Wat is een biobrandstofcel?
Een biobrandstofcel is een apparaat dat biologische materialen gebruikt om op een directe manier elektriciteit te genereren door middel van redoxreacties. Dit in tegenstelling tot conventioneel gebruik van biobrandstoffen om elektriciteit te genereren uit de warmte die wordt geleverd door verbranding van het materiaal. Het principe achter biobrandstofceltechnologie is het nabootsen van verschillende natuurlijke processen die worden gebruikt om energie te produceren in levende organismen. In sommige gevallen kunnen bacteriën een rol spelen in deze brandstofcellen. Vanaf 2011 tonen biobrandstofcellen potentieel als alternatieve energiebron en in verschillende medische en bio-technische toepassingen.
Levende organismen halen energie uit de oxidatie van koolhydraten, die door fotosynthese in planten worden gegenereerd en door dieren als voedsel worden ingenomen. Enzymen vergemakkelijken de reacties, waarbij koolhydraten worden omgezet in koolstofdioxide en water door de verwijdering van elektronen, die vervolgens worden opgeslagen in adenosine trifosfaat (ATP) -moleculen. In een biobrandstofcel worden elektronen geproduceerd door de oxidatie van organische moleculen - meestal koolhydraten, zoals in levende organismen - gebruikt om een elektrische stroom te genereren. Het idee om deze biologische processen te gebruiken om elektriciteit op te wekken bestaat al sinds de jaren 1960, maar vroege pogingen om een praktische, werkende biobrandstofcel te bouwen, stuitten op problemen.
Een biobrandstofcel zal typisch bestaan uit een container verdeeld in twee secties door een permeabele barrière. In één sectie levert de oxidatie van een koolhydraat - bijvoorbeeld glucose - elektronen op. In het andere gedeelte vindt een reductiereactie plaats die deze elektronen gebruikt. Door de twee elektroden te verbinden, kan een stroom worden gemaakt van de elektrode in de oxidatiesectie - de anode - naar de elektrode in de reductiesectie - de kathode.
Een van de grootste praktische problemen die de ontwikkeling van biobrandstofcellen belemmeren, is het vinden van een efficiënte manier om de elektronen uit het koolhydraat in de anode te krijgen. De elektronen worden in eerste instantie opgeslagen in het oxiderende enzym en zouden, in het natuurlijke proces, chemisch worden overgedragen in ATP-moleculen. Er zijn twee mogelijke methoden om elektronen uit het enzym in de anode in een biobrandstofcel te extraheren.
Bij de Direct Electron Transfer (DET) -methode moet het enzym op de anode worden gebonden. Dit kan chemisch worden gedaan of door andere methoden, zoals het construeren van de anode uit een netwerk van koolstofnanobuizen waarop het enzym wordt geadsorbeerd. Deze methoden resulteren in verminderde activiteit in het enzym en bijgevolg verlies van efficiëntie, maar dit is op het moment van schrijven een gebied van voortdurend onderzoek en verbeterde technieken kunnen worden ontwikkeld.
De andere methode voor elektronenoverdracht staat bekend als Mediated Electron Transfer (MET). Dit vereist niet dat het enzym in contact staat met de anode; in plaats daarvan worden de elektronen doorgegeven aan een ander molecuul met een lager redoxpotentiaal, dat vervolgens de elektronen aan de anode afgeeft. Deze verbinding, bekend als een mediator, moet ook een hoger redoxpotentiaal hebben dan de anode. Deze extra stap gaat gepaard met energieverlies en dus is de brandstofcel in de praktijk minder efficiënt dan in theorie.
Biobrandstofcellen zijn een gebied van actief onderzoek en verschillende mogelijke oplossingen voor deze problemen worden onderzocht. Een van de mogelijkheden is het gebruik van bacteriën in microbiële brandstofcellen. IJzerreducerende bacteriën die in anaërobe omstandigheden leven, zijn bijzonder veelbelovend omdat ze van nature ijzer in zijn oxidatietoestand +3 tot zijn oxidatietoestand +2 reduceren. Het ijzer kan dan een elektron bij de anode opgeven, terugkeren naar zijn +3-toestand en werken als een natuurlijk bemiddelaarmolecuul door elektronen van de bacteriën naar de anode over te brengen.
De belangrijkste voordelen van biobrandstofcellen zijn dat ze niet-vervuilend zijn, geen dure katalysatoren vereisen en gewone, goedkope en gemakkelijk hernieuwbare grondstoffen gebruiken. De belangrijkste nadelen van biobrandstofcellen zijn hun inefficiëntie en laag vermogen. Vanaf 2011 is er echter hoop dat deze problemen kunnen worden opgelost, waardoor een nieuw scala aan mogelijkheden ontstaat. Deze omvatten niet alleen goedkope, schone en hernieuwbare energie, maar ook het vooruitzicht dat geïmplanteerde biobrandstofcellen, die op door het lichaam geproduceerde stoffen werken, worden gebruikt om medische apparaten zoals pacemakers van stroom te voorzien.