BR112015022266B1

BR112015022266B1 - Processo e sistema eletroquímicos para a produção de glicose

Info

Publication number: BR112015022266B1
Application number: BR112015022266-8A
Authority: BR
Inventors: Arturo Solis Herrera
Original assignee: Arturo Solis Herrera
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2022-01-18
Also published as: EP2973820A4; US20190382907A1; MX2015012746A; EP2973820A2; HK1219119A1; AU2014229683A1; WO2014140740A2; AU2014229683B2; WO2014140740A3; JP6142010B2; CA2907015A1; EP2973820B1; CA2907015C; BR112015022266A2; CN105431573B; RU2641646C2; DK2973820T3; RU2015143667A; CN105431573A; JP2016519648A

Abstract

processo e sistema eletroquímicos para a produção de glicose. um processo eletroquímico e um sistema para a produção de glicose e precursores da glicose são descritos. o processo e o sistema permitem a produção de glicose a partir de dióxido de carbono e água, necessitando apenas da melanina, ou um precursor, um derivado, um análogo, ou uma variante da melanina, e energia eletromagnética, tal como a energia luminosa visível ou invisível.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a processos e sistemas paraa produção de glicose. Particularmente, a invenção se refere à produção de glicose a partir de água, dióxido de carbono, energia eletromagnética e melanina, precursores da melanina, derivados da melani- na, análogos da melanina ou variantes da melanina.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A glicose é um açúcar simples, que tem a fórmula químicageral C6H12O6. A glicose é uma molécula básica da cadeia alimentar e é consumida por muitos organismos como fonte primária de energia. Um processo bem estudado que resulta na produção de glicose é a fotossíntese dos vegetais.

[003] De um modo geral, a fotossíntese é o processo de converter a energia luminosa em energia química. Mais especificamente, através do processo da fotossíntese, as plantas usam a energia luminosa para converter dióxido de carbono (CO2) e água (H2O) em oxigênio (O2) e glicose. Um outro componente essencial para este processo é o pigmento conhecido como clorofila. A clorofila inicia a fotossíntese, absorvendo a energia luminosa ou fótons. Para cada fóton absorvido, a clorofila perde um elétron, criando de um fluxo de elétrons que posteriormente gera a energia necessária para catalisar a dissociação da água em íons hidrogênio ou prótons (H+) e O2. O gradiente de prótons resultante é utilizado para gerar a energia química na forma de trifosfa- to de adenosina (ATP). Esta energia química é então usada para con-verter dióxido de carbono e água em glicose.

[004] Semelhante à clorofila, a melanina também é classificadacomo um pigmento. A melanina é constituída por nitrogênio, oxigênio, hidrogênio e carbono, embora a estrutura exata não tenha sido totalmente elucidada. A melanina é ubíqua na natureza e também são conhecidos métodos na literatura para a síntese da melanina. Durante muitos anos, a melanina não teve nenhuma função biológica ou fisiológica atribuída, exceto a de ser considerada como um simples filtro solar com um baixo fator de proteção equivalente à de uma solução de sulfato de cobre a 2%. A melanina também tem sido considerada a molécula mais escura porque é capaz de absorver a energia de quase qualquer comprimento de onda, no entanto, não parece ter nenhuma emissão de energia. Isso é único para a melanina e contrariada as leis da termodinâmica porque outros compostos capazes de absorver energia, particularmente pigmentos, liberam uma parte da energia ab-sorvida. As propriedades eletrônicas da melanina, desse modo têm sido foco de atenção por algum tempo. No entanto, a melanina é um dos compostos mais estáveis conhecidas pelo homem e, por um longo período de tempo, parecia que a melanina não seria capaz de catalisar uma reação química.

[005] Recentemente, foi verificada a propriedade intrínseca damelanina de absorver a energia e utilizar a energia absorvida para se dividir e, posteriormente, reformar a molécula da água. Assim, a mela- nina absorve todos os comprimentos de onda de energia eletromagnética, incluindo a energia luminosa visível e invisível e dissipa essa energia absorvida por meio de dissociação da água e sua consequente reforma. Um processo para a separação fotoeletroquímica da água em hidrogênio e oxigênio, utilizando a melanina e análogos, derivados, precursores ou variantes da melanina é descrito na Publicação do Pedido de Patente US No. US 2011/0244345.

[006] Sem se pretender ficar limitado por nenhuma teoria, acredita-se que a reação ocorre dentro da melanina de acordo com o seguinte Esquema I: 2H2O θ 2H2 + O2 + 4e- (I)

[007] Após a absorção de energia eletromagnética, como a energia luminosa (visível ou invisível), a melanina catalisa a dissociação da água em hidrogênio diatômico (H2), oxigênio diatômico (O2) e elétrons (e-). Embora a divisão da água em hidrogênio e oxigênio consuma energia, a reação é reversível e no processo inverso a redução de átomos de oxigênio diatômico com hidrogênio para reformar as moléculas de água libera energia.

[008] Assim, a melanina é capaz de transformar a energia luminosa em energia química, analogamente ao processo pelo qual as plantas usam a clorofila para transformar a energia luminosa em energia química durante a fotossíntese. Portanto, por analogia, designamos este processo como "fotossíntese humana". No entanto, existem, pelo menos, duas diferenças importantes entre as reações de separação da água realizada pela melanina e a realizada pela clorofila. A primeira é que a clorofila não pode catalisar o processo inverso de reforma da molécula de água. A segunda é que a reação de decomposição da água pela clorofila só pode ocorrer em uma célula viva e com a luz visível de comprimento de onda tendo uma faixa de variação de 400 nm a 700 nm. Assim, a produção posterior de glicose também pode ocorrer apenas no interior da célula viva. Em contraste, a melanina pode dividir e reformar a molécula de água no exterior de uma célula viva usando qualquer forma de energia eletromagnética, particularmente com a energia luminosa (visível ou invisível) tendo um comprimento de onda na faixa de 200 nm a 900 nm.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Verificou-se que que mediante a absorção de energia eletromagnética, tal como a energia luminosa visível ou invisível, a mela- nina pode dividir e reformar a molécula de água e, posteriormente, catalisar uma reação, que transforma o dióxido de carbono (CO2) e a água em glicose.

[0010] A presente invenção se refere a processos e sistemas ele-troquímicos para a utilização da melanina, precursores da melanina, derivados da melanina, análogos da melanina e variantes da melanina para produzir glicose a partir de dióxido de carbono e água. De acordo com modalidades da invenção, a melanina pode ser usada para produzir glicose a partir de dióxido de carbono e água, adicionalmente, necessitando apenas de uma fonte de energia eletromagnética, tal como a energia invisível ou luz visível, raios gama, raios-X, radiação ultravioleta, radiação infravermelha, micro-ondas e ondas de rádio. Ao contrário da capacidade da clorofila em converter a energia luminosa em energia química, que é posteriormente utilizada para a produção de glicose nas células vivas pelo processo da fotossíntese, a melanina pode ser usada para produzir glicose através do processo eletroquími- co que pode ser realizado fora de uma célula viva. Assim, até agora, tal processo para a produção de glicose não tem sido replicado em laboratório.

[0011] Em um aspeto geral, a invenção se refere a um processoeletroquímico para a produção de glicose (C6H12O6). De acordo com modalidades da invenção, o processo compreende a reação eletro- química de água e gás dióxido de carbono dissolvido na mesma, na presença de pelo menos um material à base de melanina e uma fonte de energia eletromagnética. O pelo menos um material à base de me- lanina é selecionado da melanina, dos precursores da melanina, dos derivados da melanina, dos análogos da melanina e de variantes da melanina. Como a melanina é capaz de absorver a energia eletromagnética e transformar esta energia eletromagnética em energia química utilizável, uma corrente elétrica externa não é necessária para a produção de glicose de acordo com um processo eletroquímico da presente invenção. De acordo com uma modalidade preferida, um pro- cesso eletroquímico da presente invenção é um processo fotoeletro- químico e a fonte de energia eletromagnética é selecionada a partir de energia fotoelétrica da luz visível e invisível tendo um comprimento de onda na faixa de 200 nm a 900 nm.

[0012] Em um outro aspeto geral, a invenção se refere a um processo eletroquímico para a produção de espécies CnH2nOn, em que n representa um número inteiro. Em uma modalidade preferida, o símbolo n representa 1, 2, 3, 4, 5, ou 6, de tal modo que uma espécie CnH2nOn produzida por um processo de acordo com a presente invenção é um precursor da glicose ou a própria glicose. De acordo com modalidades da invenção, o processo eletroquímico compreende a reação da água com o gás dióxido de carbono dissolvido na mesma, na presença de pelo menos um material à base de melanina e uma fonte de energia eletromagnética, preferivelmente a energia fotoelétri- ca é selecionada a partir da energia luminosa visível e invisível tendo um comprimento de onda em na faixa de 200 nm a 900 nm.

[0013] Ainda em outro aspeto geral, a invenção se refere a sistemas para a produção de glicose e de espécies CnH2nOn a partir de água, dióxido de carbono, a melanina e uma fonte de energia eletromagnética. De acordo com modalidades da invenção, um sistema para a produção de glicose por meio de um processo eletroquímico compreende:(i) uma célula reacional para a recepção de água e de gás CO2 dissolvido na mesma e pelo menos um material à base de melanina, em que o pelo menos um material à base de melanina é selecionado a partir da melanina, precursores da melanina, derivados da melanina, análogos da melanina e variantes da melanina; e(ii) uma fonte de energia eletromagnética, de tal modo que a energia eletromagnética é transmitida para dentro da célula reacional e é absorvida pelo material à base de melanina.

[0014] O sistema para a produção de glicose de acordo com asmodalidades da invenção não requer nenhuma operação complicada ou ajuste e, assim, requer apenas um recipiente para receber a água e o gás CO2 nela dissolvido e pelo menos um material à base de mela- nina, bem como uma fonte de energia eletromagnética para fornecer pelo menos um material à base de melanina com uma quantidade suficiente de energia para catalisar o fracionamento e reforma da molécula de água e a posterior formação de glicose. De acordo com uma modalidade preferida, a fonte de energia eletromagnética transmite a energia luminosa visível ou invisível tendo um comprimento de onda entre 200 nm e 900 nm para a célula reacional.

[0015] Os detalhes de uma ou mais modalidades da invenção sãoapresentados na descrição que se segue. Outras caraterísticas e vantagens serão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada e das reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0016] Todas as patentes e publicações aqui referidas são incorporadas por referência. A menos que de outro modo definido, todos os termos técnicos e científicos aqui utilizados têm o mesmo significado que o normalmente entendido por alguém com conhecimento básico na técnica à qual este invento pertence. Caso contrário, certos termos aqui utilizados têm os significados tal como definidos no relatório descritivo.

[0017] Deve-se notar que, tal como utilizado aqui e nas reivindicações anexas, as formas singulares "um", "uma" e "o" incluem os referidos plurais a menos que o contexto dite claramente o contrário.

[0018] Tal como aqui utilizado, o termo "eletrólise da água" se refere ao processo de dividir moléculas de água em oxigênio e hidrogênio. Tal como aqui utilizado, "material de eletrólise da água" se refere a uma substância que é capaz de dividir a molécula de água em oxigê- nio e hidrogênio. De acordo com modalidades da invenção, os materiais à base de melanina incluem a melanina (natural e sintética), precursores da melanina, derivados da melanina, análogos da melanina e variantes da melanina são materiais para eletrólise de água.

[0019] Tal como aqui utilizado, o termo "material à base de mela-nina" se refere a melanina, os precursores da melanina, derivados da melanina, a melanina análogos e melanina variantes incluindo melani- na natural e sintética, eumelanina, feomelanina, neuromelanina, polii- droxiindol, eumelanina, alomelanina, ácido húmico, fulerenos, grafite, poliindolquinonas, negro de acetileno, negro de pirrol, negro de indol, negro de benzence, negro de tiofeno, megro de anilina, poliquinonas em forma hidratada, sepiomelaninas, negro de dopa, negro de dopa- mina, negro de adrenalina, negro de catecol, negro de 4-amina cate- col, em cadeias lineares simples alifáticas ou aromáticos; ou seus precursores como fenóis, aminofenóis, ou difenóis, polifenóis, indol quino- nas, semiquinonas ou hidroquinonas, L-tirosina, L-dopamina, morfoli- na, orto-benzoquinona, dimorfolina, negro de porfirina, negro de pteri- na e negro de omocromo.

[0020] De acordo com modalidades da invenção, um processo ele-troquímico para a produção de glicose compreende a reação de água e do gás CO2 dissolvido na mesma, na presença de pelo menos um material à base de melanina e uma fonte de energia eletromagnética. Formas de energia eletromagnética apropriadas para utilização em um processo eletroquímico da presente invenção incluem a luz visível e invisível, raios gama, raios-X, radiação ultravioleta, radiação infravermelha, micro-ondas, e ondas de rádio. De acordo com uma modalidade preferida, um processo eletroquímico de acordo com a presente invenção é um processo fotoeletroquímico, em que a fonte de energia eletromagnética é selecionada a partir de energia fotoelétrica da luz visível e invisível (radiação ultravioleta e infravermelha) da luz.

[0021] De acordo com modalidades da invenção, o pelo menos ummaterial à base de melanina é selecionado a partir da melanina, precursores da melanina, derivados da melanina, análogos da melanina e variantes da melanina. Em uma modalidade preferida, o pelo menos um material à base de melanina é selecionado a partir da melanina natural e melanina sintética.

[0022] De acordo com modalidades da invenção, a melanina podeser sintetizado a partir de precursores de aminoácidos da melanina, tal como a L-tirosina. No entanto, os materiais à base de melanina podem ser obtidos por nenhum método conhecido pela técnica, em vista da presente invenção, incluindo a síntese química de materiais à base de melanina e isolar materiais à base de melanina a partir de fontes naturais, tais como plantas e animais.

[0023] De acordo com outra modalidade da invenção, um processo eletroquímico pode ser realizado na presença de pelo menos um dispositivo de melanina. O dispositivo de melanina é constituído por um substrato e pelo menos um material à base de melanina, de tal modo que o material à base de melanina é mantido sobre ou dentro do substrato. O material à base de melanina pode ser disperso por todo o substrato ou adsorvido sobre o substrato. Preferivelmente, o substrato é transparente para permitir um aumento da transmissão da energia eletromagnética, sob a forma de energia luminosa, e, portanto, o aumento da produção de glicose. Um dispositivo de melanina pode compreender um tipo de material à base de melanina, ou mais do que um tipo de material à base de melanina. Por exemplo, um dispositivo de melanina para utilização na presente invenção pode compreender me- lanina e eumelanina. De acordo com uma outra modalidade da invenção, mais do que um dispositivo de melanina, com cada dispositivo compreendendo um tipo diferente de material à base de melanina, pode ser usado. Por exemplo, um primeiro dispositivo compreendendo a melanina e um segundo dispositivo compreendendo a eumelanina podem ambos serem utilizados em um processo de produção de glicose de acordo com a invenção.

[0024] A finalidade da utilização de um dispositivo de melanina emum processo eletroquímico da presente invenção é o de evitar que o material à base de melanina se dissolva na água, difunda através da água, ou flutue livremente pela água. O dispositivo de melanina garante que a água mantém a sua transparência e melanina não é perdida durante o reabastecimento de água ou de CO2 ou durante remoção da glicose. Assim, o dispositivo de melanina permite que o material à base de melanina permaneça em contato com a água, sem ser dissolvido pela água. O substrato do dispositivo de melanina pode ser qualquer material inerte, incluindo, mas não se limitando a, sílica, plástico e vidro. O dispositivo de melanina pode ser, por exemplo, uma placa de sílica/melanina, que pode ser feita pela combinação de uma mistura de cimentação de sílica com uma solução aquosa da melanina. Preferi-velmente, um dispositivo de melanina para utilização na presente invenção é a melanina misturada com a sílica.

[0025] De acordo com modalidades da invenção, o dispositivo demelanina pode assumir qualquer tamanho ou forma, incluindo mas não se limitando ao formato de uma haste (cilíndrica), placa, esfera, ou cubo. Pelo menos um dispositivo de melanina pode ser usado, mas o número de dispositivos de melanina, ou o tamanho ou formato dos dispositivos de melanina, não está limitado por nenhum modo. A velocidade da reação será controlada pelo tamanho, a forma, a área superficial, a quantidade de material à base de melanina e o número de dispositivos de melanina utilizados na reação. De acordo com uma modalidade preferida, o tamanho, a forma e o número de dispositivos de melanina são selecionados com base na taxa de reação desejada para o processo eletroquímico. Por exemplo, utilizando um maior nú- mero de dispositivos de melanina resultará em uma taxa mais rápida da produção de glicose. Como outro exemplo ilustrativo, uma maior quantidade de material à base de melanina no dispositivo de melanina resultará em uma taxa mais rápida da produção de glicose.

[0026] Um processo eletroquímico de acordo com as modalidadesda invenção será iniciado quando o material à base de melanina absorver energia eletromagnética e catalisar a eletrólise da água em H2 e O2. De acordo com uma modalidade da invenção (processo em batelada), o gás dióxido de carbono é dissolvido na água apenas uma vez, antes do início do processo de fotoeletroquímica. De acordo com uma outra modalidade (processo contínuo), o processo fotoeletroquímico compreende ainda a dissolução contínua de gás CO2 na água para reabastecer continuamente o gás CO2 conforme ele é consumido e convertido em glicose. Qualquer método adequado para a dissolução contínua do gás CO2 na água pode ser usado. Por exemplo, o gás CO2 pode ser continuamente injetado na água por dutos ou tubos ligados a uma bomba de gás. Os dutos ou tubos podem ser feitos de qualquer material que seja inerte e substancialmente impermeável ao gás CO2, incluindo, mas não limitados a polietileno.

[0027] De acordo com uma modalidade particular da invenção, umprocesso para a produção de glicose é um processo fotoeletroquímico necessitando de uma fonte de energia fotoelétrica. Preferivelmente, a fonte de energia é fotoelétrica, ou luz visível ou invisível tendo um comprimento de onda variando de 200 nm a 900 nm. Em uma modalidade mais preferida, a fonte de energia fotoelétrica é a luz natural.

[0028] De acordo com outra modalidade da invenção, o processoeletroquímico pode ser realizado à temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C), preferivelmente a uma temperatura abaixo da temperatura ambiente na faixa de 0 °C a 25 °C e mais preferencialmente pelo em uma temperatura compreendida entre 2 °C e 8 °C. Apesar de temperaturas mais baixas poderem reduzir a taxa de divisão e reforma das moléculas de água, uma temperatura mais baixa de incubação preserva as bolhas de gás CO2 introduzidas no início do processo e elimina a necessidade de injetar continuamente gás CO2 na água. Assim, a utilização de temperaturas mais baixas tem a principal vantagem de tornar o processo eletroquímico tecnicamente mais simples de executar.

[0029] Um processo eletroquímico de acordo com a presente invenção pode ainda compreender uma etapa de isolamento da glicose obtida a partir da reação de dióxido de carbono, água e pelo menos um material à base de melanina. Como um exemplo ilustrativo, a glicose pode ser isolada por evaporação da solução reacional aquosa. No entanto, a glicose pode ser identificada e medida sem ser isolada por, por exemplo, espectrofotometria.

[0030] A invenção também se refere a um processo eletroquímicopara a produção de espécies CnH2nOn, em que n representa um número inteiro. Preferivelmente n é 1, 2, 3, 4, 5, ou 6, de tal modo que as espécies CnH2nOn sejam um precursor da glicose, ou a própria glicose. De acordo com modalidades da invenção, um processo eletroquímico para a produção de espécies CnH2nOn pode ser o mesmo que o utilizado para a produção de glicose e compreende a reação de água e do gás CO2 dissolvido na mesma, na presença de pelo menos um material à base de melanina e uma fonte de energia eletromagnética. Preferivelmente, a fonte de energia eletromagnética é selecionada a partir de energia fotoelétrica da luz visível e da luz invisível (radiação ultravioleta e infravermelha). Outras modalidades de um processo para a produção de espécies CnH2nOn de acordo com a presente invenção podem ser os mesmos que os descritos para um processo eletroquí- mico para a produção de glicose de acordo com a invenção. Preferivelmente, um processo eletroquímico para a produção de espécies CnH2nOn é um processo fotoeletroquímico.

[0031] O mecanismo exato pelo qual a melanina é capaz da utilização de energia eletromagnética para a produção de glicose, precursores de glicose e outras espécies CnH2nOn de CO2 e de água em um processo eletroquímico de acordo com as modalidades da invenção ainda não está completamente compreendido. Sem se pretender ficar limitado por nenhuma teoria, acredita-se que a melanina absorve a energia eletromagnética, promovendo a conversão de elétrons de baixa energia em elétrons de alta energia. Os elétrons de alta energia são transferidos por transportadores móveis de elétrons no interior do material à base de melanina. Esta transferência de elétrons libera energia e estabelece um gradiente de prótons suficiente para iniciar a divisão da água em hidrogênio diatômico (H2) e oxigênio diatômico (O2), juntamente com a liberação de quatro elétrons de alta energia. Assim, a melanina libera moléculas de H2 e O2, bem como um fluxo de elétrons de alta energia em todos os sentidos, controlado por difusão. Os elétrons de alta energia e o hidrogênio liberado têm diferentes tipos de energia e pensa-se que ambos os tipos de energia desempenhem alguma tarefa na conversão de CO2 e água em glicose e outras espécies CnH2nOn. Embora a divisão da água em H2 e O2 consome energia, a reação é reversível e a redução de O2 com H2 para reformar as moléculas de água libera energia. Assim, depois que a molécula de água é dividida, a molécula de água deve ser reformada de modo a fornecer energia para a reação de produção de glicose que ocorre a partir da fusão de CO2 e água.

[0032] Muitos fatores irão afetar a taxa e eficiência de um processo eletroquímico para a produção de glicose de acordo com as modalidades da invenção. Estes fatores incluem, mas não estão limitados à quantidade de energia liberada por meio de separação e reforma das moléculas de água, a entropia do gás CO2 dissolvido, a quantidade de gás CO2 dissolvida, a temperatura, a pressão, o comprimento de onda da energia eletromagnética fornecida para a reação e a quantidade de energia eletromagnética absorvida pelo material à base de melanina.

[0033] De acordo com uma modalidade preferida da invenção, umprocesso eletroquímico para a produção de glicose é realizado sob condições estéreis, o que significa que não há substancialmente bactérias presentes na reação. Como as bactérias podem consumir a glicose, a presença de bactérias pode diminuir a quantidade de glicose produzida por um processo eletroquímico de acordo com a invenção. As reações podem ser esterilizadas por qualquer método conhecido pela técnica em vista da presente invenção, incluindo, mas não se limitando a esterilização por filtração e esterilização por calor.

[0034] A dissociação e reforma da molécula de água para a produção de energia que é posteriormente utilizada para a produção de glicose a partir de dióxido de carbono e água pode por catalisada por pelo menos um material à base de melanina, em que o pelo menos um material à base de melanina é o único material de eletrólise da água presente na reação. Assim, em modalidades particulares da invenção, o pelo menos um material à base de melanina é o único material de eletrólise da água utilizado em um processo eletroquímico para a produção de glicose. De acordo com uma modalidade preferida, a mela- nina (natural ou sintética) é o único material de eletrólise da água utilizado em um processo para a produção de glicose.

[0035] Outro aspeto da invenção fornece um sistema para a produção de glicose por meio de um processo eletroquímico. De acordo com modalidades da invenção, o sistema é constituído por uma célula reacional e uma fonte de energia eletromagnética. Tal como aqui utilizado, o termo "célula reacional" se refere a qualquer recipiente que pode receber e reter a água e gás dióxido de carbono dissolvido na mesma. A célula reacional pode assumir qualquer forma e podem ser feitas de qualquer material adequado incluindo, mas não limitado a plásticos, vidro e quaisquer outros materiais que permitam a transmissão dos comprimentos de onda desejados de energia eletromagnética para a célula reacional, de tal modo que o processo eletroquímico possa ocorrer. O material da célula reacional é preferivelmente transparente para permitir a transmissão da luz visível. O material da célula reacional também é preferivelmente substancialmente impermeável ao dióxido de carbono.

[0036] De acordo com outra modalidade, a célula é uma célula re-acional fechada. Uma célula reacional fechada é selada para impedir que o gás dióxido de carbono escape da célula reacional e pode ser feita de qualquer material adequado tal como discutido acima. Preferivelmente, a célula reacional é fechada. A célula recebe a água de reação e gás CO2 nela dissolvido e pelo menos um material à base de melanina. O pelo menos um material à base de melanina é selecionado da melanina, dos precursores da melanina, dos derivados da mela- nina, dos análogos da melanina e de variantes da melanina e é preferivelmente da melanina (natural ou sintética). Em uma outra modalidade da invenção, um sistema compreende o pelo menos um material à base de melanina como parte de pelo menos um dispositivo de mela- nina, o dispositivo constituído por um substrato e um material à base de melanina como discutido acima. Preferivelmente, o dispositivo compreende a melanina (naturais ou sintéticos) e a sílica.

[0037] Um sistema de acordo com a presente invenção é preferivelmente estéril e não tem a presença de nenhuma bactéria. O sistema, incluindo um ou mais dos seus componentes (células de reação, tubos, etc.) podem ser esterilizados de acordo com qualquer método conhecido na técnica que elimine ou mate as bactérias, tal como através da aplicação de calor, produtos químicos, radiação, pressão ou filtração.

[0038] De acordo com modalidades da invenção, a energia fornecida pela fonte de energia eletromagnética para a célula reacional é transmitida através da célula reacional, de tal modo que é absorvida pelo material à base de melanina. Em uma modalidade preferida, a fonte de energia fornece energia eletromagnética da luz invisível ou visível tendo um comprimento de onda entre 200 nm e 900 nm para a célula reacional.

[0039] De acordo com outra modalidade da invenção, o sistemapode compreender ainda um dispositivo para injeção de gás CO2 con-tinuamente para dentro da célula reacional. O dispositivo pode ser, por exemplo, uma bomba de gás. O dispositivo pode ser ligado à célula reacional através de canos ou tubos. Se a célula reacional for fechada, o dispositivo é preferivelmente ligado, de tal maneira que permita a célula reacional fechada permanecer selada para impedir que o gás CO2 escape. Assim, usar uma célula reacional fechada tem a vantagem de eliminar a necessidade de injetar continuamente dióxido de carbono para a célula reacional, desde que o recipiente seja suficientemente vedado para impedir que o gás de dióxido de carbono escape.

[0040] De acordo com modalidades da invenção, um sistema paraa produção de glicose por meio de um processo eletroquímico pode também ser utilizado para a produção de espécies CnH2nOn. Preferivelmente, a espécie CnH2nOn é um precursor da glicose, em que n representa 1, 2, 3, 4, ou 5.

[0041] O processo eletroquímico e sistema para a produção deglicose de acordo com as modalidades da invenção, em adição ao gás CO2 dissolvido em água, exige apenas a presença de um material à base de melanina e a energia eletromagnética, preferivelmente a energia fotoelétrica e mais preferivelmente energia luminosa e assim, é ecologicamente correta porque não é necessária nenhuma fonte de energia externa, além daquela presente no ambiente natural. Além disso, não é necessária nenhuma configuração complexa ou manutenção. A única manutenção requerida é a substituição da água e de gás CO2 dissolvido, uma vez que o CO2 tenha sido consumido e transformado em glicose. Como melanina é uma das moléculas mais estáveis conhecidas pelo homem, tendo uma meia vida estimada como sendo da ordem dos milhões de anos, o material à base de melanina ou dispositivo de melanina pode ser utilizado durante décadas antes de precisar de ser substituído.

[0042] Em uma modalidade preferida, o pelo menos um material àbase de melanina no sistema é a melanina (natural ou sintética). Em uma outra modalidade preferida, a melanina é o único material para eletrólise da água presente no sistema.

[0043] O processo eletroquímico e o sistema para a produção deglicose de acordo com modalidades da invenção têm pelo menos duas aplicações importantes. A primeira aplicação, é a produção de glicose, tal como descrito acima, que é uma molécula básica da cadeia alimentar. O segundo pedido está relacionado com o controle do CO2 atmosférico. De acordo com modalidades da invenção, a produção de glicose exige o consumo de CO2. Assim, a invenção fornece ainda um método para reduzir os níveis de CO2 na atmosfera.

[0044] O dióxido de carbono (CO2) é o principal gás de efeito estufa que resulta das atividades humanas e da concentração de CO2 na atmosfera que está aumentando a um ritmo acelerado, contribuindo para o aquecimento global e as mudanças climáticas. Embora o limite de segurança superior para CO2 atmosférico tenha sido fixado em 350 partes por milhão (ppm), os níveis de CO2 atmosférico mantiveram-se acima deste limite desde o início de 1988. Além disso, evidências pa- leoclimáticas e as alterações climáticas em curso sugerem que os níveis de CO2 terão de ser reduzidos a fim de preservar o planeta em um estado em que a vida na Terra se adaptou.

[0045] Além disso, os cálculos por investigadores da NASA indicam que, apesar da extraordinariamente baixa atividade solar entre 2005 e 2010, a Terra continua a absorver mais energia do que retornou ao espaço. Assim, a estabilização do clima também vai exigir uma restauração do balanço energético da Terra, bem como uma redução dos níveis de CO2. Em outras palavras, a Terra terá de irradiar tanta energia para o espaço quanto ela absorve do sol, a fim de desacelerar o aquecimento global.

[0046] Por conseguinte, novos métodos para controlar o nível deCO2 atmosférico e para consumir energia solar absorvida são grandemente necessários. Em um processo fotoeletroquímico de acordo com modalidades da invenção, apenas a energia luminosa e pelo menos um material à base de melanina tais como melanina (sintética ou natural), um análogo da melanina, ou precursor da melanina, são necessários para converter CO2 e água em glicose. Assim, tanto o CO2 como a energia solar são consumidos para a produção de glicose por um processo fotoeletroquímico de acordo com a invenção, o que irá contribuir para a redução dos níveis de CO2, enquanto simultaneamente usa a energia solar absorvida.

EXEMPLOSExemplo 1: Dissociação e reforma da molécula de água catalisada pela melanina.

[0047] Dois recipientes fechados de 1 litro (células reacionais) feitos de tereftalato de polietileno (PET), foram formados sob condições estéreis, contendo cada um 1 litro de água purificada. O gás CO2 foi dissolvido na água em cada recipiente a uma pressão inicial de 5 atm e a melanina misturada com sílica foi colocada em um dos dois recipientes. Os recipientes foram expostos à luz visível, durante seis semanas e foram incubadas a uma temperatura de cerca de 2 °C a 8 °C (35,6 F a 46,4 F).

[0048] Depois de 5 dias, observou-se a deformação das embalagens de plástico do recipiente contendo melanina misturada com sílica. Em contraste, após 6 semanas de exposição à luz visível, as embalagens de plástico do recipiente não contendo nenhuma melanina misturada com sílica não mostrou nenhuma deformação visível.

[0049] Os resultados do experimento suportam a reivindicação deque a melanina tem a capacidade intrínseca de se dissociar e reformar a molécula de água na presença de energia luminosa. Esta dissociação e reforma da molécula de água produzido um vácuo, tal como indicado pela deformação plástica apenas da embalagem do recipiente fechado que continha melanina. A energia que é produzida a partir do fracionamento e reforma da molécula de água catalisada por melanina pode ser posteriormente utilizada para converter dióxido de carbono e água em glicose.

Exemplo 2: Produção de glicose a partir de CO? Dissolvido em água, a energia luminosa e melanina.

[0050] Dez recipientes selados de 3 litros (células reacionais fechadas) feitos de polietileno, foram formados sob condições estéreis contendo cada um 1800 mL de água purificada. O CO2 foi dissolvido na água de cada recipiente sob uma pressão de cerca de 0,15 bar (2.2 psi), em quantidades suficientes para que numerosas bolhas de gás CO2 fossem facilmente observadas. Cinco dos recipientes serviu como grupo de controle e não continham nenhum dispositivo de melanina e os outros cinco recipientes serviram como o grupo de teste. Para o grupo de teste, as placas da melanina misturada com sílica foram colocadas na parte inferior de cada recipiente. As placas de síli- ca/melanina foram feitas através da combinação de uma mistura de cimentação de sílica com uma solução aquosa da melanina. A melani- na utilizada foi sintetizada quimicamente em laboratório.

[0051] Os recipientes de ambos os grupos de controle e experi- mentais foram colocadas em um refrigerador e incubado a uma temperatura compreendida entre 2 °C a 8 °C (35,6 F a 46,4 F) durante quatro semanas. A finalidade de refrigeração dos recipientes foi preservar o gás CO2 inicialmente dissolvido na água. Isso eliminou a necessidade de manipulação contínua dos recipientes, para se dissolver o CO2 na água de forma contínua ou várias vezes ao longo do curso do experimento. Como o refrigerador era composto de paredes metálicas, a fonte de energia fornecida aos recipientes de luz era quase que exclusivamente de luz invisível presente dentro do refrigerador. Os recipientes foram mantidos selados durante todo o decurso do experimento e a observância visual de bolhas do gás CO2 nos recipientes do grupo de controle ao longo de quatro semana de incubação confirmou que os recipientes foram selados de forma adequada.

[0052] As bolhas de gás dissolvidas de CO2 foram observados diariamente. No final da primeira semana, o CO2 bolhas em todos os recipientes do grupo de controle estavam ainda presentes e não mostrou nenhuma mudança em relação ao início do experimento. Por outro lado, em todos os recipientes do grupo de teste, as bolhas de CO2 dissolvidos desapareceram completamente em poucas horas. Isto indicou que o dióxido de carbono foi consumido, mas apenas na presença da melanina. O experimento foi continuado durante quatro semanas, embora as bolhas de dióxido de carbono nos recipientes experimentais tenham desaparecido dentro de algumas horas, para determinar se nenhum outro produto ou sedimento foi formado. No final da quarta semana, os selos de cada reservatório em ambos os grupos experimental e de controle foram divididos em condições estéreis e uma amostra de 10 mL de água foi removida de cada recipiente. Deve também notar-se que, no final da quarta semana, o dióxido de carbono nos recipientes do grupo de controle não mostrou nenhuma alteração desde o início do experimento.

[0053] As amostras de 10 mL de água removida de cada um dos recipientes do grupo de controle e do grupo de teste foram observados como estando transparentes e inodoros. Para o grupo de teste, não havia sedimento observado nas amostras de ambos os grupos, indicando que a melanina não se dispersou a partir das placas de síli- ca/melanina. Os parâmetros adicionais, incluindo a densidade, o pH e a concentração de glicose foram medidos em cada amostra.

[0054] A concentração de glicose em cada amostra foi determinadapor espectrofotometria utilizando um ensaio padronizado de glicose oxidase (GOD). Em resumo, cada amostra foi tratada com a glicose oxidase para oxidar a glicose, produzindo peróxido de hidrogênio e gluconato. O peróxido de hidrogênio foi então ligado oxidativamente com 4-amino- antipireno (4-AAP) e fenol na presença de peroxidase, produzindo um corante vermelho quinoeimina. A absorbância da quinoeimina a 505 nm, é diretamente proporcional à concentração de glicose, foi então medida e utilizada para determinar a concentração de glicose na amostra. Os resultados estão listados abaixo na Tabela 1.

[0055] Os resultados do experimento acima demonstraram que aglicose pode ser produzida a partir de dióxido de carbono e água, ne-cessitando apenas da melanina e da energia eletromagnética, tal como luz invisível.

[0056] Será apreciado pelos peritos pela técnica que alteraçõespodem ser feitas às modalidades descritas acima, sem fugir do amplo conceito inventivo da mesma. Entende-se, portanto, que a presente invenção não está limitada às modalidades particulares descritas, mas destina-se a cobrir modificações dentro do espírito e do âmbito da invenção tal como definido pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Processo eletroquímico para a produção de glicose e de precursores de glicose com a fórmula geral CnH2nOn, em que n representa 2, 3, 4, 5, ou 6, que compreende reagir água e o gás dióxido de carbono dissolvido na mesma na presença de pelo menos um dispositivo de melanina e uma fonte de energia eletromagnética, sendo que o processo é caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de melanina compreende melanina e um substrato para evitar que a melanina seja dispersa através da água, tal modo que a glicose ou o precursor de glicose é produzida.

2. Processo eletroquímico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo eletroquímico é um processo fotoeletroquímico e a fonte de energia eletromagnética é a energia luminosa visível ou invisível tendo um comprimento de onda entre 200 nm e 900 nm.

3. Processo eletroquímico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a dissolução contínua do gás dióxido de carbono na água.

4. Processo eletroquímico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato do pelo menos um dispositivo de melanina é a sílica, de tal modo que é formada uma mistura da melanina e sílica.

5. Processo eletroquímico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo é realizado a uma temperatura variando de 0 °C a 25 °C.

6. Processo eletroquímico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a melanina é selecionada a partir da melanina natural e da melanina sintética.

7. Processo eletroquímico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a melanina é o único material de ele- trólise da água usado no processo.

8. Sistema para a produção de glicose e precursores da gli-cose possuindo a fórmula geral CnH2nOn, em que n representa 2, 3, 4, 5, ou 6, através de um processo eletroquímico como definido na rei-vindicação 1, o sistema sendo caracterizado pelo fato de que compre-ende:(i) uma célula reacional para a recepção de água e gás dió-xido de carbono dissolvido na mesma e pelo menos um dispositivo de melanina o pelo menos um dispositivo de melanina compreendendo melanina e um substrato, de tal modo que a melanina é impedida de ser dispersa através da água; e(ii) uma fonte de energia eletromagnética, de tal modo que a energia eletromagnética é transmitida para dentro da célula reacional e é absorvida pela melanina.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a célula reacional está ligada a um dispositivo para injeção de gás CO2 continuamente para dentro da célula reacional.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a fonte de energia eletromagnética é a energia luminosa invisível ou visível tendo um comprimento de onda entre 200 nm e 900 nm.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a célula é uma célula reacional fechada.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a melanina é selecionada a partir da melanina natural e melanina sintética.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a melanina é o único material para eletrólise da água presente no sistema.