バイオ燃料電池とは？

バイオ燃料電池は、生物学的材料を使用して、酸化還元反応を介して直接電気を生成するデバイスです。 これは、材料の燃焼によって提供される熱から電気を生成するためのバイオ燃料の従来の使用とは対照的です。 バイオ燃料電池技術の背後にある原理は、生体内でエネルギーを生成するために使用されるさまざまな自然プロセスを模倣することです。 場合によっては、細菌がこれらの燃料電池で役割を果たすことがあります。 2011年の時点で、バイオ燃料電池は、代替エネルギー源として、またさまざまな医療およびバイオエンジニアリングの用途において可能性を示しています。

生物は、植物の光合成によって生成され、動物が食物として摂取する炭水化物の酸化からエネルギーを得ます。 酵素は反応を促進し、炭水化物が電子の除去によって二酸化炭素と水に変換され、その後、アデノシン三リン酸（ATP）分子に保存されます。 バイオ燃料電池では、有機分子の酸化によって生成された電子（通常は生物のように炭水化物）を使用して電流を生成します。 これらの生物学的プロセスを使用して電気を生成するというアイデアは1960年代から存在していましたが、実用的で実用的なバイオ燃料電池を構築しようとする初期の試みは困難に直面しました。

バイオ燃料電池は、通常、透過性バリアによって2つのセクションに分割された容器で構成されます。 1つのセクションでは、炭水化物（たとえばグルコース）の酸化により電子が供給されます。 他のセクションでは、これらの電子を使用する還元反応が起こります。 2つの電極を接続することにより、酸化部の電極（アノード）から還元部の電極（カソード）に電流を流すことができます。

バイオ燃料電池の開発を妨げる最大の実際的な問題の1つは、炭水化物からアノードに電子を放出させる効率的な方法を見つけることです。 電子は最初に酸化酵素に蓄積され、自然の過程でATP分子に化学的に移動します。 酵素からバイオ燃料電池のアノードに電子を抽出する方法は2つあります。

直接電子移動（DET）法では、酵素をアノードに結合する必要があります。 これは、化学的に、または酵素が吸着されるカーボンナノチューブのメッシュからアノードを構築するなどの他の方法によって行うことができます。 これらの方法により、酵素の活性が低下し、結果として効率が低下しますが、これは執筆時点で進行中の研究分野と改善された技術が開発される可能性があることです。

電子移動の他の方法は、媒介電子移動（MET）として知られています。 これには、酵素がアノードと接触している必要はありません。 代わりに、電子はより低い酸化還元電位で別の分子に渡され、それにより電子がアノードに放出されます。 メディエーターとして知られるこの化合物は、アノードよりも高い酸化還元電位を持たなければなりません。 この余分なステップはエネルギーの損失を伴うため、実際には燃料電池の効率は理論よりも低くなります。

バイオ燃料電池は活発な研究分野であり、これらの問題に対するさまざまな解決策が調査されています。 可能性としては、微生物燃料電池でのバクテリアの使用があります。 嫌気性環境に生息する鉄還元細菌は、+ 3酸化状態の鉄を自然に+2酸化状態に還元するため、特に有望です。 その後、鉄はアノードで電子を放棄し、+ 3状態に戻り、バクテリアからアノードに電子を移動させることにより、天然のメディエーター分子として機能します。

バイオ燃料電池の主な利点は、無公害であり、高価な触媒を必要とせず、一般的で安価で容易に再生可能な原料を使用することです。 バイオ燃料電池の主な欠点は、非効率性と低出力です。 ただし、2011年現在、これらの問題を克服して新しい可能性を広げることができると期待されています。 これらには、安価でクリーンで再生可能なエネルギーだけでなく、体内で生成された物質で動作し、ペースメーカーなどの医療機器に電力を供給するために埋め込まれるバイオ燃料電池の見通しも含まれます。