3D打印技術(shù)在微生物電化學(xué)研究中的應(yīng)用

摘要

微生物電化學(xué)系統(tǒng)（MES）通過利用微生物代謝和電化學(xué)過程，為廢水處理、能源生產(chǎn)和化學(xué)合成等環(huán)境應(yīng)用提供可持續(xù)解決方案。本文回顧了3D打印技術(shù)在MES制造中的最新進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)其在反應(yīng)器主體、電極和支架設(shè)計優(yōu)化中的作用，以及其在加速開發(fā)周期和提升性能方面的潛力，同時探討了3D生物打印在生物載體和生物墨水配方方面的最新進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。盡管3D打印技術(shù)當(dāng)前面臨材料和成本等挑戰(zhàn)，但其與MES的結(jié)合對推動減污降碳、資源回收、生物傳感等技術(shù)的迭代升級具有巨大的應(yīng)用潛力。

摘要圖

1 引言

微生物電化學(xué)系統(tǒng)MES利用微生物代謝和電化學(xué)過程，為廢水處理、資源回收和碳利用提供創(chuàng)新解決方案。通過微生物將電子轉(zhuǎn)移到固體表面的獨(dú)特能力，MES能夠有效降解有機(jī)污染物，同時生成電力、氫氣和增值化學(xué)品等有價值的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了MES反應(yīng)器各組成部分的設(shè)計和制造，提供了無與倫比的定制化和精確度。

3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)建具有優(yōu)化流體動力學(xué)和質(zhì)量傳輸特征的復(fù)雜反應(yīng)器主體設(shè)計，最大限度地提高系統(tǒng)性能。同時，還可以定制電極的幾何形狀和表面特性，優(yōu)化電子轉(zhuǎn)移效率，支持材料的精確制造，進(jìn)一步提升MES系統(tǒng)的功能性和耐久性。本文綜述了3D打印技術(shù)在微生物電化學(xué)研究中的應(yīng)用，通過快速原型制作和設(shè)計靈活性，3D打印在推進(jìn)MES技術(shù)的環(huán)境修復(fù)和能源生成方面展現(xiàn)出巨大的變革潛力。

2 3D打印助力MES反應(yīng)器的設(shè)計與優(yōu)化

2.1 反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計靈活性和性能的提升

3D打印技術(shù)使得復(fù)雜的流體結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的生產(chǎn)成為可能，同時為MES提供了可延展性以滿足不同反應(yīng)需求。通過3D打印，研究人員能夠創(chuàng)造定制化的反應(yīng)器組件，從而顯著提升反應(yīng)器的性能和效率。

2.2 反應(yīng)器的快速制作與加速開發(fā)周期

3D打印技術(shù)通過模塊快速制作和迭代設(shè)計探索能顯著加快MES反應(yīng)器的開發(fā)和優(yōu)化周期。研究人員能夠利用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件快速創(chuàng)建和修改反應(yīng)器設(shè)計，從而優(yōu)化流體動力學(xué)和物質(zhì)傳輸效率。

2.3 根據(jù)特定應(yīng)用需求定制化墨水材料

在3D打印的MES中，墨水和打印方式的選擇對反應(yīng)器的性能和耐用性至關(guān)重要。不同類型的墨水材料可以根據(jù)特定應(yīng)用的要求進(jìn)行定制，優(yōu)化導(dǎo)電性、生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性。通過調(diào)整墨水配方和材料特性，研究人員能夠開發(fā)出更高效、更耐用的微生物電化學(xué)反應(yīng)器，滿足各種特殊應(yīng)用需求。

圖1 3D打印在MES反應(yīng)器設(shè)計中的應(yīng)用包括新的構(gòu)型、系統(tǒng)優(yōu)化、模塊放大等

3 3D打印用于兼?zhèn)鋵?dǎo)電性和生物相容性電極的設(shè)計與制造

3.1 強(qiáng)化3D生物陽極的產(chǎn)電能力

生物陽極是實(shí)現(xiàn)MES低能耗特性的關(guān)鍵組成部分，其利用附著的微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電力或其他有價值的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定制特性的陽極，這對提高細(xì)菌與電極表面之間的電子轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。

3.2 強(qiáng)化3D生物陰極的電還原能力

生物陰極在MES中作為電子流動環(huán)路的終端，為氧化劑接受電子的必要表面場所和條件，從而促進(jìn)的生物電還原過程。3D打印技術(shù)為高性能生物陰極的制造提供了多種選擇，能夠精準(zhǔn)控制材料特性，顯著提升其功能。

圖2 不同的3D打印技術(shù)應(yīng)用于生物陽極和陰極的制造

4 3D生物打印技術(shù)在MES的應(yīng)用

4.1 生物支撐材料制造和生物墨水配方

3D生物打印在MES中的應(yīng)用高度依賴于合適的生物墨水配方和生物支撐材料。適當(dāng)?shù)纳锬畱?yīng)具備良好的流變學(xué)性質(zhì)，為微生物細(xì)胞提供支撐基質(zhì)。此外，導(dǎo)電材料如石墨烯和碳納米管被用來增強(qiáng)打印結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。適用于生物打印的3D打印技術(shù)能夠滿足不同層次的打印需求和應(yīng)用場景。

4.2 3D生物打印在MES中的成功應(yīng)用

3D擠壓生物打印和電化學(xué)生物打印技術(shù)已在MES中有了成功應(yīng)用。通過擠壓生物打印，研究人員成功地將活性微生物與導(dǎo)電材料結(jié)合，顯著提高了電極的功能性。電化學(xué)3D打印則通過在墨水中嵌入產(chǎn)電活性菌，制造出具有高效電子轉(zhuǎn)移能力的生物電極。此外，3D打印的活性微生物燃料電池陽極表現(xiàn)出良好的性能。

圖3 3D生物打印技術(shù)在MES中的應(yīng)用案例

5 當(dāng)前的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

雖然3D打印技術(shù)在MES中具有重要的應(yīng)用潛力，但其在優(yōu)化打印參數(shù)、選擇生物墨水和規(guī)?；a(chǎn)方面仍面臨挑戰(zhàn)。確保電極架構(gòu)適合微生物附著和電子轉(zhuǎn)移的精確制造是一項復(fù)雜的任務(wù)，同時反應(yīng)體系的長時間穩(wěn)定性和耐用性也是關(guān)鍵問題。此外，3D電極表面積與電解質(zhì)體積之間需保持良好比例，以確保微生物能獲得足夠的營養(yǎng)和電子供體/受體，而對生物膜形態(tài)及其與電極的相互作用的理解仍然不足。新材料、打印技術(shù)和生物墨水的開發(fā)為提升3D打印電極的性能提供了機(jī)會，同時也為可穿戴微生物燃料電池等新應(yīng)用開辟了道路，但其而在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)成本效益和一致性依然是一個重大挑戰(zhàn)。最后，還需進(jìn)行生命周期評估，以確定3D打印電極與傳統(tǒng)材料在可持續(xù)性方面的比較，同時，評估其對運(yùn)營成本的影響對于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。