1. Введение

 

В течение двадцатого столетия потребление энергии человеком постоянно увеличилось, и в настоящее время этот процесс очевидно не сбалансирован. В то время как нет никакого признака, что рост потребления энергией снизится, особенно среди развивающихся стран, появилось понимание быстротечности невозобновляемых ресурсов и необратимости ущерба, наносимого окружающей среде. Кроме того, существует тенденция миниатюризации устройств связи и компьютеров. Эти энергопотребляющие приложения требуют малых и легких источников энергии и способны выдержать длительную эксплуатацию, особенно в отдаленных районах типа космоса. Исследования в медицине увеличивают число имплантируемых электрических устройств (например, водителей сердечного ритма). Они тоже нуждаются в источниках питания, которые должны работать чрезвычайно продолжительно, поскольку их обслуживание потребовало бы операционного вмешательства. В идеале, имплантируемые устройства могли бы использовать в качестве источника энергии природные источники, присутствующие в организме, таким образом, продолжая функционировать на протяжении всей жизни объекта. Биотопливные элементы потенциально предлагают решение всех этих проблем посредством использования природных биологических растворов для генерирования энергии и ее приспособления к нашим потребностям. Они с готовностью используют доступные субстраты из возобновляемых источников, преобразовывая их в неопасные конечные продукты с генерированием электричества. Они могут быть достаточно малы, а "топливом" может служить даже вещества, присутствующие в теле человека - например, глюкоза крови.

Содержание

1. Введение

2. Микробные биотопливные ячейки

2.1. Микробные биореакторы, производящие H2 для топливных элементов

2.2. Интегрированные микробные биотопливные ячейки, производящие электрохимически активные метаболиты в анодном отделении биотопливных ячеек

2.3. Микробные биотопливные ячейки, работающие в присутствии искусственных медиаторов электронного переноса

3. Биотопливные элементы на основе ферментов

    3.1. Аноды биотопливных элементов, использующие ферментативные реакции окисления

Биотопливные ячейки (элементы) используют биокатализаторы для преобразования химической энергии в электрическую. Поскольку большинство органических субстратов окисляется с выделением энергии, их биокатализируемое окисление кислородом или другими окислителями при наличии двух электродов можт рассматриваться как преобразование химической энергии в электрическую. В качестве субстратов процесса окисления может использоваться доступное органическое сырье типа метанола, органических кислот или глюкозы, с применением в качестве восстанавливающегося субстрата молекулярного кислорода или H2O2. Возможно также промежуточное выделение водорода как потенциального топлива.

   

 

Извлекаемая мощность топливной ячейки (Pяч) - произведение напряжения ячейки (Vяч) и тока ячейки (Iяч):  Pяч = Vяч Iяч . Хотя идеальное напряжение ячейки определяется различием в формальных потенциалах окислителя и восстановителя (E °'ок - E °'топл), необратимые потери напряжения (h) в результате кинетических ограничений электронного переноса на поверхности электрода, омического сопротивления и градиентов концентрации ведут к снижению его значения: Vяч = (E °'oк - E °'топл) - h.

Аналогично, ток ячейки контролируется размерами электрода, подвижностью иона и скоростью транспорта сквозь мембрану, отделяющую пространства  католита и анолита биотопливной ячейки, особенно скоростью электронного переноса на соответствующих электродах. Эти параметры в комплексе влияют на мощность биотопливной ячейки, и для повышения эффективности значения Vяч и Iяч должны быть оптимизированы.

Биотопливные ячейки могут использовать биокатализаторы, - ферменты или даже целые клеточные организмы одним из двух способов. Биокатализаторы могут генерировать топливные субстраты для ячейки посредством биокаталитических преобразований либо метаболических процессов или биокатализаторы могут участвовать в цепи электронного переноса между топливными субстратами и поверхностью электрода. К сожалению, большинство оксидоредуктаз не принимают участия в прямом электронном переносе с проводящими подложками, и поэтому для электрического контакта биокатализатора и электрода используются разнообразные медиаторы переноса электронов  [9]. Недавно были разработаны новые подходы для функционализации поверхности электрода моно- и мультислоями, состоящими из окислительно-восстановительных ферментов, электрокатализаторов и биоэлектрокатализаторов, которые ускоряют электродные процессы [10]. Сочетание таких биоактивных электродов может быть выгодным для применений в биотопливном элементе за счет интегрированной структуры, включающей биокатализатор и электрод. Здесь далее будут рассмотрены некоторые аспекты конструирования микробных биотопливных ячеек на основе таких интегрированных структур.

Литература:

1. C. Van Dijik, C. Laane, C. Veeger, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas., 104, 245 (1985).

2. W.J. Aston, A.P.F. Turner, Biotechnol. Gen. Eng. Rev., 1, 89 (1984).

3.  L.B. Wingard Jr., C.H. Shaw, J.F. Castner, Enzyme Microb. Technol., 4, 137 (1982).

4. A.P.F. Turner, W.J. Aston, I.J. Higgins, G. Davis, H.A.O. Hill, 'Applied Aspects of Bioelectrochemistry:  Fuel Cells, Sensors, and Bioorganic Synthesis' in "Fourth Symposium on Biotechnology in Energy Production and Conservation", C.D. Scott (Ed.), Interscience, 12, 401 (1982).

5. G.T.R. Palmore, G.M. Whitesides, 'Microbial and Enzymatic Biofuel Cells' in "Enzymatic Conversion of Biomass for Fuels Production", M.E. Himmel, J.O. Baker, R.P. Overend (Eds.), ACS Symposium Series No. 566, American Chemical Society,Washington, DC. pp. 271-290 (1994).

6. A.T. Yahiro, S.M. Lee, D.O. Kimble, Biochim. Biophys. Acta, 88, 375 (1964).

7. F.D. Sisler, 'Biochemical Fuel Cells' in "Progress in Industrial Microbiology", D.J.D. Hockenhull (Ed.), J. & A. Churchill, London, Vol. 9, pp. 1-11 (1971).

8. S. Wilkinson, Autonomous Robots, 9, 99 (2000).

9. P.N. Bartlett, P. Tebbutt, R.C. Whitaker, Prog. Reaction Kinetics, 16, 55 (1991).

10. I. Willner, E. Katz, Angew. Chem. Int. Ed., 39, 1180 (2000).