Новые биоаноды для биотопливных элементов

Биотопливные элементы в последнее время рассматриваются в качестве альтернативных, возобновляемых, экологически безопасных источников электрической энергии для питания автономных устройств в местах, где централизованное электроснабжение недоступно, зарядки мобильных телефонов и компьютеров, питания маломощных осветительных приборов частных домовладений.

Новые биоаноды для биотопливных элементов
© Индикатор

Несмотря на то, что уровень готовности технологий таких устройств (TRL) еще очень невысок, во всем мире наблюдается бурный рост публикаций, посвященный биотопливникам. Не так давно в журнале Polymers вышла очередная статья, в которой молодые ученые из Тулы и Тамбова представили новый вариант анодов таких биологических топливных элементов. Как заявляется, их использование позволит решить целый ряд проблем утилизации отходов биотехнологических производств. Как элемент биосенсоров подобные биоаноды также могут использоваться в рамках экологического мониторинга и оценки степени загрязненности окружающей среды.

Над научным проектом работали сотрудники молодежной лаборатории экологической и медицинской биотехнологии Тульского государственного университета (ТулГУ) при участии коллег из Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).

Биологические топливные элементы содержат биокатализатор – ферментные системы микроорганизмов, которые способны утилизировать широкий круг веществ. Объединив их в одной биоэлектрохимической системе, появляется возможность превратить энергию химических связей отходов в электричество. В качестве топлива в такой системе могут использоваться, например, отходы спиртовых и бродильных производств.

Ученые установили, что компоненты природных ферментативных каскадов и модифицированные углеродные нанотрубки участвуют в совместном формировании определенных структур бионанокомпозитов в зависимости от типа полимерной матрицы. Выявленные закономерности позволили направленно формировать эффективные биоэлектрохимические системы. В результате они создали биокомпозиты на основе природного полимера хитозана, биокатализатора на основе субклеточных структур бактерий и углеродных нанотрубок.

Такие биокомпозиты способны одновременно проводить электрический ток и обеспечивать сохранность и комфортные условия для функционирования биологических структур.

Сообщение об исследовании, предоставленное Минобрнауки говорит, что основная сфера применения разработанных биоанодов - это альтернативная энергетика и источники малой генерации, хотя «на данном этапе исследование носит фундаментальный характер», что означает, что TRL в данном случае равен 2-3 из 9 возможных.

«Наибольшие трудности при разработке биокомпозитов для нас были связаны с совмещением в одной полимерной матрице биологического катализатора и наноматериалов, поскольку взаимное влияние не должно нарушать работу топливного элемента. Нам удалось достичь эффективных взаимодействий между биокаталитической частью и углеродными нанотрубками в матрице полимерных гидрогелей. Полученные результаты по разработке эффективных биоэлектрохимических систем еще раз доказывают важность и перспективность исследований на стыке биотехнологии, химии и нанотехнологии», – отмечает руководитель направления, заведующий лабораторией экологической и медицинской биотехнологии, канд. хим. наук, доцент, Сергей Алферов.

Исследования были проведены при поддержке Минобрнауки России, а также в рамках работы НОЦ «ТулаТЕХ».