电荷在胞外或者细胞膜内传输时间的延迟导致的功率减小。研究表明尽管很多种微生物都可以产生电流，但是大多数单一菌种溶液产生的电荷密度比较小，而不同菌种的混合溶液会提高电荷密度。因此选择合适的菌种或者菌种组合对提高微生物燃料电池的性能很有必要。
技术实现思路
因此本专利技术将设计新的动态胶体电极来改善电荷在电极表面的传输。我们还利用微流控技术对细菌菌种和基质材料进行高速率筛选，选择出能够产生最高电荷密度的菌种或者菌种组合，以及基质材料，最终通过优化这些因素来提高微生物燃料电池的性能。本专利技术提供一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的实验方法，包括以下步骤：(1)建立液滴微流控实验装置平台：将水相溶液和油相溶液以不同流速从不同的方向共同流经微管道产生的油相溶液包裹水相溶液的液滴，油相溶液形成液滴外壳，可密封任何水相溶液中细胞，颗粒或者分子等；培养包含一定数量菌种的液滴，将液滴收集在微管中。(2)建立微量(picoinjection)实验溶液注入实验装置，将醋酸盐电解液注入到上述包含有细菌细胞的液滴中，并对醋酸盐溶液添加有机染料，便于显微镜观测。(3)建立菌种数据库，选取不同的细菌菌种，每个液滴包含相同数量的一种菌种，或者某几种菌种的组合，采用步骤(2)的方法在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色，从而进行分类，即每一种颜色对应一种细菌或者细菌组合，从而建立菌种数据库。(4)建立基质材料数据库，采用(2)的方法对每一种基质材料进行染色，及每一种颜色对应一种基质材料，从而建立菌种数据库。(5)制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；在特定胶体液滴中培养生物膜，利用不同的胶体液滴来培养生物膜，所述特定胶体液滴是加入胶体和碳导线丝的不同液滴表面的液滴；并在胶粒的胶体内部加入碳导线丝，增加胶粒的导电性，通过一定频率周期性晃动阳极溶液，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复；所述一定频率周期性晃动是通过调整晃动的频率和幅度，调整细胞恢复时间，提高置换效率。(6)采用步骤(4)的基质数据库中的基质材料与步骤(3)中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤(5)的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；从而筛选出能产生最大电流功率的生物菌种，将细菌细胞，DNA或者其他的分子颗粒包裹在体积从0.05微微升到1纳升的反应液滴中来测量输出功率，这么小的液滴体积极大地缩短了反应时间，使得高速率的测量以建立不同细菌液滴数据库，从而筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种；这种方法最大的优点是非常经济和高效。通过液滴微流控技术，采用步骤1～6的筛选方法定量分析各种基质材料在相同的条件下能够产生的电流密度，从而挑选出最优的基质材料，提高微生物燃料电池的输出功率。把各种基质材料按照不同的浓度和成分包裹在很小体积的反应液滴中，建立基质材料数据库。可以实现每天对108个反应液滴进行制作和测量。通过这种方法，可以用最低的成本对不常见的比较贵的基质材料进行实验测量分析。通过以上实验数据得到的优化方案，在微生物燃料电池装置中进行实验，经过大量的不同菌种，基质和液滴生物膜的组合，得到最优的设计方案，使微生物燃料电池的输出功率达到最大。进一步的，所述步骤(1)中的水相溶液采用Luria-Bertani细菌培养溶液，每1升Luria-Bertani溶液包括10克蛋白胨、5克氯化钠、5克酵母提取物和1升蒸馏水，把混合物溶液进行高温灭菌，可以储存到零下4度的冰箱中备用。进一步的，所述步骤(3)中不同的细菌菌种包括地杆菌，希瓦氏菌，绿脓杆菌，产琥珀酸放线杆菌，嗜水气单胞菌，粪产碱杆菌，丁酸梭菌，脱硫脱硫弧菌，欧文氏菌，大肠杆菌，氧化葡糖杆菌，肺炎杆菌，植物乳杆菌，奇异变形杆菌，嗜甜微生物，乳酸链球菌。每个液体包含相同数量的一种菌种，测量它们产生电荷的多少，从而对菌种液滴进行分类，类似方法测试不同菌种组合的液滴，产生的电荷数进行分类。即在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色。进行数据分析，得到不同菌种产生电荷的数据库。进一步的，所述步骤(2)的有机染料是靛蓝染料(一种从植物中提取的有机染料，化学表达式为C16H10N2O2)，也可以采用其他颜色染料，进一步的，所述步骤(4)，基质材料为醋酸盐，阿糖醇，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的方法,包括以下步骤：（1）建立液滴微流控实验装置平台：将水相溶液和油相溶液以不同流速从不同的方向共同流经微管道产生的油相溶液包裹水相溶液的液滴，油相溶液形成液滴外壳，可密封任何水相溶液中细胞，颗粒或者分子等；培养包含一定数量菌种的液滴，将液滴收集在微管中；（2）建立微量（picoinjection）实验溶液注入实验装置，将醋酸盐电解液注入到上述包含有细菌细胞的液滴中，并对醋酸盐溶液添加有机染料，便于显微镜观测；（3）建立菌种数据库，选取不同的细菌菌种，每个液滴包含相同数量的一种菌种，或者某几种菌种的组合，采用步骤（2）的方法在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色，从而进行分类，即每一种颜色对应一种细菌或者细菌组合，从而建立菌种数据库；（4）建立基质材料数据库，采用（2）的方法对每一种基质材料进行染色，及每一种颜色对应一种基质材料，从而建立基质材料数据库；（5）制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；在特定胶体液滴中培养生物膜，利用不同的胶体液滴来培养生物膜，所述特定胶体液滴是加入胶体和碳导线丝的不同液滴表面的液滴；并在胶粒的胶体内部加入碳导线丝，增加胶粒的导电性，通过一定频率周期性晃动阳极溶液，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复；所述一定频率周期性晃动是通过调整晃动的频率和幅度，调整细胞恢复时间，提高置换效率；（6）采用步骤（4）的基质数据库中的基质材料与步骤（3）中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤（5）的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；从而筛选出能产生最大电流功率的生物菌种，将细菌细胞，DNA 或者其他的分子颗粒包裹在体积从0.05微微升到1 纳升的反应液滴中来测量输出功率，这么小的液滴体积极大地缩短了反应时间，使得高速率的测量以建立不同细菌液滴数据库，从而筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种；把各种基质材料按照不同的浓度和成分包裹在很小体积的反应液滴中，采用上述步骤的筛选方法定量分析各种基质材料在相同的条件下能够产生的电流密度，挑选出最优的基质材料。...

【技术特征摘要】
1.一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的方法，包括以下步骤：(1)建立液滴微流控实验装置平台：将水相溶液和油相溶液以不同流速从不同的方向共同流经微管道产生的油相溶液包裹水相溶液的液滴，油相溶液形成液滴外壳，能够密封任何水相溶液中细胞，颗粒或者分子；培养包含一定数量菌种的液滴，将液滴收集在微管中；(2)建立微量picoinjection实验溶液注入实验装置，将醋酸盐电解液注入到上述包含有细菌细胞的液滴中，并对醋酸盐溶液添加有机染料，便于显微镜观测；(3)建立菌种数据库，选取不同的细菌菌种，每个液滴包含相同数量的一种菌种，或者某几种菌种的组合，采用步骤(2)的方法在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色，从而进行分类，即每一种颜色对应一种细菌或者细菌组合，从而建立菌种数据库；(4)建立基质材料数据库，采用(2)的方法对每一种基质材料进行染色，及每一种颜色对应一种基质材料，从而建立基质材料数据库；(5)制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；在特定胶体液滴中培养生物膜，利用不同的胶体液滴来培养生物膜，所述特定胶体液滴是加入胶体和碳导线丝的不同液滴表面的液滴；并在胶粒的胶体内部加入碳导线丝，增加胶粒的导电性，通过一定频率周期性晃动阳极溶液，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复；所述一定频率周期性晃动是通过调整晃动的频率和幅度，调整细胞恢复时间，提高置换效率；(6)采用步骤(4)的基质数据库中的基质材料与步骤(3)中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤(5)的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；从而筛选出能产生最大电流功率的生物菌种，将细菌细胞，DNA或者其他的分子颗粒包裹在体积从0.05微微升到1纳升的反应液滴中来测量输出功率，这么小的液滴体积极大地缩短了反应时间，使得高速率的测量以建立不同细菌液滴数据库，从而筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种；把各种基质材料按照不同的浓度和成分包裹在很小体积的反应液滴中，采用上述步骤的筛选方法定量分析各种基质材料在相同的条件下能够产生的电流密度，挑选出最优的基质材料；所述步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓玲，戴维A·韦茨，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11