Article de référence | Réf : RE89 v1

Biocatalyse enzymatique (biofuel cells)
Piles à combustible utilisant des enzymes et des biofilms comme catalyseurs

Auteur(s) : Damien FÉRON, Alain BERGEL

Date de publication : 10 janv. 2008

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RÉSUMÉ

La biocatalyse des réactions anodiques ou cathodiques est à l'origine des mécanismes de biocorrosion et fait partie des phénomènes redoutés par les utilisateurs de matériaux métalliques. Cette biocatalyse peut être utilisée de manière positive pour augmenter les vitesses des réactions électrochimiques qui se produisent à l'anode et à la cathode de piles à combustible. La mise en œuvre de bactéries dans des biofilms ou l'utilisation d'enzymes comme catalyseurs sont aujourd’hui quelques pistes pour améliorer les performances et diminuer les coûts des piles à combustible.

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ABSTRACT

The biocatalyst of anodic and cathodic reactions is at the origin of the mechanisms of biocorrosion and forms part of the phenomena dreaded by the users of metallic materials. This biocatalyst can be used in a positive manner to increase the speed of the electrochemical reactions of the anode and cathode in the fuel cell. The use of bacteria in biofilms or the use of enzymes as catalysts currently leads the way in enhancing performance and reducing the costs of fuel cells.

INTRODUCTION

La biocatalyse des réactions anodiques ou cathodiques est à l'origine des mécanismes de biocorrosion et fait partie des phénomènes redoutés par les utilisateurs de matériaux métalliques. Cette biocatalyse peut être utilisée de manière positive pour augmenter les vitesses des réactions électrochimiques qui se produisent à l'anode et à la cathode de piles à combustible. À l'heure où les piles à combustible font l'objet de nombreuses recherches pour diminuer leur coût et améliorer leurs performances, la mise en œuvre de bactéries dans des biofilms ou l'utilisation d'enzymes comme catalyseurs deviennent des solutions alternatives crédibles et galvanisent les recherches en France et à l'étranger.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re89


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2. Biocatalyse enzymatique (biofuel cells)

De nombreuses équipes de recherche travaillent sur les piles à enzymes  ; il s'agit le plus souvent d'enzymes permettant l'oxydation du substrat de l'enzyme pris comme combustible dans le compartiment anodique et la réduction de l'oxygène dans le compartiment cathodique. L'un des points clés concerne la fixation des enzymes sur les électrodes (piégeage dans une matrice de polymères conducteurs, liaison covalente avec le site actif de l'enzyme intégrant un composé médiateur, adsorption couche par couche, etc.).

Différentes classes d'oxydoréductases sont utilisées telles que les oxydases ou les hydrogénases pour l'oxydation, ou les laccases et peroxydases pour la réduction. Elles nécessitent l'utilisation d'outils moléculaires pour établir un transfert électronique efficace entre les sites actifs des enzymes et les électrodes. Ces techniques sont généralement relativement sophistiquées, difficiles à mettre en œuvre, et donc coûteuses, surtout pour de grandes surfaces d'électrodes. De plus, les surfaces ainsi modifiées ne restent souvent actives que peu de temps. Les piles enzymatiques sont donc pour l'instant plutôt destinées à des niches spécifiques comme la bioélectronique ou les systèmes médicaux implantables .

Le modèle enzymatique issu de la biocorrosion que nous avons appliqué aux aciers inoxydables concerne, pour l'heure, la catalyse de la réduction de l'oxygène. Elle présente un double intérêt :

  • elle concerne la réaction qui est le plus souvent limitante dans les piles à combustible ;

  • sa mise en œuvre ne nécessite pas d'étape de fixation des enzymes sur la surface des électrodes.

Sans doute une certaine adsorption de la protéine sur l'acier inoxydable se produit-elle et améliore-t-elle l'efficacité de la catalyse, mais cette phase se réalise sans avoir recours à des outils particuliers, malheureusement d'ailleurs pour la tenue des aciers inoxydables en eaux naturelles. C'est donc une utilisation aisée de la biocatalyse enzymatique qui est proposée et a été testée côté cathodique.

2.1 Sélectionner l'enzyme appropriée

La mise en œuvre du modèle enzymatique de la biocorrosion aérobie (figure ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - STEVENS (P.), NOVEL-CATTIN (F.), HAMMOU (A.), LAMY (C.), CASSIR (M.) -   Piles à combustible  -  . [D 3 340], Techniques de l'Ingénieur, base documentaire « Convertisseurs et machines électriques » (2000).

  • (2) - BOND (D.R.), HOLMES (D.E.), TENDER (L.M.), LOVLEY (D.R.) -   Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments  -  . Science 295, p. 483-5 (2002).

  • (3) - TENDER (L.M.), REIMERS (C.E.), STECHER (H.A.), HOLMES (D.E.), BOND (D.R.), LOWY (D.A.), PIBLOBELLO (K.), FERTIG (S.), LOVLEY (D.R.) -   Harnessing microbially generated power on the seafloor  -  . Nature Biotechnology 20, p. 821-5 (2002).

  • (4) - FERON (D.), BERGEL (A.) -   Pile à combustible utilisant des enzymes en tant que catalyseur de la réaction cathodique et/ou anodique  -  . Brevet FR 02.01488 (7 février 2002).

  • (5) - BERGEL (A.), FERON (D.) -   Pile à combustible utilisant des biofilms en tant que catalyseur de la réaction cathodique et/ou anodique  -  . Brevet FR 02.10009 (6 août 2002).

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