ENZYMATIC MICROFLUIDIC FUEL CELLS: FROM ACTIVE TO PASSIVE POWER SOURCES

Resumen

Esta tesis presenta el desarrollo y la fabricación de pilas de combustibles microfluídicas para aplicaciones portátiles de baja potencia. En concreto, pilas biológicas que utilizan las enzimas en la degradación de la glucosa. El trabajo está dividido en dos secciones dependiendo de si los dispositivos fabricados son activos, es decir, los reactivos son suministrados a la micropila por bombeo (Capítulo 2 y 3). O si por el contrario los reactivos fluyen sin necesidad de mecanismos externos los dispositivos serán pasivos (Capítulo 4 y 5). _x000D_ En el primer capítulo de la tesis se ha llevado a cabo la primera aproximación en el desarrollo de micro pilas de combustible glucosa/O2 con el objetivo de hacer posible las primeras medidas electroquímicas con enzimas. La pila microfluídica fue construida sobre un sustrato de vidrio en el cual se grabaron electrodos de oro mediante técnicas de microfabricación. Por otro lado, se utilizó fotolitografía suave para la fabricación de los canales (con forma de Y) en PDMS. Esta forma de canal permitió fluir dos soluciones en paralelo usando una bomba de jeringa. Como primera aproximación, las enzimas se encontraban fluyendo de manera continua a través del canal. Eso provocaba experimentos caros y dificultaba su posible aplicación portátil. De este modo, el siguiente aspecto en abordarse fue la inmovilización de los biocatalizadores sobre los electrodos de la micro pila._x000D_ El Capítulo 2 presenta la fabricación de una pila de combustible que posee los biocatalizadores inmovilizados en la superficie de los electrodos lo cual hace que los biocatalizores sean aprovechados más eficientemente que en la anterior pila. Los electrodos se han fabricado utilizando resina pirolizada y se han usado por primera vez con éxito en pilas microfluídicas enzimáticas de este tipo. La pila está compuesta por diferentes capas de material plástico laminado que han sido cortadas usando un plotter de corte. Esto hace que la fabricación del dispositivo sea rápida, barata y compatible con la manufacturación a gran escala. El canal microfluídico se ha definido también sobre este tipo de material plástico, evitando el largo proceso litográfico relacionado con el PDMS. Por otro lado, el canal (en forma de Y) permite optimizar la potencia que obtenemos de la pila cuando bombeamos dos soluciones diferentes. Por otro lado, el dispositivo necesita ser simplificado para finalmente obtener una fuente de energía portátil. Con este objetivo se abordó la siguiente fase de la tesis. _x000D_ El Capítulo 4 describe la fabricación de una pila microfluídica implementada utilizando sustratos de papel a través de los cuales fluyen los reactivos (de manera pasiva) por efecto capilar. Los componentes de la pila se cortaron utilizando un plotter de corte, lo que permitía fabricar dispositivos con mucha rapidez. Se probó el buen funcionamiento de una pila de combustible de papel y enzimática obteniendo valores de potencia similares a los presentados en el Capítulo 3 (donde las soluciones eran bombeadas). A partir de aquí el trabajo se centró en aproximar la pila de papel a la simplicidad de los test de flujo lateral. Así que la micro pila fue adaptada y operada con éxito usando una única solución, generando energía de una bebida comercial. _x000D_ El Capítulo 5 presenta una micropila de combustible fabricada en papel mucho más sofisticada y pequeña que la del capítulo anterior. Se probó satisfactoriamente una nueva combinación de biocatalizadores que permitió trabajar utilizando muestras a pH neutro. Además, el tamaño compacto del sistema abrió la posibilidad de operar la pila de combustible con fluidos fisiológicos como por ejemplo la sangre. Finalmente, se ha demostrado que es posible tener una pila preparada para alimentar dispositivos que requieran poca demanda de energía. Sin embargo, todavía se deben hacer esfuerzos para acercar esta pila a un mundo real, debido principalmente a que el tiempo de vida de las enzimas es todavía limitado.

Fecha de lectura	20 oct 2015
Idioma original	Inglés
Supervisor	Francisco Javier del Campo Garcia (Director/a) & Maria Neus Sabaté Vizcarra (Director/a)