Биотопливные элементы преобразуют с помощью микроорганизмов энергию химических связей органических веществ в электричество. Они могут быть полезны там, где централизованное электроснабжение недоступно, а также для зарядки мобильных телефонов и компьютеров, питания маломощных осветительных приборов частных домовладений. Молодые ученые разработали биоаноды, которые служат основой для таких биологических топливных элементов. Их использование позволит решить целый ряд проблем утилизации отходов биотехнологических производств и стабилизировать экологическую ситуацию в целом.
Как элемент биосенсора разрабатываемые 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 — клетки микроорганизмов и их ферментные системы, 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 были разработаны полимер-основанные биокомпозиты, в состав которых входит природный полимер хитозан, биокатализатор на основе субклеточных структур бактерий и углеродные нанотрубки.
Такие биокомпозиты способны одновременно проводить электрический ток и обеспечивать сохранность и комфортные условия для функционирования биологических структур. На данном этапе исследование носит фундаментальный характер. Основная сфера применения разработанных биоанодов — это альтернативная энергетика и источники малой генерации.
«Наибольшие трудности при разработке биокомпозитов для нас были связаны с совмещением в одной полимерной матрице биологического катализатора и наноматериалов, так как 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, кандидат химических наук, доцент Сергей Алферов.
Исследования были проведены при поддержке Минобрнауки России, а также в рамках работы НОЦ «ТулаТЕХ». Результаты исследования были опубликованы в высокорейтинговом международном журнале.
