Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej

Ogniwa biopaliwowe

Bioogniwa paliwowe to rodzaj ogniw paliwowych, w których energia chemiczna wytwarzana na drodze enzymatycznej

lub mikrobiologicznej, przekształcana może być w energię elektryczną

Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznychBioogniwa paliwowe

Rodzaje ogniw biopaliwowych

ogniwa enzymatyczne – ogniwa, w których jako katalizatory stosuje się enzymy. Jako katalizator anodowy wykorzystuje się enzymy katalizujące reakcje utleniania, np.: dehydrogenazę mleczanową, dehydrogenazę glukozową, dehydrogenazę alkoholową, oksydazę glukozową. Katalizatorem katodowym mogą być m.in.: oksydaza p-bifenylowa – lakkaza, oksydaza bilirubiny, oksydaza cytochromowa. Wszystkie te enzymy katalizują redukcję tlenu do wody.

ogniwa mikrobiologiczne – ogniwa oparte na wykorzystaniu żywych mikroorganizmów.W ogniwach bezpośrednich energia elektryczna jest generowana w wyniku aktywności katabolicznej drobnoustrojów znajdujących się w komorze anodowej.W ogniwach pośrednich wykorzystuje się np. rodziny bakterii Clostridium i Enterobacter, wytwarzających w trakcie przemian metabolicznych wodór, służący jako paliwo w klasycznych ogniwach paliwowych.

Bakterie znajdujące się w komorze anodowej utleniają glukozę do CO2. Elektrony uwolnione z cząsteczek donora są przekazywane do elektrody w wyniku bezpośredniegokontaktu, poprzez nanoprzewody lub za pośrednictwem nanoprzenośników. W wyniku tego procesu, w komorze anodowej są także wytwarzane protony, które migrują przez kationowymienną membranę (CEM) do komory katodowej. Elektrony przepływają z anodydo katody przez opór zewnętrzny. W przestrzeni katodowej reagują one z akceptorem ostatecznym (tlen) i protonami. Najbardziej efektywne – mieszane kultury bakterii

Zasada działania bioogniwa mikrobiologicznego

Obrazy z mikroskopu konfokalnego biofilmudrobnoustrojów na powierzchni elektrody.Komórki żywe – kolor zielony; komórki martwe – kolor czerwony

Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych

A – bioogniwo z mostkiem solnym; B- układ czterech ogniw, w których komory są oddzielonemembranami; C – układ z ciągłym przepływem przez komorę anodową; D – ogniwo typufotoheterotroficznego; E – ogniwo jednokomorowe z katodą powietrzną; F - ogniwo typu Hz dwiema komorami wyposażonymi w systemu odgazowania

Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych do pracy ciągłej

A – ogniwo rurowe z przepływem wstępującym. Anoda wewnętrzna grafitowa,katoda zewnętrzna; B – ogniwo rurowe z przepływem wstępującym. Anoda na dole, katoda u góry, membrana wbudowana; C - ogniwo płytowe. Przepływ serpentynowy; D – system jednokomorowy z wewnętrzną, koncentryczną katodąpowietrzną otoczoną komorą anodową z elektrodami grafitowymi; E – ogniwozespolone (6 elementów)

Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego

Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światłautleniają H2O do O2 i H+ oraz redukują cząsteczki mediatora DMBQ (2,4-dimetylo-1,4-benzochinonu). DMBQ jest utleniany w bezpośredniej reakcji anodowej. W komorze katodowej następuje redukcja tlenu do wody katalizowanaprzez oksydazę bilirubinową, W reakcji tej mediatorem jest ABTS.Parametry ogniwa – max. moc – 0.13 mW; SEM – 0.26 V, przy oporze zewnętrznym500 ; wydajność konwersji energii świetlnej – 1.9%

ABTS

Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa biopaliwowego A - w układzie przeniesienia elektronów do anody poprzez cząsteczki mediatora (MET);B – w układzie bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET)

Ogniwa enzymatyczne

Zasada działania jednego z rodzajów jednokomorowego ogniwa enzymatycznego.Anoda – elektroda złota pokryta monowarstwą chinonu pirochinoliny (PQQ) i FADza pośrednictwem monowarstwy cysteaminy. Na monowarstwie PQQ-FAD immobilizowane cząsteczki oksydazy glukozowej. Reakcja –trójetapowa, dwuelektronowaKatoda – kompleks cytochrom c/oksydaza cytochromu c immoblizowane na monowartwie maleinimidowej osadzonej na elektrodzie złotej.Reakcja – redukcja tlenu do wody.

Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych

Moc uzyskiwana z ogniw różnego typu

Parametry ogniw biopaliwowych

Maksymalna teoretyczna SEM do 1,1 V. Maksymalne osiągnięte napięcie – 0,62 V

Moc 0.1 – 20 W/cm2 powierzchni elektrody. Możliwe do 100 – 200 W/cm2

Perspektywy zastosowań praktycznych:

- inżynieria biomedyczna, m.in.. zasilacze do rozruszników serca, sensorów glukozy (paliwo – gluikoza i tlen z krwi)-zasilacze do telefonów komórkowych i innego sprzętu mikroelektronicznego (paliwo – alkohol)- uzyskiwanie energii elektrycznej z przerobu ścieków, odpadów ligninocelulozowych osadów dennych w zbiornikach wodnych