RU205912U1 - PLANT-MICROBIAL FUEL CELL - Google Patents
PLANT-MICROBIAL FUEL CELL Download PDFInfo
- Publication number
- RU205912U1 RU205912U1 RU2021102703U RU2021102703U RU205912U1 RU 205912 U1 RU205912 U1 RU 205912U1 RU 2021102703 U RU2021102703 U RU 2021102703U RU 2021102703 U RU2021102703 U RU 2021102703U RU 205912 U1 RU205912 U1 RU 205912U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plant
- fuel cell
- microbial fuel
- diode bridge
- nutrient medium
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims abstract description 22
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000009972 noncorrosive effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 244000005706 microflora Species 0.000 claims abstract description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 5
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 35
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 33
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 3
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 description 2
- 102000006391 Ion Pumps Human genes 0.000 description 2
- 108010083687 Ion Pumps Proteins 0.000 description 2
- 241000208822 Lactuca Species 0.000 description 2
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 2
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- ZZZCUOFIHGPKAK-UHFFFAOYSA-N D-erythro-ascorbic acid Natural products OCC1OC(=O)C(O)=C1O ZZZCUOFIHGPKAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000008415 Lactuca sativa Species 0.000 description 1
- 235000003228 Lactuca sativa Nutrition 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930003268 Vitamin C Natural products 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 210000000805 cytoplasm Anatomy 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 description 1
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 description 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 1
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000008121 plant development Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 235000012045 salad Nutrition 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 235000019154 vitamin C Nutrition 0.000 description 1
- 239000011718 vitamin C Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Растительно-микробный топливный элемент содержит светонепроницаемую растильню (2) с живыми растениями (3) и сопутствующей им микрофлорой, содержащую питательную среду (1), два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода (4), (5), подключенные проводниками (б) с электроизолирующим покрытием к выходным контактам (6). Электрод (5) расположен у поверхности питательной среды (1), а электрод (4) установлен на дне растильни (2). В растительно-микробный топливный элемент введен диодный мост (8), к входу диодного моста (8) подключены проводники (6) с электроизолирующим покрытием, а выход диодного моста (8) соединен с выходными контактами (7). Растительно-микробный топливный элемент обеспечивает стабильную выработку электроэнергии постоянной полярности. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.The plant-microbial fuel cell contains an opaque growth chamber (2) with living plants (3) and accompanying microflora containing a nutrient medium (1), two non-corrosive equidistantly located horizontal porous electrodes (4), (5), connected by conductors (b) with an electrically insulating coating to the output contacts (6). The electrode (5) is located at the surface of the nutrient medium (1), and the electrode (4) is installed at the bottom of the growing room (2). A diode bridge (8) is introduced into the plant-microbial fuel cell, conductors (6) with an electrically insulating coating are connected to the input of the diode bridge (8), and the output of the diode bridge (8) is connected to the output contacts (7). The plant-microbial fuel cell provides stable, constant-polarity power generation. 4 c.p. f-ly, 3 dwg
Description
Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к технике получения электрической энергии при культивировании растений за счет способности корневой системы к электрогенезу.The utility model relates to biotechnology, namely to the technique of obtaining electrical energy during plant cultivation due to the ability of the root system to electrogenesis.
Производство электроэнергии в растительно-микробном топливном элементе (РМТЭ) основано на взаимодействии растений и микроорганизмов: органические соединения, выделяемые корнями растений, окисляются электрохимически активными бактериями, в результате чего выделяется углекислый газ и образуются свободные носители заряда (протоны и электроны). Принцип работы РМТЭ основан на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) между электродами, находящимися в средах с разными окислительно-восстановительными потенциалами и соединенных внешней цепью. В качестве ЭДС выступает корневая система растений - в результате транспорта положительных (Na+, К+, Са2+, Mg2+, NH4+ и др.) и отрицательных (Cl-, NO3-, H2PO4-, SO4 2- и др.) ионов через системы пор, ионных помп, обменников и каналов плазматической мембраны клеток корня в ризосферной среде наблюдается разделение зарядов и возникает разность потенциалов. Причем направление движения ионов и, соответственно, направление электрического тока, зависит от метаболизма корневой системы.The production of electricity in a plant-microbial fuel cell (RMFC) is based on the interaction of plants and microorganisms: organic compounds released by plant roots are oxidized by electrochemically active bacteria, resulting in the release of carbon dioxide and the formation of free charge carriers (protons and electrons). The principle of operation of RMFC is based on the occurrence of an electromotive force (EMF) between electrodes located in environments with different redox potentials and connected by an external circuit. The root system of plants acts as EMF - as a result of the transport of positive (Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , NH 4+ , etc.) and negative (Cl - , NO 3- , H 2 PO 4- , SO 4 2- and others) ions through the systems of pores, ion pumps, exchangers and channels of the plasma membrane of root cells in the rhizosphere medium, charge separation is observed and a potential difference arises. Moreover, the direction of movement of ions and, accordingly, the direction of the electric current depends on the metabolism of the root system.
Известен биореактор для получения электрической энергии (см. патент RU 2700653, МПК Н01М 8/16, H02J 7/00, опубл. 18.09.2018), включающий анодную и катодную камеры с анодом и катодом, разделенные мембраной. Анодная камера заполнена биожидкостью, а анод и катод выполнены из электропроводного углеродного материала, при этом анод выполнен с металлической сердцевиной. Биореактор снабжен повышающим генератором импульсов с переменным конденсатором, переменным резистором, повышающей катушкой индуктивности, диодным мостом и электролитическим конденсатором. Катодная камера выполнена с вентиляционными отверстиями в корпусе, а электроды установлены горизонтально. Сердцевина анода и катода выполнена в виде пучка проводов из нержавеющей стали или иридия, размещенного в наноструктурированном электропроводном углеродном материале.Known bioreactor for generating electrical energy (see patent RU 2700653, IPC Н01М 8/16,
Недостатком известного биореактора является необходимость подстройки переменного конденсатора во время работы генератора и использование электролита дополнительно к биожидкости.The disadvantage of the known bioreactor is the need to adjust the variable capacitor during generator operation and the use of an electrolyte in addition to the biofluid.
Известен биотопливный элемент (см. патент RU 2657289, МПК Н01М 8/16, Н01М 4/96, опубл. 13.06.2018), состоящий из анода и катода, соединенных электрическими проводами с нагрузкой. Катод расположен над анодом и их взаиморасположение обеспечено поддерживающим устройством. Анод и катод выполнены из электропроводящего углеродного войлока с развитой поверхностью. На поверхность анода нанесены органические вещества, обеспечивающие при эксплуатации формирование на нем биопленки электрогенной микрофлоры. На одном из оснований анода, ориентированном к катоду, расположена водогазонепроницаемая пластина, повторяющая форму и имеющая размеры, соответствующие катоду.Known biofuel cell (see patent RU 2657289, IPC
Недостатком известного устройства является отсутствие постоянной диффузионной ЭДС.The disadvantage of the known device is the lack of a constant diffusion EMF.
Известна двухсекционная установка для получения электрической энергии из сине-зеленых водорослей (см. патент RU 2726327, МПК Н01М 8/16, Н01М 4/96, B82Y 40/00, С01 В 3/36, опубл. 13.07.2020), включающая трубопровод, биовегетарий, источник света, гидротаранный механизм и биореактор с разделенными мембраной анодом и катодом, выполненными из электропроводного углеродосодержащего наноструктурированного войлока, колонны из светопроницаемого материала, соединенные трубопроводами через гидравлические затворы с гидротаранным механизмом и емкость для воды. Биовегетарий снабжен анодом и катодом, разделенными мембраной. Биовегетарий и биореактор снабжены разделительной сеткой, расположенной под анодом.Known two-section installation for generating electrical energy from blue-green algae (see patent RU 2726327, IPC Н01М 8/16, Н01М 4/96, B82Y 40/00, С01 В 3/36, publ. 13.07.2020), including a pipeline , biovegetarium, light source, hydraulic ram mechanism and bioreactor with an anode and cathode separated by a membrane, made of electrically conductive carbon-containing nanostructured felt, columns of light-permeable material, connected by pipelines through hydraulic valves with a hydraulic ram mechanism and a water tank. Biovegetarium is equipped with an anode and a cathode, separated by a membrane. Biovegetarium and bioreactor are equipped with a dividing grid located under the anode.
Недостатком известного устройства является необходимость постоянного пополнения питательных ресурсов, реализованных в виде гидроэнергии течения реки или ручья.The disadvantage of the known device is the need for constant replenishment of nutrient resources, realized in the form of hydropower in the course of a river or stream.
Известен биоэлектрохимический топливный элемент (см. патент RU 162308, МПК Н01М 8/16, опубл. 10.06.2016), выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом. Анодная камера выполнена герметичной, а катодная аэрируется. Анод и катод, в соответствующих камерах, выполнены из микроканальных пластин, к которым подведен токосниматель.Known bioelectrochemical fuel cell (see patent RU 162308, IPC Н01М 8/16, publ. 10.06.2016), made in the form of a cell divided by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode chamber with a cathode. The anode chamber is sealed, and the cathode chamber is aerated. The anode and cathode, in the respective chambers, are made of microchannel plates to which the current collector is connected.
Недостатком известного устройства является использование трудно изготавливаемых путем специального отжига в водороде микроканальных пластин, а также необходимость аэрации катодной камеры.The disadvantage of the known device is the use of microchannel plates that are difficult to manufacture by special annealing in hydrogen, as well as the need for aeration of the cathode chamber.
Известна установка для получения электрической энергии из сине-зеленых водорослей (см. патент RU 2699123, МПК Н01М 8/16, опубл. 03.09.2019), включающая трубопровод, биовегетарий и источник света. Установка снабжена гидротаранным механизмом и биореактором с анодом и катодом, разделенными мембраной, выполненными из электропроводного углеродосодержащего войлока. Биовегетарий выполнен из светопроницаемого материала в виде колонн, соединенных трубопроводами через гидравлические затворы с гидротаранным механизмом, емкостью для воды и биореактором.Known installation for generating electrical energy from blue-green algae (see patent RU 2699123, IPC H01M 8/16, publ. 03.09.2019), including a pipeline, bio-vegetarium and a light source. The installation is equipped with a hydraulic ram mechanism and a bioreactor with an anode and a cathode separated by a membrane made of conductive carbon-containing felt. The biovegetarium is made of a light-permeable material in the form of columns connected by pipelines through hydraulic valves with a hydraulic ram mechanism, a water tank and a bioreactor.
Недостатком известного устройства является сложность эксплуатации, обусловленная размещением биовегетария и биореактора в отдельных емкостях.The disadvantage of the known device is the complexity of operation, due to the placement of the biovegetary and the bioreactor in separate containers.
Известно устройство для преобразования световой энергии в электрическую (см. патент ЕР 2137782, МПК Н01М 8/06, Н01М 8/16, опубл. 30.12.2009), включающее реактор, содержащий анодный отсек с анодным материалом и катодный отсек, отделенные протон-селективной мембраной. Катод и анод расположены параллельно в вертикальной плоскости. Анодный отсек содержит анодофильный микроорганизм, способный окислять электронодонорное органическое соединение, и живое растение или его часть, способную преобразовывать световую энергию посредством фотосинтеза в электронодонорное органическое соединение, при этом корни растения, по существу, находятся в анодном материале.A device for converting light energy into electrical energy is known (see patent EP 2137782, IPC
Недостатком известного устройства являются значительные потери энергии из-за съема тока, генерируемого только в процессе метаболизма микроорганизмов. Кроме того ограничен выбор подходящих совместимых растений - корневая система должна быть приспособлена к анаэробным условиям, необходимым для функционирования анодной камеры.The disadvantage of the known device is the significant energy loss due to the withdrawal of the current generated only in the process of metabolism of microorganisms. In addition, the choice of suitable compatible plants is limited - the root system must be adapted to the anaerobic conditions necessary for the functioning of the anode chamber.
Известен растительно-микробный топливный элемент (см. Кулешова Т.Э., Иванова А.Г., Кручинина И.Ю., Шеина И.Ю., Удалова О.Р., Жесткое А.С., Галушко А.С., Панова Г.Г., Галль Н.Р. - Растительно-микробные топливные элементы на основе неинвазивных электродных систем // В сборнике: VI Съезд биофизиков России. Сборник научных трудов, 2019, с. 382-383), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Растительно-микробный топливный элемент-прототип включает светонепроницаемую растильню с живыми растениями и сопутствующей им микрофлорой, содержащую питательную среду, два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода, подключенные проводниками с электроизолирующим покрытием к выходным контактам, при этом один электрод расположен у поверхности питательной среды, а другой электрод установлен на дне растильни.Known plant-microbial fuel cell (see Kuleshova T.E., Ivanova A.G., Kruchinina I.Yu., Sheina I.Yu., Udalova O.R., Zhestkoe A.S., Galushko A.S. , Panova G.G., Gall N.R. - Plant-microbial fuel cells based on non-invasive electrode systems // In the collection: VI Congress of biophysicists of Russia. Collection of scientific papers, 2019, pp. 382-383), coinciding with this technical decision on the largest number of essential features and taken as a prototype. The plant-microbial fuel cell-prototype includes an opaque growth chamber with living plants and accompanying microflora containing a nutrient medium, two non-corrosive equidistantly located horizontal porous electrodes connected by conductors with an electrically insulating coating to the output contacts, with one electrode located at the surface of the nutrient medium, and another electrode is installed at the bottom of the nursery.
Растительно-микробный топливный элемент-прототип не обеспечивает стабильную выработку электроэнергии при подключении потребителей электрического тока из-за смены полярности электродов в процессе жизнедеятельности растений.The plant-microbial fuel cell-prototype does not provide a stable generation of electricity when consumers are connected to electric current due to a change in the polarity of the electrodes during the life of plants.
Задачей настоящей полезной модели является разработка растительно-микробного топливного элемента, который бы обеспечивал стабильную выработку электроэнергии постоянной полярности.The objective of the present utility model is to develop a plant-microbial fuel cell that would provide a stable generation of electricity of constant polarity.
Поставленная задача достигается тем, что растительно-микробный топливный элемент включает светонепроницаемую растильню с живыми растениями и сопутствующей им микрофлорой, содержащую питательную среду, два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода, подключенные проводниками с электроизолирующим покрытием к выходным контактам, при этом один электрод расположен у поверхности питательной среды, а другой электрод установлен на дне растильни. Новым в настоящей полезной модели является то, что в растительно-микробный топливный элемент введен диодный мост, к входу которого подключены проводники с электроизолирующим покрытием, а выход диодного моста соединен с выходными контактами.The task is achieved by the fact that the plant-microbial fuel cell includes an opaque growth chamber with living plants and the accompanying microflora containing a nutrient medium, two non-corrosive equidistantly located horizontal porous electrodes connected by conductors with an electrically insulating coating to the output contacts, with one electrode located at the surface nutrient medium, and another electrode is installed at the bottom of the nursery. New in this utility model is that a diode bridge is introduced into the plant-microbial fuel cell, to the input of which conductors with an electrically insulating coating are connected, and the output of the diode bridge is connected to the output contacts.
В растительно-микробном топливном элементе питательная среда может быть выполнена в виде питательного раствора или в виде почвенного субстрата.In a plant-microbial fuel cell, the nutrient medium can be made in the form of a nutrient solution or in the form of a soil substrate.
Пористые электроды могут быть выполнены из графитового войлока или в виде сетки из нержавеющей стали, обеспечивающие нахождение в них большого количества микроорганизмов, формирующих электрогенные характеристики биохимического топливного элемента.The porous electrodes can be made of graphite felt or in the form of a stainless steel mesh, ensuring the presence in them of a large number of microorganisms that form the electrogenic characteristics of a biochemical fuel cell.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:This utility model is illustrated by a drawing, where:
на фиг. 1 схематически изображен настоящий растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде питательного раствора;in fig. 1 schematically shows the present plant-microbial fuel cell, in which the culture medium is made in the form of a nutrient solution;
на фиг. 2 схематически показан настоящий растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде почвенного субстрата;in fig. 2 schematically shows the present plant-microbial fuel cell, in which the nutrient medium is made in the form of a soil substrate;
на фиг. 3 приведена зависимость биоэлектрического потенциала в растительно-микробном топливном элементе с подключенным перед выходными контактами диодным мостом (кривая 16) и без диодного моста (кривая 15).in fig. 3 shows the dependence of the bioelectric potential in a plant-microbial fuel cell with a diode bridge connected in front of the output contacts (curve 16) and without a diode bridge (curve 15).
Растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде питательного раствора 1 (см. фиг. 1) содержит светонепроницаемую растильню 2 с живыми растениями 3 и сопутствующей им микрофлорой (на чертеже не показана). Размеры растильни 2 выбирают, исходя из потребностей живых растений 3, а высоту растильни 2 подбирают в зависимости от длины корневой системы растений 13. В растильне 2 установлены два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода 4, 5, подключенные проводниками 6 с электроизолирующим покрытием на вход диодного моста 8, выход которого соединен с выходными контактами 7. К выходным контактам 7 присоединяют внешнюю нагрузку 9, требующую постоянства полярности питания. Электрод 4, выполненный из графитового войлока или в виде сетки из нержавеющей стали, расположен на дне растильни 2. Посередине растильни 2 установлена платформа 10 для размещения растений 3. Поверхность платформы 10 покрыта влагопроводящей тканью 11, частично погруженной в питательный раствор 1, поднимающей его до корневых шеек растений 3 за счет капиллярного эффекта и заполняющий растильню 2 до уровня 12. На платформе 10 установлен верхний электрод 5, также изготовленный из графитового войлока или нержавеющий стали, через который проходит корневая система 13 растений 3. Уровень питательного раствора 1 поддерживают постоянным. Растительно-микробный топливный элемент, в котором питательная среда выполнена в виде почвенного субстрата 14, показан на фиг. 2. В таком растительно-микробном топливном элементе два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода 4, 5 размещают в почвенном субстрате 14, соответственно, на дне растильни 2 и у корневых шеек растений 3.Plant-microbial fuel cell, in which the nutrient medium is made in the form of nutrient solution 1 (see Fig. 1) contains an
Растительно-микробный топливный элемент работает следующим образом. В начале вегетационного периода, когда корневая система 13 слабо развита и еще не достигла дна растильни 2, то есть нижнего электрода 4, электрогенные свойства растительно-микробного топливного элемента обусловлены окислительно-восстановительными реакциями в питательной среде. В качестве электродвижущей силы (ЭДС) выступают химические реакции и создаваемая разность потенциалов на верхнем электроде 5, находящемся вблизи воздушной среды, и нижнем электроде 4, погруженном в корнеобитаемую среду, заполняющую растильню 2. По аналогии с химическими источниками тока, электроны по внешней цепи движутся от нижнего электрода 4 к верхнему электроду 5, в случае положительно заряженного нижнего электрода 4 и отрицательно заряженного верхнего 5. В зависимости от скорости роста корневой системы 13 и вида растений 3, начиная примерно с 3-15 суток вегетационного периода, наблюдается рост биоэлектрического потенциала, связанный с развитием корневой системы 13 и установлением поверхностного электрического контакта с нижним электродом 4. В результате транспорта положительных (Na+, К+, Са2+, Mg2+, NH4+ и других) и отрицательных (Cl-, NO3 -, H2PO4-, SO4 2- и других) ионов через системы пор, ионных помп, обменников и каналов плазматической мембраны клеток корневой системы 13, в ризосферной среде наблюдается разделение зарядов и возникает электрический градиент. В этом случае корневая система 13 играет роль дополнительной диффузионной ЭДС. Цитоплазма живых клеток заряжена отрицательно по отношению к наружной среде, то есть существует разность электрических потенциалов, которая может служить движущей силой ионного транспорта, при этом облегчается поступление катионов внутрь клетки и выход из нее анионов. На более поздних стадиях вегетации, начиная примерно с 20-го дня развития растений 3, возможна смена полярности (см. фиг. 3, кривая 15), причиной чего может быть увеличение интенсивности выделения ризодепозитов в прикорневой зоне. Введение в растительно-микробный топливный элемент диодного моста 8, к входу которого подключены проводники 6 с электроизолирующим покрытием, а выход которого соединен с выходными контактами 7, обеспечивает фиксированную полярность на внешней нагрузке 9 (см. фиг. 3, кривая 16).The plant-microbial fuel cell works as follows. At the beginning of the growing season, when the
Пример. Был изготовлен опытный образец растительно-микробного топливного элемента, состоящий из растильни объемом 390×100×60 мм3, в которой были размещены два некорродирующих эквидистантно расположенных горизонтальных пористых электрода из графитового войлока толщиной 5 мм, платформа для поддержания растений, покрытая влагопроводящей тканью, питательный раствор, занимающий половину объема растильни, 15 проростков растений салата сорта Азарт, подводящие провода, соединенные с входом диодного моста, к выходу которого было подключено устройство для автоматического измерения напряжения (микроконтроллер). Испытания проводили в условиях интенсивной светокультуры, для освещения растений использовали лампы ДНаТ, облученность составляла (70-75) Вт/м2 в области фотосинтетически активной радиации (ФАР). Температуру воздуха поддерживали в пределах +(20-22)°С днем и +(18-20)°С - ночью, относительную влажность воздуха - (65-70)%. В начале вегетационного периода нижний электрод был заряжен положительно, а верхний - отрицательно. Проведено сравнение динамики получаемых биоэлектрических потенциалов в ходе работы РМТЭ с диодным мостом на выходе (см. фиг. 3, кривая 16) и без него (см. фиг. 3, кривая 15). В варианте с диодным мостом наблюдалась постоянная полярность в течение всего периода вегетации, причем падения напряжения, связанного с работой диодного моста в такой системе, не зафиксировано.Example. A prototype of a plant-microbial fuel cell was made, consisting of a growth chamber with a volume of 390 × 100 × 60 mm 3 , in which two non-corrosive equidistantly spaced horizontal porous electrodes made of graphite felt 5 mm thick, a platform for plant support covered with a moisture-conducting cloth, were placed. a solution that occupies half the volume of the growing room, 15 seedlings of Azart lettuce plants, lead wires connected to the input of a diode bridge, to the output of which a device for automatic voltage measurement (microcontroller) was connected. Tests were carried out in an intensive svetokultury for illuminating plants used HPS lamp irradiance was (70-75) W / m 2 in the photosynthetically active radiation (PAR). The air temperature was maintained within + (20-22) ° С during the day and + (18-20) ° С at night, the relative air humidity was (65-70)%. At the beginning of the growing season, the lower electrode was charged positively and the upper one negatively. A comparison is made of the dynamics of the obtained bioelectric potentials during the operation of the RMFC with a diode bridge at the output (see Fig. 3, curve 16) and without it (see Fig. 3, curve 15). In the variant with a diode bridge, constant polarity was observed during the entire growing season, and the voltage drop associated with the operation of the diode bridge in such a system was not recorded.
Было также проведено сравнение показателей качества и продуктивности растительных культур на примере салата сорта Азарт, при выращивании стандартным методом панопоники и при организации биохимического топливного элемента. Установка электродов в растильню и подключение внешней цепи с нагрузкой 100 кОм не отразились на показателях роста, продуктивности и качестве полученной растительной продукции. Полученная зеленая масса, соответствующая стадии технической спелости салата, площадь листа, высота растений, содержание сухого вещества практически не различаются и лежат в диапазоне значений, обычно получаемых при стандартном культивировании методом панопоники. Биохимический состав растительной продукции также показал хорошие результаты. Содержание нитратов не превышает ПДК. Количество витамина С в контрольном варианте на 27% выше, но при этом в биохимическом топливном элементе наблюдается повышенное на 40% содержание Сахаров.A comparison was also made of the quality and productivity indicators of plant crops using the example of Azart salad, when grown by the standard panoponics method and when organizing a biochemical fuel cell. The installation of electrodes in the growing room and the connection of an external circuit with a load of 100 kOhm did not affect the growth rates, productivity and quality of the obtained plant products. The obtained green mass, corresponding to the stage of technical ripeness of lettuce, leaf area, plant height, dry matter content, practically do not differ and lie in the range of values usually obtained by standard cultivation by the panoponics method. The biochemical composition of plant products also showed good results. The nitrate content does not exceed the MPC. The amount of vitamin C in the control variant is 27% higher, but at the same time, a 40% increase in the sugar content is observed in the biochemical fuel cell.
Таким образом, настоящий растительно-микробный топливный элемент позволяет использовать электрогенные свойства растительных организмов с участием сопутствующих им электрогенных хемоорганогетеротрофных микроорганизмов для получения экологически чистой альтернативной электроэнергии. Применение электрической активности корневой системы растений в качестве электродвижущей силы позволяет обеспечить длительную и устойчивую работу растительно-микробного топливного элемента, постоянство значений напряжения и полярности в течение 24 часов в сутки в многосуточном режиме. Настоящий растительно-микробный топливный элемент с фиксированной полярностью, с одной стороны, может обеспечить электропитание для установки различных маломощных датчиков, с другой стороны, в условиях защищенного грунта при аварийных ситуациях такой растительно-микробный топливный элемент мог бы поддерживать работу жизнеобеспечивающих растения устройств. Настоящий растительно-микробный топливный элемент, в котором основная электродвижущая сила создается корневой системой растений, может быть использован как для зарядки аккумуляторов или для создания маломощных источников питания, способных частично обеспечить жизнедеятельность растений за счет снабжения электрической энергией источников света на основе светодиодов, различных датчиков параметров окружающей среды и физиологического состояния растений, насосов капельного полива, циркуляционных насосов, так и для применения в научных исследованиях в области растениеводства, агрофизики, биофизики растений в качестве биосенсора для мониторинга состояния растительного организма и корректировки технологий выращивания. Настоящий растительно-микробный топливный элемент может быть реализован как при выращивании растений в условиях естественного освещения, при этом накопленное электричество, вырабатываемое в прикорневой зоне, можно расходовать в темный период для светодиодного освещения границ клумб, дорог, питания датчиков состояния окружающей среды, сигнализации, пожарной безопасности и др.; так и в условиях интенсивной светокультуры для питания фитотехкомплекса, в том числе в аварийном режиме, при временном отключении внешнего энергоснабжения, что необходимо для сохранности выращиваемых растений.Thus, a real plant-microbial fuel cell makes it possible to use the electrogenic properties of plant organisms with the participation of accompanying electrogenic chemoorganoheterotrophic microorganisms to obtain environmentally friendly alternative electricity. The use of the electrical activity of the plant root system as an electromotive force makes it possible to ensure long-term and stable operation of the plant-microbial fuel cell, the constancy of voltage and polarity values for 24 hours a day in a multi-day mode. A real plant-microbial fuel cell with a fixed polarity, on the one hand, can provide power supply for the installation of various low-power sensors, on the other hand, in a protected ground in emergency situations, such a plant-microbial fuel cell could support the operation of life-supporting devices for plants. A real plant-microbial fuel cell, in which the main electromotive force is created by the root system of plants, can be used both for charging batteries or for creating low-power sources of power that can partially provide the vital activity of plants by supplying electric energy to light sources based on LEDs, various parameter sensors the environment and the physiological state of plants, drip irrigation pumps, circulation pumps, and for use in scientific research in the field of plant growing, agrophysics, plant biophysics as a biosensor for monitoring the state of a plant organism and adjusting cultivation technologies. A real plant-microbial fuel cell can be implemented both when growing plants in natural light, while the accumulated electricity generated in the root zone can be consumed in the dark for LED lighting of flower beds, roads, powering environmental sensors, alarms, fire security, etc .; and in conditions of intensive photoculture for powering the phytotech complex, including in emergency mode, with a temporary shutdown of external power supply, which is necessary for the safety of grown plants.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021102703U RU205912U1 (en) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | PLANT-MICROBIAL FUEL CELL |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021102703U RU205912U1 (en) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | PLANT-MICROBIAL FUEL CELL |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU205912U1 true RU205912U1 (en) | 2021-08-12 |
Family
ID=77348674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021102703U RU205912U1 (en) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | PLANT-MICROBIAL FUEL CELL |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU205912U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU209073U1 (en) * | 2021-06-16 | 2022-02-01 | Николай Владимирович Масейкин | MICROBIAL FUEL CELL |
| RU2790356C1 (en) * | 2022-04-12 | 2023-02-16 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Method for manufacturing a printed energy source based on cyanobacteria and a printed energy source |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2239931C2 (en) * | 2001-01-15 | 2004-11-10 | Касио Компьютер Ко., Лтд. | Power supply system and device operated by power supply system |
| JP2010529880A (en) * | 2007-06-17 | 2010-09-02 | フィジカル ロジック エージー | Carbon nanotube power cell |
| RU153691U1 (en) * | 2014-12-25 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ИГУ") | MICROBIAL BIOFUEL ELEMENT |
| RU186764U1 (en) * | 2018-10-02 | 2019-01-31 | Игорь Александрович Копаченя | PHYTOR LED MODULE |
-
2021
- 2021-02-04 RU RU2021102703U patent/RU205912U1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2239931C2 (en) * | 2001-01-15 | 2004-11-10 | Касио Компьютер Ко., Лтд. | Power supply system and device operated by power supply system |
| JP2010529880A (en) * | 2007-06-17 | 2010-09-02 | フィジカル ロジック エージー | Carbon nanotube power cell |
| RU153691U1 (en) * | 2014-12-25 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ИГУ") | MICROBIAL BIOFUEL ELEMENT |
| RU186764U1 (en) * | 2018-10-02 | 2019-01-31 | Игорь Александрович Копаченя | PHYTOR LED MODULE |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU209073U1 (en) * | 2021-06-16 | 2022-02-01 | Николай Владимирович Масейкин | MICROBIAL FUEL CELL |
| RU2790356C1 (en) * | 2022-04-12 | 2023-02-16 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Method for manufacturing a printed energy source based on cyanobacteria and a printed energy source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Arun et al. | Algae based microbial fuel cells for wastewater treatment and recovery of value-added products | |
| Juang et al. | Comparison of electrogenic capabilities of microbial fuel cell with different light power on algae grown cathode | |
| del Campo et al. | Characterization of light/dark cycle and long-term performance test in a photosynthetic microbial fuel cell | |
| Lobato et al. | Lagooning microbial fuel cells: a first approach by coupling electricity-producing microorganisms and algae | |
| US7491453B2 (en) | Bio-electrochemically assisted microbial reactor that generates hydrogen gas and methods of generating hydrogen gas | |
| Lee et al. | A micro-sized bio-solar cell for self-sustaining power generation | |
| US20100119879A1 (en) | Methods and apparatus for stimulating and managing power from microbial fuel cells | |
| US8986531B2 (en) | Bio-energy reactor | |
| Gilani et al. | Photocurrent Generation through Plant Microbial Fuel Cell by Varying Electrode Materials. | |
| CN114275879A (en) | Device and method for treating sewage by adopting light-transmitting conductive biocathode fungus-algae bioelectrochemical system | |
| CN110498504B (en) | Organic wastewater treatment and recycling device for regulating and controlling metabolism of electroactive photosynthetic microorganisms | |
| Wetser | Electricity from wetlands | |
| RU205912U1 (en) | PLANT-MICROBIAL FUEL CELL | |
| JP7578950B2 (en) | Fertilizer-based microbial fuel cell | |
| RU2657289C1 (en) | Biofuel cell | |
| Sivakumar et al. | Algal fuel cell | |
| JP2021061178A (en) | Microbial fuel cell and power storage system | |
| KR101024823B1 (en) | A microbial fuel cell structure including a plurality of unit cells constituting side surfaces of each pillar, and a microbial fuel cell including the structure | |
| Elmazouzi et al. | Microbial fuel cells for depollution of stagnant water and production of electrical energy | |
| Dung Nguyen et al. | Enhancing microbial fuel cell performance through algal oxygenation: A novel approach for sustainable energy generation | |
| Timmers | Electricity generation by living plants in a plant microbial fuel cell | |
| LU501662B1 (en) | Device and method for producing electricity from plants and trees | |
| Angelov et al. | Impact of light wavelength on the performance of an algae-assisted microbial fuel cell | |
| KR101234203B1 (en) | Culturing vessel and electrochemical plate reactor for pure culture of carbon dioxide―fixing bacteria | |
| Bist et al. | Sustainable Energy Production through Microbial Fuel Cells and Waste Management |