6. Конверсия химической энергии в электрическую (биологические топливные элементы)

Одна из интересных возможностей использования микроорганизмов в системах конверсии энергии связана с созданием биологических топливных элементов.

В последние годы непрерывно возрастает интерес к проблеме высокоэффективного преобразования химической энергии в электрическую. В настоящее время этот процесс реализуется с помощью сжигания различных видов топлив в топках паровых машин или цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, процессу получения электрической энергии предшествует ряд стадий, в том числе и стадия получения тепловой энергии: химическая энергия → тепловая → механическая → электрическая. Многостадийность процесса приводит к большим потерям энергии, которые принципиально невозможно устранить за счет технологических усовершенствований.

Новым шагом вперед в проблеме конверсии химической энергии топлива в электричество является создание электрохимических генераторов тока, так называемых топливных элементов. Сущность этого способа преобразования энергии заключается в электрохимическом окислении топлива и восстановлении окислителя (обычно кислорода) на соответствующих электродах в растворе электролита. Примером может служить водород-кислородный элемент, на электродах которого происходят следующие процессы:

Анод

2Н₂ → 4Н⁺ + 4е^-.

Катод

О₂ + 4Н⁺ → 2Н₂О - 4е^-. (1.20)

При этом происходит окисление водорода с образованием воды и генерация электрохимического потенциала, соответствующего свободной энергии процесса окисления. При использовании электрохимических топливных ячеек, в которых происходит электрохимическое окисление топлива, удается обеспечить преобразование химической энергии в электрическую с существенно более высоким КПД. Например, современные водород-кислородные топливные элементы имеют КПД 70-80%. В настоящее время круг использованных топлив, применяемых в электрохимических преобразователях, ограничен водородом, гидразином. Удельные мощности преобразователей соответствуют 0,1-1 Вт/л. Современное состояние проблемы разработки электрохимических генераторов на основе химического катализа электродных процессов рассмотрено в монографиях и обзорах [233-237].

В последнее десятилетие определенное развитие получили исследования, направленные на разработку топливных электрохимических систем с использованием биокатализаторов.

Особенности биокатализаторов и микробиологических систем позволяют наметить два основных пути использования биохимических реакций в электрохимических ячейках.

1. Создание топливных элементов, использующих в качестве топлива необычные источники органического характера.

2. Использование ферментов в качестве катализаторов, ускоряющих перенос электронов с топлива на электрод. Применение электрокатализа иммобилизованными ферментами направлено на создание топливных элементов повышенной мощности.

Очевидно, при конверсии топлив различного органического характера, прежде всего углеводов, в электроэнергию определенные результаты могут быть достигнуты при использовании микробиологических систем. Отмечено, что биологические топливные элементы представляют интерес с точки зрения сопряжения ферментативных и электрохимических систем, изучения влияния электрического поля на биологические реакции (и наоборот), а также участия биологических циклов в электродных процессах.

Существует несколько подходов в использовании микроорганизмов для целей конверсии топлива в топливных элементах.

1. Превращение нетрадиционных топлив в стабильные и электрохимически активные соединения, способные эффективно окисляться на электродах [238-241]. Наиболее перспективны в этом плане водородпродуцирующие микроорганизмы. Как известно, водород является наиболее изученным и используемым топливом в топливных элементах. Непрерывная генерация водорода может быть проведена в системе типа ферментера, а водород окислен в существующих водород-кислородных элементах. В этом плане перспективно создание систем конвертирующих в водород углеводы, углеводороды, метан, спирты, органические кислоты. Интересно, что получение водорода из углеводов может быть реализовано на основе использования иммобилизованных клеток микроорганизмов [242].

2. Генерация электрохимического потенциала возможна на электродах, находящихся непосредственно в культуральной среде. Метаболиты, возникающие в процессе конверсии топлива, могут обладать определенной электрохимической активностью [237, 243, 244].

3. Ферменты микроорганизмов в индивидуальном виде могут играть роль катализаторов переноса электронов с топлива на электрод. Так, иммобилизованные гидрогеназы могут играть роль катализаторов электрохимической ионизации водорода.

Первый подход не имеет специфических особенностей, возможности и механизмы процессов конверсии углеводов в водород достаточно подробно рассмотрены выше. Обсуждение биоэлектрокатализа - феномена ускорения ферментами электродных процессов - детально анализируется в гл. IV. Определенный интерес представляет рассмотрение второго подхода, когда электрохимический потенциал генерируется непосредственно в культуральной жидкости.

По-видимому, одной из первых наиболее удачных попыток, предпринятых в этом направлении, является создание биохимических топливных элементов с помощью анаэробных микроорганизмов, способных переработать в анаэробных условиях большие количества самых различных органических соединений. Элемент состоит из двух частей - биоанода и катода. Биоанод содержит микроорганизмы и органическое топливо, перерабатываемое микроорганизмами в анаэробных условиях [245]. Окислителем служит кислород воздуха, восстанавливающегося на катоде. Топливная батарея, близкая к описанной выше системе, была предложена в работе [246], где помимо анаэробных бактерий в биохимическом отделении применяли глюкозооксидазу, отделенную от микробиологической зоны диализной мембраной.

В качестве электродного материала в обеих зонах обычно используют платину. Биотопливные элементы с использованием микроорганизмов позволяют получить сравнительно небольшие мощности на единицу объема топливного элемента.

Поскольку в виде топлива используют самые различные, не имеющие практической ценности органические соединения, в том числе и разнообразные промышленные и сельскохозяйственные отходы, то такой способ производства электроэнергии может оказаться конкурентоспособным по сравнению с широко распространенными на сегодняшний день способами. Коэффициент преобразования энергии в биохимических ячейках может быть достаточно высок. К достоинствам описанным выше топливных элементов относятся минимальные затраты на обслуживание. По данным работы [245] система эффективно действовала в лабораторных условиях в течение нескольких месяцев. Согласно более поздним сообщениям в лабораториях фирмы "Мегна продакст" была достигнута большая мощность подобных батарей, что позволило снабжать электроэнергией морские сигнальные установки. Механизм каталитических эффектов в биотопливных элементах достаточно сложен. Природа потенциалопределяющих электродных реакций в большинстве случаев неясна. Существуют по крайней мере два механизма ускорения электродных реакций в такого рода системах.

1. Биокаталитические механизмы клетки продуцируют метаболиты, обладающие повышенной электрохимической активностью. Например, электрохимическое окисление мочевины ускоряется в присутствии уреазы или уреазсодержащих микроорганизмов путем образования аммиака, являющегося электрохимически активным соединением на платиновых электродах.

2. Не исключено, что в ряде случаев ферменты преимущественно экзогенного характера могут играть роль катализаторов электронного транспорта. Такого рода процессы осуществлены в настоящее время на уровне индивидуальных ферментов (см. гл. IV).

Представляется, что при использовании индивидуальных ферментов могут быть разработаны весьма эффективные преобразователи энергии [250, 251].