微生物燃料电池：新型产能生物技术(3)

        此外，在反应器的库仑效率和能量效率之间也存在着显著的差异。库仑效率是基于底物实际传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来计算。能量效率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的关系并非总是明确的。需要强调的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，譬如电阻的调整。如果综合考虑这些参数的问题的话，必须要确定是最大库仑效率（如对于废水处理）还是最大能量效率（如对于小型电池）才是最终目标。目前观测到的电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有分布。

        优化

        生物优化提示我们应该选择合适的细菌组合，以及促使细菌适应反应器内优化过的环境条件。虽然对细菌种子的选择将很大程度上决定细菌增殖的速率，但是它并不决定这一过程产生的最终结构。使用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为营养源，可以观察到经过三个月的微生物适应和选择之后，细菌在将底物转换为电流的速率上有7倍的增长。如果提供更大的阳极表面供细菌生长的话，增长会更快。

        批处理系统使能够制造可溶性的氧化型中间体的微生物的积累成为了可能。持续的系统性选择能形成生物被膜的种类，它们或者能够直接的生长在电极上，或者能够通过生物被膜的基质使用可移动的穿梭分子来传递电子。

        通过向批次处理的阳极中加入可溶性的氧化中间体也能达到技术上的优化：MFCs中加入氧化型代谢中间体能够持续的改善电子传递。对这些代谢中间体的选择到目前为止还仅仅是出于经验性的，而且通常只有低的中间体电势，在数值约为300mV或者还原性更高的时候，才认为是值得考虑的。应该选择那些具有足够高的电势的氧化中间体，才能够使细菌对于电极而言具有足够高的流通速率，同时还需参考是以高库仑效率还是以高能量效率为主要目标。

        一些研究工作者们已经开发了改进型的阳极材料，是通过将化学催化剂渗透进原始材料制成的。Park和Zeikus使用锰修饰过的高岭土电极，产生了高达788mW/m2的输出功率。而增加阳极的特殊表面将导致产生更低的电流密度（因此反过来降低了活化超极化）和更多的生物薄膜表面。然而，这种方法存在一个明显的局限，微小的孔洞很容易被被细菌迅速堵塞。被切断食物供应的细菌会死亡，因此在它溶解前反而降低了电极的活化表面。总之，降低活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最主要因素。

        IVIFC：支柱性核心技术

        污物驱动的应用在于能够显著的移除废弃的底物。目前，使用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1  kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消耗0.5  kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30  kWh。为了解决这一问题，需要开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一领域中常用的是Upflow  Anaerobic  Sludge  Blanket反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器通常以每立方米反应器每天10~20  kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个燃烧引擎作为转换器）35%的总电力效率，意味着反应器功率输出为0.5~1  kW/m3。它的效率主要决定于燃烧沼气时损失的能量。未来如果发展了比现有的能更有效的氧化沼气的化学染料电池的话，很可能能够获得更高的效率。

        能够转化具有积极市场价值的某种定性底物的电池，譬如葡萄糖，将以具有高能量效率作为首要目标。虽然MFCs的功率密度与诸如甲醇驱动的FCs相比是相当低的，但是对于这项技术而言，以底物安全性为代表的多功能性是它的一个重要优势。

        全面的看，作为一种参考，以高速率的厌氧消化手段从生物量中重获能量的资本支出约为安装每百万瓦生产量花费100万瓦。后一数值也同样适用于通过传统的燃烧途径、风力涡轮机以及化学染料电池等方法利用化石燃料产能。因此这一手段也处于竞争之地。何况目前，微生物燃料电池尚未达到这一水准的功率输出。负荷速率为每天每立方米反应器0.1~10  kg的化学需氧量时，可以认为实际上能达到的功率输出在0.01~1.25  kW/m3之间。然而，对于好氧的处理过程，观察到的生长速率为消耗每克有机底物产生0.4克生物量生成，而对于厌氧发酵产生沼气的过程这一速率理论上仅为0.077。基于MFC过程的本质，其产量应该介于这两种代谢类型之间。观察到的以葡萄糖饲喂的MFCs的生长速率在0.07~0.22之间。由于废水处理设备中淤泥处理的花费多达每吨干物质500，这一数量的减少对于该过程的经济平衡具有重要的提示意义。

        有效的设计和操作能够创造一种技术平台，能够在多种领域运用而不需要进行本质上的修改。除却经济方面，MFCs已经展现了支柱性的核心技术的姿态。它们在低的和适中的温度下能有效的产生能量并转化一系列的电子供体，甚至即使电子供体仅以低浓度存在。在这些方面现在还没有能够与之相媲美的其他已知技术。 (责任编辑：泉水)

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