Una celda de biocombustible enzimático es un tipo específico de celda de combustible que utiliza enzimas como catalizador para oxidar su combustible, en lugar de metales preciosos. Las células de biocombustible enzimático , aunque actualmente están limitadas a instalaciones de investigación, son muy apreciadas por la promesa que encierran en términos de sus componentes y combustibles relativamente económicos, así como una fuente de energía potencial para implantes biónicos .
Operación
Las celdas de biocombustible enzimático funcionan con los mismos principios generales que todas las celdas de combustible: utilizan un catalizador para separar los electrones de una molécula madre y obligarla a rodear una barrera de electrolitos a través de un cable para generar una corriente eléctrica. Lo que distingue a la celda de biocombustible enzimático de las celdas de combustible más convencionales son los catalizadores que utilizan y los combustibles que aceptan. Mientras que la mayoría de las pilas de combustible utilizan metales como el platino y el níquel como catalizadores, la pila de biocombustible enzimático utiliza enzimas derivadas de las células vivas (aunque no dentro de las células vivas; las pilas de combustible que utilizan células completas para catalizar el combustible se denominan pilas de combustible microbianas ). Esto ofrece un par de ventajas para las células de biocombustible enzimático: las enzimas son relativamente fáciles de producir en masa y, por lo tanto, se benefician de las economías de escala , mientras que los metales preciosos deben extraerse y, por lo tanto, tienen un suministro inelástico . Las enzimas también están diseñadas específicamente para procesar compuestos orgánicos como azúcares y alcoholes, que son extremadamente comunes en la naturaleza. La mayoría de los compuestos orgánicos no pueden ser utilizados como combustible por celdas de combustible con catalizadores metálicos porque el monóxido de carbono formado por la interacción de las moléculas de carbono con el oxígeno durante el funcionamiento de la celda de combustible rápidamente “envenena” los metales preciosos de los que depende la celda, haciéndola inútil . [1] Debido a que los azúcares y otros biocombustibles se pueden cultivar y cosechar a gran escala, el combustible para las células de biocombustible enzimático es extremadamente barato y se puede encontrar en casi cualquier parte del mundo, lo que lo convierte en una opción extraordinariamente atractiva desde el punto de vista logístico. y más aún para los preocupados por la adopción de fuentes de energía renovables .
Las celdas de biocombustible enzimático también tienen requisitos operativos que no comparten las celdas de combustible tradicionales. Lo más significativo es que las enzimas que permiten que la pila de combustible funcione deben estar "inmovilizadas" cerca del ánodo y el cátodo para que funcionen correctamente; si no se inmovilizan, las enzimas se difundirán en el combustible de la celda y la mayoría de los electrones liberados no llegarán a los electrodos, comprometiendo su eficacia. [2] Incluso con la inmovilización, también se debe proporcionar un medio para que los electrones se transfieran hacia y desde los electrodos . Esto se puede hacer directamente desde la enzima al electrodo ("transferencia directa de electrones") o con la ayuda de otras sustancias químicas que transfieren electrones de la enzima al electrodo ("transferencia de electrones mediada"). La primera técnica solo es posible con ciertos tipos de enzimas cuyos sitios de activación están cerca de la superficie de la enzima, pero hacerlo presenta menos riesgos de toxicidad para las células de combustible destinadas a ser utilizadas dentro del cuerpo humano. [2] Por último, el procesamiento completo de los combustibles complejos utilizados en las células de biocombustible enzimático requiere una serie de enzimas diferentes para cada paso del proceso de "metabolismo"; producir algunas de las enzimas necesarias y mantenerlas en los niveles requeridos puede plantear problemas. [3]
Historia
Los primeros trabajos con células de biocombustible, que comenzaron a principios del siglo XX, fueron puramente microbianos . [1] La investigación sobre el uso de enzimas directamente para la oxidación en células de biocombustible comenzó a principios de la década de 1960, y la primera célula de biocombustible enzimático se produjo en 1964. [1] [4] Esta investigación comenzó como producto del interés de la NASA en encontrar formas de reciclar los desechos humanos en energía utilizable a bordo de naves espaciales , así como un componente de la búsqueda de un corazón artificial , específicamente como una fuente de energía que podría inyectarse directamente en el cuerpo humano. [5] Estas dos aplicaciones, el uso de productos animales o vegetales como combustible y el desarrollo de una fuente de energía que puede implantarse directamente en el cuerpo humano sin reabastecimiento externo, siguen siendo los objetivos principales para el desarrollo de estas células de biocombustible. [6] Sin embargo, los resultados iniciales fueron decepcionantes. Si bien las primeras células produjeron electricidad con éxito , hubo dificultades para transportar los electrones liberados del combustible de glucosa al electrodo de la celda de combustible y más dificultades para mantener el sistema lo suficientemente estable como para producir electricidad debido a la tendencia de las enzimas a alejarse de donde deben estar para que funcione la pila de combustible. [2] Estas dificultades llevaron a que los investigadores de las celdas de biocombustible abandonaran el modelo enzimático-catalizador durante casi tres décadas en favor de los catalizadores metálicos más convencionales (principalmente platino), que se utilizan en la mayoría de las celdas de combustible. [2] La investigación sobre el tema no comenzó de nuevo hasta la década de 1980, después de que se descubrió que el método del catalizador metálico no iba a ser capaz de ofrecer las cualidades deseadas en una celda de biocombustible, y desde entonces el trabajo en células de biocombustible enzimático ha revolucionado. en torno a la resolución de los diversos problemas que plagaron los esfuerzos anteriores para producir una célula de biocombustible enzimática exitosa. [2]
Sin embargo, muchos de estos problemas se resolvieron en 1998. En ese año, se anunció que los investigadores habían logrado oxidar completamente el metanol utilizando una serie (o "cascada") de enzimas en una celda de biocombustible. [7] Antes de este tiempo, los catalizadores enzimáticos no habían logrado oxidar completamente el combustible de la celda, entregando cantidades de energía mucho menores de lo esperado dado lo que se sabía sobre la capacidad energética del combustible. [3] Si bien el metanol es ahora mucho menos relevante en este campo como combustible, el método demostrado de usar una serie de enzimas para oxidar completamente el combustible de la celda dio a los investigadores un camino a seguir, y ahora se dedica mucho trabajo a usar métodos similares para lograr oxidación completa de compuestos más complicados, como la glucosa. [2] [3] Además, y quizás lo que es más importante, 1998 fue el año en el que se demostró con éxito la “inmovilización” de enzimas, lo que aumentó la vida útil de la celda de combustible de metanol de solo ocho horas a más de una semana. [2] La inmovilización también brindó a los investigadores la capacidad de poner en práctica descubrimientos anteriores, en particular el descubrimiento de enzimas que pueden usarse para transferir electrones directamente desde la enzima al electrodo. Este proceso se había comprendido desde la década de 1980, pero dependía en gran medida de colocar la enzima lo más cerca posible del electrodo, lo que significaba que no se podía utilizar hasta después de que se idearon las técnicas de inmovilización. [2] Además, los desarrolladores de células de biocombustible enzimático han aplicado algunos de los avances en nanotecnología a sus diseños, incluido el uso de nanotubos de carbono para inmovilizar enzimas directamente. [2] Otra investigación se ha dedicado a explotar algunas de las fortalezas del diseño enzimático para miniaturizar dramáticamente las celdas de combustible, un proceso que debe ocurrir si estas celdas alguna vez se van a usar con dispositivos implantables . Un equipo de investigación aprovechó la extrema selectividad de las enzimas para eliminar por completo la barrera entre el ánodo y el cátodo , que es un requisito absoluto en las pilas de combustible que no son de tipo enzimático. Esto permitió al equipo producir una celda de combustible que produce 1,1 microvatios que funcionan a más de medio voltio en un espacio de solo 0,01 milímetros cúbicos . [2]
Si bien las células de biocombustible enzimático no se utilizan actualmente fuera del laboratorio, a medida que la tecnología ha avanzado durante la última década, las organizaciones no académicas han mostrado un interés cada vez mayor en las aplicaciones prácticas de los dispositivos. En 2007, Sony anunció que había desarrollado una celda de biocombustible enzimático que se puede vincular en secuencia y utilizar para alimentar un reproductor de mp3 , [8] y en 2010 un ingeniero empleado por el ejército de los EE. UU. Anunció que el Departamento de Defensa estaba planeando realizar un campo ensayos de sus propias "bio-baterías" en el año siguiente. [9] Al explicar su búsqueda de la tecnología, ambas organizaciones enfatizaron la abundancia extraordinaria (y el gasto extraordinariamente bajo) de combustible para estas celdas, una ventaja clave de la tecnología que probablemente se volverá aún más atractiva si el precio de las fuentes de energía portátiles sube, o si pueden integrarse con éxito en implantes humanos electrónicos.
Viabilidad de las enzimas como catalizadores
Con respecto a las pilas de combustible, las enzimas tienen varias ventajas para su incorporación. Una propiedad enzimática importante a considerar es la fuerza impulsora o el potencial necesario para una catálisis de reacción exitosa . Muchas enzimas operan a potenciales cercanos a sus sustratos, lo que es más adecuado para aplicaciones de pilas de combustible. [10] [11]
Además, la matriz de proteínas que rodea el sitio activo proporciona muchas funciones vitales; selectividad por el sustrato, acoplamiento interno de electrones, propiedades ácidas / básicas y la capacidad de unirse a otras proteínas (o al electrodo). [10] [11] Las enzimas son más estables en ausencia de proteasas , mientras que las enzimas resistentes al calor se pueden extraer de organismos termofílicos , ofreciendo así un rango más amplio de temperaturas operativas. Las condiciones de operación son generalmente entre 20-50 ° C y pH 4.0 a 8.0. [10] [11]
Un inconveniente del uso de enzimas es el tamaño; dado el gran tamaño de las enzimas, producen una baja densidad de corriente por unidad de área de electrodo debido al espacio limitado. Dado que no es posible reducir el tamaño de la enzima, se ha argumentado que estos tipos de células tendrán menor actividad. Una solución ha sido utilizar electrodos tridimensionales o inmovilización sobre soportes de carbono conductores que proporcionan una gran superficie. Estos electrodos se extienden en un espacio tridimensional, lo que aumenta en gran medida el área de superficie para que las enzimas se unan, aumentando así la corriente. [10] [11]
Células de biocombustible basadas en hidrogenasa
Según la definición de células de biocombustible, las enzimas se utilizan como electrocatalizadores tanto en el cátodo como en el ánodo. En las células de biocombustible basadas en hidrogenasas , las hidrogenasas están presentes en el ánodo para la oxidación del H2, en la que el hidrógeno molecular se divide en electrones y protones. En el caso de las células de biocombustible H2 / O2, el cátodo está recubierto con enzimas oxidasa que luego convierten los protones en agua. [12]
Hidrogenasa como fuente de energía
En los últimos años, la investigación sobre hidrogenasas ha crecido significativamente debido al interés científico y tecnológico por el hidrógeno. La reacción bidireccional o reversible catalizada por hidrogenasa es una solución al desafío en el desarrollo de tecnologías para la captura y almacenamiento de energía renovable como combustible con uso bajo demanda. Esto se puede demostrar mediante el almacenamiento químico de energía eléctrica obtenida a partir de una fuente renovable (por ejemplo energía solar, eólica, hidrotermal ) como H 2 durante los períodos de demanda de energía bajos. Cuando se desea la energía, H 2 puede ser oxidado para producir electricidad, que es muy eficiente. [12]
El uso de hidrógeno en dispositivos de conversión de energía ha ganado interés debido a que es un portador de energía limpia y un potencial combustible para el transporte. [12]
Viabilidad de la hidrogenasa como catalizadores
Además de las ventajas anteriormente mencionados asociados con la incorporación de enzimas en células de combustible, hidrogenasa es un catalizador muy eficaz para H 2 que forma el consumo de electrones y protones. El platino suele ser el catalizador de esta reacción; sin embargo, la actividad de las hidrogenasas es comparable sin el problema del envenenamiento del catalizador por H 2 S y CO. [12] En el caso de las pilas de combustible de H 2 / O 2 , no hay producción de gases de efecto invernadero. gases donde el producto es agua. [12]
Con respecto a las ventajas estructurales, la hidrogenasa es altamente selectiva para su sustrato. La falta de necesidad de una membrana simplifica el diseño de la celda de biocombustible para que sea pequeño y compacto, [12] dado que la hidrogenasa no reacciona con el oxígeno (un inhibidor ) y las enzimas del cátodo (típicamente lacasa ) no reacciona con el combustible. Los electrodos están hechos preferiblemente de carbono que es abundante, renovable y puede modificarse de muchas formas o adsorber enzimas con alta afinidad. La hidrogenasa está adherida a una superficie que también prolonga la vida útil de la enzima. [10] [11]
Desafíos
Existen varias dificultades a considerar asociadas con la incorporación de hidrogenasa en las células de biocombustible. Estos factores deben tenerse en cuenta para producir una pila de combustible eficiente.
Inmovilización de enzimas
Dado que la celda de biocombustible basada en hidrogenasa alberga una reacción redox , la hidrogenasa debe inmovilizarse en el electrodo de tal manera que pueda intercambiar electrones directamente con el electrodo para facilitar la transferencia de electrones. Esto demuestra ser un desafío ya que el sitio activo de la hidrogenasa está enterrado en el centro de la enzima donde los grupos de FeS se utilizan como un relé de electrones para intercambiar electrones con su socio redox natural. [12]
Las posibles soluciones para una mayor eficiencia de la entrega de electrones incluyen la inmovilización de hidrogenasa con el grupo de FeS más expuesto lo suficientemente cerca del electrodo o el uso de un mediador redox para llevar a cabo la transferencia de electrones. La transferencia directa de electrones también es posible mediante la adsorción de la enzima en electrodos de grafito o la unión covalente al electrodo. Otra solución incluye el atrapamiento de hidrogenasa en un polímero conductor. [12]
Tamaño de la enzima
La comparación inmediata del tamaño de la hidrogenasa con los catalizadores moleculares inorgánicos estándar revela que la hidrogenasa es muy voluminosa. Tiene aproximadamente 5 nm de diámetro en comparación con 1-5 nm para los catalizadores de Pt. Esto limita la posible cobertura del electrodo al limitar la densidad de corriente máxima. [12]
Dado que no es posible alterar el tamaño de la hidrogenasa, para aumentar la densidad de la enzima presente en el electrodo para mantener la actividad de la pila de combustible, se puede utilizar un electrodo poroso en lugar de uno plano. Esto aumenta el área electroactiva permitiendo que se cargue más enzima en el electrodo. Una alternativa es formar películas con partículas de grafito adsorbidas con hidrogenasa dentro de una matriz de polímero . Las partículas de grafito pueden recolectar y transportar electrones a la superficie del electrodo. [12]
Daño oxidativo
En una celda de biocombustible, la hidrogenasa está expuesta a dos amenazas oxidantes. El O 2 inactiva la mayoría de las hidrogenasas con la excepción de [NiFe] mediante la difusión de O 2 al sitio activo seguida de una modificación destructiva del sitio activo . El O 2 es el combustible en el cátodo y, por lo tanto, debe separarse físicamente o, de lo contrario, se inactivarían las enzimas hidrogenasas en el ánodo. En segundo lugar, existe un potencial positivo impuesto a la hidrogenasa en el ánodo por la enzima en el cátodo. Esto mejora aún más la inactivación de la hidrogenasa por el O 2, causando incluso que el [NiFe], que anteriormente era tolerante al O2, se vea afectado. [12]
Para evitar la inactivación por el O 2 , se puede usar una membrana de intercambio de protones para separar los compartimentos del ánodo y del cátodo de manera que el O 2 no pueda difundirse y modificar destructivamente el sitio activo de la hidrogenasa. [12]
Aplicaciones
Atrapamiento de hidrogenasa en polímeros
Hay muchas formas de adsorber hidrogenasas en electrodos de carbono que se han modificado con polímeros. Un ejemplo es un estudio realizado por Morozov et al. donde insertaron NiFe hidrogenasa en películas de polipirrol y para proporcionar un contacto adecuado con el electrodo, hubo mediadores redox atrapados en la película. Esto tuvo éxito porque la densidad de hidrogenasa era alta en las películas y el mediador redox ayudó a conectar todas las moléculas de enzima para la catálisis, que tenía aproximadamente la misma potencia de salida que la hidrogenasa en solución. [11]
Inmovilización de hidrogenasa en nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono también se pueden usar como soporte para la hidrogenasa en el electrodo debido a su capacidad para ensamblarse en grandes redes conductoras y porosas. Estos híbridos se han preparado utilizando hidrogenasas [FeFe] y [NiFe]. El [NiFe] hidrogenasa aislada de A. aeolicus (bacterias termófilas) fue capaz de oxidar H 2 con la transferencia directa de electrones sin un mediador redox con un 10 veces mayor corriente catalítica con electrodos CNT-revestidos estacionarias que con electrodos desnudos. [11]
Otra forma de acoplar la hidrogenasa a los nanotubos era unirlos covalentemente para evitar un retraso de tiempo. La hidrogenasa aislada de D. gigas (calamar gigante) se acopló a redes de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) y produjo una corriente ~ 30 veces mayor que el ánodo de grafito-hidrogenasa. Un pequeño inconveniente de este método es que la proporción de hidrogenasa que cubre la superficie de la red de nanotubos deja que la hidrogenasa cubra solo los escasos puntos defectuosos de la red. También se encuentra que algunos procedimientos de adsorción tienden a dañar las enzimas, mientras que unirlas covalentemente estabiliza la enzima y permite que permanezca estable durante más tiempo. La actividad catalítica de los electrodos de hidrogenasa-MWCNT proporcionó estabilidad durante más de un mes, mientras que los electrodos de hidrogenasa-grafito solo duraron alrededor de una semana. [11]
Aplicaciones de células de biocombustible basadas en hidrogenasa
El grupo Armstrong construyó una celda de combustible de hidrógeno completamente enzimática, que utilizó la celda para alimentar un reloj. La pila de combustible constaba de un ánodo de grafito con hidrogenasa aislada de R. metallidurans y un cátodo de grafito modificado con lacasa fúngica. Los electrodos se colocaron en una cámara única con una mezcla de 3% de H 2 gas en el aire y no había membrana debido a la tolerancia de la hidrogenasa al oxígeno. La pila de combustible produjo un voltaje de 950 mV y generó 5,2 uW / cm 2 de electricidad. Aunque este sistema era muy funcional, todavía no era en la salida óptima debido a los bajos accesibles H 2 niveles, la actividad catalítica inferior de las hidrogenasas tolerantes oxígeno y la menor densidad de catalizadores en los electrodos planos. [11]
Posteriormente, este sistema se mejoró agregando una red MWCNT para aumentar el área de electrodos. [11]
Aplicaciones
Biosensores autoamplificados
El concepto inicial de aplicar células de biocombustible enzimático para aplicaciones de biodetección autoamplificadas se ha introducido desde 2001. [13] Con esfuerzos continuos, se han demostrado varios tipos de biosensores basados en enzimas autoamplificados. En 2016, se describió el primer ejemplo de células de biocombustible de base textil extensibles, que actúan como sensores portátiles autoamplificados. El dispositivo textil inteligente utilizó una célula de biocombustible a base de lactato oxidasa, lo que permite el monitoreo en tiempo real del lactato en el sudor para aplicaciones corporales. [14] [15]
Ver también
- Reactor bioelectroquímico
- Reducción electroquímica de dióxido de carbono.
- Electrometanogénesis
- Pila de combustible microbiana
Referencias
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