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¿Sabías que las enzimas rivalizan con el platino?


Hacer una celda de combustible biológica tan eficaz como una pila de combustible de platino: esta es la hazaña que los investigadores del Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) han conseguido, en colaboración con el Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) y el Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS/Aix-Marseille Université). Tres años después de fabricar su primer prototipo de biocélula, los investigadores acaban de alcanzar un nuevo hito y aumentan su rendimiento y estabilidad. Esta celda de combustible biológica podría, a largo plazo, ofrecer una alternativa a las pilas de combustible que requieren metales raros y costosos, como el platino. Su trabajo fue publicado en Energy&Environmental Science el 17 de agosto de 2017.

Una pila de combustible convierte la energía química en energía eléctrica a través de la combustión de hidrógeno. Aunque se considera que es una tecnología limpia, ya que no emite gases de efecto invernadero, las pilas de combustible utilizan catalizadores de metales raros costosos, como el platino, para oxidar el hidrógeno y reducir el oxígeno. En los últimos años, la identificación de biocatalizadores, enzimas con propiedades notables, ha revitalizado la investigación en esta área: su actividad de transformación de oxígeno, y especialmente de hidrógeno, es comparable a la del platino. La actividad de la hidrogenasa fue, hasta hace poco, inhibida por el oxígeno y, por tanto, incompatible con el uso en las celdas.

Desde hace varios años, investigadores del Laboratoire of Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) han desarrollado una nueva generación de biocélulas. Han reemplazado al catalizador químico (platino) por enzimas bacterianas: en el ánodo, la hidrogenasa (clave para convertir el hidrógeno en muchos microorganismos) y en el cátodo, la bilirrubina oxidasa. Ahora han identificado una hidrogenasa que es activa en presencia de oxígeno y resistente a algunos inhibidores de platino como el monóxido de carbono. En colaboración con el Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), también exploraron la biodiversidad para identificar enzimas termoestables que pueden soportar temperaturas entre 25°C y 80°C.

Para trasladar estos bioprocesos del laboratorio al desarrollo industrial, hubo que superar dos obstáculos importantes. En el año 2014, su primer prototipo estuvo limitado por la baja potencia que generó y por la falta de estabilidad enzimática. Así que necesitaban un cambio de escala, pero tenían que retener la actividad de las enzimas y protegerlas de cualquier inhibidor. Un tercer problema importante era cómo reducir los costos, por lo que entre otras cosas, tenían que minimizar la cantidad de enzima utilizada. Todas estas cuestiones requerían un estudio fundamental y multidisciplinario destinado a poner de relieve los factores que limitan la bioelectrocatálisis.

Mediante la incorporación progresiva de las dos enzimas termoestables en una arquitectura basada en el carbono, los investigadores resolvieron estos tres problemas. Un fieltro de carbono con una porosidad adecuadamente adaptada es la estructura huésped de las enzimas, y también sirve como protección contra las especies químicas generadas cuando se reduce el oxígeno, lo que cambia la actividad enzimática. Así que la célula puede funcionar sin pérdida de rendimiento durante varios días.

Utilizando esta arquitectura controlada y las propiedades intrínsecas de las enzimas, los investigadores han logrado por primera vez cuantificar la proporción de enzimas que participan efectivamente en la corriente, demostrando que las corrientes entregadas por el biocatalizador son muy similares a los resultados objetivo del platino. También han desarrollado un modelo numérico para determinar la geometría óptima de la célula. Por lo tanto, estas biocélulas parecen ser una alternativa a las pilas de combustible clásicas: la biomasa puede utilizarse para proporcionar tanto el combustible (hidrógeno) como el catalizador (las enzimas), que son por naturaleza renovables.