Τι είναι ένα κύτταρο βιοκαυσίμων;

Ένα κύτταρο βιοκαυσίμων είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί βιολογικά υλικά για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας με άμεσο τρόπο μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής.Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη συμβατική χρήση βιοκαυσίμων για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας από τη θερμότητα που παρέχεται από την καύση του υλικού.Η αρχή πίσω από την τεχνολογία των κυττάρων βιοκαυσίμων είναι να μιμείται διάφορες φυσικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμούς.Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα βακτήρια μπορεί να διαδραματίσουν κάποιο ρόλο σε αυτά τα κύτταρα καυσίμου.Από το 2011, τα κύτταρα βιοκαυσίμων δείχνουν το δυναμικό ως εναλλακτική πηγή ενέργειας και σε διάφορες ιατρικές και βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Οι ζωντανοί οργανισμοί αποκτώνται ενέργεια από την οξείδωση των υδατανθράκων, οι οποίοι παράγονται με φωτοσύνθεση σε φυτά και καταπιούν ως τρόφιμα από ζώα.Τα ένζυμα διευκολύνουν τις αντιδράσεις, στις οποίες οι υδατάνθρακες μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων, τα οποία στη συνέχεια αποθηκεύονται σε μόρια τριφωσφορικής αδενοροσίνης (ΑΤΡ).Σε ένα κύτταρο βιοκαυσίμων, ηλεκτρόνια που παράγονται από την οξείδωση των οργανικών μορίων mdash.συνήθως υδατάνθρακες, όπως και στους ζωντανούς οργανισμούς mdash;χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος.Η ιδέα της χρήσης αυτών των βιολογικών διεργασιών για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας ήταν γύρω από τη δεκαετία του 1960, αλλά οι πρώτες προσπάθειες κατασκευής ενός πρακτικού, εργαζόμενου κυττάρου βιοκαυσίμων αντιμετωπίζουν δυσκολίες..Σε ένα τμήμα, η οξείδωση ενός υδατανθράκου mdash;Για παράδειγμα, γλυκόζη mdash;Παρέχει ηλεκτρόνια.Στην άλλη ενότητα, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση μείωσης, η οποία χρησιμοποιεί αυτά τα ηλεκτρόνια.Συνδέοντας τα δύο ηλεκτρόδια, ένα ρεύμα μπορεί να κατασκευαστεί από το ηλεκτρόδιο στο τμήμα οξείδωσης MDASH;η άνοδος mdash;στο ηλεκτρόδιο στο τμήμα μείωσης MDASH;Η κάθοδος. Ένα από τα μεγαλύτερα πρακτικά προβλήματα που εμποδίζουν την ανάπτυξη κυττάρων βιοκαυσίμων έχει βρει έναν αποτελεσματικό τρόπο να πάρει τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από τους υδατάνθρακες στην άνοδο.Τα ηλεκτρόνια αποθηκεύονται αρχικά στο οξειδωτικό ένζυμο και θα μεταφερθούν χημικά σε μόρια ΑΤΡ.Υπάρχουν δύο πιθανές μέθοδοι εξαγωγής ηλεκτρονίων από το ένζυμο στην άνοδο σε ένα κύτταρο βιοκαυσίμων.

Στη μέθοδο άμεσης μεταφοράς ηλεκτρονίων (DET), το ένζυμο πρέπει να συνδεθεί στην άνοδο.Αυτό μπορεί να γίνει χημικά ή με άλλες μεθόδους, όπως η κατασκευή της ανόδου από ένα πλέγμα νανοσωλήνων άνθρακα πάνω στους οποίους προσροφάται το ένζυμο.Αυτές οι μέθοδοι έχουν ως αποτέλεσμα τη μειωμένη δραστηριότητα στο ένζυμο και την επακόλουθη απώλεια αποδοτικότητας, αλλά αυτό είναι, κατά τη στιγμή της γραφής, μπορεί να αναπτυχθεί μια περιοχή συνεχούς έρευνας και βελτιωμένων τεχνικών.

Η άλλη μέθοδος μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως μεσολαβούμενη ηλεκτρόνιαΜεταφορά (Met).Αυτό δεν απαιτεί το ένζυμο να έρχεται σε επαφή με την άνοδο.Αντ 'αυτού, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται σε ένα άλλο μόριο με χαμηλότερο δυναμικό οξειδοαναγωγής, το οποίο στη συνέχεια παραιτείται από τα ηλεκτρόνια στην άνοδο.Αυτή η ένωση, γνωστή ως διαμεσολαβητής, πρέπει επίσης να έχει υψηλότερο δυναμικό οξειδοαναγωγής από την άνοδο.Μεταξύ των δυνατοτήτων είναι η χρήση βακτηρίων σε μικροβιακά κύτταρα καυσίμου.Τα βακτηρίδια που μειώνουν τον σίδηρο που ζουν σε αναερόβιες συνθήκες δείχνουν ιδιαίτερη υπόσχεση καθώς μειώνουν φυσικά τον σίδηρο στην κατάσταση οξείδωσης +3 στην κατάσταση οξείδωσης +2.Ο σίδηρος μπορεί στη συνέχεια να παραιτηθεί από ένα ηλεκτρόνιο στην άνοδο, επιστρέφοντας στην κατάσταση +3 του και ενεργώντας ως φυσικό μόριο μεσολαβητή μεταφέροντας ηλεκτρόνια από τα βακτήρια στην άνοδο., δεν απαιτούν ακριβούς καταλύτες και χρησιμοποιούν κοινές, φθηνές και εύκολα ανανεώσιμες πρώτες ύλες.Τα κύρια μειονεκτήματα τουΤα κύτταρα βιοκαυσίμων είναι η αναποτελεσματικότητά τους και η χαμηλή ισχύς τους.Από το 2011, ωστόσο, υπάρχουν ελπίδες ότι αυτά τα προβλήματα μπορούν να ξεπεραστούν, ανοίγοντας μια νέα σειρά δυνατοτήτων.Αυτά περιλαμβάνουν όχι μόνο φθηνή, καθαρή και ανανεώσιμη ενέργεια, αλλά και την προοπτική των εμφυτευμένων κυττάρων βιοκαυσίμων, που τρέχουν σε ουσίες που παράγονται από το σώμα, που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία ιατρικών συσκευών όπως βηματοδότες.