Vad är en biobränslecell?
En biobränslecell är en anordning som använder biologiska material för att generera elektricitet på ett direkt sätt genom redoxreaktioner. Detta står i kontrast till konventionell användning av biodrivmedel för att generera elektricitet från värmen som tillhandahålls genom förbränning av materialet. Principen bakom biobränslecellstekniken är att härma olika naturliga processer som används för att producera energi inom levande organismer. I vissa fall kan bakterier spela en roll i dessa bränsleceller. Från 2011 visar biobränsleceller potential som en alternativ energikälla och i olika medicinska och bioingenjörstillämpningar.
Levande organismer erhåller energi från oxidationen av kolhydrater, som genereras genom fotosyntes i växter och intas som mat av djur. Enzymer underlättar reaktionerna, i vilka kolhydrater omvandlas till koldioxid och vatten genom avlägsnande av elektroner, som sedan lagras i adenosintrifosfatmolekyler (ATP). I en biobränslecell används elektroner som produceras genom oxidation av organiska molekyler - vanligtvis kolhydrater, som i levande organismer - för att generera en elektrisk ström. Idén att använda dessa biologiska processer för att generera elektricitet har funnits sedan 1960-talet, men tidiga försök att konstruera en praktisk, fungerande biobränslecell stötte på svårigheter.
En biobränslecell består typiskt av en behållare uppdelad i två sektioner av en permeabel barriär. I ett avsnitt tillhandahåller oxidationen av ett kolhydrat - till exempel glukos - elektroner. I det andra avsnittet sker en reduktionsreaktion som använder dessa elektroner. Genom att ansluta de två elektroderna kan en ström skapas från elektroden i oxidationssektionen - anoden - till elektroden i reduktionsavsnittet - katoden.
Ett av de största praktiska problemen som hindrar utvecklingen av biobränsleceller har varit att hitta ett effektivt sätt att få elektronerna frigjorda från kolhydrat till anoden. Elektronerna lagras initialt i det oxiderande enzymet och skulle i den naturliga processen kemiskt överföras till ATP-molekyler. Det finns två möjliga metoder för att extrahera elektroner från enzymet till anoden i en biobränslecell.
I metoden Direct Electron Transfer (DET) måste enzymet bindas på anoden. Detta kan göras kemiskt eller med andra metoder, såsom konstruktion av anoden från ett nät av kolnanorör på vilka enzymet adsorberas. Dessa metoder resulterar i minskad aktivitet i enzymet och därmed förlust av effektivitet, men detta är i skrivande stund ett område med pågående forskning och förbättrade tekniker kan utvecklas.
Den andra metoden för elektronöverföring är känd som Mediated Electron Transfer (MET). Detta kräver inte att enzymet är i kontakt med anoden; istället överförs elektronerna till en annan molekyl med en lägre redoxpotential, som sedan ger upp elektronerna till anoden. Denna förening, känd som en mediator, måste också ha en högre redoxpotential än anoden. Detta extra steg innebär en förlust av energi och därför är bränslecellen i praktiken mindre effektiv än det kan vara i teorin.
Biobränsleceller är ett område med aktiv forskning och olika möjliga lösningar på dessa problem undersöks. Bland möjligheterna är användningen av bakterier i mikrobiella bränsleceller. Järnreducerande bakterier som lever under anaeroba förhållanden visar särskilt löfte eftersom de naturligtvis reducerar järn i dess +3 oxidationstillstånd till dess +2 oxidationstillstånd. Järnet kan sedan ge upp en elektron vid anoden, återgå till sitt +3-tillstånd och fungera som en naturlig medlarmolekyl genom att överföra elektroner från bakterierna till anoden.
De viktigaste fördelarna med biobränsleceller är att de är icke-förorenande, kräver inte dyra katalysatorer och använder vanliga, billiga och lätt förnybara råmaterial. De största nackdelarna med biobränsleceller är deras ineffektivitet och låg effekt. Från och med 2011 finns det dock förhoppningar om att dessa problem kan övervinnas, vilket öppnar upp ett nytt spektrum av möjligheter. Dessa inkluderar inte bara billig, ren och förnybar energi, utan också möjligheten att implanterade biobränsleceller körs på ämnen som produceras av kroppen och används för att driva medicinska apparater som pacemaker.