Hacer una biocélula que sea tan eficaz como una pila de combustible de platino:esa es la hazaña que han logrado los investigadores del Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS / Aix-Marseille Université), en colaboración con el Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS / Université de Bordeaux) y el Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS / Aix-Marseille Université). Tres años después de fabricar su primer prototipo de biocélula, los investigadores acaban de alcanzar un nuevo hito y han aumentado su rendimiento y estabilidad. Esta biocélula podría, a la larga, ofrecen una alternativa a las pilas de combustible que requieren metales raros y costosos, como el platino. Su trabajo fue publicado en Ciencias de la energía y el medio ambiente el 17 de agosto 2017.

Una pila de combustible convierte la energía química en energía eléctrica mediante la combustión de hidrógeno. Aunque se considera una tecnología limpia, porque no emite gases de efecto invernadero, las pilas de combustible utilizan catalizadores de metales raros costosos, como el platino, para oxidar el hidrógeno y reducir el oxígeno. En años recientes, la identificación de biocatalizadores, enzimas con propiedades notables, ha revitalizado la investigación en esta área:su oxígeno, y especialmente hidrógeno, La actividad de transformación es comparable a la del platino. La actividad de la hidrogenasa fue, hasta hace poco, inhibido por el oxígeno y por lo tanto incompatible con el uso en células.

Por muchos años, Los investigadores del Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS / Aix-Marseille Université) han estado desarrollando una nueva generación de biocélulas. Han reemplazado el catalizador químico (platino) con enzimas bacterianas:en el ánodo, hidrogenasa (clave para convertir hidrógeno en muchos microorganismos), y en el cátodo, bilirrubina oxidasa. Ahora han identificado una hidrogenasa que es activa en presencia de oxígeno y resistente a algunos inhibidores de platino como el monóxido de carbono. En colaboración con el Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS / Université de Bordeaux), también exploraron la biodiversidad para identificar enzimas termoestables que pueden soportar temperaturas entre 25 ° C y 80 ° C.

Para trasladar estos bioprocesos del laboratorio al desarrollo industrial, hubo que superar dos obstáculos importantes. En 2014, su primer prototipo estaba limitado tanto por la baja potencia que generaba como por la falta de estabilidad enzimática. Entonces necesitaban un cambio de escala, sin embargo, tenía que retener la actividad de las enzimas y protegerlas de cualquier inhibidor. Un tercer gran problema fue cómo reducir costos, entonces, entre otras cosas, tenían que minimizar la cantidad de enzima utilizada. Todos estos temas requirieron un estudio fundamental y multidisciplinario destinado a arrojar luz sobre los factores que limitan la bioelectrocatálisis.

Al incorporar progresivamente las dos enzimas termoestables en una arquitectura basada en carbono, los investigadores resolvieron estos tres problemas. Un fieltro de carbono con porosidad adecuadamente adaptada es la estructura huésped de las enzimas, y también sirve como protección contra las especies químicas generadas cuando se reduce el oxígeno, que cambian la actividad enzimática. Por tanto, la célula puede funcionar sin pérdida de rendimiento durante varios días.

Usando esta arquitectura controlada y las propiedades intrínsecas de las enzimas, los investigadores han logrado por primera vez cuantificar la proporción de enzimas que participan de manera efectiva en la corriente, demostrando que las corrientes entregadas por el biocatalizador son muy similares a los resultados previstos para el platino. También han desarrollado un modelo numérico para determinar la geometría óptima de la celda. Así que estas biocélulas parecen ser una alternativa a las pilas de combustible clásicas:la biomasa se puede utilizar para proporcionar tanto el combustible (hidrógeno) como el catalizador (las enzimas), que son por naturaleza, renovable.