O que é uma célula de biocombustível?

Uma célula de biocombustível é um dispositivo que utiliza materiais biológicos para gerar eletricidade de maneira direta através de reações redox. Isso contrasta com o uso convencional de biocombustíveis para gerar eletricidade a partir do calor fornecido pela combustão do material. O princípio por trás da tecnologia das células de biocombustível é imitar vários processos naturais que são usados ​​para produzir energia dentro dos organismos vivos. Em alguns casos, as bactérias podem desempenhar um papel nessas células de combustível. A partir de 2011, as células de biocombustíveis mostram potencial como fonte alternativa de energia e em várias aplicações médicas e de bioengenharia.

Os organismos vivos obtêm energia a partir da oxidação dos carboidratos, que são gerados pela fotossíntese nas plantas e ingeridos como alimento pelos animais. As enzimas facilitam as reações, nas quais os carboidratos são convertidos em dióxido de carbono e água pela remoção de elétrons, que são armazenados nas moléculas de adenosina trifosfato (ATP). Em uma célula de biocombustível, os elétrons produzidos pela oxidação de moléculas orgânicas - geralmente carboidratos, como nos organismos vivos - são usados ​​para gerar uma corrente elétrica. A ideia de usar esses processos biológicos para gerar eletricidade existe desde a década de 1960, mas as primeiras tentativas de construir uma célula prática e funcional de biocombustível encontraram dificuldades.

Uma célula de biocombustível normalmente consiste em um recipiente dividido em duas seções por uma barreira permeável. Em uma seção, a oxidação de um carboidrato - por exemplo, glicose - fornece elétrons. Na outra seção, ocorre uma reação de redução, que usa esses elétrons. Ao conectar os dois eletrodos, é possível fazer uma corrente do eletrodo na seção de oxidação - o ânodo - para o eletrodo na seção de redução - no cátodo.

Um dos maiores problemas práticos que dificultam o desenvolvimento de células de biocombustíveis foi encontrar uma maneira eficiente de levar os elétrons liberados do carboidrato para o ânodo. Os elétrons são inicialmente armazenados na enzima oxidante e, no processo natural, seriam transferidos quimicamente para as moléculas de ATP. Existem dois métodos possíveis para extrair elétrons da enzima no ânodo em uma célula de biocombustível.

No método de transferência direta de elétrons (DET), a enzima precisa ser ligada ao ânodo. Isso pode ser feito quimicamente ou por outros métodos, como a construção do ânodo a partir de uma malha de nanotubos de carbono nos quais a enzima é adsorvida. Esses métodos resultam em atividade reduzida na enzima e consequente perda de eficiência, mas essa é, no momento da redação deste artigo, uma área de pesquisa em andamento e técnicas aprimoradas que podem ser desenvolvidas.

O outro método de transferência de elétrons é conhecido como Transferência Eletrônica Mediada (MET). Isso não requer que a enzima entre em contato com o ânodo; em vez disso, os elétrons são passados ​​para outra molécula com um potencial redox menor, que então entrega os elétrons ao ânodo. Esse composto, conhecido como mediador, também deve ter um potencial redox maior que o ânodo. Essa etapa extra envolve perda de energia e, portanto, a célula de combustível é, na prática, menos eficiente do que poderia ser em teoria.

As células de biocombustíveis são uma área de pesquisa ativa e várias soluções possíveis para esses problemas estão sendo investigadas. Entre as possibilidades está o uso de bactérias em células de combustível microbianas. As bactérias redutoras de ferro que vivem em condições anaeróbicas mostram uma promessa particular, pois reduzem naturalmente o ferro no estado de oxidação +3 para o estado de oxidação +2. O ferro pode então liberar um elétron no ânodo, retornando ao seu estado +3 e agindo como uma molécula mediadora natural, transferindo elétrons da bactéria para o ânodo.

As principais vantagens das células de biocombustíveis são que elas não são poluentes, não requerem catalisadores caros e usam matérias-primas comuns, baratas e facilmente renováveis. As principais desvantagens das células de biocombustível são sua ineficiência e baixa potência. A partir de 2011, no entanto, há esperanças de que esses problemas possam ser superados, abrindo uma nova gama de possibilidades. Isso inclui não apenas energia barata, limpa e renovável, mas também a perspectiva de células de biocombustível implantadas, que funcionam com substâncias produzidas pelo organismo, sendo usadas para alimentar dispositivos médicos, como marcapassos.