Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ферментативное биотопливо клетки представляют собой тип специфики топливного элемента , который использует ферменты в качестве катализатора , чтобы окислить свое топливо, а не драгоценные металлов. Ферментативные биотопливные элементы, в настоящее время ограниченные исследовательскими центрами, широко ценятся за обещание, которое они дают с точки зрения их относительно недорогих компонентов и топлива, а также потенциального источника энергии для бионических имплантатов.

Операция [ править ]

Общая схема ферментативного биотопливного элемента, использующего глюкозу и кислород . Синяя область указывает на электролит .

Ферментативные биотопливные элементы работают по тем же общим принципам, что и все топливные элементы: используют катализатор для отделения электронов от исходной молекулы и заставляют ее проходить через электролитный барьер через провод для генерации электрического тока. Что отличает ферментный биотопливный элемент от более обычных топливных элементов, так это катализаторы, которые они используют, и топливо, которое они принимают. В то время как в большинстве топливных элементов в качестве катализаторов используются такие металлы, как платина и никель , в ферментативных биотопливных элементах используются ферменты, полученные из живых клеток (хотя и не в живых элементах; топливные элементы, которые используют целые элементы для катализирования топлива, называются микробными топливными элементами ). Это дает несколько преимуществ ферментативным биотопливным клеткам: ферменты относительно легко производить в массовом порядке и поэтому получают выгоду отэкономия на масштабе , в то время как драгоценные металлы должны добываться, и поэтому их предложение неэластично . Ферменты также специально разработаны для обработки органических соединений, таких как сахара и спирты, которые чрезвычайно распространены в природе. Большинство органических соединений не могут использоваться в качестве топлива в топливных элементах с металлическими катализаторами, потому что монооксид углерода, образующийся при взаимодействии молекул углерода с кислородом во время работы топливного элемента, быстро «отравит» драгоценные металлы, на которые опирается элемент, что сделает его бесполезным. . [1] Поскольку сахар и другое биотопливо можно выращивать и собирать в больших масштабах, топливо для ферментативных биотопливных элементов чрезвычайно дешево и его можно найти практически в любой части мира, что делает его чрезвычайно привлекательным вариантом с точки зрения логистики и даже тем более для тех, кто заинтересован в использовании возобновляемых источников энергии .

Ферментные биотопливные элементы также имеют эксплуатационные требования, которых нет у традиционных топливных элементов. Что наиболее важно, ферменты, которые позволяют топливному элементу работать, должны быть «иммобилизованы» рядом с анодом и катодом для правильной работы; если не иммобилизовать, ферменты будут диффундировать в топливо элемента, и большая часть высвободившихся электронов не достигнет электродов, что поставит под угрозу его эффективность. [2] Даже при иммобилизации должны быть предусмотрены средства для переноса электронов на электроды и от них.. Это можно сделать либо непосредственно от фермента к электроду («прямой перенос электронов»), либо с помощью других химических веществ, которые переносят электроны от фермента к электроду («опосредованный перенос электронов»). Первый метод возможен только с определенными типами ферментов, сайты активации которых расположены близко к поверхности фермента, но это представляет меньший риск токсичности для топливных элементов, предназначенных для использования в организме человека. [2] Наконец, полная переработка сложного топлива, используемого в ферментативных биотопливных элементах, требует ряда различных ферментов для каждой стадии процесса «метаболизма»; производство некоторых необходимых ферментов и поддержание их на требуемом уровне может вызвать проблемы. [3]

История [ править ]

Ранняя работа с биотопливными элементами, начатая в начале 20 века, была чисто микробной . [1] Исследования по использованию ферментов непосредственно для окисления в биотопливных клетках начались в начале 1960-х годов, когда первая ферментная биотопливная клетка была произведена в 1964 году. [1] [4] Это исследование началось как продукт интереса НАСА к поиску способов вторичной переработки. человеческие отходы в полезную энергию на борту космических кораблей , а также компонент поиска искусственного сердца , в частности, в качестве источника энергии, который может быть помещен непосредственно в человеческое тело. [5]Эти два применения - использование продуктов животного или растительного происхождения в качестве топлива и разработка источника энергии, который может быть напрямую имплантирован в человеческое тело без внешней дозаправки - остаются основными целями при разработке этих биотопливных элементов. [6] Однако первоначальные результаты не оправдали ожиданий. В то время как первые элементы действительно успешно производили электричество , возникали трудности с транспортировкой электронов, высвобожденных из глюкозного топлива, к электроду топливного элемента и дальнейшие трудности с поддержанием системы достаточно стабильной, чтобы вообще производить электричество из-за тенденции ферментов уходить от там, где они должны были быть, чтобы топливный элемент функционировал. [2]Эти трудности привели к тому, что исследователи биотопливных элементов отказались от модели фермент-катализатор почти на три десятилетия в пользу более традиционных металлических катализаторов (в основном платиновых), которые используются в большинстве топливных элементов. [2] Исследования по этому вопросу возобновлялись только в 1980-х годах, когда стало ясно, что метод с использованием металлического катализатора не сможет обеспечить желаемые качества биотопливного элемента, и с тех пор работа над ферментативными биотопливными элементами возобновилась. вокруг решения различных проблем, которые преследовали предыдущие попытки создать успешный ферментный биотопливный элемент. [2]

Однако многие из этих проблем были решены в 1998 году. В том же году было объявлено, что исследователям удалось полностью окислить метанол, используя серию (или «каскад») ферментов в биотопливном элементе. [7] До этого времени ферментные катализаторы не могли полностью окислить топливо элемента, обеспечивая гораздо меньшее количество энергии, чем ожидалось, учитывая то, что было известно об энергетической емкости топлива. [3] В то время как метанол в настоящее время гораздо менее актуален в этой области в качестве топлива, продемонстрированный метод использования ряда ферментов для полного окисления топлива элемента дал исследователям возможность продвинуться вперед, и в настоящее время большая часть работы посвящена использованию аналогичных методов для достижения полное окисление более сложных соединений, например глюкозы. [2][3] Кроме того, что, возможно, более важно, 1998 год был годом, когда была успешно продемонстрирована «иммобилизация» ферментов, что увеличило срок службы метанольных топливных элементов с восьми часов до более чем недели. [2] Иммобилизация также дала исследователям возможность применить на практике ранее сделанные открытия, в частности, открытие ферментов, которые можно использовать для прямого переноса электронов от фермента к электроду. Этот процесс был понят с 1980-х годов, но сильно зависел от размещения фермента как можно ближе к электроду, что означало, что его нельзя было использовать до тех пор, пока не были разработаны методы иммобилизации. [2] Кроме того, разработчики ферментативных биотопливных клеток применили некоторые достижения внанотехнологии к их конструкциям, включая использование углеродных нанотрубок для непосредственной иммобилизации ферментов. [2] Другие исследования направлены на использование некоторых сильных сторон ферментативной конструкции для резкой миниатюризации топливных элементов, процесса, который должен произойти, если эти элементы когда-либо будут использоваться с имплантируемыми устройствами . Одна исследовательская группа воспользовалась исключительной селективностью ферментов, чтобы полностью удалить барьер между анодом и катодом , что является абсолютным требованием для топливных элементов не ферментативного типа. Это позволило команде создать топливный элемент мощностью 1,1 микроватта, работающий при напряжении более половины вольта.на площади всего 0,01 кубических миллиметра . [2]

Хотя ферментные биотопливные элементы в настоящее время не используются за пределами лаборатории, по мере развития технологии за последнее десятилетие неакадемические организации проявляют растущий интерес к практическому применению устройств. В 2007 году Sony объявила , что она разработала ферментативной биотопливной ячейки , которые могут быть связаны в последовательности и используется для питания MP3 - плеер , [8] , а в 2010 инженером на работу в армии США объявил о том , что Министерство обороны планирует провести поле испытания собственной «биобатареи» в следующем году. [9] Объясняя свое стремление к этой технологии, обе организации подчеркнули необычайное изобилие (и чрезвычайно низкую стоимость) топлива для этих элементов, ключевое преимущество технологии, которая, вероятно, станет еще более привлекательной, если цены на портативные источники энергии вырастут. или если они могут быть успешно интегрированы в электронные человеческие имплантаты.

Возможность использования ферментов в качестве катализаторов [ править ]

Что касается топливных элементов, то использование ферментов имеет несколько преимуществ. Важным ферментативным свойством, которое следует учитывать, является движущая сила или потенциал, необходимый для успешного катализа реакции . Многие ферменты действуют при потенциалах, близких к их субстратам, что наиболее подходит для применения в топливных элементах. [10] [11]

Более того, белковая матрица, окружающая активный центр, обеспечивает множество жизненно важных функций; селективность в отношении субстрата, внутреннее электронное взаимодействие, кислотные / основные свойства и способность связываться с другими белками (или электродом). [10] [11] Ферменты более стабильны в отсутствие протеаз , в то время как термостойкие ферменты могут быть извлечены из термофильных организмов, что обеспечивает более широкий диапазон рабочих температур. Рабочие условия обычно составляют от 20 до 50 ° C и pH от 4,0 до 8,0. [10] [11]

Недостаток использования ферментов - размер; учитывая большой размер ферментов, они дают низкую плотность тока на единицу площади электрода из-за ограниченного пространства. Поскольку уменьшить размер фермента невозможно, было высказано мнение, что эти типы клеток будут иметь более низкую активность. Одним из решений было использование трехмерных электродов или иммобилизация на проводящих углеродных подложках, которые обеспечивают большую площадь поверхности. Эти электроды вытянуты в трехмерное пространство, что значительно увеличивает площадь поверхности для связывания ферментов, тем самым увеличивая ток. [10] [11]

Биотопливные элементы на основе гидрогеназы [ править ]

Согласно определению биотопливных элементов, ферменты используются в качестве электрокатализаторов как на катоде, так и на аноде. В гидрогеназа основанных на биотопливе клеток, Гидрогеназы присутствуют на аноде для окисления Н2 , в котором молекулярный водород разделяется на электроны и протоны. В случае биотопливных элементов H2 / O2 катод покрыт оксидазными ферментами, которые затем превращают протоны в воду. [12]

Гидрогеназа как источник энергии [ править ]

В последние годы исследования гидрогеназ значительно расширились благодаря научному и технологическому интересу к водороду. Двунаправленная или обратимая реакция, катализируемая гидрогеназой, является решением проблемы в разработке технологий улавливания и хранения возобновляемой энергии в качестве топлива с использованием по требованию. Это может быть продемонстрировано посредством химического хранения электроэнергии, полученной из возобновляемых источников (например, солнечной, ветровой, гидротермальной ) в виде H 2 в периоды низкой потребности в энергии. Когда требуется энергия, H 2 может быть окислен для получения электричества, что очень эффективно. [12]

Использование водорода в устройствах преобразования энергии вызвало интерес из-за того, что он является экологически чистым носителем энергии и потенциальным транспортным топливом. [12]

Возможность использования гидрогеназы в качестве катализаторов [ править ]

В дополнение к ранее упомянутым преимуществам, связанным с включением ферментов в топливные элементы, гидрогеназа является очень эффективным катализатором потребления H 2 с образованием электронов и протонов. Платина обычно является катализатором этой реакции, однако активность гидрогеназ сопоставима без проблемы отравления катализатора H 2 S и CO. [12] В случае топливных элементов с H 2 / O 2 тепличное производство отсутствует. газы, где продуктом является вода. [12]

Что касается структурных преимуществ, гидрогеназа очень избирательна в отношении своего субстрата. Отсутствие необходимости в мембране упрощает конструкцию биотопливного элемента, делая его маленьким и компактным [12], учитывая, что гидрогеназа не реагирует с кислородом ( ингибитор ), а катодные ферменты (обычно лакказа ) не реагируют с топливом. Электроды предпочтительно изготовлены из углерода, которого много, которое можно возобновлять и который можно модифицировать различными способами или адсорбировать ферменты с высоким сродством. Гидрогеназа прикрепляется к поверхности, что также продлевает срок службы фермента. [10] [11]

Проблемы [ править ]

Есть несколько трудностей, связанных с включением гидрогеназы в биотопливные элементы. Эти факторы необходимо учитывать при создании эффективного топливного элемента.

Иммобилизация ферментов [ править ]

Поскольку в биотопливном элементе на основе гидрогеназы протекает окислительно-восстановительная реакция, гидрогеназа должна быть иммобилизована на электроде таким образом, чтобы она могла обмениваться электронами непосредственно с электродом, чтобы облегчить перенос электронов. Это оказывается проблемой, поскольку активный центр гидрогеназы скрыт в центре фермента, где кластеры FeS используются в качестве электронного реле для обмена электронами с его естественным окислительно-восстановительным партнером. [12]

Возможные решения для большей эффективности доставки электронов включают иммобилизацию гидрогеназы наиболее уязвимым кластером FeS достаточно близко к электроду или использование окислительно-восстановительного медиатора для осуществления переноса электронов. Прямой перенос электронов также возможен за счет адсорбции фермента на графитовых электродах или ковалентного присоединения к электроду. Другое решение включает захват гидрогеназы в проводящем полимере. [12]

Размер фермента [ править ]

Непосредственное сравнение размера гидрогеназы со стандартными неорганическими молекулярными катализаторами показывает, что гидрогеназа очень громоздкая. Его диаметр составляет примерно 5 нм по сравнению с 1-5 нм для платиновых катализаторов. Это ограничивает возможное покрытие электрода за счет ограничения максимальной плотности тока. [12]

Поскольку изменение размера гидрогеназы невозможно, для увеличения плотности фермента, присутствующего на электроде, для поддержания активности топливного элемента, можно использовать пористый электрод вместо плоского. Это увеличивает электроактивную площадь, позволяя загрузить на электрод больше фермента. Альтернативой является формирование пленок с частицами графита, адсорбированными гидрогеназой внутри полимерной матрицы. Затем частицы графита могут собирать и переносить электроны к поверхности электрода. [12]

Окислительное повреждение [ править ]

В биотопливном элементе гидрогеназа подвергается двум угрозам окисления. O 2 инактивирует большинство гидрогеназ, за ​​исключением [NiFe], путем диффузии O 2 к активному центру с последующей деструктивной модификацией активного сайта . O 2 является топливом на катоде и поэтому должен быть физически отделен, иначе ферменты гидрогеназы на аноде будут инактивированы. Во-вторых, фермент на катоде создает положительный потенциал гидрогеназы на аноде. Это дополнительно усиливает инактивацию гидрогеназы O 2, вызывая воздействие даже [NiFe], который ранее был толерантным к O2. [12]

Чтобы избежать инактивации O 2 , можно использовать протонообменную мембрану для разделения анодного и катодного отсеков, так что O 2 не может диффундировать и деструктивно модифицировать активный центр гидрогеназы. [12]

Приложения [ править ]

Захват гидрогеназы в полимерах [ править ]

Есть много способов адсорбировать гидрогеназы на угольных электродах, модифицированных полимерами. Примером может служить исследование, проведенное Морозовым и соавт. там, где они вставляли гидрогеназу NiFe в полипиррольные пленки и для обеспечения надлежащего контакта с электродом, в пленке были захвачены окислительно-восстановительные медиаторы. Это было успешным, потому что плотность гидрогеназы была высокой в ​​пленках, а окислительно-восстановительный медиатор помог соединить все молекулы фермента для катализа, который имел примерно такую ​​же выходную мощность, как гидрогеназа в растворе. [11]

Иммобилизация гидрогеназы на углеродных нанотрубках [ править ]

Углеродные нанотрубки также могут использоваться для поддержки гидрогеназы на электроде из-за их способности собираться в большие пористые и проводящие сети. Эти гибриды были получены с использованием гидрогеназ [FeFe] и [NiFe]. Гидрогеназа [NiFe], выделенная из A. aeolicus (термофильные бактерии), была способна окислять H 2 с прямым переносом электронов без окислительно-восстановительного медиатора с 10-кратным более высоким каталитическим током со стационарными электродами, покрытыми УНТ, чем с неизолированными электродами. [11]

Другой способ присоединения гидрогеназы к нанотрубкам - это ковалентное связывание их во избежание временной задержки. Гидрогеназа, выделенная из D. gigas (гигантский кальмар), была связана с сеткой из многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT) и производила ток, который в ~ 30 раз превышал ток графит-гидрогеназного анода. Небольшой недостаток этого метода заключается в том, что соотношение гидрогеназы, покрывающей поверхность сетки нанотрубок, оставляет гидрогеназу, чтобы покрывать только редкие дефектные места в сети. Также обнаружено, что некоторые процедуры адсорбции имеют тенденцию к повреждению ферментов, тогда как их ковалентное связывание стабилизирует фермент и позволяет ему оставаться стабильным дольше. Каталитическая активность электродов гидрогеназа-MWCNT обеспечивала стабильность более месяца, тогда как электроды гидрогеназа-графит длились всего около недели. [11]

Применение биотопливных элементов на основе гидрогеназы [ править ]

Полностью ферментативный водородный топливный элемент был построен группой Армстронга, которая использовала элемент для питания часов. Топливный элемент состоял из графитового анода с гидрогеназой, выделенной из R. Metallidurans, и графитового катода, модифицированного грибковой лакказой. Электроды помещали в единую камеру со смесью 3% газообразного H 2 в воздухе, и не было мембраны из-за устойчивости гидрогеназы к кислороду. Топливный элемент вырабатывал напряжение 950 мВ и 5,2 мкВт / см 2 электроэнергии. Хотя эта система была очень функциональной, она все еще не обеспечивала оптимальную производительность из-за низких уровней доступного H 2 , более низкой каталитической активности устойчивых к кислороду гидрогеназ и более низкой плотности катализаторов на плоских электродах. [11]

Позднее эта система была улучшена путем добавления сети MWCNT для увеличения площади электродов. [11]

Приложения [ править ]

Автономные биосенсоры [ править ]

Первоначальная концепция применения ферментных биотопливных клеток для биосенсоров с автономным питанием была представлена ​​в 2001 году. [13] При постоянных усилиях было продемонстрировано несколько типов биосенсоров на основе ферментов с автономным питанием. В 2016 году был описан первый пример эластичных биотопливных элементов на текстильной основе, действующих как переносные датчики с автономным питанием. В интеллектуальном текстильном устройстве используется биотопливный элемент на основе лактатоксидазы, позволяющий в реальном времени контролировать содержание лактата в поте для применения на теле. [14] [15]

См. Также [ править ]

  • Биоэлектрохимический реактор
  • Электрохимическое восстановление диоксида углерода
  • Электрометаногенез
  • Микробный топливный элемент

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Атанасов, Пламен; и другие. (2007). «Ферментативные биотопливные клетки» . Интерфейс электрохимического общества . 16 (2): 28–31. DOI : 10.1149 / 2.F04072IF .
  2. ^ a b c d e f g h i j Moehlenbrock, Michael J .; Шелли Д. Минтир (2008). «Биотопливные элементы с увеличенным сроком службы». Обзоры химического общества . 37 (6): 1188–96. DOI : 10.1039 / b708013c . PMID 18497931 . 
  3. ^ a b c Сокич-Лазич, Дарья; Шелли Д. Минтир (2009). «Пируват / воздушный ферментный биотопливный элемент, способный к полному окислению». Электрохимические и твердотельные письма . 12 (9): F26. DOI : 10.1149 / 1.3170904 .
  4. ^ Яхиро, AT; Ли, С. М.; Кимбл, Д. О. (1964). "Биоэлектрохимия: I. Исследования с использованием ферментов биотопливных элементов". Biochimica et Biophysica Acta . 88 (2): 375–383. DOI : 10.1016 / 0926-6577 (64) 90192-5 . PMID 14249845 . 
  5. ^ Буллен, РА; и другие. (2006). «Биотопливные элементы и их развитие» (PDF) . Биосенсоры и биоэлектроника . 21 (11): 2015–45. DOI : 10.1016 / j.bios.2006.01.030 . PMID 16569499 .  
  6. ^ Иванов, Иван; и другие. (2010). «Последние достижения в ферментативных топливных элементах: эксперименты и моделирование» . Энергии . 3 (4): 803–846. DOI : 10.3390 / en3040803 .
  7. ^ Палмор, G.Tayhas R. (1998). «Биотопливный элемент на основе метанола / диоксида кислорода, который использует NAD + -зависимые дегидрогеназы в качестве катализаторов: применение электроэнзиматического метода для регенерации никотинамидадениндинуклеотида при низких перенапряжениях». Журнал электроаналитической химии . 443 (1): 155–161. DOI : 10.1016 / S0022-0728 (97) 00393-8 .
  8. ^ Sony. «Sony разрабатывает« биобатарею », вырабатывающую электричество из сахара» . Проверено 22 октября 2011 года .
  9. ^ Херли, Кристофер. «Био-батарея: преобразование сахара в электрическую энергию» . Вооружен наукой . Проверено 22 октября 2011 года .
  10. ^ a b c d e Cracknell, JA; Винсент, штат Калифорния; Армстронг, Ф.А. (2008). «Ферменты как рабочие или вдохновляющие электрокатализаторы для топливных элементов и электролиза». Chem. Ред . 108 (7): 2439–2461. DOI : 10.1021 / cr0680639 . PMID 18620369 . 
  11. ^ a b c d e f g h i j Chenevier, P .; Mugherli, L .; Darbe, S .; Дарчи, L .; DiManno, S .; Тран, PD; Валентино, Ф .; Iannello, M .; Volbeda, A .; Cavazza, C .; Артеро, В. (2013). «Ферменты гидрогеназы: применение в биотопливных элементах и ​​вдохновение для разработки катализаторов окисления H2, не содержащих благородных металлов». Comptes Rendus Chimie . 16 (5): 491–505. DOI : 10.1016 / j.crci.2012.11.006 .
  12. ^ a b c d e f g h i j k l Lubitz, W .; Ogata, H .; Rudiger, O .; Рейджерс, Э. (2014). «Гидрогеназы». Chem. Ред . 114 (8): 2081–4148. DOI : 10.1021 / cr4005814 . PMID 24655035 . 
  13. ^ Кац, Евгений; Bückmann, Andreas F .; Виллнер, Итамар (2001). «Автономные биосенсоры на основе ферментов». Журнал Американского химического общества . 123 (43): 10752–10753. DOI : 10.1021 / ja0167102 . ISSN 0002-7863 . PMID 11674014 .  
  14. ^ Джеерапан, Иттипон; и другие. (2016). «Растягиваемые биотопливные элементы как носимые автономные датчики на текстильной основе» . Журнал Материалы ХИМИИ . 4 (47): 18342–18353. DOI : 10.1039 / C6TA08358G . PMC 5400293 . PMID 28439415 .  
  15. ^ Itthipon Jeerapan, Датчик пота для потных носков , получено 13 января 2019 г.