微生物并肩作戰(zhàn) 讓生物光伏系統(tǒng)發(fā)電能力創(chuàng)新高

近20多年來,科學家們也在加速尋找取之不盡用之不竭的可再生能源,來解決不可再生能源的嚴重不足,切實保障經(jīng)濟和社會發(fā)展需要。生物光伏(BPV)利用微生物(如藍藻)作為光電轉(zhuǎn)換材料,具有碳中性﹑良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點。

近日,中科院微生物所李寅研究組另辟蹊徑,設(shè)計并創(chuàng)建了一個具有定向電子流的合成微生物組,來解決藍藻直接產(chǎn)電活性微弱的問題,有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術(shù)。

該研究成果引起了全球業(yè)界的高度關(guān)注。那么,生物光伏的發(fā)電原理是什么,其生物光伏技術(shù)還存在那些問題?新技術(shù)又到底有著哪些創(chuàng)新之處?

生物光伏具有更高的轉(zhuǎn)換效率

目前,光伏發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域還是具有比較大優(yōu)勢的。光伏發(fā)電的安裝可以分布到各家各戶,每一個老百姓只要有一定的場地均可以或大或小的安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。但同時,雖然產(chǎn)品本身對環(huán)境友好,生產(chǎn)過程中需要對排廢做到嚴格處理和把控,其回收、分離、再利用還面臨很多環(huán)境挑戰(zhàn)。

因此,專家們普遍認為,生物光伏相對于傳統(tǒng)光伏具有更高的轉(zhuǎn)換效率,將更加有利于環(huán)境、能源的可持續(xù)發(fā)展。

生物質(zhì)能主要是指植物通過葉綠素的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能并貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源,在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。

生物光伏利用光合微生物(如藍藻)作為光電轉(zhuǎn)換材料,具有碳中性、良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點。但目前生物光伏發(fā)電最大的問題是,BPV系統(tǒng)的輸出功率很低,比太陽能光伏低3個數(shù)量級以上。其主要原因是藍藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率,但產(chǎn)電活性很弱。在直接改造藍藻以強化其產(chǎn)電活性方面,至今仍沒有突破,難以走向應(yīng)用。

據(jù)了解,李寅研究組成功合成的微生物組,由一個能夠?qū)⒐饽軆Υ嬖赿-乳酸的工程藍藻和一個能夠高效利用d-乳酸產(chǎn)電的希瓦氏菌組成。在這個合成微生物組中,d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。

李寅稱,藍藻吸收光能并固定二氧化碳來合成能量載體d-乳酸,希瓦氏菌氧化d-乳酸進行產(chǎn)電,由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流,完成從光能到化學能再到電能的能量轉(zhuǎn)化過程。

克服兩種微生物之間生理不相容難題

李寅研究組的創(chuàng)新之處在于通過在遺傳、環(huán)境和裝置層面的設(shè)計、改造和優(yōu)化,他們有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問題。由此創(chuàng)建的雙菌生物光伏系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率輸出,其最大功率密度比目前的單菌生物光伏系統(tǒng)普遍提高10倍以上。

據(jù)資料顯示,李寅研究組采用連續(xù)流加培養(yǎng)方式,使得該雙菌生物光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定實現(xiàn)長達40天以上的功率輸出,且平均功率密度達到較高水平,產(chǎn)電時長和單裝置輸出功率均達到了目前BPV系統(tǒng)的最高水平。

尤其值得一提的是,這是國際上首次利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng)建生物光伏系統(tǒng),也是我國第一臺生物光伏原型裝置。研究表明,合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉(zhuǎn)化效率,打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認識,為進一步提升BPV光電轉(zhuǎn)化效率奠定了重要基礎(chǔ)。

專家們認為,雖然生物光伏為太陽能利用提供了一條生物學路徑,但這是一個全新的交叉學科。應(yīng)該說,生物光伏目前在我國仍處于研發(fā)階段,要真正走向規(guī)模應(yīng)用,還有很長的路要走。