Células e Biocélulas a Combustível

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Biocélulas a combustível empregando enzimas oxirredutases imobilizadas em matrizes nanoestruturadas
Ana Helena e Maria Lua
Orientador: Eduardo Zapp
Sumário
Introdução;
Célula a combustível;
Biocélula a combustível;
Enzimas;
Biocélula vs. Célula;
Combustíveis;
Objetivo do projeto;
Imobilização da levedura;
Caracterização;
Referências.
 
 
Introdução
 Alta demanda energética da sociedade moderna, seja no setor industrial ou consumo doméstico;
 Utilização de combustíveis fósseis Fonte não renovável, poluente e baixo rendimento;
 Busca por alternativas mais eficientes e renováveis.
Célula a combustível
 Dispositivo eletroquímico de funcionamento contínuo, que transforma energia química do combustível em energia elétrica a partir de reações de oxirredução.
Princípio de funcionamento foi descoberto em 1835 por Sir Grove.
Maior eficiência da combustão eletroquímica a frio em relação a combustão térmica (Ciclo de Carnot)
 Célula a combustível ~ 90%
 Máquina térmica ~ 45%
Célula a combustível
 Princípio de funcionamento
Figura 2. Esquema de funcionamento de uma célula a combustível.
 Reações 
Célula a combustível
Classificação
 Tipo de eletrólito
 - Alcalina (AFC).
 - Membrana polimérica (PEMFC).
 - Ácido fosfórico (PAFC).
 - Carbonatos fundidos (MCFC).
 - Cerâmicos (SOFC).
Figura 3. Diferenças entres os tipos de células.
Célula a combustível
 Temperatura de operação
 - Baixas temperaturas (60~90ºC): Móveis/Portáteis.
 - Altas temperaturas (160~900ºC): Unidades estacionárias > Cogeração eletricidade/calor.
Figura 4. Célula a combustível comercial de 250 kW.
Célula a combustível
Combustível
 
Figura 5. Principais formas de produção de hidrogênio. 
Hidrogênio > Não é encontrado puro na natureza > fonte intermediária.
Célula a combustível
Combustível
 
Produção de hidrogênio > Energia = calor, luz ou eletricidade 
Figura 6. Processos de obtenção de Hidrogênio
Célula a combustível
Catalisadores
 - Células de baixa temperatura: Metais nobres > Raros e caros > Alto custo > PLATINA.
Figura 7. Preço da platina em Real.
Biocélulas
Biocélulas a combustível são dispositivos com componentes de origem biológica capazes de gerar energia.
Podem ser de dois tipos: enzimáticas e microbiológicas.
Figura 8. Esquema representativo de um reator de uma biocélula de combustível microbiológica.
Figura 9. Representação esquemática de uma biocélula a combustível enzimática.
Enzimas
 Enzimas são proteínas que atuam como catalisadores dos sistemas biológicos que possuem importante papel no perfil de transformações químicas e bioquímicas (LEHNINGER et al., 2006).
Figura 9. Estruturas de uma enzima.
Enzimas
 As enzimas podem ser obtidas a partir do extrato bruto e/ou tecidos vegetais, estando em seu habitat natural, possui um maior tempo de vida e estabilidade que as enzimas purificadas. 
Figura 10. Exemplo de fontes de enzimas oxirredutases (catalisadoras da reação de oxido-redução).
Biocélulas vs Células
Figura 11. Representação esquemática de uma célula a combustível.
Figura 12. Representação esquemática de uma biocélula de combustível.
Combustíveis
 Devido a grande diversidade e especificidade de microorganismos e enzimas existentes, existe a possibilidade de se utilizar diversos combustíveis, uma vez que o biomaterial da biocélula é o responsável pela transformação da energia química em elétrica. Dentre tantos combustíveis possíveis, os mais pesquisados são:
Etanol
Glicose
Hidrogênio
Metanol
Água de esgoto
Objetivo
 Nosso objetivo nesse projeto é esfoliar o carbono para aumentar a superfície de contato e aplicar Saccharomyces cerevisiae em meio propício para seu desenvolvimento. A levedura deverá consumir a glicose e gerar energia elétrica na biocélula. 
Figura 13. Filamento de carbono esfoliado. Fonte: FRANK CRESPILHO / USP
Imobilização da Levedura
 Esse recurso é utilizado pois permite o usa da enzima em processos contínuos, pois diminui os riscos de contaminação em operações com altas taxas de diluição e a formação de subprodutos, aumenta a estabilidade, permite o reaproveitamento do material e reduz o custo de operação. Além disso, permite a utilização em diferentes solventes, pHs e temperaturas e podem ser expostas a agentes desnaturantes.
Figura 14. Representação de enzimas imobilizadas.
Tipos de Imobilização
Figura 15. Esquema representativo dos métodos de imobilização de enzimas.
Caracterização
 Voltametria cíclica: um método de caracterização eletroquímica no qual se obtém informações quantitativas e qualitativas de uma espécie química através do registro de curvas-potencial, medidas durante a eletrólise dessa espécie em uma cela eletroquímica. , O potencial é aplicado entre os dois eletrodos a uma velocidade constante em função do tempo (varredura). O potencial e a corrente resultante são registrados simultaneamente. A curva corrente vs. potencial obtida é chamada de voltamograma.
Caracterização
Figura 16. Exemplo de voltamograma.
Caracterização
Microscopia: Analisa a microestrutura, permitindo entender as correlações microestrutura-defeitos-propriedades e prediz as propriedades do material quando estas correlações são estabelecidas. Pode ser:
Ótica (2000x)
Eletrônica de Varredura (900000x)
A microscopia eletrônica de varredura (MEV), além de permitir observar o material com uma definição melhor que a ótica, também nos fornece a topografia da superfície do material, composição, cristalografia, etc.
Caracterização
Figura 17. Neurônios vistos em um microscópio óptico.
Figura 18. Neurônios vistos em um microscópio eletrônico.
Caracterização
Espectofotometria: permite que componentes desconhecidos de uma solução possam ser identificados por seus espectros característicos ao ultravioleta, visível, ou infravermelho.
Figura 19. Espectofotômetro de alguns elementos químicos.
Referências
- AQUINO NETO, Sidney de. Preparação e caracterização de bioanodos para biocélula a combustível etanol/O₂. 2012. 77 f. Tese (Doutorado) - Curso de Química, Química, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, 2012.
- FATIBELLO-FILHO, Orlando; VIEIRA, Iolanda da Cruz. USO ANALÍTICO DE TECIDOS E DE EXTRATOS BRUTOS VEGETAIS COMO FONTE ENZIMÁTICA. Química Nova, [s.l.], v. 25, n. 3, p.455-464, maio/jun. 2015. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/qn/v25n3/9340.pdf>. Acesso em: 15 out. 2015.
- PEREIRA, Rafael Matsumoto. Técnicas de imobilização e estabilização de lipases obtidas a partir de diferentes fontes microbianas. 2014. 30 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Química, Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas-mg, 2014. Disponível em: <http://www.unifal-mg.edu.br/engenhariaquimica/system/files/imce/TCC_2013_2/Rafael Matsumoto.pdf>. Acesso em: 15 out. 2015.
- CARDOSO, Carmen Lúcia; CAS, Marcela C. de Moraes e Quezia B.. Imobilização de enzimas em suportes cromatográficos: uma ferramenta na busca por substâncias bioativas. Química Nova, [s.l.], v. 32, n. 1, p.393-394, fev. 2009. Disponível em: <http://quimicanova.sbq.org.br/imagebank/pdf/Vol32No1_175_32-RV07488.pdf>. Acesso em: 15 out. 2015.
Referências
- SOUZA, Karina Ap. de Freitas Dias de; NEVEZ, Valdir Augusto. Enzimas. Disponível em: <http://www.fcfar.unesp.br/alimentos/bioquimica/enzimas.htm>. Acesso em: 15 out. 2015.
- ALEIXO, Luiz Manoel. VOLTAMETRIA: CONCEITOS E TÉCNICAS. Disponível em: <http://usuarios.upf.br/~gobbi/CADA UMA DAS DISCIPLINAS/QUIMICA ANALITICA - - - INSTRUMENTAL/voltametria-vf.pdf>. Acesso em: 15 out. 2015.
SALLET, Paulo Clemente. Prêmio Nobel: dinamite, neurociências e outras ironias. 2009. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0101-60832009000100007&script=sci_arttext>. Acesso em: 15 out. 2015.
- MALISKA, Ana Maria. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA. Disponível em: <http://www.usp.br/nanobiodev/wp-content/uploads/MEV_Apostila.pdf>.
Acesso em: 15 out. 2015.
- MENDES, Marcus Fabiano de Almeida. Espectrofotometria. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/leo/site_espec/index.html>. Acesso em: 15 out. 2015.
ALVES, Nilton Pereira; MORAES, Denílson de Nogueira de. Espectrofotometria de Absorção Atômica - Fundamentos e Instrumentação. São José dos Campos - Sp: Quimlab - Química e Metrologia, 2002. 39 slides, color.
Obrigado!