Биоэнергетики тамбов Издательский центр фгбоу во «тгту» 2018

10. БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Биотопливные элементы — это устройства, трансформирующиеся химическую энергию в электрическую за счёт метаболической активности микроорганизмов [51]
Микроорганизмы и субстрат находятся в анаэробных условиях анодной камеры, в которой содержится анод — электрод, на который микроорганизмы «сбрасывают] электроны. В катодной камере находится катод, который гидрируется воздухом или кислородом. Процессы жизнедеятельности микроорганизмов являются источником электронов. Для разделения анодной и катодной камер используются специальные протоннообменные мембраны, которые осуществляют однопарралельный перенос протонов, образовавшихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов анодной камеры в катодную. Мембраны не дают кислороду возможность проходить в обратном направлении (рис, 38).
Идея применения микроорганизмов для элекиричества была предложена в 1910 г. в работе [52], но абсолютное большинство работ по этой тематике опубликовано в начале ХXI в, Интерес к этой теме исследователей вызнан тем, что биотопливные элементы можно использовать в технологии очистки сточных вод и переработке различных отходов.
Наиболее важным направлением развития технологий биотопливных элементов является поиск оптимальных микроорганизмов, способных активно функционировать в выше системе и повышение эффективности транспорта электронов между клеткой и анодом.

Рис. 38. Схема биотопливного элемента
В настоящее время наиболее перспективными микроорганизмами, которые могут быть использованы для функционирования биотопливных элементов, считаются Geobacter sulfureducens и ,Shewanella oneidensis. Эти микроорганизмы способны напрямую передавать электроны на анод, данную способность связывают с особым подклассом органелл — электропроводящих пилей.
Ферментные элементы
Ферментные элементы в качестве анода используют иммобилизованную глюкозооксидазу в смеси с различными медиаторами (переносчиками электронов), а также алкогольдегидрогеназу (часто в паре с формиатдегидрогеназой), глюкозодегидрогелазу и гидрогеназу. Катодом служит, главным образом, лакказа и билирубиноксидаза [53]. Мощность таких элементов не очень высока и составляет 50 mВТ'/см²
В конце ХХ в. был разработан ферментный элемент, в анод которого входили: алкогольдегидрогеназа, диафораза и бензилвиологен, ускоряющие окисление естественного медиатора (никотинамидадениндинуклеотида), Максимальная мощность этого элемента (катод — платина) составила 670 мкВт/см', а мошность ферментного элемента па основе глюкозооксидазы (анод) и цитохромоксидазы (катод) — 550 мкВт/см²
В настоящее время ферментные элементы функционируют часами, днями или десятками дней, так как хрупкость ферментов исключает долгосрочное применение элементов на их основе.
Биотопливные элементы наиболее перспективны для переработки «сырья с отрицательной стоимостью», т.е. органических отходов. Основы разрабатываемой технологии имеют перспективами внедрения и в других промышленных областях:

1. 
   создание биосенсоров или функциональных стимуляторов сердца;
   
2. 
   создание источников питания для роботизированной автономной и радиоуправляемой техники;
   

З) создание микробных электролизных элементов,
Потенциальные возможности биотопливных элементов Значительно повысили актуальность современных научных исследований в этом направлении, Наиболее важным является поиск наиболее эффективных микроорганизмов, в том числе С использованием методов генной инженерии, для целенаправленного конструирования электрогенных штаммов.
Можно прогнозировать, что уже в ближайшем будущем станет возможным создание эффективных биотопливных элементов, использующих для получения энергии процессы жизнедеятельности микроорганизмов.