Биотопливные элементы как альтернативные, возобновляемые, экологически безопасные источники электрической энергии могут использоваться для питания автономных устройств в местах, где централизованное электроснабжение недоступно, зарядки мобильных телефонов и компьютеров, питания маломощных осветительных приборов частных домовладений. Молодые ученые разработали биоаноды, которые служат основой для таких биологических топливных элементов.

Их использование позволит решить целый ряд проблем утилизации отходов биотехнологических производств и стабилизировать экологическую ситуацию в целом. Как элемент биосенсора разрабатываемые биоаноды также могут использоваться в рамках экологического мониторинга и оценки степени загрязненности окружающей среды.

Над научным проектом работали сотрудники молодежной лаборатории экологической и медицинской биотехнологии Тульского государственного университета (ТулГУ) при участии коллег из Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).

Биологические топливные элементы содержат биокатализатор – микроорганизмы и их ферментные системы, которые способны утилизировать широкий круг веществ. При объединении их в одной биоэлектрохимической системе появляется возможность превратить энергию химических связей отходов в электричество. В качестве топлива в такой системе могут использоваться, например, отходы спиртовых и бродильных производств.

Ученые установили, что компоненты природных ферментативных каскадов и модифицированные углеродные нанотрубки участвуют в совместном формировании определенных структур бионанокомпозитов в зависимости от типа полимерной матрицы. Выявленные закономерности позволили направленно формировать эффективные биоэлектрохимические системы. В результате были разработаны полимер-основанные биокомпозиты, в состав которых входят природный полимер хитозан, биокатализатор на основе субклеточных структур бактерий и углеродные нанотрубки.

Такие биокомпозиты способны одновременно проводить электрический ток и обеспечивать сохранность и комфортные условия для функционирования биологических структур. На данном этапе исследование носит фундаментальный характер. Основная сфера применения разработанных биоанодов – это альтернативная энергетика и источники малой генерации.

«Наибольшие трудности при разработке биокомпозитов для нас были связаны с совмещением в одной полимерной матрице биологического катализатора и наноматериалов, т.к. взаимное влияние не должно нарушать работу топливного элемента. Нам удалось достичь эффективных взаимодействий между биокаталитической частью и углеродными нанотрубками в матрице полимерных гидрогелей. Полученные результаты по разработке эффективных биоэлектрохимических систем еще раз доказывают важность и перспективность исследований на стыке биотехнологии, химии и нанотехнологии», – отмечает руководитель направления, заведующий лабораторией экологической и медицинской биотехнологии, канд. хим. наук, доцент, Сергей Алферов.

Исследования были проведены при поддержке Минобрнауки России, а также в рамках работы НОЦ «ТулаТЕХ». Результаты исследования были опубликованы в высокорейтинговом международном журнале (Polymers, относится к первому квартилю, импакт-фактор 5,06. (https://www.mdpi.com/…60/15/5/1296).