A crescente procura de energia associada ao crescimento das populações e ao desenvolvimento económico induz uma grande necessidade de encontrar novas alternativas para a produção de energia. Neste sentido, são necessárias alternativas eficientes para a produção de energia limpa e renovável. Nas últimas décadas, o estudo das células de combustível, tem sido abordado por um número considerável de investigadores. Atualmente, fontes alternativas de combustível como biomassa, biocombustíveis e células de combustível, são algumas das tecnologias mais promissoras e disponíveis para gerar energia.


As células de combustível são uma estratégia potencialmente eficaz para a conversão de energia. Existem diferentes tipos de células de combustível, dependendo do tipo de eletrólito e temperatura de operação. Estes dispositivos podem gerar energia elétrica a partir de reações eletroquímicas, envolvendo reações químicas de oxidação e redução. Em geral, as células de combustíveis tradicionais utilizam um metal nobre catalisador para gerar eletrões para a oxidação do combustível (entre os combustíveis típicos encontra-se o hidrogénio ou moléculas orgânicas pequenas, tais como metanol, etanol, entre outros). Esta tecnologia oferece algumas vantagens consideráveis sobre outros processos, destacando-se a elevada eficiência de conversão. Embora as células de combustível apresentem bons resultados, alguns fatores como elevado custo e a escassez futura de metal nobre como catalisador, limitam a sua aplicação em grande escala. Por exemplo, a platina é utilizada como catalisador básico em muitos dispositivos de células de combustível. Além disso, a incapacidade de oxidar alguns subprodutos empregues como combustíveis limitam também a sua aplicação. As biocélulas de combustível constituem uma subclasse, que possui um grande potencial para aplicabilidade em dispositivos de baixa potência, na ordem dos microwatt a mili-watt. Em alternativa aos tradicionais catalisadores metálicos, as células de combustível biológicas empregam biomoléculas, como enzimas, microrganismos, ou organelos para converter energia química em energia elétrica. A utilização de enzimas ou microrganismos (células de combustível microbianas) como catalisadores, em substituição do metal nobre, representa uma das melhores alternativas da utilização deste processo. Estes dispositivos constituem um sistema que pode transformar diretamente energia química em energia elétrica por meio de reações envolvendo diferentes tipos de células de combustíveis básicos.


A conexão entre enzimas e eletricidade e o conceito de células de biocombustível é conhecido desde 1911, com a utilização de E.coli na produção de energia. Nas primeiras descobertas, as células de biocombustíveis usavam enzimas isoladas sobre a superfície de um eletrodo, mostrando que é possível a produção de eletricidade, por exemplo, usando a enzima glucose oxidase. A principal vantagem das biocélulas de combustível é o uso de catalisadores renováveis (enzimas e/ou microrganismos) na produção de uma energia limpa. Existe possibilidade de utilizar diferentes combustíveis na catálise, já que as enzimas e os microrganismos podem apresentar uma grande diversidade e especificidade.


As enzimas são proteínas específicas com capacidade seletiva para determinadas reações, sendo catalisadores biológicos que podem servir para regular uma grande variedade de reações catalíticas. Esta tecnologia permite aproveitar de forma eficiente e específica, a capacidade catalítica da enzima em processos biológicos para a geração de energia elétrica, usando métodos eletroquímicos. Além disso, esta tecnologia oferece vantagens consideráveis sobre outros processos, tais como a elevada eficiência de conversão e uma redução substancial na densidade do sistema eletrodo – enzima. A tendência para a miniaturização e a portabilidade de dispositivos implantáveis ou aplicações que procuram energia e que requerem fontes de energia pequenas, leves, que são capazes de manter a operação durante longos períodos de tempo, tornando, deste modo, importante o interesse na investigação das biocélulas de combustível. A aplicação desta tecnologia pode ser como: 1) fonte de energia em baterias pela produção de energia elétrica usando superfície de eletrodos modificados com enzimas; 2) dispositivos eletrónicos usados na bioimplantação como neuro-estimuladores, transportadores de princípios ativos de fármacos, sensores de glucose, entre outros; e 3) utilização de resíduos como célula de biocombustível. As aplicações desta tecnologia envolvem as áreas da eletrotecnia, biotecnologia, biomédica e ambiente. O desenvolvimento tecnológico na geração de energia usando enzimas envolve áreas interdisciplinares como a biologia molecular, química e física. As biocélulas de combustível com enzimas operam quando um combustível sofre uma oxidação catalisada por uma enzima imobilizada no ânodo do eletrodo. Esta reação liberta eletrões que atingem o cátodo através de um circuito externo. No cátodo, um oxidante é reduzido, produzindo trabalho elétrico. Por outras palavras, trata-se de uma reação catalisada por uma enzima envolvendo um combustível (substrato) que gera energia através de uma diferença de potencial elétrico. A imobilização de diferentes tipos de enzimas constitui um dos passos essenciais e cruciais no sucesso desta tecnologia. Apesar das várias vantagens e possíveis aplicações de células de biocombustível com enzimas, para alcançar um equipamento prático e eficiente, é necessário considerar alguns fatores no desenvolvimento deste tipo de sistema. O primeiro grande desafio está relacionado com a imobilização sem perda de atividade catalítica da enzima. As enzimas são proteínas; por conseguinte, essas biomoléculas apresentam uma estrutura tridimensional fraca, que deve ser mantida, para garantir que a sua atividade catalítica não seja alterada. Deste modo, a sua utilização requer um passo crítico que é imobilizar a enzima na superfície do eletrodo. Alcançar o contato elétrico entre a enzima e o eletrodo, também é fundamental, pois este é um dos processos mais importantes no campo da bioeletroquímica para a geração de energia. Provavelmente o ponto mais crítico na construção das células de biocombustível com enzimas corresponde à imobilização da enzima sobre o eletrodo, atingindo-se elevadas taxas de transferência de eletrões a partir do centro ativo da enzima imobilizada na superfície do eletrodo se o processo for realizado adequadamente. A imobilização enzimática no processo eletroquímico influencia diretamente a eficiência do bioeletrodo e o tempo de vida da enzima. O sucesso da geração de energia com uma enzima estável e com um maior tempo de vida dependerá diretamente da metodologia usada na imobilização.

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Ricardo Salgado

Coordenador do curso de Engenharia do Ambiente
Docente e coordenador do curso de Licenciatura em Engenharia do Ambiente da ESTSetúbal; Investigador na área do Ambiente, em particular no tratamento de águas residuais.

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