《环境生物》PPT课件.ppt

第十一章 生物化工技术,第一节 概述,1.1 生物化工的简单介绍：生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科，它以生物来源的物质为原料，通过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其他生物技术进行制备、纯化，从而得到我们预期的产品。,生物化工作为生物技术下游过程的支撑学科，对生物技术的发展和产业的建立起着十分重要的作用，它是基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程走向产业化的必由之路。同时也是生物技术的一个重要组成部分。,1.2 国内外生物化工现状：目前全球已拥有年销售额大于10亿美元的生物技术产品数10个。到本世纪末，全球生物化工工业产品销售额可达1000亿美元。仅美国从事生物技术制品生产的公司约1300多家，其中较大的生物制药公司有225家，年工业投资达350亿美元。生物化工是生物技术产业化的关键，目前生物技术主要在医药、农业及保健食品领域，但是生物化工在化学品的制备中发展是最快的，每年以18的速度发展，许多过去以化学法生产的化学品如丙烯酰胺等都开始采用生物法生产，可见生物化工在化学工业中的重要作用。,1.3 与传统化学工业相比，生物化工的优点：（1）原料可再生（2）反应条件温和（3）反应专一性强，副反应少（4）生产工艺简单，可实现连续化操作，可节省能源，减少环境污染（5）可解决传统生产方法和技术中难以解决的问题。（6）可按照需要利用生物技术手段创造新物种、新产品以及其他有经济价值的生命类型。,第二节 生物催化,生物催化是用生物催化剂来对底物进行催化反应，生物催化剂通常是完整细胞或酶。工业生物催化技术是生物技术应用中一个关键领域，是生物技术革命的第三个浪潮。工业生物催化技术是生物学、化学和现代过程工程的综合技术。,2.1 生物催化的优缺点（1）优点：工业催化在常温、常压下进行反应，具有投资少、耗能低以及温室气体排放量低的优点，而且生物催化剂是微生物和蛋白质，可生物降解，环境友好，具有极高的催化效率，并具有高度专一性，包括化学专一性和立体专一性等，能够有效催化手性反应等一般化学催化剂难以完成的反应。,（2）缺点：生物催化剂在反应介质中往往不稳定；目前可用于工业化应用的生物催化剂还太少；生物催化剂开发的周期较长。,2.2 生物催化剂的来源,2.3 生物催化的主要应用方向,第三节 酶工程,3.1 酶 概念：酶是由生物体内活细胞产生的一种具有高效性与专一性的生物催化剂，绝大多数为蛋白质，少数为RNA。3.1.1 酶作为生物催化剂的特点：1.高效率：比非酶反应要高105-1017，比非酶催化剂催化时要高107-1013，例如过氧化氢的分解，无催化剂时不反应，用Fe催化，其反应速度不大，如果用过氧化氢酶催化此反应，其速度会增加很多,2.高度专一性：,结构专一性,绝对专一性相对专一性立体专一性,基团专一性键专一性旋光异构专一性顺反异构专一性,绝对专一性：一种酶只催化特定的底物发生反应，如：脲酶只催化尿素分解：,H2NCONH2+H2O=2NH3+CO2,相对专一性：键专一性酶对反应键两端的基团都没有特殊要求，如酯酶只要是酯键就可水解。,基团专一性:即酶对反应键一端的基团有绝对要求，而对另一端的基团则无特殊要求，如葡萄糖苷酶，可以催化水解糖苷键，并且要求键的一端为葡萄糖，而另一端可以是任意糖。,立体专一性：旋光异构专一性L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸氧化,而对D-氨基酸无作用,顺反异构专一性:如琥珀酸脱氢酶只催化产生反式结构的丁烯二酸即延胡索酸。,3.对环境条件敏感：酶的最佳作用条件是常温、常压、中性，如果条件发生改变，酶的催化活性则会降低。4.活性可调：酶的活性可在调节因子的作用下发生变化。,3.1.2 酶的组成：根据组成：酶分为简单酶和结合酶 简单酶：只由蛋白组成的酶，就是简单酶。,辅基和辅酶实际上没有本质的区别，只是辅基与酶结合的作用力强，而辅酶与酶的结合力弱，实际上，辅酶只有在参与催化时才与酶结合。,结合酶：酶的组分中除了蛋白质外，还有其他非蛋白成分。,根据分子结构：可分为单体酶、寡聚酶和多酶复合物单体酶：只具有一条多肽链的酶；特点：分子量较小。寡聚酶：两个或两个以上的亚基组成的酶；特点：亚基间以非共价键结合，容易在变性剂的作用下失活。多酶复合物：由几种酶彼此嵌合形成的复合体；特点：有利于细胞中系列反应的连续进行，催化效率高，便于调控。,3.1.3 酶分为六类,2.转移酶类 催化底物中基团（如：甲基、氨基、酰基等）转移的酶类。如谷丙转氨酶：,1.氧化还原酶类 AH2+B A+BH2 如：乙醛氧化为乙酸,CH3CHO+H2O CH3COOH+2H+2e-,3.水解酶类 催化底物发生水解反应，如蛋白质的水解,4.裂解酶类 催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物，如醛缩酶催化的反应,蛋白质+H2O 氨基酸,6.合成酶类 催化各种合成反应，该过程是需能过程。如脂酰CoA合成酶催化的反应：,5.异构酶类 催化各种同分异构反应。如磷酸丙糖异构酶催化的如下反应,3.2 酶工程,概念:酶工程就是将酶或微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转换成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。,3.2.1 酶的固定化,游离酶的一些不足之处：（1）酶的稳定性较差（2）酶的一次性使用（3）产物的分离纯化较困难,1、为什么开展酶的固定化技术？,2、什么是固定化酶？,水溶性酶,水不溶性载体,固定化技术,水不溶性酶（固定化酶）,固定化酶是被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性的酶。,固定化酶是20世纪50年代发展起来的一项技术1969年固定化氨基酸酸化酶在工业生产中被正式应用1971年的第一届国际酶工程会议上，正式 采用固定化酶,3、固定化酶的优点和缺点,优点：易于将酶与底物及产物分离，因而产物相对容易提纯；酶能够重复利用，使用效率提高，成本低；大多数情况下可以提高酶的稳定性；可以增加产物的收率，提高产物质量；有利于实现管道化、连续化以及自动化操作，易于与各种分离手段联用。,缺点：,但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上，固定化过程中酶的活力难免有一定损失；而底物则要求是水溶性的，这样才能够接触酶而发生反应；也不适宜于需要辅助因子的反应。胞内酶必须经过酶的分离过程,4.酶的固定化方法,交联法,胶体包埋法半透膜包埋法,离子键结合法共价键结合法,热处理法,结合法,包埋法,吸附法,固定化酶的模式图,1、吸附法,吸附法是利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定化的方法。,常用载体：活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石。,优点：操作简单、条件温和、载体廉价易得、可反复使用。,缺点：结合力不劳、容易脱落。,2、包埋法,将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。,载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺,（1）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的固定化方法。,（2）半透膜包埋法,将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶.,制备方法：,酶，水，乙二胺,癸二酰氯+氯仿,优点：结合力劳、活力回收高、底物专一性不变。,缺点：制备较难，载体无法回收、扩散限制。,包埋法,3、结合法,选择适宜载体，使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法称为结合法。,（1）离子结合法：通过离子键使酶与载体结合的固定化方法。,载体：DEAE纤维素、TEAE纤维素、DEAE葡聚糖凝胶,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,（2）共价结合法：通过共价键将酶与载体结合的固定化方法。,载体：,纤维素琼脂糖凝胶葡聚糖凝胶甲壳质氨基酸共聚物,酶分子中可以形成共价键的基团：,氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基,载体,活泼基团,4、交联法,（1）交联法常用试剂,（2）交联形式,酶直接交联法：,各种酶固定化方法的比较,3.2.2 酶分子修饰及修饰目的 1、酶分子修饰 指通过对酶蛋白主链的剪接、切割和侧链的化学修饰对酶分子进行改造。限制酶大规模应用的原因：1)细胞外稳定性差；2)酶活性不够高；3)具有抗原性。,改变酶特性有两种主要的方法：1)通过分子修饰的方法来改变已分离出来的天然酶的活性。2)通过基因工程方法改变编码酶分子的基因而达到改造酶的目的。,2、酶化学修饰的目的（1）研究酶的结构与功能的关系。（50年代末）（2）人为改变天然酶的某些性质，扩大酶的应用 范围。（70年代末之后）1）提高酶的生物活性（酶活力）。2）增强酶的稳定性（热稳定性、体内半衰期）。3）消除抗原性（针对特异性反应降低生物识别能力）。4）产生新的催化能力。5）允许酶在一个变化的环境中起作用6）提高催化过程的反应效率7）改变最适的pH值和温度,3.酶化学修饰的原理1)如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性 修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点交联。使酶的天然构象产生“刚性”结构。2)如何保护酶活性部位与抗抑制剂 大分子修饰剂与酶结合后，产生的空间障碍或静电斥力阻挡抑制剂，“遮盖”了酶的活性部位。,3)如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶 酶化学修饰后通过两种途径抗蛋白水解酶：1）大分子修饰剂产生空间障碍阻挡蛋白水解酶接近酶分子。“遮盖”酶分子上敏感键免遭破坏。2）酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后，减少了受蛋白水解酶破坏的可能性。,4)如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境1）酶蛋白氨基酸组成的抗原决定簇，与修饰剂形成了共价键。破坏了抗原决定簇抗原性降低乃至消除“遮盖”了抗原决定簇阻碍抗原、抗体结合2）大分子修饰剂本身是多聚电荷体，能在酶分子表面形成“缓冲外壳”，抵御外界环境的极性变化，维持酶活性部位微环境相对稳定。,3.3 酶工程的应用领域,把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为原材料，采用生物学工艺和分离、纯化技术，并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品等。,酶在医学方面的应用,1、酶在疾病诊断方面的应用,酶学诊断：,（）根据体内原有酶活力的变化诊断某些疾病（）利用酶测定体内某些物质的含量,（1）根据体内原有酶活力的变化诊断某些疾病,（2）用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病,葡萄糖氧化酶过氧化氢酶,测血糖和尿糖,尿酸酶,血液尿酸,胆碱酯酶或胆固醇氧化酶,血液胆固醇含量,糖尿病,痛风病,心血管疾病和高血压,2、酶在疾病治疗方面的应用,蛋白酶：消化剂、消炎剂、治疗高血压,溶菌酶：抗菌、消炎、镇痛,SOD：红斑狼疮、皮肌炎、结肠炎、氧中毒,L-天冬酰胺酶：癌症,3、酶在生物制药方面的应用,1.青霉素酰化酶,2.-酪氨酸酶,3.核苷磷酸化酶,4.无色杆菌蛋白酶,3.3.2 酶在食品方面的应用,1.酶法生产葡萄糖,30-40%淀粉浆,糊精,-淀粉酶pH6.06.58590CaCl2,NaCl,葡萄糖,糖化酶pH4.55.05560,45min,48h,pH至2.02.5,室温,除去葡萄糖苷转移酶,DE=1520,2.酶法生产果葡糖浆,4045%葡萄糖,果葡糖浆,葡萄糖异构化酶pH6.57.06070MgSO4,45min,预先经层析脱钙处理DE96,果糖53.556.5%葡萄糖43.547.5%,脱色、精制、浓缩,果糖42%葡萄糖52%低聚糖6%,高果糖浆含果糖7090%,3.饴糖的生产,大米或糯米粉浆,-淀粉酶pH6.57.08590MgSO4,碘测试无颜色,饴糖,-淀粉酶pH6.57.062,糊精,麦芽糖含量6070%，Glc(14)Glc,DE=1520,4.酶在蛋白质制品加工方面的应用,乳制品,凝乳酶：奶酪乳糖酶：低乳糖奶过氧化氢酶：奶或奶酪中的H2O2蛋白酶：酪蛋白水解物,蛋制品,葡萄糖氧化酶：全蛋粉,蛋黄粉或蛋黄片中的葡萄糖,鱼制品,肉制品,可溶性鱼蛋白粉、鱼露；三甲基胺氧化酶脱腥,肉类水解蛋白、嫩肉粉、明胶、保鲜剂,5.酶在果蔬加工方面的应用,果胶酶,葡萄糖氧化酶,果汁和果酒澄清柚苷酶脱苦味,橙皮苷酶,溶菌酶,去除果汁、饮料、罐头食品和干燥果蔬制品中的氧气,保鲜,脱苦味,6.酶在改善食品的品质和风味中的应用,洋葱风味酶、奶油风味酶,-淀粉酶、蛋白酶,3.3.3 酶在轻工业方面的应用,1.酶在原料处理方面的应用,发酵原料的处理纺织原料的处理造纸原料的纸浆生丝脱胶处理羊毛的除垢,2.酶在轻工产品制造方面的应用,酶法生产L-氨基酸酶法生产核苷酸酶法生产有机酸酶法制酱酶法制革,3.酶作为添加剂,加酶洗涤剂：碱性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、纤维素酶加酶牙膏：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、右旋糖酐酶加酶饲料：淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶加酶护肤用品：SOD、碱性磷酸酶、弹性蛋白酶,第十六章 生物燃料电池,重点内容：微生物燃料电池 酶生物燃料电池,1.1 生物燃料电池的发展简史,1910，英国植物学家potter，开创；剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆；1970，生物燃料电池概念确定；1980后，生物燃料电池输出功率有较大提高 2002，bond发现特殊微生物地杆菌；2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比利时willy教授在MFC上做了大量研究。,第一节 概述,1.2 生物燃料电池概念和特点,1.2.1 概念和原理 生物燃料电池（biofuel cell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖为底料的燃料电池为例，其阴阳极反应如下式所示：阳极反应：C6H12O66H2O 6CO2 24e 24H 阴极反应：6O2 24e 24H 12H2O,1.2.2 特点原料来源广泛：可以利用一般燃料电池不能利用的各种有机物、无机物及微生物呼吸的代谢的产物、发酵的产物、光合作用甚至污水等作为燃料；操作条件温和：由于使用酶或微生物作为催化剂，一般只要求在近中性的常温、常压条件下工作；生物相容性好：由于可利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料，一旦开发成功，便能方便的为植入人体的一些人造器官提供电能；生物燃料电池结构比较简单。,1.3 生物燃料电池的类型按使用催化剂形式的不同，可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池根据电子转移方式的不同，可分为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池,酶生物燃料电池：先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧的还原；微生物燃料电池：指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递。直接生物燃料电池：燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化燃料在电极表面上的反应；间接生物燃料电池：燃料不在电极上反应，而在电解液中或其他地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。,微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是以微生物为催化剂，将燃料中的化学能转化为电能的装置。具有发电与废弃物处置的双重功效。微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。,第二节 微生物燃料电池,2.1 概述,MFC实物组图 电化学工作站 数据采集系统恒温培养箱 无菌操作台 厌氧工作站,MFC:,2.1.1 微生物燃料电池的特点:,直接将底物的化学能转化为电能，能量利用率高；原料广泛，理论上任何有机物都可以作为微生物的底物；微生物燃料电池可以在常温常压下的环境中运行，操作条件温和；微生物燃料电池主要产生二氧化碳，环保无污染，生物相容性好；微生物燃料电池对于缺少发电设备的地方存在很大的市场潜力，并且可以扩大目前的燃料形式以满足我们的能量需求,(1)燃料来源广泛,尤其可利用有机废水等废弃物;(2)反应条件温和,常温常压下即可运行;(3)环境友好,所产 生的物质主要是CO2和H2O,无酸、碱、重金属等污染物产生,无需对其产物做任何后处理;(4)因能量转化过程无燃烧步骤,故理论转化效率较高。,与常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，因而具有更多优点:,2.1.2 微生物燃料电池的分类,有介体的微生物燃料电池概念：燃料在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池。中间介体具备条件：1）容易与生物催化剂及电极发生可逆的氧化还原反应；2）氧化态和还原态都较稳定，不会因长时间氧化还原循环而被分解；3）介体的氧化还原电对有较大的负电势，使电池两级有较大电压；4）有适当极性以保证能溶于水且易通过微生物膜或被酶吸附；5）对微生物无毒，且不能被微生物利用。,无介体的微生物燃料电池概念：在无电子传递中间存在的条件下，直接将电子传递给电极，在闭合回路下产生电流，该类电池称为无介体微生物燃料电池或直接微生物燃料电池。从废水或海底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。,MFCs 从结构上分为双室MFCs 和单室MFCs。典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室,中间由PEM 或盐桥连接。单室MFCs 从电极构型上分为三类:阴阳极与膜压制成“三合一”电极、阴极与膜压制成“二合一”电极、无质子交换膜或加入多孔膜;从外形上又分为平板型和管型。单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂,无需曝气,因而具有结构简单和成本低的优点,更适于规模化。,双室MFCs 和单室MFCs,2.1.3 产电微生物产电微生物:指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成CO2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长。间接MFC：需要外源中间体参与代谢，产生电子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、普通变形杆菌和大肠杆菌等；,直接MFC：代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极表面；如地杆菌、腐败希瓦式菌和铁还原红螺菌等；,大肠杆菌,变形杆菌,梭状芽孢杆菌,2.1.3 微生物燃料电池组成：,Thanks your!,有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：阳极反应：(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阴极反应：4e-O24H+2H2O,2.2 MFC的基本工作原理：,图1.微生物燃料电池工作原理Fig.1 The working principle of a microbial fuel cell,2.3 电池性能制约因素：,(1)动力学因素,阳极和阴极反应活化能的因素;(2)内阻的因素,主要来自电解液的离子阻力,电极与接触物质产生的电阻,以及PEM所产生的内电阻;(3)传递因素,反应物到微生物活性位的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散。,2.4 微生物燃料电池的应用：,1）废水处理2）产氢3）海底设备供电,利用沉积物作为一个远程电源在海底或供电的数据采集设备或服务的一个加油站。,2.5 应用前景和发展方向,替代能源;BOD传感器;污水处理新工艺;利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集。,目前大多数微生物燃料电池由单一菌种构建。要达到普遍应用的目的，急需发现能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将继续致力于发现和选择这种高活性微生物。以有机废水(如淀粉厂出水)为燃料建立微生物燃料电池，试图分离所需菌种。,第三节 酶生物燃料电池,3.1 概述,酶生物燃料电池是将酶从生物体系中提取出来，利用其活性在阳极催化燃料分子氧化、同时加速阴极氧的还原,与微生物燃料电池相比,微生物燃料电池和酶燃料电池的比较 parameter 微生物燃料电池 酶燃料电池 催化剂 微生物 酶 使用寿命 长 短 氧化能力 完全氧化 不完全氧化 能量浓度 低 高 成本 高 低膜表面分离器 需要 不需要,3.1.1 酶生物燃料电池的结构,在酶燃料电池中,酶可以与介体一起溶解在底物(燃料)中,也可以固定在电极上。后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。在早期的生物燃料电池系统中,更多地用气体扩散电极与酶阳极或阴极相匹配用两种不同酶电极的酶燃料电池较少。近年来,随着修饰酶电极技术的发展,大多数酶燃料电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外,使用固定酶电极的酶燃料电池为了防止两电极间电极反应物与产物的相互干扰,一般将正、负电极用质子交换膜分隔为阴极区和阳极区,即两极室酶燃料电池,这与传统电池阴极P 隔膜P 阳极的结构相仿。,3.1.2 酶燃料电池的工作原理,3.2 两极室酶燃料电池,3.2.1 两极室酶燃料电池原理 用电子介体修饰的葡萄糖氧化酶电极作为电池的阳极,固定化微过氧化物酶-11电极作阴极，电池工作时,在 GOx 的辅因子FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)的作用下葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯并最终转化为葡萄糖酸,产生的电子通过介体转移到电极上,H+透过隔膜扩散到阴极区；在阴极区,H2O2 从电极上得到电子,在 MP-11 的作用下与H+反应,生成 H2O。,3.2.2 酶燃料电池的基本结构,3.3 无隔膜酶燃料电池,虽然两极室的酶燃料电池有很多优点和用途，但由于需要隔膜给实际操作带来许多不便，也不利于电池的微型化。因此近年来人们开始致力于无隔膜酶生物燃料电池研究。,单极室的无隔膜酶燃料电池采用均相混合溶液作为燃料，不仅使电性能得到提高，而且有利于电池微型化,采用 BOD P GOx 电极的酶燃料电池可植入人体内为生物传感器提供电能。,单极室酶燃料电池简化了酶燃料电池结构，不仅可以制备出体积极小的微型酶燃料电池，同时具有很好的生物相容性。通过采用微细电极材料和电极制备技术有可能研制出体积更小的微电池和微电池组。,3.4 酶燃料电池的应用与发展趋势,酶燃料电池原料来源广泛、生物相容性好、在常温常压和中性溶液环境中工作、可以用多种天然有机物作为燃料，是一种可再生的绿色能源，可为微型电子装置提供电能。在疾病的诊断和治疗、环境保护以及航空航天等领域具有诱人的应用前景。,3.4.1 生物酶燃料电池的最新研究进展1）其中一个最重大的进展，就是生物燃料电池的生物阳极和生物阴极使用了新的技术，用直接电子转移取代了以前的间接电子转移。直接传递的好处在于使电子直接从催化剂传递到电极，中间使用传递媒介的这一问题得到解决。无介体酶生物燃料电池采用导电聚合物作为酶固定材料,2）第二关键是延长固定化酶的活性时间。酶是 蛋白质，在缓冲液当中的寿命时间是八小时到两天，尽管固定在电极表面的酶的寿命可以延长到7到20天。近来，通过把酶封装在胶束聚合物中，可以使其活性延长到一年以上，这个胶束为酶提供了合适的PH还有生物可容性的环境，防止其变性,3.4.2 焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率三个技术难点：1）生物燃料电池阳极需要是三维的，这样就 有足够的敏感度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小，相对反应面积越大，反应速率越快。但孔太小，液态燃料的传送也就成了一个问题。,2）成功的固定化多酶系统是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。目前的酶燃料电池的效率是比较低的，只能用单一的酶和将燃料部分氧化。这和细胞内可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。3）阳极必须支持高效率的电荷转移机制，因此了解之间的相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率 至关重要。,在应用程序开发的前景与微生物燃料电池方面：替代能源;传感器;污水处理新技术;利用微生物燃料电池的特殊环境未培养细菌的富集。替代能源，生物质能 因为MFC将能转化为电能的生物量直接转化，机器人、汽车、医疗方面应用潜力广泛。,生物修复在航空航天上的使用，目前已应用于宇宙飞船。,4.1 生物燃料电池的价值和应用,第四节 生物燃料电池的应用与前景,最新成果,微生物传感器的发展，广泛 工作的MFC使用的原则制定新的生化需氧量传感器在于：电池产生的电流或充电之间的污染物浓度呈良好的线性关系;电池的电流对污水响应速度更快;有较好的重复性。作为一个新的水处理工艺目前，由于燃料有机废水，有机物质循环中的化学能的污水一直是MFC的这项研究的主要目的，但在研究中，污水处理后的MFC的水质监测结果，以便为新的污水处理技术开发的研究人员到MFC基本工作原理产生了浓厚的兴趣。优点：1）可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向；2）为处理污水，将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。,总之，MFC的替代能源的发展，微传感器的研究和水处理工艺的开发是一个良好的前景，但是，在改善电化学性能的提高电池的输出功率密度和更低的成本，电池还需要继续探索深度。随着研究的不断深入的MFC，MFC应用程序将为期不远工业化。,4.2 生物燃料电池存在的问题与前景,E N D,谢 谢,