Biyoyakıt Hücresi Nedir?

Bir biyoyakıt hücresi, redoks reaksiyonları yoluyla doğrudan elektrik üretmek için biyolojik malzemeleri kullanan bir cihazdır. Bu, malzemenin yanması ile sağlanan ısıdan elektrik üretmek için geleneksel biyoyakıt kullanımıyla çelişmektedir. Biyoyakıt hücresi teknolojisinin ardındaki ilke, canlı organizmalar içerisinde enerji üretmek için kullanılan çeşitli doğal süreçleri taklit etmektir. Bazı durumlarda, bakteri bu yakıt hücrelerinde rol oynayabilir. 2011 itibariyle, biyoyakıt hücreleri alternatif bir enerji kaynağı olarak ve çeşitli tıbbi ve biyo-mühendislik uygulamalarında potansiyel göstermektedir.

Canlı organizmalar, bitkilerde fotosentez ile üretilen ve hayvanlar tarafından gıda olarak alınan karbonhidratların oksidasyonundan enerji alırlar. Enzimler, daha sonra adenosin trifosfat (ATP) moleküllerinde depolanan elektronların çıkarılmasıyla karbonhidratların karbondioksit ve suya dönüştürüldüğü reaksiyonları kolaylaştırır. Bir biyoyakıt hücresinde, organik moleküllerin oksidasyonu ile üretilen elektronlar - genellikle canlı organizmalarda olduğu gibi genellikle karbonhidratlar - elektrik akımı üretmek için kullanılır. Bu biyolojik süreçleri elektrik üretmek için kullanma fikri 1960'lardan bu yana olmuştur, ancak pratik, çalışan bir biyoyakıt hücresi inşa etmeye yönelik erken girişimler zorluklarla karşılaştı.

Bir biyo-yakıt hücresi tipik olarak geçirgen bir bariyer ile iki bölüme ayrılmış bir kaptan oluşacaktır. Bir bölümde, bir karbonhidratın (örneğin, glikozun) oksidasyonu elektronları sağlar. Diğer bölümde, bu elektronları kullanan bir indirgeme reaksiyonu meydana gelir. İki elektrotun bağlanmasıyla, oksidasyon bölümündeki elektrottan - anottan - indirgeme bölümündeki elektrota - katottan bir akım yapılabilir.

Biyoyakıt hücrelerinin gelişimini engelleyen en büyük pratik sorunlardan biri, karbonhidrattan salınan elektronları anot içerisine almak için etkili bir yol bulmak olmuştur. Elektronlar başlangıçta oksitleyici enzimde depolanır ve doğal süreçte kimyasal olarak ATP moleküllerine aktarılır. Biyoyakıt hücresinde elektronların enzimden anotlara ekstrakte edilmesinin iki olası yöntemi vardır.

Direkt Elektron Transferi (DET) yönteminde, enzimin anot üzerine bağlanması gerekir. Bu kimyasal olarak ya da anotun üzerine enzimin adsorbe edildiği bir karbon nanotüpler ağından oluşturmak gibi başka yöntemlerle yapılabilir. Bu yöntemler, enzimde aktivitenin azalmasına ve sonuçta verim kaybına neden olur, ancak bu, yazma sırasında, devam etmekte olan bir araştırma alanı ve geliştirilmiş teknikler geliştirilebilir.

Diğer elektron transferi yöntemi, Aracılı Elektron Transferi (MET) olarak bilinir. Bu, enzimin anotla temas halinde olmasını gerektirmez; bunun yerine, elektronlar daha düşük bir redoks potansiyeli olan başka bir moleküle geçirilir ve bu elektronları anottan verir. Bir arabulucu olarak bilinen bu bileşik ayrıca anottan daha yüksek bir redoks potansiyeline sahip olmalıdır. Bu ilave adım enerji kaybını içerir ve bu nedenle yakıt hücresi pratikte teoride olduğundan daha az verimlidir.

Biyoyakıt hücreleri aktif bir araştırma alanıdır ve bu sorunlara çeşitli olası çözümler araştırılmaktadır. Olasılıklar arasında mikrobiyal yakıt hücrelerinde bakteri kullanımı vardır. Anaerobik koşullarda yaşayan demir indirgeyici bakteriler, doğal olarak +3 oksidasyon durumundaki demiri +2 oksidasyon durumuna düşürdükleri için özel bir umut vaat etmektedir. Demir daha sonra anottaki bir elektrondan vazgeçebilir, +3 durumuna geri döner ve elektronları bakterilerden anotlara aktararak doğal bir arabulucu molekül görevi görür.

Biyoyakıt hücrelerinin temel avantajları, kirletici olmaması, pahalı katalizör gerektirmemesi ve yaygın, ucuz ve kolay yenilenebilir hammaddeler kullanmasıdır. Biyoyakıt hücrelerinin temel dezavantajları verimsizlikleri ve düşük güç çıkışlarıdır. Bununla birlikte, 2011 itibariyle, bu sorunların üstesinden gelinebilir ve yeni bir olasılıklar yelpazesi açar. Bunlar arasında sadece ucuz, temiz ve yenilenebilir enerji değil, aynı zamanda vücut tarafından üretilen maddeler üzerinde çalışan kalp pili gibi tıbbi cihazlara güç vermek için kullanılan implante edilmiş biyoyakıt hücrelerinin bulunma olasılığı da bulunmaktadır.