Kaj je biogorivna celica?

Biogorivna celica je naprava, ki uporablja biološke materiale za proizvodnjo električne energije na neposreden način z redoks reakcijami. To je v nasprotju s konvencionalno uporabo biogoriv za proizvodnjo električne energije iz toplote, ki nastane pri zgorevanju materiala. Načelo tehnologije biogorivnih celic je posnemati različne naravne procese, ki se uporabljajo za proizvodnjo energije v živih organizmih. V nekaterih primerih lahko bakterije igrajo vlogo v teh gorivnih celicah. Od leta 2011 celice iz biogoriv kažejo potencial kot alternativni vir energije in v različnih medicinskih in bioinženirskih aplikacijah.

Živi organizmi pridobivajo energijo z oksidacijo ogljikovih hidratov, ki nastanejo s fotosintezo v rastlinah in jih živali zaužijejo kot hrano. Encimi olajšajo reakcije, pri katerih se ogljikovi hidrati z odstranitvijo elektronov pretvorijo v ogljikov dioksid in vodo, ki se nato shranijo v molekule adenozin trifosfata (ATP). V celici za biogorivo se elektroni, ki nastanejo z oksidacijo organskih molekul – običajno ogljikovih hidratov, kot v živih organizmih – uporabljajo za ustvarjanje električnega toka. Zamisel o uporabi teh bioloških procesov za proizvodnjo električne energije obstaja že od šestdesetih let prejšnjega stoletja, vendar so zgodnji poskusi izdelave praktične, delujoče celice za biogorivo naleteli na težave.

Biogorivna celica je običajno sestavljena iz posode, razdeljene na dva dela s prepustno pregrado. V enem delu oksidacija ogljikovih hidratov – na primer glukoze – zagotavlja elektrone. V drugem delu poteka redukcijska reakcija, ki uporablja te elektrone. S povezovanjem obeh elektrod se lahko izvede tok od elektrode v oksidacijskem delu – anode – do elektrode v redukcijskem delu – katodi.

Eden največjih praktičnih problemov, ki ovira razvoj biogorivnih celic, je bilo iskanje učinkovitega načina za pridobivanje elektronov, sproščenih iz ogljikovih hidratov, v anodo. Elektroni so sprva shranjeni v oksidacijskem encimu in bi se v naravnem procesu kemično prenesli v molekule ATP. Obstajata dve možni metodi za ekstrakcijo elektronov iz encima v anodo v celici za biogorivo.

Pri metodi direktnega prenosa elektronov (DET) je treba encim vezati na anodo. To je mogoče narediti kemično ali z drugimi metodami, kot je izdelava anode iz mreže ogljikovih nanocevk, na katero je adsorbiran encim. Te metode imajo za posledico zmanjšano aktivnost encima in posledično izgubo učinkovitosti, vendar je v času pisanja to področje stalnih raziskav in se lahko razvijejo izboljšane tehnike.

Druga metoda prenosa elektronov je znana kot posredovani prenos elektronov (MET). To ne zahteva, da je encim v stiku z anodo; namesto tega se elektroni prenesejo na drugo molekulo z nižjim redoks potencialom, ki nato odda elektrone anodi. Ta spojina, znana kot mediator, mora imeti tudi večji redoks potencial kot anoda. Ta dodatni korak vključuje izgubo energije, zato je gorivna celica v praksi manj učinkovita, kot bi lahko bila v teoriji.
Biogorivne celice so področje aktivnega raziskovanja in raziskujejo različne možne rešitve teh problemov. Med možnostmi je uporaba bakterij v mikrobnih gorivnih celicah. Bakterije, ki reducirajo železo, ki živijo v anaerobnih pogojih, so še posebej obetavne, saj naravno reducirajo železo v oksidacijskem stanju +3 v oksidacijsko stanje +2. Železo lahko nato odda elektron na anodi, se vrne v stanje +3 in deluje kot naravna molekula posrednika s prenosom elektronov iz bakterije na anodo.

Glavne prednosti biogorivnih celic so, da ne onesnažujejo, ne zahtevajo dragih katalizatorjev in uporabljajo običajne, poceni in lahko obnovljive surovine. Glavna pomanjkljivost biogorivnih celic je njihova neučinkovitost in nizka izhodna moč. Od leta 2011 pa obstaja upanje, da bo te težave mogoče premagati in odpreti nove možnosti. Ti vključujejo ne le poceni, čisto in obnovljivo energijo, temveč tudi možnost, da bi bile implantirane celice za biogorivo, ki bi delovale na snovi, ki jih proizvaja telo, uporabljale za napajanje medicinskih naprav, kot so srčni spodbujevalniki.