酶生物燃料电池 邓沁16307100002 技术概况 生物体具有转换能量最完 生物化学电池 污水發寬 美的体系。然而人们利用低等 能源再 生物直接将光能或化学能转换 ② 为电能,还是近几十年来的事。 最早是英国的 Potter氏,于 1911年制成了世界上第一个简 单的微生物电池,并获得了032-035伏的电能,以后,美国和日本在这方面取 得了显著的成就。近些年来,鉴于石油、天然气等燃料的日益紧张,许多国家正 在探求新的能量转换方式,而生物化学能量转换系统是其中效率较高且又无公害 的一种理想的方式,因而受到世界各国的重视。 生物化学电池,是由生化反应和化学反应巧妙地配合而成的,它将光能或化 学能转换成电能。这种转换用酶或叶绿素等作催化剂,因而可在常温常压下进行。 生物化学电池可分为酶电池和微生物电池两类。本报告着重介绍酶电池的技术原 理、技术应用以及技术优缺点。 技术原理 酶电池用酶作催化剂,通过电极反应使葡萄糖、氨基酸等有机物(燃料)中的 化学能转换成电能。葡萄糖、氨基酸等多种与生物体有关的物质是难于进行电极 反应的,但通过酶的氧化作用,则会变成容易进行电极反应的物质,从而获得电
生物体具有转换能量最完 美的体系。然而人们利用低等 生物直接将光能或化学能转换 为电能，还是近几十年来的事。 最早是英国的 Potter 氏，于 1911年制成了世界上第一个简 单的微生物电池，并获得了 0.32-0.35 伏的电能，以后，美国和日本在这方面取 得了显著的成就。近些年来，鉴于石油、天然气等燃料的日益紧张，许多国家正 在探求新的能量转换方式，而生物化学能量转换系统是其中效率较高且又无公害 的一种理想的方式，因而受到世界各国的重视。 生物化学电池，是由生化反应和化学反应巧妙地配合而成的，它将光能或化 学能转换成电能。这种转换用酶或叶绿素等作催化剂，因而可在常温常压下进行。 生物化学电池可分为酶电池和微生物电池两类。本报告着重介绍酶电池的技术原 理、技术应用以及技术优缺点。 一、 技术原理 酶电池用酶作催化剂，通过电极反应使葡萄糖、氨基酸等有机物(燃料)中的 化学能转换成电能。葡萄糖、氨基酸等多种与生物体有关的物质是难于进行电极 反应的，但通过酶的氧化作用，则会变成容易进行电极反应的物质，从而获得电
能。其方式有如下二种 1用酶氧化燃料,所得到的酶反应生 成物再进行电极反应的方式,是一种电 氧化产物 →还取产物 子传递系统不配对的体系 氧化剂 2.用具有辅酶的酶氧化燃料,由其 所生成的酶反应生成物和还原性辅酶进行电化学氧化,是一种电子传递系统配 对的体系。 反应方程式 阳极反应∶葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e- 阴极反应:H2O2+2H++2e-2H2O 二、技术应用 目前酶电池技术的应用主要可以分为直接使用酶的酶电池与间接利用生物 体内酶的微生物燃料电池。 举例:图1是一个两极室酶燃料电池的基本结构模型。用电子介体修饰的葡萄糖 氧化酶(EC1.1.3.4,G0×)电极作为电池的阳极,固定化微过氧化物酶-11MP-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內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H2O2
能。其方式有如下二种: 1.用酶氧化燃料，所得到的酶反应生 成物再进行电极反应的方式，是一种电 子传递系统不配对的体系。 2.用具有辅酶的酶氧化燃料，由其 所生成的酶反应生成物和还原性辅酶进行电化学氧化，是一种电子传递系统配 对的体系。 反应方程式： 阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e- 阴极反应：H2O2+2H++2e-→2H2O 二、 技术应用 目前酶电池技术的应用主要可以分为直接使用酶的酶电池与间接利用生物 体内酶的微生物燃料电池。 举例：图 1 是一个两极室酶燃料电池的基本结构模型。用电子介体修饰的葡萄糖 氧化酶(EC 1.1.3.4,GOx)电极作为电池的阳极,固定化微过氧化物酶-11(MP-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 H2O2
glucose g H,oz -gluconic H2O d anode⊙ electrolyte o lectrolyte cathode 图1酶燃料电池的基本结构模型 Fig1 Basic structure of enzymatic biofuel cep 目前酶电池的主要用途有 (1)燃料结构 使用酶电池,1L糖类物质(葡萄糖等)的浓溶液氧化产生的电能可提供 辆中型汽车行驶25-30Km,如果汽车的油箱为50L的话,装满后可连续行驶 1000Km而不需要再补充能源。这样,一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的 空气污染问题,另一方面还可避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至 是爆炸 (2)生物电池污水处理
目前酶电池的主要用途有： (1)燃料结构 使用酶电池，1L 糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一 辆中型汽车行驶 25-30Km，如果汽车的油箱为 50L 的话，装满后可连续行驶 1000Km 而不需要再补充能源。这样，一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的 空气污染问题，另一方面还可避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至 是爆炸。 (2)生物电池污水处理
2005年,美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布,已成功研制一种新型的微 生物电池。可以将未处理过的污水,通过微生物降解,转变为清洁的水和电 能 (3)生物电池能量支持 2005年,日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生 物电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充 足电量、为心脏起搏器提供能量。 (4)生物电池机器人应用 2001年,英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为“ Slugbot的机器 人,用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中,在酶的作用下将其转化为电 能 2000年美国南佛罗里达大学科学家研制出一种可使用肉类食物补充能量的 机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池,为机器人运动和工作提供 动力。 这种关于机器人的设想还有很多,比如在机器人体内安装一块微生物电 池,让机器人和人类一样可以“吃饭”,并将“吃”下的食物(或富含能量的东西) 通过微生物电池转化成电能提供给机器人。这种技术主要被用于高拟态机器人 (与人类有极高相似度的机器人)、野外探险机器人、和军用机器人 (5)在航空航天上的应用
2005 年，美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布，已成功研制一种新型的微 生物电池。可以将未处理过的污水，通过微生物降解，转变为清洁的水和电 能。 (3)生物电池能量支持 2005 年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生 物电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充 足电量、为心脏起搏器提供能量。 (4)生物电池机器人应用 2001 年，英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为“Slugbot”的机器 人，用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中，在酶的作用下将其转化为电 能。 2000 年美国南佛罗里达大学科学家研制出一种可使用肉类食物补充能量的 机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池，为机器人运动和工作提供 动力。 这种关于机器人的设想还有很多，比如在机器人体内安装一块微生物电 池，让机器人和人类一样可以“吃饭”，并将“吃”下的食物（或富含能量的东西） 通过微生物电池转化成电能提供给机器人。这种技术主要被用于高拟态机器人 （与人类有极高相似度的机器人）、野外探险机器人、和军用机器人。 （5）在航空航天上的应用
为处理密闭的宇宙飞船里宇航员排出的尿液,美国宇航局设计了一种新型 生物电池。用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液,生成氨气,以氨气作为微生物 电池的电极活性物质。这样既处理了尿液,又得到了电能。一般在宇航条件 下,平均每天可得到47瓦电力。 三、技术优缺点 缺点:酶电池存在电流小、不稳定等缺点,因而距实用还有一定的距离。 优点: 1、它将底物直接转化为电能,保证了具有高的能量转化效率。 2、不同于现有的生物能处理,酶电池能在常温常压甚至是低温的环境条件 下都能够有效运作,电池维护成本低,安全性强 3、酶电池不需要进行废气处理,因为它所产生的废气的主要组分是二氧化 碳 4、酶电池具有生物相容性,利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电 池可以直接植入人体 5、在缺乏电力基础设施的局部地区,酶电池具有广泛应用的潜力 四、技术展望 近几年,国内外对酶生物燃料电池的研究不断深入。酶燃料电池的进一步 研究和发展需要多学科、多领域的研究人员的广泛参与,共同合作。相信酶燃 料电池作为一种绿色能源会在能源和医疗等领域发挥巨大的作用。 为酶电池能够更快地得到广泛应用,科学家们正在不断努力:开发无介体 生物燃料电池、加强对电极的修饰、选择合适的质子交换膜、开发光化学生物
为处理密闭的宇宙飞船里宇航员排出的尿液，美国宇航局设计了一种新型 生物电池。用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，生成氨气，以氨气作为微生物 电池的电极活性物质。这样既处理了尿液，又得到了电能。一般在宇航条件 下，平均每天可得到 47 瓦电力。 三、 技术优缺点 缺点：酶电池存在电流小、不稳定等缺点，因而距实用还有一定的距离。 优点： 1、它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。 2、不同于现有的生物能处理，酶电池能在常温常压甚至是低温的环境条件 下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。 3、酶电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化 碳。 4、酶电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电 池可以直接植入人体 5、在缺乏电力基础设施的局部地区，酶电池具有广泛应用的潜力。 四、 技术展望 近几年，国内外对酶生物燃料电池的研究不断深入。酶燃料电池的进一步 研究和发展需要多学科、多领域的研究人员的广泛参与，共同合作。相信酶燃 料电池作为一种绿色能源会在能源和医疗等领域发挥巨大的作用。 为酶电池能够更快地得到广泛应用，科学家们正在不断努力：开发无介体 生物燃料电池、加强对电极的修饰、选择合适的质子交换膜、开发光化学生物
燃料电池等。 举例:细菌发电 2013年科学家已经发现,可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来,作为 电能。这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流,或称“生物电池(bio batteries)”诞生。研究人员制成海洋细菌希瓦氏菌的合成版本,他们仅采用了 被认为是这种细菌用来把电子从岩石上转移到体内的蛋白。然后他们把这些蛋 白质嵌入到一层层泡囊中,这些是微小的油脂(脂肪)囊,例如组成细菌膜的那些 物质。随后他们对电子在细菌体内的给电子 体和体外用来提供矿物质的一块金属之间的 传输情况进行检测。 该研究 成果发表《美国国家科学院院刊》上,它显 示,细菌接触到金属或者是矿物质时,它们体 内的化学物细菌希瓦氏菌的合成版本与碳电极 发生互动质就会生成电流,并通过细胞膜流出 体外。这意味着可以把细菌直接“束缚”到电 极上,这一发现表明我们又向成功制出高效微生物燃料电池迈进了一大步。 五、结语 酶电池目前仍处于开发阶段,其较高的成本使其尚不能大量生产和使用。但 从长远看,只要进一步弄清生化反应和电化学反应的机理及其关系,同时积极寻 找新的生物催化剂、电极材料,改进电池的结构等,研制出有实用价值的生物化
燃料电池等。 举例：细菌发电 2013 年科学家已经发现，可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为 电能。这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流，或称“生物电池(bio batteries)”诞生。研究人员制成海洋细菌希瓦氏菌的合成版本，他们仅采用了 被认为是这种细菌用来把电子从岩石上转移到体内的蛋白。然后他们把这些蛋 白质嵌入到一层层泡囊中，这些是微小的油脂(脂肪)囊，例如组成细菌膜的那些 物质。随后他们对电子在细菌体内的给电子 体和体外用来提供矿物质的一块金属之间的 传输情况进行检测。 该研究 成果发表《美国国家科学院院刊》上，它显 示，细菌接触到金属或者是矿物质时，它们体 内的化学物细菌希瓦氏菌的合成版本与碳电极 发生互动质就会生成电流，并通过细胞膜流出 体外。这意味着可以把细菌直接“束缚”到电 极上，这一发现表明我们又向成功制出高效微生物燃料电池迈进了一大步。 五、 结语 酶电池目前仍处于开发阶段，其较高的成本使其尚不能大量生产和使用。但 从长远看，只要进一步弄清生化反应和电化学反应的机理及其关系，同时积极寻 找新的生物催化剂、电极材料，改进电池的结构等，研制出有实用价值的生物化
学电池的前景是存在的。 参考文献 铃木周一等:《化学生物》 高桥不二雄等:《工化》 Allen, M.]. et al . Electrochim. Acta, 11.1:7.15. 1966 《化学工巢》 《高分子金属错本》(细英俊编)
学电池的前景是存在的。 参考文献： 铃木周一等:《化学生物》 高桥不二雄等:《工化》 Allen, M. J. et al.: Electrochim. Acta, 11, 1; 7, 15, 1966. 《化学工巢》 《高分子金属错本》(细英俊编)