Realizzare una biocella efficace quanto una pila a combustibile al platino:questa è l'impresa che hanno raggiunto i ricercatori del Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université), in collaborazione con il Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) e l'Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS/Aix-Marseille Université). Tre anni dopo aver realizzato il loro primo prototipo di biocella, i ricercatori hanno appena raggiunto un nuovo traguardo e ne hanno aumentato le prestazioni e la stabilità. Questa biocella potrebbe, a lungo termine, offrire un'alternativa alle celle a combustibile che richiedono metalli rari e costosi, come il platino. Il loro lavoro è stato pubblicato in Scienze energetiche e ambientali il 17 agosto 2017.

Una cella a combustibile converte l'energia chimica in energia elettrica tramite la combustione dell'idrogeno. Sebbene sia considerata una tecnologia pulita, poiché non emette gas serra, le celle a combustibile utilizzano costosi catalizzatori metallici rari, come il platino, ossidare l'idrogeno e ridurre l'ossigeno. Negli ultimi anni, l'identificazione di biocatalizzatori, enzimi dalle notevoli proprietà, ha rivitalizzato la ricerca in questo settore:il loro ossigeno, e soprattutto idrogeno, l'attività di trasformazione è paragonabile a quella del platino. L'attività dell'idrogenasi è stata fino a poco tempo fa, inibito dall'ossigeno e quindi incompatibile con l'uso nelle cellule.

Per molti anni, i ricercatori del Laboratorio di Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) hanno sviluppato una nuova generazione di biocelle. Hanno sostituito il catalizzatore chimico (platino) con enzimi batterici:all'anodo, idrogenasi (chiave per convertire l'idrogeno in molti microrganismi), e al catodo, bilirubina ossidasi. Ora hanno identificato un'idrogenasi che è attiva in presenza di ossigeno e resistente ad alcuni inibitori del platino come il monossido di carbonio. In collaborazione con il Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), hanno anche esplorato la biodiversità per identificare enzimi termostabili in grado di resistere a temperature comprese tra 25°C e 80°C.

Per spostare questi bioprocessi dal laboratorio allo sviluppo industriale è stato necessario superare due grandi ostacoli. Nel 2014, il loro primo prototipo era limitato sia dalla bassa potenza che generava che dalla mancanza di stabilità enzimatica. Quindi avevano bisogno di un cambio di scala, tuttavia doveva mantenere l'attività degli enzimi e proteggerli da qualsiasi inibitore. Un terzo problema principale era come ridurre i costi, quindi, tra l'altro, dovevano ridurre al minimo la quantità di enzima utilizzato. Tutti questi problemi hanno richiesto uno studio fondamentale e multidisciplinare volto a far luce sui fattori che limitano la bioelettrocatalisi.

Incorporando progressivamente i due enzimi termostabili in un'architettura a base di carbonio, i ricercatori hanno risolto questi tre problemi. Un feltro di carbonio con porosità opportunamente adattata è la struttura ospite per gli enzimi, e serve anche come protezione contro le specie chimiche generate quando l'ossigeno è ridotto, che modificano l'attività enzimatica. Quindi la cella può funzionare senza perdita di prestazioni per diversi giorni.

Utilizzando questa architettura controllata e le proprietà intrinseche degli enzimi, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a quantificare la proporzione di enzimi che partecipano efficacemente all'attuale, dimostrando che le correnti erogate dal biocatalizzatore sono molto simili ai risultati target per il platino. Hanno anche sviluppato un modello numerico per determinare la geometria ottimale della cellula. Quindi queste biocelle sembrano essere un'alternativa alle classiche celle a combustibile:la biomassa può essere utilizzata per fornire sia il combustibile (idrogeno) che il catalizzatore (gli enzimi), che sono per natura, rinnovabile.