Biobaterija

Biobaterija je poznata kao uređaj u kojem se supstrat, organski ili anorganski, pretvara u električnu energiju. Pretvorba se odvija uz pomoć različitih bioloških ili biokemijskih sredstava, kao što su enzimi ili mikroorganizmi. U prisutnosti ovih sredstava supstrat se razlaže kako bi otpuštao protone i elektrone. Standardne baterije su jako često korištene u raznim elektorničkim uređajima. Međutim, standardne baterije u sebi sadrže spojeve u kojima se nalaze olovo i živa, a koji su jako otrovni. Također, standardne baterije su jako sklone eksplozijama, propuštanjima itd., što nije slučaj kada govorimo o biobaterijama.

Tipovi biobaterija

Ovisno o sredstvu koje koristimo za raspad supstrata, biobaterije dijelimo na:

-Enzimske biobaterije- za raspad supstrata se koriste enzimi (biokemijska sredstva), uglavnom šećeri

-Mikrobiološke biobaterije- za raspad supstrata (organskog ili anorganskog) se koriste mikroorganizmi

Princip rada

Datoteka:Biobaterija autorska.jpg

Shema biobaterije

Biobaterija ima tri komponente, baš kao i standardna baterija. To su anoda, separator i katoda. Separator je ispunjen organskom tekućinom koja funkcionira kao elektrolit, te razdvajajući katodu i anodu spriječava kratki spoj. Dvije polupropusne membrane napravljene od celofana razdvajaju konstituente anode, separatora i katode. Anoda i katoda su pozitivna i negativna područja koja omogućuju protok elektrona. Anoda je postavljena na vrhu, a katoda na dnu baterije. Anoda omogućuje dotok elektrona u bateriju, dok katoda omogućuje struji da otječe iz baterije.

Izvor energije

Izvor energije za funkcioniranje biobaterije može biti organski (šećeri, škrob, celulozni otpad, otpadna voda) ili anorganski(metal). U biobateriji šećer se dobiva raspadom tvari koje sadrže složene ugljikohidrate kao što su škrob ili celuloza (npr. otpadni papir). Drugi izvor šećera mogu biti tjelesne tekućine kao što su krv, znoj, suze, urin itd.

Glukoza

Biobaterije su pretežito bazirane na udjelu dostupne glukoze. Glukoza (šećer) se može praktički dobiti iz bilo čega, uključujući sokove, otpad (npr. stari papir) te žive organizme. Raspad tvari na glukozu (ako već nisu u odgovarajućem stanju) je glavni korak u pokretanju same baterije. Tvari se mogu pretvarati u glukozu kroz procese enzimske hidrolize. Enzimska hidroliza je proces u kojem se celuloza (netopljiva supstanca) pretvara u glukozu dodavanjem enzima. Jednom kada je glukoza prisutna, kisik i drugi enzimi mogu djelovati na nju kako bi ju dalje razlagali na protone i elektrone.

Bakterija

Odnedavno postoji interes za korištenje bakterije za generiranje i skladištenje elektriciteta. U 2013. godini, znanstvenici su otkrili da je Eschericia dobar kandidat za "živu" biobateriju jer njezin metabolizam može uspješno pretvoriti glukozu u energiju te tako proizvoditi elektricitet. Kroz kombinaciju različitih gena moguće je optimizirati efikasnu električnu proizvodnju organizma. Bakterijske biobaterije imaju veliki potencijal jer mogu generirati elektricitet umjesto da ga samo skladište, i također da mogu sadržavati manje otrovnih i korozivnih tvari nego klorovodična kiselina i sumporna kiselina.

Novootkrivena bakterija,Shewanella oneidensis, je još jedna za koju se pokazao interes. Tzv. "električna bakterija" koja može reducirati otrov manganovih iona i pretvoriti ih u hranu. U tom procesu također generira električnu struju, a ova struja se prenosi preko sitnih žica, zvanih bakterijske nano-žice, napravljenih od bakterijskih dodataka. Ova mreža bakterija i međusobno povezanih žica stvara ogromni biokrug različit od bilo čega prije poznatog u znanosti. Osim generiranja elektriciteta također ima sposobnost skladištenja električnog naboja, što je čini posebno zanimljivom u stvaranju bakterijske biobaterije koja se može koristiti za punjenje mobitela.

Znanstvenici su pokazali da bakterija može opteretiti elektrone i otpustiti ih iz mikroskopskih čestica magnetita. Napravili su nove eksperimente sa ljubičastom bakterijom,Rhodopseudomonas palustris, kontrolirajući svjetlost kojoj je bakterija bila izložena. Ova bakterija je bila sposobna izvući elektrone iz njihova okruženja. Ekipa je promijenila svjetlosne uvjete. Tijekom dana, fototrofna željezo-oksidirajuća bakterija je bila sposobna ukloniti elektrone iz magnetita prazneći ga. A tijekom noći, bakterija je bila sposobna elektrone vratiti nazad na magnetit puneći ga. Tijekom ovog procesa, znanstvenici su otkrili da bi se magnetit mogao koristiti za čišćenje otrovnih metala. Magnetit može reducirati otrovni oblik Kroma i Kroma VI na manje otrovni Krom (III)

Princip rada enzimske biobaterije

Kod enzimske biobaterije, enzimi za preradu šećera su imobilizirani na anodi, a enzimi za reduciranje kisika na katodi. Uz enzime, katoda i anoda su također imobilizirane sa elektronskim posrednicima koji potpomažu prijenos elektorna između enzima i elektroda. Uz to, katoda je izložena okolišu koji je bogat kisikom kako bi proizvodila vodu.

Princip rada enzimske biobaterije je sličan procesu disanja kod živih stanica. U živim organizmima, tijekom procesa disanja, glukoza (održavana unošenjem hrane u organizam) je razložena korištenjem nekoliko enzima, kako bi otpustila energiju. Slično, enzimi razlažu šećer prisutan u enzimskoj biobateriji, koja otpušta energiju. Tada biobaterija obavlja svoju funkciju na bazi ove otpuštene energije.

Princip rada mikrobiološke biobaterije

Mikroorganizmi koji se koriste kod ovih biobaterija su cijanobakterije (proizvode ugljikohidrate fotosintezom), Escherichia coli, Shewanella oneidensis, itd. Ovi mikroorganizmi se nalaze na anodi i ponašaju se kao anodski katalizatori. Kad je glukoza razložena na anodi uz pomoć mikroorganizama otpuštaju se elektroni. Zatim se ti elektroni šalju na katodu. To uzrokuje generiranje elektriciteta koji se može koristiti za pokretanje i rad bilo kojeg električnog uređaja povezanog na biobateriju. Poznato je također da proteini prisutni na staničnoj membrani Shewanelle oneidensis kada dolaze u dodir sa metalima, kao što su željezo i mangan, generiraju elektricitet. Elektricitet se također dobiva iz otpadnih voda posredstvom fekalijskih mikroorganizama, koje su električki aktivne. Jedan takav primjer je mikroorganizma je Geobacter sulfurreducens koji također posjeduje Fe(III)-reducirajuća svojstva. Virus M13 je genetski modificiran tako da proizvodi nanožice manganovog oksida za elektrode litij-zrak (Li-air) baterija koje se koriste kod električnih auta. Ove baterije su donijele napredak u vremenu punjenja, i cjelokupnoj funkcionalnosti.

Reakcije unutar biobaterije

Slično kao što ljudi koriste enzime kako bi iz hrane dobili energiju, tako i biobaterije koriste enzime kako bi energiju dobili iz glukoze. Glukoza se prvi put razlaže na anodnom dijelu baterije i pritom otpušta vodikove ione (protone) i elektrone. Reakcija na anodi je sljedeća:

                                              Glukoza → Glukanolakton + 2H⁺ + 2e⁻

Nastali vodikovi ioni se preko separatora transferiraju do katode, dok su elektroni transferirani preko elektronskog posrednika. Na katodi se odvija redoks reakcija, a jer je katoda izložena okolišu koji je bogat kisikom kao produkt reakcije između kisika i vodika se javlja voda. Reakcija na katodi je sljedeća:

                                              O₂ +4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

Kontinuiranim protokom protona i elektrona kroz anodu i katodu se generira električna energija.

Prednosti i nedostatci biobaterije

Prednosti

Prednosti biobaterija su sljedeće:

Omogućuju trenutno punjenje u odnosu na sve ostale vrste baterija
Ove baterije se održavaju napunjenima sa konstantnim izvorom glukoze ili nekog drugog šećera, te im nije potreban dodatni vanjski izvor snage
Mogu se napraviti koristeći lako dostupno gorivo
Imaju veliku gustoću energije
Mogu se koristiti na sobnim temperaturama
Fleksibilni papirni prototip se koristi kao implantantni izvor energije
Koriste se kao čisti naizmjenični obnovljivi izvor energije zbog činjenice da su izvor netoksičnog i nezapaljivog goriva
Ne uzrokuju nikakve eksplozije i zbog toga su sigurne za upotrebu
Ne uzrokuju nikakva propuštanja

Nedostatci

Nedostatci biobaterija su sljedeći:

Manje je vjerojatno da će zadržati veći dio svoje energije u odnosu na konvencionalne baterije
Nisu pogodni za dugotrajnu upotrebu i skladištenje

Budućnost biobaterije

Iako biobaterije nisu spremne za komercijalnu prodaju, nekoliko znanstvenih timova i inženjera rade na daljnjem razvoju i napretku ovih baterija. Sony je napravio biobateriju koja daje izlaznu snagu od 50 mW (miliwatta). Ova snaga dovoljna je da pokrene jedan MP3-player. U nadolazećim godinama, Sony planira postaviti biobaterije na tržište, počevši sa igračkama i uređajima koji zahtjevaju malu energiju kako bi funkcionirali. Nekoliko drugih znanstvenih udruženja, kao što je Stanford, su također u procesu istraživanja i eksperimentiranja sa biobaterijama kao alternativnim izvorom energije. Budući da se glukoza može pronaći u ljudskom tijelu, neka znanstvena udruženja gledaju također prema medicinskoj koristi biobaterija i njihovoj mogućoj primjerni u ljudskom tijelu. Iako ovo još uvijek treba biti dalje testirano, istraživanje se nastavlja i na temu koja podraumijeva i materijal/uređaj i medicinsku upotrebu biobaterija.

Primjena biobaterija

Biobaterije se susreću u raznim primjenama:

Prenosivi punjači u mobitelima
Medicinski implantati npr. pace-maker, inzulinska pumpa itd.
Generatori
Igračke

Izvor