¿Qué es una célula de biocombustible?

Una célula de biocombustible es un dispositivo que utiliza materiales biológicos para generar electricidad de forma directa a través de reacciones redox. Esto contrasta con el uso convencional de biocombustibles para generar electricidad a partir del calor proporcionado por la combustión del material. El principio detrás de la tecnología de células de biocombustibles es imitar varios procesos naturales que se utilizan para producir energía dentro de los organismos vivos. En algunos casos, las bacterias pueden desempeñar un papel en estas celdas de combustible. A partir de 2011, las células de biocombustibles muestran potencial como fuente de energía alternativa y en diversas aplicaciones médicas y de bioingeniería.

Los organismos vivos obtienen energía de la oxidación de los carbohidratos, que son generados por la fotosíntesis en las plantas e ingeridos como alimento por los animales. Las enzimas facilitan las reacciones, en las cuales los carbohidratos se convierten en dióxido de carbono y agua mediante la eliminación de electrones, que luego se almacenan en moléculas de adenosina trifosfato (ATP). En una célula de biocombustible, los electrones producidos por la oxidación de moléculas orgánicas, generalmente carbohidratos, como en los organismos vivos, se utilizan para generar una corriente eléctrica. La idea de utilizar estos procesos biológicos para generar electricidad ha existido desde la década de 1960, pero los primeros intentos de construir una celda de biocombustible práctica y funcional encontraron dificultades.

Una celda de biocombustible típicamente consistirá en un contenedor dividido en dos secciones por una barrera permeable. En una sección, la oxidación de un carbohidrato, por ejemplo, glucosa, proporciona electrones. En la otra sección, se produce una reacción de reducción, que utiliza estos electrones. Al conectar los dos electrodos, se puede generar una corriente desde el electrodo en la sección de oxidación, el ánodo, hasta el electrodo en la sección de reducción, el cátodo.

Uno de los mayores problemas prácticos que obstaculizan el desarrollo de las células de biocombustibles ha sido encontrar una forma eficiente de liberar los electrones del carbohidrato al ánodo. Los electrones se almacenan inicialmente en la enzima oxidante y, en el proceso natural, serían transferidos químicamente a las moléculas de ATP. Hay dos métodos posibles para extraer electrones de la enzima al ánodo en una celda de biocombustible.

En el método de transferencia directa de electrones (DET), la enzima necesita unirse al ánodo. Esto se puede hacer químicamente o por otros métodos, como la construcción del ánodo a partir de una malla de nanotubos de carbono sobre los cuales se adsorbe la enzima. Estos métodos dan como resultado una actividad reducida en la enzima y la consiguiente pérdida de eficiencia, pero esto es, en el momento de la escritura, un área de investigación en curso y se pueden desarrollar técnicas mejoradas.

El otro método de transferencia de electrones se conoce como transferencia de electrones mediada (MET). Esto no requiere que la enzima esté en contacto con el ánodo; en cambio, los electrones pasan a otra molécula con un potencial redox más bajo, que luego cede los electrones al ánodo. Este compuesto, conocido como mediador, también debe tener un potencial redox mayor que el ánodo. Este paso adicional implica una pérdida de energía y, por lo tanto, la pila de combustible es en la práctica menos eficiente de lo que podría ser en teoría.

Las células de biocombustibles son un área de investigación activa y se están investigando varias posibles soluciones a estos problemas. Entre las posibilidades está el uso de bacterias en las células de combustible microbianas. Las bacterias reductoras de hierro que viven en condiciones anaeróbicas muestran una promesa particular ya que reducen naturalmente el hierro en su estado de oxidación +3 a su estado de oxidación +2. Luego, el hierro puede dejar un electrón en el ánodo, volviendo a su estado +3 y actuando como una molécula mediadora natural al transferir electrones de la bacteria al ánodo.

Las principales ventajas de las células de biocombustibles son que no son contaminantes, no requieren catalizadores costosos y utilizan materias primas comunes, económicas y fácilmente renovables. Las principales desventajas de las células de biocombustibles son su ineficiencia y baja potencia de salida. A partir de 2011, sin embargo, hay esperanzas de que estos problemas puedan superarse, abriendo una nueva gama de posibilidades. Estos incluyen no solo energía barata, limpia y renovable, sino también la posibilidad de implantar células de biocombustibles implantadas, que funcionan con sustancias producidas por el cuerpo y se utilizan para alimentar dispositivos médicos como marcapasos.