미생물 세표표면의 소수성은 다른 미생물과의 flocculation, 액상이나 고형물질에 부착하거나 수용액에서의 부유현상 (floatation)과 같이 미생물과 다양한 물질사이의 표면 반응에 관여한다. 이러한 점에서 미생물 세포의 소수성은 의학분야 뿐만 아니라 생물공학의 다양한 분야에서 중요한 의미를 갖는다. 이 총설에서논 미생물 세포표면의 소수성과 관련된 특성과 물질, 그리고 세포표면의 소수성을 이용한 예를 중점적으로 기술하였다.
Anode electrode is one of the most important factors in microbial fuel cell (MFC). This study was conducted to investigate the effects of mediator as methylene blue (MB) and electrode surface area on the power density of MFC with sponge and carbon nano tube (CNT) electrode (SC). The SC electrode with MB (MC) showed the maximum power density increased from 74.0 $mW/m^2$ to 143.1 $mW/m^2$. The grid shaped sponge and CNT (GSC) electrode showed the maximum power density of 209.2 $mW/m^2$ due to the increase of surface area from 88.0 to 152.0 $cm^2$. The GSC electrode with MB (GMC) revealed the maximum power density of 384.9 $mW/m^2$ which was 5.2 times higher than that obtained from the MFC with SC. Therefore MB and increase of surface area led to enhance the performance of microbial fuel cell such as power density.
Electrochemically active bacteria were successfully enriched in an electrochemical cell using a positively poised working electrode. The positively poised working electrode (+0.7 V vs. Ag/AgCl) was used as an electron acceptor for enrichment and growth of electrochemically active bacteria. When activated sludge and synthetic wastewater were fed to the electrochemical cell, a gradual increase in amperometric current was observed. After a period of time in which the amperometric current was stabilized (generally 8 days), linear correlations between the amperometric signals from the electrochemical cell and added BOD (biochemical oxygen demand) concentrations were established. Cyclic voltammetry of the enriched electrode also showed prominent electrochemical activity. When the enriched electrodes were examined with electron microscopy and confocal scanning laser microscopy, a biofilm on the enriched electrode surface and bacterium-like particles were observed. These experimental results indicate that the electrochemical system in this study is a useful tool for the enrichment of an electrochemically active bacterial consortium and could be used as a novel microbial biosensor.
The formation of microbial films(biofilm) by a non-sulfur phototrophic bacteria, Rhodopseudomonas capsulata, on inorganic media was studied. Porous ceramic beads(PCB) were superior to other immobilizing media for the biofilm formation in a packed-bed reactor. It was found that the formation of microbial films favored a lower hydraulic retention time, showing a higher ratio of cells attatched to the media to those suspended in the solution. The cell concentration in the biofilm reactor was as high as 11,400mg/l, which is 8-folds of the cell concentration in an ordinary suspended treatment. It was observed that the formation of micribial film by R. capsulata followed a general serial process of cell attachment, microcolony formation, and biofilm formation. The microbial films thus formed was very stable even for an extremely high volumetric BOD loading rate of 15gBOD/l day. The scanning electron micrographs of the microbial films showed that the cells were attached to both the surface and pores of the media.
미생물 연료전지의 전극소재는 전기발생량에 영향을 미치는 중요인자이다. 본 연구에서는 탄소전극의 두께 구조가 미생물 연료전지의 전력밀도 미생물 형성 미생물 군집의 다양성에 미치는 영향에 관해 연구를 수행하였다. 산화 환원 전극조합의 능률적인 구성을 위해 다양한 형태의 탄소전극으로 이루어진 7개 실험실 규모의 반응기가 연속식 공정으로 운전되었다. 반응기의 안정화 상태에서 구멍이 있는 흑연펠트(6 mm 두께) 조합이 전기발생량 238 mV, 그리고 쿨롱효율이 37%로 가장 높은 셀 성능을 나타내었다. 산화전극 표면에 미생물의 생성을 관찰하기 위해 SEM 촬영을 실시한 결과, 니트형태의 탄소섬유와 흑연펠트의 표면에 미생물양의 생성이 증가함을 관찰할 수 있었다. 식종 슬러지와 산화전극 부착성장 미생물의 우점종 변화를 관찰하기 위해 PCR-DGGE를 통한 미생물 군집해석 결과, 식종슬러지내의 미생물 군집과 운전 후 각 전극에 우점화 된 미생물의 군집에는 차이를 보였다. 특히 흑연펠트의 탄소섬유에 전기활성 박테리아로 알려진 eobacter 종이 우점화 된 것을 확인할 수 있었다.
Surface floating air cathode microbial fuel cell (MFC) having horizontal flow was developed for the application of MFC technology. RVC (Reticulated vitreous carbon) coated with anyline was used as anode electrode and carbon cloth coated with Pt (5.0 g Pt/$m^2$, GDE LT250EW, E-TEK) was used as cathode electrode. As results of continuous operation with changing the flow rate from 4.3 mL/min to 9.5 mL/min, maximum power density of 4.5 W/$m^3$ was acquired at 5.4 mL/min, which was at 0.35 m/hr of flow velocity under anode electrode. When the ratio of cathode surface area to anode surface area($A_c/A_a$) was changed to 1.0, 0.5, and 0.25, the maximum power density of 2.7 W/$m^3$ was shown at the ratio of 1.0. As the ratio decreased from 1.0 to 0.25, the power density also decreased, which is caused by increasing the internal resistance resulted from reducing the surface area to contact with oxygen. Actually, internal resistances of the ratio of 1.0, 0.5, and 0.25 were 63.75${\Omega}$, 142.18${\Omega}$, and 206.12${\Omega}$, respectively.
Kim, Minsoo;Song, Young Eun;Li, Shuwei;Kim, Jung Rae
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제12권3호
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pp.297-301
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2021
Microbial fuel cells (MFCs) convert chemical energy to electrical energy via electrochemically active microorganisms. The interactions between microbes and the surface of a carbon electrode play a vital role in capturing the respiratory electrons from bacteria. Therefore, improvements in the electrochemical and physicochemical properties of carbon materials are essential for increasing performance. In this study, a microwave and sulfuric acid treatment was used to modify the surface structure of graphite granules. The prepared expandable graphite granules (EGG) exhibited a 1.5 times higher power density than the unmodified graphite granules (1400 vs. 900 mW/m3). Scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy revealed improved physical and chemical characteristics of the EGG surface. These results suggest that physical and chemical surface modification using sulfuric acid and microwave heating improves the performance of electrode-based bioprocesses, such as MFCs.
폐수처리와 동시에 전기를 생산할 수 있는 새로운 대체 에너지 기술로 주목받고 있는 미생물 연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 혐기성 조건의 산화전극(anode)에서 미생물에 의한 촉매작용을 통해 유기물질을 분해하면서 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치이다. 본 연구에서는 MFC의 성능을 파악하기 위하여 도시하수를 사용하여 폐수처리 효율과 전기생산 특성을 평가하였다. 도시하수에 탄소원으로서 acetate를 주입하였을 때 COD 제거율은 75.7%에서 88.2%로 증가하였으며 전압은 0.22 V에서 0.4 V까지 급격하게 상승하였다. 다양한 외부저항 하에서 전기생산에 미치는 산화전극과 환원전극(cathode) 사이의 전극 거리에 대한 영향 및 산화전극의 표면적에 대한 영향을 조사하였다. 최고 전력밀도는 $610mW/m^2$이었으며, 전극간 거리가 가깝고 산화전극의 표면적이 작을수록 전기발생에 효과적임을 알 수 있었다.
Seo, Ha-Na;Lee, Woo-Jin;Hwang, Tae-Sik;Park, Doo-Hyun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제19권9호
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pp.1019-1027
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2009
A noncompartmented microbial fuel cell (NCMFC) composed of a Mn(IV)-carbon plate and a Fe(III)-carbon plate was used for electricity generation from organic wastewater without consumption of external energy. The Fe(III)-carbon plate, coated with a porous ceramic membrane and a semipermeable cellulose acetate film, was used as a cathode, which substituted for the catholyte and cathode. The Mn(IV)-carbon plate was used as an anode without a membrane or film coating. A solar cell connected to the NCMFC activated electricity generation and bacterial consumption of organic matter contained in the wastewater. More than 99% of the organic matter was biochemically oxidized during wastewater flow through the four NCMFC units. A predominant bacterium isolated from the anode surface in both the conventional and the solar cell-linked NCMFC was found to be more than 99% similar to a Mn(II)-oxidizing bacterium and Burkeholderia sp., based on 16S rDNA sequence analysis. The isolate reacted electrochemically with the Mn(IV)-modified anode and produced electricity in the NCMFC. After 90 days of incubation, a bacterial species that was enriched on the Mn(IV)-modified anode surface in all of the NCMFC units was found to be very similar to the initially isolated predominant species by comparing 16S rDNA sequences.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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