Bioelektryczność jako alternatywna forma energii
Systemy bioelektrochemiczne to urządzenia elektrochemiczne, które przekształcają energię chemiczną w elektryczność. Oczyszczone enzymy katalizują utlenianie paliwa po stronie anody i przeprowadzają redukcję akceptora elektronów po stronie katody. Jednak enzymy te wymagają czystego substratu, który na daną chwilę jest nieekonomiczny przy stosowaniu na dużą skalę. Problemem tym zajął się zespół projektu ELECTROENZEQUEST (Bioelectrochemical system for enzyme catalyzed CO2 sequestration for the recovery of commercially viable carbonated water and methanol), który zbadał wykorzystanie dwutlenku węgla (CO2) jako substratu. W projekcie zbadano mechanizmy odpowiadające za sekwestrację CO2 w atmosferze poprzez mieszanki enzymów, w których wykorzystano wiele enzymów jednocześnie do wychwytywania bioelektryczności. CO2 uwzględniono zarówno w utlenianiu anodowym i redukcji katodowej w celu uzyskania odpowiednio wody węglanowej i metanolu. Badacze dokonali immobilizacji anhydrazy węglanowej (CA) na elektrodzie i ocenili jej wykorzystanie jako anody w procesie elektrogenezy (wytwarzania energii elektrycznej przez organizmy żywe). Badacze przeprowadzili analizę bioelektrochemiczną zimmobilizowanej CA na katodzie i zoptymalizowali różne czynniki wpływające na rolę CA w sekwestracji CO2. Badacze zimmobilizowali także dehydrogenezę mrówczanową (Fate DH), dehydrogenezę formaldehydową (Fald DH) i dehydrogenezę alkoholową na elektrodzie. Rozwiązanie to zastosowano jako katodę w operacyjnym ogniwie paliwowym CA. Zoptymalizowano także wydajność dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego i chinonu pirolochinoliny w ogniwie paliwowym, co było mediatorem transferu elektronu z elektrody na substrat oraz konwersji CO2 w metanol podczas redukcji katodowej. Ponadto badacze przyjrzeli się wykonalności konwersji CO2 na kwas mrówkowy przy użyciu Fate DH w wolnej postaci, przed immobilizacją go na grafitowej elektrodzie VITO-CoRETM. Następnie z powodzeniem zimmobilizowali wszystkie trzy enzymy na grafitowej elektrodzie VITO-CoRETM w celu produkcji metanolu. Kolejnym krokiem było dodanie CA na późniejszym etapie w celu zwiększenia produktywności. Przeprowadzono dalsze eksperymenty przy jednoczesnym użyciu trzech enzymów na elektrodzie, gdzie zaobserwowano produkcję etanolu z prędkością 0,6 kg na metr sześcienny na godzinę. Jednak gdy wyłączono Fald DH, nie zaobserwowano spadku wydajności etanolu. Choć wytwarzano raczej etanol niż metanol, ten pierwszy może być wytwarzany bezpośrednio z kwasu mrówkowego, który jest bardziej opłacalny. Projekt ELECTROENZEQUEST podkreślił ważną rolę sekwestracji CO2 w łagodzeniu skutków zmiany klimatu oraz zaspokojeniu zapotrzebowania na alternatywne biopaliwa.
Słowa kluczowe
Bioelektrochemiczny, enzymy, utlenianie, sekwestracja CO2, metanol
