一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置和方法，所述裝置包括相對(duì)設(shè)置的第一導(dǎo)電碳纖維極板和第二導(dǎo)電碳纖維極板，第一導(dǎo)電碳纖維極板與步進(jìn)電機(jī)相連接，第二導(dǎo)電碳纖維極板與測(cè)距儀相連接，并且第一導(dǎo)電碳纖維極板和第二導(dǎo)電碳纖維極板與直流電源和開關(guān)形成一個(gè)電場(chǎng)回路，所述電場(chǎng)回路并聯(lián)一電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置；所述第一導(dǎo)電碳纖維極板和第二導(dǎo)電碳纖維極板設(shè)置在一磁場(chǎng)線圈中，所述磁場(chǎng)線圈置于一密閉透明容器中，所述磁場(chǎng)線圈的兩端分別與磁場(chǎng)電源相連接，所述方法為基于上述裝置對(duì)產(chǎn)電細(xì)菌進(jìn)行分離、生長(zhǎng)和馴化的方法。本發(fā)明能提高微生物燃料電池陽極產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的效率。
【專利說明】一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源環(huán)境【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，本發(fā)明涉及一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會(huì)的高速發(fā)展，煤炭、石油等傳統(tǒng)化石燃料已經(jīng)瀕臨枯竭，難以長(zhǎng)期維系人類的生存和發(fā)展，同時(shí)也帶來了環(huán)境污染、全球氣候變暖等生態(tài)問題。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)和生活廢水排放量以及溫室氣體排放量也在逐年遞增，進(jìn)一步危害環(huán)境，降低經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率。同時(shí)，傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)耗能大，溫室氣體排放量大，也不利于環(huán)境保護(hù)。
[0003]微生物燃料電池(Microbial fuel cells, MFCs)是近幾年來發(fā)展的產(chǎn)電和水處理的一種實(shí)用新技術(shù)。MFCs利用微生物作為催化劑來降解有機(jī)物，產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了從污水處理到能量回收的一步轉(zhuǎn)化。此外，MFCs還具有轉(zhuǎn)化效率高，底物適用范圍廣，操作條件溫和，微生物作為催化劑可自我復(fù)制等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此，其將具有不可限量的應(yīng)用開發(fā)前景。
[0004]但是目前，MFCs的陽極效率是制約MFCs進(jìn)行產(chǎn)電和廢水處理應(yīng)用的主要因素。首先，大多數(shù)MFCs的陽極產(chǎn)電細(xì)菌是從活性污泥里分離得來，是幾種具有協(xié)同作用、共同生長(zhǎng)的混合細(xì)菌。其次，分離出來的混合細(xì)菌要做組裝的MFCs中進(jìn)行接種以馴化其產(chǎn)電特性，該馴化需要經(jīng)過多個(gè)周期，馴化過程非常耗費(fèi)時(shí)間。再次，產(chǎn)電混合細(xì)菌的生長(zhǎng)環(huán)境不盡相同，在不同的環(huán)境條件下，優(yōu)勢(shì)菌的種類可能不同，所以影響MFCs的產(chǎn)電性能和效率。因此，研究出一種誘導(dǎo)混合產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)以及產(chǎn)電特性馴化的方法以及反應(yīng)器，不僅能從根本上提高M(jìn)FCs的陽極效率，同時(shí)產(chǎn)電細(xì)菌分離和馴化過程簡(jiǎn)便、省時(shí)省力，對(duì)MFCs的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，該裝置能提高微生物燃料電池陽極產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的效率，將分離馴化后的微生物接種到微生物燃料電池陽極室中可以縮短微生物燃料電池的啟動(dòng)時(shí)間，提高電池電流和功率密度輸出，降低電池內(nèi)阻等。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0007]—種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，所述裝置包括相對(duì)設(shè)置的第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9，第一導(dǎo)電碳纖維極板6與步進(jìn)電機(jī)I相連接，第二導(dǎo)電碳纖維極板9與測(cè)距儀3相連接，并且第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9與直流電源7和開關(guān)8形成一個(gè)電場(chǎng)回路，所述電場(chǎng)回路并聯(lián)一電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4 ；
[0008]所述第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9設(shè)置在一磁場(chǎng)線圈5中，所述磁場(chǎng)線圈5置于一密閉透明容器10中，所述磁場(chǎng)線圈5的兩端分別與磁場(chǎng)電源2相連接。
[0009]本發(fā)明的步進(jìn)電機(jī)I控制第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離，將混合細(xì)菌接種在其中一個(gè)導(dǎo)電碳纖維極板上，通過控制兩個(gè)導(dǎo)電碳纖維極板之間的距離，誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌向另一導(dǎo)電碳纖維極板生長(zhǎng)。
[0010]本發(fā)明的測(cè)距儀3用于測(cè)量第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離，通過測(cè)距儀3反映的數(shù)值除以產(chǎn)電細(xì)菌的平均體長(zhǎng)，可以大體估算一個(gè)產(chǎn)電細(xì)菌鏈上菌體個(gè)數(shù)。
[0011]本發(fā)明的磁場(chǎng)電源2和磁場(chǎng)線圈5用以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9置于磁場(chǎng)線圈5中，產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于極板上的混合細(xì)菌，通過磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化。
[0012]本發(fā)明的開關(guān)8控制整個(gè)電場(chǎng)的接通和斷開，直流電源7為兩個(gè)導(dǎo)電碳纖維極板提供電場(chǎng)以誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌的分離和馴化，電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4監(jiān)測(cè)電場(chǎng)中電流電壓的大小和變化等。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種基于上述裝置的電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的方法，所述方法包括以下步驟:
[0014]I)將厭氧污泥當(dāng)中的混合細(xì)菌接種在第一導(dǎo)電碳纖維極板6上，保持第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離為0.5?I毫米；
[0015]2)接通開關(guān)8，同時(shí)打開磁場(chǎng)電源2向磁場(chǎng)線圈5通電產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，此時(shí)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4中的電流為O;
[0016]3)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的雙重作用下,經(jīng)過4?6小時(shí)的生長(zhǎng),第一導(dǎo)電碳纖維極板6上的產(chǎn)電細(xì)菌生長(zhǎng)到達(dá)第二導(dǎo)電碳纖維極板9表面時(shí)，由于產(chǎn)電細(xì)菌具有導(dǎo)電性，電場(chǎng)回路從而接通，此時(shí)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4中的電流不再為O ;
[0017]4)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)1，使第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離增加至I?2毫米，此時(shí)電路再次斷開，電流監(jiān)測(cè)裝置4中的電流再次為0，再經(jīng)過3?5小時(shí)，第一導(dǎo)電碳纖維極板6上的產(chǎn)電細(xì)菌再次生長(zhǎng)到達(dá)第二導(dǎo)電碳纖維極板9表面時(shí)，電路再次接通；
[0018]5)重復(fù)步驟3) -4)直到第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離為4?8毫米后，當(dāng)電路接通后，斷開磁場(chǎng)和電場(chǎng)，取下第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9，得到經(jīng)過電磁誘導(dǎo)分離、生長(zhǎng)和馴化的產(chǎn)電細(xì)菌。
[0019]所述產(chǎn)電細(xì)菌可以為芽孢桿菌屬、克雷伯氏菌屬、地桿菌屬或假單胞菌屬的能夠產(chǎn)生電子的菌種中的一種或多種。
[0020]將分離馴化的產(chǎn)電細(xì)菌接種到微生物燃料電池陽極室當(dāng)中進(jìn)行產(chǎn)電的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。
[0021]本發(fā)明通過磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用來進(jìn)行產(chǎn)電細(xì)菌的分離、生長(zhǎng)和馴化，其相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):1)通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)產(chǎn)電細(xì)菌進(jìn)行分離和馴化，省時(shí)高效；2)通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大小，對(duì)某些種屬的產(chǎn)電細(xì)菌進(jìn)行特異性的選擇，提高菌種分離的選擇性；3)通過這種方法分離和馴化的產(chǎn)電細(xì)菌接種到微生物燃料電池當(dāng)中后，啟動(dòng)時(shí)間縮短，輸出功率提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]其中，1、步進(jìn)電機(jī)；2、磁場(chǎng)電源；3、測(cè)距儀；4、電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置；5、磁場(chǎng)線圈；6、第一導(dǎo)電碳纖維極板；7、直流電源；8、開關(guān)；9、第二導(dǎo)電碳纖維極板；10、透明密閉容器。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面以附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]如圖1所示，一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，所述裝置包括相對(duì)設(shè)置的第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9,第一導(dǎo)電碳纖維極板6與步進(jìn)電機(jī)I相連接，第二導(dǎo)電碳纖維極板9與測(cè)距儀3相連接，并且第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9與直流電源7和開關(guān)8形成一個(gè)電場(chǎng)回路，所述電場(chǎng)回路并聯(lián)一電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4 ；
[0027]所述第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9設(shè)置在一磁場(chǎng)線圈5中，所述磁場(chǎng)線圈5置于一密閉透明容器10中，所述磁場(chǎng)線圈5的兩端分別與磁場(chǎng)電源2相連接。
[0028]一種基于上述裝置的電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的方法，所述方法包括以下步驟:
[0029]I)將北京某污水處理廠的厭氧污泥當(dāng)中的混合細(xì)菌接種在第一導(dǎo)電碳纖維極板6上，保持第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離為0.5?I毫米；
[0030]2)接通開關(guān)8，同時(shí)打開磁場(chǎng)電源2向磁場(chǎng)線圈5通電產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，此時(shí)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4中的電流為O;
[0031]3)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的雙重作用下,經(jīng)過4?6小時(shí)的生長(zhǎng),第一導(dǎo)電碳纖維極板6上的產(chǎn)電細(xì)菌生長(zhǎng)到達(dá)第二導(dǎo)電碳纖維極板9表面時(shí)，由于產(chǎn)電細(xì)菌具有導(dǎo)電性，電場(chǎng)回路從而接通，此時(shí)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置4中的電流不再為O ;
[0032]4)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)1，使第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離增加至I?2毫米，此時(shí)電路再次斷開，電流監(jiān)測(cè)裝置4中的電流再次為0，再經(jīng)過3?5小時(shí)，第一導(dǎo)電碳纖維極板6上的產(chǎn)電細(xì)菌再次生長(zhǎng)到達(dá)第二導(dǎo)電碳纖維極板9表面時(shí)，電路再次接通；
[0033]5)重復(fù)步驟3) -4)直到第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9之間的距離為4?8毫米后，當(dāng)電路接通后，斷開磁場(chǎng)和電場(chǎng)，取下第一導(dǎo)電碳纖維極板6和第二導(dǎo)電碳纖維極板9，得到經(jīng)過電磁誘導(dǎo)分離、生長(zhǎng)和馴化的克雷伯氏菌屬的產(chǎn)電細(xì)菌。
[0034]對(duì)比例I
[0035]將實(shí)施例1分離得到克雷伯氏菌屬產(chǎn)電細(xì)菌的菌液20mL接種到陰陽極容積均為10mL的H型雙室微生物燃料電池中，外接500歐姆電阻，以20mM醋酸鈉為底物，電解液由以下幾種物質(zhì)組成:0.13g/L KCl、0.31g/L NH4Cl,2.93g/L NaH2PO4、4.09g/L Na2HPO4'2.90g/L NaCl。經(jīng)過30小時(shí)后電池啟動(dòng)完成,穩(wěn)定運(yùn)行后輸出電壓為390毫伏。而北京某污水處理廠的厭氧污泥當(dāng)中的混合細(xì)菌經(jīng)傳統(tǒng)分離篩選和馴化方法得到的克雷伯氏菌屬產(chǎn)電細(xì)菌，米用相同的實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)果為:啟動(dòng)時(shí)間約為86小時(shí),穩(wěn)定運(yùn)行后輸出電壓為310毫伏。由以上數(shù)據(jù)可知，運(yùn)用本發(fā)明的裝置和方法對(duì)產(chǎn)電細(xì)菌進(jìn)行分離和馴化，可以大幅提高的電池的產(chǎn)電性能。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，其特征在于，所述裝置包括相對(duì)設(shè)置的第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)，第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)與步進(jìn)電機(jī)(I)相連接，第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)與測(cè)距儀(3)相連接，并且第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)與直流電源(7)和開關(guān)(8)形成一個(gè)電場(chǎng)回路，所述電場(chǎng)回路并聯(lián)一電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置(4); 所述第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)設(shè)置在一磁場(chǎng)線圈(5)中，所述磁場(chǎng)線圈(5)置于一密閉透明容器(10)中，所述磁場(chǎng)線圈(5)的兩端分別與磁場(chǎng)電源(2)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)(I)控制第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)之間的距離；所述測(cè)距儀(3)用于測(cè)定第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，其特征在于，所述磁場(chǎng)電源(2)和磁場(chǎng)線圈(5)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，用于誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的裝置，其特征在于，所述電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置(4)用來測(cè)定所述電場(chǎng)回路中的電流。
5.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的電磁誘導(dǎo)產(chǎn)電細(xì)菌分離、生長(zhǎng)和馴化的方法，所述方法包括以下步驟: 1)將厭氧污泥當(dāng)中的混合細(xì)菌接種在第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)上，保持第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)之間的距離為0.5?I毫米； 2)接通開關(guān)(8)，同時(shí)打開磁場(chǎng)電源(2)向磁場(chǎng)線圈(5)通電產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，此時(shí)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置(4)中的電流為O; 3)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的雙重作用下,經(jīng)過4?6小時(shí)的生長(zhǎng),第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)上的產(chǎn)電細(xì)菌生長(zhǎng)到達(dá)第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)表面時(shí)，由于產(chǎn)電細(xì)菌具有導(dǎo)電性，電場(chǎng)回路從而接通，此時(shí)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置(4)中的電流不再為O ; 4)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)(1)，使第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)之間的距離增加至I?2毫米，此時(shí)電路再次斷開，電流監(jiān)測(cè)裝置(4)中的電流再次為0，再經(jīng)過3?5小時(shí),第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)上的產(chǎn)電細(xì)菌再次生長(zhǎng)到達(dá)第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)表面時(shí)，電路再次接通； 5)重復(fù)步驟3)-4)直到第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)之間的距離為4?8毫米后，當(dāng)電路接通后，斷開磁場(chǎng)和電場(chǎng)，取下第一導(dǎo)電碳纖維極板(6)和第二導(dǎo)電碳纖維極板(9)，得到經(jīng)過電磁誘導(dǎo)分離、生長(zhǎng)和馴化的產(chǎn)電細(xì)菌。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟5)得到的產(chǎn)電細(xì)菌為芽孢桿菌屬、克雷伯氏菌屬、地桿菌屬或假單胞菌屬的能夠產(chǎn)生電子的菌種中的一種或多種。
【文檔編號(hào)】C12R1/22GK104277970SQ201310270940
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】李浩然, 王鵬 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院過程工程研究所