产电细胞的合成生物学设计构建

以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制其工业化应用的主要瓶颈。本文基于产电微生物介导的化学能到电能的能量转化路径,总结阐明了产电微生物的胞内电子生成过程与胞外电子传递机制,系统综述了近五年国内外利用合成生物学增强产电微生物底物摄取利用、强化胞内电子生成、加速胞外电子传递方面的研究进展,并对未来设计构建高效产电细胞研究进行了展望。     

生物基化学品的微生物电合成研究进展

微生物电合成是结合微生物学与电化学的新兴研究方向。电化学活性菌株以直接或间接的方式吸收人工提供的外源电子,打破胞内代谢原有的氧化还原平衡,定向催化底物合成还原性目的产物。近年来,基于生物基化学品的微生物电合成取得广泛关注。本文综述了生物基化学品微生物电合成的基本原理及最新研究进展,并讨论了电化学活性菌株的种类、电子传递机制以及典型的菌株培养方式,同时结合菌株代谢途径,讨论了微生物电合成促进乙酸、1,3-丙二醇、丁醇、琥珀酸等生物基化学品的作用机理及研究现状。最后指出了电子传递机制、电子传递效率及成本是限制该技术发展的关键问题及未来的发展趋势,旨在推动该技术应用于生物基化学品的发酵工业中。     

厌氧消化过程的电子传递机制及强化

厌氧消化过程存在若干电子传递途径。综述了厌氧消化过程的电子传递机制,包括电活性微生物、胞外电子直接传递、外源添加物强化厌氧消化等的进展。通过电活性微生物建立的强化胞外电子直接传递的厌氧消化体系,具有更高电子传递效率,能有效降解有机物,也增强了产甲烷效果。对机理的更深入探讨、新材料的开发和实际应用等,是本领域后续研究需要关注的重点。     

生物炭对厌氧消化效率及微生物群落的影响研究进展

总结了不同类型生物炭包括热解炭、水热炭以及改性生物炭对厌氧消化过程的影响,探讨了生物炭促进厌氧消化过程的机理.生物炭主要通过促进微生物种间互营关系、增强体系缓冲能力以及吸附抑制性物质来促进厌氧消化工艺性能.同时分析了生物炭对厌氧消化过程中微生物群落的影响,生物炭通过介导微生物种间直接电子传递,促进微生物间互营关系,进而...     

酯交换法制备生物柴油研究进展

综述了酯交换法制备生物柴油的国内外重要研究进展,总结了超临界体系、生物酶催化体系、均相催化体系和非均相催化体系制备生物柴油的研究成果,重点讨论了不同催化剂和实验条件对酯交换反应速率和生物柴油产率的影响,分析了不同反应体系存在的一些关键问题,并对酯交换法制备生物柴油的研究方向进行了展望。     

催化合成生物柴油技术综述

生物柴油因具有优越的环保性、可再生性及使用安全性而受到广泛关注,是优质的石化柴油替代品,具有重要的经济和社会效益。本文介绍了生物柴油的国内外标准化现状,综述了通过酯化反应制备生物柴油的方法,包括均相及非均相的酸碱催化法、生物酶催化法及超临界催化法,分析了各种方法的制备过程、反应结果以及存在的问题,提出了生物柴油规模化发展的关键是开发高活性、高稳定性、高利用率的廉价催化剂以及环保且性价比高的生产工艺。     

生物炭的氧化还原行为及其在环境污染控制中的应用

首先介绍了生物炭电子传递的"中介体机制"和"导体机制";进一步分析了生物炭的氧化还原行为对重金属类污染物和有机污染物迁移转化的影响,阐述了生物炭利用其自身醌类官能团存储的电子还原污染物和利用外源电子以其界面为活性位点介导污染物还原的两种反应机制。针对生物炭对铁元素生物地球化学循环的影响,介绍了生物炭在促进微生物还原Fe(Ⅲ)的研究进展,及生物炭促进微生物还原Fe(Ⅲ)的相关机制。总结了生物炭氧化还原行为的环境意义和未来研究方向。     

基于阴极材料优化的微生物电解池研究进展

微生物电解池(MEC)是一种新型的废水处理和产能一体化技术,其通过微生物阳极催化氧化废水中的有机物,同时在阴极产生氢气和甲烷。近年来,寻找高性能低成本的阴极材料和催化剂、推进MEC废水处理应用是相关领域的研究热点。本文综述了目前MEC系统常见的阴极材料和催化剂,包括贵金属Pt、不锈钢网、镍金属、纳米材料、导电聚合物和复合材料以及生物阴极。着重介绍了基于生物阴极优化的MEC系统在废水处理与产能方面的应用。最后在阴极材料的布局优化、阴极复合材料合成、胞外电子传递机制三方面进行了展望,指出不锈钢网和纳米材料具有良好的性能,未来可通过优化电极材料的空间布局和电极表面催化特性来强化微生物附着,推进MEC技术工程应用。     

生物炭的氧化还原行为及其在环境污染控制中的应用

首先介绍了生物炭电子传递的"中介体机制"和"导体机制";进一步分析了生物炭的氧化还原行为对重金属类污染物和有机污染物迁移转化的影响,阐述了生物炭利用其自身醌类官能团存储的电子还原污染物和利用外源电子以其界面为活性位点介导污染物还原的两种反应机制。针对生物炭对铁元素生物地球化学循环的影响,介绍了生物炭在促进微生物还原Fe(Ⅲ)的研究进展,及生物炭促进微生物还原Fe(Ⅲ)的相关机制。总结了生物炭氧化还原行为的环境意义和未来研究方向。     

利用微生物燃料电池研究Geobacter metallireducens异化还原铁氧化物

微生物异化还原金属氧化物的过程中, 关键问题是微生物如何把电子传递给最终的固态电子受体.利用新颖的微生物燃料电池体系,可以更细致、准确地研究这一胞外电子传递过程.实验结果表明在Geobacter metallireducens还原铁氧化物过程中, 直接接触是一种重要的电子传递方式; 而电子传递中间体,在金属氧化物表面完全被微生物细胞覆盖后, 也即在金属氧化物表面形成成熟的生物膜后, 其加速电子传递速率的作用减弱.     

自动密度计与储罐自动计量系统

储罐自动计量系统分为三种计量方法:液位法、静压法、混合法。液位法直接测量储罐油品液位(体积);静压法直接测量储罐(可测区)油品质量;混合法则可以直接测量出储罐油品体积、密度、质量。混合法是最为先进的储罐自动计量系统。但是,在十余年的应用实践中,混合法储罐自动计量系统并没有达到预期的贸易交接计量水平,究其原因就是密度测量的问题。     

降冰片二烯异构化反应中敏化剂的研究进展

在太阳能转换与储存体系中,降冰片二烯光异构化合成四环烷是非常重要的一个反应.论述了光敏化降冰片二烯异构化反应敏化剂的研究进展,包括三重态能量传递光敏剂,过渡金属化合物光敏剂,电子转移光敏剂,半导体光敏剂等几种类型.评价了各类光敏剂的优缺点.其中三重态能量传递光敏剂敏化效果好,被认为是一种较为理想的光敏剂.     

微生物燃料电池阳极的研究进展

产电微生物与电池阳极之间的电子传递效率是影响微生物燃料电池（MFC）产电性能的重要因素之一.通过对阳极材料的改进和修饰可以有效地降低阳极反应的活化能垒,提高电子传递效率,进而提高MFC产电性能.详细介绍了近年来MFC阳极材料的国内外研究进展,并针对当前研究所面临的问题,提出了今后MFC阳极的发展方向.     

CO2的电驱动还原

CO₂的过量排放已威胁到了环境与能源的可持续发展,通过化学或生物手段将其转化为化工原料或生物燃料能够有效缓解由CO₂过量排放造成的能源与环境压力。然而CO₂的还原过程是非自发且缓慢的,依赖于外部提供的能量和催化剂。如何实现长效的能量供给并针对性开发高性能的催化剂是CO₂回收转化技术的重点。利用稳定、清洁的电能作为驱动力,在催化剂的协同下将CO₂增值为化学品并实现碳中性循环。这种策略被称为CO₂的电驱动还原,在CO₂转化方面优势显著。从CO₂无机电催化和CO₂微生物电合成2个方面综述了近年来CO₂电驱动还原的研究进展。首先,对比和讨论了CO₂的无机电催化中不同类型的电催化剂的特性,以及优化和改性的手段。其次,总结阐明了微生物电合成中电极与微生物催化剂之间直接和间接的电子传递方式,并重点讨论了不同电子载体（H₂、甲酸、天然和人工的氧化还原电子载体）介导的间接电子传递的相关工作。最后总结展望了CO₂电驱动还原系统的发展。     

Energy management of a hybrid system based on wind–solar power sources and bioethanol

This work presents an energy management strategy (EMS) for a sustainable hybrid system. It is based on wind–solar energy and bioethanol. The bioethanol reformer produces hydrogen with sufficient quality to feed a PEM fuel cell system, which can supply the load together with the wind–solar sources. The new concept consists on having multiple power sources to supply the load where the necessary heating for the bioethanol reforming reaction can be provided by the wind–solar sources to enhance the efficiency of the hydrogen production. An optimal sizing methodology based on genetic algorithms to design this stand-alone system is proposed. The developed model allows testing the potentiality of the proposed EMS under different scenarios of load demands using historical climate data over a period of one year. Then, the system is tested using several load scenarios to validate the proposed methodology.     

磁性材料强化厌氧工艺处理有机废水的研究进展

近年来,直接种间电子传递被发现是厌氧工艺重要的电子传递途径。并且,添加磁性材料更有利于驱动此种电子传递方式。因此,本文通过国内外文献调研,将磁性材料分为单一磁性材料和复合磁性材料,分别介绍了零价铁、金属氧化物（FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄）以及磁性炭材料强化厌氧工艺在废水处理中的应用效果（对废水降解率、甲烷产量、挥发性脂肪酸、胞外聚合物、酶的活性等有积极作用）和影响因素（温度、pH、污染物浓度、磁性材料尺寸以及投加量等）,分析了不同磁性材料诱导直接种间电子传递的机理和目前存在的不足,着重强调了磁性炭材料的技术优势,提出磁性炭材料诱导直接种间电子传递的研究方向,并指明构建厌氧微生物导电体系是其未来发展的重要方向。     

Light-Driven ATP Regeneration in Diblock/Grafted Hybrid Vesicles

Light-driven ATP regeneration systems combining ATP synthase and bacteriorhodopsin have been proposed as an energy supply in the field of synthetic biology. Energy is required to power biochemical reactions within artificially created reaction compartments like protocells, which are typically based on either lipid or polymer membranes. The insertion of membrane proteins into different hybrid membranes is delicate, and studies comparing these systems with liposomes are needed. Here we present a detailed study of membrane protein functionality in different hybrid compartments made of graft polymer PDMS-g-PEO and diblock copolymer PBd-PEO. Activity of more than 90 % in lipid/polymer-based hybrid vesicles could prove an excellent biocompatibility. A significant enhancement of long-term stability (80 % remaining activity after 42 days) could be demonstrated in polymer/polymer-based hybrids.     

蓄热过程强化技术的应用研究进展

蓄热技术可以有效克服供能端与用户端在时间和空间上的不匹配问题,是提高能源利用率的重要手段之一,但是当前的蓄热技术存在蓄、放热速率较低等问题。鉴于此,本文综述了过程强化技术在蓄热中的应用。首先介绍了各类蓄热技术,包括显热蓄热、潜热蓄热以及热化学蓄热,并且从蓄热密度、蓄放热速率以及技术可行性上对各类蓄热技术的优缺点进行了比较;其后,重点回顾了代表性过程强化技术在蓄热系统中的应用,包括结构优化、材料改性以及梯级蓄热;通过分析可以看出,过程强化技术可以对蓄热过程中的传热传质进行强化,极大地提高蓄热系统的蓄放热效率。最后,本文就蓄热技术发展趋势进行了展望,蓄热系统将朝着紧凑、高效的方向发展;在未来的发展中,蓄热技术与能源互联网的结合是应用研究的重点之一。     

考虑反应热的乙氧基化反应精馏塔能量内部集成与优化

以正丁醇和环氧乙烷为原料合成乙二醇正丁醚(EGMBE)为例,利用数学模型和模拟分析方法,研究了包含大量反应热效应的乙氧基化反应精馏(ERD)塔中反应热的利用及系统能量优化问题。研究表明,当采用常规的、将反应段直接叠加于提馏段之上的塔设计时,反应热并没有贡献于分离操作或减小再沸器的热负荷,而只是被冷凝器中的冷却介质移走。分析了反应热的可利用途径,提出一种将反应段和提馏段分割、从反应段移出反应热供提馏段加热的内部热集成乙氧基化反应精馏结构--IHIERD。模拟结果表明,IHIERD 将使再沸器的温度从462.5 K降低到420.0 K,冷凝器负荷降低11%,外部能量输入降低14%,节能效果显著。     

Semiconductor-electrochemical aspects of bacterial leaching. I. Oxidation of metal sulphides with large energy gaps

Thiobacillus ferrooxidans has been cultivated successfully on synthetic metal sulphides with large energy gaps (CdS, ZnS) as the only energy source for many culture generations during a period of 4 years. The results obtained, which were quantitatively evaluated by calculations of electron transfer probabilities, show that a direct electron transfer from the metal sulphide valence band to the bacterial metabolic system (hole injection into the valence band of the sulphide) has to be excluded as the cause for the enhanced oxidative dissolution for energetic reasons. A detailed analysis of the dynamics of the metal sulphide aqueous electrolyte interface reveals that protons are involved in the mechanism on which bacterial activity is based. By reacting chemically with the metal sulphide surface they break chemical bonds and shift electronic states energetically into the forbidden energy gap to produce surface states which can be chemically described as ?SH? groups. These control the rate of dissolution of the metal sulphide and are removed by bacterial activity. In this way the proton is recycled and its action can be considered catalytic. For sulphides in which the valence band of the semiconductor is derived from metal orbitals instead of from sulphur orbitals, this mechanism is bound to fail. MoS₂ and WS₂ are discussed as examples of such metal sulphides which are not a suitable energy source for bacteria. Some kinetic aspects of the bacterial surface reaction are discussed.