As células diretas de etanol (DAFC do inglês Direct Alcohol Fuel Cell) são uma
alternativa bastante promissora na aplicação de energias renováveis, graças à longa
expertise em toda a cadeia produtiva e de distribuição do etanol no Brasil. Mas apesar
desta grande vantagem, seu uso ainda se encontra fortemente comprometido devido a
reações paralelas indesejáveis que podem levar à inativação total do catalisador de platina.
Assim, o objetivo deste trabalho, como contraproposta a esta problemática, foi
desenvolver bioânodos baseados na enzima catalase, com potencial para serem aplicados
em biocélulas a combustível. A capacidade de transferência eletrônica direta destes
bioânodos foi avaliada a partir da adição de substâncias condutoras como líquidos iônicos
próticos (LIPs) e grafite; além de serem testadas duas metodologias de imobilização; layer
by layer combinada com deposição eletroquímica e entrecruzamento da enzima sem
suporte do tipo CLEA (do inglês, cross-linked enzyme agregates). Todos os LIPs
utilizados (série do [m-2HEA+] e o [PEHA][Ac]) foram caracterizados físicoquimicamente
e seu efeito na atividade e solubilidade da catalase foi avaliado. A partir
destes resultados uma série de Hofmeister foi construída encontrando que o LIP com
ânion acetato é o mais adequado para manter e até melhorar a estabilidade e atividade da
enzima. Como resultado do uso das técnicas combinadas de imobilização, foi obtido o
bioeletrodo CV/([PEHA][Ac]/CAT)5 e avaliado eletroquimicamente. A partir do método
CLEA, foram construídos quatro bioeletrodos com catalase (CAT-I, CAT-G, CAT-
[PEHA][Ac] e CAT-mA). Nestes, avaliou-se a adição de dois LIPs ([m-2HEA][Ac] e
[PEHA][Ac]) ancorados ao sistema imobilizado. Igualmente, o efeito do grafite foi
avaliado sendo o mesmo ancorado em outro bioeletrodo com catalase. Estes bioeletrodos
foram caracterizados física e físico-quimicamente e sua resposta eletroquímica foi
avaliada frente ao substrato H2O2. Com estes bioeletrodos, parâmetros cinéticos foram
obtidos e os mesmos comparados com resultados encontrados na literatura para outros
bioeletrodos. Encontrou-se que os LIPs favorecem o processo de transferência eletrônica
e o microambiente da enzima. Em geral, apresentaram parâmetros cinéticos melhores
quando comparados com líquidos iônicos apróticos e até competitivos com bioeletrodos
a base de materiais nanocarbonáceos. Consequentemente, os bioeletrodos a base de
catalase e construídos pelas metodologias de imobilização desenvolvidas neste trabalho,
se encontraram promissores para aplicação na construção de biocélulas a combustível.
Direct Alcohol Fuel Cells (DAFC) are a very promising alternative in the application of
renewable energies, with great expertise in the entire ethanol production and distribution
chain in Brazil. But despite this great advantage, the use of this technology is still strongly
compromised due to undesirable parallel reactions that may lead to the total inactivation
of the platinum catalyst. Thus, the objective of this work, as a counterproposal to this
problem, was to develop bioanodes based on the catalase enzyme, with potential to be
applied in biofuel cells. The direct electron transfer capability of these bioanodes was
evaluated by the addition of conductive substances such as protic ionic liquids (PILs) and
graphite; besides being tested two methodologies of immobilization; layer by layer
combined with electrochemical deposition and cross-linking of the non-supported
enzyme called CLEA (cross-linked enzyme aggregates). All the PILs used (series of [m-
2HEA +] and [PEHA] [Ac]) were physicochemically characterized and their effect on
catalase activity and solubility was evaluated. From these results a series of Hofmeister
was constructed finding that the PIL with anion acetate is the most suitable to maintain
and even improve the stability and activity of the enzyme. As a result of the use of the
combined immobilization techniques, the bioelectrode CV/([PEHA][Ac]/CAT)5 was
obtained and electrochemically evaluated. From the CLEA method, four catalysts were
constructed with catalase (CAT-I, CAT-G, CAT-[PEHA][Ac] and CAT-mA). In these,
an addition of two PILs ([m-2HEA] [Ac] and [PEHA] [Ac]) anchored to the immobilized
system was evaluated. Likewise, the effect of the graphite was evaluated, being the same
anchored in another bioelectrode with catalase. These bioelectrodes were characterized
physically and physico-chemically and their electrochemical response was evaluated
against the H2O2 substrate. With these bioelectrodes, kinetic parameters were obtained
and compared with results in the literature for other bioelectrodes. It has been found that
PILs favor the electronic transfer process and the microenvironment of the enzyme. In
general, they presented better kinetic parameters when compared with aprotic ionic
liquids and competitive results with bioelectrodes based on nanocarbonaceous materials.
Consequently, the bioelectrodes based on catalase and constructed by the immobilization
methodologies developed in this work, have found promising for application in the
construction of biofuel cells.
