Una cella a biocombustibile è un dispositivo che utilizza materiali biologici per generare elettricità in modo diretto attraverso reazioni redox. Ciò contrasta con l’uso convenzionale dei biocarburanti per generare elettricità dal calore fornito dalla combustione del materiale. Il principio alla base della tecnologia delle celle a biocombustibile è quello di imitare vari processi naturali utilizzati per produrre energia all’interno degli organismi viventi. In alcuni casi, i batteri possono svolgere un ruolo in queste celle a combustibile. A partire dal 2011, le celle a biocombustibile mostrano potenziale come fonte di energia alternativa e in varie applicazioni mediche e di bioingegneria.
Gli organismi viventi ottengono energia dall’ossidazione dei carboidrati, che sono generati dalla fotosintesi nelle piante e ingeriti come cibo dagli animali. Gli enzimi facilitano le reazioni, in cui i carboidrati vengono convertiti in anidride carbonica e acqua mediante la rimozione di elettroni, che vengono poi immagazzinati in molecole di adenosina trifosfato (ATP). In una cella a biocombustibile, gli elettroni prodotti dall’ossidazione di molecole organiche, solitamente carboidrati, come negli organismi viventi, vengono utilizzati per generare una corrente elettrica. L’idea di utilizzare questi processi biologici per generare elettricità esiste dagli anni ‘1960, ma i primi tentativi di costruire una cella a biocombustibile pratica e funzionante hanno incontrato difficoltà.
Una cella a biocombustibile sarà tipicamente costituita da un contenitore diviso in due sezioni da una barriera permeabile. In una sezione, l’ossidazione di un carboidrato, ad esempio il glucosio, fornisce elettroni. Nell’altra sezione avviene una reazione di riduzione, che utilizza questi elettroni. Collegando i due elettrodi, è possibile creare una corrente dall’elettrodo nella sezione di ossidazione, l’anodo, all’elettrodo nella sezione di riduzione, il catodo.
Uno dei maggiori problemi pratici che ostacolano lo sviluppo delle celle a biocombustibile è stato trovare un modo efficiente per far entrare nell’anodo gli elettroni rilasciati dai carboidrati. Gli elettroni sono inizialmente immagazzinati nell’enzima ossidante e, nel processo naturale, verrebbero trasferiti chimicamente nelle molecole di ATP. Esistono due metodi possibili per estrarre gli elettroni dall’enzima nell’anodo in una cella a biocombustibile.
Nel metodo Direct Electron Transfer (DET), l’enzima deve essere legato all’anodo. Questo può essere fatto chimicamente o con altri metodi, come la costruzione dell’anodo da una rete di nanotubi di carbonio su cui viene adsorbito l’enzima. Questi metodi comportano una ridotta attività nell’enzima e la conseguente perdita di efficienza, ma questa è, al momento della stesura, un’area di ricerca in corso e tecniche migliorate che possono essere sviluppate.
L’altro metodo di trasferimento di elettroni è noto come trasferimento di elettroni mediato (MET). Ciò non richiede che l’enzima sia in contatto con l’anodo; invece, gli elettroni vengono passati ad un’altra molecola con un potenziale redox inferiore, che poi cede gli elettroni all’anodo. Questo composto, noto come mediatore, deve anche avere un potenziale redox maggiore rispetto all’anodo. Questo passaggio aggiuntivo comporta una perdita di energia e quindi la cella a combustibile è in pratica meno efficiente di quanto potrebbe essere in teoria.
Le celle a biocombustibile sono un’area di ricerca attiva e si stanno studiando varie possibili soluzioni a questi problemi. Tra le possibilità c’è l’uso di batteri nelle celle a combustibile microbiche. I batteri che riducono il ferro che vivono in condizioni anaerobiche mostrano una particolare promessa poiché riducono naturalmente il ferro nel suo stato di ossidazione +3 al suo stato di ossidazione +2. Il ferro può quindi cedere un elettrone all’anodo, tornando al suo stato +3 e agendo come molecola mediatrice naturale trasferendo elettroni dai batteri all’anodo.
I principali vantaggi delle celle a biocombustibile sono che non sono inquinanti, non richiedono catalizzatori costosi e utilizzano materie prime comuni, poco costose e facilmente rinnovabili. I principali svantaggi delle celle a biocombustibile sono la loro inefficienza e la bassa potenza. A partire dal 2011, tuttavia, ci sono speranze che questi problemi possano essere superati, aprendo una nuova gamma di possibilità. Questi includono non solo energia economica, pulita e rinnovabile, ma anche la prospettiva di celle a biocombustibile impiantate, funzionanti con sostanze prodotte dall’organismo, utilizzate per alimentare dispositivi medici come i pacemaker.