uma biobateria de açúcar de densidade de energia
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Uma biobateria de açúcar de alta densidade de energia
baseada numa síntese enzimática
ZHU, Zhiguang e et al.
Luiza Pires Ribeiro MartinsFIQ 2001 – Físico-Química IIProf. Dr. Sérgio Pezzin
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Introdução• A demanda por aparelhos eletrônicos portáteis impulsiona o
desenvolvimento de baterias melhores com as seguintes características:
• Densidades de armazenamento de energia elevadas;• Seguras;• Recarregamento rápido;• Serem biodegradáveis.• Baterias de íon-lítio são muitos utilizadas, pois apresentam
algumas das características acima;
• Célula a combustível em que são consumidos um agente redutor(combustível) e um agente oxidante (comburente), com o objetivo de gerar energia elétrica. Estes agentes químicos são fornecidos e consumidos continuamente.
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Introdução
• Células de combustível enzimáticas (EFCs) são dispositivos eletrobioquímicos que convertem energia química de uma variedade de combustíveis em eletricidade, utilizando enzimas como catalisadores de baixo preço.
• São inspiradas em células vivas;• Apresentam densidade de energia superior em termos
mW/cm2 comparada a células de combustível microbianas;
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Introdução
• Utilizam como combustíveis açúcares, como a glicose. Pois são abundantes, renováveis e atóxicos;
• Maltodextrina é um combustível superior à glicose , pois é apresenta uma densidade de energia 11% maior.
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Maltodextrina Glicose
Objetivo• Mostrar a construção de uma EFC utilizando 13 enzimas que
oxidam completamente as unidades de glicose da maltodextrina resultando em 24 elétrons por unidade de glicose;
• Comparar células com enzimas imobilizadas com não imobilizadas;
• Mostrar que a EFC possui uma alta densidade de energia;
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Metodologia• A EFC consiste de 4 módulos:
• Geração de glicose 6-fosfato (g6p) a partir da maltodextrina mediada por α-glicose fosforilase (α-GP) e fosfoglicomotase (PGM) (equação 1);
• Duas NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo) reduzidas geradas pela g6p mediadas por duas NAD+-dependentes; G6PDH (glicose 6-fosfato dehidrogenase) e 6-fosfogliconato dehidrogenase (6PGDH) (equação 2);
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Metodologia
• Oxidação da NADH por meio de diaforase (DI) não imobilizada e vitamina K3 (VK3) imobilizada que gera 2 elétrons por NADH (equação 3);
• 5/6 mols de g6p regenerados de 1 mol de ribulose-6-fosfato (equação 4).
7VK3 -menadiona
Metodologia• A reação geral do ânodo é uma combinação das equações 1 a
4. Cada unidade de glicose da maltodextrina pode gerar 24 elétrons por este mecanismo:
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RPI = ribose-5-fosfato isomerase;Ru5PE= ribose-5-fosfato 3-epimerase;TK= transquetolaseTAL= translodase;TIM=triosefosfato isomeraseALD= aldolase; FBP = frutose-1,6-biofostase; PGI= fosfoglicose isomerase
Fosfato inorgânico
Resultados e discussão: Comparação de enzimas não imobilizadas e
imobilizadas:• A imobilização de enzimas na superfície dos eletrodos é feita com
nanopartículas e nanotubos, por adsorção física, e por ligação covalente;
• Esta EFC não imobiliza as enzimas, fazendo com que não perdem sua atividade e facilitando a transferência de massa;
• Comparação feita com duas abordagens de enzimas imobilizadas: aprisionamento em matriz polimérica modificada de Nafion e brometo de tetrabutilamônio quartenário (TBAB) (1) e ligação covalente com nanotubos (2) .
10Nafion
• Foram utilizadas g6p, G6PDH e DI para testar as potências das diferentes abordagens;
• EFC com enzima não imobilizada G6PDH teve a maior densidade de potência de 0,13 mW/cm;
• 3x maior que a abordagem 2;11
Oxidação da maltodextrina• Para validar quantitativamente a oxidação da maltodextrina
foi medido a eficiência de Faraday do NADH para elétrons pelo DI e VK3;
• Eficiência de Faraday: descreve a eficiência com a qual uma carga (elétron) é transferida num sistema facilitando uma reação eletroquímica;
• Foi de 97,6± 3,0%, o que sugere que a oxidação do NADH é muito eficiente.
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• A EFC de 13 enzimas baseada numa solução de 15% (m/v) de maltodextrina gerou uma densidade de potência de 0,4 mW/cm2 a temperatura ambiente;
• Potência constante de ~0,32 mW/cm2 por 60h num sistema fechado;
• Duas EFCs em cubetas podem ligar um relógio digital e um LED;
• Problemas.
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Densidade de energia da EFC
Considerações finais
• Podem servir como a próxima geração de fontes verdes de energia para aparelhos eletrônicos portáteis;• O tempo de vida pequeno das enzimas precisa
ser resolvido antes que as EFCs possam ser usados em larga escala.
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REFERÊNCIAS
• ATKINS, P.; de Paula, J.;Físico-Química. Vol. 2. Nona Edição. LTC:Rio de Janeiro, 2012.
• ATKINS, P.W.; JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3.ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.
• ZHU, Zhiguang e et al. A high-energy-density sugar biobattery bases on a synthetic enzymatic pathway. Nature Communications. p.1-8, 2014.
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