{"id":117940,"date":"2013-05-14T19:10:28","date_gmt":"2013-05-14T22:10:28","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=117940"},"modified":"2013-05-15T12:45:03","modified_gmt":"2013-05-15T15:45:03","slug":"du-sirop-de-canne-a-sucre-dans-des-bio-batteries","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/du-sirop-de-canne-a-sucre-dans-des-bio-batteries\/","title":{"rendered":"Du sirop de canne \u00e0 sucre dans des bio-batteries"},"content":{"rendered":"

Publi\u00e9 en avril 2011<\/em><\/p>\n

\"\"EDUARDO CESAR<\/span>Le sirop de canne \u00e0 sucre, qui accompagne les past\u00e9is (NT: rectangle de p\u00e2te sal\u00e9e garnie et frite) dans les foires, est un s\u00e9rieux pr\u00e9tendant pour la production d\u2019\u00e9nergie \u00e9lectrique dans un petit boitier en plastique fonctionnant comme une batterie et destin\u00e9 \u00e0 alimenter des portables, des lecteurs MP3 ou m\u00eame des notebooks. Le dispositif dans lequel les sucres du sirop de canne agissent comme un combustible et appel\u00e9 bio-batterie, est l\u2019une des d\u00e9couvertes r\u00e9centes les plus prometteuses dans le domaine des sources \u00e9nerg\u00e9tiques alternatives. En 2007, l\u2019entreprise Sony a pr\u00e9sent\u00e9 un de ces prototypes (il en existe plusieurs \u00e0 travers le monde) pour faire fonctionner un petit lecteur de musique aliment\u00e9 par du glucose. Outre les sucres, d\u2019autres combustibles peuvent \u00eatre utilis\u00e9s comme l\u2019\u00e9thanol, le m\u00e9thanol et les eaux d\u2019\u00e9gout. La premi\u00e8re d\u00e9monstration avec du sirop de canne a \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9e par un groupe de recherche de l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale de l\u2019ABC (Ufabc), \u00e0 Santo Andr\u00e9, dans la r\u00e9gion m\u00e9tropolitaine de S\u00e3o Paulo. La production d\u2019\u00e9lectricit\u00e9 r\u00e9alis\u00e9e en laboratoire \u00e0 partir de ce sirop de canne a \u00e9t\u00e9 rendue possible gr\u00e2ce \u00e0 la synth\u00e8se d\u2019une enzyme qui potentialise la r\u00e9action chimique qui convertit le sucre en \u00e9lectricit\u00e9.<\/p>\n

Les bio-batteries \u00e0 combustible ont acquis une importance scientifique et technologique croissante au cours de ces derni\u00e8res ann\u00e9es. Depuis le d\u00e9but des ann\u00e9es 90, les recherches publi\u00e9es dans des revues scientifiques sont pass\u00e9es de 5 articles en 1989 \u00e0 240 en 2010, selon un inventaire r\u00e9alis\u00e9 par le professeur Adalgisa de Andrade, du d\u00e9partement de Chimie de la Facult\u00e9 de Philosophie, de Sciences et de Lettres de Ribeir\u00e3o Preto, \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de S\u00e3o Paulo (USP). Les recherches sont normalement men\u00e9es en partenariat avec diff\u00e9rentes institutions. \u00c0 titre d\u2019exemple, Adalgisa de Andrade qui d\u00e9veloppe des bio-batteries utilisant l\u2019\u00e9thanol comme combustible, maintient une collaboration avec le professeur Chelley Minteer, de l\u2019Universit\u00e9 de l\u2019Utah aux \u00c9tats-Unis qui coordonne un groupe ayant d\u00e9j\u00e0 r\u00e9alis\u00e9 diff\u00e9rents travaux dans ce domaine. Frank Nelson Crespilho, coordonnateur du groupe sur les Mat\u00e9riaux et les M\u00e9thodes Avanc\u00e9es de l\u2019UFABC, utilise du sirop de canne dans ses bio-batteries et d\u00e9veloppe des partenariats avec l\u2019Universit\u00e9 de Cor\u00e9e du Sud, l\u2019Universit\u00e9 de Grenoble en France, et avec l\u2019Institut National des Sciences et de la Technologie de l\u2019\u00c9lectronique Organique (Ineo) \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale du Piau\u00ed.<\/p>\n

Un des points d\u2019attention de ces \u00e9tudes li\u00e9es aux bio-batteries \u00e0 combustible concerne la puissance qui est encore faible et qui freine sa commercialisation. La recherche men\u00e9e \u00e0 l\u2019UFABC avec du sirop de canne et la nouvelle enzyme, permet d\u2019obtenir 60 milliwatts (mW) par centim\u00e8tre carr\u00e9 (cm2) avec une tension de 0,39 volt (V), ce qui repr\u00e9sente 26% du voltage d\u2019une pile de type AAA de 1,5 V. \u00ab Le voltage peut \u00eatre augment\u00e9 gr\u00e2ce \u00e0 plusieurs batteries fonctionnant en s\u00e9rie \u00bb, affirme le professeur Frank Crespilho, coordonnateur de l\u2019\u00e9tude. C\u2019est la formule trouv\u00e9e par Sony dans son prototype qui a produit 1,5 milliwatt par cm2 et 0,8 V au total. L\u2019exp\u00e9rience de l\u2019entreprise a re\u00e7u le soutien scientifique du professeur Kenji Kano de l\u2019Universit\u00e9 de Kyoto, au Japon.<\/p>\n

La course technologique actuelle vise justement \u00e0 augmenter la puissance et la dur\u00e9e de fonctionnement de ces \u00e9quipements qui atteignent d\u00e9j\u00e0 plus de10 heures. D\u2019autres aspects des \u00e9tudes concernent la cr\u00e9ation d\u2019\u00e9nergie \u00e0 partir des eaux d\u2019\u00e9gout, en retirant les \u00e9lectrons de la mati\u00e8re organique, et \u00e9galement la miniaturisation qui permettra d\u2019implanter ces batteries dans le propre organisme humain. Dans ce cas l\u00e0, le combustible sera le propre glucose du sang et non plus le sirop de canne. \u00ab L\u2019un des enjeux actuels dans le domaine des bio-batteries \u00e0 combustible est de les orienter vers les micropuces et de cr\u00e9er une micro- bio-batterie ou une nano-bio-batterie implantable pour fonctionner comme une batterie de stimulateur cardiaque, pour lib\u00e9rer des m\u00e9dicaments dans l\u2019organisme ou pour d\u00e9tecter les niveaux de glucose \u00bb, d\u00e9clare le professeur Frank Crespilho qui, \u00e0 32 ans, est \u00e9galement chef de la Division de la Propri\u00e9t\u00e9 Intellectuelle du Noyau d\u2019Innovation Technologique de l\u2019UFABC. Frank Crespilho et son \u00e9quipe ont d\u00e9velopp\u00e9 un logiciel qui mesure les courants tr\u00e8s faibles des bio-batteries et ont achet\u00e9, gr\u00e2ce \u00e0 un financement de la FAPESP, un \u00e9quipement pour \u00e9liminer les bruits \u00e9mis par les c\u00e2bles des appareils \u00e9lectroniques et pour traiter les signaux de l\u2019environnement.<\/p>\n

Haute efficacit\u00e9<\/strong>
\nLes bio-batteries fonctionnent comme une batterie normale en convertissant l\u2019\u00e9nergie chimique en \u00e9lectricit\u00e9 de la m\u00eame mani\u00e8re que les cellules \u00e0 combustible qui produisent de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 et dont l\u2019hydrog\u00e8ne est le principal combustible (\u00e9quipements d\u00e9j\u00e0 fabriqu\u00e9s sur commande par certaines entreprises, y compris au Br\u00e9sil). Il s\u2019agit d\u2019\u00e9quipements qui normalement fournissent plus de cinq kilowatts de puissance, ce qui est suffisant pour fournir en \u00e9lectricit\u00e9 une maison confortable pour quatre personnes. \u00c0 l\u2019exemple de leurs a\u00een\u00e9es, les bio-batteries \u00e0 combustible, qui en sont encore au niveau de la recherche scientifique et technologique, sont un gage de production d\u2019\u00e9nergie \u00e9lectrique alternative car elles poss\u00e8dent une haute efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique en n\u2019utilisant que peu de combustible durant la conversion d\u2019\u00e9nergie par rapport aux moteurs \u00e0 essence ou diesel, par exemple. Tout ceci de mani\u00e8re silencieuse et sans \u00e9mettre de grandes quantit\u00e9s de gaz ou de d\u00e9chets polluants.<\/p>\n

L\u2019avantage perceptible de ces petits appareils est leur c\u00f4t\u00e9 biologique, pr\u00e9sent dans les catalyseurs, d\u2019origine organique, produit avec des enzymes ou des microorganismes. Ces derniers promeuvent la r\u00e9action chimique n\u00e9cessaire \u00e0 la production d\u2019\u00e9lectricit\u00e9 au lieu d\u2019utiliser, par exemple, du platine qui est tr\u00e8s on\u00e9reux, comme dans les cellules \u00e0 combustibles. L\u2019\u00e9quipe cordonn\u00e9e par Franck Crespilho est donc parvenue \u00e0 mettre au point une enzyme synth\u00e9tis\u00e9e sous la forme d\u2019un composite form\u00e9 de nanostructures d’oxy-hydroxides de fer et d\u2019un polym\u00e8re organique appel\u00e9 poly-diallyl-dim\u00e9thyl-ammonium (PDAC), qui sont appliqu\u00e9s sur une cathode, l\u2019un des p\u00f4les d\u2019un syst\u00e8me \u00e9lectrolytique, comme une batterie qui produit ou laisse passer le flux d\u2019\u00e9lectrons extrait dans ce cas l\u00e0 des sucres du sirop de canne, sur le c\u00f4t\u00e9 anode (voir illustration). L\u2019utilisation de polyamide dans la structure de la mol\u00e9cule est un avantage suppl\u00e9mentaire d\u00e9couvert par le groupe car il s\u2019agit d\u2019un produit bon march\u00e9 qui a \u00e9t\u00e9 choisi pratiquement par hasard lors d\u2019une visite dans une fabrique de plastiques \u00e0 Santo Andr\u00e9.<\/p>\n

Pour comprendre cette \u00e9tude bio-\u00e9lectrochimique, qui, avec l\u2019adoption de compos\u00e9s nanotechnologique s\u2019appelle d\u00e9sormais \u00e9tude nano bio \u00e9lectrochimique, il faut rappeler que les cellules \u00e0 combustible (et m\u00eame les organiques) ont besoin d\u2019\u00e9l\u00e9ments oxydants et r\u00e9ducteurs pour perdre et gagner des \u00e9lectrons. Une membrane polym\u00e9rique appel\u00e9e membrane d\u2019\u00e9change de protons est install\u00e9e dans les cellules et prise en sandwich entre les c\u00f4t\u00e9s anode et cathode de la bio-batterie. Comme le courant est continu, le flux d\u2019\u00e9lectrons passe de l\u2019autre c\u00f4t\u00e9 et est re\u00e7u par l\u2019autre p\u00f4le. Les atomes sans \u00e9lectrons, les protons, passent uniquement sur la membrane. Franck Crespilho \u00e9tudie \u00e9galement des bio-batteries sans membranes entre les deux p\u00f4les. \u00ab Nous en avons produit une de ce type dans laquelle les \u00e9lectrodes sont plong\u00e9es dans une solution de glucose, d\u2019eau et de peroxyde d\u2019hydrog\u00e8ne (H2O2), plus connu sous le nom d\u2019eau oxyg\u00e9n\u00e9e, plus deux types d\u2019enzyme, un glucose oxydase et notre enzyme poss\u00e9dant des nanoparticules d\u2019oxyde de fer. \u00ab La bio-batterie s\u2019est montr\u00e9e efficace avec une vitesse de r\u00e9action \u00e9lectrochimique plus \u00e9lev\u00e9e que d\u2019autres bio-batteries d\u00e9crites dans des publications \u00bb, d\u00e9clare Franck Crespilho. \u00ab L\u2019enzyme synth\u00e9tique que nous avons mis au point imite un m\u00e9canisme naturel d\u2019enzymes de la classe des peroxydases. Ainsi, alors que les \u00e9lectrons sont extraits des sucres pour l\u2019anode, d\u2019autres \u00e9lectrons sont inject\u00e9s sur la cathode et l\u2019enzyme acc\u00e9l\u00e8re la rupture des mol\u00e9cules de peroxyde d\u2019hydrog\u00e8ne. \u00bb D\u2019apr\u00e8s les chercheurs, l\u2019enzyme biomim\u00e9tique est moins ch\u00e8re, plus stable et plus efficace que les naturelles. Le travail d\u00e9velopp\u00e9 par le doctorant Marcus Victor Martins consiste \u00e0 envelopper l\u2019oxyde de fer avec une couche du polym\u00e8re organique synth\u00e9tis\u00e9e sous la forme d\u2019aiguilles. L\u2019enzyme stabilis\u00e9e sur une \u00e9lectrode contenant des fibres de tissu de carbone est plong\u00e9e dans un milieu salin avec le sirop de canne et d\u2019autres additifs qui composent l\u2019environnement naturel de l\u2019enzyme. La principale difficult\u00e9 est de la maintenir stable durant plus de 10 heures. Si l\u2019enzyme se d\u00e9grade, le courant chute \u00bb, d\u00e9clare Franck Crespilho, qui est \u00e0 la t\u00eate du groupe depuis trois ans dans l\u2019Universit\u00e9 inaugur\u00e9e il y a cinq ans.<\/p>\n

Sans perturber<\/strong>
\nLes exp\u00e9riences men\u00e9es par le groupe de Franck Crespilho ont \u00e9galement trouv\u00e9 une autre application possible dans le monde des bio-batteries gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019utilisation de microorganismes comme la levure Saccharomyces cerevisiae, la m\u00eame qui agit dans la fermentation de l\u2019\u00e9thanol, du pain et de la bi\u00e8re. \u00ab Ils dig\u00e8rent le sucre \u00bb, observe Franck Crespilho. \u00ab La principale difficult\u00e9 est d\u2019extraire des \u00e9lectrons sans perturber ou tuer la levure Saccharomyces \u00bb. Gr\u00e2ce \u00e0 une s\u00e9rie de stratag\u00e8mes chimiques, les chercheurs sont parvenus \u00e0 maintenir l\u2019organisme et \u00e0 produire de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 stabilisant celui-ci sur une \u00e9lectrode de carbone. Selon la litt\u00e9rature scientifique, plus de 20 microorganismes, principalement des bact\u00e9ries, ont \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9s avec succ\u00e8s dans des exp\u00e9riences sur des bio-batteries.<\/p>\n

L\u2019utilisation d\u2019\u00e9lectrodes avec des microorganismes n\u2019appartient pas au domaine d\u2019\u00e9tude du professeur Adalgisa de Andrade, de l\u2019USP de Ribeir\u00e3o Preto, qui a \u00e9crit un article dans lequel elle r\u00e9sume les activit\u00e9s li\u00e9es aux bio-batteries enzymatiques dans le monde en 2010. Elle a mis au point des bio-batteries qui utilisent l\u2019\u00e9thanol comme combustible. Elles sont compos\u00e9es d\u2019enzymes qui cassent cet alcool comme les d\u00e9shydrog\u00e9nases trouv\u00e9es \u00e9galement dans le foie et qui servent \u00e0 la digestion des boissons alcooliques. Le r\u00e9sultat le plus r\u00e9cent du groupe qu\u2019elle dirige est la mise au point d\u2019anodes avec des nanostructures stabilis\u00e9es, contenant des polym\u00e8res organiques et des d\u00e9shydrog\u00e9nases plus stables et qui fonctionnent jusqu\u2019\u00e0 90 jours.<\/p>\n

\u00ab Nous avons m\u00e9lang\u00e9 des enzymes et des polym\u00e8res et nous les avons plac\u00e9s sur la surface du carbone pr\u00e9par\u00e9e pour recevoir des \u00e9lectrons, orientant \u00e9galement ces couches pour que l\u2019\u00e9lectrode devienne plus stable et qu\u2019elle acqui\u00e8re une plus grande puissance \u00bb, d\u00e9clare le professeur Adalgisa de Andrade, qui a re\u00e7u le soutien de la post-doctorante Juliane Forti dans ses travaux. Gr\u00e2ce \u00e0 ces nouveaux arrangements, son groupe est parvenu \u00e0 faire fonctionner une bio-batterie avec de l\u2019\u00e9thanol d\u2019une puissance de 0,28 milliwatts par cm2. Le professeur Adalgisa de Andrade et Frank Crespilho font partie d\u2019un groupe sp\u00e9cial de chercheurs h\u00e9ritier des \u00e9tudes men\u00e9es sur le d\u00e9veloppement des bio-batteries par le professeur Michael Potter, de l\u2019Universit\u00e9 de Durham au Royaume-Uni, qui a d\u00e9couvert que des bact\u00e9ries Escherichia coli pouvaient produire de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 dans un substrat organique, en 1912. La premi\u00e8re bio-batterie n\u2019utilisant que des enzymes n\u2019a \u00e9t\u00e9 pr\u00e9sent\u00e9e que 50 ans plus tard, en 1964, par un groupe de chercheurs \u00e9tasuniens de l\u2019entreprise Space-General Corporation, en Californie. Un long chemin a \u00e9t\u00e9 d\u00e9j\u00e0 parcouru et il pourra d\u00e9boucher dans quelques ann\u00e9es sur une nouvelle alternative \u00e9nerg\u00e9tique.<\/p>\n

LES PROJETS<\/strong>
\n1. Interaction entre des bio-batteries
\net des syst\u00e8mes cellulaires avec des nanostructures OD, 1D, 2D utilisant des m\u00e9thodes \u00e9lectrochimiques n. 2009\/15558-1
\n2. Mise au point d\u2019une bio-batterie \u00e0 combustible utilisant des enzymes d\u2019alcool d\u00e9shydrog\u00e9nase stabilis\u00e9es par auto-montage n. 2008\/05124-1
\nMODALIT\u00c9<\/strong>
\n1 et 2 \u2013 Soutien r\u00e9gulier au projet de Recherche
\nCOORDONNATEURS<\/strong>
\n1. Frank Nelson Crespilho \u2013 UFABC
\n2. Adalgisa Rodrigues De Andrade \u2013 USP
\nINVESTISSEMENT<\/strong>
\n1. 92.262,80 r\u00e9aux et 50.821,57 US$ (FAPESP)
\n2. 73.622,30 r\u00e9aux et 29.031,76 US$ (FAPESP)<\/p>\n

Articles scientifiques<\/em>
\n1. Martins, M.V.A.; Bonfim, C.; Silva, W.C.; Crespilho, F.N. Iron (III) nanocomposites for enzyme-less biomimetic cathode: A promising material for use in biofuel cells. Electrochemistry Communications.<\/strong> v.12, n.11, p. 1.509-12. 2010.
\n2. Aquino Neto, S.; Forti, J.C.; Zucolotto, V.; Ciancaglini, P.; De Andrade, A. R. Development of nanostructured bioanodes containing dendrimers and dehydrogenases enzymes for application in ethanol biofuel cells. Biosensors and Bioelectronics<\/strong>. v. 26, p. 2.922-26. 2011.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Du sirop de canne \u00e0 sucre dans des bio-batteries","protected":false},"author":10,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[1194],"tags":[],"coauthors":[97],"class_list":["post-117940","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-technologie"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/117940","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/10"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=117940"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/117940\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=117940"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=117940"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=117940"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=117940"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}