Co je to biopaliva?
Buňka pro biopaliva je zařízení, které používá biologické materiály k výrobě elektřiny přímým způsobem prostřednictvím redoxních reakcí. To kontrastuje s konvenčním používáním biopaliv pro výrobu elektřiny z tepla poskytovaného spalováním materiálu. Principem technologie biopaliv je napodobovat různé přírodní procesy, které se používají k produkci energie v živých organismech. V některých případech mohou bakterie hrát roli v těchto palivových článcích. Od roku 2011 buňky biopaliv vykazují potenciál jako alternativní zdroj energie a v různých lékařských a bioinženýrských aplikacích.
Živé organismy získávají energii z oxidace uhlohydrátů, které jsou vytvářeny fotosyntézou v rostlinách a požívány jako potraviny u zvířat. Enzymy usnadňují reakce, ve kterých jsou uhlohydráty přeměněny na oxid uhličitý a vodu odstraněním elektronů, které jsou poté uloženy v molekulách adenosin triphosfátu (ATP). V buňce biopaliva, elektrony produkované oxidací organických mOlekuly - obvykle uhlohydráty, stejně jako v živých organismech - se používají ke generování elektrického proudu. Myšlenka používání těchto biologických procesů k výrobě elektřiny existuje již od šedesátých let, ale včasné pokusy o vytvoření praktických pracovních biopaliv se setkaly s obtížemi.
Biofuel buňka bude obvykle sestávat z kontejneru rozděleného do dvou sekcí propustnou bariérou. V jedné části poskytuje oxidace uhlohydrátů - například glukóza - elektrony. V druhé části dochází k redukční reakci, která používá tyto elektrony. Připojením těchto dvou elektrod může být z elektrody vyroben proud v oxidační části - anoda - s elektrodou v redukční části - katoda.
Jedním z největších praktických problémů, které brání vývoji buněk biopaliv, bylo nalezení účinnostizpůsob, jak dostat elektrony uvolněné z uhlohydrátů do anody. Elektrony jsou zpočátku uloženy v oxidačním enzymu a v přirozeném procesu by byly chemicky přeneseny do molekul ATP. Existují dvě možné metody extrahování elektronů z enzymu do anody v buňce biopaliv.
V metodě přímého přenosu elektronů (DET) musí být enzym spojen na anodu. To lze provést chemicky nebo jinými metodami, jako je konstrukce anody z síťoviny uhlíkových nanotrubic, na které je enzym adsorbován. Tyto metody mají za následek sníženou aktivitu v enzymu a následné ztrátě účinnosti, ale v době psaní může být vyvinuta oblast probíhajícího výzkumu a vylepšených technik.
Další metoda přenosu elektronů je známá jako zprostředkovaný přenos elektronů (MET). To nevyžaduje, aby byl enzym v kontaktu s anodou; Místo toho jsou elektrony předávány do jiné molekuly s nižším redoxním potential, který se pak vzdává elektronů k anodě. Tato sloučenina, známá jako mediátor, musí mít také vyšší redoxní potenciál než anoda. Tento další krok zahrnuje ztrátu energie, a proto je palivový článek v praxi méně efektivní, než by mohl být teoreticky.
Biofuel buňky jsou oblastí aktivního výzkumu a zkoumají se různá možná řešení těchto problémů. Mezi možnosti patří použití bakterií v mikrobiálních palivových článcích. Bakterie snižující železo, které žijí v anaerobních podmínkách, vykazují zvláštní slib, protože přirozeně snižují železo v jeho oxidačním stavu +3 na jeho oxidační stav +2. Železo se pak může vzdát elektronu v anodě, vracet se do stavu +3 a působit jako molekula přirozeného mediátoru přenosem elektronů z bakterií do anody.
Hlavní výhody biopalivů jsou to, že nejsou znečištěny, nevyžadují drahé katalyzátory a používají běžné, levné a snadno obnovitelné suroviny. Hlavní diSadvantages buněk biopaliv je jejich neefektivnost a nízký výkon. Od roku 2011 však existují naděje, že tyto problémy lze překonat a otevřít novou řadu možností. Patří mezi ně nejen levná, čistá a obnovitelná energie, ale také vyhlídky na implantované biopalivové buňky, které běží na látkách produkovaných tělem, které se používají k napájení zdravotnických prostředků, jako jsou kardiostimulátoři.