Application of Yeast Cells in Biofuel Cells And Biosensors

Abstract

Every year, the world's energy demand rises. Although petroleum products currently meet the majority of this demand, the increasing challenge of long-term supply, as well as the associated problems of emissions and global warming, is driving research into alternative renewable energy technologies. The present study aims to design a functioning biofuel cell (BFCs) and biosensor based on Saccharomyces cerevisiae yeast cells. For a smooth charge transfer to the anode, a mediated electron transfer (MET) was applied and potassium ferricyanide was used as a hydrophilic mediator while chlorophyll a (Chl a) was used as the lipophilic one. Cyclic voltammetry and scanning electrochemical microscopy were used to investigate designed BFCs performance and its efficiency. Two types of yeast cell were used in this study – regular yeast and yeast, grown with chlorophyll a. Series of experiments were conducted with both to evaluate the capability of designed BFCs and chosen MET system. The optimal concentration of Chl a and glucose were identified for both types of yeast. After electrochemical measurements were performed, it was disclosed that regular yeast generated higher current density than yeast grown with Chl a while the same MET system was used for both. The maximal calculated power of regular yeast-based BFC anode, with MET and glucose added to the system, was 2 mW/m2 registered at 30 mV, and for yeast grown with Chl a-based BFC, with MET and glucose added to the system, 0.77¬ mW/m2 at 59.2 mV. Obtained results verified that yeast as a biocatalyst in biofuels has potential and chosen hydrophilic and lipophilic mediator system was suitable and effective. Although, further investigations have to be performed to improve the efficiency of the constructed system.

Pasaulio energijos suvartojimas ir poreikis kasmet vis didėja. Šiuo metu didžiausia energijos dalis yra išgaunama iš naftos produktų, tačiau gausus jų suvartojimas yra glaudžiai susijęs su opiomis taršos bei globalinio atšilimo problemomis. Būtent tai yra viena iš pagrindinių priežasčių, skatinančių žmoniją atsigręžti į alternatyvius ir atsinaujinančius energijos šaltinius. Šio tyrimo metu buvo siekiama sukonstruoti sėkmingai veikiantį biokuro elementą ir biojutiklį. Šiam tikslui buvo panaudotos Saccharomyces cerevisiae mielių ląstelės bei tarpinė elektronų perdavimo sistema, kurią sudaro dvi elektronus pernešančios medžiagos (mediatoriai). Kalio heksacianoferatas buvo naudojamas kaip hidrofilinis mediatorius, o chlorofilas a kaip lipofilinis. Sukonstruotų biokuro elementų veikimui ir efektyvumui tirti buvo naudojamos skenuojanti elektrocheminė mikroskopija bei ciklinė voltamperometrija. Eksperimentų metu buvo naudojamos dviejų rūšių mielių ląstelės – įprastos mielių ląstelės ir ląstelės, augintos terpėje su chlorofilu a. Šiame tyrime buvo vertinamas tiek abiejų tipų mielių kaip kuro elementų, tiek tarpinės elektronų perdavimo sistemos veiksmingumas. Buvo nustatytos optimalios gliukozės ir chlorofilo a koncentracijos, kurioms esant yra generuojamas didžiausias elektros srovės tankis. Atlikus elektrocheminius matavimus, buvo identifikuota, jog chlorofilu a nepaveiktos mielės buvo aktyvesnės. Taip pat buvo atlikti sukonstruotų biokuro elementų galios matavimai. Į sistemą pridėjus hidrofilinio ir lipofilinio mediatorių bei gliukozės, elementas su įprastomis mielėmis sugeneravo 2 mW/m2 galią esant 30 mV įtampai, o elementas su mielėmis, augintomis su chlorofilu a, esant toms pačioms sąlygoms, sugeneravo 0,77 mW/m2 galią esant 59,2 mV įtampai. Gautieji rezultatai tik patvirtino, kad mielės gali būti naudojamos kaip biokuro elemento katalizatoriai, o pasirinkta elektronų pernašos sistema yra veiksminga, tačiau reikalauja tolimesnių tyrimų ir sistemos tobulinimo.