Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
тока. При освещении объединенных полуэлементов зарегистрирован потенциал
220 мВ и ток: 800 мкА при плотности тока 16 мкА/см2 (использованы
платиновые электроды). В одном полуэлементе мембранами хлоропластов
осуществляется фотолиз воды, в то время как в другом идет только
частичная реакция (фотосистема I) с образованием низкого потенциала.
Полуэлементы соединены искусственной: мембраной, проницаемой для ионов,
но не для переносчика* электронов (красителя). Возможно, эту очень
интересную фото-гальваническую батарею удастся модифицировать так, что у
двух ее полюсов будут выделяться Ог и Нг, а тока она давать не будет.
2.7. Биотопливные элементы
и другие биоэлектрохимические устройства
После того как в конце XIX в. были созданы топливные элементы, появилась
возможность эффективно осуществлять превращение химической энергии в
электрическую. Дело в том, что" на эти элементы не распространяются
ограничения, налагаемые циклом Карно. Дальнейшее их усовершенствование
шло тем не менее медленно: оказалось, что обеспечить эффективный элект-
рокаталитический перенос электронов от используемого топлива на анод
элемента сложно. В результате удалось создать лишь водородный элемент,
дающий достаточную плотность тока. Он успешно работает при низких
температурах и пригоден для крупномасштабного производства энергии.
Схема, объясняющая принципы работы обычного топливного элемента,
приведена на рис. 2.7. Был предложен ряд элементов, использующих другие
виды топлива (спирты, углеводороды), но они работают лишь при высоких
температурах и дают ток небольшой плотности при малом коэффициенте
полезного действия. Это ограничивает их применение для производства
энергии, но некоторые типы топливных элементов используются для других
целей. Так, один из. них применяется в качестве датчика в детекторах,
выявляющих наличие спирта в выдыхаемом воздухе.
Важной отличительной чертой биологических систем является их способность
к контролируемому окислению различных "топлив" при низкой температуре.
Неудивительно, что биоэлектрохимики долгое время пытались приспособить
участвующие в этих реакциях катализаторы для работы в топливных
элементах. Ведь в процессах дыхания в живых организмах и реакциях, идущих
в биоэлектрохимических элементах, есть много общего.
"4
Глава 2
Первые опыты с биологическими топливными элементами и батареями провел в
1910 г. английский ботаник Поттер. Погружая платиновый электрод в
анаэробную культуру дрожжей или Escherichia coli, он обнаружил, что на
нем образуется потенциал, отрицательный по отношению к потенциалу такого
же электрода, находящегося в аэробной стерильной среде. Напряжение в цепи
было при этом 0,3-0,5 В, а сила слабого тока составляла 0,2 мА. За
последующие 50 лет было описано множество биотопливных элементов,
работающих на основе других организмов и топлив. В конце 50-х и начале
60-х годов интерес к таким устройствам у исследователей, работавших по
космическим программам, сильно возрос.
В целом разработанные модификации можно разделить на три основные группы,
описание которых дается далее.
Рис. 2.7. Схема строения простейшего кислород-водородного топливного
элемента.
Биотопливный элемент на неэлектроактивных веществах
В таких элементах организмы или ферменты используются для превращения
неэлектроактивных топлив в электроактивные их производные, которые затем
окисляются в обычных элементах. Вот пример такого процесса:
Сбраживающий
Глюкоза--------------Н2,
микроорганизм
Н2 "- 2Н+ -J- 2е_ (на аноде),
2Н+ + -Оа + 2е-
¦ Н20 (на катоде).
Деполяризирующий биотопливный элемент
В таких элементах микроорганизмы или ферменты применяются как
катализаторы в электрохимической реакции, протекающей на одном или обоих
электродах. Так, можно собрать водородную ячейку с ферментом
гидрогеназой, катализирующим реак-
Энергия и биотехнология
85
цию на аноде, и другим ферментом, лакказой, работающим, на катоде:
Н2_____________> 2Н+ + 2е~ (на аноде).
Г идрогенназа
2Н+ + - 02 + 2е~----------> НгО (на катоде).
2 Лакказа
Регенерируемый биотопливный элемент
В этом устройстве биологический компонент предназначен для регенерации
электрохимически активных веществ, которые и взаимодействуют с одним или
обоими электродами. На рис. 2.8
Рис. 2.8. Биотопливный элемент на основе микробной метанолдегидрогеназы.
МДГ - метанолдегидрогеназа, ФЭС - феназинэтосульфат, ФМС - феназинме-
тосульфат.
приведена схема одного из таких устройств. Это - недавно созданный
биотопливный элемент на основе фермента; в качестве топлива в нем
используется метанол.
Хотя некоторые биотопливные элементы стали экономически выгодными и в них
были достигнуты достаточно высокая плотность тока на электроде (до 40
мА/см2) и мощность (около 1 кВт), они еще не доведены до того уровня,
чтобы их можно было широко внедрять в практику.
Отметим, однако, что в самое последнее время технология биотопливных
элементов сильно шагнула вперед. Это касается и элементов с ферментами,
