Desenvolvimento de uma célula de biocombustível enzimática de glicose / oxigénio baseada em transdutores de minas de grafite

Nowadays, society is heavily dependent on multiple types of energy that are spent in numerous applications. Most of this energy is derived from non-renewable sources such as nuclear and fossil fuels that may represent serious environmental, social and economic concerns. The future of energy supply depends on the innovative design of green, sustainable, and efficient systems for the conversion of clean and readily available energy sources. Biofuel cell is a sustainable, micro-energy production technology with promising applications in the biotechnological field and small consumable electronics. It is based on the application of biological entities such as microorganisms or enzymes in electrochemical transducers to convert the chemical energy of specific compounds into electrical signals. Particularly, enzymatic glucose/O2 biofuel cells have been widely studied due to their promising implantable applications since energy can be extracted from biological fluids to power critical devices such as pacemakers. The main objective of this work was the development of an enzymatic glucose/O2 biofuel cell using low-cost pencil graphite electrodes (PGE) for the enzymatic transduction. Bioanode was based on the immobilization of glucose oxidase (GOx) enzyme for catalysis of glucose fuel while biocathode was based on the immobilization of bilirubin oxidase (BOx) enzyme for reduction of the oxidant O2. The experimental work began with the electrochemical characterization of PGE and comparison with conventional electrodes. Good voltammetric results were obtained for PGE in terms of cathodic/anodic peak intensities, peak-to-peak separation (∆Ep) and electron transfer rate constant (k0 ) justifying therefore their selection as a transducer for the immobilization of enzymes. In order to improve the electrochemical performance of PGE, nanostructuration of the electrode surface was assessed using different carbon nanomaterials (multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), reduced graphene (rGO)) through cyclic voltammetry (CV). Prior to biofuel cell assembly, the biocathode and the bioanode were individually characterized as biosensors for the respective enzyme substrates. Therefore, the bioelectrode for O2 was first developed by immobilizing BOx into a previously modified PGE (PGE-rGO-MWCNTs) using a pyrene-based succinimidyl ester (PBSE) cross-linker. After assessing enzyme immobilization by CV, O2 was detected by amperometry achieving a sensitivity of 600 µA.mM-1 .cm-2 and a limit of detection of 0.1 mM. When applied as a biocathode, the polarization curves resulted in an open circuit potential (OCP) of 0.52 V vs Ag/AgCl and generated a maximum current density of 170 µA.cm-2 in the presence of O2. The bioelectrode for glucose was fabricated in a similar way, however, using SWCNTs instead of MWCNTs (PGE-rGO-SWCNTs-PBSE-GOx). Although being efficiently immobilized in the electrode surface enabling direct electron transfer, the amperometric analysis revealed some instability and unreproducible problems, requiring the use of a mediator to facilitate the electron transfer between the enzyme and the electrode. In this mediated condition the sensitivity achieved was 55 µA.mM-1 .cm-2 and the limit of detection was 0.09 mM. Finally, the GOx and BOx bioelectrodes were assembled as bioanode and biocathode in a glucose /O2 biofuel cell. In mediated electron transfer conditions, the membraneless biofuel cell achieved an OCP of 0.45 V and generated a power density of 26 µw.cm -2 . A membraneless glucose/O2 biofuel cell was therefore successfully fabricated though requiring the use of a diffusional mediator to achieve maximum power.Atualmente, a sociedade depende fortemente de vários tipos de energia que são usados em inúmeras aplicações. A maior parte dessa energia é derivada de fontes não renováveis, como combustíveis nucleares e fósseis, que podem apresentar sérias preocupações ambientais, sociais e económicas. O futuro do fornecimento energético depende do desenvolvimento inovador de sistemas verdes, sustentáveis e eficientes que possam ser empregues para a conversão de fontes de energia limpas e prontamente disponíveis. As células de biocombustível são uma tecnologia sustentável de produção de microenergia, com aplicações no campo biotecnológico e em pequenos aparelhos eletrónicos. Baseia-se na aplicação de entidades biológicas, como microrganismos ou enzimas, em transdutores eletroquímicos para converter a energia química de compostos específicos em sinais elétricos. Particularmente, as células de biocombustível enzimáticas de glicose/O2 têm sido amplamente estudadas devido a suas promissoras aplicações para dispositivos implantáveis, uma vez que a energia pode ser extraída de fluidos biológicos para alimentar dispositivos críticos como pacemakers. O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver uma célula de biocombustível enzimática de glicose/O2 utilizando elétrodos de minas de grafite (PGE) de baixo custo para a transdução enzimática. O bioânodo baseia-se na imobilização da enzima glicose oxidase (GOx) para a catálise do combustível glicose, enquanto o biocátodo baseia-se na imobilização da enzima bilirrubina oxidase (BOx) para redução do oxidante O2. O trabalho experimental começou com a caracterização eletroquímica do PGE e a sua comparação com elétrodos convencionais. Foram obtidos bons resultados voltamétricos para o PGE no que diz respeito às intensidades do pico catódico/anódico, à separação pico-a-pico (∆Ep) e à constante de transferência de eletrões (k0) justificando, portanto, a sua seleção como transdutor para a imobilização de enzimas. A fim de melhorar o desempenho eletroquímico do PGE, foi avaliada a nanoestruturação da superfície do elétrodo ao usar diferentes nanomateriais de carbono (nanotubos de carbono de superfície múltipla (MWCNTs), nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs), grafeno reduzido (rGO)) recorrendo à voltametria cíclica (CV). Antes da construção da células de biocombustível, o biocátodo e o bioânodo foram caracterizados individualmente como biossensores para os respetivos substratos enzimáticos. O bioelétrodo para o O2 foi desenvolvido inicialmente ao imobilizar a BOx num PGE previamente modificado (PGE-rGO-MWCNTs), utilizando um composto succinimidil-éster derivado do pireno (PBSE). Após avaliar a sua imobilização enzimática por CV, o O2 foi detetado por amperometria, obtendo-se uma sensibilidade de 600 µA.mM-1 .cm-2 e um limite de deteção de 0,1 mM. Ao aplicar como biocátodo, as curvas de polarização resultaram num potencial de circuito aberto (OCP) de 0,52 V vs. Ag / AgCl e produziram uma densidade de corrente máxima de 170 µA.cm-2 na presença de O2. O bioelétrodo para glicose foi construído de maneira semelhante, no entanto, usando SWCNTs em vez de MWCNTs (PGE-rGO-SWCNTsPBSE-GOx). Embora a imobilização da enzima na superfície do elétrodo tenha sido eficaz, o que permitiu a transferência direta de eletrões, a análise por amperometria revelou alguns problemas como falta de reprodutibilidade, o que exigiu o uso de um mediador para facilitar a transferência de eletrões entre a enzima e o elétrodo. Em condições mediadas, obteve-se uma sensibilidade de 55 µA.mM-1 .cm-2 e um limite de deteção de 0,09 mM. Por fim, os bioelétrodos com GOx e BOx foram montados como bioânodo e biocátodo numa célula de biocombustível de glicose/O2 sem membrana. Em condições mediadas de transferência de eletrões, a célula de biocombustível sem membrana alcançou um OCP de 0,45 V e produziu uma densidade de potência de 26 µw.cm-2 . A célula de biocombustível de glicose/O2 sem membrana foi construída com sucesso, embora esta exija o uso de um mediador difusional para se obter a potência máxima.This study was financially supported by the European Union (FEDER funds through COMPETE) and National Funds (Fundação para a Ciência e Tecnologia-FCT) through PTDC/ASPPES/29547/2017 (POCI-01-0145-FEDER) by FCT/MEC with national funds and co-funded by FEDER