Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

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

2 → 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].

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'