1

ДИПЛОМНА РАБОТА

ТЕМА: МИКРОБНИТЕ ГОРИВНИ КЛЕТКИ СЪВРЕМЕННА БИОТЕХНОЛОГИЯ ЗА 

ПРОДУЦИРАНЕ НА ЕНЕРГИЯ

ОБРАЗОВАТЕЛНО КВАЛИФИКАЦИОННА СТЕПЕН : БАКАЛАВЪР

Ръководител катедра :

Научен ръководител : 

                                                                Дипломант : 

1

Съдържание:

1.

Введение………………………………………………………………………………. 3

2.

Цел и задачи…………………………………………………………………………... 4

3.

Принцип на действие на микробната горивна клетка……………………………. . 5

4.

Енергиен метаболизъм на микроорганизмите……………………………………... 7

4.1 . Микробно дишане …………………………………………………………….... 7

4.2 . Ферментиращи бактерии ………………………………………………………  9

4.3 . Електрогенеза…………………………………………………………………… 9

4.4 . Метаболизъм на микробните горивни клетки……………………………….10

      5.    Бактериален потенциал за производство на електроенергия…………………..   14

      6.    Межанизми на анодния електронен трансфер в микробната горивна клетка...   14

      7.    Параметри определящи ефективността на микробните горивни клетки……… 16

             7.1. Скорост на субстратното превръщане………………………………………. 17

             7.2. Електрически загуби на катода………………………………………………. 19

             7.3. Ефективност на протонообменните мембрани……………………………… 19

             7.4. Вътрешно съпротивление на микробните горивни клетки………………… 19

             7.5. Производителност на микробните горивни клетки…………………………. 19

      8.    Оптимизация…………………………………………………………………………21

      9.    Микробните горивни клетки : Източник на устойчива енергия……………….... 23

    10.    Биомасата като гориво за микробните горивни клетки…………………………. .25

    11.    Субстрати използвани в микробните горивни клетки…………………………… 27

    12.    Заключения………………………………………………………………………….. 36

    13.    Използвана литература…………………………………………………………….. .37 

1

Въведение

Микробната   горивна   клетка   е   биореактор,   който   преобразува   химическата   енергия   на 
химичните връзки в органичните съединения, в електрическа енергия, чрез каталитични 
реакции на микроорганизми, при анаеробни условия . В продължение на много години е 
известно,   че   е   възможно   директно   да   се   генерира   електричество,   като   се   използват 
бактерии за разделяне на органични субстрати . 

През   неодавнашната   енергийна   криза,   интереса   към   микробните   горивни   клетки   е 
възобновен сред академичните изследователи,като начин за генериране на електроенергия 
или водород от биомаса, без нетни емисии на въглерод в  екосистемата. МГКи , могат да 
се използват и в съораженията за отпадни води, за разграждане на органичната материя. 
Също така те са тествани, за това, дали могат да се използват като биосензори, например 
като   сензори   за   биологична   потребност   от   кислород.Микробните   горивни   клетки 
осигуряват  нови възможности  за устойчиво продуциране  на енергия  от биоразградими 
редуцирани съединения.Тези клетки действат върху различни въглехидрати , но също така 
и върху сложни субстрати , намиращи се в отпадните води. Все още информацията за 
енергийния метаболизъм и естеството на бактериите,използващи анода като електронен 
акцептор е ограничена , установани са няколко механизми за електронен трансфер . За 
оптимизиране и развитие на производството на енергия от микробните горивни клетки , 
тази информация е от съществено значение . 

В зависимост от работните параметри на горивните клетки,бактериите използват различни 
метаболитни пътища.Това определя избора и характеристиките на отделните организми.В 
настоящото   изследване   освен   други   проблеми,се   разглеждат   и   начините,по   които 
бактериите  използват  анода  като  електронен  акцептор  и до каква  степен  те генерират 
електрическа мощност. Направен е опит, да се оцененят качествата на биотехнологията,по 
отношение на другите съвременни алтернативи за генериране на енергия. 

Идеята за микробни горивни клетки се появява през 70

те

 години на миналия век [1-2].Така 

или   иначе,когато   е   разработена   концепцията   за   използване   на   микроорганизми   като 
катализатори в горивните клетки,микробни горивни клетки преработващи битови отпадни 
води , са представени още през 1991 година [3], въпреки че , едва на скоро са разработени 
микробни   горивни   клетки   с   повишена   мощност   ,   за   предоставяне   на   благоприятни 
възможности за практически приложения [4-8]. 

1

 Цел и задачи

Целта на настоящата дипломна работа е да бъде осъществено литературно проучване на 

съвременното състояние и развитието на микробните горивни клетки , като алтернативен 

източник за производството на електроенергия.

За изпълнението на тези основна цел си поставихме следните задачи. 

1. Да се представи принципа на действие на микробната горивна клетка

2.

Да се разгледа енергииния метаболизъм на микробната горивна клетка и този на 

микроорганизмите   намиращи   се   в   нея   и   да   се     представи   бактериалния 

потенциал за производство на електроенергия

3. Да   се   покажат   механизмите   на   електронен   трансфер   в   микробната   горивна 

клетка.

4.

Да се изследват параметрите, които определят ефективността на микробната 

горивна клетка. .

5. Да   се   представят   различните   субстрати   използвани   в   микробните   горивни 

клетки.

1

Принцип на действие

Добре известно е , че бактериите се отличават със способността си да трансформират , 

огромно   разнообразие   от   органични   съединения   в   СО

2

  ,   вода   и   енергия.Тези 

микроорганизми обикновено изпозлзват продуцираната енергия за растеж и поддържане 

на метаболизма си . Обаче използвайки микробна горивна клетка , можем да превърнем 

част от тази микробна енергия в полезна електрическа енегрия . 

Микробната горивна клетка се състой от анод, катод, протоно или йонообменна мембрана 

и електрична верига . 

Микробите се развиват в анодното отделение и превръщат субстрат ,като глюкоза , ацетат, 

а също и отпадна вода в СО2 , протони и електрони . При аеробни условия бактериите 

използват кислород , като краен акцептор за производството на вода . Обаче в анодното 

пространство   няма   кислород   и   за   това   е   нужно   бактериите   да   преминат   от   природен 

електронен акцептор към неразтворим електронен акцептор , като анода на микробната 

горивна клетка.Благодарение на способността бактериите да транспортират електрони до 

неразтворим електронен акцептор , можем да използваме микробната горивна клетка за да 

„съберем“ електроните от микробния метаболизъм . Електронния трансфер може да се 

осъществи  или посредством мембранно свързани компоненти , разтворими  електронни 

преносители или чрез наножици . Електроните се абсорбират от анода и се транспортират 

до катода чрез външна електрическа верига. Потенциалната разлика възникваща между 

катода и анода (Волт) , заедно с потока от електрони (Ампер) водят до генериране на 

електрическа мощност (Ват) . Протоните преминават през протоно или катионообменна 

мембрана до катода . 

Върху катода се осъществява химическата редукция на електронния акцептор. В идеалния 

случай имаме кислород, който се редуцира до вода. За да бъде постигната достатъчно 

висока скорост на редукция на кислорода , се използва платинов катализатор. 

Сумарните химичните реакции, които протичат в микробните горивни клетки, използващи 

глюкоза биха могли да се опишат по следния начин : 

1

Реакция анодното пространство : С6Н12О6 + Н2О = 6СО2 + 24е- + 24Н+

Реакция в катодното пространство : О2 + 4е- = 2 Н2О

Микробната   горивна   клетка   преобразува   енергията   налична   в   биологичния   субстрат   , 

директно   в   електричество.   Това   може   да   се   постигне,   когато   бактерията   премине   от 

естествен природен акцептор, като кислород или нитрат , към неразтворим акцептор , като 

например анод от микробна горивна клетка.

 Принципа на функциониране на микробна горивна клетка е представен на фигура 1

Фигура 1. Работен принцип на действие на миробна горивна клетка . 

Този трансфер може да се осъществи или  чрез мембранно свързани компоненти или с 

разтворими   електронни   преносители.   След   това   електроните   протичат   през 

1

съпротивлението на катода, при което се намалява приемането на електрони. За разлика от 

анаеробното разлагане, микробната горивна клетка създава електрически ток от отходните 

газове съдържащи главно въглероден диоксид . 

Енергиен метаболизъм на микроорганизмите

 .  

Ако бактериите искат да оцелеят , да растът или да станат доминантен вид в микробно 

съобщество,   те   се   нуждае   не   само   от   субстрат   и   хранителни   вещества,   но   и   от 

присъствието   на   подходящ   електронен   акцептор.На   базата   на   крайният   електронен 

акцептор съществуват два основни модела на получаване на микробна енергия – дишане и 

ферментация. Напоследък към тях се добавя и процес протичащ в биоелектрохимичните 

системи , наречен електрогенеза . 

Микробно дишане. 

Микроорганизмите   оцеляват   и   се   развиват,   заради   енергията   ,   която   генерират 

посредством пренос на електрони.По време на дишането микроорганизмите освобождават 

електрони   от   „електронно   богати“   субстрати,   при   нисък   окислително-редукционен 

потенциал и пренасят тези електрони през значително количество  електроно-транспортни 

комплекси през клетъчната мембрана , където се редуцира крайния елецтронен акцептор 

(фигура 2) [13]. 

Микроорганизмите   не   исползват   енергията   продуцирана   от   потока   на   електрони   ,   по 

директен път , вместо това , потока от електрони се използва за да се създаде протонен 

градиент   през   клетъчната   мембрана   ,   съгласно   хемиосмотичната   теория.   Енергията 

освободена от вътрешния поток на протоните през мембранния комплекс (АТФ синтетаза) 

се   използва   за   генериране   на   молекули   носители   на   енергия,   като   например 

аденозинтрифосфат (АТФ).

Посредством   създаването   на   протонен   градиент   ,   потенциалната   разлика   между 

електрония   донор   (т.е.   субстрата   при   нисък  потенциал)   и   електронния   акцептор   се 

превръща в процес водещ до генериране на енергия . Колкото по-висока е потенциалната 

разлика   между   електронния   донор   и   електронния   акцептор   ,   толкова   по–висок   е 

1

възникващият птотонен градиент и съответно толкова по-голямо е количеството АТФ , 

което може да бъде получено. 

Дишащите   микроорганизми   могат   да   използват   огромно   разнообразие   от   различни 

електронни  акцептори  , вариращи  от  кислород  ,нитрат  , желязо  и магнезиев  оксид до 

сулфат , но тяхната способност да използват акцептора с най-висок потенциал повишава 

количеството   достъпното   за   тях   количество   енергия   за   разтеж   и   може   да   стимълира 

насочване то им към алтернативни електронни акцептори [15].

Фигура   2   .  Схема   на   електронотранспортна   верига   и   АТФ   синтетаза   разлопожени   в 

мембраната на моделен прокариот . 

ФМН (флавопротеин) ,FAD - флавин анденин динуклеотид ,хинон , желязо-серни  белтъци , цитохром a, b, 

c

.  

На   лявата   част   от   фигурата   е   представена   ориентацията   на   електронните   носители   в   състава   на 

електронотранспортната верига и електронния транспорт в модела на прокариотна мембрана . Дясната част  

1

от фигурата показва структурата и функцията на АТФ синтетазата . При преминаването на протоните в 

ензимният комплекс се стимулира активността на комплекса катализиращ получаването на АТФ .

Ферментиращи бактерии. 

В много среди, наличието  на електронни  акцептори  е ограничено,  което  не позволява 

микроорганизмите да използват дихателната верига. Ферментацията е АТФ регенериращ 

метаболитен процес,при който в разграждането на продуктите или органичните субстрати 

служат и като електрон донори,както и като електронни акцептори [13]. Предимството на 

този път е , че ферментативните организми са способни да се развиват в много среди , 

които са неблагоприятни за организми използващи единствено дихателния път , тъй като 

за тях липсва подходящ електронен акцептор . Ферментиращите организми са важни в 

рамките на общите микробни процеси в природата , поради способността да деградират 

полимерните   съединения   до   лесно   разградими   мономери   .   Обаче   ферментацията   е 

енергиино   е   доста   по-не   ефективна   в   сравнение   с   дишането   ,   тъй   като   по   време   на 

ферментацията,например,на глюкоза се образуват от 1 до 4 мола АТФ ,докато по време на 

аеробното ѝ разграждане се синтезират между 26 и 38 мола АТФ [13].

Електрогенеза.

За   разлика   от   природните   екологични   системи,   анодното   пространство   на  БЕС   е 

инженерно променена среда, в която наличието на разтворими електронни акцептори е 

ограничено.Микробното   производство   на   електроенергия   в   БЕС,разчита   на   стремежа 

бактериите да извличат максимум енергия. Главния електронен акцептор присъстващ в 

БЕС,позволяващ   на   бактериите   да   използват   дихателни   процеси  e  твърд   проводящ 

електрод.По-високото   количество   метаболитна   енергия   освобождавана   при   преноса   на 

електрони   към  електрода,в  сравнение   с  използването  на   други  електронни  акцепторие 

причина   те   да   колонизират   електрода   и   да   развиват   електронно   преносни   стратегии. 

Пълната   мрежа   от   механизми   за   електронен   трансфер   все   още   не   е   изяснена   до 

край,вероятно   се   използват   взаимнодопълващи   се   процеси,като   директен   електронен 

трансфер или такъв,чрез посредници.Резултата е процес,в който бактерията служи като 

биокатализатор,трансформиращ електронно богат субстрат в :

-

електрони, които се пренасят към електрода

1

-

протони,мигрират към катода

-

окислени продукти,които напускат реактора.

Екетроните   протичат   по   външна   електрическа   верига   към   катодния   електрод,   където 

крайния електронен акцептор се редуцира от химичен или микробен катализатор.

Метаболизъм на микробните горивни клетки

 .  

За   да   се   направи   оценка,   на   електричеството   произведено   от   бактерии,   трябва   да   се 

определят метаболитнiте пътища, регулиращи електронните и протонните потпци .

В допълнение към влиянието на субстрата [7,9,10], потенциала на анода също е определящ 

за метаболизма на бактериите .

С   увеличаването   на   тока   на   микробната   горивна   клетка   ,   потенциала   на   анода   ще   се 

намали   ,   което   би   принудило   бактериите   да   доставят   еклектрони   посредством   по   – 

редуцирани комплекси . По този начин потенциала на анода ще определи  редукционния 

потенциал на последния електронен преносител и така ще определи и метаболизма на 

бактериите . 

На   базата   на   потенциала   на   анода   могат   да   се   различат   няколко   различни   вида 

метаболитни пътища :

-

Висок редокси окислителен метаболизъм

-

Среден до нисък редокси окислителен метаболизъм

-

Ферментация 

По   този   начин   организмите   използвани   до   сега   в   микробните   горивни   клетки   ,   при 

различни изследвания , варират от аероби и факултативни анаероби до стриктни анаероби.

При високи анодни потенциали , бактериите могат да използват дихателната верига при 

окислителен метаболизъм . 

Електроните   и   съответно   протоните   могат   да   бъдат   транспортирани   с  NADH 

дехидрогеназа , убихинони , коензим Q или цитохром [11-13].

1

Използването  на  този   биохимичен   път  е  изследвано   от  Ким и  сътрудници  [10].  Те  са 

наблюдавали   ,  че  генерирането   на  електрически  ток   от  микробната  горивна   клетка  се 

инхибира   посредством   различни   инхибитори   на   дихателната   верига   .   Електронно   – 

транспортната система в тяхната горивна клетка , използва NADH деходрогеназа , Fe – S 

белтъци   и   хинони   ,   като   екектронни   носители   ,   но   не   използва   втора   позиция   на 

електронно транспортната верига или крайната оксидаза . 

Процеси използващи окислително фосфорилиране редовно се наблюдават в микробните 

горивни   клетки   ,   при   което  е   демонстрирана   висока   енергийна   ефективност   на 

устройството , достигаща 65% [6]. 

Примери   за   това   са   консорциуми   съдържащи  

Pseudomonas   Aeruginosa   ,   Enterococcus  

faecium 

[7] и 

Rhodoferaxferrireducens 

[14]

. 

В   таблица   1   е   предложен   обзор   на   различни   бактериални   видове   ,   използвани   при 

горивните клетки и техният вероятен електронно транспортен път .  Ако потенциала на 

анода намалява в присъствието на алтернативни електронни акцептори , като например 

сулфат , потока от електрони може да се пренасочи към тези съединения .

Многократно   е   наблюдавано   производство   на   метан   ,   когато   инокуланта   е   анаеробна 

утайка  [10,15]  ,  което   показва   ,  че   бактериите  не   използват  анода   .  Ако  в  средата  не 

присъстват сулфат , нитрат или други електронни акцептори , ферментацията ще бъде 

основният   процес   ,   докато   потенциала   на   анода   остава   нисък.   Например   по   време   на 

ферментацията на глюкоза , възможните реакции могат да бъдат следните : 

-

С

6

Н

12

О

6 

+ Н

2

О = 4Н

2 

+ 2СО

2 

+ С

2

Н

4

О

2    

или  

С

6

Н

12

О

6 

+ Н

2

О = 2Н

2 

+ 2СО

2 

+ С

2

Н

4

О [16].

Това показва , че на теория най – много 1/3 от електроните , на използваната като субстрат 

хексоза   ,   могат   да   бъдат   употребени   за   генериране   на   ток   ,   тъй   като   2/3   остават   в 

продуктите на ферментацията , като ацетат и бутират [17] . 

Таблица 1.  Бактериални видове използвани  в МГК и  техните възможни метаболизми  и 
пътища на електронен трансфер .

1

Метаболитен 

тип

Тип 

трансфер

Примерни 

микроорганизми

Краен 

бактериален 

електронен 
преносител

Добавен 

редоск 

трансфер

Окислителен 
метаболизъм

Мембранен

Rhodoferax 

ferrireducens

неизвестен

Медиаторен

Geobacter  

sulsureducens, 

Цитохром с 
89kDa

Неутрално 

червено

Aeromonas hydrophila, 

Цитохром с

Echerichia coli, 

Хидрогеназа

Shewanella putrefaciens, 

Хинони

Pseudomonas 

aeruginosa

Пиоцианин, 
феназин

Erwinia dissolvens

неизвестен

Fe (III) CyDTA 
железен 
хелатор

Ферментационен 
метаболизъм

Мембранен

Desulfovibrio 

desulfuricans, 

S

2-

Clostridium butyricum

Цитохром 

а

Медиаторен

Enterococcus feacium

неизвестен

Полицианин

За производство на електрическа енергия е най – вероятно да бъдат използвани една трета 

от общото количество електрони, тъй като хидрогеназите, които обикновено използват 

електрони за производството на водород, често се намират на места върху мембранната 

повърхност  [18],   които   са   достъпни   от   вън   за   електронните   преносители  [19]  или   са 

свързани директно към електрода . 

Както   многократно   е   наблюдавано   този   метаболитен   тип   път   ,   може   да   доведе   до 

значително производство на ацетат и бутират . 

1

Няколко   микроорганизми   ,   които   са   известни   с   това   ,   че   произвеждат   продукти   на 

ферментацията и принадлежат към родовете : 

Clostridium , Alcaligenes , Enterococcus , 

са 

изолирани от микробни горивни клетки [17,20]. 

Този метаболитен път , допълнително се потвърждава от значителното продуциране на 

водород   ,   наблюдавано   когато   набогатени   култури   от   микробни   горивни   клетки   се 

инкубират анаеробно при допълнителни ферментационни тестове [7] . 

Ферментационни   продукти   ,   като   ацетата   могат   да   бъдат   окислени   при   нисък   аноден 

потенциал , като някои видове 

Geobacter   

, способни да изтеглят електрони от ацетата в 

условията на микробната горивна клетка [62] . 

Такава  метаболитна   промяна,   заедно   с   наблюдаваните   данни,   за   окислително-

редукционния   потенциал,   хвърлят   светлина   върху   микробната   „електродинамика”   . 

Микробна горивна клетка, работеща при ниско външно съпротивление , първоначално, 

докато се натрупва биомаса, ще генерира слаб ток, следователно ще има висок аноден 

потенциал (и нисък клетъчен потенциал на микробната горивна клетка) .

Резултатът следователно е - избор на факултативни аероби и анаероби ( Box1 и Box2 ) .

По време на растеж на културата , тази „метаболитна скорост на превръщане“ , а от там и 

производството на ток , ще се увеличат . 

Така пониженият към този момент аноден потенциал , ще благоприятства развитието по – 

ниско „потенциалните“ факултативни анаероби . 

Обаче  строгите анаероби все още ще бъдат подтискани от окислително– редукционния 

потенциал в анодното пространство , както и от вероятното проникване на кислород през 

мембраната [4] . 

Когато се използва високо съпротивление , потенциала на анода ще бъде нисък , дори при 

ниски нива на тока . 

В   този   случай  изборът   ще   бъде   между   нископотенциалните   факултативни   анаероби   и 

строгите  анаероби .