Was ist eine Biokraftstoffzelle?

Eine Biokraftstoffzelle ist ein Gerät, das biologische Materialien verwendet, um durch Redoxreaktionen Strom direkt zu erzeugen.Dies steht im Gegensatz zur konventionellen Verwendung von Biokraftstoffen, um Strom aus der Wärme zu erzeugen, die durch Verbrennung des Materials bereitgestellt wird.Das Prinzip hinter der Biokraftstoffzellentechnologie besteht darin, verschiedene natürliche Prozesse nachzuahmen, die zur Herstellung von Energie innerhalb lebender Organismen verwendet werden.In einigen Fällen können Bakterien in diesen Brennstoffzellen eine Rolle spielen.Ab 2011 zeigen Biokraftstoffzellen Potential als alternative Energiequelle und in verschiedenen medizinischen und bioengineerischen Anwendungen.Enzyme erleichtern die Reaktionen, bei denen Kohlenhydrate durch Entfernung von Elektronen in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden, die dann in Adenosintriphosphat -Molekülen (ATP) gelagert werden.In einer Biokraftstoffzelle produziert Elektronen, die durch Oxidation von organischen Molekülen mdash produziert werden;Normalerweise Kohlenhydrate, wie in lebenden Organismen mdash;werden verwendet, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.Die Idee, diese biologischen Prozesse zur Erzeugung von Strom zu verwenden, gibt es seit den 1960er Jahren, aber frühe Versuche, eine praktische, funktionierende Biokraftstoffzelle zu konstruieren.In einem Abschnitt die Oxidation eines Kohlenhydrats mdash;Zum Beispiel Glucose Mdash;Bietet Elektronen.Im anderen Abschnitt findet eine Reduktionsreaktion statt, die diese Elektronen verwendet.Durch Anschließen der beiden Elektroden kann ein Strom aus der Elektrode im Oxidationsabschnitt mdash hergestellt werden.Die Anode mdash;an die Elektrode im Reduktionsabschnitt mdash;Die Kathode.

Eines der größten praktischen Probleme, die die Entwicklung von Biokraftstoffzellen behindern, hat einen effizienten Weg gefunden, um die Elektronen aus dem Kohlenhydraten in die Anode freizugeben.Die Elektronen werden zunächst im oxidierenden Enzym gespeichert und würden im natürlichen Prozess chemisch in ATP -Moleküle übertragen.Es gibt zwei mögliche Methoden, um Elektronen aus dem Enzym in die Anode in einer Biokraftstoffzelle zu extrahieren.Dies kann chemisch oder mit anderen Methoden erfolgen, z.Diese Methoden führen zu einer verringerten Aktivität im Enzym und dem daraus resultierenden Effizienzverlust. Dies ist jedoch zum Zeitpunkt des Schreibens ein Bereich der laufenden Forschung und verbesserte Techniken entwickelt.

Die andere Methode des Elektronentransfers wird als vermitteltes Elektron bezeichnetTransfer (Met).Dadurch muss das Enzym nicht mit der Anode in Kontakt stehen.Stattdessen werden die Elektronen an ein anderes Molekül mit einem niedrigeren Redoxpotential übergeben, das dann die Elektronen an die Anode aufgibt.Diese als Mediator bekannte Verbindung muss auch ein höheres Redoxpotential als die Anode haben.Dieser zusätzliche Schritt beinhaltet einen Energieverlust und daher ist die Brennstoffzelle in der Praxis weniger effizient als theoretisch.Zu den Möglichkeiten gehört die Verwendung von Bakterien in mikrobiellen Brennstoffzellen.Eisenreduzierende Bakterien, die unter anaeroben Bedingungen leben, zeigen ein besonderes Versprechen, da sie auf natürliche Weise Eisen in seinem +3 -Oxidationszustand auf seinen +2 -Oxidationszustand reduzieren.Das Eisen kann dann ein Elektron an der Anode aufgeben, in seinen +3-Zustand zurückkehren und als natürliches Mediatormolekül fungierenbenötigen keine teuren Katalysatoren und verwenden Sie gemeinsame, kostengünstige und leicht erneuerbare Rohstoffe.Die Hauptnachteile vonBiokraftstoffzellen sind ihre Ineffizienz und niedrige Leistung.Ab 2011 besteht jedoch die Hoffnung, dass diese Probleme überwunden werden können und eine neue Palette von Möglichkeiten eröffnen.Dazu gehören nicht nur billige, saubere und erneuerbare Energien, sondern auch die Aussicht auf implantierte Biokraftstoffzellen, die auf Substanzen laufen, die vom Körper produziert werden und zur Stromversorgung von medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern verwendet werden.