Este trabalho descreve a preparação e caracterização de biocátodos para biocélula a combustível Etanol e Metanol//O2 utilizando a enzima lacase (trametes versicolor) num sistema de transferência eletrônica mediada (TEM). Na primeira etapa do trabalho, os resultados de cinética enzimática com a enzima lacase em solução e imobilizada sobre tecido de carbono mostraram que os vários parâmetros experimentais (pH, temperatura, estabilidade) analisados devem ser considerados, a fim de se obter atividade máxima com os biocatalisadores. Além disso, em relação aos testes cinéticos e de estabilidade, pode-se inferir que o dendrímero PAMAM pode ser empregado como um bom agente imobilizante na preparação de bicátodos para biocélula a combustível enzimática. Na segunda etapa do trabalho, uma semibiocélula Etanol//O2 foi testada e os eletrocatalisadores testados foram o verde de metileno (VM) e o azul de meldola (AM). Os testes de potência mostraram a importância da presença do mediador ABTS e do eletrocatalisador (VM) para melhorar o desempenho do dispositivo. Na terceira etapa do trabalho, eletrodos com diferentes mediadores (ABTS, ferro porfirina, ferroceno, complexo de ósmio e complexo de rutênio) e com polipirrol eletropolimerizado na superfície do eletrodo foram testados numa semibiocélula Metanol//O2. Os testes de semibiocélula Etanol e Metanol//O2 com transferência eletrônica mediada mostraram que os biocátodos preparados com o dendrímero PAMAM e com os diferentes eletrocatalisadores e mediadores, se mostraram capazes de gerar densidades de potência competitivas em relação aos valores encontrados na literatura. / This work describes the preparation and characterization of biocathodes for Ethanol and Methanol//O2 biofuel cell using the enzyme laccase (trametes versicolor) enzyme and mediated electron transfer (MET). Investigation of the enzymatic kinetics of the enzyme laccase in solution and immobilized onto carbon platforms showed that the analyzed experimental parameters (pH, temperature, and stability) must be considered for maximum activity to be achieved. The kinetic and stability tests revealed that PAMAM dendrimers constitute very good immobilization agent to prepare biocathodes for enzymatic biofuel cell. The second part of this work, dealt with Ethanol//O2half-cell using methylene green (MG) ormeldola blue (MB) as electrocatalyst. The power test evidenced that it is important to have ABTS as mediator and an electrocatalyst, to ensure that the device performs better. The third part of this work evaluated electrodes with distinct mediators (ABTS, iron porphyrin, ferrocene, osmium complex, and ruthenium complex) and containing electropolymerized polypyrrole on their surface in a Methanol//O2half-cell. Ethanol and Methanol//O2 half-cell tests with mediated electron transfer showed that the biocathodes prepared with PAMAM dendrimers, electrocatalyst, and distinct mediators generated competitive power densities as compared with literature data.

Este trabalho descreve a preparação e caracterização de biocátodos para biocélula a combustível Etanol e Metanol//O2 utilizando a enzima lacase (trametes versicolor) num sistema de transferência eletrônica mediada (TEM). Na primeira etapa do trabalho, os resultados de cinética enzimática com a enzima lacase em solução e imobilizada sobre tecido de carbono mostraram que os vários parâmetros experimentais (pH, temperatura, estabilidade) analisados devem ser considerados, a fim de se obter atividade máxima com os biocatalisadores. Além disso, em relação aos testes cinéticos e de estabilidade, pode-se inferir que o dendrímero PAMAM pode ser empregado como um bom agente imobilizante na preparação de bicátodos para biocélula a combustível enzimática. Na segunda etapa do trabalho, uma semibiocélula Etanol//O2 foi testada e os eletrocatalisadores testados foram o verde de metileno (VM) e o azul de meldola (AM). Os testes de potência mostraram a importância da presença do mediador ABTS e do eletrocatalisador (VM) para melhorar o desempenho do dispositivo. Na terceira etapa do trabalho, eletrodos com diferentes mediadores (ABTS, ferro porfirina, ferroceno, complexo de ósmio e complexo de rutênio) e com polipirrol eletropolimerizado na superfície do eletrodo foram testados numa semibiocélula Metanol//O2. Os testes de semibiocélula Etanol e Metanol//O2 com transferência eletrônica mediada mostraram que os biocátodos preparados com o dendrímero PAMAM e com os diferentes eletrocatalisadores e mediadores, se mostraram capazes de gerar densidades de potência competitivas em relação aos valores encontrados na literatura. / This work describes the preparation and characterization of biocathodes for Ethanol and Methanol//O2 biofuel cell using the enzyme laccase (trametes versicolor) enzyme and mediated electron transfer (MET). Investigation of the enzymatic kinetics of the enzyme laccase in solution and immobilized onto carbon platforms showed that the analyzed experimental parameters (pH, temperature, and stability) must be considered for maximum activity to be achieved. The kinetic and stability tests revealed that PAMAM dendrimers constitute very good immobilization agent to prepare biocathodes for enzymatic biofuel cell. The second part of this work, dealt with Ethanol//O2half-cell using methylene green (MG) ormeldola blue (MB) as electrocatalyst. The power test evidenced that it is important to have ABTS as mediator and an electrocatalyst, to ensure that the device performs better. The third part of this work evaluated electrodes with distinct mediators (ABTS, iron porphyrin, ferrocene, osmium complex, and ruthenium complex) and containing electropolymerized polypyrrole on their surface in a Methanol//O2half-cell. Ethanol and Methanol//O2 half-cell tests with mediated electron transfer showed that the biocathodes prepared with PAMAM dendrimers, electrocatalyst, and distinct mediators generated competitive power densities as compared with literature data.

Biocélulas a combustível (BFCs) são definidas como dispositivos bioeletroquímicos que utilizam componentes biológicos, como enzimas ou microrganismos, para converter energia química em energia elétrica. Neste estudo, reporta-se o desenvolvimento de um bioeletrodo composto por fibras flexíveis de carbono (FFC) modificadas com a enzima álcool desidrogenase (ADH), o qual foi utilizado juntamente com a levedura Saccharomyces cerevisiae , sendo enzima e microrganismos usados como biocatalisadores cooperativos para bioprodução e oxidação de etanol. A glicose é oxidada pelas células de levedura sob condições anaeróbias, e o etanol formado pela fermentação alcóolica é, em seguida, oxidado a acetaldeído pela enzima ADH. A oxidação de etanol pela ADH resulta ainda, na redução da molécula de nicotinamida adenina dinucleotídeo, NAD+ a NADH. Posteriormente, o NADH formado nessa reação é eletroquimicamente oxidado a NAD+ na superfície do bioeletrodo de FFC baseado em ADH (FFC-ADH). Avaliou-se a influência da temperatura e do pH na bioeletrocatálise de etanol pela ADH e a melhor resposta obtida foi em 40 ºC e pH 8,5. Além disso, obteve-se uma excelente correlação linear entre os valores de concentração de etanol e densidade de corrente, indicando que a resposta bioeletrocatalítica da ADH é diretamente proporcional à concentração de etanol produzido a partir da fermentação. O conceito de que microrganismos e enzimas podem trabalhar cooperativamente para produzir uma nova classe de bioeletrodos, foi introduzido nesse trabalho. Por fim, demonstrou-se, que o bioeletrodo cooperativo pode ser aplicado com sucesso em uma BFC, utilizando o biocátodo de difusão de gás contendo a enzima bilirrubina oxidase (BOx) imobilizada em sua superfície. / Biofuel cells (BFCs) are defined as bioelectrochemical devices that use biological components, such as enzymes or microorganisms, to convert chemical energy into electric energy. In this study, we report the development of a bioelectrode composed of flexible carbon fibers (FCF) modified with the enzyme alcohol dehydrogenase (ADH) together with Saccharomyces cerevisiae yeast, being enzyme and microorganisms used as cooperative biocatalysts for bioproduction and oxidation of ethanol. Glucose is oxidized by the yeast cells in anaerobic conditions, and ethanol is produced through alcoholic fermentation and then it is oxidized to acetaldehyde by the ADH enzyme. The ethanol oxidation by ADH also results in the reduction of the nicotinamide adenine dinucleotide molecule, NAD+ to NADH. Subsequently, the NADH produced in this reaction is electrochemically oxidized to NAD+ on the surface of the FCF bioelectrode based on ADH (FCF-ADH). The influence of temperature and pH on the bioelectrocatalysis of ethanol was evaluated and the best performance was found at 40 ºC and pH 8.5. Additionally, the results demonstrated an excellent linear correlation between the ethanol concentration and the current generated, which indicates that the bioelectrocatalytic response of ADH is directly proportional to concentration of ethanol produced from the fermentation. The present study has introduced the concept that microorganisms and enzymes can work cooperatively to produce a new class of bioelectrodes. Finally, it has been demonstrated that the cooperative bioelectrode can be applied successfully to BFC using a gas-diffusion biocathode containing the bilirubin oxidase enzyme (BOx) immobilized on its surface.

Biocélulas a combustível (BFCs) são definidas como dispositivos bioeletroquímicos que utilizam componentes biológicos, como enzimas ou microrganismos, para converter energia química em energia elétrica. Neste estudo, reporta-se o desenvolvimento de um bioeletrodo composto por fibras flexíveis de carbono (FFC) modificadas com a enzima álcool desidrogenase (ADH), o qual foi utilizado juntamente com a levedura Saccharomyces cerevisiae , sendo enzima e microrganismos usados como biocatalisadores cooperativos para bioprodução e oxidação de etanol. A glicose é oxidada pelas células de levedura sob condições anaeróbias, e o etanol formado pela fermentação alcóolica é, em seguida, oxidado a acetaldeído pela enzima ADH. A oxidação de etanol pela ADH resulta ainda, na redução da molécula de nicotinamida adenina dinucleotídeo, NAD+ a NADH. Posteriormente, o NADH formado nessa reação é eletroquimicamente oxidado a NAD+ na superfície do bioeletrodo de FFC baseado em ADH (FFC-ADH). Avaliou-se a influência da temperatura e do pH na bioeletrocatálise de etanol pela ADH e a melhor resposta obtida foi em 40 ºC e pH 8,5. Além disso, obteve-se uma excelente correlação linear entre os valores de concentração de etanol e densidade de corrente, indicando que a resposta bioeletrocatalítica da ADH é diretamente proporcional à concentração de etanol produzido a partir da fermentação. O conceito de que microrganismos e enzimas podem trabalhar cooperativamente para produzir uma nova classe de bioeletrodos, foi introduzido nesse trabalho. Por fim, demonstrou-se, que o bioeletrodo cooperativo pode ser aplicado com sucesso em uma BFC, utilizando o biocátodo de difusão de gás contendo a enzima bilirrubina oxidase (BOx) imobilizada em sua superfície. / Biofuel cells (BFCs) are defined as bioelectrochemical devices that use biological components, such as enzymes or microorganisms, to convert chemical energy into electric energy. In this study, we report the development of a bioelectrode composed of flexible carbon fibers (FCF) modified with the enzyme alcohol dehydrogenase (ADH) together with Saccharomyces cerevisiae yeast, being enzyme and microorganisms used as cooperative biocatalysts for bioproduction and oxidation of ethanol. Glucose is oxidized by the yeast cells in anaerobic conditions, and ethanol is produced through alcoholic fermentation and then it is oxidized to acetaldehyde by the ADH enzyme. The ethanol oxidation by ADH also results in the reduction of the nicotinamide adenine dinucleotide molecule, NAD+ to NADH. Subsequently, the NADH produced in this reaction is electrochemically oxidized to NAD+ on the surface of the FCF bioelectrode based on ADH (FCF-ADH). The influence of temperature and pH on the bioelectrocatalysis of ethanol was evaluated and the best performance was found at 40 ºC and pH 8.5. Additionally, the results demonstrated an excellent linear correlation between the ethanol concentration and the current generated, which indicates that the bioelectrocatalytic response of ADH is directly proportional to concentration of ethanol produced from the fermentation. The present study has introduced the concept that microorganisms and enzymes can work cooperatively to produce a new class of bioelectrodes. Finally, it has been demonstrated that the cooperative bioelectrode can be applied successfully to BFC using a gas-diffusion biocathode containing the bilirubin oxidase enzyme (BOx) immobilized on its surface.