Enzimatik biyoyakıt hücresi biyosensörlere enerji veriyor

Sürdürülebilir enerji hiç kuşkusuz geleceğin en önemli konularından birisidir. İlerleyen yıllarla birlikte güç kaynakları tükenmekte ve kullanılan fosil yakıt gibi kaynaklar doğaya zarar vermektedir. Bu kapsamda harcanan enerjiyi geri dönüşümlü olarak, çevreye zarar vermeden kullanmak için birçok çalışma yürütülmektedir. Bu çalışmalardan birisi de entegre edilebilir enzimatik biyoyakıt hücreleridir (EBFC). Kendi kendine güç sağlayan sensör teknolojisinin gelişmesiyle birlikte EBFC’ler de adını duyurmaya başlamıştır. Çalışma mekanizması, yakıttaki kimyasal veya biyokimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilecek şekilde geliştirilen bu cihazlar, harici bir güç kaynağına ihtiyaç duymayan yenilikçi cihazlardır.

Biyosensörler; vücut ısısı, hareket veya güneş gibi çevresel enerji kaynaklarını sensör işlevleri için kullanılabilir güce dönüştürmek amacıyla enerji toplama tekniklerini kullanır. Topladıkları enerji bakımından beş grupta sınıflandırılır; mekanik stresten veya titreşimlerden elektrik üreten piezoelektrik enerjiyi, sıcaklık farkına dayalı elektrik üreten termoelektrik enerjiyi, sürtünme ile elektrik üreten triboelektrik enerjiyi, ışık enerjisini elektriğe dönüştüren fotovoltaik hücreleri ve numunedeki organik bileşiklerin oksidasyonunu katalize ederek elektrik üreten biyoyakıt hücrelerini (BFC’ler) içerir.¹

Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi herhangi bir aracı olmadan elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Biyoyakıt hücreleri ise bu sistemin özel bir türü olup, işlevlerini yerine getirmek için biyolojik katalizörlerden faydalanır. Yani bir EBFC, bu biyosensörlerde enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Geleneksel bir yakıt hücresinde anotta bir oksidasyon tepkimesi gerçekleşir; bu tepkime sonucu H⁺ iyonları (protonlar) ve elektronlar açığa çıkar. Açığa çıkan elektronlar başka bir devreden geçerek elektrik enerjisi üretirken, H⁺ iyonları yarı geçirgen bir zardan geçerek katoda ulaşır. Katotta H⁺ iyonları, havadan gelen oksijeni kullanarak suyu oluşturur ve bu şekilde sistem tamamlanmış olur.

Biyoyakıt hücreleri, iki elektrotlu (anot ve katot) yapısıyla geleneksel yakıt hücrelerine benzer bir şekilde çalışır (Şekil 1). Ancak, bu hücrelerin ayrışan yönü, en az bir elektrodun yakıt olarak yaygın organik bileşikleri kullanan enzimler veya mikroorganizmalar içeren bir biyokatalizöre sahip olmasıdır. Biyokatalizörler, pahalı metal katalizörlerin yerine geçer ve anotta oksidasyon reaksiyonlarını gerçekleştirerek elektronları serbest bırakmak için organik bileşikleri yakıt olarak kullanır.

Kendi kendine çalışan sistemler için enerji kullanımı, biyoyakıt hücrelerinin geliştirilmesiyle güncel bir araştırma alanı haline gelmiştir. Biyoyakıt hücreleri, biyolojik tepkimeler sonucunda açığa çıkan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve bakteri gibi canlı organizmalarda bulunan, enerjiyi dönüştürme sistemlerini taklit eder. Bu hücreler, mikrobiyal ve enzimatik olmak üzere iki ana grup altında incelenir. Her iki türde de temel prensip, elektron transferini kolaylaştırmak için biyokatalizörleri (izole edilmiş veya bakteri hücreleri içinde) elektrotlarla bütünleştirmektir.

Enzim bazlı biyoyakıt hücreleri (EFC’ler) 1960’ların başından beri bilinmesine rağmen, son yıllara kadar çok fazla gündeme gelmemiştir. İlerleyen süreçte yapılan çalışmalarla birlikte önemli gelişmelere adım atılmıştır (Şekil 2). Günümüzde yapılan araştırmalar, enzimlerin katalitik reaksiyon sistemlerini belirlemek, yeni nesil biyomalzemeler geliştirmek, enzimler üzerinde yapılan değişimler ve hareketini kısıtlama işlemlerini araştırmaya ve enzim-elektrot yapılarını iyileştirmeye odaklanmaktadır. Bu çalışmalar, üzerinde değişiklik yapılmış enzimlerin elektrot performansını artırmayı amaçlamaktadır.

Enzimatik yakıt hücrelerinde farklı enzimler kullanılabilir; bunun en önemli örneği glikoz biyosensörlerinin geliştirilmesidir.

Biyoyakıt hücrelerindeki düzenleme ve geliştirilmelere rağmen, ticari anlamda hala aktif olamamasının altında birçok sorun bulunmaktadır. Bunların başlıca sebepleri arasında, güç çıkışının sınırlı olması, verimin düşük olması, belirli bir istikrarın olmaması ve enzimlerin çevresel etkilere karşı fazla dayanıklı olmaması gibi sebepler yer alıyor. Bu sorunları aşmak adına yapay zeka, biyoteknoloji, malzeme mühendisliği gibi alanlarda yürütülen çalışmalara devam edilmektedir. Belirlenen hedef ise, bu hücreleri tıbbi uygulamalar için güvenli, ekonomik olarak uygun ve ölçeklenebilir hale getirerek yaygınlaşmasını sağlamaktır.³

Biyosistemlerin kullanılmaya başlanmasıyla, daha önce pratik hayatta kullanılmayan biyoyakıt üretimi kullanılmaya başlandı. Psödo (yalancı), çift katmanlı ve hibrit biyocihazlar gibi yeni aygıtlar, düşük enerji seviyelerinde çalışsa da, biyolojik elektron transfer sistemlerini incelemek için oldukça önemlidir. İletken nanomateryallerin gelişimiyle belirginleşen bu temel anlayış, hiç şüphesiz bu alanda yapılan çalışmaları ve akabindeki gelişmeleri hızlandıracaktır, ancak teknolojinin tam potansiyeline ulaşması için hala üzerinde durulması gereken önemli hususlar yer almaktadır.⁴

Kaynaklar

1. Taha, N. A. H. O., Sindi, H. E. A., & Bakhsh, F. S. (2024). Fueling the Future: The Emergence of Self-Powered Enzymatic Biofuel Cell Biosensors. Biosensors, 14(4), 1–13. 
2. Feng, S., Li, Y., & Wei, W. (2024). Recent Advances in Metal-Organic Framework-Based Nanozymes for Electrochemical Biosensing. Molecules, 29(1), 257.
3. Zuo, X., Wang, Y., Zhang, S., & Li, W. (2024). Nanomaterial-Based Electrochemical Biosensors for Glucose Detection in Medical Diagnostics. Sensors, 15(4), 218.
4. Fatih Sen, F. F., Hussein K. E., R. M., & Ebru H. (2025). Recent advances in enzymatic fuel cells, biocatalytic fuel cells, biofuel cells for clean and efficient energy harvesting. International Journal of Boron Science and Nanotechnology.