본 연구는 땀에 존재하는 젖산을 연료로 사용하여 전기를 생산하는 웨어러블 연료전지용 고전력 젖산 산화효소 전극을 개발하는 데 그 목적이 있다. 유연성 있는 탄소종이 기반의 고정화효소 전극을 제작하고 평가하였다. 전해질 내 젖산농도 증가에 따라 젖산 산화효소(lactate oxidase, LOx)의 촉매작용으로 전류생성량이 증가하였다. 금 나노입자가 부착된 탄소종이에 고정화된 LOx가 탄소종이에 부착된 LOx보다 1.5배 많은 전류를 생성하였다. 빌리루빈 산화효소(bilirubin oxidase, BOD)가 고정화된 cathode는 질소로 퍼지(purge)된 전해질보다 산소로 포화된 전해질에서 높은 환원전류를 발생시켰다. 두 전극으로 구성된 연료전지를 제작하여 방전전류 변화에 따른 셀전압을 측정하였다. 방전 전류밀도 값이 66.7 ㎂/cm2에서 셀 전압은 0.5±0.0 V였고, 셀 전력량은 최대치인 33.8±2.5 ㎼/cm2를 나타내었다.
KIM, HYUNG JOO;MOON SIK HYUN;IN SEOP CHANG;BYUNG HONG KIM
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제9권3호
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pp.365-367
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1999
A fuel cell type biosensor for lactate was developed using a metal-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens IR-1. Under the operational conditions, the bacterial cell suspension generated the current without an electrochemical mediator in the presence of lactate. The current was proportional to the lactate concentration up to 30 mM.
젖산 전극은 환자의 건강상태와 스트레스 수준, 및 운동선수의 피로도를 실시간으로 모니터링하는 젖산 센서 또는 젖산 연료전지 전극으로 활용될 수 있다. 본 연구에서는 젖산 산화효소, 카탈라아제, 미토콘드리아로 구성된 고성능 전극을 제작하고 전극의 표면분석 및 전기화학적 특성을 조사하였다. 단일벽 탄소나노튜브로 개질된 탄소종이(CPSWCNT)는 개질 전보다 전기 전도성이 크게 향상되었다. 젖산 산화효소, 카탈라아제, 그리고 미토콘드리아가 부착된 전극(CP-SWCNT-LOx-Cat-Mito)은 젖산 산화효소와 카탈라아제가 부착된 전극에 비하여 많은 전류를 생산하였다. 빌리루빈 산화효소(BOD)가 부착된 전극(CP-SWCNT-BOD)이 생산하는 환원전류량은 전해질의 산소 존재 유무에 따라 크게 영향을 받았다. CP-SWCNT-LOx-Cat-Mito (anode)와 CP-SWCNT-BOD (cathode)로 구성된 연료전지는 133 ㎂/cm2로 방전 시 0.2 V의 셀 전위를 유지하며 29 ㎼/cm2의 전력을 생산하였다. 본 연구결과는 미토콘드리아가 젖산 센서 및 연료전지 성능 향상에 필수적인 생체물질임을 시사한다.
We deviced a new graphite-Mn(II) electrode and found that the modified electrode with Mn(II) can catalyze NADH oxidation and $NAD^+$ reduction coupled to electricity production and consumption as oxidizing agent and reducing power, respectively. In fuel cell with graphite-Mn(II) anode and graphite-Fe(III) cathode, the electricity of 1.5 coulomb (A x s) was produced from NADH which was electrochemically reduced by the graphite-Mn(II) electrode. When the initial concentrations of pyruvate and acetaldehyde were adjusted to 40 mM and 200 mM, respectively, about 25 mM lactate and 35 mM ethanol were produced from 40 mM pyruvate and 200 mM acetaldehyde, respectively, by catalysis of ADH and LDH in the electrochemical reactor with $NAD^+$ as cofactor and electricity as reducing power. By using this new electrode with catalytic function, the bioelectrocatalysts are engineered; namely, oxidoreductase (e.g., lactate dehydrogenase) and $NAD^+$ can function for biotransformation without electron mediator and second oxidoreductase for $NAD^+$/NADH recycling.
Eaktasang, Numfon;Kang, Christina S.;Ryu, Song Jung;Suma, Yanasinee;Kim, Han S.
Environmental Engineering Research
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제18권4호
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pp.277-281
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2013
A dual-chamber microbial fuel cell (MFC) inoculated with Desulfovibrio desulfuricans and supplemented with lactate as an organic fuel was employed in this study. Biofilm formed on the anodic electrode was examined by scanning electron microscopy, revealing that the amount of biofilm was increased with repeated cycles of MFC operation. The maximum current production was notably increased from the first cycle ($1,310.0{\pm}22.3mA/m^2$) to the final cycle ($1,539.4{\pm}25.8mA/m^2$) of MFC run. Coulombic efficiency was also increased from $89.4%{\pm}0.2%$ to $98.9%{\pm}0.5%$. We suggest that the current production efficiency was related to the biomass of biofilm formed on the electrode, which was also increased as the MFC run was repeated. It was also found that D. desulfuricans, which colonized on the electrode, produced filaments or nano-pili. Nano-pili were effective for the attachment of cells on the electrode. In addition, the nano-pili provided a cell-to-cell link and stimulated the development of thicker electroactive biofilm, and therefore, they facilitated electron transfer to the anode. Conclusively, the biofilm of D. desulfuricans enhanced the current production in the MFC as a result of effective attachment of cells and electron transfer from the cell network to the electrode.
JEON SUNG JIN;SHIN IN HO;SANG BYUNG IN;PARK DOO HYUN
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제15권2호
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pp.281-286
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2005
We created a new graphite-Cu(II) electrode and found that the electrode could catalyze FADH$_2$ oxidation and FAD reduction coupled to electricity production and consumption, respectively. In a fuel cell with graphite-Cu(II) anode and graphite-Fe(III) cathode, the electricity was produced by coupling to the spontaneous oxidation of FADH$_2$ Fumarate and xylose were not produced from the enzymatic oxidation of succinate and xylitol without FAD, respectively, but produced with FAD. The production of fumarate and xylose in the reactor with FAD electrochemically regenerated was maximally 2- 5 times higher than that in the reactor with FAD. By using this new electrode with catalytic function, a bioelectrocatalysts can be engineered; namely, oxidoreductase (e.g., lactate dehydrogenase) and FAD can function for biotransformation without an electron mediator and second oxidoreductase for cofactors recycling.
The aim of this paper was to study the effect of spent medium recycle on Spodoptera exigua Se301 cell line proliferation, metabolism, and baculovirus production when grown in batch suspension cultures in Ex-Cell 420 serum-free medium. The results showed that the recycle of 20% of spent medium from a culture in mid-exponential growth phase improved growth relative to a control culture grown in fresh medium. Although both glucose and glutamine were still present at the end of the growth phase, glutamate was always completely exhausted. The pattern of the specific glucose and lactate consumption and production rates, as well as the specific glutamine and glutamate consumption rates, suggests a metabolic shift at spent medium recycle values of over 60%, with a decrease in the efficiency of glucose utilization and an increase in glutamate consumption to fuel energy metabolism. Baculovirus infection provoked a change in the metabolic pattern of Se301 cells, although a beneficial effect of spent medium recycle was also observed. Both growth rate and maximum viable cell density decreased relative to uninfected cultures. The efficiency of glucose utilization was dramatically reduced in those cultures containing the lowest percentages of spent medium, whereas glutamine and glutamate consumption was modulated, thereby suggesting that infected cells were devoted to virus replication, retaining their ability to incorporate the nutrients required to support viral replication. Recycle of 20% of spent medium increased baculovirus production by around 90%, thus showing the link between cell growth and baculovirus production.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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