Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej Ogniwa biopaliwowe

Pozyskiwanie energii elektrycznej ze żródeł biologicznych Bioogniwa paliwowe Bioogniwa paliwowe to rodzaj ogniw paliwowych, w których energia chemiczna wytwarzana na drodze enzymatycznej lub mikrobiologicznej, przekształcana może być w energię elektryczną

Rodzaje ogniw biopaliwowych 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. 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.

Zasada działania bioogniwa mikrobiologicznego Obrazy z mikroskopu konfokalnego biofilmu drobnoustrojów na powierzchni elektrody. Komórki żywe – kolor zielony; komórki martwe – kolor czerwony Bakterie znajdujące się w komorze anodowej utleniają glukozę do CO2. Elektrony uwolnione z cząsteczek donora są przekazywane do elektrody w wyniku bezpośredniego kontaktu, 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 anody do katody przez opór zewnętrzny. W przestrzeni katodowej reagują one z akceptorem ostatecznym (tlen) i protonami. Najbardziej efektywne – mieszane kultury bakterii

Rozwiązania konstrukcyjne bioogniw mikrobiologicznych A – bioogniwo z mostkiem solnym; B- układ czterech ogniw, w których komory są oddzielone membranami; C – układ z ciągłym przepływem przez komorę anodową; D – ogniwo typu fotoheterotroficznego; E – ogniwo jednokomorowe z katodą powietrzną; F - ogniwo typu H z 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 katodą powietrzną otoczoną komorą anodową z elektrodami grafitowymi; E – ogniwo zespolone (6 elementów)

Zasada działania fotoogniwa biopaliwowego ABTS Cyjanobakterie znajdujące się w komorze anodowej, pod wpływem światła utleniają 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 katalizowana przez oksydazę bilirubinową, W reakcji tej mediatorem jest ABTS. Parametry ogniwa – max. moc – 0.13 mW; SEM – 0.26 V, przy oporze zewnętrznym 500 ; wydajność konwersji energii świetlnej – 1.9%

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 FAD za pośrednictwem monowarstwy cysteaminy. Na monowarstwie PQQ-FAD immobilizowane cząsteczki oksydazy glukozowej. Reakcja –trójetapowa, dwuelektronowa Katoda – kompleks cytochrom c/oksydaza cytochromu c immoblizowane na monowartwie maleinimidowej osadzonej na elektrodzie złotej. Reakcja – redukcja tlenu do wody.

Zasada konstrukcji pośrednich ogniw biopaliwowych

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 Moc uzyskiwana z ogniw różnego typu