เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคืออะไร?

เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัสดุชีวภาพเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในทางตรงผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับการใช้เชื้อเพลิงชีวภาพแบบดั้งเดิมเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าจากความร้อนจากการเผาไหม้ของวัสดุหลักการที่อยู่เบื้องหลังเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือการเลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติต่าง ๆ ที่ใช้ในการผลิตพลังงานภายในสิ่งมีชีวิตในบางกรณีแบคทีเรียอาจมีบทบาทในเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ในปี 2011 เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพแสดงศักยภาพเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกและในการใช้งานทางการแพทย์และวิศวกรรมชีวภาพที่หลากหลาย

สิ่งมีชีวิตได้รับพลังงานจากการเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตซึ่งเกิดจากการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชและกินอาหารโดยสัตว์เอนไซม์อำนวยความสะดวกในการตอบสนองซึ่งคาร์โบไฮเดรตจะถูกแปลงเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำโดยการกำจัดอิเล็กตรอนซึ่งจะถูกเก็บไว้ในโมเลกุล adenosine triphosphate (ATP)ในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพอิเล็กตรอนที่ผลิตโดยการออกซิเดชั่นของโมเลกุลอินทรีย์ mdash;มักจะคาร์โบไฮเดรตเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตในสิ่งมีชีวิต mdash;ใช้เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าแนวคิดของการใช้กระบวนการทางชีวภาพเหล่านี้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้ามีมาตั้งแต่ปี 1960 แต่ความพยายามในช่วงต้นเพื่อสร้างเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ใช้งานได้จริงประสบปัญหา

เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพมักจะประกอบด้วยภาชนะบรรจุแบ่งออกเป็นสองส่วนโดยสิ่งกีดขวางที่ซึมผ่านได้.ในส่วนหนึ่งการออกซิเดชั่นของคาร์โบไฮเดรต mdash;ตัวอย่างเช่นกลูโคส mdash;ให้อิเล็กตรอนในส่วนอื่น ๆ ปฏิกิริยาการลดลงจะเกิดขึ้นซึ่งใช้อิเล็กตรอนเหล่านี้โดยการเชื่อมต่ออิเล็กโทรดทั้งสองกระแสสามารถทำได้จากอิเล็กโทรดในส่วนออกซิเดชัน mdash;ขั้วบวก mdash;ไปยังอิเล็กโทรดในส่วนการลด mdash;แคโทด

หนึ่งในปัญหาการปฏิบัติที่ใหญ่ที่สุดที่ขัดขวางการพัฒนาของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือการค้นหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำให้อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากคาร์โบไฮเดรตเข้าสู่ขั้วบวกอิเล็กตรอนจะถูกเก็บไว้ในตอนแรกในเอนไซม์ออกซิไดซ์และในกระบวนการธรรมชาติจะถูกถ่ายโอนทางเคมีไปยังโมเลกุล ATPมีสองวิธีที่เป็นไปได้ในการสกัดอิเล็กตรอนจากเอนไซม์ลงในขั้วบวกในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ

ในวิธีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรง (DET) เอนไซม์จะต้องถูกยึดติดกับขั้วบวกสิ่งนี้สามารถทำได้ทางเคมีหรือโดยวิธีอื่น ๆ เช่นการสร้างขั้วบวกจากตาข่ายของท่อนาโนคาร์บอนซึ่งเอนไซม์ถูกดูดซับวิธีการเหล่านี้ส่งผลให้กิจกรรมลดลงในเอนไซม์และการสูญเสียประสิทธิภาพที่ตามมา แต่ในช่วงเวลาของการเขียนพื้นที่ของการวิจัยอย่างต่อเนื่องและเทคนิคที่ดีขึ้นอาจได้รับการพัฒนา

วิธีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอื่น ๆถ่ายโอน (พบ)สิ่งนี้ไม่ต้องการให้เอนไซม์สัมผัสกับขั้วบวกแต่อิเล็กตรอนจะถูกส่งผ่านไปยังโมเลกุลอื่นที่มีศักยภาพรีดอกซ์ต่ำกว่าซึ่งจะให้อิเล็กตรอนไปยังขั้วบวกสารประกอบนี้เรียกว่าผู้ไกล่เกลี่ยจะต้องมีศักยภาพรีดอกซ์สูงกว่าขั้วบวกขั้นตอนพิเศษนี้เกี่ยวข้องกับการสูญเสียพลังงานดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในทางทฤษฎี

เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นพื้นที่ของการวิจัยที่ใช้งานอยู่และการแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ต่าง ๆในบรรดาความเป็นไปได้คือการใช้แบคทีเรียในเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์การลดแบคทีเรียเหล็กที่อาศัยอยู่ในสภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจนแสดงให้เห็นถึงสัญญาโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากพวกมันลดเหล็กในสถานะออกซิเดชั่น +3 ให้อยู่ในสถานะออกซิเดชั่น +2จากนั้นเหล็กสามารถให้อิเล็กตรอนที่ขั้วบวกกลับสู่สถานะ +3 และทำหน้าที่เป็นโมเลกุลสื่อกลางโดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแบคทีเรียไปยังขั้วบวก

ข้อได้เปรียบหลักของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาราคาแพงและใช้วัตถุดิบทั่วไปราคาไม่แพงและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ง่ายข้อเสียหลักของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพคือความไร้ประสิทธิภาพและกำลังไฟต่ำอย่างไรก็ตามในปี 2011 มีความหวังว่าปัญหาเหล่านี้จะสามารถเอาชนะได้เปิดโอกาสใหม่ ๆสิ่งเหล่านี้รวมถึงพลังงานราคาถูกสะอาดและหมุนเวียนได้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงโอกาสของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่ฝังอยู่บนสารที่ผลิตโดยร่างกายซึ่งถูกใช้เพื่อใช้จ่ายอุปกรณ์การแพทย์เช่นเครื่องกระตุ้นหัวใจ