Cos'è una cellula di biocarburanti?
Una cellula di biocarburanti è un dispositivo che utilizza materiali biologici per generare elettricità in modo diretto attraverso le reazioni redox. Ciò contrasta con l'uso convenzionale di biocarburanti per generare elettricità dal calore fornito dalla combustione del materiale. Il principio alla base della tecnologia cellulare biocarburante è imitare vari processi naturali che vengono utilizzati per produrre energia all'interno di organismi viventi. In alcuni casi, i batteri possono svolgere un ruolo in queste celle a combustibile. A partire dal 2011, le cellule di biocarburanti mostrano il potenziale come fonte di energia alternativa e in varie applicazioni mediche e di bioingegneria.
Gli organismi viventi ottengono energia dall'ossidazione dei carboidrati, che sono generati dalla fotosintesi nelle piante e ingerite come cibo dagli animali. Gli enzimi facilitano le reazioni, in cui i carboidrati vengono convertiti in anidride carbonica e acqua mediante la rimozione di elettroni, che vengono quindi conservati nelle molecole di adenosina trifosfato (ATP). In una cellula di biocarburanti, elettroni prodotti dall'ossidazione di M organicoLe olecole - di solito i carboidrati, come negli organismi viventi - vengono utilizzati per generare una corrente elettrica. L'idea di usare questi processi biologici per generare elettricità è in circolazione dagli anni '60, ma i primi tentativi di costruire una cellula di biocarburanti pratiche e funzionanti hanno incontrato difficoltà.
Una cellula di biocarburanti sarà in genere costituita da un contenitore diviso in due sezioni da una barriera permeabile. In una sezione, l'ossidazione di un carboidrato - ad esempio glucosio - fornisce elettroni. Nell'altra sezione, ha luogo una reazione di riduzione, che utilizza questi elettroni. Collegando i due elettrodi, una corrente può essere effettuata dall'elettrodo nella sezione di ossidazione - l'anodo - all'elettrodo nella sezione di riduzione - il catodo.
Uno dei maggiori problemi pratici che ostacolano lo sviluppo delle cellule di biocarburanti è stato trovare un efficiomodo di rilasciare gli elettroni dal carboidrato nell'anodo. Gli elettroni sono inizialmente conservati nell'enzima ossidante e sarebbero, nel processo naturale, trasferiti chimicamente in molecole ATP. Esistono due possibili metodi di estrazione di elettroni dall'enzima nell'anodo in una cellula di biocarburanti.
Nel metodo di trasferimento di elettroni diretti (DET), l'enzima deve essere legato all'anodo. Questo può essere fatto chimicamente o con altri metodi, come la costruzione dell'anodo da una mesh di nanotubi di carbonio su cui l'enzima è adsorbito. Questi metodi comportano una ridotta attività nell'enzima e una conseguente perdita di efficienza, ma questa è, al momento della stesura, è possibile sviluppare un'area di ricerca in corso e tecniche migliorate.
L'altro metodo di trasferimento di elettroni è noto come trasferimento elettronico mediato (MET). Ciò non richiede che l'enzima sia in contatto con l'anodo; Invece, gli elettroni vengono passati a un'altra molecola con un redox pz.Otiziale, che quindi rinuncia agli elettroni all'anodo. Questo composto, noto come mediatore, deve anche avere un potenziale redox più elevato rispetto all'anodo. Questo passo in più prevede una perdita di energia e quindi la cella a combustibile è in pratica meno efficiente di quanto potrebbe essere in teoria.
Le cellule di biocarburanti sono un'area di ricerca attiva e vengono studiate varie soluzioni possibili a questi problemi. Tra le possibilità c'è l'uso di batteri nelle celle a combustibile microbica. I batteri che riducono il ferro che vivono in condizioni anaerobiche mostrano una promessa particolare in quanto riducono naturalmente il ferro nel suo stato di ossidazione +3 al suo stato di ossidazione +2. Il ferro può quindi rinunciare a un elettrone sull'anodo, tornando al suo stato di +3 e fungendo da molecola di mediatore naturale trasferendo gli elettroni dai batteri all'anodo.
I principali vantaggi delle cellule di biocarburanti sono che sono non inquinanti, non richiedono catalizzatori costosi e utilizzano materie prime comuni, economiche e facilmente rinnovabili. Il principale diSadvantages delle cellule di biocarburanti è la loro inefficienza e la bassa potenza. A partire dal 2011, tuttavia, si spera che questi problemi possano essere superati, aprendo una nuova gamma di possibilità. Questi includono non solo energia economica, pulita e rinnovabile, ma anche la prospettiva di cellule di biocarburanti impiantate, che corrono su sostanze prodotte dal corpo, utilizzate per alimentare dispositivi medici come i pacemaker.