En biobränslecell är en enhet som använder biologiska material för att generera elektricitet på ett direkt sätt genom redoxreaktioner. Detta står i kontrast till konventionell användning av biobränslen för att generera elektricitet från den värme som tillhandahålls av förbränning av materialet. Principen bakom biobränslecellsteknologi är att efterlikna olika naturliga processer som används för att producera energi i levande organismer. I vissa fall kan bakterier spela en roll i dessa bränsleceller. Från och med 2011 visar biobränsleceller potential som en alternativ energikälla och i olika medicinska och biotekniska tillämpningar.
Levande organismer får energi från oxidation av kolhydrater, som genereras av fotosyntes i växter och intas som föda av djur. Enzymer underlättar reaktionerna, där kolhydrater omvandlas till koldioxid och vatten genom att elektroner avlägsnas, som sedan lagras i adenosintrifosfat (ATP) molekyler. I en biobränslecell används elektroner som produceras genom oxidation av organiska molekyler – vanligtvis kolhydrater, som i levande organismer – för att generera en elektrisk ström. Idén att använda dessa biologiska processer för att generera elektricitet har funnits sedan 1960-talet, men tidiga försök att konstruera en praktisk, fungerande biobränslecell stötte på svårigheter.
En biobränslecell kommer vanligtvis att bestå av en behållare uppdelad i två sektioner av en permeabel barriär. I ett avsnitt ger oxidationen av en kolhydrat – till exempel glukos – elektroner. I det andra avsnittet sker en reduktionsreaktion som använder dessa elektroner. Genom att koppla ihop de två elektroderna kan en ström göras från elektroden i oxidationssektionen — anoden — till elektroden i reduktionssektionen — katoden.
Ett av de största praktiska problemen som hindrar utvecklingen av biobränsleceller har varit att hitta ett effektivt sätt att få elektronerna frisatta från kolhydraterna in i anoden. Elektronerna lagras initialt i det oxiderande enzymet och skulle i den naturliga processen överföras kemiskt till ATP-molekyler. Det finns två möjliga metoder för att extrahera elektroner från enzymet in i anoden i en biobränslecell.
I metoden Direct Electron Transfer (DET) måste enzymet bindas till anoden. Detta kan göras kemiskt eller med andra metoder, som att konstruera anoden från ett nät av kolnanorör på vilka enzymet är adsorberat. Dessa metoder resulterar i minskad aktivitet i enzymet och åtföljande förlust av effektivitet, men detta är i skrivande stund ett område för pågående forskning och förbättrade tekniker kan komma att utvecklas.
Den andra metoden för elektronöverföring är känd som Mediated Electron Transfer (MET). Detta kräver inte att enzymet är i kontakt med anoden; istället förs elektronerna vidare till en annan molekyl med lägre redoxpotential, som sedan ger upp elektronerna till anoden. Denna förening, känd som en mediator, måste också ha en högre redoxpotential än anoden. Detta extra steg innebär en förlust av energi och därför är bränslecellen i praktiken mindre effektiv än den skulle kunna vara i teorin.
Biobränsleceller är ett område för aktiv forskning och olika möjliga lösningar på dessa problem undersöks. Bland möjligheterna finns användning av bakterier i mikrobiella bränsleceller. Järnreducerande bakterier som lever under anaeroba förhållanden visar särskilt lovande eftersom de naturligt reducerar järn i dess +3 oxidationstillstånd till dess +2 oxidationstillstånd. Järnet kan sedan ge upp en elektron vid anoden, återgå till sitt +3-tillstånd och fungera som en naturlig mediatormolekyl genom att överföra elektroner från bakterierna till anoden.
De främsta fördelarna med biobränsleceller är att de inte är förorenande, inte kräver dyra katalysatorer och använder vanliga, billiga och lätt förnybara råvaror. De största nackdelarna med biobränsleceller är deras ineffektivitet och låga effekt. Från och med 2011 finns det dock förhoppningar om att dessa problem kan övervinnas, vilket öppnar upp en ny rad möjligheter. Dessa inkluderar inte bara billig, ren och förnybar energi, utan också möjligheten att implanterade biobränsleceller, som drivs på ämnen som produceras av kroppen, används för att driva medicinsk utrustning som pacemakers.