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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