BRPI0902426A2 - carbon tissue treatment process to obtain biocathode or bioanode - Google Patents

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BRPI0902426A2
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bioanode
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Sergio Akinobu Yoshioka
Ernesto Rafael Gonzalez
Flavio Colmati Jr
Cyntia Tomasso
Adriano Soares De Oliveira Gomes
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Univ Sao Paulo
Fundacao De Amparo A Pesquisa
Univ Fed De Goias Ufg
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Abstract

PROCESSO DE TRATAMENTO DE TECIDOS DE CARBONO PARA OBTENçãO DE BIOCATODO OU BIOTODO. A presente invenção se refere ao processo de tratamento dos tecidos de carbono (TCs) carboxilados previamente em ácido nítrico em refluxo para a preparação de monocamada de azul de metileno ou seu derivado (azure A, B ou C) adsorvido ou ligado com carbodimida, seguido da deposição da enzima e sua imobilização com glutaraldeido na presença de solvente polar. Nesta invenção são utilizados os extratos enzimáticos de lacase do cogumelo Shiitake (Lentinula edodes), peroxidase (Curcubita pepo) e álcool desidrogenase da levedura (Saccharomices cerevisae) . A densidade de energia da biocélula a combustível se encontra preferencialmente entre 0,1 e 5,0mW.cm^-2^ e a densidade de corrente elétrica se encontra preferencialmente entre 0,1 e 20,0mA.cm^-2^.CARBON TISSUE TREATMENT PROCESS FOR BIOCATODO OR BIOTODO. The present invention relates to the process of treating refluxed nitric acid carboxylated carbon tissues (TCs) previously for the preparation of methylene blue monolayer or its derivative (azure A, B or C) adsorbed or carbodimide-bonded, followed of enzyme deposition and immobilization with glutaraldehyde in the presence of polar solvent. In this invention the enzymatic extracts of Shiitake mushroom laccase (Lentinula edodes), peroxidase (Curcubita pepo) and yeast alcohol dehydrogenase (Saccharomices cerevisae) are used. The energy density of the fuel cell is preferably between 0.1 and 5.0mW.cm-2 ^ and the electric current density is preferably between 0.1 and 20.0mA.cm--2 ^.

Description

PROCESSO DE TRATAMENTO DE TECIDOS DE CARBONO PARA OBTENÇÃO DEBIOCATODO OU BIOANODOCARBON TISSUE TREATMENT PROCESS FOR DEBIOCATODE OR BIOANODO

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION

A presente invenção se refere ao tratamento dos tecidosde carbono (TCs) carboxilados previamente em ácido nitricosob refluxo, seguido de deposição e imobilização de enzimapara a obtenção de biocatodo ou bioanodo de biocélula acombustível.The present invention relates to the treatment of previously carboxylated carbon tissues (TCs) in reflux nitric acid, followed by enzyme deposition and immobilization to obtain biofuels or biofuels of biofuels.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

A necessidade mundial de novas fontes renováveis deenergia está provocando uma evolução na área de células acombustível com uso de platina ou outros metais raros. Apesarde serem eficientes geradores de energia elétrica a partir deprocessos químicos, esse tipo de célula a combustível possuialguns problemas dificílimos de resolver que são: 1) altocusto da platina, 2) envenenamento da platina com CO e H2S,3) a não seletividade da platina e 4) alto custo e baixaquantidade de minério da platina.The worldwide need for new renewable sources of energy is causing an evolution in the area of fuel cells using platinum or other rare metals. Although they are efficient generators of electricity from chemical processes, this type of fuel cell has some difficult problems to solve which are: 1) platinum cost, 2) platinum poisoning with CO and H2S, 3) non-selectivity of platinum and 4) High cost and low amount of platinum ore.

A biocélula a combustível é uma classe especial decélulas a combustível onde se usa um biocatalisador, tal comomicroorganismos ou enzimas, ao invés de metais inorgânicoscomo catalisador das reações. Neste tipo de biocélula, obiocatalisador está diretamente envolvido na reação de óxido-redução ou na cadeia para geração de eletricidade.Preferivelmente, nos biocatalisadores, as enzimas sãoimobilizadas em eletrodos para facilitar o uso repetido doscatalisadores. 0 combustível é oxidado enzimaticamente peloanodo, produzindo prótons e elétrons. No catodo, o oxidante(geralmente oxigênio ou peróxidos) reage com elétrons eprótons. Um desafio crítico no desenvolvimento deste tipo debiocélula direta é a ineficiente condução de elétrons entre obiocatalisador e eletrodos, e prótons da membrana protônicaao biocatalisador.The fuel cell is a special class of fuel cells where a biocatalyst, such as microorganisms or enzymes, is used, rather than inorganic metals as a reaction catalyst. In this type of biocell, the catalyst is directly involved in the oxide-reduction reaction or in the electricity generation chain. Preferably, in biocatalysts, enzymes are immobilized on electrodes to facilitate repeated use of the catalysts. The fuel is enzymatically oxidized by the anode, producing protons and electrons. In the cathode, the oxidant (usually oxygen or peroxides) reacts with electrons and protons. A critical challenge in the development of this type of direct cell is the inefficient conduction of electrons between the ocatalyst and electrodes, and proton membrane protons to the biocatalyst.

As biocélulas a combustível enzimáticas têm as seguintescaracterísticas: (1) Enzimas são catalisadores totalmenterenováveis, e sua produção pode atender uma demanda crescentede biocélulas a combustível; (2) A produção em massa dessasenzimas pode reduzir muito mais que a platina; (3) Eletrodosenzimáticos não podem ser envenenados por contaminantes comomonóxido de carbono (CO) e sulfeto de hidrogênio (H2S)presentes em combustíveis baratos; (4) Essas enzimascatalisam somente suas reações específicas, o vazamentoinevitável dos gases ou reagentes na parte oposta dabiocélula a combustível não reduz sua eficiência; e (5)existem nessas enzimas alguns poucos sítios de entrada ousaída de elétrons, assim como do(s) substrato(s) e do(s)produto (s) para chegar ao centro da reação enzimática. Asenzimas ou biocatalisadores preferem principalmente atemperatura ambiente ao passo que reações de catalisadoresmetálicos numa célula a combustível geralmente requertemperaturas elevadas (>80°C).Enzymatic fuel cell cells have the following characteristics: (1) Enzymes are totally renewable catalysts, and their production may meet a growing demand for fuel cell cells; (2) The mass production of these enzymes can reduce much more than platinum; (3) Electroenzymes cannot be poisoned by contaminants such as carbon monoxide (CO) and hydrogen sulfide (H2S) present in cheap fuels; (4) These enzymes only catalyze their specific reactions, the unavoidable leakage of gases or reagents on the opposite side of the fuel cell does not reduce their efficiency; and (5) there are in these enzymes a few electron-daring entry sites, as well as substrate (s) and product (s) to reach the center of the enzyme reaction. Enzymes or biocatalysts prefer mainly at room temperature whereas reactions of metal catalysts in a fuel cell generally require high temperatures (> 80 ° C).

A transferência direta de elétrons (Direct ElectronTransfer, DET) entre uma enzima e o eletrodo pode serobservada em várias enzimas, tais como citocromo c, lacase,hidrogenase e inúmeras peroxidases, incluindomicroperoxidases (Varfolomeev et al., 1996; Ghindilis et al.,1997; Schuhmann et al., 2003). O contato próximo dos sítiosativos da enzima com a superfície do eletrodo é crítico paraa DET. Para a lacase catalisar diretamente o oxigênio naeletroredução, a distância crítica entre os sítios ativos daenzima e a superfície do eletrodo deve ser em torno de 20Â(Yaropolov et al., 1981). Uma separação superior a essadistância crítica atenua a reação global, que é determinadapela taxa de condução eletrônica; ao passo que a umadistância mais próxima, a condução eletrônica se torna tãoeficiente que a cinética da reação enzimática torna-se umamedida fundamental. Um fenômeno similar refere-se àperoxidase de rabanete, onde a distância crítica é de 18Â(Kulys and Smalius, 1984).Direct electron transfer (DET) between an enzyme and the electrode can be observed in various enzymes such as cytochrome c, laccase, hydrogenase and numerous peroxidases, including microperoperoxidases (Varfolomeev et al., 1996; Ghindilis et al., 1997). Schuhmann et al., 2003). Close contact of the enzyme sites with the electrode surface is critical for DET. For laccase to directly catalyze the oxygen in reduction, the critical distance between the active enzyme sites and the electrode surface should be around 20Â ° (Yaropolov et al., 1981). A separation greater than this critical distance attenuates the overall reaction, which is determined by the electronic conduction rate; whereas at a closer distance, electronic conduction becomes so efficient that the kinetics of the enzymatic reaction become a fundamental measure. A similar phenomenon refers to radish peroxidase, where the critical distance is 18Â ° (Kulys and Smalius, 1984).

No entanto, em alguns outros casos, a DET é determinadapela espessura e não pela condutividade da membrana protéicaonde se localizam os sítios ativos de uma enzima. Paratranspor essa barreira, as enzimas podem ser transformadaspara torná-las condutoras através de uma modificação química(Willner et al., 1996; Guiseppi-Elie et al., 2002; Zhao etal., 2002; Cai e Chen, 2004). Outra estratégia conhecida é ouso de mediadores para reação de redução, que facilita otransporte de elétrons por transferências (shuttling) entreos sítios ativos da enzima e a superfície do eletrodo. Essaabordagem tem sido relatada para ambas biocélulas, microbianae enzimática (Lewis 1966; Govil e Saran, 1982; Palmore eWhitesides 1994; Katz et al., 2003). Apesar dos mediadoresintroduzirem mais um passo na reação de redução do"combustível" para a geração de elétrons, uma melhoreficiência da biocélula a combustível geralmente pode serobservada. Um dos desafios para o uso de um mediador, quegeralmente são pequenos e difusos, é a forma de conservá-lona biocélula a combustível onde é necessária uma alimentaçãocontínua do sistema.However, in some other cases, DET is determined by thickness rather than by the conductivity of the protein membrane where the active sites of an enzyme are located. To overcome this barrier, enzymes can be transformed to make them conductive through chemical modification (Willner et al., 1996; Guiseppi-Elie et al., 2002; Zhao etal., 2002; Cai and Chen, 2004). Another known strategy is the use of reduction reaction mediators, which facilitates shuttling of electrons between the enzyme's active sites and the electrode surface. This approach has been reported for both enzymatic microbial and biocell (Lewis 1966; Govil and Saran, 1982; Palmore and Whititesides 1994; Katz et al., 2003). Although mediators introduce one more step in the "fuel" reduction reaction for electron generation, a better biofuel efficiency can usually be observed. One of the challenges of using a mediator, which is often small and diffuse, is how to store the fuel cell where continuous system power is required.

A fraca densidade de carga e o curto tempo de vida sãodois problemas adicionais para a real aplicação dasbiocélulas a combustível. Para solucionar esses problemas,muito esforço e significantes melhoras foram realizados naúltima década. Por exemplo, a glicose oxidase (GOx) e amicroperoxidase-11 foram colocadas em monocamadas em umeletrodo de ouro em discos de 0,4 cm de diâmetro aplicadosnuma biocélula a combustível de glicose/peróxido de cumeno(Katz et al., 1999). Uma potência de 520 μΐΐ foi produzida,que corresponde a 4,1 W/cm2, baseando-se na área projetada doeletrodo. Uma melhora da densidade de carga por volume oupeso foi obtida com a miniaturização da biocélula deGlicose/02 (Heller, 2004). Neste trabalho, enzimas como GOx ebilirubina oxidase (BOd) foram introduzidas no ósmio (Os) -contendo polímeros redutores na superfície de duas fibras decarbono de 7μπι. Isto gerou uma potência de 4,3μ!/\/, num volumetotal de fibras de 0, 0026 mm3, representando 1,65 μΐΛ//ιηιη3. Emoutro estudo, verificou-se um aumento do tempo de vida de 45dias com enzimas introduzidas em uma membrana de Nafion®modificada (Minteer et al., 2004; Moore et al., 2004).The low charge density and short life span are additional problems for the actual application of fuel cells. To address these problems, much effort and significant improvements have been made over the past decade. For example, glucose oxidase (GOx) and amroperoxidase-11 were monolayered on a gold electrode on 0.4 cm diameter discs applied to a glucose / cumene peroxide fuel cell (Katz et al., 1999). A power of 520 μΐΐ was produced, which corresponds to 4.1 W / cm2, based on the projected area of the electrode. An improvement in charge density by volume or weight was obtained by miniaturization of the Glucose / 02 biocell (Heller, 2004). In this work, enzymes such as GOx ebilirubin oxidase (BOd) were introduced into the os (Os) - containing reducing polymers on the surface of two 7μπι carbon fibers. This generated a power of 4.3μ! / \ / In a volume of fibers of 0.0026 mm3, representing 1.65 μΐΛ // ιηιη3. In another study, a 45-day lifetime increase with enzymes introduced into a modified Nafion® membrane was found (Minteer et al., 2004; Moore et al., 2004).

Notavelmente ocorreram melhorias, principalmente atravésda escolha adequada do material dos eletrodos e nos meios deimobilização enzimática para promover a comunicação entreenzimas e eletrodos. Estudos continuam sendo realizados paradesenvolver biocélulas a combustível mais eficientes. Estima-se que o desempenho catalítico de biocatalisadores pode vir ase tornar a questão mais importante para o êxito da aplicaçãode biocélulas a combustível.Notably, improvements have occurred, mainly through proper choice of electrode material and enzymatic immobilization media to promote communication between enzymes and electrodes. Studies continue to be carried out to develop more fuel efficient biocells. It is estimated that the catalytic performance of biocatalysts may become the most important issue for the successful application of fuel cells.

A imobilização de enzimas pode ser química ou física. Amaioria das biocélulas enzimáticas é construída comimobilização física de enzimas, que é um método comum paraadsorver a enzima em partículas condutoras, tais como negrode carbono ou pó de grafite. As hidrogenases e as lacases têmsido adsorvidas fisicamente em partículas de negro de carbonopara construir o eletrodo composto (Tarasevich et al., 2002).Pizzarielo et al. (2002) demonstraram uma biocélula acombustível Glicose/H202 usando ferrocianeto - eletrodomodificado. GOx e peroxidase de rabanete (horseradishperoxidase, HRP) foram primeiras adsorvidas em partículas degrafite sintético, e essas enzimas adsorvidas foram suspensasem 2-hexadecano e ferrocianeto, numa solução de clorofórmio.0 eletrodo foi preparado por borrifamento de impressão emsuspensão no substrato de poliéster. A biocélula ficoutrabalhando continuamente durante 30 dias com uma quedadesprezível na tensão, ainda que a potência fosse baixa.Enzyme immobilization can be chemical or physical. Most enzyme biocells are constructed with physical enzyme mobilization, which is a common method for absorbing the enzyme into conductive particles such as carbon black or graphite powder. Hydrogenases and laccases have been physically adsorbed onto carbon black particles to build the composite electrode (Tarasevich et al., 2002). Pizzarielo et al. (2002) demonstrated a Glucose / H202 biofuel biocell using electrodecoded ferrocyanide. GOx and radish peroxidase (horseradishperoxidase, HRP) were first adsorbed onto synthetic graphite particles, and these adsorbed enzymes were suspended in 2-hexadecane and ferrocyanide in a chloroform solution. The electrode was prepared by suspension spraying on the polyester substrate. The cell was continuously working for 30 days with a negligible drop in voltage even though the power was low.

Outra abordagem para a imobilização física é oaprisionamento de enzimas em matrizes poliméricas, quegeralmente retém melhor a enzima do que a adsorção nasuperfície do eletrodo. 0 documento US2004/0101741, publicadoem 27 de maio de 2004, para Minteer et al., "Enzymeimmobilization for use in biofuel cells and sensors, revelaum método para aprisionar a enzima na membrana de Nafion®. Deacordo com este método, a desidrogenase dependente de NAD+(tais como, álcool desidrogenase, aldeído desidrogenase,formaldeido desidrogenase, glicose desidrogenase e lactodesidrogenase) foi misturada fisicamente com brometo detetralquilamônio - solução.de Nafion® modificado, ao qual foientão adicionado o verde-metileno e colocado sobre o eletrodode carbono vitreo. A imobilização da enzima foi feita a 140°Cpor 25 min. 0 cofator NAD+ foi co-imobilizado através datroca iônica na membrana de Nafion®, modificando o eletrodode carbono vitreo. Curiosamente, não houve diferença daatividade enzimática antes e depois do tratamento com calor.Uma biocélula a combustível de Et0H/02 foi construída usandoeste método gerando uma densidade de carga tão elevada quanto2,04 pW.cm-2. Medidas de voltametria cíclica indicaram que atransferência de massa, não a cinética de reação, é o fatorlimitante em tal biocélula a combustível.Another approach to physical immobilization is the entrapment of enzymes in polymeric matrices, which generally retain the enzyme better than electrode surface adsorption. US2004 / 0101741, published May 27, 2004, to Minteer et al., "Enzymeimobilization for use in biofuel cells and sensors, discloses a method for entrapping the enzyme in the Nafion® membrane. According to this method, dehydrogenase-dependent dehydrogenase NAD + (such as alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, glucose dehydrogenase and lactodehydrogenase) was physically mixed with the modified Nafion® bromide - solution, to which methylene green was then added and placed over the vitreous carbon electrode. Enzyme immobilization was performed at 140 ° C for 25 min The NAD + cofactor was co-immobilized by ion-tapping the Nafion® membrane, modifying the vitreous carbon electrode, Interestingly, there was no difference in enzymatic activity before and after heat treatment. Et0H / 02 fuel cell was constructed using this method generating a charge density as high as 2.04 pW.c m-2. Cyclic voltammetry measurements indicated that mass transference, not reaction kinetics, is the limiting factor in such a fuel cell.

O documento US 2005/00954 66, publicado em 05 de Maio de2005, para Minter et al. , "Immobilized enzymes inbiocathodes", revela o aprimoramento de uma biocélula acombustível que contém um cátodo compreendendo uma membranacom dupla função, estas compreendendo uma enzima oxigêniooxidoredutase imobilizada em compartimento tamponado damembrana e um mediador de transporte de elétrons a partir deum eletrodo condutor de . elétrons para uma reação redoxcatalisada por uma enzima oxigênio oxidoredutase. Essabiocélula a combustível aprimorada também possui um anodo oqual contém uma enzima oxidoredutase que utiliza umcombustível orgânico como, por exemplo, o álcool comosubstrato.US 2005/00954 66, published May 5, 2005, to Minter et al. , "Immobilized enzymes inbiocathodes", discloses the enhancement of a cathode - containing biofuel containing cell having a dual - function membrane, which comprises a membrane - buffered - compartment immobilized oxygen oxidoreductase enzyme and an electron transport mediator from a conducting electrode. electrons for a redoxcatalyzed reaction by an oxygen oxidoreductase enzyme. This enhanced fuel cell also has an anode which contains an oxidoreductase enzyme that uses an organic fuel such as alcohol as a substrate.

Diversos fatores regulam o tempo de vida de umabiocélula a combustível, os quais tem sido sempre umapreocupação para a sua aplicação prática. Os mediadores dereação de redução e o tempo de vida também são outraspreocupações (Allen e Bennetto, 1993; Barton et al. , 2004).Em muitos casos, a estabilidade dos biocatalisadoresdetermina o tempo de vida da biocélula. Geralmente aestabilidade enzimática diminui depois de alguns dias(Willner et al., 1998; Katz et al., 1999; Kang et al., 2004).A imobilização pode ajudar a estender o tempo de vida dasenzimas. Uma miniatura de biocélula a combustível com GOx eBOd imobilizados em ósmio (Os) - contendo polímerosredutores, teve tempo de vida de 20 dias a 37°C (Mano et al.,2002). Moore et al. (2004) demonstraram resultadospromissores usando brometo de tetrabutilamônio, modificando amembrana de Nafion® para aprisionar a desidrogenase. A meiavida de enzimas puras é somente de 7~8 h em solução, masdepois de imobilizar a enzima, o tempo de vida aumenta emmais de 45 dias. Além disso, as biocélulas a combustívelbaseadas na técnica de imobilização não mostraram qualquerredução significativa na energia durante várias semanas defuncionamento contínuo (Winder, 2003).Several factors regulate the life of a fuel cell, which has always been a concern for its practical application. Reduction mediators and reduction in life span are also other concerns (Allen and Bennetto, 1993; Barton et al., 2004). In many cases, the stability of biocatalysts determines the life span of the cell. Generally enzymatic stability decreases after a few days (Willner et al., 1998; Katz et al., 1999; Kang et al., 2004). Immobilization may help extend the life span of enzymes. A miniature osmotic (Os) immobilized GOx eBOd fuel-cell miniature containing reducing polymers had a 20-day shelf life at 37 ° C (Mano et al., 2002). Moore et al. (2004) demonstrated promising results using tetrabutylammonium bromide, modifying Nafion® membrane to trap dehydrogenase. The half-life of pure enzymes is only 7 ~ 8 h in solution, but after immobilizing the enzyme, the lifespan increases by more than 45 days. In addition, immobilization-based fuel biocells showed no significant reduction in energy over several weeks of continuous operation (Winder, 2003).

Um dos maiores problemas em desenvolver biocélulas é adensidade de carga, que geralmente é medida pela geração depotência com relação à área da superfície do eletrodo, ou porpeso ou volume da célula. A alta concentração da enzima écrítica para a alta produção da densidade de corrente. Porexemplo, quando GOx foi aleatoriamente colocada na forma deuma monocamada em uma superfície plana, a carga da enzima foisomente de 1,7x10-12 mol.cm-2 (0, 27pg.cm-2), que foideterminada pelo número físico de enzimas. Assumindo quetodas as enzimas são tão ativas como em soluções aquosas comum número típico que gira em torno de 600s-l, o limite máximoda densidade de corrente foi calculado para ser somente emtorno de 0,2 mA.cm-2 (Willner et al. , 1996). GOx é conhecidocomo um dos mais eficientes redutores enzimáticos. Paraoutras enzimas com baixa atividade específica, a densidade decorrente teórica pode ser ainda menor. Desde que asbiocélulas a combustível tipicamente trabalham com voltagensabaixo de IV, teoricamente essa densidade de corrente podesomente proporcionar menos de 0,2mW.cm-2.One of the biggest problems in developing biocells is charge density, which is usually measured by the generation of power relative to the electrode surface area, or cell weight or volume. The high concentration of the enzyme is critical for high current density production. For example, when GOx was randomly placed as a monolayer on a flat surface, the enzyme charge was only 1.7x10-12 mol.cm-2 (0.27pg.cm-2), which was determined by the physical number of enzymes. Assuming that all enzymes are as active as in typical aqueous solutions number around 600s -1, the maximum current density limit was calculated to be only around 0.2 mA.cm-2 (Willner et al. 1996). GOx is known as one of the most efficient enzyme reducers. For other enzymes with low specific activity, the theoretical resulting density may be even lower. Since fuel cells typically work at voltages below IV, theoretically this current density may only provide less than 0.2mW.cm-2.

OBJETO DA INVENÇÃOOBJECT OF THE INVENTION

Portanto, é um objetivo da presente invenção realizar otratamento de tecidos de carbono previamente carboxilados,deposição e imobilização de enzima para a obtenção debiocatodo ou bioanodo.É também objetivo dessa invenção a utilização deextratos enzimáticos de lacase do cogumelo Shiitake(Lentinula edodes) , peroxidase (Curcubita pepo) e álcooldesidrogenase de levedura (Saccharomices cerevisae) com ointuito de reduzir o custo de produção de biocélulas.Therefore, it is an object of the present invention to perform the treatment of previously carboxylated carbon tissues, deposition and immobilization of enzyme to obtain the bioacode or bioanode. It is also the object of this invention to use enzymatic extracts of Shiitake mushroom (Lentinula edodes), peroxidase ( Curcubita pepo) and yeast alcoholshydrogenase (Saccharomices cerevisae) in order to reduce the cost of biocell production.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

A Figura 1 representa uma biocélula a combustívelenzimática.Figure 1 represents an enzyme fuel cell.

A Figura 2 é a representação esquemática dos componentesde uma célula a combustível unitária de eletrólito poliméricosólido.Figure 2 is a schematic representation of the components of a solid polymeric electrolyte unit fuel cell.

A Figura 3 é a representação esquemática das etapastratamento dos tecidos de carbono para a obtenção de umbiocatodo ou bioanodo de uma biocélula a combustível.Figure 3 is a schematic representation of carbon tissue etching in order to obtain a biocode or bio anode of a fuel cell.

A Figura 4 representa os resultados das curvas depolarização (a), potencial vs. corrente, e de potência deenergia vs. corrente (b) do biocatodo contendo lacaseimobilizada utilizando bioanodo de Pt obtidas na célula acombustível descrita na Figura 2;Figure 4 represents the results of the polarization (a), potential vs. curves. current, and power output vs. current (b) of the laccase-immobilized biocathode using Pt bioanode obtained from the fuel cell described in Figure 2;

A Figura 5 representa as curvas de polarização (a),potencial vs corrente, e de potência de energia vs. corrente(b) do biocatodo contendo peroxidase imobilizada utilizandobioanodo de Pt obtidas na célula a combustível descrita naFigura 2;Figure 5 represents the bias (a), potential vs current, and power vs. power curves. stream (b) of the immobilized peroxidase-containing biocathode using Pt bio anode obtained from the fuel cell described in Figure 2;

A Figura 6· representa as curvas de polarização (a),potencial vs. corrente, e de potência de energia vs. corrente(b) do bioanodo contendo álcool desidrogenase ligada,utilizando biocatodo de Pt obtidas na célula a combustíveldescrita na Figura 2.Figure 6 · represents the bias curves (a), potential vs. current, and power output vs. current (b) of the linked alcohol dehydrogenase-containing bioanode using Pt biocathode obtained in the fuel cell described in Figure 2.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃODESCRIPTION OF THE INVENTION

A presente invenção será agora descrita com referênciaaos desenhos em anexo.The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

A Figura 1 representa uma biocélula a combustívelenzimática. Nesta Figura 1 tem-se no lado direito a enzimaredutora de oxigênio adsorvida ou imobilizada no catodo comenzima redutora CER e no lado esquerdo a enzima oxidanteadsorvida ou imobilizada no anodo com enzima oxidante AEO,isolando os dois eletrodos CER e AEO tem-se a membranapolimérica condutora de prótons MP. No anodo com enzimaoxidante AEO o combustível C se transforma em resíduo R. Nocatodo com enzima redutora CER o oxigênio 02 se transforma emágua H20.Figure 1 represents an enzyme fuel cell. In this Figure 1 there is on the right side the oxygen reducing enzyme adsorbed or immobilized on the CER reducing enzyme cathode and on the left side the oxidanteadsorbed or immobilized on the anode with oxidizing enzyme AEO, isolating the two electrodes CER and AEO has the conductive polymeric membrane of protons MP. In the anode with oxidising enzyme AEO the fuel C becomes residue R. Nocatode with reducing enzyme CER oxygen 02 becomes water H20.

A presente invenção se refere ao tratamento de tecidosde carbono (TCs) carboxilados previamente em ácido nítricoentre 4 e 10 mol.L-1 sob refluxo por 0 - 140h. Após ostecidos de carbono serem lavados com água 3 vezes, os TCs sãocongelados e liofilizados até suas securas ou apenas secos emestufa a 90°C. Esses tecidos são adicionados em solução declorofórmio (CHC13), contendo azul de metileno ou seuderivado (azure A, B ou C) a 1,0-2,0% (m/v) e N,N-diciclohexilcarbodiimida a 2,0 - 4 mmol.L-1 por 12 - 24h sobagitação a 25°C. Após este período, os TCs são retirados esecos em fluxo de ar para retirada do CHC13 e lavados 3 vezescom água por 30min. A seguir os TCs são mergulhados emsolução de tampão fosfato a pH7,0 e OfOlmol.L-I por 12h e aseguir adicionados extratos de lacase, peroxidase ou álcooldesidrogenase a 10,0-100,Omg.mL-1 nessa solução. Apósdesaeração até a retirada das pequenas bolhas e agitação por2h, é adicionado etilenoglicol nas amostras mergulhadas emsolução de lacase ou peroxidase na proporção 3:1 (extrato ouenzima:solvente orgânico) sob agitação por 30min sendodeixadas a 4°C sem agitação por 12-24h. No caso das amostrasmergulhadas em solução de álcool desidrogenase é adicionadaacetona na mesma proporção. A seguir são retirados os TCs,congelados em nitrogênio líquido e liofilizados até ficaremsecos. Os TCs secos são mergulhados imediatamente em soluçãode acetona com glutaraldeído (GA) a 0,5% por 30min, lavados 3vezes com água e novamente congelados em nitrogênio eliofilizados até secura. Na montagem da célula a combustível,os biocatodos são borrifados com solução de Nafion emisopropanol a 0-30% (m/v).The present invention relates to the treatment of previously carboxylated carbon tissues (TCs) in nitric acid between 4 and 10 mol.L-1 under reflux for 0 - 140h. After carbon is washed with water 3 times, the TCs are frozen and lyophilized to dryness or just dried in a greenhouse at 90 ° C. These fabrics are added in a chloroform solution (CHCl3) containing methylene blue or its derivative (1.0-2.0% (w / v) azure A, B or C) and 2.0 - N, N-dicyclohexylcarbodiimide. 4 mmol.L-1 for 12 - 24h under agitation at 25 ° C. After this period, the CTs are removed and air-dried to remove CHC13 and washed 3 times with water for 30min. Thereafter the TCs are dipped in phosphate buffer solution at pH 7.0 and OfOlmol.L-I for 12h and then 10.0-100 laccase, peroxidase, or alcohol-hydrogenase extracts added in Omg.mL-1 in this solution. After desertion to small bubbles and stirring for 2h, ethylene glycol is added to samples dipped in 3: 1 laccase or peroxidase solution (extract or enzyme: organic solvent) under stirring for 30min and left at 4 ° C without stirring for 12-24h. In the case of samples dipped in alcohol dehydrogenase solution, acetone is added in the same proportion. The TCs are then removed, frozen in liquid nitrogen and lyophilized until dry. The dried TCs are immediately immersed in 0.5% glutaraldehyde (GA) acetone solution for 30 min, washed 3 times with water and again frozen in lyophilized nitrogen to dryness. When assembling the fuel cell, the biocathodes are sprayed with 0-30% (w / v) Nafion emisopropanol solution.

A Figura 2 é a representação esquemática dos componentesde uma célula a combustível unitária de eletrólito poliméricosólido. A célula a combustível representada nesta Figura 2compreende placa de alumínio 1; entrada para parafuso 2;entrada para aquecedores 3; aquecedores 4; placa de grafite5; distribuidor do fluxo de gás 6; guia de ajuste 7;espaçadores 8; membrana 9; eletrodo de difusão de gás 10;termopar 11; O-ring 12; tubo de teflon 13; conectores 14.Para as medições eletroquímicas é montada a célula acombustível eletroquímica da Figura 2, obtendo-se valores depotência entre 0,1 e 5,0mW.cm-2 com densidades de correnteelétrica entre 0,1 e 20,0mA.cm-2.Figure 2 is a schematic representation of the components of a solid polymeric electrolyte unit fuel cell. The fuel cell shown in this Figure 2 comprises aluminum plate 1; screw inlet 2; heater inlet 3; heaters 4; graphite board5; gas flow distributor 6; adjusting guide 7, spacers 8; membrane 9; gas diffusion electrode 10, thermocouple 11; O-ring 12; teflon tube 13; connectors 14.For electrochemical measurements the electrochemical fuel cell of Figure 2 is assembled, obtaining power values between 0.1 and 5.0mW.cm-2 with current densities between 0.1 and 20.0mA.cm-2. .

Estes biocatodos e bioanodos podem ser utilizados parabiossensores e marca-passos cardíacos.These biocathodes and bioanodes can be used for heart rate sensors and pacemakers.

A Figura 3 é a representação esquemática das etapas detratamento dos tecidos de carbono para a obtenção de umbiocatodo ou bioanodo de uma biocélula a combustível, onde emA ocorre o tratamento prévio do tecido de carbono com ácidonítrico (HN03) em refluxo; em B é preparada uma monocamada deazul de metileno ou seu derivado (A, B ou C) adsorvido ouligado com carbodiimida; em C é depositada enzima sobre amonocamada de azul de metileno e em D é imobilizada a enzimacom glutaraldeído na presença de solvente polar.Figure 3 is a schematic representation of the carbon tissue degradation steps to obtain a biocode or bioanode of a fuel cell, where in A pre-treatment of refluxing carbon dioxide (HN03) carbon tissue occurs; in B a methylene deazul monolayer or its derivative (A, B or C) is adsorbed or carbodiimide linked; C is deposited on methylene blue ammonium layer and D is immobilized on glutaraldehyde in the presence of polar solvent.

Para as medições eletroquímicas é montada a célula acombustível unitária,' obtendo-se valores de densidades deenergia e densidades de corrente elétrica (ver Figuras 4, 5 e 6).For electrochemical measurements the unit fuel cell is assembled, obtaining values of energy densities and electric current densities (see Figures 4, 5 and 6).

A Figura 4 representa os resultados das curvas depolarização (a), potencial vs. corrente, e de potência deenergia vs. corrente (b) do biocatodo contendo lacaseimobilizada utilizando bioanodo de Pt obtidas na célulacombustível descrita na Figura 2;Figure 4 represents the results of the polarization (a), potential vs. curves. current, and power output vs. current (b) of the laccase-immobilized biocathode using Pt bioanode obtained from the fuel cell described in Figure 2;

A Figura 5 representa as curvas de polarização (a) ,potencial vs. corrente, e de potência de energia vs. corrente(b) do biocatodo contendo peroxidase imobilizada utilizandobioanodo de Pt obtidas na célula combustível descrita naFigura 2;A Figura 6 representa as curvas de polarização (a) ,potencial vs. corrente, e de potência de energia vs. corrente(b) do bioanodo contendo álcool desidrogenase ligada,utilizando biocatodo de Pt obtidas na célula combustíveldescrita na Figura 2.Figure 5 represents the bias curves (a), potential vs. current, and power output vs. current (b) of the immobilized peroxidase-containing biocathode using Pt bioanode obtained in the fuel cell described in Figure 2. Figure 6 represents the bias (a), potential vs. curves. current, and power output vs. current (b) of the linked alcohol dehydrogenase-containing bioanode using Pt biocathode obtained in the fuel cell described in Figure 2.

Todas as preparações são realizadas em temperaturaabaixo de 30° C para não desnaturar as proteínas (enzimas).All preparations are performed at temperatures below 30 ° C to avoid denaturing proteins (enzymes).

Exemplo 1: Os tecidos de carbono (TCs) carboxiladospreviamente em ácido nítrico entre 4,0 e 8,-Omol. L-I sobrerefluxo por 0 - 140h. Após a lavagem com água 3 vezes, os TCssão congelados e liofilizados até suas securas ou apenassecos em estufa a 90°C. Esses tecidos são adicionados emsolução de clorofórmio (CHC13), contendo azul de metileno a1,0% (m/v) e N,N-diciclohexilcarbodiimida a 2,0 mmol.L-1 por12h sob agitação a 25°C. Após este período, os TCs sãoretirados e secos em fluxo de ar para retirada do CHC13 elavados 3 vezes com água por 30min. A seguir os TCs sãomergulhados em solução de tampão fosfato a pH7,0 e 0,01mol.L-1 por 12h e a seguir adicionado o extrato de lacase a10,0mg.mL-l. Após desaeração para retirada das bolhas eagitação por 30min, são adicionados etilenoglicol para asamostras tratadas com lacase e acetona para as amostrastratadas com álcool desidrogenase na proporção 3:1(extrato:solvente orgânico) sob agitação por 30min, a seguirdeixados a 4°C sem agitação por 12h. Logo depois, os TCs sãoretirados, congelados em nitrogênio líquido e liofilizados.Os TCs secos são mergulhados imediatamente em solução deacetona com GA a 0,5% por 30min, lavados 3 vezes com água enovamente congelados em nitrogênio e liofilizados.Example 1: Tissues of carbon (TCs) carboxylated previously in nitric acid between 4.0 and 8., -Omol. L-I overflows for 0 - 140h. After washing with water 3 times, the TCs are frozen and lyophilized to dryness or oven drying at 90 ° C. These tissues are added in chloroform solution (CHCl3) containing 1.0% (w / v) methylene blue and N, N-dicyclohexylcarbodiimide at 2.0 mmol.L-1 for 12h while stirring at 25 ° C. After this time, the CTs are removed and air-dried to remove CHC13 and washed 3 times with water for 30min. Thereafter the CTs are dipped in phosphate buffer solution at pH 7.0 and 0.01mol.L-1 for 12h and then the laccase extract at 10.0mg.mL-1 is added. After deaeration for bubble removal and stirring for 30 min, ethylene glycol is added to the laccase and acetone-treated samples for the 3: 1 alcohol dehydrogenase samples (extract: organic solvent) under stirring for 30 min, then left at 4 ° C without stirring. by 12pm. Immediately thereafter, the TCs are withdrawn, frozen in liquid nitrogen and lyophilized. The dried TCs are immediately dipped in 0.5% GA deacetone solution for 30min, washed 3 times with freshly frozen nitrogen water and lyophilized.

Exemplo 2: repete-se o procedimento do exemplo 1, comextrato da lacase entre 20,0 e 100,Omg.mL-1;Example 2: The procedure of Example 1 is repeated, with laccase extract between 20.0 and 100, Omg.mL-1;

Exemplo 3: repetem-se os procedimentos 1 e 2, sendo queas concentrações de N,N-diciclohexilcarbodiimida ficam entre0,0 e 4,Ommol.L-I;Example 3: Procedures 1 and 2 are repeated, and the concentrations of N, N-dicyclohexylcarbodiimide are between 0.04 and 4.0 mmol.L-I;

Exemplo 4: repetem-se os procedimentos 1, 2 e 3, sendoque as concentrações de GA ficam entre 0,1 e 1,0% (v/v);Exemplo 5: repetem-se o procedimento 4 acima, sendoutilizando o extrato bruto de peroxidase da abobrinha(Curcubita pepo) no lugar do extrato da lacase;Example 4: Repeat procedures 1, 2 and 3, where GA concentrations are between 0.1 and 1.0% (v / v) Example 5: Repeat procedure 4 above, using crude extract zucchini peroxidase (Curcubita pepo) in place of the laccase extract;

Exemplo 6: repete-se o procedimento 4 acima, sendoutilizando o extrato bruto de álcool desidrogenase dalevedura (Saccharomices cerevisae) e solvente deprecipitação, a acetona;Example 6: Procedure 4 above is repeated using crude alcohol dehydrogenase extract (Saccharomices cerevisae) and precipitating solvent, acetone;

Exemplo 7: é borrifado 0,1 a 0,5mL de uma solução deNafion® em isopropanol a 1-30% (m/v) por massa (g) de tecidode carbono junto com a enzima imobilizada em todos eles;Example 7: 0.1 to 0.5 ml of a solution of Nafion® in 1-30% (w / v) isopropanol by mass (g) of carbon tissue is sprayed together with the enzyme immobilized on all of them;

Exemplo 8: repetem-se todos os métodos acima utilizandoos derivados do azul de metileno, Azure A, B ou C, no lugardo mesmo.Example 8: All of the above methods are repeated using methylene blue, Azure A, B or C derivatives in place thereof.

Os materiais obtidos através dos métodos ora propostosmostram-se altamente satisfatórios para produção de energiaelétrica em marca-passos cardíacos ou como bioeletrodos embiossensores, sendo que em dimensões micrométricas.The materials obtained through the proposed methods are highly satisfactory for the production of electrical energy in cardiac pacemakers or as embiosensor bioelectrodes, and in micrometer dimensions.

As vantagens introduzidas pela presente invenção estãorelacionadas principalmente com o uso de extratos enzimáticosde vegetais ou microrganismos ou de enzimas puras, podendoreduzir o custo de produção das biocélulas sem uso damembrana de Nafion® como membrana de polieletrólito.The advantages introduced by the present invention relate mainly to the use of plant or microorganism enzyme extracts or pure enzymes, which can reduce the cost of producing Nafion® membrane-free biocells as a polyelectrolyte membrane.

Claims (9)

1. Processo de tratamento de tecidos de carbono paraobtenção de biocatodo ou bioanodo, caracterizado pelo fato decompreender as seguintes etapas:- tratar os tecidos de carbono previamente carboxiladosem ácido nitrico (8, Omol. L-1) em refluxo;- preparar uma monocamada de azul de metileno ou seuderivado (azure A, B ou C) adsorvido ou ligado com NfN-diciclohexilcarbodiimida;- depositar enzima obtida de extratos enzimáticos devegetais ou de microorganismos sobre a monocamada de azul demetileno; e- imobilizar a enzima na presença de solvente polar,neste caso a acetona contendo glutaraldeido.1. Process for the treatment of carbon tissues to obtain biocathode or bioanode, characterized in that it comprises the following steps: - treating previously carboxylated carbon tissues in nitric acid (8, Omol. L-1) at reflux - preparing a monolayer of methylene blue or its derivative (azure A, B or C) adsorbed or bound with NfN-dicyclohexylcarbodiimide, - deposit enzyme obtained from vegetable enzymatic extracts or microorganisms onto the methylene blue monolayer; e- immobilizing the enzyme in the presence of polar solvent, in this case acetone containing glutaraldehyde. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que é utilizado clorofórmio(CHCI3) contendo W,N-diciclohexilcarbodiimida comconcentrações preferencialmente entre 0,5 e 4mmol.L"1 parafazer a ligação covalente amidica entre os gruposcarboxilicos dos tecidos de carbono carboxilados e o grupoaminico do azul de metileno ou seus derivados (azure A, B ouC) ou sua adsorção com concentração entre 0,5 e 2mg.mL_1 pormassa (g) do TC carboxilado.Process according to Claim 1, characterized in that chloroform (CHCl3) containing W, N-dicyclohexylcarbodiimide containing preferably between 0.5 and 4 mmol.L "1 is used to make the amide covalent bond between the carboxylic groups of the tissues. of carboxylated carbon and the methylene blue amino group or derivatives thereof (azure A, B or C) or their adsorption with concentration between 0.5 and 2mg.mL_1 porcarg (g) of the carboxylated TC. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as enzimas obtidas de extratosvegetais enzimáticos compreende a lacase e a peroxidase.Process according to Claim 1, characterized in that the enzymes obtained from enzymatic vegetable extracts comprise laccase and peroxidase. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as enzimas obtidas de extratosenzimáticos de microorganismo compreende o álcooldesidrogenase.Process according to Claim 1, characterized in that the enzymes obtained from microorganism enzymatic extracts comprise alcohol-hydrogenase. 5. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que compreende a deposição dalacase ou peroxidase em meio de solvente orgânicoetilenoglicol na proporção entre 1:1 e 3:1 (solução daenzima:etilenoglicol).Process according to Claim 1, characterized in that it comprises the deposition of dalacase or peroxidase in an ethylene glycol organic solvent medium in the ratio of 1: 1 to 3: 1 (daenzyme: ethylene glycol solution). 6. Processo, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pela deposição do álcool desidrogenase em meiode acetona na proporção entre 1:1 e 3:1 (solução daenzima:acetona).Process according to Claim 4, characterized in that the alcohol dehydrogenase is deposited in acetone in the ratio of 1: 1 to 3: 1 (dazyme: acetone solution). 7. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo uso do glutaraldeido a 0,1 -1,0% (v/v) emacetona por períodos entre 10 e 60min para imobilização daenzima precipitada.Process according to Claim 1, characterized in that the 0.1-1.0% (v / v) emacetone glutaraldehyde is used for periods of between 10 and 60 minutes for immobilization of the precipitated enzyme. 8. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de utilizar carbono vítreo oupirolítico, nanopartículas de carbono, carvão ativado eoutros materiais carbonáceos em lugar do tecido de carbono.Process according to Claim 1, characterized in that it uses glassy or pyrolytic carbon, carbon nanoparticles, activated carbon and other carbonaceous materials in place of carbon tissue. 9. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo borrifamento do Nafion® entre 1,0 e 30,0%(m/v) em isopropanol sobre o biocatodo ou bioanodo finalobtido seguido da secagem antes do seu uso na célula acombustível para gerar energia.Process according to Claim 1, characterized in that Nafion® is sprayed between 1.0 and 30.0% (w / v) in isopropanol on the final obtained biocathode or bioanode followed by drying before use in the fuel cell to generate energy.
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CN112255222A (en) * 2020-10-19 2021-01-22 厦门海辰新能源科技有限公司 Composition, application thereof and screening method of electrolyte

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