Hvad er en biobrændselscelle?
En biobrændselscelle er en enhed, der bruger biologiske materialer til at generere elektricitet på en direkte måde gennem redoxreaktioner. Dette står i kontrast til konventionel anvendelse af biobrændstoffer til at generere elektricitet fra varmen leveret ved forbrænding af materialet. Princippet bag biobrændselscelleteknologi er at efterligne forskellige naturlige processer, der bruges til at producere energi i levende organismer. I nogle tilfælde kan bakterier muligvis spille en rolle i disse brændselsceller. Fra 2011 viser biobrændselsceller potentiale som en alternativ energikilde og i forskellige medicinske applikationer og bioingeniører.
Levende organismer opnår energi fra oxidation af kulhydrater, der genereres ved fotosyntesen i planter og indtages som mad af dyr. Enzymer letter reaktionerne, i hvilke kulhydrater omdannes til carbondioxid og vand ved fjernelse af elektroner, som derefter opbevares i adenosin-triphosphat (ATP) molekyler. I en biobrændselscelle bruges elektroner produceret ved oxidation af organiske molekyler - normalt kulhydrater som i levende organismer - til at generere en elektrisk strøm. Ideen om at bruge disse biologiske processer til at generere elektricitet har eksisteret siden 1960'erne, men tidlige forsøg på at konstruere en praktisk, fungerende biobrændselscelle mødte vanskeligheder.
En biobrændselscelle vil typisk bestå af en beholder opdelt i to sektioner af en permeabel barriere. I et afsnit giver oxideringen af et kulhydrat - for eksempel glukose - elektroner. I det andet afsnit finder en reduktionsreaktion sted, der bruger disse elektroner. Ved at forbinde de to elektroder kan der frembringes en strøm fra elektroden i oxidationsafsnittet - anoden - til elektroden i reduktionssektionen - katoden.
Et af de største praktiske problemer, der hæmmer udviklingen af biobrændselsceller, har været at finde en effektiv måde at få de elektroner, der frigøres fra kulhydratet, ind i anoden. Elektronerne opbevares oprindeligt i det oxiderende enzym og ville i den naturlige proces overføres kemisk til ATP-molekyler. Der er to mulige metoder til ekstraktion af elektroner fra enzymet ind i anoden i en biobrændselscelle.
I metoden Direct Electron Transfer (DET) skal enzymet bindes til anoden. Dette kan udføres kemisk eller ved andre metoder, såsom konstruktion af anoden fra et maskestykke af carbon nanorør, hvorpå enzymet adsorberes. Disse metoder resulterer i reduceret aktivitet i enzymet og deraf følgende tab af effektivitet, men dette er i skrivende stund et område med løbende forskning og forbedrede teknikker kan udvikles.
Den anden metode til elektronoverførsel kaldes Mediated Electron Transfer (MET). Dette kræver ikke, at enzymet er i kontakt med anoden; i stedet overføres elektronerne til et andet molekyle med et lavere redoxpotentiale, som derefter giver op elektronerne til anoden. Denne forbindelse, kendt som en mægler, skal også have et højere redoxpotentiale end anoden. Dette ekstra trin involverer et tab af energi, og brændselscellen er i praksis mindre effektiv, end den kunne være i teorien.
Biobrændselsceller er et område med aktiv forskning, og forskellige mulige løsninger på disse problemer undersøges. Blandt mulighederne er brugen af bakterier i mikrobielle brændselsceller. Jernreducerende bakterier, der lever under anaerobe forhold, viser særlig løfte, da de naturligt reducerer jern i dets +3-oxidationstilstand til dets +2-oxidationstilstand. Jernet kan derefter opgive et elektron ved anoden, vende tilbage til sin +3-tilstand og fungere som et naturligt formidlingsmolekyle ved at overføre elektroner fra bakterierne til anoden.
De vigtigste fordele ved biobrændselsceller er, at de er ikke-forurenende, ikke kræver dyre katalysatorer og bruger almindelige, billige og let vedvarende råmaterialer. De største ulemper ved biobrændselsceller er deres ineffektivitet og lave effekt. Fra 2011 er der dog håb om, at disse problemer kan løses, hvilket åbner en ny række muligheder. Disse inkluderer ikke kun billig, ren og vedvarende energi, men også udsigten til implanterede biobrændselsceller, der kører på stoffer produceret af kroppen, der bruges til at drive medicinsk udstyr såsom pacemakere.