Zucker versüßt Akkuleistung
Y-H Percival Zhang, chief Science Officer der zellfreien BioInnovations und Associate Professor des biologischen Systems engineering an der Virginia Tech, trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.
Es mag seltsam eine Zutat gefunden in Muffins und Cookies als Energiequelle zu nutzen, aber die meisten lebenden Zellen brechen Zucker zur Energiegewinnung. Und interessanterweise die Energiedichte des Zuckers ist deutlich höher als die der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien.
Meine Kollegen und ich zeigte vor kurzem erfolgreich das Konzept einer Zucker-Biobattery, die vollständig die chemische Energie in Zucker Substraten in Strom umwandeln kann.
Wir arbeiten unter einen Small Business Innovation Research (SBIR) Zuschuss von der US National Science Foundation, berichtete über die Ergebnisse in der Ausgabe Januar 2014 von Nature Communications.
Dieser Durchbruch Zucker betriebene Biobattery erreichen eine Energie-Speicherdichte von ca. 596 Amperestunden pro Kilogramm (A-h/kg) – eine Größenordnung höher als die 42 A-h/kg Energiedichte eines typischen Lithium-Ionen-Akkus. Ein Zucker Biobattery mit einer hohen Energiedichte konnte endlich mindestens zehn Mal länger bestehenden Lithium-Ionen-Akkus des gleichen Gewichts. [Elektrische Bakterien könnten für Bio-Batterie verwendet werden]
Diese Natur inspirierten Biobattery ist eine Art von enzymatischen Brennstoffzelle (WFA) – ein Electrobiochemical Gerät, das chemischen Energie aus Brennstoffen wie Stärke und Glykogen in elektrischen Strom umwandelt. Während EFCs unter den gleichen allgemeinen Grundsätzen wie herkömmliche Brennstoffzellen arbeiten, verwenden sie Enzyme statt Edelmetall-Katalysatoren, um ihren Brennstoff zu oxidieren. Enzyme ermöglichen den Einsatz komplexer Brennstoffe (z. B. Glukose), und diese komplexeren Kraftstoffe sind was EFCs ihre überlegene Energiedichte geben.
Zum Beispiel die komplexen Zucker Hexose — auf vollständige Oxidation – können 24 Elektronen pro Molekül Glukose während der Oxidation, loslassen, während Wasserstoff (ein Kraftstoff in traditionellen Brennstoffzellen verwendet) nur zwei Elektronen freigibt. Bis jetzt jedoch wurden EFCs um die Freigabe nur zwei bis vier Elektronen pro Glucose-Molekül beschränkt.
Wie mein Kollege Zhiguang Zhu, Oberassistent am zellfreien BioInnovations gesagt hat, ist unser Team nicht das erste zu schlagen, mit Zucker als Treibstoff in die Biobattery. Wir sind jedoch zunächst die vollständige Oxidation von der Biobattery Zucker zu demonstrieren, so dass wir eine in der Nähe von theoretischen Konvertierung Energieausbeute erreichen, die sonst niemand gemeldet hat.
Für unsere Batterie Wir konstruierten einen katabolen Syntheseweg (eine Reihe von metabolischen Reaktionen, die komplexe organische Moleküle zerlegen) mit 13 Enzymen um der Glucose-Einheiten von Maltodextrin, nachgiebig fast 24 Elektronen pro Molekül Glukose vollständig zu oxidieren.
Wir setzen spezifische thermostabile Enzyme in einem Gefäß eine enzymatische Syntheseweg darstellen, die eine Kaskade von biologischen Reaktionen auf den Zucker komplett "brennen" ausführen können in Kohlendioxid, Wasser und Strom umwandelt.
Im Gegensatz zu natürlichen katabolischen Wege für die Oxidation von Glukose in den Zellen erfordert gestaltete Syntheseweg nicht kostspielige und instabile Cofaktoren, wie Adenosintriphosphat (ATP, entscheidend für energetische Prozesse in menschlichen Zellen), Coenzym A oder einer zellulären Membran.
Stattdessen haben wir zwei Redox-Enzyme, die reduzierte Nicotinamid-Adenin-Dinucleotide (NADH) erzeugen aus Zucker Metaboliten. NADH, Redox-Reaktionen beteiligt Reduktionsmittel ist ein natürliche Elektron-Vermittler, der Elektronen von einem Molekül zum anderen trägt. Wir haben auch zehn andere Enzyme verantwortlich für die Aufrechterhaltung metabolische Zyklen und ein zusätzliches Enzym, das das System Elektrode Elektronen von NADH überträgt. Diese neue Syntheseweg ermöglicht die Biobattery zu extrahieren die gesamte theoretische Anzahl der Elektronen pro Glucose-Einheit und damit die chemische Energie in den Zucker verwenden. Dies ist ein bedeutender Durchbruch.
Neben seiner überlegenen Energiedichte ist Zucker Biobattery auch weniger kostspielig als die Lithium-Ionen-Batterie, nachfüllbar, umweltfreundlich und nicht brennbar. Während wir weiterhin über die Verlängerung der Lebensdauer, Erhöhung der Leistungsdichte und Kostensenkung bei der Elektrodenmaterialien für solch eine Batterie, wir, dass hoffen können die schnell wachsende Appetit für den Antrieb von tragbarer elektronischer Geräten gut mit dieser energiereichen Zucker Biobattery in Zukunft einhalten zu.
Diese Technologie wurde durch die NSF Small Business Innovation Research Program finanziert. Dieser Artikel wurde von der National Science Foundation in Zusammenarbeit mit CEP vorbereitet. Alle Experten stimmen Fragen und Debatten zu folgen – und werden Sie Teil der Diskussion – auf Facebook, Twitter und Google +. Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers. Diese Version des Artikels erschien ursprünglich am Leben Wissenschaft.