Enzymatic-sensors for microbial fuel cells : from bioelectrochemical mechanisms to electrodes development

Microbial fuel cell (MFC) has been one of the most attractive biotechnologies in the recent years since it was demonstrated that it can perform the degradation of organic matter with the concomitant production of electricity. The possible applications of the technology range from the self-powered wastewater treatment, self-powered sensors, the production of electricity in remote regions and heavy metals recovery. This technology presents several issues and drawbacks, from fundamental to practical, which still limit the scale-up. Thus, the research activity had both fundamental and practical goals and the project has been focused to four main objectives. With the aim to study the bioelectrochemical processes taking place in the Single Chamber Microbial Fuel Cells (SCMFC) and to optimize the configuration of the cell, the first objective was the study of the bioelectrochemical mechanism of oxygen consumption in SCMFC. Accordingly, a hand-made amperometric direct electron transfer enzymatic sensor based on bilirubin oxidase was developed. Air-breathing Cathodes are made with polytetrafluoroethylene (PTFE) on the air-side of the electrode, to avoid solution leakage, thus, PTFE role on the oxygen reduction reaction (ORR) should be considered. Accordingly, the second objective was the study of the PTFE effect on the ORR in air-breathing biocathodes. To further improve the electrocatalytic performance of the biocathode, enzyme electrodes have to be developed. These particular biocathodes have to deal with enzyme inhibition due to the direct contact of the enzyme with the electrolyte of the anodic chamber, wastewater and several different ions. Thus, the third objective was the study of the hydrogen peroxide inhibition mechanisms on laccase-based enzymatic biocathodes in mediated electron transfer (MET) and direct electron transfer (DET) configuration. A possible application of stainless steel as support for biocatalyzed anodes, to decrease the cost of SCMFC (AISI304 is a couple of orders of magnitude cheaper than Carbon cloth), has to deal with microbial influenced corrosion. Thus, the fourth and last objective was the study of the electrochemical behavior of AISI304 applied as anode electrode in a SCMFC.

Le celle a combustibile microbiche (MFC) rappresentano un’innovativa biotecnologia in grado di trasformare l’energia chimica contenuta nelle sostanze organiche in energia elettrica. Le MFC possono essere utilizzate per il trattamento di acque reflue, come sensori o associate a sensori per renderli energeticamente autonomi, per la produzione di elettricità in regioni remote e per il recupero di metalli pesanti. Diversi fattori limitano lo scale-up della tecnologia, dalle basse prestazioni di produzione di potenza ai materiali utilizzati per la realizzazione degli elettrodi. In considerazione di questi fattori, l’attività di ricerca è stata dedicata a quattro obiettivi. Con l’obiettivo di studiare i processi bioelettrochimici che avvengono nelle celle a combustibile microbiche a camera singola (SCMFC) e ottimizzare la conformazione di cella, è stato studiato il meccanismo di consumo di ossigeno in SCMFC mediante sensore enzimatico basato sull’enzima bilirubina ossidasi. Il secondo obiettivo è stato lo studio degli effetti del politetrafluoroetilene (PTFE), utilizzato in letteratura per la formulazione dei catodi, sulla reazione catodica di riduzione di ossigeno (ORR). Alti contenuti di PTFE possono diminuire le prestazioni del catodo, mentre contenuti troppo bassi possono portare a instabilità meccanica dell’elettrodo e alla fuoriuscita di soluzione. Il terzo obiettivo è stato lo studio dei meccanismi di inibizione del perossido di idrogeno su biocatodi enzimatici basati sull’enzima laccasi. I catodi enzimatici permettono di incrementare le prestazioni del biocatodo ma la loro efficienza può essere compromessa per via del contatto diretto dell’enzima con le diverse specie in soluzione o prodotte durante l’ORR. L’applicazione di acciaio inossidabile in sostituzione del carbon cloth, comunemente utilizzato per la realizzazione degli anodi delle SCMFC, permetterebbe una diminuzione dei costi di realizzazione delle celle. Tuttavia, il comportamento elettrochimico dell’acciaio in presenza di batteri solfato riduttori, tipici nelle MFC, è raramente studiato. Il quarto e ultimo obiettivo è pertanto stato lo sviluppo di anodi in AISI304 per applicazione in SCMFC.