Ферменты
Еще недавно они были студентами химического факультета МГУ, сейчас они уже ученые, сумевшие разработать производительные топливные элементы, основанные на работе водорода и кислорода, которые могут вырабатывать электрическую энергию из биоводорода, который люди научились получать из органических отходов. В роли катализатора в этом топливном элементе, предназначенном для окисления водорода, вместо платины теперь используют электроды, в состав которых входит иммобилизованный фермент гидрогеназы. После презентации своего проекта московские ученые получили признание у всего мирового сообщества биохимиков, которые во все уста говорили о создании самых высокоактивных ферментных электродов в мире на данный момент.
Топливные элементы есть не что иное, как устройства, которые способны к преобразованию химической энергии, выделяющейся при окислении водорода, непосредственно в электрическую энергию. ТЭ содержат как отрицательный, так и положительный электроды, которые соединены между собой посредством ионного проводника. Сам проводник представлен раствором какого-либо электролита, либо ионопроводящей полимерной мембраной. В пространстве между электродами создается разность потенциалов, благодаря которой генерируется электрический ток во всей внешней электрической цепи. Развивать топливные элменты выгодно с практический точки зрения, ведь все ТЭ имеют высокий КПД в промежутке от 50 до 95%. Однако для достижения таких показателей КПД в элементах, а также для ускорения процессов ионного обмена необходимо наличие катализаторов.
По мнению группы московских ученых уже к 2020 году около 30% газа от всего объема производимого водорода будет синтезировано биологическим путем. У биоводорода есть лишь один недостаток, его сложно использовать дальше, а значит, возникает проблема утилизации. Весь вопрос заключается в том, что большинство современных низкотемпературных топливных элементов работают на катализаторах — платине и остальных металлах платиновой группы. Эта особенность формирует целый ряд недостатков для подобных ТЭ. Так они нуждаются только в качественном топливе, а значит, необходим сверхчистый водород от 99,9%, который за несколько часов работы инактивируется из-за различных примесей – СО (угарный газ), многочисленные соединения серы и т. д., которые выделяются бактериями. Помимо этого и так недешевая платина наверняка вырастет в цене из-за начала серийного производства тепловых элементов.
Разработка русских ученых в области биотехнологии может применяться для создания топливных элементов, в основе катализаторов которых будут лежать ферменты. Появление идей создания подобных ТЭ имело место быть благодаря открытию, сделанному еще 30 лет назад в СССР. В то время это обнаруженный процесс назвали биоэлектрокатализ. Данные ферменты, которые являются специфическими белковыми катализаторами, находятся во всех живых клетках любого организма. А все биохимические реакции, протекающие в живых организмах и отвечающие за процессы обмена веществ, катализируются именно соответствующими ферментами. Однако для полноценной работы созданных ТЭ вначале необходимо активировать эти ферменты. Примером может послужить процесс вживления в органические молекулы частиц железа. Но одной активации будет недостаточно, помимо этого их необходимо правильно располагать на полимерных пленках электрода.
Уникальность разработки ученых в том, что активированные ферменты полностью стабильны в средах всех групп соединений, которые могут выделяться микроорганизмами, создающими водород. А в случаях их использования в роли катализатора можно применять в качестве топлива даже неочищенный водород и получать электрическую энергию. Ферменты имеют и еще один плюс перед платиной – они возобновляемые катализаторы, которые можно получать в неограниченном количестве из такого же возобновляемого сырья в случаях необходимости. Существуют традиционные способы по получению ферментов в промышленных масштабах. Все свойства катализаторов – их каталитическую активность, стабильность и прочие можно с легкостью усовершенствовать благодаря развитой генетической инженерии и ее направления — белкового дизайна.
Конечно, вряд ли можно говорить о мощных электростанциях, функционирующих за счет таких топливных элементов. Однако создание компактных и относительно дешевых энергоблоков на предприятиях сельского хозяйства и общественного питания вполне возможно. Это может повысить рентабельность фабрики, благодаря уменьшению затрат на электричество. Также экономия будет осуществляться и благодаря тому, что использование подобных систем позволяет сводить к минимуму расходы любой компаний и за счет утилизации отходов, и за счет сокращения объемов мусора, который необходимо вывозить на мусорные полигоны.