Hva er en biobrenselcelle?
En biobrenselcelle er en enhet som bruker biologiske materialer for å generere strøm på en direkte måte gjennom redoksreaksjoner. Dette står i kontrast til konvensjonell bruk av biodrivstoff for å generere elektrisitet fra varmen som tilføres ved forbrenning av materialet. Prinsippet bak biobrenselcelleteknologi er å etterligne forskjellige naturlige prosesser som brukes til å produsere energi i levende organismer. I noen tilfeller kan bakterier spille en rolle i disse brenselcellene. Fra og med 2011 viser biobrenselceller potensial som en alternativ energikilde og i forskjellige medisinske og bioingeniære applikasjoner.
Levende organismer henter energi fra oksidasjon av karbohydrater, som genereres ved fotosyntesen i planter og inntas som mat av dyr. Enzymer letter reaksjonene, der karbohydrater blir omdannet til karbondioksyd og vann ved fjerning av elektroner, som deretter lagres i adenosintrifosfat (ATP) molekyler. I en biobrenselcelle brukes elektroner som produseres ved oksidasjon av organiske molekyler - vanligvis karbohydrater, som i levende organismer - for å generere en elektrisk strøm. Ideen om å bruke disse biologiske prosessene for å generere elektrisitet har eksistert siden 1960-tallet, men tidlige forsøk på å konstruere en praktisk, fungerende biodrivstoffcelle hadde problemer.
En biobrenselcelle vil typisk bestå av en beholder delt i to seksjoner av en permeabel barriere. I en seksjon gir oksidasjonen av et karbohydrat - for eksempel glukose - elektroner. I den andre delen finner en reduksjonsreaksjon sted, som bruker disse elektronene. Ved å koble de to elektrodene kan det opprettes en strøm fra elektroden i oksidasjonsseksjonen - anoden - til elektroden i reduksjonsseksjonen - katoden.
Et av de største praktiske problemene som hindrer utviklingen av biodrivstoffceller har vært å finne en effektiv måte å få elektronene frigjort fra karbohydratet til anoden. Elektronene lagres opprinnelig i det oksiderende enzymet og ville i den naturlige prosessen bli kjemisk overført til ATP-molekyler. Det er to mulige metoder for å trekke ut elektroner fra enzymet til anoden i en biobrenselcelle.
I metoden Direct Electron Transfer (DET) må enzymet bindes på anoden. Dette kan gjøres kjemisk eller ved andre metoder, som konstruksjon av anoden fra et nett av karbon-nanorør som enzymet adsorberes på. Disse metodene resulterer i redusert aktivitet i enzymet og følgelig tap av effektivitet, men dette er i skrivende stund et område med pågående forskning og forbedrede teknikker kan utvikles.
Den andre metoden for elektronoverføring er kjent som Mediated Electron Transfer (MET). Dette krever ikke at enzymet er i kontakt med anoden; i stedet blir elektronene ført til et annet molekyl med et lavere redokspotensial, som deretter gir opp elektronene til anoden. Denne forbindelsen, kjent som en formidler, må også ha et høyere redokspotensiale enn anoden. Dette ekstra trinnet innebærer et tap av energi, og brenselcellen er i praksis mindre effektiv enn den kan være i teorien.
Biobrenselceller er et område med aktiv forskning, og forskjellige mulige løsninger på disse problemene blir undersøkt. Blant mulighetene er bruk av bakterier i mikrobielle brenselceller. Jernreduserende bakterier som lever under anaerobe forhold viser særlig løfte, ettersom de naturlig reduserer jern i +3 oksidasjonstilstand til +2 oksidasjonstilstand. Jernet kan da gi fra seg et elektron ved anoden, gå tilbake til +3-tilstanden og fungere som et naturlig formidlingsmolekyl ved å overføre elektroner fra bakteriene til anoden.
De viktigste fordelene med biodrivstoffceller er at de er ikke-forurensende, ikke krever dyre katalysatorer og bruker vanlige, billige og lett fornybare råvarer. De viktigste ulempene med biodrivstoffceller er deres ineffektivitet og lave effekt. Fra 2011 er det imidlertid forhåpninger om at disse problemene kan overvinnes, noe som åpner for et nytt spekter av muligheter. Disse inkluderer ikke bare billig, ren og fornybar energi, men også utsiktene til at implanterte biobrenselceller kjører på stoffer produsert av kroppen, og brukes til å drive medisinsk utstyr som pacemakere.