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细菌发电主要用途及发展前景

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发布日期:2018-04-01 浏览次数:1059
核心提示:细菌发来自被科学家发现后,对其的研究就一直在进行中,据了解,细菌发电可以建发电站、制造电池、制造氢气等,本文还介绍了细菌发电的历史沿革和发展前景等内容。

细菌发电即利用细菌的能量发电,细菌发电的历史可以追溯到1910年,英国科学家首次发现几种细菌能够产生电流并成功研制出世界上第一个细菌电池。而近些年,研究人员也一直没有放弃对细菌发电的研究,我国细菌发电技术的发展有十分广阔的前景。

主要用途

建发电站

利用这种细菌发电原理,还可以建立细菌发电站,计算表明一个功率为1000千瓦的细菌发电站,仅需要1000立方米体积的细菌培养液,每小时消耗200千克糖即可维持其运转发电。而这种电站是一种不污染环境的"绿色"电站,其运转产生的废物基本上是二氧化碳和水。完全可以用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机物的水解物来代替糖液等,细菌发电的前景十分广阔。

生活废水中的细菌降解,再结合淡水和海水之间的盐度梯度来发电,优势更加明显。另外,废水中蕴含有大量以有机物形式存在的能量,而这些能量是处理这些废水所需能量的10倍之多。

制造电池

各个发达国家在细菌电池研究方面取得了新的进展。美国设计出一种综合细菌电池,里面的单细胞藻类可以利用太阳光将二氧化碳和水转化为糖,然后再让细菌利用这些糖来发电。日本科学家同时将两种细菌放入电池的特种糖液中,让其中的一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸,而让另一种细菌将这些酸类转化成氢气,由氢气进入磷酸燃料电池发电。英国则发明出一种以甲醇为电池液,以醇脱氢酶铂金为电极的细菌电池。


此外科学家还有研究出两种新型的发电技术,这两个技术分别为微生物燃料电池(MFC),即利用生活废水中自然存在的细菌发电,以及逆向电渗析(RED),也就是利用淡水和盐水之间的盐度梯度来发电,可以生产出微生物逆向电渗析电池(MRC)。这一技术由两个不同的技术结合而成。该小组扬长避短,规避了这两个技术的局限性,开发出效率更高、成本更低,且十分方便的电池技术。科研小组负责人、能源与环境研究专家布鲁斯罗根表示,这两个技术每个都存在优点和弊端,把它们结合在一起,取其优点,结合之后,效果更佳。

尽管有关微生物燃料电池的问题很早便已提出,但直到现在他们仍旧面临成本高以及能效低等问题。微生物燃料电池的效率很低,一般为10%或更低,相对于它们提供的功率,这种产出所付出的成本极高。通过这种方式发电,最佳效率可达约50%。但这需要添加几种起催化作用的化学物质,这些化学物质可以穿过封闭空间的薄膜进入容器,把自由电子传输到阳极。不过,这几种起催化作用的化学物质的价格非常昂贵,而且还需要经常补充,这使得它们不适于用做一种简单的长期的能源。

制造氢气

细菌除了可发电之外,还可以制造氢气。正在对此进行研究的离子能公司的总裁说:“我们已经证明了细菌制造氢气的可能性,接下来需要在一个广的应用范围内证明它的可行性。”

利用基因改造的方法来使细菌利用阳光或排泄物产生氢气或其他能源。如果能够找出产生能源的基因的排序方法,细菌能源的产生过程就可以在控制之中了。劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员表示,这种合成的微生物的机体可以被重新构架,可以让它们产生各种需要的能源。这项研究进行得很快,结果在15年内就可以出来了。

其他应用

细菌发电也可用于其他环境条件下,比如在充电条件困难以及成本高的情况下。使用这项技术为监视过往船只及潜艇的水下扩音器和声呐提供动力。通过这项技术,动物粪便或污水等含有碳水化合物的废物,都能为电冰箱和炉子提供电力,可以为生活在偏远地区的人带来帮助。


越来越多的实验倾向于利用生物能来解决诸如能源等问题。绿色燃料技术公司已经开始用一种海藻把烟囱排放的有害气体中的氮和二氧化碳转化成有机燃料。可以预见的是,生物能在不远的将来拥有无限的可能。

历史沿革

细菌发电的历史可以追溯到1910年。当年,英国植物学家马克·皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极,放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里,成功地制造出世界上第一个细菌电池。

1984年,美国科学家设计出一种太空飞船使用的细菌电池,其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。不过,那时的细菌电池放电效率较低。

直到20世纪80年代末,细菌发电才有了重大突破,英国化学家彼得·彭托在细菌发电研究方面才取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解分子,以释放出电子向阳极运动而产生电能。

据计算,利用这种细菌电池每100克糖可获得135.293×104库仑的电,其效率可达40%。这已远高于使用的太阳电池的效率,何况其还有再提高10%的潜力可挖。只要不断给这种细菌电池里添入糖,就可获得2安培的电流,且能持续数月之久。但是要很多的糖,如果把细菌放入甘蔗也许可以做一个甘蔗电池。

发展前景

2012年1月,美国宇航局向海军研究实验室航天器工程学部门的格雷戈里·斯科特颁发了一笔研究经费,帮助其进行用于微型行星探索机器人的细菌供电技术的初步研究。如果取得成功,未来的微型机器人行星探险家将采用有效而可靠的微生物燃料电池,无需科学家进行干预。


细菌还具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的“特异功能”。在死海和大盐湖里找到一种嗜盐杆菌,它们含有一种紫色素,在把所接受的大约10%的阳光转化成化学物质时,即可产生电荷。科学家们利用它们制造出一个小型实验性太阳能细菌电池,结果证明是可以用嗜盐性细菌来发电的,用盐代替糖,其成本就大大降低了。由此可见,让细菌为人类供电已不是遥远的设想,而是不久的现实。

科学家们为细菌发电这种新型的供电方式构思了广阔的前景。设想制造一种机器能够寻找并吃掉有机物来产生电流。基因测序的先驱者克雷格-温特认为,微生物供电的方法甚至可以减低对产油国的依赖。美国国家科学基金会的帕特立克-布尔劳尼克表示,细菌发电这种模式虽然还处于初级研究阶段,但它具有广阔的前景。为了证明这种供电方式的潜能,科学家们还设计了用细菌细胞为挂件玩具和其他装置供电。这一实验具有重要的现实意义。

细菌具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的“特异功能”。由此可见,让细菌为人类供电已不再是遥远的设想,而是不久的将来就能实现的现实,我国将继续潜心研制细菌发电,并使之造福人类。

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