III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

1.Введение

В настоящее время создание биотопливных элементов является одним из перспективных направлений на пути решения энергетических и экологических проблем человечества. Биотопливный элемент - устройство, в котором энергия, полученная при биокаталитическом окислении органических субстратов, непосредственно преобразуется в электричество. При этом в качестве биокатализаторов используют либо целые клетки микроорганизмов, либо ферментные препараты [1]. На рисунке 1 представлена схема работы микробного топливного элемента (МТЭ).

При усвоении субстрата микроорганизмами электроны выделяются и передаются молекулам медиатора. Восстановленный медиатор далее окисляется на аноде и превращается в окисленную форму. Освободившиеся  электроны перемещаются по внешней цепи к катоду, где протекает реакции восстановления кислорода (или других окислителей).

Целью работы является спектрофотометрическое изучение кинетики восстановления медиатора 2,6 - дихлорфенолиндофенола (ДХФИФ) в присутствии бактерий Gluconobacter oxydans и субстрата этанола.

Задачи работы:

- определение порядка реакции восстановления ДХФИФ в данной реакции;

- расчёт начальных скоростей изучаемой реакции при различных концентрациях биокатализатора;

2. Метод

Изучаемый процесс можно описать следующим уравнением:

ДХФИФ в окисленной форме - соединение синего цвета с максимум поглощения в области 600нм, а в восстановленной форме - бесцветное, что позволяет определять концентрацию окисленной формы спектрофотометрически [2]. Исследование кинетики восстановления медиатора проводили на спектрофотометре СФ 103 (²Аквилон², Россия).

Скорость изучаемой реакции можно представить в следующем виде:

Так как в измерительной кювете содержался избыток субстрата (этанола) по сравнению с концентрацией медиатора, то концентрацию этанола можно считать постоянной. Концентрацию клеток также считали постоянной, так как катализатор не расходуется в ходе процесса. Тогда уравнение скорости запишется в виде:

Был использован интегральный метод определения порядка реакции, который основан на проверке соответствия экспериментальных данных интегральной форме кинетического уравнения с заданным порядком реакции [3]. Для этого интегральную форму представляем в линеаризированном виде. Линейность такой зависимости, построенной по экспериментальным данным, является тестом на правильность выбранного порядка. Линеаризированный вид интегральных форм для реакций первого и второго порядков соответственно:

где   A₀ и А - начальная и текущая оптической плотности раствора соответственно;

         , - константа скорости реакции первого и второго порядков соответственно;

           - коэффициент поглощения ДХФИФ;

- длина кюветы;

Построили графики зависимости lnA (для проверки первого порядка реакции) и 1/А (для проверки второго порядка реакции) от времени , где А - оптическая плотности исследуемого раствора. Полученные графики аппроксимировали уравнением прямой линии.

3.Результаты и обсуждение

Результаты обработки экспериментальных данных представлены в таблице 

Можно видеть, что коэффициенты корреляции для первого порядка ближе к единице, чем для второго. Поэтому можно сделать вывод, что реакция имеет первый порядок по медиатору.   

Тангенс наклона прямой линии tgα служил эффективной константой скорости реакции . По формуле (1) можно рассчитать начальную скорость изучаемой реакции. Результат расчета начальных скоростей реакций при различных концентрациях бактериальных клеток представлен на графике:

Можно видеть, что с ростом концентрации бактериальных клеток до определенной величины (около 10мг/мл) начальная скорость реакции повышается, что говорит об увеличении количества эффективных клеток - биокатализаторов. При более высоких содержаниях бактериальных клеток начальная скорость реакции почти не изменяется, что свидетельствует о присутствии « недействующего» количества биокатализатора. Причинами такого явления могут быть следующие:

 - при больших концентрациях высока вероятность столкновения и слипания клеток между собой, в результате чего реальная концентрация клеток в измерительной кювете оказывается ниже;

- в эксперименте отсутствует перемешивание исследуемой смеси, что при высоких концентрациях клеток ведёт к их оседанию на дне кюветы;

 - при высоких концентрациях клеток реакция лимитируется реагентом, присутствующим в недостатке (ДХФИФ).

4. Выводы:

Реакция восстановления ДХФИФ в присутствии бактериальных клеток G.oxydans и этанола имеет первый порядок по ДХФИФ. С ростом концентрации клеток до 10мг/мл начальная скорость реакции увеличивается. При более высоких концентрациях клеток  начальная скорость реакции почти не изменяется, что может быть связанным со слипанием, оседанием клеток или низкой концентрацией ДХФИФ, которая лимитирует реакцию.

5. Список литературы

1. Katz E.. Biofuel Cells - Review. // http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/biofuel/biofuel_cells_contents.html.;

2. Delaney G.M., Bennetto H.P., Mason J.R., Roller S.D., Stirling J.L., Thurston C.F.. // J. Chem. Technol. Biotechnol. 1984. V 34B. P. 13-27.

3. Байрамов В.М., Основы химической кинетики и катализа: учеб. Пособие для студ. Вузов.- М. «Академия», 2003.