Biopolttokenno on laite, joka käyttää biologisia materiaaleja sähkön tuottamiseen suoraan redoksireaktioiden kautta. Tämä on ristiriidassa tavanomaisen biopolttoaineiden käytön kanssa sähkön tuottamiseksi materiaalin palamisen tuottamasta lämmöstä. Biopolttokennotekniikan periaate on jäljitellä erilaisia luonnollisia prosesseja, joita käytetään energian tuottamiseen elävissä organismeissa. Joissakin tapauksissa bakteereilla voi olla rooli näissä polttokennoissa. Vuodesta 2011 lähtien biopolttokennot osoittavat mahdollisuuksia vaihtoehtoisena energialähteenä sekä erilaisissa lääketieteellisissä ja biotekniikan sovelluksissa.
Elävät organismit saavat energiaa hiilihydraattien hapettumisesta, joka syntyy kasvien fotosynteesissä ja nautitaan eläinten ruokana. Entsyymit helpottavat reaktioita, joissa hiilihydraatit muutetaan hiilidioksidiksi ja veteen poistamalla elektronit, jotka sitten varastoidaan adenosiinitrifosfaattimolekyyleihin (ATP). Biopolttoainekennossa käytetään orgaanisen molekyylin – yleensä hiilihydraattien, kuten elävien organismien – hapettumisella tuotettuja elektroneja sähkövirran tuottamiseen. Ajatus näiden biologisten prosessien käyttämisestä sähkön tuottamiseen on ollut olemassa jo 1960 -luvulta lähtien, mutta varhaiset yritykset rakentaa käytännöllinen, toimiva biopolttokenno kohtasivat vaikeuksia.
Biopolttokenno koostuu tyypillisesti säiliöstä, joka on jaettu kahteen osaan läpäisevän esteen avulla. Yhdessä osassa hiilihydraatin – esimerkiksi glukoosin – hapetus tuottaa elektroneja. Toisessa osassa tapahtuu pelkistysreaktio, joka käyttää näitä elektroneja. Yhdistämällä kaksi elektrodia voidaan saada virta hapetusosan elektrodista – anodista – pelkistysosan elektrodiin – katodiin.
Yksi suurimmista käytännön ongelmista, jotka haittaavat biopolttokennojen kehitystä, on ollut löytää tehokas tapa saada hiilihydraatista vapautuneet elektronit anodiin. Elektronit varastoidaan aluksi hapettavaan entsyymiin ja ne siirretään luonnollisessa prosessissa kemiallisesti ATP -molekyyleiksi. On olemassa kaksi mahdollista menetelmää elektronien erottamiseksi entsyymistä biopolttokennon anodiin.
DET (Direct Electron Transfer) -menetelmässä entsyymi on liitettävä anodiin. Tämä voidaan tehdä kemiallisesti tai muilla menetelmillä, kuten rakentamalla anodi hiilinanoputkien verkosta, johon entsyymi on adsorboitunut. Nämä menetelmät johtavat entsyymin aktiivisuuden heikkenemiseen ja siitä johtuvaan tehokkuuden heikkenemiseen, mutta tätä kirjoitettaessa voidaan kehittää jatkuvaa tutkimusta ja parantaa tekniikoita.
Toinen elektroninsiirtomenetelmä tunnetaan nimellä Mediated Electron Transfer (MET). Tämä ei edellytä entsyymin olevan kosketuksessa anodin kanssa; sen sijaan elektronit johdetaan toiseen molekyyliin, jolla on pienempi redoksipotentiaali, joka sitten luovuttaa elektronit anodille. Tällä välittäjänä tunnetulla yhdisteellä on myös oltava suurempi redoksipotentiaali kuin anodilla. Tähän lisävaiheeseen liittyy energian menetys, joten polttokenno on käytännössä vähemmän tehokas kuin teoriassa voisi olla.
Biopolttokennot ovat aktiivisen tutkimuksen ala, ja näihin ongelmiin tutkitaan erilaisia mahdollisia ratkaisuja. Mahdollisuuksiin kuuluu bakteerien käyttö mikrobipolttokennoissa. Rautaa vähentävät bakteerit, jotka elävät anaerobisissa olosuhteissa, osoittavat erityistä lupausta, koska ne luonnollisesti vähentävät raudan +3 -hapetustilassa +2 -hapetustilaan. Rauta voi sitten luopua elektronista anodissa, palata +3 -tilaansa ja toimia luonnollisena välittäjämolekyylinä siirtämällä elektroneja bakteereista anodille.
Biopolttokennojen tärkeimmät edut ovat saastuttamattomat, eivät vaadi kalliita katalyyttejä ja käyttävät tavallisia, edullisia ja helposti uusiutuvia raaka-aineita. Biopolttokennojen suurimmat haitat ovat niiden tehottomuus ja alhainen teho. Vuodesta 2011 lähtien on kuitenkin toivoa, että nämä ongelmat voitaisiin ratkaista, mikä avaa uusia mahdollisuuksia. Näitä ovat halvan, puhtaan ja uusiutuvan energian lisäksi myös mahdollisuus, että kehon tuottamia aineita käyttävät istutetut biopolttokennot käytetään lääkinnällisten laitteiden, kuten sydämentahdistimien, käyttämiseen.