BR112015032222B1 - Célula voltaica, método de conversão da energia química e/ou luminosa em energia elétrica e tampão para uma célula voltaica - Google Patents

Célula voltaica, método de conversão da energia química e/ou luminosa em energia elétrica e tampão para uma célula voltaica Download PDF

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Abstract

CÉLULA DE CONVERSÃO DE ENERGIA BIOQUÍMICA. É aqui apresentado uma célula voltaica contendo antenas de coleta de luz ou outras estruturas geradoras de elétrons de base biológica, opcionalmente, em uma população microbiana, uma população de sifão de elétrons possuindo propriedades condutoras de elétrons com sifões individuais configuradas para aceitar elétrons a partir de antenas de coleta de luz e transportar os elétrons para um coletor de corrente, um sistema de direcionamento da luz opcional (por exemplo, um espelho), e um regulador tendo propriedades de avaliação de sensoriamento e regulamentação para a conversão de energia fotobioquímica e energia bioquímica à eletricidade. Também aqui é apresentada uma célula voltaica com capacidade de geração de eletricidade na ausência de luz. Também aqui é apresentada a utilização da célula voltaica em um painel solar.

Description

REFERÊNCIAS CRUZADAS DE PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido reivindica benefício da prioridade sob USC 35 § 119 (e) para pedido provisório US N° 61/957.147, intitulado "Painéis e células fotovoltaicos" depositado em 25 de junho de 2013, pedido provisório US N° 61/879.612, intitulado "Célula de conversão de energia bioquímica", depositado em 18 de setembro de 2013, e pedido provisório US N° 61/991.335, intitulado "Células voltaicas bioquímicas", depositado em 9 de maio de 2014, todos os quais são aqui incorporados em sua totalidade para todos os propósitos.
FUNDAMENTOS
[002] Células voltaicas atuais e sistemas de painéis solares têm eficiência limitada e exigem materiais complexo resultando em custos associados significativos. Muitos painéis solares utilizam células de silício cristalino com base em bolacha ou células de película fina à base de silício ou cádmio. Estas células são frágeis e devem ser protegidas da umidade através da adição de múltiplas camadas de proteção. Os painéis são implantados em série para o aumento da tensão e/ou em paralelo para aumentar a corrente. Os painéis são interligados através de fios condutores metálicos. Um problema inerente a sistemas comuns é a susceptibilidade das células para sobreaquecer devido à inversão do fluxo de corrente quando uma porção do painel é protegida e outra parte do painel está em luz solar direta. Outro problema inerente é que as células solares se tornam menos eficientes a temperaturas mais elevadas, o que limita a eficácia geográfica de conversão da luz em eletricidade. Melhorias, tais como lentes e espelhos dispostos melhoram a focalização da luz para aumentar a eficiência, mas possuem a complexidade de fabricação superior e custos associados.
[003] Célula solar sensibilizada por corante (DSSC) é uma tecnologia de célula solar à base de material semicondutor colocado entre um ânodo sensibilizado à luz e um eletrólito. Fabricação de DSSCs não tem custo-efetivo e requer materiais caros, tais como platina e rutênio. Adicionalmente, a estabilidade de DSSC é uma preocupação, como existe uma sensibilidade relacionada com o clima do eletrólito líquido.
[004] A tecnologia de célula solar com pontos quânticos (QDSC) é baseada em células solares sensibilizadas com corante, mas utiliza nanopartículas de semicondutores de lacuna de baixa energia, também conhecidos como pontos quânticos, que incluem CdS, CdSe, Sb2S3, PbS e outros sais metaloides como absorvedores de luz. As vantagens de pontos quânticos são que as preferências de lacuna de energia são ditadas pelo tamanho das partículas e que elas oferecem coeficientes de extinção elevados. As eficiências de QDSCs são ainda baixas com mais de 5% demonstrada para ambos tipos de células de estado sólido e junção líquida e a custos de fabricação ainda são proibitivos.
[005] Células solares de polímero (e copolímero) são feitas a partir de películas finas de polímeros semicondutores orgânicos, tais como vinileno de polifenileno e ftalocianina de cobre. Estas células diferem das células solares inorgânicas acima mencionadas porque elas não necessitam de um campo elétrico built-in de junções P-N para separar elétrons de buracos. Em vez disso, as células orgânicas contêm um doador de elétrons e um receptor de elétrons. Em uma célula solar polimérica, o doador de elétrons é excitado por um fóton, a energia do qual é convertida para um par de elétrons e buraco. O par se difunde para a interface doador-receptor em que o elétron e buraco são separados e corrente é gerada.
[006] Painéis fotovoltaicos existentes produzem eletricidade a partir de uma faixa de comprimentos de onda, mas não podem atrelar comprimentos de onda nas faixas ultravioletas e infravermelhas (exceto para estudos conceituais recentes com painéis solares poliméricos e copoliméricos, embora essas eficiências permaneçam baixas em 3-4%). Os painéis disponíveis também produzem pouca eletricidade a partir de pouca luz ou luz difusa. Intensificação dos esforços em conceitos de design divide a luz em comprimentos de onda monocromática e direciona estes comprimentos de onda a diferentes células solares especificamente sintonizadas com os comprimentos de onda e são projetadas para aumentar a eficiência em até 50%, mas exigem avanços técnicos significativos e são muito dispendiosas.
[007] Os experimentos de campo que envolvem a tecnologia de painel solar revelam que uma queda de 1,1% na produção de pico ocorre para cada aumento em graus Celsius passado uma temperatura limite de 42-44 graus Celsius. Isto é problemático como em dias de calor e ensolarados, a temperatura da superfície de um painel pode ser superior a 90 graus Celsius e, muitas vezes pode experimentar a acumulação de calor localizada no painel fazendo com que os pontos de ser tão elevados como 800 graus Celsius, devido às camadas reflexivas necessárias em painéis solares atuais. Ambientes frios e ensolarados são as condições ideais para a máxima eficiência dos painéis solares atuais.
[008] Painéis solares fotovoltaicos têm sido usados desde a década de 1950 para a conversão de luz solar em eletricidade, e décadas de avanços tecnológicos apenas aumentaram a eficiência de 12 - 28,8%. Recentemente, avanços significativos de nanotecnologia fizeram aumentar a eficiência de 10% a quase 29%, mas sob maior complexidade e custo de fabrico de criação.
SUMÁRIO
[009] Certos aspectos da presente descrição se referem a células voltaicas caracterizadas pelas seguintes características: (a) um tampão contendo um meio ionicamente condutor com uma população de doadores de elétrons nele previsto; (b) um recipiente contendo pelo menos parcialmente a população tampão de doadores de elétrons; (c) um ânodo para receber elétrons a partir da população de doadores de elétrons e fornecer elétrons para um circuito externo ou de carga; e (d) um cátodo para a doação de elétrons a, por exemplo, uma espécie. Em certas modalidades, a população de doadores de elétrons pode ser ainda caracterizada por uma primeira espécie de micróbio tendo uma primeira via metabólica primária e uma segunda espécie de micróbio tendo uma segunda via metabólica primária, que é complementar a primeira via metabólica primária. Em algumas implementações, nenhuma via metabólica primária é principalmente a fermentação da glicose.
[0010] Em certas modalidades, a célula voltaica inclui adicionalmente um íon permeável e barreira impermeável doador de elétrons que separa o tampão em um compartimento de ânodo e um compartimento de cátodo, evitando assim uma população de doadores de elétrons entrar em contato com o cátodo. Em algumas implementações, a barreira é eletronicamente condutora. Em algumas implementações, a barreira contata o ânodo. Algumas células voltaicas incluem um coletor de corrente em comunicação elétrica com o ânodo.
[0011] Em algumas implementações, a primeira espécie de micróbio e/ou a segunda espécie de micróbio compreende antenas de coleta de luz. Como um exemplo, a primeira espécie de micróbio é excitada pela radiação eletromagnética em uma primeira banda, e pelo menos uma outra espécie de micróbio no tampão é excitada pela radiação eletromagnética em uma segunda banda. A primeira banda e a segunda banda não se sobrepõem substancialmente.
[0012] Em certas modalidades, a primeira espécie de micróbio é um micróbio fototrófico ou quimiotrófico. Em certas modalidades, a primeira espécie de micróbio é um quimiotrófico e a segunda espécie de micróbio é um fototrófico. Em certas modalidades, a primeira espécie de micróbio tem pili, fibrilas, flagelos, e/ou uma forma filamentosa.
[0013] Em algumas implementações, a primeira via metabólica primária oxida um composto que contém carbono, nitrogênio, fósforo, ou enxofre, e a segunda via metabólica primária reduz o composto oxidado produzido da primeira via metabólica primária. Em algumas implementações, a primeira espécie de micróbio tem uma pluralidade de vias metabólicas. Em algumas modalidades, a primeira via metabólica primária e a segunda via metabólica primária cada uma participa na respiração celular. Em algumas implementações, a primeira espécie de micróbio é uma ocorrência natural de espécies microbianas.
[0014] Em certas modalidades, a célula voltaica inclui adicionalmente uma população de sifões de elétrons, em que cada sifão de elétrons inclui um componente receptor de elétrons para receber elétrons a partir da população de doadores de elétrons, e a realização de um elemento condutor de elétrons para diretamente ou indiretamente conduzir elétrons a partir de um componente receptor de elétrons para o ânodo. Em alguns casos, os sifões de elétrons têm uma dimensão principal média de no máximo cerca de 500 micrômetros. Em certas modalidades, sifões de elétrons juntos formam um conjunto dentro do tampão, com o conjunto configurado para conduzir elétrons a partir da população de doadores de elétrons para o ânodo.
[0015] Outro aspecto da divulgação se refere ao método de conversão química e/ou a energia da luz em energia elétrica através da operação da célula voltaica possuindo qualquer combinação das características apresentadas acima nesta seção.
[0016] Outro aspecto da divulgação se refere a tampões para as células voltaicas. Tais tampões podem ser caracterizados pelos seguintes componentes: (a) um meioionicamente condutor; e (b) uma população de doadores de elétrons fornecida no meio ionicamente condutor. Em certas modalidades, a população de doadores de elétrons inclui: (i) uma primeira espécie de micróbio tendo uma primeira via metabólica primária, e (ii) uma segunda espécie de micróbio tendo uma segunda via metabólica primária, que é complementar à primeira via metabólica primária, em que nenhuma via metabólica primária é principalmente glicose fermentativa.
[0017] Em certas modalidades, a primeira espécie de micróbio e/ou a segunda espécie de micróbio são antenas de coleta de luz. Como um exemplo, a primeira espécie de micróbio pode ser excitada pela radiação eletromagnética em uma primeira banda, e pelo menos uma outra espécie de micróbio no tampão pode ser excitada pela radiação eletromagnética em uma segunda banda. Neste exemplo, a primeira banda e a segunda banda não se sobrepõem substancialmente.
[0018] Em certas modalidades, as primeiras espécies de micróbios no tampão é um micróbio fototrófico ou quimiotrófico. Como um exemplo, a primeira espécie de micróbio é um quimiotrófico e a segunda espécie de micróbio é um fototrófico.
[0019] Em certas modalidades do tampão, a primeira via metabólica primária oxida um composto que contém carbono, nitrogênio, fósforo, ou enxofre, e a segunda via metabólica primária reduz o composto oxidado produzido da primeira via metabólica primária. Em alguns exemplos do tampão, a primeira via metabólica primária e a segunda via metabólica primária, cada uma participa na respiração celular. Em alguns tampões, a primeira ou a segunda espécie de micróbio tem uma pluralidade de vias metabólicas. Dentro de alguns exemplos de tampão, a primeira via metabólica primária e a segunda via metabólica primária cada uma participa na respiração celular.
[0020] Em alguns tampões, a primeira espécie de micróbio tem pili, fibrilas, flagelos, e/ou uma forma filamentosa. Em alguns tampões, a primeira espécie de micróbio é uma ocorrência natural de espécies microbianas.
[0021] Em certas modalidades, o tampão inclui, adicionalmente, uma população de sifões de elétrons, em que cada sifão de elétrons inclui um componente de elétrons receptores de elétrons para receber a partir da população de doadores de elétrons, e o elemento para diretamente ou indiretamente conduzir elétrons a partir do componente receptor de elétrons para o ânodo. Em alguns casos, os sifões de elétrons têm uma dimensão principal média de no máximo cerca de 500 micrômetros. Em alguns exemplos, os sifões formam coletivamente um conjunto dentro do tampão, em que o conjunto é configurado para conduzir elétrons a partir da população de doadores de elétrons para o ânodo.
[0022] Outro aspecto a divulgação se refere a células voltaicas caracterizadas pelas seguintes características: (a) um tampão contendo um meio ionicamente condutor com (i) uma população de doadores de elétrons nele previsto, e (ii) uma população de sifão de elétrons nele previsto; (b) um recipiente contendo pelo menos parcialmente a população de doadores de elétrons do tampão; (c) um ânodo para receber elétrons a partir da população de doadores de elétrons e fornecer elétrons para um circuito externo ou carga; e (d) um cátodo para a doação de elétrons para uma espécie em, por exemplo, o tampão. Em certas modalidades, cada sifão de elétrons contém um componente receptor de elétrons para receber elétrons a partir da população de doadores de elétrons, e um elemento condutor de elétrons para condução de elétrons diretamente ou indiretamente a partir do componente receptor de elétrons para o ânodo.
[0023] Em algumas implementações, os sifões de elétrons têm uma dimensão principal média de no máximo cerca de 500 micrômetros. Em algumas implementações, os sifões de elétrons juntos formam um conjunto dentro do tampão, em que o conjunto é configurado para conduzir elétrons da população de doadores de elétrons para o ânodo. Em algumas implementações, os sifões de elétrons incluem uma porção de acoplamento para acoplar com a população de doadores de elétrons, mas não lisar as células que contêm a população de doadores de elétrons.
[0024] Em certas modalidades, a célula voltaica inclui adicionalmente uma barreira impermeável a íon e a doador permeável, que separa o tampão dentro de um compartimento de ânodo e um compartimento de cátodo, evitando assim uma população de doadores de elétrons a partir de contatar o cátodo. Em certas modalidades, a célula voltaica inclui adicionalmente um coletor de corrente em comunicação elétrica com o ânodo.
[0025] Outro aspecto da divulgação se refere a tampões para células voltaicas, em que tampões podem ser caracterizados por um meio ionicamente condutor incluindo: (i) uma população de doadores de elétrons; e (ii) uma população de sifão de elétrons. Em certas modalidades, cada sifão de elétrons inclui um componente receptor de elétrons para receber elétrons a partir da população de doadores de elétrons, e um elemento condutor de elétrons por condução de elétrons diretamente ou indiretamente a partir do componente receptor de elétrons para o ânodo. Em certas modalidades, os sifões de elétrons têm uma dimensão principal média de no máximo cerca de 500 micrômetros. Em certas modalidades, os sifões de elétrons formam coletivamente um conjunto de tampão, em que o conjunto é configurado para conduzir elétrons a partir da população de doadores de elétrons para o ânodo. Em certas modalidades, os sifões de elétrons incluem uma porção de acoplamento para acoplar com a população de doadores de elétrons, mas não lisar as células que contêm a população de doadores de elétrons. Essas e outras características das modalidades divulgadas irão ser apresentadas a seguir em relação aos desenhos associados.
[0026] Estas e outras características da divulgação serão ainda descritas abaixo com referência aos desenhos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0027] A figura 1A ilustra esquematicamente uma célula de conversão de energia.
[0028] As figuras 1B-1D descrevem variações da célula mostrada na figura 1A.
[0029] A Figura 2 apresenta um exemplo de uma célula voltaica do sistema aberto imersível.
[0030] As Figuras 3 e 4 representam sistemas de conversão de luz empregando sifões de elétrons.
[0031] A Figura 5 representa um fotossistema acoplado a um sifão de elétrons.
[0032] A Figura 6 apresenta um esquema de arranjo sifões de elétrons e população de doadores de elétrons.
[0033] A Figura 7 apresenta um esquema de um segundo arranjo de sifões de elétrons e população de células microbianas.
[0034] Figura 8 apresenta exemplos de vários sifões de elétrons.
[0035] A Figura 9 apresenta um esquema de um arranjo variado de sifões de elétrons.
[0036] A Figura 10 mostra a utilização do sifão de elétrons para capturar elétrons gerados a partir de processos metabólicos.
[0037] A Figura 11 mostra o uso sifão de elétrons para capturar elétrons gerados a partir de lipossomas.
[0038] A Figura 12 apresenta uma vista lateral de uma célula voltaica.
[0039] A Figura 13 apresenta um diagrama esquemático de um tubo voltaico.
[0040] A Figura 14 apresenta um esquema de pilares de células voltaicas.
[0041] A Figura 15 apresenta um arranjo de conectividade de circuito em uma célula voltaica.
[0042] A Figura 16 apresenta um arranjo de doadores de elétrons em sifões de elétrons de forma paralela.
[0043] A Figura 17 apresenta um diagrama esquemático de um arranjo de células voltaicas em série.
[0044] A Figura 18 apresenta uma representação esquemática de uma bateria e de um painel voltaico.
[0045] As Figuras 19 e 20 são gráficos de produção de energia ao longo do tempo para as células voltaicas construídas de acordo com certas modalidades.
DESCRIÇÃO DE UMA MODALIDADE DEFINIÇÕES
[0046] A menos que definido de outro modo, todos os termos técnicos e científicos aqui utilizados têm o mesmo significado que o normalmente entendido por um perito na técnica. Vários dicionários científicos que incluem os termos aqui incluídos são bem conhecidos e estão disponíveis para aqueles na técnica. Quaisquer métodos e materiais semelhantes ou equivalentes aos descritos encontram utilização na prática das modalidades divulgadas.
[0047] Os termos definidos imediatamente abaixo são mais completamente entendidos pela referência ao relatório. As definições são fornecidas apenas para descrever modalidades particulares somente e ajudam na compreensão dos conceitos complexos descritos no presente relatório descritivo. Eles não se destinam a limitar o escopo completo da divulgação. Especificamente, é para ser entendido que esta divulgação não se limita a composições particulares, sistemas, modelos, metodologias, protocolos, e/ou reagentes descritos, uma vez que estes podem variar, dependendo do contexto em que são usados pelos peritos na técnica.
[0048] Tal como utilizado no presente relatório descritivo e reivindicações anexas, as formas singulares "um", "uma", e "o" incluem referentes plurais a menos que o contexto dite de outra forma. Por exemplo, a referência a "uma célula" inclui uma combinação de dois ou mais de tais células. A menos que indicado de outra forma, um "ou" conjugado é usado no seu sentido correto como um operador lógico Booleano, abrangendo tanto a seleção de características no alternativo (A ou B, em que a seleção de A é mutuamente exclusiva de B) e a seleção de características em conjunto (A ou B, onde A e B são selecionados).
[0049] "Antenas coletoras de luz" são estruturas bioquímicas ou químicas capazes de serem excitadas por energia da luz. De interesse, a luz pode excitar as antenas para um estado que lhes permite produzir energia elétrica ou eletroquímica. Às vezes, um micróbio fotossintético contém antenas de coleta de luz.
[0050] Um "doador de elétrons" é um componente que doa elétrons como parte de um processo que envolve a conversão da energia da radiação (por exemplo, luz), os componentes químicos, manipulação mecânica, ou outro processo. No presente relatório descritivo, exemplos de doadores de elétrons incluem micróbios fotossintéticos e não fotossintéticos, antenas de coleta de luz, e pigmentos.
[0051] Um “micróbio fotossintético” é uma célula microbiana que utiliza a energia da luz para processos de crescimento e metabólicos. Tal micróbio tipicamente contém antenas de coleta de luz capazes de aproveitar energia da luz e componentes do transporte de elétrons, que podem ser incorporados na membrana citoplasmática e/ou invaginações da membrana e/ou vesículas da membrana/ou organelas.
[0052] Um "pigmento" é qualquer composição capaz de ser excitado com a energia da luz, normalmente por meio de absorção de comprimento de onda seletivo. Um pigmento é uma antena de coleta de luz ou uma parte dela. Um pigmento pode ser produzido sinteticamente ou biologicamente.
[0053] Um "micróbio não fotossintético" é uma célula microbiana que não precisa de energia da luz para os processos de crescimento e metabólicos. Tal micróbio pode conter componentes de transporte de elétrons, que podem ser incorporados na membrana citoplasmática e/ou invaginações da membrana e/ou vesículas da membrana/ou organelas.
[0054] Um "sifão de elétrons" é pequena estrutura configurada para remover elétrons a partir das antenas de coleta de luz e diretamente ou indiretamente transporta os elétrons para um coletor de corrente (por vezes servindo como um eletrodo) de uma célula voltaica. Em certas modalidades, um sifão contém um ou mais elementos que aceitam elétrons (por exemplo, porções de coordenação de elétrons) anexados a (por exemplo, sobre a superfície de) uma estrutura de transporte de elétrons. A estrutura de transporte de elétrons pode ser uma única espessura de átomo (por exemplo, uma matriz de grafeno) ou pode ser múltiplas espessuras de átomos.
[0055] Uma "matriz de sifão de elétrons" é uma coleção de sifões de elétrons que podem se sobrepor substancialmente um com o outro. Em algumas modalidades, uma matriz de sifão de elétrons fornece uma via condutora que se estende por vários sifões de elétrons individuais. Em algumas modalidades, a matriz fornece uma via condutora que se estende a partir de um coletor de corrente de uma célula voltaica bem em um tampão, onde a matriz contata uma pluralidade de estruturas geradoras de elétrons de base biológica. Em algumas implementações, a matriz de sifão de elétrons é uma configuração arranjada de sifões de elétrons.
[0056] Um "material condutor de elétrons" é um material que permite a transferência de elétrons a partir de uma localização do material condutor de elétrons para outro local. O material condutor de elétrons pode ser eletronicamente condutor ou semicondutor. Pode conduzir buracos. Em algumas modalidades, a estrutura de transporte de elétrons de um sifão de elétrons contém um material condutor de elétrons.
INTRODUÇÃO E CONTEXTO
[0057] Micróbios e plantas fotossintéticas permanecem mais eficientes na conversão de energia luminosa em outras formas utilizáveis de energia em cerca de 40 a 80% de absorção da luz. É estimado que a taxa média de captação de energia por organismos fotossintéticos é de 130 terawatts globalmente, que é de aproximadamente seis vezes maior do que as capacidades de consumo de energia atuais da civilização humana (Nealson, 1999; Whitmarsh 1999; Steger, 2005; Energy Information Administn, 2006). Micróbios fotossintéticos contêm pigmentos de coleta de luz e sistemas de antena ou centros de reação em suas membranas para aproveitar a energia liberada por um fóton. Transportadoras de elétrons em série passam elétrons excitados através da cadeia de transporte de elétrons e, simultaneamente, facilitam o esforço coordenado de separação de prótons através da membrana para gerar energia potencial.
[0058] Há dois tipos de fotossíntese, anoxigênicas e oxigênicas. Fotossíntese anoxigênica é pensada para preceder historicamente fotossíntese oxigênica e não produz oxigênio. Fotossíntese oxigênica ocorre em plantas e cianobactérias e usos de H2O como doador de elétrons para fototrofia. Fotossíntese anoxigênica pode utilizar hidrogênio, enxofre e certos compostos como doadores de elétrons para fototrofia.
[0059] A capacidade documentada de aproveitamento máximo de luz foi identificada em chlorobi que residem quase uma milha abaixo da superfície do oceano em fontes hidrotermais de profundidade onde muita luz mínima atinge esses micróbios. Estes micróbios podem utilizar quase 100% da luz residual na fotossíntese não oxigênica.
[0060] A utilização de micróbios fotossintéticos para gerar energia utilizável tem focado principalmente na geração de biocombustíveis.
[0061] É aqui revelado uma célula de geração de eletricidade com base em micróbio tendo processos de fabricação mais baixos de energia, produzindo altas taxas de conversão luz-a-eletricidade, tendo reguladores e tendo menos restrições geográficas em comparação com tecnologias solares atuais. A célula pode ser personalizada para atender a requisitos de geografia, do clima, estação, necessidades estruturais, etc. Em certas modalidades, uma célula tem uma ou mais populações de antenas de coleta de luz e opcionalmente inclui uma ou mais das seguintes funcionalidades: sifões de elétrons possuindo propriedades condutoras de elétrons, um sistema de acoplamento óptico e regulador com propriedades de avaliação de sensoriamento e regulamentares. Em alguns modelos, a célula tem capacidade de produção de eletricidade ausente de luz. Em algumas implementações, a célula é implantada em um painel solar.
[0062] Em uma forma, uma célula voltaica inclui um recipiente contendo um sistema tampão, uma população de células microbianas, uma população de sifão de elétrons condutora e um coletor de corrente (por exemplo, um fio).
[0063] Em certas modalidades, uma célula voltaica inclui um recipiente contendo um sistema tampão, uma população de células microbianas, um coletor de corrente e uma população de sifão de elétrons. Em outras modalidades, uma célula voltaica inclui um recipiente contendo um sistema tampão, uma população de células microbianas, uma matriz condutora de sifão de elétrons, e um fio (um exemplo de um coletor de corrente). Em outras modalidades, uma célula voltaica inclui um recipiente contendo um sistema tampão, uma população de células microbianas, uma matriz condutora de sifão de elétrons, e um coletor de corrente. Em alguns aspectos, uma célula voltaica inclui um recipiente contendo uma população de antenas de coleta de luz, um sistema tampão, uma população de sifão de elétrons, uma matriz condutora de sifão de elétrons, um sistema de espelhos e um sistema regulador. A população de sifão de elétrons e a matriz de sifão de elétrons podem ser de estruturas fisicamente diferentes, com a população contendo grupos funcionais que facilitam o acoplamento com doador de elétrons e a matriz projetada para o transporte de elétrons da população a um eletrodo. Os sifões da população podem se mover com os micróbios enquanto os sifões da matriz podem ter uma localização fixa. Em alguns aspectos podem, uma célula voltaica inclui um recipiente contendo uma população de antenas de coleta de luz, sistema tampão, população de sifão de elétrons arranjada, material condutor de elétrons, sistema de espelho e sistema regulador. Em ainda outros aspectos pode a célula voltaica inclui um recipiente contendo uma população microbiana, o sistema de tampão, população de sifão de elétrons, sistema regulador e o dispositivo de armazenamento da carga.
[0064] A Figura 1A representa esquematicamente uma célula de conversão de energia 105 que tem um recipiente de contenção 107 que contém no seu interior 109 um fluido, em que existem uma ou mais populações microbianas. Célula 105 também inclui um elemento de cobertura 131 encaixada na parte superior do recipiente 107. Elemento 131 é transparente à radiação em uma faixa de comprimento de onda para o qual a população microbiana responde. Opcionalmente, célula 105 inclui uma barreira ionicamente permeável disposta no interior do recipiente 107 para prevenir micróbios e/ou outros doadores de elétrons na região 109 de passar para um compartimento 113 no lado oposto da barreira permeável 111. Deve ser entendido que a barreira permeável 111 é opcional e por vezes, apenas uma única solução é fornecida dentro do recipiente 107.
[0065] Célula 105 irá incluir um ânodo 115 e um cátodo 117 eletronicamente separados um dos outro por fluido ionicamente condutor no compartimento 109 e, opcionalmente, no compartimento 113 se estiver presente. Durante a operação, a população(ões) microbiana no compartimento 109 produz elétrons que são coletados no ânodo 115. Estes elétrons trabalham por fluxo através de uma carga 119 em um cátodo de acoplamento do circuito 117 e do ânodo 115. Se o compartimento 113 é utilizado, pode incluir uma população microbiana separada. Em algumas implementações, micróbios no compartimento 113 doam prótons ou outras espécies positivamente carregadas para o cátodo 117. Os micróbios nos fluidos 109 e 113 convertem energia por diferentes mecanismos. Em várias modalidades, pelo menos os micróbios no interior do compartimento 109 são fototróficos.
[0066] Em certas modalidades, um sistema de fluidos 121 é acoplado ao recipiente 107 e, opcionalmente, tem portas separadas para os compartimentos 109 e 113. O sistema de fluidos 121 pode incluir vários elementos, tais como um reservatório para conter fluidos líquidos para os compartimentos 109 e/ou 113, uma ou mais bombas, um ou mais medidores de pressão, medidores de fluxo de massa, defletores e semelhantes. O sistema de fluidos 121 pode fornecer a solução de tampão fresca e/ou micróbios para célula 105. Pode também liberar um ou mais de vários agentes reguladores para estes fluidos. Tais agentes reguladores podem incluir ácido, base, sais, nutrientes, corantes, e semelhantes.
[0067] Célula 105 também pode interagir com um controlador 125 que controla o sistema de fluidos 121. O controlador 125 pode ter uma ou mais outras funções. Por exemplo, pode receber a entrada a partir de vários componentes do sistema tal como o acoplamento de circuito do ânodo 115, cátodo 117, o sistema de fluidos 121, e/ou sensores 127 e 129 fornecidos nos compartimentos 109 e 113, respectivamente. Os sensores podem monitorar um ou mais parâmetros operacionais relevantes para célula 105. Exemplos de tais parâmetros incluem a temperatura, propriedades químicas (por exemplo, concentração de componentes e de pH), propriedades ópticas (por exemplo, opacidade), propriedades elétricas (por exemplo, condutividade iônica), e semelhantes.
[0068] A Figura 1B representa uma variação da célula 105. Especificamente, a figura representa uma célula alternativa 135 que tem uma placa de ânodo 137, uma placa de cátodo 139, e um compartimento 141 entre as placas 137 e 139, tal como definido por um espaçador 143. No interior do compartimento 141 está um meio ionicamente condutor. Uma placa de ânodo 137 pode conter ou ser feita a partir de um material semipermeável que permite a comunicação iônica entre os dois lados da placa, mas não permite a passagem de micróbios ou componentes microbianos. Fornecida em cima da placa de ânodo 137 é uma população 145 de micróbios fototróficos contendo antenas de coleta de fóton.
[0069] A Figura 1C ilustra uma outra variação de uma célula 105. Especificamente, a figura ilustra um primeiro compartimento 147 ligado a um segundo compartimento 149 por um terceiro compartimento 151. Dentro do compartimento 147 está um primeiro eletrodo 153, a qual é eletronicamente condutor e pode ser ionicamente condutor. Uma camada de geradores de elétrons orgânicos fotossensíveis 145 está disposta na parte superior do eletrodo 153. Os geradores de elétrons podem incluir antenas de coleta de luz e, em alguns casos, bem como sifões de elétrons. Camada 145 pode incluir uma população de micróbios fototróficos, fotossistema ligado à membrana microbiana, vesículas contendo um fotossistema, e/ou outros geradores de elétrons orgânicos fotossensíveis. Dentro do compartimento 149 está um segundo eletrodo 155, que tem a polaridade oposta do eletrodo 153 e é eletronicamente condutor e opcionalmente ionicamente condutor. Compartimento 151 pode conter um material semipermeável que permite a comunicação iônica entre os compartimentos 147 e 149, mas não permite a difusão de micróbios fototróficos, componentes de membrana microbianos, etc. presentes na camada 145 a partir do compartimento 147 no compartimento 149. Os elétrons coletados a partir da população microbiana 145 são transferidos para o eletrodo 153 no compartimento 147, que passam então através de um elemento condutor conectado 157 (por exemplo, um fio). Um segundo elemento condutor 159 está ligado ao eletrodo 155.
[0070] A Figura 1D representa uma outra variante de uma célula 105. Especificamente, a figura ilustra um compartimento de separação 161 que contém um primeiro eletrodo 153 como descrito para a modalidade da Figura 1C tendo contato direto com uma camada 145 contendo população de componente de membrana microbiana e/ou microbiana fototrófica contendo antenas de coleta de fótons. Compartimento 161 também contém um segundo eletrodo 155 tal como descrito na modalidade da Figura 1C com polaridades opostas separadas por uma barreira semipermeável 163 permitindo a troca de íons ao longo da célula, mas inibindo a difusão de antenas de coleta de fótons 145 para o eletrodo de espaço circundante 155. Os elétrons fluem para primeiro eletrodo 153 e depois através de um elemento condutor 157 a um circuito. Espécies positivamente carregadas tais como prótons ou buracos podem fluir através do segundo eletrodo 155 por elemento condutor 159. Tendo o mesmo efeito, os elétrons podem fluir para eletrodo 155 a partir de uma carga eletricamente conectada a um primeiro eletrodo 153.
[0071] O sistema de conversão de luz pode incluir um ânodo posicionado diretamente adjacente ao sifão de elétrons para coletar os elétrons do sifão e produzir uma corrente elétrica em um circuito contendo um ânodo e um cátodo. O circuito pode ser acoplado a um módulo de conversão para uma rede elétrica ou outro sistema.
[0072] Em uma forma, uma célula de conversão de energia microbiana divulgada inclui um recipiente contendo um sistema de tampão, uma população condutora de antenas de coleta de luz, e uma população de sifão de elétrons. Em alguns aspectos da descrição atual, a célula pode incluir um recipiente contendo a população de antenas de coleta de luz, tampão, população condutora de sifão de elétrons, sistema de espelhos e um sistema regulador.
[0073] Em algumas modalidades, um sistema de conversão de luz inclui uma população de componente de antenas de coleta de luz e sifões de elétrons condutores modificados para a melhoria da eficiência de conversão de luz em eletricidade para reduzir a complexidade e custo.
[0074] Em certas modalidades, um sistema de conversão de luz inclui uma solução de eletrólito tamponada em torno de uma população de antenas de coleta de luz derivada de micróbios, a população tendo múltiplas antenas de coleta de luz por componente e onde a população do componente tem uma capacidade de coleta da luz sobre uma ampla faixa de comprimentos de onda, incluindo radiação ultravioleta e luz muito vermelha e pode colher luz ao longo de um intervalo de intensidades, incluindo luz difusa. A população pode incluir uma ou mais espécies de micróbios incluindo uma mistura de micróbios fotossintéticos e não fotossintéticos, componentes de membranas derivados de micróbios ou vesículas contendo componentes de antenas de coleta de luz e componentes do transportador de elétrons.
[0075] Em algumas modalidades, uma população de antenas de coleta de luz contém fotossistemas, que incluem pigmentos de coleta de luz ou moléculas do transportador de elétrons e centros de reação. Esses elementos estão descritos em relação a Figura 5 abaixo. Em algumas implementações, uma população de antenas de coleta de luz contém uma faixa de diferentes pigmentos de coleta de luz e fotossistemas e podem ter moléculas portadoras de elétrons semelhantes. Exemplos de componentes individuais de uma população de antenas de coleta de luz das modalidades descritas são apresentados nas Tabelas 1 e 2.
[0076] O sistema de conversão de luz pode conter sifões de elétrons possuindo eliminação de elétrons e propriedades condutoras e/ou semicondutoras ao longo de um amplo intervalo de temperatura. Sifões de elétrons podem ser condutores e semicondutores modificados na natureza e são modificadas de forma a manter as propriedades condutoras de elétrons. Como descrito mais detalhadamente abaixo, sifões de elétrons podem ser nanobastões, nanotubos, nanofios, nanopartículas, nanoredes, nanofibras, pontos quânticos, dendrímeros, nanoaglomerados, nanocristais ou nanocompósitos individuais ou multiméricos e podem conter carbono, silício, metal, ligas de metal ou coloidal. Além disso, sifões de elétrons individuais das modalidades descritas podem variar de 1 a 900 nm de comprimento e multímeros que variam de 0,9 a 4 um de comprimento. Em algumas modalidades, os micróbios em si produziram sifões de elétrons para fornecer um mecanismo natural para expelir o excesso de elétrons.
[0077] A Figura 5 representa um exemplo de sifão de elétrons em uso. Neste exemplo, um único nanotubo de carbono com paredes 505 foi ativado por HCl, lavado e modificado com L-arginina por reticulação química para gerar um sifão de elétrons biologicamente compatível. O nanotubo de carbono modificado 505 foi misturado com uma população microbiana contendo pigmentos de coleta de luz e os componentes do transportador de elétrons nas suas membranas.
[0078] Um fotossistema pode operar como mostrado na Figura 5. Em algumas modalidades, o fotossistema existe na membrana da célula de um organismo vivo. Em algumas modalidades, o fotossistema existe em uma membrana derivada de um organismo vivo, mas já não é parte do referido organismo. Em outras modalidades, o fotossistema é incorporado em uma estrutura micelar sintética. Tais estruturas podem ser criadas através de técnicas conhecidas na arte, tais como por sonicação de óleo e lipídeos em um solvente com detergente. As estruturas micelares resultantes podem ser fortificadas com os componentes necessários de um fotossistema. Tais componentes incluem tipicamente um centro de reação, tal como uma molécula de clorofila, pigmentos de coleta de luz, e moléculas de transporte de elétrons. Certas moléculas de pigmento podem servir como ambos os pigmentos de coleta leve e moléculas de transporte de elétrons.
[0079] Quando a luz atinge os pigmentos de coleta de luz nas membranas microbianas, os elétrons excitados são passados direcionalmente para componentes transportadores de elétrons (pigmentos acessórios da antena na Figura 5) na membrana e a um componente de transporte de elétrons que passa o elétron a um terminal receptor de elétrons, neste caso, o nanotubo de carbono modificado. Elétrons fluem fora de uma membrana microbiana em um resultado de sifão de elétrons. O fluxo de elétrons pode ser, em seguida, aproveitado por um ânodo vizinho, tal como uma placa metálica ou de fio metálico para maximizar o fluxo de corrente elétrica a partir de uma população de micróbios. Quando o fluxo líquido de elétrons sobre uma porção de uma célula (em um eletrodo) difere significativamente da outra porção de uma célula (a um eletrodo diferente), uma corrente elétrica pode ser gerada.
[0080] Os elétrons podem fluir a partir do fotossistema ao ânodo através de vários meios. Por vezes, os micróbios são diretamente ligados ao ânodo como uma película ou outra estrutura aderente. Em tais casos, os elétrons gerados pela fotossistema movem diretamente a partir do fotossistema ao ânodo. Em outros casos, os fotossistemas não estão ligados ao ânodo e elétrons fluem dos sifões de elétrons em solução, onde o elétron pode ser capturado e transportado por um mediador na solução. Em uma modalidade semelhante, o elétron é liberado a uma rede condutora que liga o ânodo aos micróbios ou outros elementos contendo fotossistema em solução. Tais sistemas podem ser uma rede de nanoestrutura, via ou outro dispositivo para manter a ligação de um sifão de elétrons ao ânodo, por exemplo. Em certas modalidades, o fotossistema corresponde a uma antena de captura de luz.
[0081] Enquanto fotossistemas são frequentemente descritos como uma fonte de elétrons para as modalidades descritas, os processos bioquímicos não fotossintéticos que produzem elétrons podem ser utilizados em vez de, ou além dos fotossistemas. Assim, quando for o caso, a referência a fotossistemas e termos semelhantes podem ser considerados para incluir sistemas metabólicos e outros bioquímicos que produzem elétrons disponíveis para doação a um ânodo de uma célula de conversão de energia.
RECIPIENTE E HARDWARE ASSOCIADOS PARA CÉLULA VOLTAICA
[0082] Na sua modalidade básica, uma função importante de uma célula voltaica é colher fótons e aproveitar elétrons excitados contidos dentro da célula para gerar corrente elétrica usando micróbio fotossintético e populações de membrana microbiana fotossintética. A célula pode incluir um recipiente à prova de vazamento ou manutenção para o meio de célula de conversão de energia microbiana e população microbiana. Em algumas modalidades, a célula de conversão de energia microbiana inclui adicionalmente eletrodos, sensores, barreiras semipermeáveis, material condutor iônico, fios e semelhantes.
[0083] Tipicamente, a célula deve ser concebida para aceitar a radiação externa e converter a energia nela contida à elétrons excitados das antenas de coleta de luz de membranas microbianas e para fornecer material condutor para o aproveitamento de elétrons de alta energia resultantes gerados pela cadeia de transporte de elétrons dentro de cada membrana de um micróbio.
[0084] As células de conversão de energia microbiana das modalidades divulgadas podem ter acesso total ao meio ambiente e podem ser construídas de forma a permitir a conversão de fótons em temperaturas que variam de -20 graus Celsius para 65 graus Celsius e tempo variando de sol completo a cobertura de nuvem ou neblina. Células de conversão de energia microbiana das modalidades divulgadas também podem ser portáteis e podem ter acesso variável ao ambiente, tal como determinado pelo usuário.
[0085] Em certas modalidades, os recipientes podem resistir a altas temperaturas (por exemplo, cerca de 50°C ou superior) e pressões internas (acima da atmosférica) de cerca de 50 Pa a cerca de 10 kPa; de cerca de 500 Pa a cerca de 3 kPa; de cerca de 800 Pa a cerca de 1,5 kPa. Nota-se que algumas modalidades empregam micróbios cujo habitat natural é um ambiente de alta pressão, tal como um respiradouro do mar profundo.
[0086] Em algumas modalidades, a célula é um sistema fechado sem fluxo de tampão fresco ou outra solução para o sistema e sem exposição a troca de gás atmosférico. Em outras modalidades, é um sistema semifechado, contendo, por exemplo, um sistema de tubulação, válvulas e portas para permitir o influxo de tampão fresco, elementos regulatórios, população de antenas microbianas frescas e/ou gases atmosféricos para o sistema. As portas a qual contém filtros de 0,22 um para evitar a contaminação do sistema pelos contaminantes microbianos atmosféricos. Em outros aspectos, as portas contém filtros de 0,45 um para evitar a contaminação do sistema por maiores contaminantes microbianos atmosféricos.
[0087] Em ainda outras modalidades, a célula é um sistema aberto com acesso completo para o ambiente. Em alguns casos, o sistema aberto é um corpo de água, tal como uma lagoa, lago, rio, reservatório, córrego ou outro organismo aberto de água. O sistema aberto pode também conter um sistema de tubulação, válvulas e portas para permitir a circulação da população de antenas microbianas frescas endógenas na célula de conversão de energia microbiana do sistema aberto.
[0088] A figura 2 apresenta um exemplo de um sistema aberto imersível. Elementos 807 e 811 são um ânodo e um cátodo. Elemento 813 é uma barreira semipermeável que permite a condução iônica, mas bloqueia transporte de micróbios. Elemento 813 pode ser um revestimento antimicrobiano (por exemplo, prata). 805 e 809 são ligações eletricamente condutoras do ânodo e cátodo. Elemento 801 é parte de um circuito, parte de uma estrutura de suporte mecânico, ou ambos.
[0089] Recipientes que delimitam a célula voltaica e podem ser feitos a partir de qualquer um de uma série de materiais, incluindo, como exemplos, um polímero tal como polietileno, polipropileno, ou poliuretano, vidro, metal, ou uma combinação dos mesmos. Em várias modalidades, o material de recipiente é um material impermeável a gás e a líquido.
[0090] O recipiente pode conter uma unidade de múltiplas camadas contendo uma camada mais externa e uma ou mais camadas internas. A camada externa pode conter plástico transparente, vidro, metal ou outro material para proporcionar proteção contra o ambiente. Em algumas modalidades, recipiente tem uma camada mais externa, que permite a passagem de comprimentos de onda espectrais diferentes de radiação eletromagnética. Em algumas modalidades, a camada mais externa pode ser permeável a maioria dos comprimentos de onda espectrais da energia luminosa. Em algumas modalidades, uma porção do recipiente pode conter uma camada mais externa que pode ser impermeável à maioria dos comprimentos de onda espectrais de energia luminosa e uma segunda porção do recipiente que contém uma camada mais externa que pode ser permeável a maioria dos comprimentos de onda espectrais de energia luminosa.
[0091] Em algumas modalidades, o recipiente que define o limite exterior da célula microbiana de conversão de energia é rígido. Os invólucros rígidos podem conter vidro ou polímero com uma rigidez de > de cerca de 1,3 GPa e que tem uma forma semelhante a um cubo, paralelepípedo, esfera, coluna, cilindro, cone, cone truncado, pirâmide ou prisma. A espessura de parede do invólucro pode abranger a faixa de cerca de 1 mm a 20 cm. É preferido um invólucro com uma espessura de parede que varia de cerca de 5 mm a 25 mm.
[0092] O volume, a forma e as dimensões do recipiente podem ser escolhidos para complementar a estrutura geral do sistema de conversão de energia em que reside. Em algumas modalidades, o volume do recipiente pode estar na faixa de cerca de 0,0000001 m3 a cerca de 3m3; de cerca de 0,000001 m3 a cerca de 2m3; a partir de cerca de 0,0001 m3 a cerca de 1,5 m3; de cerca de 0,01 m3 a cerca de 1m3; ou de cerca de 0,1 m3 a cerca de 0,5 m3.
[0093] O recipiente pode ser fabricado por meio de métodos padrão incluindo moldagem por parte, moldagem por injeção, extrusão, gravação a laser, colagem, soldagem por calafetagem, e outras técnicas adequadas.
[0094] Em algumas modalidades, o recipiente que define o limite exterior da célula de conversão de energia microbiana é uma armação que tem propriedades de isolamento elétrico. Em alguns aspectos da presente descrição, o invólucro moldado tem propriedades de isolamento térmico e é preenchido com espuma. As armações de modalidades divulgadas incluem fibra de vidro, alumínio, aço inoxidável, grafite, policarbonato, fibra de carbono, poliestireno, polietileno, polietileno, cloreto de polivinila, politetrafluoroetileno, policlorotrifluoroetileno, tereftalato de polietileno, polímero de meta-aramida, ou copoliamida.
[0095] Em outras modalidades, o invólucro que define o limite exterior da célula microbiana de conversão de energia é flexível. Exemplos de invólucros flexíveis incluem um ou mais de polímero transparente com uma rigidez de < de cerca de 1,2 GPa e tendo uma forma amorfa ou tendo uma forma semelhante a um cubo, paralelepípedo, esfera, coluna, cilindro, cone, cone truncado, pirâmide ou prisma. Exemplos de polímeros adequados incluem polipropileno, poliestireno, polietileno, cloreto de polivinila, politetrafluoroetileno, policlorotrifluoroetileno, tereftalato de polietileno, polímero de meta-aramida, ou copoliamida. A espessura de parede do invólucro pode abranger, por exemplo, a faixa de cerca de 0,5 mm a 25 mm. Em algumas modalidades, o invólucro tem uma espessura de parede que varia de cerca de 1 mm a 10 mm.
[0096] Em algumas modalidades, uma janela está incluída na célula microbiana de conversão de energia para a penetração de energia dos fótons na célula de conversão de energia. A janela pode ser transmissiva à luz na faixa de entre cerca de 100 nm e 1060 nm, e podem conter vidro, compósitos cristalinos e polímeros, tais como poli (3,4- etilenodioxitiofeno, poli(3,4-etilenodioxitiofeno, poliestireno sulfonato, poli(4,4-dioctilciclopentaditiofeno ou outros polímeros transparentes. Em certas modalidades, as janelas podem ser de cerca de 1 mm a 30 cm de espessura. Em alguns casos, as janelas variam de cerca de 5 mm a 25 mm de espessura.
[0097] Em algumas modalidades, juntas ou vedações estão incluídas na célula de conversão de energia microbiana podem ser utilizadas para proporcionar uma vedação à prova de fugas entre a moldura da janela da célula e uma janela e entre o invólucro de uma célula e uma porta ou tubulação. Juntas ou vedações adequadas podem conter silicone resistente aos raios UV, resina curadas no local, etileno-propilenodieno, nitrila de célula fechada, ou outra junta ou vedações resistente aos raios UV.
[0098] Em um exemplo, uma câmara de contenção inclui um painel de vidro justaposto a uma junta resistente a UV encaixada sobre uma parede lateral polimérica moldada por injeção contígua e unidade de revestimento. A parede lateral polimérica moldada por injeção contígua e unidade de revestimento inclui: uma porta de entrada e/ou uma porta de saída para o fluido e/ou 0,22 um de porta do filtro de troca de gás e a placa de conduíte de fluxo de elétrons equipados ligados a fiação elétrica para o fluxo concentrado de corrente contínua para um conversor de corrente alternada de um painel solar.
[0099] Em um outro exemplo, uma forma do recipiente é um tubo oco de polímero. Em algumas modalidades, o recipiente tem a forma de um cilindro; um retângulo; um quadrado; uma esfera; um objeto colunar; ou um objeto planar. Em algumas modalidades, o recipiente é concebido como um fermentador; em uma câmara de crescimento ou outro aparelho de cultura de células.
[00100] Em certas modalidades, o sistema de célula inclui uma estrutura de alojamento, um adaptador de sistema de conversão de luz, adaptador AC e cabo elétrico. Em algumas modalidades, o sistema pode acomodar uma variedade de sistemas de conversão de luz. Em outras modalidades, o painel solar pode ser fabricado de um modo tal que a estrutura de alojamento pode permitir a remoção e a substituição de um sistema de conversão de luz. As células tais como as descritas aqui podem desempenhar um papel funcional e podem ser utilizadas em um painel solar para fornecer corrente elétrica para uma carga elétrica externa dedicada (por exemplo, uma grelha), enquanto outros aspectos da divulgação usam uma célula fotovoltaica portátil para fornecer corrente elétrica para um dispositivo.
[00101] Em algumas modalidades, o invólucro da célula é um sistema rígido e proporciona uma função estrutural, além de um papel na aceitação da energia radiante.
[00102] Em certas modalidades, a célula voltaica pode ser utilizada em um papel estrutural e funcional e pode ser utilizada em um automóvel e avião como um capô, teto, teto solar, teto noturno, porta malas, moldura, asa, janela ou outro. Além disso, a célula pode ser utilizada em uma construção como uma parede, cortina de parede, telhado, janela, porta, passarela, pátio, entrada de garagem, deck, cerca ou outros.
[00103] Em outras modalidades, o invólucro da célula é um sistema flexível que pode fornecer uma função física em adição a um papel de conversão de energia. Exemplos de uso para uma célula de conversão de energia microbiana flexível são: elementos retráteis, tais como toldos, velas, tampas, lonas, casacos, capas; e elementos dobráveis, como cobertores, viseiras, guarda-chuvas, sombrinhas, ventiladores e roupas.
Barreira semipermeável
[00104] Em alguns aspectos da divulgação, alguma ou a totalidade da população das células microbianas é bloqueada por uma barreira semipermeável no interior do recipiente. Em algumas modalidades, alguma ou a totalidade da população de antenas de coleta luminosa está contida num compartimento, pelo menos parcialmente definido por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, uma mistura da população das células microbianas e uma população separada de antenas de coleta luminosa podem estar contidas em um compartimento definido por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, uma mistura da população do sifão de elétrons e da população de células microbianas está contida em um compartimento definido por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, uma mistura da população do sifão de elétrons, população de células microbianas e uma população separada de antenas de coleta luminosa estão contidas por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, a barreira semipermeável é eletronicamente condutora. Em alguns exemplos, a barreira semipermeável contém um material condutor de elétrons contido por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, uma mistura da população de sifão de elétrons, a população de células microbianas, e uma população separada de antenas de coleta luminosa estão contidas por uma primeira barreira semipermeável e um material condutor de elétrons é contido por uma segunda barreira semipermeável.
[00105] Em certas modalidades em que a barreira é eletronicamente condutora, que faz contato elétrico com um eletrodo da célula voltaica (o ânodo ou o cátodo). Em algumas implementações, o contato é feito através de uma rede de sifões de elétrons.
[00106] Em algumas modalidades, a barreira semipermeável pode ser uma porção do recipiente. Em algumas modalidades, a barreira semipermeável pode estar presente em mais do que uma porção do recipiente. Barreiras semipermeáveis podem fornecer contenção dos componentes da célula voltaica, separação (por exemplo, compartimentos anódicos e catódicos da célula voltaica), polaridade no interior do recipiente, etc.
[00107] A contenção no interior do recipiente pode ser conseguida delimitando um componente da célula voltaica. Em algumas modalidades, a contenção no interior do recipiente também pode ser conseguida delimitando uma mistura de componentes de uma célula voltaica. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável pode conter a população de coleta de elétrons; os doadores de elétrons de uma célula fotovoltaica, etc. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável pode conter um ou mais receptores de elétrons; material condutor de elétrons; ou outro componente de uma célula voltaica. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável é usada para conter a população de coleta de elétrons e a população do sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável é usada para conter a população de doadores de elétrons. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável é usada para conter a população de doadores de elétrons e a população de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável é usada para conter a população receptora de elétrons. Em algumas modalidades, uma barreira semipermeável é usada para conter uma população de doadores de elétrons e uma segunda barreira semipermeável é usada para conter a população receptora de elétrons.
[00108] A separação dos componentes dentro de uma célula voltaica pode ser conseguida utilizando uma ou mais de uma barreira semipermeável para gerar subcompartimentos de trabalho especializado. Em um compartimento - um compartimento de doadores de elétrons - componentes separados de uma célula voltaica podem converter a energia luminosa ou energia química em elétrons livres. Em outro compartimento, componentes separados de uma célula voltaica podem conduzir os elétrons na corrente elétrica do compartimento de doadores de elétrons para um coletor de corrente para a célula voltaica.
[00109] A separação dentro do recipiente pode ser elétrica, química, osmótica, quimiosmótica, quimioelétrica, ou outros mecanismos. Mais do que uma barreira semipermeável pode ser utilizada em cada recipiente pode gerar um recipiente com maior polaridade. Um arranjo de mais do que uma barreira semipermeável dentro de um recipiente pode ser em paralelo ou em série, em que a separação pode ser criada em uma porção do recipiente ou através da expansão do recipiente. Em algumas modalidades, um arranjo paralelo das barreiras semipermeáveis contendo população geradora de elétrons pode ser gerado. Em algumas modalidades, um arranjo paralelo das barreiras semipermeáveis contendo população receptora de elétrons pode ser gerado. Em algumas modalidades, um dispositivo de barreira semipermeável contendo população de doadores de elétrons pode ser ligado em série com uma barreira semipermeável que contém uma população de receptores de elétrons. Em alguns modelos, as células voltaicas de múltiplos eletrodos, em configuração monopolar ou bipolar, são usadas. Nas células voltaicas bipolares, as células são empilhadas em uma construção em sanduíche, de modo que a placa negativa de uma célula se torna a placa positiva da célula seguinte. Os eletrodos são partilhados por duas células eletroquímicas acopladas em série de tal forma que um dos lados do eletrodo funciona como um ânodo em uma célula e o outro lado atua como um cátodo na célula seguinte. As seções do ânodo e cátodo dos eletrodos comuns são separadas por uma placa condutora de elétrons ou membrana que não permite qualquer fluxo de íons entre as células e serve tanto como uma divisória quanto uma ligação em série.
[00110] Exemplos de micróbios receptores de elétrons incluem Rhodopseudomonas spp., Geobacter spp., Acidithiobacillus spp., Shewanella spp., e outros micróbios com o tipo de pili IV ou componentes da membrana externa receptores de elétrons (Reguera et al., 2006; Leang et al., 2010; Richter et al., 2012), que são aqui incorporados por referência na sua totalidade. Exemplos de micróbios doadores de elétrons incluem Desulfobacterales spp., Desulfovibrionales spp., Syntrophobacterales spp., Desulfotomaculum spp., Desulfosporomusa spp., Desulfosporosinus spp., Thermodesulfovibrio spp., Thermodesulfobacteriae spp., Thermodesulfobium spp., Archaeoglobus, Thermocladium, Caldivirga, Proteus spp., Pseudomonas spp., Salmonella spp., Sulburacospirillum spp., Bacillus spp., Desulfomicrobium spp., Pyrobaculum spp., Chrysiogenes spp., e outros.
[00111] Barreiras semipermeáveis podem conter um material que pode ter uma única camada ou pode ter mais do que uma camada, tal como um laminado. Em algumas modalidades, a barreira semipermeável contém poros. Em certas implementações, os poros das barreiras semipermeáveis podem ter tamanhos de poros de menos do que cerca de 0,45 um; menos do que cerca de 0,22 um; menos do que cerca de 0,1 um; ou menos do que cerca de 0,5 nm. A barreira semipermeável pode conter uma membrana; um filtro; uma película; uma peneira; uma matriz de exclusão de tamanho, ou semelhantes. A barreira semipermeável pode ser feita a partir de um polímero sintético, tal como, mas não limitado a cloreto de polivinila, polipropileno, poliestireno, nitrocelulose, nylon, ou outra; um polímero natural tal como lignina, papelão, papel, nanopartículas de sílica. Barreiras semipermeáveis que contêm um material condutor de elétrons podem ser utilizadas na célula voltaica, caso em que as barreiras podem servir como coletores de corrente ou de outro modo complementar um ânodo ou cátodo. Em algumas modalidades, a barreira semipermeável não é condutora. Em algumas modalidades, o tampão molha a barreira no ponto que a barreira permite a difusão e, em alguns casos, a condução de íons. Barreiras semipermeáveis podem também conter um lignina, cloreto de polivinila, PVDF, nitrocelulose ou outros. A barreira pode ter uma espessura adequada para a aplicação. Deve manter a alta condutividade iônica no interior da célula voltaica e não deve ocupar uma grande fração de volume interno da célula. Em alguns exemplos, a barreira tem uma espessura de cerca de 2,5 mm ou menos, cerca de 200 um ou menos, cerca de 50 um ou menos, cerca de 750 nm ou menos, ou cerca de 200 nm ou menos. Por vezes, a espessura da barreira pode ser tão fina como cerca de 1 nm a cerca de 0,35 nm.
Materiais condutores de elétrons para coletores de corrente
[00112] Um material condutor de elétrons pode conter um silício metal, metaloide, coloidal, compósito, ou de outros tipos de materiais que têm propriedades condutoras ou semicondutoras. Material condutor de elétrons pode conter uma forma planar; uma forma de malha; uma forma de cerdas; uma forma de rede; uma forma em camadas; uma forma pontilhada; uma forma de malha ou outra forma que tem maior área de superfície para melhorar a condução de elétrons.
[00113] Em algumas modalidades, uma célula voltaica pode conter mais do que um tipo de material condutor de elétrons. Em algumas modalidades, uma célula voltaica podem conter vários tipos de material condutor de elétrons, cada tipo de material tendo um potencial diferente receptor de elétrons. Diferentes eletrodos podem ter intrinsecamente diferentes potenciais eletroquímicos, que podem facilitar a conversão de energia biológica ou bioquímica. Um eletrodo a um potencial eletropositivo pode potencializar a atividade de doação de elétrons de certos tipos de micróbios.
[00114] Material condutor de elétrons pode ser contido por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, uma célula voltaica pode conter material condutor de elétrons contido por uma barreira semipermeável. Em algumas modalidades, uma célula voltaica pode conter vários materiais condutores de elétrons, cada uma contida por uma barreira semipermeável.
[00115] O material condutor de elétrons pode servir como um coletor de corrente em uma célula voltaica. Em algumas modalidades, o coletor de corrente é implementado como um fio ou um grupo de fios interligados se estendendo dentro de um compartimento de uma célula voltaica. Em algumas modalidades, o coletor de corrente é um material poroso com uma porosidade de pelo menos cerca de 0,2, ou,pelo menos cerca de 0,5, ou, pelo menos cerca de 0,7, ou,pelo menos cerca de 0,9. Em algumas modalidades, o coletor de corrente ocupa uma parte substancial de uma câmara (por exemplo, uma câmara de ânodo separada de um cátodo por uma membrana semipermeável) em uma célula voltaica. Como exemplos, o coletor de corrente pode ocupar pelo menos cerca de 20% do volume da câmara, ou, pelo menos cerca de 50% do volume da câmara, ou, pelo menos cerca de 70% do volume da câmara, ou, pelo menos cerca de 90% do volume da câmara.
Exemplo de construções de células voltaicas Design de uma célula voltaica.
[00116] Nesta modalidade, uma célula voltaica inclui um recipiente, um coletor de corrente ou terminal elétrico (por exemplo, na forma de fios), um primeiro eletrodo, um segundo eletrodo, micróbios, e um sistema de tampão. Em uma modalidade, o recipiente é feito de vidro, o coletor de corrente contém fios de cobre, o primeiro eletrodo contém um revestimento tal como um óxido (por exemplo, óxido de cobre ou dióxido de silício), e um eletrodo modificado contém um metal. Como exemplos, as modificações podem ser a adição de uma malha metálica condutora e/ou pontos de quantum. Os micróbios podem ser uma população heterogênea de microrganismos aquáticos, a maioria dos quais podem ser capazes de fotossíntese. O sistema de tampão contém sais, minerais, açúcares, aminoácidos, sais de amônio e água.
Design de uma célula voltaica flexível.
[00117] Uma célula voltaica pode incluir um recipiente flexível, bem como outros componentes tais como fios, eletrodos, eletrodos modificados, micróbios e um tampão. O recipiente é feito de tubos de plástico flexível, fechado em ambas as extremidades durante a operação normal. Como um exemplo, os fios podem ser fios de cobre. O eletrodo pode conter o fio metálico possuindo, em operação, um potencial elétrico característico variando desde cerca de +0,8 a cerca de +1,5 V em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio. Salvo disposição em contrário, todas as tensões dos eletrodos mencionadas neste documento são contra um eletrodo padrão de hidrogênio. O fio de metal possui um revestimento circunferencial fino de membrana semipermeável possuindo um tamanho de poro de cerca de 0,2 um de diâmetro. O eletrodo modificado contém fio de metal tendo um potencial elétrico característico variando de cerca de - 3,3 a cerca de 0,55 V, as modificações sendo nanofios condutores e/ou pontos quantum. Os micróbios são uma população heterogênea de micróbios aquáticos, a maioria pode ser capaz de fotossíntese. O tampão inclui sais, minerais, açúcares, aminoácidos, sais de amônio e água.
Design de uma alta área de superfície da célula voltaica.
[00118] Uma célula voltaica pode incluir um recipiente, fios, eletrodos, eletrodos modificados, micróbios e um sistema de tampão. Em um exemplo, o recipiente é feito de vidro e tem as dimensões de cerca de 1 pé de comprimento x cerca de 1 pé (30,48 cm) de largura x cerca de 0,34 pés (10,36 cm) de altura. Os fios são fios de cobre. O eletrodo inclui dióxido de silício. O eletrodo modificado é feito de malha de metal, as modificações sendo nanotubos condutores e/ou pontos quantum. Os micróbios são uma população heterogênea de microrganismos aquáticos, a maioria dos quais podem ser capazes de fotossíntese. O sistema de tampão contém sais, minerais, açúcares, aminoácidos, sais de amônio e água.
Design de uma célula voltaica fixada em um corpo em movimento de água.
[00119] Uma célula voltaica imersível pode incluir um recipiente, fios, eletrodo, eletrodo modificado, micróbios e um sistema de tampão. O recipiente é feito de uma caixa de metal que aloja uma bateria, que pode fornecer o armazenamento da energia elétrica gerada pela célula imersível e/ou ativar micróbios ou outras características da célula imersível. Os fios são fios de cobre. O eletrodo é feito de metal. O eletrodo modificado contém grafite. As modificações sendo nanotubos condutores e de pontos quânticos, pré-revestidos com uma mistura de pigmentos. Os micróbios incluindo uma população heterogênea de micróbios aquáticos, a composição exata é dependente de geografia e profundidade da água. O sistema de tampão é água do oceano. A porção da célula voltaica imersa no corpo de água inclui o eletrodo, eletrodo modificado e fios. A porção da célula voltaica em terra contém o recipiente, fios, e bateria opcional.
ANTENAS DE COLETA LUMINOSA
[00120] Em algumas modalidades, uma população de componentes de antenas de coleta luminosa pode ser caracterizada como uma população de componentes tendo: (i) uma ou mais moléculas com capacidade de absorção de fótons, (ii) que pode levar à excitação de um ou mais elétrons das moléculas que absorvem luz ou de uma molécula vizinha na presença de luz, e (iii) onde o elétron excitado pode ser transferido ou (iv) onde a energia do elétron excitado pode ser transferida. Como explicado mais completamente a seguir, a população de componentes de antenas de coleta de luz pode incluir uma ou mais do seguinte: um micróbio fotossintético, uma membrana derivada do micróbio fotossintético, uma vesícula de membrana derivada do micróbio fotossintético, um complexo macromolecular de lipídeo e antenas de coleta de luz, uma proteína recombinante de coleta de luz complexada com lipossomas, uma micela, uma micela reversa, uma monocamada ou outras antenas de coleta de luz derivadas do micróbio fotossintético complexado com lipossomas, micelas, micelas reversas, monocamada ou outro.
[00121] A população de antenas de coleta de luz pode servir como doadores de elétrons e/ou pode conter espécies químicas e bioquímicas capazes de absorver a energia luminosa. A população de antenas de coleta de luz pode ser ou conter de ocorrência sintética e/ou natural: pigmentos; complexos de coleta de luz; fotossistemas; centros de reação fotossintética; carotenoides; clorofilas; clorossomas; porfirinas; clorinas; bacterioclorinas e outros. População de antenas de coleta de luz pode conter proteínas recombinantes; preparações de membrana a partir de organismos fotossintéticos; preparações de exossomo de organismos fotossintéticos; organismos fotossintéticos terrestres e liofilizados; complexos de lipossomas contendo população de antenas de coleta de luz; e outros.
[00122] Em algumas modalidades, a população de antenas de coleta de luz contém uma população homogênea. Em algumas modalidades, a população de antenas de coleta de luz contém uma população heterogênea. Em algumas modalidades, uma célula voltaica contém uma população heterogênea de antenas de coleta de luz. Em algumas modalidades, uma célula voltaica contém uma população homogênea de antenas de coleta de luz.
[00123] O arranjo da população de antenas de coleta de luz em uma célula voltaica pode variar de acordo com o uso. Como exemplos, a população de antenas pode ser disposta em solução; em uma camada de sedimentos; em mais do que uma camada; em um revestimento sobre, por exemplo, um coletor de corrente; conjugado com a superfície de um sifão de elétrons; conjugado com a superfície de um material condutor de elétrons; conjugado com um coletor de corrente, tal como uma rede de fios ou outro. A população de antenas pode ser organizada entre sifão condutor de elétrons e material condutor de elétrons (por exemplo, como uma ligação em um meio condutor); pode ser disposta em camadas alternadas com sifão condutor de elétrons; pode ser disposta em camadas alternadas com material condutor de elétrons; pode ser disposta em camadas alternadas com sifão condutor de elétrons e material condutor de elétrons. Em algumas modalidades, a população de antenas de coleta de luz pode ser disposta perto da superfície exterior do recipiente. Em outras modalidades, a população de antenas de coleta de luz pode estar contida dentro de uma porção do recipiente. Em alguns aspectos da invenção, a população de antenas de coleta de luz pode estar contida por uma barreira semipermeável com um tamanho de poro de menos do que cerca de 0,45 um; menos do que cerca de 0,22 um; menos do que cerca de 0,1 um; ou menos do que cerca de 0,5 nm. Em algumas modalidades, a membrana semipermeável pode conter um material condutor de elétrons. Em algumas modalidades, a membrana semipermeável é, total ou parcialmente, imersa no tampão.
[00124] Como exemplos, uma população de antenas de coleta de luz pode ser misturada com uma população de células microbianas em uma razão em peso úmido de mg:mg (população de antenas de coleta de luz mg: população de célula microbiana mg) de: cerca de 0,0000001:1; cerca de 0,000001:1; cerca de 0,000001:1; cerca de 0,00001: 1; cerca de 0,0001:1, e todas as faixas entre quaisquer dois dos exemplos.
[00125] Antenas de coleta de luz aceitam fótons e ao fazê-lo excitam os elétrons para um estado ou estados onde eles estão disponíveis para transferência ou para transferir a sua energia. Às vezes, a transferência ocorre por meio de doação a um mediador redox ou outro transportador de elétrons. Antenas de coleta de luz são caracterizadas pela sua eficiência na conversão de energia radiante em energia elétrica. A eficiência é uma função do comprimento de onda, temperatura, etc.
[00126] As antenas de coleta de luz podem ser selecionadas para ter eficiências ótimas de coleta de luz a temperaturas representativas das condições ambientais sob as quais o sistema de conversão de luz vai ser utilizado. Organismos preferidos da invenção têm capacidades de coleta de luz em temperaturas que variam de -20 a 100 graus Celsius (Tabela 2).
[00127] As populações de antenas podem ter uma pluralidade de eficiências de coleta de luz em diferentes comprimentos de onda da luz. Em certas modalidades, uma população de componente de antenas de coleta de luz que pode coletar luzes ultravioleta, visíveis e de extremo- vermelhas simultaneamente. Em algumas modalidades, as diferentes populações têm diferentes bandas de comprimentos de onda de excitação. Em certos designs, uma célula voltaica contém duas diferentes populações, cada uma com uma banda de excitação distinta, em que as bandas não se sobrepõem substancialmente. Em outras palavras, a maioria dos comprimentos de onda em cada banda não se sobrepõe.
[00128] Antenas de coleta de luz contêm compostos químicos que têm a função acima. Elas podem conter adicionalmente veículos que possuem esses compostos. Exemplos de tais veículos incluem complexos, montagens supramoleculares, vesículas, organelas, micróbios, etc.
[00129] Tipicamente, os compostos de antenas de coleta de luz são ou contêm materiais orgânicos. Em muitas modalidades, a sua estrutura molecular é orgânica cíclica com um ou mais íons metálicos incorporados na mesma. Os íons metálicos incluem zinco, cádmio, zinco, zircônio, molibdênio, manganês, magnésio, ferro, platina, cobre, ródio, ósmio, irídio, e semelhantes.
[00130] A população de componente de antenas de coleta de luz pode conter membranas de coleta de luz preparadas a partir de micróbios fotossintéticos misturados com lipossomas de coleta de luz.
[00131] As antenas de coleta de luz podem ser incluídas em um micróbio fotossintético, membrana derivada do micróbio fotossintético, vesícula de membrana derivada do micróbio fotossintético, complexo macromolecular de lipídios e antenas de coleta de luz, proteína recombinante de coleta de luz complexada com lipossomas, micelas, micelas reversas, monocamada ou outro, antenas de coleta de luz derivadas do micróbio fotossintético complexado com lipossomas, micelas, micelas reversas, monocamada, etc.
[00132] As composições adaptadas antenas de coleta de luz podem ser geradas através de razões de mistura de diferentes antenas de coleta de luz possuindo espectros de excitação de comprimento de onda diferente e requisitos de crescimento para gerar uma célula fotovoltaica que é compatível com um clima. Os critérios de seleção para gerar a população de antenas de coleta de luz incluem: espectros de comprimento de onda de excitação, termofilicidade, halodilicidade, perfil anaeróbio, necessidades nutricionais, e compatibilidade com diferentes antenas de coleta de luz. Exemplos de classes compatíveis de antenas de coleta de luz incluem micróbios fotossintéticos com exigências nutricionais e de crescimento compatíveis, tais como Geobacter spp., Chlorobium spp., Shewanella spp., etc.; os espectros de excitação de comprimento de onda divergente de pigmentos à base de metal monoméricos e poliméricos, tais como branco de titânio, óxido de titânio (nanotubos, nanofitas, e outros), violeta de manganês, verde de cromo e outros; pigmentos inorgânicos tais como o amarelo ocre, siena cru, ultramarino e outros; e biopigmentos tais como clorofilas, carotenoides, antocianinas, betalaínas, e outros.
[00133] A escolha de micróbios para uso em uma célula voltaica se baseia nos requisitos de energia, de durabilidade e de recipientes para a célula. Em alguns exemplos, os micróbios podem ser selecionados pela sua capacidade para proporcionar um bólus de corrente elétrica a partir de uma unidade periódica. Como tal, estes micróbios otimamente tem a capacidade de armazenar elétrons nos seus componentes celulares e, portanto, têm propriedades dissipadoras de elétrons. Estes micróbios normalmente têm apêndices, tais como os pili, fibrilas, flagelos ou podem também ser filamentosos na forma. Exemplos de micróbios adequados, com apêndices, tais como os pili, fibrilas, flagelos e estruturas semelhantes incluem Neisseria spp., Escherichia spp., Eikenella spp., Corynebacterium spp., Rhodospirillum spp., Rhodobacter spp., Aquaspirillum spp., Pseudomonas spp., Pirellula spp., Nostoc spp., Helicobacter spp., Geobacter spp.,Enterobacter spp., Photobacterium spp., Brucella spp., Borrelia spp., Azoarcus spp., Dinoflagellata spp., Zooxanthellae spp., Azobacter spp., Parabasalia spp., Aeromonas spp., Thermococcus spp., Methanopyrus spp., Thermoplasma spp., Pyrococcus spp., Methanococcus spp., Desulburacococcus spp., Methanoculleus spp., Archeoglobus spp., Thiobacillus spp., Synechococcus sp., Spirillum spp., Sphaerotilus spp., Ruminobacter spp., Roseobacter spp., e outros. Exemplos de micróbios filamentosos são: Desulburacococcus spp., Streptomyces spp., Spirulina spp., Vorticella spp., Sphaerotilus spp., Xanthophyceae spp., Propionibacterium spp., Nostoc spp., Leptothrix spp., Frankia spp., Pleurocapsa spp., Chloroflexus spp., Beggiatoa spp., Anabaena spp., Ustilago spp., Megnetospirillum spp., e outros.
[00134] Os micróbios são selecionados de tal modo que referidos micróbios são viáveis após a retirada mediada por célula voltaica de elétrons armazenados. Os componentes de armazenamento de elétrons liberados em uma célula microbiana podem então ser repovoados ao longo do tempo até à próxima bólus de corrente elétrica ser necessária pela célula voltaica. Exemplos de micróbios que têm capacidades de armazenamento de elétrons adequadamente robustas incluem Rhodopseudomonas palustris, Moorella thermoacetica, e similares. Prazo de periodicidade pode ser uma vez por dia, uma vez a cada 3 dias, uma vez a cada 7 dias, uma vez a cada duas semanas, uma vez por mês ou outras. As taxas metabólicas dos micróbios selecionados irão determinar a frequência na qual a corrente elétrica pode ser retirada por uma célula voltaica.
[00135] Em outros exemplos, os micróbios podem ser selecionados para a capacidade de fornecer um nível razoavelmente constante de corrente elétrica a partir de uma célula voltaica. Exemplos de tais microrganismos incluem Neisseria spp., Escherichia spp., Rhodospirillum spp., Rhodobacter spp., Aquaspirillum spp., Rhodopseudomonas spp., Pirellula spp., Nostoc sp., Geobacter spp., Enterobacter spp., Photobacterium spp., Azoarcus spp., Dinoflagellata spp., Zooxanthellae spp., Azotobacter spp., Aeromonas spp., Thermococcus spp., Methanopyrus spp., Thermoplasma spp., Pyrococcus spp., Methanococcus spp., Desulburacococcus spp., Methanoculleus spp., Archeoglobus spp., Thiobacillus spp., Synechococcus sp., Spirillum spp., Sphaerotilus spp., Ruminobacter spp., Roseobacter spp., Desulburacococcus spp., Spirulina spp., Vorticella spp., Sphaerotilus spp., Xanthophyceae spp., Propionibacterium spp., Nostoc sp., Leptothrix spp., Frankia spp., Pleurocapsa spp., Chloroflexus spp., Anabaena spp., Ustilago spp., Megnetospirillum spp., e outros semelhantes. Como tal, estes micróbios irão otimamente ter diversos repertórios da via metabólica que lhes permitam gerar elétrons livres de um conjunto diversificado de fontes químicas e/ou de luz. Adicionalmente, os micróbios terão uma taxa relativamente constante no qual os elétrons livres são gerados (em comparação com a maioria dos outros micróbios). Os micróbios são selecionados de tal modo que eles são viáveis após a retirada contínua da corrente elétrica pela célula voltaica. Exemplos de tais microrganismos incluem alguns foto-heterótropos e alguns quimio-heterótropos.
[00136] Em outros exemplos, os micróbios podem ser selecionados pela sua durabilidade. Exemplos de tais microrganismos incluem Rhodospirillum spp., Rhodobacter spp., Aquaspirillum spp., Rhodopseudomonas spp., Nostoc sp., Geobacter spp., Enterobacter spp., Methanococcus spp., Desulburacococcus spp., Thiobacillus spp., Synechococcus sp., Spirillum spp., Roseobacter spp., Desulburacococcus spp., Spirulina spp., Anabaena spp., e outros semelhantes. Micróbios duráveis são definidos como tendo a capacidade de resistir na célula voltaica a condições de uma forma sustentada. Variáveis que devem levar em conta na seleção de micróbios duráveis incluem: robustez metabólica (por exemplo, possuindo duas ou mais vias metabólicas); robustez genética (capacidade de mutação durante o stress ambiental,isto é, capacidades de não revisão/não edição em DNA polimerase ou de RNA polimerase); robustez ambiental (capacidade de ser metabolicamente ativo ao longo do tempo sob condições ambientais de flutuação, ou seja, temperatura, luz, pressão e outro); e robustez da população (capacidade de coexistir com outras espécies microbianas em uma comunidade sem ser suplantado por nutrientes, etc.).
[00137] Em alguns exemplos, um pico de nutrientes pode ser necessário para manter níveis de um ou mais subconjuntos de população microbiana. Exemplos de nutrientes necessários periodicamente incluem: fosfato,enxofre, sulfeto de hidrogênio, sulfato, nitrato, ácido acético, CO2, O2, amônia, H2, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Co2+ e os seus sais, ou outro. Em outros exemplos, um pico de resíduos de neutralização pode ser necessário para manter níveis de um ou mais subconjuntos da população microbiana. Exemplos de componentes de neutralização de resíduo necessários periodicamente incluem: HCl, NaOH, bicarbonato de sódio, bicarbonato de cálcio, agentes quelantes, CO2, O2 ou outro.
[00138] Para as populações microbianas autossustentáveis em uma célula voltaica, os micróbios podem ser selecionados com base na sua utilização de substrato metabólico preferido ou seu produto de resíduos metabólicos preferidos. O emparelhamento de micróbios selecionados pode ser com base em metabolismos complementares. Em alguns exemplos, micróbios que têm um tipo de metabolismo predominante podem produzir produtos de resíduos metabólicos que servem como substratos (ou de outra forma satisfaçam alguns requisitos nutricionais) para outros micróbios tendo um segundo tipo de metabolismo predominante, assim, se pode dizer que um subconjunto microbiano é simbiótico com um segundo subconjunto microbiano. Tais pares de espécies microbianas são por vezes considerados como complementares. Em outros exemplos, uma célula voltaica pode conter uma diversificada população de micróbios em que metabolismos dois ou mais subconjuntos estão interagindo com os outros de uma forma simbiótica. O equilíbrio metabólico da população microbiana pode ser concebido ou sintonizado para proporcionar uma célula voltaica autossustentada.
[00139] Muitas vezes, os dois microrganismos a mais em um tampão podem ser caracterizados pelas suas vias metabólicas principais, o que explica o fato de que os microrganismos podem ter várias vias metabólicas, mas, em qualquer instante no tempo uma das vias é responsável por mais do metabolismo do que as outras. Concentrando nas vias metabólicas principais, em certas modalidades, os micróbios complementares têm vias metabólicas principais que, até certo ponto, são inversas uma da outra. Por exemplo, um organismo pode oxidar principalmente um determinado composto contendo N, C, S, ou P e um organismo complementar principalmente reduz o composto contendo N, C, S, ou P oxidado produzido pelo primeiro organismo. De fato, nenhum organismo oxida ou reduz exclusivamente; em vez disso, alguns oxidam compostos e reduzem outros. O emparelhamento de microrganismos complementares se concentra em substratos e produtos de resíduos de vias metabólicas principais. Idealmente, o produto de resíduos de um organismo é o composto contendo N, C, S, ou P oxidado, que é o substrato de um organismo diferente. Por sua vez, o segundo organismo reduz o composto oxidado para produzir o substrato do primeiro organismo. Em certas modalidades, os microrganismos complementares em um tampão em conjunto constituem pelo menos cerca de 50% do teor microbiano do tampão, ou, pelo menos, cerca de 70% do teor microbiano do tampão, ou, pelo menos, cerca de 90% do teor microbiano do tampão. Em certas modalidades, as vias metabólicas principais dos microrganismos complementares são vias respiratórias. Embora a discussão acima se concentre em dois microrganismos complementares, o conceito se estende, naturalmente, a três ou mais microrganismos complementares. Em alguns casos, dois ou mais microrganismos partilham a mesma via metabólica primária ou tem vias metabólicas principais semelhantes. Em outros casos, cada um de três ou mais microrganismos complementares em um tampão têm diferentes vias metabólicas principais, mas têm coletivamente pouco consumo líquido ou nenhum de substratos ou produtos de geração de resíduos. Por exemplo, um primeiro microrganismo pode consumir o composto A e produz o composto B; enquanto que um segundo microrganismo consome o composto B e produz o composto C; e um terceiro microrganismo consome o composto C e produz o composto A.
[00140] Uma vez que populações autossustentadas foram estabelecidas em uma célula voltaica, as condições ambientais (luz do dia, temperatura, etc.), tempo e taxa de retirada da corrente de elétrons pela célula voltaica e entrada da densidade de células microbianas pode ser controlada para manter simbiose. Seleção microbiana vai ajudar a gerar uma população "homeostática" sustentada com pouco volume de negócios, mas o controle de várias entradas e saídas também pode exigir regulação. Tal regulação pode ser empregada com o uso de sensores e circuitos de avaliação na célula voltaica para ajudar a manter o equilíbrio.
[00141] Os micróbios podem também ser selecionados com base no seu ambiente nativo. As águas marinhas e seus sedimentos subjacentes constituem a maior parte da biosfera. Elas são a chave para o ciclo biogeoquímico em nosso planeta; a composição de comunidades microbianas marinhas, o seu potencial e atividades metabólicas e suas interações com o meio ambiente continuam a ser mal compreendidas. Um esforço considerável tem sido dedicado ao estudo das comunidades planctônicas que habitam camadas eufóticas por métodos moleculares baseados em genômica e que complementam as abordagens baseadas em clássicos de cultivo. Na verdade, água do mar na superfície vem sendo um ambiente de escolha para estudos pioneiros de diversidade microbiana baseados na amplificação, clonagem e sequenciamento de genes de RNA da subunidade ribossômica pequena (SSU rRNA) para a diversidade de espécies e diversidade genômica crônica. No entanto, diferentes massas de água são dotadas com diferentes características físico- químicas. Tais diferenças são particularmente importantes em mares próximos, muito mais influenciado pela entrada costeira e características locais. Por exemplo, as águas do Mediterrâneo são muito diferentes das águas oceânicas abertas, e isto parece ser refletido no nível de metagenoma. A localização geográfica pode, assim, ser utilizada como critérios de seleção para seleção de micróbios para uma célula voltaica para uso em um ambiente geográfico determinado. Por exemplo, aberturas geotérmicas, fissuras, bacias hidrográficas salobras, sedimentos salobros, lagos, lagoas de sal, gelo glacial, sedimentos oceânicos, piscinas de ácido de Yellowstone, etc.
[00142] Nas células de combustível microbianas experimentais apresentadas na literatura, fontes de carbono apresentam um obstáculo dispendioso na geração de um sistema contínuo. Por exemplo, a utilização de organismos fermentativos de açúcar para alimentar as células de combustível microbianas e/ou sistemas de fermentação acaba sendo um custo proibitivo e não prático para escala. Portanto, em certas modalidades, as células voltaicas e tampões associados são substancialmente livres de organismos fermentativos tais como leveduras. Em algumas modalidades, as células voltaicas são substancialmente livres de organismos de fermentação de açúcar, tais como organismos de fermentação de glicose.
[00143] Seleção e uso de micróbios fototróficos de coleta de luz em combinação com micróbios quimiotróficos fornecem uma população mais sustentada para a duração de geração de corrente elétrica em uma célula voltaica. Em muitos fototróficos, um fóton de luz pode gerar 1-3 elétrons livres (em função da espécie microbiana), com os produtos residuais sendo CO2, O2, outros gases, moléculas inorgânicas, fontes de carbono orgânico e de outras moléculas como produtos residuais. Estes produtos residuais podem ser usados por micróbios quimiotróficos como fontes de energia.
[00144] Há uma diversidade significativa entre quimiotróficos, com fontes de energia documentadas em centenas de compostos químicos que vão desde gases, a metais, a compostos inorgânicos, a compostos orgânicos. A repartição da energia de ligação a partir destes grupos químicos e a geração de elétrons livres durante os processos catabólicos variam. Exemplos de faixas incluem 1 a mais do que 6 elétrons livres por molécula de partida, com os produtos de resíduos metabólicos sendo CO2, O2, outros gases, compostos orgânicos de carbono, moléculas inorgânicas, e outras moléculas como produtos residuais. Estes produtos residuais podem ser utilizados por outros quimiotróficos em uma população ou podem ser utilizados por alguns foto-heterotróficos em uma população.
[00145] O potencial de redução de ferro férrico com substratos fermentáveis, produtos de fermentação, e matéria orgânica complexa como doadores de elétrons foi investigada. Por exemplo, mesmo em sedimentos aquáticos de água doce e locais de água salobra, os micróbios têm demonstrado capacidades de fluxo de elétrons, em particular após o enriquecimento com glicose e hematita. Nestes exemplos, a redução do ferro era uma via de menor importância para o fluxo de elétrons e de produtos de fermentação acumulados, o qual pode ser usado por quimiotróficos em uma célula voltaica. A substituição de oxi-hidróxido férrico amorfo para hematite em enriquecimentos de glicose foi ainda mostrado para o aumento da redução de ferro de 50 vezes, porque os produtos de fermentação, também poderiam ser metabolizados com redução concomitante do ferro pelos quimiotróficos. Acetato, hidrogênio, propionato, butirato, etanol, metanol e trimetilamina também têm sido mostrados para estimular a redução de oxi-hidróxido férrico amorfo em enriquecimentos inoculados com sedimentos, mas não nos controles não inoculados ou mortos por calor em condições de laboratório. A adição de ferro férrico pode inibir a produção de metano em sedimentos. O grau de inibição da produção de metano por diversas formas de ferro férrico tem sido demonstrado que se relacionam com a eficácia destes compostos férricos como receptores de elétrons para o metabolismo quimiotrófico de acetato. A adição de acetato de hidrogênio para a população pode aliviar a inibição da produção de metano por ferro férrico. A redução de equivalentes de elétrons provenientes de metano em sedimentos suplementados com oxi-hidróxidos férricos amorfos podem ser compensados por um aumento correspondente de equivalentes de elétrons em ferro ferroso. Portanto, a redução de ferro pode competir fora das cadeias de alimento metanogênicas para matéria orgânica de sedimentos. Assim, quando oxi-hidróxidos férricos amorfos estão disponíveis nos sedimentos anaeróbios e/ou quando selecionados para utilização em células voltaicas, a transferência de elétrons a partir de matéria orgânica a ferro férrico pode ser a principal via para a decomposição da matéria orgânica e pode ser interrompida por sifões de elétrons ou outro receptor terminal de elétrons e, portanto, uma fonte de geração de corrente de elétrons para a célula voltaica.
[00146] Em outro exemplo, o gás ou fontes frias são enriquecidos em metano e podem ser visto diretamente como bolhas que saem do sedimento, ou podem ser detectados indiretamente pela presença de manchas escuras revelando áreas de atividade redox forte em que a redução de sulfato por micróbios ocorre logo abaixo da superfície. Essas manchas são frequentemente colonizadas por poliquetas siboglinid e bivalves provavelmente associadas a bactérias simbióticas e tapetes de bactérias oxidantes de sulfeto. Uma célula voltaica pode compreender uma população de micróbios simbióticos que equilibram a redução do sulfato e produção de metano de um sistema de tampão de sedimentos de água doce. Exemplos de bactérias redutoras de sulfato incluem Desulfobacter spp., Desulfococcus spp., Desulfovibrio spp., Erythrobacter spp., Thermotoga sp., Pyrobaculum spp., Roseobacter spp., Rhodoferax spp., Pelobacter spp., Carboxydothermus spp., Lawsonia spp., Methanococcus spp., Thermodesulfobacterium spp., Desulburacomonas spp. e outro. Exemplos de metanogenes são:. Methanococcus spp., Methanoculleus spp., Methanofollis spp., Methanopyrus spp., Methanosarcina spp., Methanosphaera spp., Methanothermobacter spp., e semelhantes.
[00147] Em ainda outro exemplo, gama-proteobactéria, que são os grupos mais abundantes em alto sedimento de diversidade bacteriano, pode ser misturada com uma fração de plâncton archael contendo Grupo I Crenarchaeota/ Thaumarchaeota, e pode ser misturado com Euryarchaeota do grupo I (por exemplo, Duboscquellida) e Grupo II (por exemplo, Syndiniales) alveolates e Radiozoa plâncton dominante, e Opisthokonta e Alveolates, sistema tampão de sedimentos.
[00148] Muitos outros exemplos podem existir por meio do metabolismo desejável, fisiologia celular, genes, condições de crescimento, taxas metabólicas e compatibilidade podem ser selecionados.
[00149] Enquanto muitos estudos de células de combustível microbianas em laboratório envolvem culturas microbianas puras que compreendem cepas domesticadas a partir de estoques congelados de glicerol, essas cepas podem não ser apropriadas para algumas células voltaicas como aqui divulgado. Em certas modalidades, as células solares empregam micróbios ambientais presentes no seu estado natural. Micróbios isolados e cultivados utilizando técnicas microbiológicas convencionais têm sido mostrados por ter perdido "aptidão", ou seja, eles perdem genes que eles não precisam mais em condições de laboratório. Tal como aqui utilizado, o termo "estado natural" se refere a micróbios tendo genótipos como encontrado no seu ambiente natural, antes de se tornar micróbios de laboratório ou industriais. Como tal, os micróbios em estado natural tendem a ser mais adequados do que os seus contrapartes de laboratório ou industriais. Em um exemplo, um ambiente sedimento é colocado numa célula voltaica. Em alguns exemplos, o sedimento ambiental é misturado com uma segunda amostra do meio ambiente antes da colocação em uma célula voltaica. Um objetivo do presente método é a de manter como muitos dos genes naturalmente observados quanto possível para maximizar a aptidão microbiana em estado natural em uma célula voltaica para a produção de corrente elétrica ótima. Uma segunda vantagem de utilizar micróbios em estado natural sobre micróbios cultivados em laboratório é a sua capacidade de resistir a estresses externos e tolerância ao estresse maior em relação aos micróbios cultivados em laboratório. A vantagem de ter uma população de partida começando com uma maior abundância do gene e repertório do gene aumentado permite que tenha muito mais chances para uma população autossustentada bem sucedida sendo gerada em uma célula voltaica, pois é muito mais difícil para um micróbio cultivado em laboratório gerar espontaneamente novos genes de um genoma menor do que é para selecionar para mutações modestas benéficas em genes pré-existentes.
[00150] Para os isolados ambientais e populações ambientais para utilização em células voltaicas, o teste da amostra do meio ambiente pode ser realizado utilizando métodos convencionais tais como espectroscopia,espectrometria de massa, sequenciação do gene e outros métodos para identificar a presença de produtos químicos desejáveis e/ou a presença de genes desejáveis conhecidos para participar em uma via bioquímica e/ou metabólica.
[00151] Por exemplo, pode-se olhar para determinados genes e seus respectivos produtos de proteínas que são considerados para o diagnóstico de determinadas vias enzimáticas e, portanto, para determinadas capacidades metabólicas. Estes incluíram subunidades de monoxigenase de amônia AmoA, AmoB e AmoC (nitrificação), 4-hidroxibutiril desidratase (fixação de CO2 pela via de 3-hidroxipropionato/4-hidroxibutirato), sulfito redutase dissimilatório subunidades DsrA e DsrB (respiração de sulfato), nitrito redutase dissimilatório subunidades NIRK e NIRS (respiração de nitrato), subunidades de nitrogenase NifH e NifD (fixação de nitrogênio), monóxido desidrogenase de carbono subunidades CoxLMS (oxidação de CO), RuBisCO (fixação de CO2), sulfatase (degradação de heteropolissacarídeos sulfonados), hidroxilamina oxidoredutase HAO (anammox), metil coenzima A redutase (oxidação anaeróbica de metano) e CP-liase (utilização de fosfonato). Análise seletiva de amostras ambientais para os genes desejados é um método para a determinação da composição desejável de micróbios em uma população para uso em uma célula voltaica.
[00152] Genes Arqueal amo eram abundantes no plâncton, sugerindo que Marmara planctônica Thaumarchaeota são os oxidantes da amônia. Genes envolvidos na redução de sulfato, oxidação de monóxido de carbono, anammox e sulfatases foram sobrerrepresentados no sedimento. As análises do recrutamento do genoma mostraram que “ecótipos de superfície” Alteromonas macleodii, Pelagibacter ubique e Nitrosopumilus maritimus foram altamente representados em 1000 m de plâncton de profundidade.
[00153] Em sedimentos anóxicos, redução do sulfato é geralmente acompanhada pela atividade de arqueas metanogênicas em camadas de sedimentos mais profundos. Em ambientes de fontes frias, tais como aqueles existentes em áreas localizadas do Mar de Mármara, algumas bactérias redutoras de sulfato são simbioticamente associadas a arqueas levando oxidação do metano anaeróbico. Pode ser procurada a presença de metil coenzima M redutase, que catalisa a etapa terminal em metanogênese e parece ter um papel também na metanogênese reversa, sendo característica de arqueas que metabolizam metano. Os genes que codificam para as subunidades de metil coenzima M de Methanosarcina barkeri (McrABCDG) e a da proteína de níquel envolvida na oxidação anaeróbica de metano (McrABG) a partir de um arquea sem cultivo foram utilizados como sementes contra os metagenomas escolhidos. No entanto, não foram detectadas hits. Isto está de acordo com ambos, o fato de que Ma29 correspondeu a sedimento de fundo "normal" não fortemente influenciada pela atividade escoar frio e com o fato de ter sido coletada a partir da superfície do núcleo do sedimento e, portanto, acima da camada de metanogênese.
[00154] Como Planctomycetes são relativamente abundantes nos sedimentos, é possível determinar a presença de genes que poderiam indicar a ocorrência de atividade de anammox do gene Kuenenia stuttgartensis que codifica a hidroxilamina oxidorredutase, uma das enzimas chave da reação de anammox. Este marcador e outros marcadores similares podem ser usados para identificar as amostras que contêm um grande número de oxidorredutases como uma fonte de transportadores de elétrons que podem ser capazes de serem acessadas por sifões de elétrons em uma célula voltaica.
[00155] Sulfatases são abundantes no genoma de R. baltica e, em geral, planctomycetes marinhos possuem um grande número destas enzimas, que elas podem utilizar para a decomposição inicial dos heteropolissacarídeos sulfatados, tendo, assim, um papel importante na reciclagem destes compostos oceânicos abundantes. Estes marcadores podem ser utilizados para determinar sulfato-recicladores, o que pode fornecer um meio de gerar fontes de enxofre bio- úteis a outros subconjuntos em uma célula voltaica.
[00156] A utilização de compostos de fosfonato foi recentemente proposta como uma importante fonte de fósforo nas águas marinhas de superfície empobrecidas de P, assim como em águas mais profundas ricas em P. Genes conhecidos, mas também novas vias para utilização de fosfonato são abundantes em bibliotecas de picoplancton metagenômica conforme deduzida a partir de exames funcionais. Estes marcadores podem ser usados para determinar o uso de fosfonato por micróbios em uma amostra, o que poderia proporcionar um meio de geração de fontes de fosfato bio- úteis para outros subconjuntos de uma célula voltaica.
[00157] A oxidação de CO a CO2 como fonte de energia alternativa ou complementar é generalizada em muitas bactérias marinhas, incluindo, nomeadamente, membros das altamente versáteis e abundantes do sub-tipo de Roseobacter. Genes de monóxido de carbono desidrogenase foram detectados em alta abundância relativa em águas profundas do Mediterrâneo, o que sugere que os micróbios do fundo do mar podem executar uma forma similar de lito- heterotrofia para a que mostrou por bacterioplâncton de superfície por oxidação de CO. O papel possível da oxidação de CO em águas profundas tem sido criticado porque a fonte de CO seria pouco clara a essa profundidade e porque monóxido de carbono desidrogenase também está envolvido em algumas vias do metabolismo C central, por exemplo, em metanogenes acetogênicos. No entanto, a atividade hidrotermal associada com cristas oceânicas e áreas vulcânicas submarinas, que são de fato bastante extensas no Mediterrâneo, constitui uma fonte muito provável de CO no fundo do mar. Além disso, a sequenciação de fosmídeos metagenômicos contendo genes de monóxido de carbono desidrogenase mostrou que eles são organizados em grupos que têm a estrutura típica de bactérias oxidantes de CO. Assim, lito-heterotrofia baseada na oxidação de CO pode realmente ser uma estratégia útil para ganhar energia livre também no fundo do mar. Isso pode ser aproveitado em uma célula voltaica, como micróbios selecionados empregando oxidação CO podem reduzir sifões de elétrons.
[00158] A amônia monoxigenase é a enzima chave na primeira etapa do processo de nitrificação. Thaumarchaeota são fatores importantes na oxidação de amônia para nitrito no solo e oceanos, como sugerido pela predominância de arquea sobre genes amoA bacterianos. No entanto, nem todos Thaumarchaeota de mar profundo possuem amoA, sugerindo que muitas arquea em alto mar não são os oxidantes de amônia quimiolitoautotróficos. Genes Amo podem, assim, ser utilizados como um marcador para micróbios oxidantes, que podem ser utilizados em um subcompartimento de uma célula voltaica para conduzir potenciação da célula voltaica.
[00159] Além disso, Ma101 Thaumarchaeota parecem ser quimiolitoautotróficas, como elas podem possuir o gene para a 4-hidroxibutiril desidratase, uma enzima chave na via de 3-hidroxipropionato/4-hidroxibutirato para fixação de CO2 autotrófica no grupo I arquea. Em adição a esta via de fixação de C, um número de micróbios em uma amostra pode conter a subunidade grande da RuBisCO (rbcL), indicando a presença dos mais ciclos de Calvin convencional para fixação de CO2. Estes micróbios podem ser utilizados em uma célula voltaica para geração de nutrientes para subconjuntos microbianos adicionais na célula voltaica.
[00160] Em outro exemplo, sequenciamento genômica e genética pode identificar micróbios compatíveis para o uso em uma célula voltaica. A partir de vários estudos utilizando análises de filogenética de sequências de DNA ribossomal (rDNA) de bibliotecas de genes feitas a partir de isolados ambientais, muitos afiliados de Delta- proteobactérias com a Desulfobacteraceae redutor de fosfato, mas também com diversas linhagens sem micróbios cultivados, o que sugere que alguns deles podem ser bons como redutores de sulfato. Entre as sequências de rDNA planctônicas Delta proteobacterial, várias foram identificadas a partir de SAR324 do grupo não cultivado. A ocorrência simultânea de genes para a redução de sulfato na mesma amostra sugere que o SAR324 são capazes de reduzir sulfato. Com efeito, a presença de certos genes metabólicos em clones metagenômicos e a abundância relativa deste grupo em águas pobres em oxigénio sugeriu que SAR324 pode corresponder a organismos anaeróbicos ou microaerófilos. Vantagens de se utilizar informações e métodos detalhados aqui englobam a seleção e utilização de micróbios Desulfobacteraceae e SAR324 em uma célula voltaica para geração de corrente elétrica.
Exemplos de micróbio
[00161] Em certas modalidades, a população do componente de antenas de coleta de luz é uma população de micróbios fotossintéticos, onde os micróbios fotossintéticos podem executar fotossíntese não oxigênica. Em certas modalidades, a população do componente de antenas de coleta de luz é uma população de micróbios oxigênicos fotossintéticos. No entanto, em outras modalidades, a população do componente de antenas de coleta de luz é uma mistura de micróbios oxigênicos e não oxigênicos fotossintéticos. Os micróbios fotossintéticos podem ser uma espécie, mas também podem ser de poli-espécies. Exemplos de tais micróbios e antenas de coleta de luz para utilização com as modalidades reveladas são listados na Tabela 1.
[00162] A população de células microbianas pode servir como um doador de elétrons. A população de células microbianas pode conter micróbios viáveis ou não viáveis fotossintéticos, micróbios não fotossintéticos, ou uma combinação de micróbios fotossintéticos e micróbios não fotossintéticos. A população de células microbianas pode conter 0-100% micróbios fotossintéticos. Em algumas modalidades, a população de células microbianas contém cerca de 35-80% de micróbios fotossintéticos. Em algumas modalidades, a população de células microbianas contém cerca de 100% micróbios não fotossintéticos. Micróbios fotossintéticos, se usados, podem ser uma população de espécies e/ou cepas heterogêneas. Em outras modalidades, a população microbiana fotossintética pode conter uma espécie homogênea ou uma cepa homogênea. Micróbios não fotossintéticos, se presentes, podem conter uma população de espécies e/ou cepas heterogêneas. Em outras modalidades, os micróbios não fotossintéticos podem conter uma espécie homogênea ou uma cepa homogênea.
[00163] Em algumas modalidades, uma composição da população de células microbianas pode ser gerada através da mistura de proporções de espécies microbianas diferentes; diferentes isolados ambientais; diferentes amostras ambientais; ou outro em que cada espécie; isola; amostra ambiental tem uma absorbância (s) espectral de comprimento de onda distinto e necessidade de crescimento que pode ser otimamente compatível com um clima desejado. Critérios de seleção para gerar a população de micróbios podem incluir: comprimento de onda de espectro de excitação, termofilicidade, halofilicidade, perfil anaeróbico, necessidades nutricionais, compatibilidade e outros. Em algumas modalidades, uma célula voltaica contém diferentes espécies ou cepas microbianas que se complementam uma a outra em termos de qualquer um ou mais destes critérios. Por exemplo, duas espécies podem ter termofilicidades e halofilicidades e semelhantes, mas diferentes necessidades nutricionais.
[00164] Uma célula voltaica usada para a conversão da energia luminosa em energia elétrica pode conter uma população de células microbianas, incluindo uma combinação de micróbios fotossintéticos e micróbios não fotossintéticos, onde os micróbios fotossintéticos superam os micróbios não fotossintéticos em cerca de razão de 1,5:1; onde os micróbios fotossintéticos superam os micróbios não fotossintéticos em cerca de uma razão 3:1; onde os micróbios fotossintéticos superam os micróbios não fotossintéticos em uma razão de cerca de 5:1; onde os micróbios fotossintéticos superam os micróbios não fotossintéticos em razão de cerca de 500:1; onde os micróbios fotossintéticos superam os micróbios não fotossintéticos em razão de cerca de 5.000.000:1; ou varia entre quaisquer dois dos valores acima. Em algumas implementações, os micróbios fotossintéticos superam os micróbios não fotossintéticos, na razão de cerca de 1,5:1 a cerca de 100:1. Uma célula voltaica pode ser utilizada para a conversão de energia celular a energia elétrica e contém uma população de células microbianas contendo uma combinação de micróbios não fotossintéticos. Uma célula voltaica pode ser utilizada de uma forma flexível para converter a energia luminosa em energia elétrica, de tempos a tempos e para converter a energia celular a energia elétrica de tempos a tempos contém uma população de células microbianas contendo uma combinação de micróbios não fotossintéticos e micróbios fotossintéticos.
[00165] O arranjo da população de células microbianas, em uma célula voltaica pode variar com base no uso. As células microbianas podem ser dispostas em solução; em uma camada de sedimentos; em mais do que uma camada; em um revestimento; conjugado com a superfície de um sifão de elétrons; conjugado com a superfície de um material condutor de elétrons; conjugado com um fio ou outro coletor de corrente; ou outro. As células microbianas podem ser dispostas entre sifões condutores de elétrons e outro material condutor de elétrons (que podem ser parte de um sifão); podem ser dispostas em camadas alternadas com sifão condutor de elétrons; podem ser dispostas em camadas alternadas com material condutor de elétrons; podem ser dispostas em camadas alternadas com elétrons com sifão condutor de elétrons e material condutor de elétrons. Em algumas modalidades, a população de células microbianas pode ser disposta perto da superfície exterior do recipiente. Em outras modalidades, a população de células microbianas pode ser contida dentro de uma porção do recipiente.
[00166] Em alguns aspectos da invenção, a população de células microbianas pode ser disposta em camadas em uma célula voltaica; as camadas das quais podem conter micróbios com especificidades na faixa de comprimento de onda absorvendo luz semelhante. Em alguns exemplos, a ordem das camadas sobre a camada mais externa do recipiente pode ser: micróbios que absorvem infravermelho em seguida micróbios que absorvem luz vermelha em seguida micróbios que absorvem luz laranja, em seguida micróbios que absorvem luz amarelo claro, em seguida micróbios que absorvem luz verde, em seguida micróbios que absorvem luz azul em seguida, a luz violeta absorver micróbios, em seguida micróbios que absorvem luz ultravioleta ou outra progressão de frequência ao longo do espectro eletromagnético. Mais geralmente, outros arranjos de comprimento de onda em cascata podem ser utilizados para as antenas de coleta de luz, micróbios, e características de absorção de radiação do tampão.
[00167] Uma diversidade de micróbios pode doar elétrons a um eletrodo ou aceitar elétrons de um eletrodo, a qual é aqui incorporada por referência na sua totalidade. Em alguns casos, a facilitação de transferência de elétrons artificial não é necessária. Shewanella oneidensis interage com eletrodos principalmente via flavinas que funcionam como serviços de transporte de elétrons solúveis. Geobacter sulfurreducens contata eletricamente eletrodos via exterior da superfície, de citocromos tipo C. G. sulfurreducens também é capaz de transporte de elétrons de longo alcance ao longo de pili, conhecido como nanofios microbianos que têm condutividade do tipo metálica semelhante ao anteriormente descrito em polímeros condutores sintéticos. Redes pili conferem condutividade a biopelículas de G. sulfurreducens, que funcionam como um polímero condutor, com funcionalidades de supercapacitores e transistor. Os mecanismos pelos quais Geobacter sulfurreducens transfere elétrons através de biopelículas relativamente grossas (> 50 micrômetros) para os eletrodos agindo como um único receptor de elétrons têm sido recentemente investigados. As biopelículas de Geobacter sulfurreducens produzidas em sistemas de fluxo com eletrodos de grafite como o receptor de elétrons ou sobre a mesma superfície de grafite, mas com fumarato como o único receptor de elétrons foram demonstradas gerar corrente elétrica. Microrganismos condutores e/ou seus nanofios têm várias aplicações práticas potenciais, mas a pesquisa básica adicional será necessária para a otimização racional. Dispositivos de sifão de elétrons são descritos para transferência de elétrons mais eficiente entre um micróbio e um eletrodo. Também descritos são dispositivos de sifão de elétrons para uma célula voltaica. Por último, descritas são as células voltaicas para a água.
Exemplos de lipossomas
[00168] Uma população de lipossoma de coleta de luz com moléculas de antenas de coleta de luz (tais como aquelas na Tabela 2).
[00169] Os exemplos incluem componentes de lipossomas esteroila e distearoila tipos de fosfatidil colina, dipalmitoil e palmitoíla tipos de fosfatidil colina, fosfatidil glicerol e colesterol. O fosfatidil glicerol e/ou colesterol podem ser adicionados ao lipossoma para conferir estabilidade de temperatura melhorada.
[00170] Uma população incluindo uma mistura de lipossomas de antenas de coleta de luz, os lipossomas contendo uma razão molar de 10:8:2 de diestearoil fosfatidil colina: distearoil fosfatidil glicerol: colesterol; as antenas de coleta de luz contendo uma mistura de um bacterioclorofila a, bacterioclorofila b, bacterioclorofila c, bacterioclorofila d, espiriloxantina, proteorodopsina, clorofila a e clorofila b.
[00171] Uma população pode conter uma razão de 1:1 de membranas preparadas e lipossomas. A maioria otimamente, a população contém uma razão de 1:10 de membrana preparada para lipossoma.
[00172] Uma população de micróbios fotossintéticos misturados com lipossomas de coleta de luz, onde os micróbios fotossintéticos podem executar fotossíntese oxigênica e/ou não oxigênica.
Antenas de coleta de luz - Vários exemplos
[00173] Exemplos de organismos e as suas respectivas antenas de coleta de luz estão listados na Tabela 1. TABELA 1. Exemplos de componentes de antenas de coleta de luz derivados do micróbio.
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Tabela 2: Antenas e capacidade de coleta luminosa
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Fontes de antenas de coleta luminosa Fontes de ocorrência natural
[00174] Populações de componentes de antenas de coleta de luz podem ser cultivadas e colhidas a partir de lagoas naturais ou sintéticas, colunas de crescimento em grande escala com meios de cultura em condições de laboratório convencionais, condições de fabricação de aumento em escala, e leitos de painéis solares fotovoltaicos.
[00175] Os micróbios e derivados de micróbio das modalidades descritas podem ser isolados a partir de um ou mais localização geográfica, e de um ou mais do clima por métodos microbiológicos correntes incluindo a cultura com um meio definido, o cultivo no ambiente natural e cultivo numa fazenda com painel solar.
Preparação para uma célula de conversão de energia
[00176] A população de componente de antenas de coleta de luz pode incluir membranas com antenas de coleta de luz derivadas de micróbios fotossintéticos. As membranas podem ser preparadas a partir de micróbios por sonicação, prensa hidráulica, prensa de pressão, enzimática, banho hipotônico ou outro método mecânico ou químico-mecânico convencional. As membranas podem ser misturadas com uma mistura de antioxidante e solvente tamponado, tal como um tensoativo não iônico antes da adição à solução tamponada com eletrólito das modalidades divulgadas. As membranas podem ser preparadas a partir de uma ou mais espécies microbianas fotossintéticas capazes de fotossíntese oxigênica e/ou não oxigênica. As membranas podem ser preparadas a partir de micróbios fotossintéticos específicos separadamente e podem ser misturados em uma razão desejada para permitir capacidades de coleta de luz ao longo de intervalos de comprimentos de onda de luz.
Variantes de fontes que ocorrem naturalmente
[00177] Os micróbios e derivados de micróbios para utilização com as modalidades divulgadas pode também ser geradas por engenharia genética para produzir uma ou mais variantes microbiana com níveis aumentados de antenas de luz e capacidades aumentadas de coleta de luz para a coleta aumentada de luz.
[00178] O componente de antenas de coleta de luz pode adicionalmente incluir uma ou mais espécies microbianas fotossintéticas geneticamente moduladas com aumento do número de componentes de antenas de coleta de luz por unidade de área da membrana. Os micróbios geneticamente modulados podem ser induzidos para aumentar a expressão do gene para aumentar a produção de antenas de coleta de luz em uma população de micróbios. Métodos para induzir o aumento da expressão do gene incluem, mas não estão limitados a: gene knock-ins por transpósons, de recombinação de DNA de transgenes por DNA de plasmídeo, micro-RNAs, RNAs de ativação de gene, co-incubação com células doadoras para promover a conjugação e transdução do fago.
MEIOS DE ANTENAS DE COLETA DE LUZ - TAMPÕES
[00179] O sistema de tampão pode ser em forma líquida gel ou pasta, e pode, em certas modalidades, conter sais, agentes de tamponamento, nutrientes, agentes de espessamento, e um ou mais outros componentes. Em algumas modalidades, um sistema de tampão também pode conter pigmentos ou antenas similarmente simples de coleta de luz. Em certas modalidades, um tampão inclui um doador de elétrons, um redutor, um sal, um aminoácido, um agente de tamponamento do pH, uma fonte de carbono, uma fonte de nitrogênio, uma fonte de enxofre, uma fonte de oxigênio, minerais, um cofator de vitamina, ou uma combinação de quaisquer dois ou mais dos anteriores. Em geral, a composição do tampão suporta a manutenção da população de antenas de coleta de luz ao longo do tempo. Além disso, o tampão pode apoiar a manutenção da população de antenas de coleta de luz em um sistema fechado em um ou mais do clima.
[00180] Os sais podem estar presentes em concentrações variando entre cerca de 1O picgrams/L a cerca de 30 gramas/L; desde cerca de 10 microgramas/L a cerca de 500 miligramas/L; desde cerca de 50 microgramas/L a cerca de 50 miligramas/L; e de cerca de 15 microgramas/L a cerca de 5 miligramas/L. Em algumas modalidades, os sais estão presentes em concentrações que promovam propriedades eletrolíticas desejadas, tais como nível de condutividade iônica, nível de nutrientes, etc. Em algumas modalidades, os sais são escolhidos pela sua elevada condutividade iônica.
[00181] Exemplos de sais que podem ser utilizados incluem cloreto de alumínio, fluoreto de alumínio, amônia, bicarbonato de amônia, cromato de amônia, cloreto de amônia, dicromato de amônia, hidróxido de amônia, nitrato de amônia, sulfito de amônia, sulfeto de amônia, sulfato de amônia, perssulfato de amônia, perclorato de amônia, ácido bórico, pentafluoreto de bromo, cloreto de cádmio, nitrato de cádmio, seleneto de cádmio, sulfato de cádmio, sulfeto de cádmio, cloreto de cálcio, cromato de cálcio, cianamida de cálcio, fluoreto de cálcio, ácido carbônico, cloreto de crómio, sulfato de crómio, cloreto de cromo, óxido de cromo, sulfato de cromo, carbonato de cobalto, cloreto de cobalto, sulfato de cobalto, cloreto de cobre, óxido de cobre, sulfeto de cobre, carbonato de cobre, nitrato de cobre, cloreto de hidrogênio, fluoreto de hidrogênio, sulfureto de hidrogênio, ácido iódico, cloreto de ferro, óxido de ferro, nitrato de ferro, tiocianato de ferro, carbonato de magnésio, cloreto de magnésio, óxido de magnésio, fosfato de magnésio, sulfato de magnésio, fosfato de magnésio, óxido de manganês, sulfato de manganês, cloreto de manganês, fluoreto de manganês, fosfato de manganês, carbonato de níquel, cloreto de níquel, nitrato de níquel, hidróxido de níquel, óxido de níquel, ácido nítrico, ácido perclórico, pentabrometo de fósforo, pentafluoreto de fósforo, pentasulfeto de fósforo, tribrometo de fósforo, trifluoreto de fósforo, triiodeto de fósforo, cloreto de platina, fluoreto de alumínio e potássio, borato de portássio, brometo de potássio, cloreto de cálcio e potássio, nitrato de potássio, perclorato de potássio, permanganato de potássio, sulfato de potássio, sulfeto de potássio, cromato de prata, nitrato de prata, óxido de prata, sulfato de prata, sulfeto de prata, aluminato de sódio, borato de sódio, bromato de sódio, carbonato de sódio, cloreto de sódio, bicarbonato de sódio, hidrogenossulfeto de sódio, hidróxido de sódio, hipoclorito de sódio, manganito de sódio, nitrato de sódio, nitrito de sódio, periodato de sódio, perssulfato de sódio, fosfato de sódio, sulfato de sódio, sulfito de sódio, tiocianato de sódio, dióxido de enxofre, ácido sulfúrico, cloreto de estanho, cloreto de titânio, carbonato de uranila, brometo de zinco, carbonato de zinco, cloreto de zinco, fluoreto de zinco, iodeto de zinco, óxido de zinco, sulfato de zinco, sulfeto de zinco e outros.
[00182] Os nutrientes no tampão são escolhidos para manter uma população microbiana em um estado produtivo. Como exemplos, o componente de nutrientes pode conter todos ou alguns de: nitratos, nitritos, amoníaco, sulfato, sulfito, fosfato, carbonato, aminoácidos, açúcares, peptona, casitona, vitaminas, minerais, metais e outros componentes que suportam o crescimento microbiano e metabolismo. As concentrações de nutrientes podem variar desde cerca de 30 picgrams/L a cerca de 300 gramas/L; desde cerca de 1 micrograma/L a cerca de 500 miligramas/L; a partir de cerca de 50 microgramas/L a cerca de 30 miligramas/L e a partir de 15 microgramas/L a cerca de 5 miligramas/L.
[00183] Os pigmentos podem ser doadores de elétrons e/ou fornecer outros papéis. Eles absorvem a luz específica do comprimento de onda e refletem ou transmitem a luz em comprimentos de onda não absorvidos. Pigmentos podem melhorar a captação da energia luminosa; pode refletir a luz para o meio ambiente dentro do recipiente; pode refletir a luz a antenas de coleta de luz vizinhas; podem refletir a luz para um micróbio vizinho; pode transmitir a luz para o meio ambiente dentro do recipiente; pode transmitir a luz a antenas vizinhas de coleta de luz; pode transmitir a luz para um micróbio vizinho; pode subtrair (filtro) um ou mais faixas de comprimentos de onda de luz; e/ou servir outros papéis. Como exemplos, os pigmentos podem ser: pigmentos metálicos, tais como pigmentos contendo cádmio, cromo, cobalto, níquel, manganês, ferro, titânio, zinco, cobre e outros; pigmentos à base de carbono, tais como negro de fumo, preto marfim, e outros; pigmentos de argila da terra; pigmentos ultramarinhos; pigmentos orgânicos biológicos, como índigo, vermelho da Índia, púrpura de Tiro, e outros; e outros pigmentos biológicos e sintéticos. Em algumas modalidades, os pigmentos podem estar ausentes do sistema de tampão. Em algumas modalidades, os pigmentos podem estar presentes em concentrações que variam entre cerca de 5% a cerca de 90% em peso/volume (p/v); desde cerca de 15% a cerca de 70% (p/v); desde cerca de 25% a cerca de 60% (p/v); desde cerca de 35% a cerca de 50% (p/v) do sistema de tampão.
[00184] O tampão pode incluir nutrientes de outra forma tratados como resíduos. Um exemplo é de águas residuais. Compostos contendo carbono nas águas residuais podem ser usados por micróbios para produzir elétrons.
SIFÕES DE ELÉTRONS
[00185] Sifões de elétrons podem conter porções receptoras de elétrons que aceitam elétrons de outras entidades e transporte tais elétrons por uma estrutura de condutor e/ou semicondutor. Os sifões de elétrons podem possuir um ou mais, tais porção receptoras de elétrons podem ser capazes de aceitar um ou mais elétrons concorrentemente. Em certas modalidades, sifões de elétrons contêm locais de acoplamento de membrana para o sifão eficiente de elétrons a partir de doadores de elétrons contendo membrana, que podem ser entidades livres ou parte de uma outra estrutura, tais como antenas de coleta de luz; micróbios; proteínas de transporte de elétrons; e outras porções em ou justapostas a membrana de um micróbio; um componente da membrana; uma vesícula; um cloroplasto; uma mitocôndria ou outro. De modo mais geral, sifões de elétrons podem conter porções para facilitar o encaixe ou simples contato com doadores de elétrons de qualquer forma.
[00186] Os componentes de sifões de elétrons podem ser feitos de material que contenha um ou mais proteínas transportadoras de elétrons, polímeros, compósitos, ligas e misturas de carbono, carbono, silício, metais, coloidais, cerâmica, cobre, zinco, grafite, aço inoxidável, óxido de titânio, pigmentos, antenas de coleta de luz, cloroplastos, mitocôndrias, moléculas de transporte de elétrons, outras moléculas receptoras de elétrons, e combinações de quaisquer destes. Em alguns contextos, os sifões de elétrons podem ser vistos como ambos receptores de elétrons e como doadores de elétrons; eles dirigem elétrons dos doadores em um tampão em direção a um coletor de corrente em uma célula voltaica. Em algumas modalidades, os sifões de elétrons servem como um sistema de relê de elétrons entre o doador de elétrons inicial e o coletor de corrente. Exemplos de materiais estruturais de sifão de elétrons incluem o carbono, proteínas de transporte de elétrons, polímeros, compósitos, ligas e misturas de carbono, sílica, metais, pigmentos, cobre, zinco, aço inoxidável, óxido de titânio e semelhantes.
[00187] Sifões de elétrons podem conter estruturas amorfa, cristalina, ou parcialmente cristalina. As estruturas podem ter uma espessura que é um único átomo de espessura ou múltiplos átomos de espessura. Em algumas modalidades, sifões de elétrons têm uma forma unitária, enquanto que em outras modalidades são montadas, e, por vezes reunidas em um complexo. Sifões de elétrons podem ser em forma de tubos, fios, espirais, cerdas, placas, aparas, pontos, partículas, esferas, folhas, membranas, malha, mantas, redes e semelhantes. Os formatos de sifão de elétrons podem incluir uma população mista de dois ou mais destes. Além disso, cada um sifão de elétrons pode incluir um ou mais fio, linha, fibra, tubo, ponto, placa, partículas ou outro elemento que contém um ou mais polímero de carbono, de metal, metaloides, coloidal ou outra estrutura capaz de transporte de elétrons. A população de sifões de elétrons pode incluir uma população de: tubo, arame, partícula, ponto, fibra, placa, rede ou outro.
[00188] Vários sifões de elétrons podem ser agrupados em uma superestrutura tal como uma ordem, uma matriz, uma suspensão, uma ou mais camadas, um polímero, etc. Com outros elementos da célula voltaica, tais como o tampão, os sifões podem assumir muitos tipos de estrutura tal como um gel, um copolímero, uma pasta, um arranjo semissólido, e qualquer outra ordenada ou aleatória.
[00189] Sifões de elétrons têm um tamanho apropriado para seu papel (por exemplo, a condução de elétrons na célula e/ou aceitar elétrons de doadores). Às vezes, eles são dimensionados para fazer a interface com doadores de elétrons. Em algumas modalidades, os sifões são da ordem do tamanho das células, ou menores, por exemplo, dezenas de microns até à escala nanométrica. Em algumas implementações, os sifões têm um diâmetro médio de cerca de 1-20 nm (por exemplo, cerca de 4-5 nm) e um comprimento médio de cerca de 10-50 um (por exemplo, cerca de 30 um). Sifões deste tamanho podem ser dispostos sobre a superfície externa de um micróbio. Em certas implementações empregando sifões sintéticos, os sifões podem ter diâmetros de cerca de 2-10 nm. Conjuntos de tais sifões podem ter dimensões de cerca de 50-100 nm. Exemplos de sifões sintéticos incluem polímeros Pila recombinantes com 4-5 nm de diâmetro e comprimentos de 30-80 um. Outros exemplos de sifões sintéticos incluem pontos quânticos, fios quânticos, poços quânticos, nanotubos, nanofios, e afins. Sifões de elétrons têm tipicamente dimensões da ordem dos nanômetros, mas outras escalas de tamanho, tais como micrômetros e milímetros podem ser empregados.
[00190] Exemplos de estruturas que podem ser usados para a realização de nanoestruturas condutoras de elétrons incluem nanopartículas, nanopós, nanotubos, nanofios nanobastões, nanofibras, pontos quânticos, dendrímeros, nanoaglomerados, nanocristais e nanocompósitos. As estruturas podem ser feitas de qualquer um de vários materiais, incluindo as proteínas do transportador de elétrons, polímeros, compósitos, carbono (por exemplo, fulerenos), silício, metal (por exemplo, cobre), ligas de metais (por exemplo, aço inoxidável), cerâmica, óxido de titânio, etc.
[00191] Os sifões de elétrons podem ter uma composição uniforme ou não uniforme. Em uma modalidade puramente uniforme, o componente transportador de elétrons e elemento receptor de elétrons são intimamente misturados através do sifão. Como um exemplo de um sifão de elétrons não uniforme, a estrutura contém uma haste condutora como um substrato de suporte e ser uniformemente revestido com uma porção receptora de elétrons e porção de acoplamento. Em outro exemplo, as porções de acoplamento e/ou receptores de elétrons podem estar localizadas em um lado ou região do substrato condutor. Tais estruturas de sifão podem ser produzidas por um mecanismo de processamento de orientação específica, tal como um processo que alinha as hastes ferromagnéticos (um conjunto de estruturas de suporte de sifão) em uma orientação comum durante a aplicação de uma porção de recepção de elétrons e/ou porção de acoplamento.
[00192] Sifões de elétrons podem conter uma ou mais subunidades através do qual a subunidade de componente é montada com um doador de elétrons. Em algumas modalidades, uma subunidade de sifão de elétrons está ligada a um doador de elétrons. Em algumas modalidades, as subunidades de sifão de elétrons estão ligadas a uma matriz ou outra montagem e ligadas a doadores de elétrons. Em algumas modalidades, as subunidades de sifão de elétrons são conectadas individualmente a doadores de elétrons, a combinação dos quais podem, então, ser ligados a outros sifões de elétrons. Conforme explicado, sifões de elétrons podem conter um material condutor ou semicondutor para o transporte de elétrons aceito ou coordenados com outra estrutura do sifão. Um sifão de elétrons pode aceitar e coordenar um ou mais elétrons, simultaneamente na presença de um doador de elétrons. Um sifão de elétrons pode doar um ou mais elétrons na presença de um aceitador de elétrons.
[00193] A propensão de um sifão de elétrons aceitar e coordenar um ou mais elétrons pode, em parte, ser determinado pela energia requerida para o potencial de elétrons aceitando ou coordenando porções para receber um elétron de um doador. As porções de coordenação dos elétrons do sifão de elétrons pode ter negatividade total menos do que os doadores de elétrons. Sifões de elétrons podem conter negatividade total menos do que os doadores de elétrons e conter total mais negatividade do que os receptores de elétrons. Exemplos de porções de coordenação de elétrons incluem: arginina, lisina, poli-arginina, poli- lisina, amônio, tetrabutilamônio, quinonas, ubiquinonas, bifenilas, 2,2'-bipiridinas, grupos azo, grupos amina, grupos NO2, grupos CN, naftalimida, [60] fulerenos, politiofenos, terpiridina, grupos imida, grupos de poli- imida, seu derivado, ou outro.
[00194] Porções de coordenação de elétrons podem ser conjugadas com outros componentes de um sifão de elétrons por diferentes químicas de acoplamento para produzir uma ligação covalente entre o sifão de elétrons e a porção de coordenação de elétrons.
[00195] Sifões de elétrons podem ser projetados para encaixar, mas não perfurar (ou de outra forma lisar) micróbios ou membranas com que eles interagem. Os sifões podem agir como apêndices benignos que sifão de elétrons gerados metabolicamente ou por fotossíntese. Sifões de elétrons pode conter uma porção de acoplamento. Porções de acoplamento podem ter uma afinidade para um doador de elétrons ou uma espécie contendo um doador de elétrons. Exemplos de partes de acoplamento incluem os anticorpos e os seus componentes (por exemplo, fragmentos F(ab) e F(ab')2), domínios de proteína, colesterol, fosfatidilinositida, fosfolipídeos, lípido A, lipopolissacarídeo, manano, lipoarabinomanano, ácido lipoteicoico, pilina, PilA , e similar. Em certas modalidades, as porções de acoplamento são conjugadas com o sifão de elétrons a um ou mais resíduos de superfície para permitir a formação de uma ligação covalente.
[00196] Em certas modalidades, para encaixar com uma membrana, o sifão pode ter uma porção hidrofóbica. No entanto, toda a estrutura do sifão não deve ser hidrofóbica uma vez que pode causar a perfuração da estrutura a membrana. Portanto, em certas modalidades, uma porção da estrutura de sifão é hidrofóbica e outra porção não é hidrófoba. Em algumas implementações, a porção não hidrofóbica da estrutura de sifão é carregada, quer carregada positivamente ou carregada negativamente. Uma carga positiva pode ser empregada para atrair elétrons dos componentes de transporte de elétrons na membrana para o sifão.
[00197] Se a estrutura de base do sifão é hidrofílica (por exemplo, sifão de estruturas de metal), que não precisa ser positivamente carregada. Em vez disso, uma porção é tornada hidrofóbica para promover o encaixe da membrana. Se a estrutura de base do sifão é hidrofóbica (por exemplo, um sifão de estruturas de carbono), que não necessita de tratamento para tornar hidrofóbica. Em vez disso, pode ser tratada para se tornar uma porção de carga positiva.
[00198] Em certas modalidades, a estrutura de base de sifão de elétrons é tratada para dar uma carga positiva total em um tampão neutro. Isto pode ser apropriado, quando o sifão é hidrofóbico. Exemplos de materiais de sifão hidrofóbicos incluem carbono (por exemplo, nanoestruturas de carbono), hidrofóbicos acrílicos, amidas, imidas, carbonatos, dienos, ésteres, éteres, fluorocarbonetos, olefinas, estirenos, acetais de vinila, cloretos de vinila, cloretos de vinilideno, ésteres de vinila, éteres de vinila, cetonas, polímeros de vinilpiridina e polímeros de vinilpirrolidona. Materiais de sifão de elétrons podem ser covalentemente conjugado a citocromo tipo ac, arginina, poliarginina, lisina, polilisina, protaminas, histonas, aglomerados de ferro-enxofre, de ferro (III), e semelhantes. Materiais de sifão de elétrons podem ter as suas superfícies com porções de metais tais como cádmio, zinco, zircônio, molibdênio, manganês, magnésio, ferro, platina, cobre, ródio, ósmio, irídio, e semelhantes. Além disso, materiais de sifão de elétrons podem ter suas superfícies modificadas com outros componentes de ligação de elétron com (i) uma carga positiva total, (ii) capacidades de ligação a elétrons e (iii) capacidade de neutralizar os efeitos tóxicos de materiais condutores sintéticos convencionais (por exemplo, nanotubos de carbono). Modificação de materiais sintéticos condutores de elétrons pode ser realizada por técnicas convencionais de conjugação química incluindo click química e reticulação química envolvendo ataque nucleofílico e a formação da ligação covalente entre o material condutor e a porção de ligação de elétrons com positivamente carregada. Outros métodos podem incluir o uso de irradiação UV para induzir a ativação de um nucleofílico para gerar uma ligação covalente de modo a formar entre o material condutor de elétrons e a porção de ligação com carga positiva, também conhecida como a foto-reticulação. Geralmente, a modificação abrange apenas uma porção da estrutura de sifão (por exemplo, apenas uma porção de extremidade da mesma).
[00199] Tal como mencionado, sifões de elétrons podem ter uma porção hidrofóbica para facilitar a interação com um micróbio, membrana microbiana, vesícula, ou outros componentes transportador de elétrons contendo derivado de membrana. Se o material de base não é hidrofóbico, a modificação deve produzir uma porção hidrofóbica. Tais porções hidrofóbicas podem ser geradas pela conjugação covalente de esteróis tais como colesterol, lipídeos de glicerol-éter contendo cadeias isoprenoides, ciclopropanos e ciclo-hexanos ou lipídeos de glicerol-éster tais como o lipídeo A, fosfatindilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol, esfingomielina e fosfatidilglicerol. Exemplos de materiais que podem exigir um tratamento hidrofóbico incluem nanoestruturas de metal, metaloides, coloides, nanoestruturas, compósitos, polímeros hidrofílicos, tais como polissacarídeos, poliaminas, proteoglicanos, anticorpos e semelhantes.
[00200] Em um exemplo, o acoplamento de porções biológicas e bioquímicas para possibilitar a atividade do sifão de elétrons e/ou conectividade a um ou mais doadores de elétrons é conseguido através de ativação ácida seguido de adição de carbodiimida, amidação, cloridrato de 1-etil- 3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimida, N-hidroxisuccinimida, ou outro.
[00201] Em alguns aspectos, uma população de células microbianas é misturada com a população de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, a população de células microbianas pode ser misturada com a população de sifão de elétrons a cerca de uma razão de cerca de 1:1; uma razão de cerca de 1:2; uma razão de cerca de 1:3 proporção; uma razão de cerca de 1:4; uma razão de cerca de 1:5; uma razão de cerca de 1:6; uma razão de cerca de 1:7; uma razão de cerca de 1:10 e uma razão de cerca de 1:30.
[00202] Em algumas modalidades, uma população de antenas de coleta de luz pode ser misturada com a população de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, a população de antenas de coleta de luz pode ser misturada com a população de sifão de elétrons a uma razão de cerca de 1:0,5; uma razão de cerca de 1:1; uma razão de cerca de 1:2; uma razão de cerca de 1:3; e uma razão de cerca de 1: 4.
[00203] Em algumas modalidades, a população de sifão de elétrons pode ser misturada com a população de células microbianas e pode ser misturada com a população de antenas de coleta de luz. A população de antenas de coleta de luz pode conter antenas que ocorre artificial e/ou naturalmente que absorvem luz em faixas de comprimento de onda que complementam o padrão de absorção da população de células microbianas. Em algumas modalidades, a população de sifão de elétrons pode ser misturada com a população de células microbianas e pode ser misturada com a população de antenas de coleta de luz a uma razão de cerca de 0,5:1:1; uma razão de cerca de 1:1:1; uma razão de cerca de 2:1:1; uma razão de cerca de 3:1:1; uma razão de cerca de 4:1:1; uma razão de cerca de 5:1:1; uma razão de cerca de 6:1:1; uma razão de cerca de 10:1:1; uma razão de cerca de 15:1:1; uma razão de cerca de 30:1:1; uma razão de cerca de 40:1:1; uma razão de cerca de 0,5:1:2; uma razão de cerca de 1:1:2; uma razão de cerca de 2:1:2; uma razão de cerca de 3:1:2; uma razão de cerca de 4:1:2; uma razão de cerca de 5:1:2; uma razão de cerca de 6:1:2; uma razão de cerca de 10:1:2; uma razão de cerca de 15:1:2; uma razão de cerca de 30:1:2; uma razão de cerca de 40:1:2; uma razão de cerca de 0,5:1:3; uma razão de cerca de 1:1:3; uma razão de cerca de 2:1:3; uma razão de cerca de 3:1:3; uma razão de cerca de 4:1:3; uma razão de cerca de 5:1:3; uma razão de cerca de 6:1:3; uma razão de cerca de 10:1:3; uma razão de cerca de 15:1:3; uma razão de cerca de 30:1:3; uma razão de cerca de 40:1:3; uma razão de cerca de 0,5:1:4; uma razão de cerca de 1:1:4; uma razão de cerca de 2:1:4; uma razão de cerca de 3:1:4; uma razão de cerca de 4:1:4; uma razão de cerca de 5:1:4; uma razão de cerca de 6:1:4; uma razão de cerca de 10:1:4; uma razão de cerca de 15:1:4; uma razão de cerca de 30:1:4; uma razão de cerca de 40:1:4; uma razão de cerca de 0,5:1:4; uma razão de cerca de 1:1:4; uma razão de cerca de 2:1:4; uma razão de cerca de 3:1:4; uma razão de cerca de 4:1:4; uma razão de cerca de 5:1:4; uma razão de cerca de 6:1:4; uma razão de cerca de 10:1:4; uma razão de cerca de 15:1:4; uma razão de cerca de 30:1:4; uma razão de cerca de 40:1:4; uma razão de cerca de 0,5:1:5; uma razão de cerca de 1:1:5; uma razão de cerca de 2:1:5; uma razão de cerca de 3:1:5; uma razão de cerca de 4:1:5; uma razão de cerca de 5:1:5; uma razão de cerca de 6:1:5; uma razão de cerca de 10:1:5; uma razão de cerca de 15:1:5; uma razão de cerca de 30:1:5; uma razão de cerca de 40:1:5; uma razão de cerca de 1:1:5; uma razão de cerca de 2:1:5; uma razão de cerca de 3:1:5; uma razão de cerca de 4:1:5; uma razão de cerca de 5:1:5; uma razão de cerca de 6:1:5; uma razão de cerca de 10:1:5; uma razão de cerca de 15:1:5; uma razão de cerca de 30:1:5; uma razão de cerca de 40:1:5; uma razão de cerca de 1:1:6; uma razão de cerca de 2:1:6; uma razão de cerca de 3:1:6; uma razão de cerca de 4:1:6; uma razão de cerca de 5:1:6; uma razão de cerca de 6:1:6; uma razão de cerca de 10:1:6; uma razão de cerca de 15:1:6; uma razão de cerca de 30:1:6; uma razão de cerca de 40:1:6; uma razão de cerca de 2:1:7;uma razão de cerca de 3:1:7; uma razão de cerca de 4:1:7;uma razão de cerca de 5:1:7; uma razão de cerca de 6:1:7; uma razão de cerca de 10:1:7; uma razão de cerca de 15:1:7; uma razão de cerca de 30:1:7; uma razão de cerca de 40:1:7; uma razão de cerca de 2:1:8; uma razão de cerca de 3:1:8; uma razão de cerca de 4:1:8; uma razão de cerca de 5:1:8; uma razão de cerca de 6:1:8; uma razão de cerca de 10:1:8; uma razão de cerca de 15:1:8; uma razão de cerca de 30:1:8; uma razão de cerca de 40:1:8; uma razão de cerca de 2:1:9;uma razão de cerca de 3:1:9; uma razão de cerca de 4:1:9; uma razão de cerca de 5:1:9; uma razão de cerca de 6:1:9; uma razão de cerca de 10:1:9; uma razão de cerca de 15:1:9; uma razão de cerca de 30:1:9; uma razão de cerca de 40:1:9; uma razão de cerca de 2:1:10; uma razão de cerca de 3:1:10; uma razão de cerca de 4:1:10; uma razão de cerca de 5:1:10;uma razão de cerca de 6:1:10; uma razão de cerca de 10:1:10; uma razão de cerca de 15:1:10; uma razão de cerca de 30:1:10; uma razão de cerca de 40:1:10; e até cerca de uma razão de cerca de 40:1:20.
[00204] Os sifões de elétrons podem ser posicionados diretamente adjacentes ao componente de antenas de coleta de luz das modalidades divulgadas. Além disso, os sifões de elétrons das modalidades divulgadas podem ser posicionados diretamente adjacentes a um componente transportador de elétrons para a eliminação de elétrons livres gerados pela excitação mediada por fótons da população de componente de antenas de coleta de luz. Sifões de elétrons podem ser posicionados ao longo da superfície de um micróbio, um componente de membrana derivado de micróbio ou uma vesícula com componentes de antenas de coleta de luz incorporados.
[00205] Os tratamentos acima modificam os sifões de elétrons de forma a manter a foto-atividade de um micróbio ou componente de membrana derivado de micróbio quando posicionado diretamente adjacente (isto é, acoplado, enterrado ou ligado (por exemplo, em um complexo imunológico anticorpo-antígeno) ou outro). Além disso, a atividade metabólica de um micróbio e as capacidades de transporte de elétrons de componentes transportadores de elétrons em uma membrana microbiana pode ser preservada quando tais sifões de elétrons estão acoplados.
[00206] Além disso, é divulgado uma unidade de nanoestrutura modificada de biossegurança para limpeza de elétrons diretamente de um componente de antenas de coleta de luz para permitir o fluxo de elétrons direcional através de uma unidade de nano-escala. É ainda descrito uma população das unidades modificadas de nano-escala de biossegurança para limpeza de elétrons diretamente de uma população de componente de antenas de coleta de luz para permitir o fluxo de elétrons direcional em toda a população de componentes de nano-escala modificadas.
[00207] Em algumas modalidades, sifões de elétrons podem incluir um material eletricamente condutor ou semicondutor ligado (por exemplo, covalentemente) a moléculas receptoras de elétrons positivamente carregadas, capazes de fazer contatar uma membrana microbiana tendo uma ou mais antenas de coleta de luz. As moléculas receptoras de elétrons positivamente carregadas das modalidades divulgadas podem incluir: arginina, lisina, poli-arginina, poli-lisina, proteína transportadora de elétrons termoestável ou um derivado seu, ou outro.
[00208] O recipiente pode ser fabricado de forma a gerar uma camada de população de componente de antenas de coleta de luz justapostas ao painel de vidro, que é justaposto a uma camada de componentes em nano-escala de condutor modificada, que é justaposta à placa de conduíte de fluxo de elétrons, que é justaposta à unidade de parede lateral polimérica e revestimento moldado por injeção isolante. Os componentes em nano-escala de condutores modificados podem aplicar-se à placa de conduíte de fluxo de elétrons através da pulverização, laminação e impressão. Em algumas modalidades, a aplicação de uma solução de pré- mistura inclui: uma população de componente de antenas de coleta de luz e componentes em nano-escala condutoras modificadas, em que a solução é a solução de eletrólito de pH tamponado de modalidades divulgadas diretamente para a placa de conduíte de fluxo de elétrons de um sistema de conversão de luz.
[00209] Um sistema de conversão de luz de uma modalidade inclui: placa superior de vidro temperado (Figura 3, 1002) construída para resistir a grandes amplitudes de temperatura e otimizada para penetração de luz com propriedades de refração mínimas; um ou mais junta resistente a raios UV (1003) para gerar um vedante à prova de fugas em torno da parte superior de vidro para evitar a perda da solução de eletrólito tamponada (1004); uma população de componente de antenas de coleta de luz em uma orientação para maximizar a eficiência de absorção de luz (1005); que são justapostas a uma camada de nanomaterial condutor (1006) para maximizar a eliminação de elétrons fóton-excitado e afunilar longe da população de antenas de coleta de luz no sentido de uma placa de apoio condutora (por exemplo, um coletor de corrente), o qual, em seguida, dirige a corrente para um circuito externo (1007). Na modalidade representada, uma parte importante do sistema de conversão de luz tem um invólucro de paredes laterais isolantes poliméricas moldadas por injeção e armação de suporte (1008) que contém um ou mais orifícios de acesso para permitir o acesso para a solução tampão de eletrólito, população de componente de antenas de coleta de luz e componentes em nano-escala condutores contidos dentro das paredes de isolamento.
[00210] Além disso, é aqui apresentada a utilização de componentes em nano-escala modificada de biossegurança (Figura 4, 2002) para eliminar os elétrons gerados a partir da excitação de elétrons mediada pela luz sobre uma molécula de antenas de coleta de luz através do contato direto dos componentes em nano-escala para a população do componente de antenas de coleta de luz (2003).
[00211] Em algumas modalidades, os micróbios podem ser selecionados para possuir ou induzir a criação de nanoestruturas conduzindo elétrons para remover o excesso de elétrons (fotossinteticamente ou metabolicamente produzidos). Essas estruturas são extensões anatômicas de micróbios. Tais estruturas podem ser: fibrilas, pili,sistemas de secreção (tipos I, II, III, e IV) e exossomos. As composições de tais estruturas podem incluir proteínas, proteoglicano, lipossomal, lipopolissacarídeo. Em certas modalidades, tais nanoestruturas microbianas se acoplam diretamente a um ânodo eletronicamente condutor ou uma rede condutora ligada ao ânodo. As estruturas podem ser induzidas através da adição de: exposição à luz (intensidade aumentada, através das lentes), exposição a nutrientes ou regulação positiva dos genes que codificam os produtos dos genes envolvidos na geração das extensões anatômicas através de abordagens de engenharia genética.
Matriz de sifão de elétrons
[00212] Em algumas modalidades, uma célula voltaica pode conter uma ou mais matrizes de sifão de elétrons. A matriz pode conter uma variedade de subunidades de sifão de elétrons dispostas em uma rede ou polímero. A rede ou matriz polimérica pode ser fabricada através do acoplamento covalente de subunidades e através da interação eletrostática de subunidades.
[00213] Em algumas modalidades, uma população de células microbianas é diretamente conjugada com a matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma população de células microbianas é diretamente absorvida sobre a matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma população de antenas de coleta de luz é diretamente conjugada com a matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma população de antenas de coleta de luz é absorvida diretamente sobre a matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma população de células microbianas da população de antenas de coleta de luz são diretamente conjugadas com a matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, uma população de células microbianas e uma população de antenas de coleta de luz são absorvidas para a matriz de sifão de elétrons.
[00214] Em algumas modalidades, um material condutor de elétrons adicional é diretamente conjugado com a matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, o material condutor de elétrons é diretamente absorvido à matriz de sifão de elétrons. Em algumas modalidades, o material condutor de elétrons é separado da matriz de sifão de elétrons por uma barreira semipermeável.
ARRANJOS DE SIFÃO DE ELÉTRONS E CÉLULA VOLTAICA Arranjo 1. Arranjo de sifões de elétrons e população doadora de elétrons.
[00215] Em alguns exemplos, os elétrons provenientes de membros da população de doadores de elétrons em uma célula voltaica podem ser excitados em um estado de energia mais elevado por passagem em energia dos fótons na célula voltaica. Em alguns exemplos, os elétrons provenientes de membros da população de doadores de elétrons em uma célula voltaica podem ser gerados pela hidrólise da energia de ligação covalente em uma reação bioquímica. Em alguns exemplos, a população de doadores de elétrons pode conter antenas de coleta de luz. Em alguns exemplos, a população de doadores de elétrons pode conter pigmentos. Em alguns exemplos, a população de doadores de elétrons pode conter células microbianas. Elétron(s) originário de membros da população de doadores de elétrons (Figura 6, 601 a 611) pode ser capturado por membros da população sifão de elétrons (Figura 6, 612). Os canais de população de sifão de elétrons em direção a um coletor de corrente ou porção eletronicamente condutora da célula voltaica, que fornece os elétrons para uma carga externa. Elétrons capturados a partir da população de doadores de elétrons fluem em uma direção (Figura 6, 613). A direção do fluxo de elétrons, também referido como uma corrente pode ser estabelecida dentro de uma célula voltaica por uma diferença de potencial elétrico gerado espontaneamente dentro da célula voltaica e pode ser opcionalmente facilitada por um dispositivo externo que estabelece polaridade dentro da célula voltaica. O sentido da corrente pode ser gerado, em parte, por o arranjo da população de sifão de elétrons na célula voltaica. Sentido da corrente pode ser adicionalmente influenciado por um potencial elétrico aplicado através de uma célula voltaica. Sifões de elétrons podem ser dispostos de uma maneira em que vários sifões de elétrons podem se ligar diretamente a um segundo sifão de elétrons e em que um primeiro sifão de elétrons pode aceitar um elétron a partir de um doador de elétrons, e pelo qual um segundo sifão de elétrons pode ser conectado a um segundo sifão de elétrons.
Arranjo 2. Um segundo arranjo de sifões de elétrons e população de células microbianas.
[00216] Em alguns exemplos, um simples arranjo de uma mistura de sifões de elétrons (Figura 7, 706) e uma mistura de membros da população doadora de elétrons (Figura 7, 701 para 705) podem ser colocados em uma célula voltaica. Doadores de elétrons da população doadora de elétrons podem conter micróbios, pigmentos, antenas de coleta de luz ou outro. Sifões de elétrons da população de sifão de elétrons podem conter nanopartículas condutoras, nanofios condutores, nanotubos condutores, malha condutora, placa condutora, e/ou outros elementos. Os elétrons gerados pelo doador de elétrons podem ser desviados pelo sifão de elétrons através de um evento de transferência do elétron do doador para o sifão (também pode ser um recipiente de elétrons intermediário). Sifões de elétrons podem ser dispostos de uma maneira em que vários sifões de elétrons podem ser dispostos justapostos com um ou mais doadores de elétrons. Sifões de elétrons podem ser dispostos de uma maneira pela qual um, ou mais, sifão de elétrons pode diretamente se conectar a um, ou mais, doador de elétrons e aceitar um elétron do doador de elétron. Um ou mais doadores de elétrons servem como nós ou elementos de caminho em uma via condutora de elétrons de doadores para um coletor de corrente de uma célula voltaica.
Arranjo 3. Arranjos de vários sifões de elétrons.
[00217] Em alguns exemplos, um polímero de carbono (Figura 8 (A-C)) pode ser o material condutor em um sifão de elétrons. Esta forma de polímero de carbono pode conter uma folha, membrana, malha, placa, fibra, tubo, fio, ponto, de partículas ou outro. Em alguns exemplos, um sifão de elétrons pode conter um nanotubo, um nanofio, uma nanofibra, uma nanopartícula ou outro (Figura 8A, 802). Em alguns exemplos, um sifão de elétrons pode conter um tubo oco, um fio, uma fibrila, uma fibra, uma trança ou outro (Figura 8B). Em alguns exemplos, um sifão de elétrons pode conter um ponto, nanopartícula, micropartícula, esfera, esferoide, poliedro, um poliedro oco ou outro (Figura 8C). Modificação dos sifões de elétrons pode ser feita usando técnicas de ativação convencionais, tais como a ativação por ácido, o que pode gerar radicais químicos reativos em um ou mais resíduos de sifão de elétrons. Modificações adicionais podem ser geradas na presença de NHS, sulfo-NHS EDC, BMPH ou outros ligantes.
Arranjo 4. Arranjo variado de sifões de elétrons.
[00218] Sifões de elétrons podem ser condutores ou semicondutores na natureza, e podem ser dispostos de modo a promover o percurso do elétron a partir de uma extremidade do arranjo para a outra. Arranjo de sifões de elétrons pode ser manipulado por propriedades naturais, tais como forças de Van der Waals ou podem ser manipulados por meios sintéticos tais como acoplamento covalente de sifões de elétrons em um arranjo. Em um exemplo, um conjunto homogêneo de sifões de elétrons (Figura 9A, 903) pode ser formado, em que um sifão de elétrons (901) pode estar em contato com um segundo sifão de elétrons no arranjo (903). Em certas modalidades, os sifões de elétrons contêm modificações (902) para promover a ligação entre sifões de elétrons adjacentes no arranjo, para promover o transporte de elétrons, para promover o acoplamento de um doador de elétrons, para servir como um local de acoplamento para o material condutor de elétrons ou outros. Por vezes, a ligação é da ordem de cerca de 0 a 2 Angstroms (0 a 0,2 nanometros). Em outro exemplo, um arranjo heterogêneo de sifões de elétrons (Figura 9B, 905) é disposto de uma maneira pela qual um tipo de sifão de elétrons (901) que tem propriedades de sifão de elétrons distintas pode ser combinado com um segundo tipo de sifão de elétrons (904) que tem propriedades de sifão de elétrons diferentes para gerar um arranjo de sifões de elétrons que promovem a aceitação eficaz e transferência de elétrons de uma população de doadores de elétrons heterogênea. Estes tipos de arranjos podem servir várias funções e dependem da presença de várias modificações. Em alguns exemplos, as modificações podem conter conjugação direta: de uma porção positivamente carregada tal como, mas não limitada a um aminoácido positivamente carregado, lipídeo catiônico, cátion, ou outras; de uma porção de carga neutra tal como, mas não limitado, a agentes hidrofóbicos, zwiteríons ou outro; de moléculas dipolares tais como nitronas, 1,2- dipolo, 1,3-dipolo, óxidos de amina ou outros; de moléculas de ligação tais como anticorpos, receptores, ligantes, NAD+, NADP+, FAD, FMN, aglomerados de FeS, heme, coenzima Q ou outras; e de enzimas, tais como complexo que evolve oxigênio, oxidorredutase, ou outro.
Arranjos 5. Uso de sifão de elétrons para capturer elétrons gerados a partir de processos metabólicos.
[00219] O movimento de íons através de uma membrana depende de dois fatores: (i) a força de difusão causada por um gradiente de concentração estabelecido de espécies químicas, incluindo íons, e (ii) a força eletrostática, causada pelo gradiente de potencial elétrico, pela qual cátions (por exemplo, prótons (H+)) difundem o potencial elétrico e aníons (por exemplo, OH-) tendem a difundir na direção oposta. Estes dois gradientes tomados conjuntamente podem ser expressos como um gradiente eletroquímico. Nas células biológicas e lipossomas a camada lipídica pode atuar como uma barreira para a passagem de íons. A energia potencial pode resultar da acumulação de um diferencial eletroquímico através de uma camada lipídica e esta energia pode ser armazenada para uso. Em membranas celulares biológicas, prótons fluem de uma maneira de transporte ativo para configurar um pH e diferencial de carga elétrica através de uma membrana. Pode ser descrito como a medida da energia potencial armazenada como uma combinação de próton e gradientes de tensão através de uma membrana (diferenças na concentração de prótons e potencial elétrico). O gradiente elétrico é uma consequência da separação de carga através da membrana (quando os prótons H+ se movem sem um contraíon, tal como cloreto Cl-). Em sistemas biológicos, o gradiente eletroquímico frequentemente serve como a força motriz de prótons (FMP).
[00220] Em alguns exemplos, um doador de elétrons é uma célula microbiana. Normalmente, de uma célula microbiana, uma PMF é gerada por uma cadeia de transporte de elétrons na membrana da célula microbiana (Figura 5), que atua como uma bomba de prótons, usando a energia de elétrons de um evento de oxidação de um transportador de elétrons reduzido (Figura 5) gerando um transportador de elétrons oxidado (Figura 10A, 1004) para bombear prótons (íons de hidrogênio, Figura 10A, 1006) para fora do outro lado da membrana para o meio ambiente (Figura 10A, elétrons do ambiente, 1009; ambiente, 1007), a separação das cargas ao longo da membrana para gerar um elétron distinto (1005), que pode voltar a entrar na célula microbiana (1008) para dentro da célula para as reações energéticas (1002).
[00221] Em alguns exemplos, um doador de elétrons é uma mitocôndria, e energia liberada pela cadeia de transporte de elétrons é utilizada para mover prótons a partir da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana da mitocôndria. Movendo os prótons para fora da mitocôndria cria uma menor concentração de prótons carregados positivamente no seu interior, resultando numa carga ligeiramente negativa no interior da membrana. O gradiente de potencial elétrico é de cerca de -170 mV. Na mitocôndria, a PMF é quase inteiramente composta do componente elétrico, mas nos cloroplastos, a PMF é composta principalmente do gradiente de pH porque a carga de protons H+ é neutralizada pelo movimento de Cl- e outros aníons. Em ambos os casos, a PMF deve ser de cerca de 50 kJ/mol para a ATP sintase para produzir ATP.
[00222] Em um exemplo, um sifão de elétrons (Figura 10B, 1010) pode entrar em contato com a superfície exterior de uma membrana, hospedando uma cadeia de transporte de elétrons (Figura 10B, 1001). A cadeia de transporte de elétrons é alimentada de elétrons e prótons a partir de reações bioquímicas e/ou fotoquímicas pelas transportadoras de elétrons reduzidos (Figura 10B, 1003), que pode ser oxidada (1004) por membros da cadeia de transporte de elétrons na membrana. A separação dos elétrons (1005) a partir do próton (1006) pode ocorrer de forma intramembrana. O próton pode ser expulso (1009) de uma maneira convencional para o ambiente (1007). O elétron (1011) pode ser capturado por um sifão de elétrons (1010) quando o sifão de elétrons pode estar próximo, em contato, pode ser ligado de forma covalente ou pode ser incorporado no interior da membrana (1001).
Arranjo 6. Utilização de sifão de elétrons para capturar elétrons gerados a partir de lipossomas.
[00223] Um lipossoma de coleta de luz contendo agentes de coleta de luz, tais como pigmentos, antenas de coleta de luz, e transportadores de elétrons reduzidos e oxidados, respectivamente (Figura l1A, 1103 e 1104) no interior do lipossoma e componentes de uma cadeia de transporte de elétrons na membrana do lipossoma (Figura l1A, 1101) podem servir como um doador de elétrons. Captura de energia luminosa e a tradução subsequente da energia na forma de um elétron de alta energia de elétrons podem permitir o elétron ser capturado por um transportador de elétrons (Figura 11A, 1103), que pode, em seguida, transferir o elétron para a cadeia de transporte de elétrons (Figura 11A, 1101) para regenerar um transportador de elétrons oxidado (Figura 11A, 1104). Os agentes da cadeia de transporte de elétrons podem ser capazes de separar um próton (Figura 11A, 1106) e um elétron (Figura 11A, 1105). Sob estas condições, o lipossoma pode não transmitir um elétron para o ambiente (Figura 11A, 1108) e o elétron será dirigido intravesicularmente. Na presença de um sifão de elétrons (Figura 11B, 1110) pode contatar a superfície exterior de uma membrana lipossômica que contém uma cadeia de transporte de elétrons (Figura 11B, 1110). O sifão de elétrons pode ser usado para redirecionar a via do elétron em uma cadeia de transporte de elétrons e pode promover a captura dos elétrons (Figura 11B, 1111).
Arranjo 7. Vista lateral de uma célula voltaica.
[00224] Neste exemplo, uma célula voltaica inclui um recipiente (Figura 12, 1201) que contém um material condutor de elétrons (1202) sobre uma ou mais superfícies do recipiente. O recipiente pode conter ainda uma membrana semipermeável (1203) para servir como uma barreira discriminativa entre o material condutor de elétrons (1202) e um material condutor de elétrons diferente capaz de fazer contatar um ou mais doadores de elétrons (1206). Um espaço (1207) que varia de 2 Angstroms (0,2 nm) a 50 cm pode existir entre a membrana semipermeável (1202) e um coletor de corrente (1204). Características eletronicamente condutoras penetram espaço (1207) para permitir a condução de elétrons de membrana (1202) para coletor de corrente (1204). Um tampão ou outro meio ionicamente condutor pode estar presente no espaço. O recipiente pode incluir adicionalmente um arranjo de sifões de elétrons (1205) que podem entrar em contato com doadores de elétrons e pode entrar em contato com um sistema de tampão (1208).
Arranjo 8. Tubo de célula voltaica.
[00225] Em um exemplo, um tubo transparente flexível (Figura 13, 1301) pode conter uma pilha voltaica (1302) que contém material condutor de elétrons (1304) que pode ser separado por uma membrana semipermeável (1303) a partir da população de doadores de elétrons (1305) para gerar um potencial quimioelétrico através de uma membrana. Nesta modalidade, o tubo serve como o recipiente de células voltaicas e serve como um conduto para o fluxo da solução de tampão. O recipiente tubular pode ser enrolado ou de outro modo conformado com a forma de um poste ou outra estrutura associada com a célula voltaica.
Arranjo 9. Pilares de células voltaicas.
[00226] Neste exemplo, as células fotovoltaicas (Figura 14, 1402) são dispostas em uma base condutora de elétrons (1401). As células fotovoltaicas podem cada uma incluir um recipiente transparente, cada recipiente em um pilar ou outra estrutura vertical. Cada recipiente pode conter população de doadores de elétrons (1406) misturada com um arranjo de sifão de elétrons (1405) que envolve o material condutor de elétrons (1403). Pode haver uma membrana semipermeável (1404) que envolve o material condutor de elétrons (1403) para promover um potencial quimioelétrico através de uma membrana.
Arranjo 10. Arranjo de conectividade de circuito em uma célula voltaica.
[00227] Em um exemplo, uma célula voltaica pode conter um material condutor de elétrons (também referido como um cátodo) (Figura 15, 1503). O cátodo pode ser conectado a um condutor do fio condutor de elétrons (1507). O cátodo pode ser revestido por uma membrana semipermeável (1502) para gerar separação de carga entre um segundo material condutor de elétrons (referido como um ânodo) (1501). Neste exemplo, a população de sifão de elétrons (1505) pode ser disposta para contatar o ânodo (1501) e pode servir como uma interface com a população de doadores de elétrons (1504) para a coleta de elétrons a partir da população de doadores e transmitir os elétrons ao ânodo. Os elétrons podem então percorrer em um segundo fio condutor (1506) e, eventualmente, para a rede.
Arranjo 11. Arranjo de doadores de elétrons nos sifões de elétrons em uma forma paralela.
[00228] Em um exemplo, doadores de elétrons (Figura 16, 1605) podem ser encaixados (1606) com um arranjo de sifão de elétrons (1601). O acoplamento pode conter uma formação de ligações covalentes, interação mediada por afinidade (por exemplo, afinidade do anticorpo-ligante dirigido, interação hidrofóbica-hidrofóbica, ou outra), ou outra. Fluxo de elétrons de um doador de elétrons (1605) pode percorrer do doador para o sifão de elétrons (1601) e com os materiais do elétron condutores de uma célula voltaica.
[00229] Em um exemplo, mais do que um doador de elétrons (1605 e 1607) pode ser acoplado a um arranjo de sifão de elétrons (1602). O acoplamento pode ser mediado por um ou mais modos (1606 e 1605). Fluxo de elétrons pode ocorrer a partir de cada doador de elétrons para o arranjo de sifão de elétrons (1602) e na direção com os materiais do elétron condutores de uma célula voltaica.
[00230] Em um exemplo, mais do que um local de acoplamento (1610) pode existir entre um doador de elétrons (1609) e um dispositivo de sifão de elétrons (1603). Fluxo de elétrons pode ocorrer a partir do doador de elétrons através de mais de um local de acoplamento para o arranjo do sifão de elétrons.
[00231] Em um exemplo, mais do que um doador de elétrons pode ser acoplado a um arranjo de sifão de elétrons (1604). Neste exemplo, os doadores de elétrons (1611 e 1612) podem ser encaixados por mais de um método e pode transferir elétrons para o mesmo arranjo de sifão de elétrons de forma paralela na natureza, com o fluxo de elétrons em uma direção (1613) sobre o arranjo de sifão de elétrons.
[00232] Um arranjo encaixado dos doadores de elétrons em mais de um ponto ao longo da superfície de um arranjo de sifão de elétrons permite aumentar a coleta de elétrons e pode causar um aumento do fluxo de elétrons (também conhecido como corrente). Este exemplo descreve a concepção de um elemento paralelo para ser usado em um circuito para gerar um aumento de corrente.
Arranjo 12. Arranjo de células voltaicas em série.
[00233] O arranjo de células voltaicas em uma série pode aumentar a tensão e a corrente de forma desproporcional. Nesse arranjo, um painel (Figura 17, 1701) pode conter várias células voltaicas (1702), cada uma com um fio catódico (1706) e um fio anódico (1705) para conectar a mesma a uma grade de cátodo (1704) e ânodo (1703), respectivamente. O painel pode conter uma matriz de cátodos e ânodos e pode ser conectada a um fio catódico principal (1707) e fio anódico mestre (1708), respectivamente.
Arranjo 13. Painel voltaico e uma bateria.
[00234] Nesta disposição, um painel voltaico (Figura 18, 1801) pode ser conectado à rede (1804) e também pode ser conectado através de fios (1803) para uma bateria (1802). Em alguns exemplos, a bateria está servindo como um agente gerador de polaridade externa em que a polaridade do painel voltaico pode ser determinada a partir dos eletrodos positivo e negativo da bateria que conduz ao painel voltaico. O potencial aplicado pode ativar ou aumentar a atividade de certos micróbios, antenas de coleta de luz, ou outro componente da célula voltaica. Em alguns exemplos, o excesso de energia gerada a partir do painel voltaico pode ser armazenado na bateria.
Arranjo 14 - Célula voltaica imersível.
[00235] Um dispositivo voltaico imersível para eletricidade derivada de água pode incluir dois eletrodos conectados através de uma carga e com diferentes potenciais eletroquímicos quando imerso. Em alguns exemplos, o dispositivo pode ser totalmente imerso em um corpo de água. Em outros exemplos, uma parte do dispositivo pode ser imerso em um corpo de água. Exemplos de corpos de água podem incluir piscinas, lagoas, lagos, córregos, rios, baías, oceanos ou cursos de água artificiais.
[00236] Em algumas modalidades, uma célula fotovoltaica para geração de eletricidade de um corpo de água inclui dois eletrodos, um eletrodo que tem uma membrana semipermeável circundando o eletrodo para evitar micróbios de entrar em contato com o eletrodo, mas permitir que os íons passem. A membrana pode ter uma carga ligeiramente ou totalmente neutra e pode repelir elétrons e/ou ânions do meio circundante de um eletrodo. A membrana também pode ter um diâmetro de poro de menos do que ou igual a cerca de 0,22 um. Exemplos de materiais de membrana incluem polipropileno, nylon, sílica ou outro. As membranas podem ser diretamente ligadas à superfície do eletrodo, ou podem estar em uma gaiola em torno do eletrodo.
[00237] Os eletrodos podem incluir formas sólidas ou semissólidas e podem ser estruturadas como placas, malhas, treliças, cerdas, espumas, aglomerados, emulsões ou outros. Superfícies do eletrodo podem ser plana, pontilhada, arredondada, circular, assimétrica ou outro.
[00238] Em algumas modalidades, os eletrodos podem ser dispostos de um modo espacialmente separados tendo cerca de 1O Angstroms (1 nm) a cerca de 10 mm de separação entre os eletrodos. Em outras modalidades, os eletrodos podem ser dispostos de um modo espacialmente separados tendo cerca de 10 mm a cerca de 0,5 m de espaço entre os eletrodos. Em ainda outras modalidades, os eletrodos podem ser espacialmente separados de cerca de 0,5 m a cerca de 2 m. Em algumas modalidades, os eletrodos podem ser fixados a uma superfície estacionária. Em outras modalidades, os eletrodos podem ser amarrados por fios ou outro material condutor e podem ser móveis num ambiente aquoso.
[00239] Em uma outra forma, um eletrodo contata uma população de sifões de elétrons. Por vezes, os sifões de elétrons estão ligados ao eletrodo por ligação covalente, eletrostática ou outra força. Os sifões de elétrons podem ser dispostos em um conjunto antes da fixação a uma superfície do eletrodo ou dispostos diretamente sobre uma superfície. Em algumas modalidades, sifões de elétrons podem ser revestidos sobre uma superfície do eletrodo. Os revestimentos podem ser regularmente ou irregularmente depositados. Revestimentos de sifão de elétrons podem ser aplicados sequencialmente, sendo que, uma primeira camada de sifões de elétrons pode ser aplicada e uma segunda camada de diferentes sifões de elétrons pode ser aplicada. Em algumas modalidades, uma superfície de eletrodo é modificada. Em algumas modalidades, uma superfície de eletrodo é modificada. Os eletrodos podem primeiro ser tratados antes da fixação do sifão de elétrons. Os tratamentos podem incluir tratamento com ácido, tratamento térmico, tratamento químico oxidante, ou outro. Em algumas modalidades, uma superfície de eletrodo pode ser tratada com cerca de 1-500 mM de HCl, ácido perclórico, ácido fórmico, ácido acético ou outro. Em algumas modalidades, uma superfície de eletrodo pode ser tratada com calor. Em outras modalidades, uma superfície de eletrodo pode ser tratada com peróxido de hidrogênio, superóxido, bases de hidróxido, e o outro produto químico capaz de oxidação de um eletrodo de superfície. Tratamentos desejados não interrompem as capacidades de condução elétrica do eletrodo.
[00240] Um dos propósitos do tratamento de superfície do eletrodo é gerar grupos reativos para fixação de sifões de elétrons. Exemplos de grupos reativos na superfície de um eletrodo que pode ser compatível para ligação de sifões de elétrons incluem -OH, -SH, -S=O, epóxidos, -COOH, C=O, - H, -NH, -NHS, -NH2, -NH3, azidas, fluorobenzenos, imidas, e outros. Em algumas modalidades, a ligação de sifões de elétrons para uma superfície de eletrodo tratada pode ocorrer por meio de forças de van der Waals, forças eletrostáticas ou ligações covalentes. Em algumas outras modalidades, a ligação pode ser facilitada por uma combinação de ligações e forças. Depois do tratamento de uma superfície do eletrodo, um segundo tratamento de superfície do eletrodo pode ser realizada para gerar porções de ligação covalente quando necessário, para facilitar ainda mais a fixação do sifão de elétrons através de ligação covalente.
[00241] Sifões de elétrons podem incluir aminoácidos aromáticos, benzenos, aminoácidos carregados positivamente, compostos fenólicos, compostos aromáticos, aglomerados de ferro-enxofre, carotenoides, pigmentos, proteínas, filamentos de proteína e outros. Sifões de elétrons também podem incluir um arranjo estruturado incluindo grafeno, carbono, metal, metaloide, compósito, coloides, ou outro. Em alguns exemplos, sifões de elétrons podem ser modificados. Modificação dos sifões de elétrons pode incluir o anexo de um ou mais sifão de elétrons adicionais. Em alguns exemplos, a modificação de sifões de elétrons pode ocorrer antes da sua disposição em uma célula voltaica. Em outros exemplos, modificação do sifão de elétrons pode ocorrer após a sua disposição em uma célula voltaica.
[00242] Em um exemplo, uma porção de um pré-arranjo dos sifões de elétrons pode ser ativada e modificada com aminoácidos aromáticos, fenilalanina, triptofano, tirosina ou outro. Em outro exemplo, uma porção de um pré-arranjo dos sifões de elétrons pode ser ativada e modificada com pigmentos. Em outro exemplo, uma porção de um pré-arranjo de sifões de elétrons pode ser ativada e modificada com PilA, citocromos do tipo c, OmcZ e outros.
[00243] Eletrodos modificados com sifões de elétrons podem colher elétrons a partir de corpos de água contendo micróbios. Emersão dos eletrodos dentro da água pode gerar corrente mensurável. O aumento da corrente pode ser gerado com um eletrodo modificado com sifões de elétrons. Usando sifões de elétrons serve a múltiplos propósitos: (i) eles podem aumentar a área da superfície do eletrodo, (ii) eles podem proporcionar um local de contato com um micróbio no corpo de agua, (iii) eles podem proporcionar um local de coleta de elétrons, (iv) eles podem proporcionar uma superfície tridimensional para fazer a interface com um fluido dinâmico, (V) eles podem servir como uma superfície sólida de impacto quando é aplicada uma força mecânica ou outra.
[00244] Um corpo em movimento de água contendo micróbios pode aumentar a frequência de colisão entre uma superfície microbiana e um eletrodo. Um eletrodo contendo sifões de elétrons pode aumentar ainda mais a área de superfície e, assim, aumentar o número de colisões que podem ocorrer entre os micróbios e um eletrodo. Número ideal, arranjo e composição dos sifões de elétrons em um eletrodo podem aumentar ainda mais a transferência de elétrons a partir da membrana de um micróbio aquático à superfície do eletrodo. Exemplos de corpos de água em movimento incluem oceanos, lagos, lagoas, riachos e rios e cursos d'água feitos pelo homem, tais como barragens, viadutos, aquedutos, canais, ou outros.
[00245] Em um exemplo, uma célula voltaica inclui 2 eletrodos, um dos quais é revestido com uma membrana semipermeável, a membrana a qual tem um limite de exclusão de cerca de 0,2 um (para manter os micróbios de entrar em contato com o eletrodo). O outro eletrodo pode ser revestido com sifões de elétrons. Uma porção da célula voltaica incluindo os eletrodos é imersa em um ambiente aquoso. Interação dos micróbios aquáticos com um eletrodo pode ser passiva ou facilitada. A transferência de elétrons a partir da membrana microbiana para o eletrodo pode ocorrer a uma velocidade que pode ser aumentada quando é aplicada uma força física externa, tais como a ação das ondas. Força aplicada à superfície microbiana pode desalojar elétrons adicionais, que podem ser capturados pelos sifões de elétrons sobre um eletrodo. Em um exemplo, uma célula voltaica inclui múltiplos eletrodos, um subconjunto em que é revestido com membranas semipermeáveis. O outro subconjunto dos quais, pode ser modificado por sifões de elétrons.
COMPONENTES ÓPTICOS PARA DIRECIONAR A RADIAÇÃO EXTERNA
[00246] Os espelhos, lentes, filtros, elementos de refração, ou outros axima ve ópticos geométricos podem ser posicionados em um axima ve de uma célula voltaica ou podem ser posicionados externos ao axima ve para refletir ou concentrar a energia da luz para dentro do axima ve. Em algumas modalidades, os espelhos podem ser utilizados axima célula voltaica axima população de células microbianas fotossintéticas. Espelhos podem conter uma superfície axima ve capaz de refletir ou concentrar a luz. Células voltaicas com propriedades fotovoltaicas podem conter mais de um espelho e mais de uma lente para direcionar a luz e focalizar a luz para a capacidade de captura de axima da luz.
REGULADORES
[00247] Uma célula voltaica pode incluir um subsistema regulador que contém um componente de regulação para afetar uma ou mais características de uma célula voltaica. Em algumas modalidades, um subsistema regulador é usado para afetar um ou mais das seguintes características: taxa de condução de elétrons, taxa de condução de íons, polarização da luz, concentração de redutor, concentração de oxidante, concentração de fonte de carbono, concentração de nitrogênio, concentração de fósforo, concentração de enxofre, concentração de traço mineral, concentração de co- fator, concentração de quelante, pH, sifão de elétrons, concentração de antenas de coleta de luz e/ou outros parâmetros da célula voltaica. Subsistemas reguladores podem também se ligar ou liberar uma ou mais das características de/para a célula fotovoltaica em uma base regular ou periódica. Os reguladores podem ligar ou liberar uma ou mais características de/para a célula voltaica em resposta a uma condição detectada para servir como um ou mais resposta de avaliação com uma ou mais condições no interior da célula voltaica. Exemplos de características para se ligar ou liberar incluem ácidos ou íons de hidrogênio, bases ou íons hidroxila, ou outras espécies que inibem ou potencializam o metabolismo do micróbio. Em alguns modalidades, um regulador libera ou elimina um ou mais espécies em uma base periódica, por exemplo, da ordem de minutos, horas, dias ou semanas.
[00248] Em algumas modalidades, um subsistema regulador pode conter um ou mais componentes do regulador. Componentes do regulador podem conter um ou mais dos seguinte: sensores, detectores, bombas, injetores, recipientes, ou outros componentes de um sistema de avaliação. Os reguladores podem controlar um ou mais características da célula voltaica regulador incluindo, mas não se limitando a: potência, corrente, tensão, resistência, pH, potencial de redução, potencial de oxidação, concentração de nutrientes, concentração de resíduos, densidade óptica, índice de refração, absorbância, luminosidade, temperatura, viscosidade, força iônica, e semelhantes.
[00249] Em algumas modalidades, um subsistema regulador pode conter um ou mais sensores. O sensor pode monitorar as condições do tampão; produtos da população microbiana; produtos da população de antenas de coleta de luz; e/ou produtos da população do receptor de elétrons terminal condutora de uma célula voltaica. Exemplos de sensoriamento que um sensor pode realizar incluem, mas não estão limitados a: pH, concentração de redutor, concentração de oxidante, potencial redox, tensão, corrente, resistência, saída da potência elétrica, corrente, viscosidade, turbidez, concentração de gás, pressão, temperatura, concentração de aminoácidos, concentração de minerais, concentração de carbono, concentração de gás ou de outro. Em algumas implementações, o subsistema regulador será implementado como um sistema de avaliação que ajusta automaticamente os parâmetros na célula voltaica. Em algumas implementações, o sistema regulador fornece notificações ou alarmes quando um parâmetro de célula detectada. Tais notificações ou alarmes podem ser apresentados em um sistema computacional para observação por um gerente de processo ou outra pessoa responsável por monitorar e/ou corrigir a operação de célula voltaica.
EXEMPLOS Exemplo 1
[00250] Um sistema de conversão de luz contendo uma população microbiana mista fotossintética termofílica como a população de componente de antenas de coleta de luz.
[00251] Neste documento é apresentado uma população microbiana mista como a população de componente de antenas de coleta de luz para uso em um sistema de conversão de luz. A população microbiana mista contém parte de Chromatium spp., parte de Chloroflexus spp., parte de Roseiflexus spp. e parte de Porphyrobacter spp. tendo em sinergia ótima em um sistema de conversão de luz. Os micróbios são cultivados separadamente, utilizando técnicas convencionais e em seguida misturados em concentrações de estoque antes da diluição em solução tamponada de eletrólito, a qual está pronta para administração a um sistema de conversão de luz preparada através de uma porta de entrada da amostra.
[00252] Chromatium spp. pertence ao gênero de bactérias fotossintéticas Chromatium, que pode habitar uma pluralidade de ambientes. As espécies de Chromatium tepidum é uma bactéria termófila fotossintética em forma de haste gram-negativa alta G-C. Este organismo cresce fotoautotroficamente a uma temperatura ótima de 48-50 graus Celsius e utiliza o sulfeto como o doador de elétrons. A bactéria sintetiza bacterioclorofila ap e carotenoides rodovibrina e espiriloxantina, que estão localizadas na porção de membrana do organismo.
[00253] Chloroflexus spp. são membros da bactérias não sulburacosas verdes. Chloroflexus aurantiacus é uma bactéria foto-heterotrófica anoxigênica termofílica filamentosa com temperaturas de crescimento ideais de 54-57 graus Celsius, mas pode crescer em temperaturas acima de 70 graus Celsius. Além disso, C. aurantiacus pode sobreviver na presença de oxigênio e pode fixar carbono inorgânico, se necessário. C. aurantiacus sintetiza uma bacterioclorofila a e bacterioclorofila c, que estão localizados na porção da membrana do organismo.
[00254] Roseiflexus spp. são membros da bactéria não sulburacosas verde fotossintética. Roseiflexus spp. são termófilos filamentosos multicelulares não ramificados com faixas ótimas de temperatura de crescimento abrangendo 4555 graus Celsius. Muitos Roseiflexus spp. sintetizam bacteriorodopsinas e uma bacterioclorofila a, derivados de gama caroteno como pigmentos de luz na sua porção de membrana.
[00255] Porphyrobacter tepidarius é uma bactéria heterotrófica e fotossintética aeróbica moderadamente termofílica tendo uma temperatura ótima de crescimento de 40 a 48 graus Celsius e utiliza fontes de carbono orgânico para o crescimento. A bactéria sintetiza derivados de sulfato de OH-beta-caroteno, nostoxantina e bacteriorubixantina como pigmentos de absorção de luz.
Exemplo 2.
[00256] Um sistema de conversão de luz contendo membranas contendo complexos isolados de proteína-pigmento Fenna-Matthews-Olson isoladas de Chlorobi como a população de componente de antenas de coleta de luz.
[00257] Micróbios fotossintéticos usam uma rede de pigmentos justapostos às proteínas estruturais em suas membranas para usar a energia da luz para gerar e elétrons de coleta de uma molécula doadora. Na maioria dos micróbios, a energia é perdida como os elétrons se movem através dos complexos de proteína-pigmento. Em Chlorobi, a eficiência da passagem de elétrons através do sistema (chamado complexo Fenna-Matthews-Olson) é altamente eficiente e muito pouca energia é perdida no processo de transferência de elétrons.
[00258] Aqui apresentado é um sistema de conversão de luz contendo membranas preparadas a partir de Chlorobis que são cultivadas sob condições anaeróbias por métodos padrão (Wahlund, 1991; Buttner, 1992). As membranas são então preparadas por prensa francesa em condições anóxicas para preservar a natureza de coleta de luz dos pigmentos e complexos de proteínas estruturais associadas com a membrana. Teor de membrana recuperada é então misturada com uma solução tamponada de eletrólito e, em seguida, administrada a um sistema de conversão de luz preparada através de uma porta de entrada da amostra.
Exemplo 3.
[00259] Um sistema de conversão de luz contendo nanotubos de carbono de parede única modificados como os componentes condutores em nano-escala.
[00260] Complexo de citocromo (Cyt c) é uma pequena proteína heme (100-104 aminoácidos) que pertence à família de proteínas do citocromo c. Cyt c é uma proteína muito solúvel que foi sobre-expressa com sucesso em E. coli e purificada por métodos de purificação convencionais (Jeng, 2002). Cyt c é normalmente um componente significativo das membranas mitocondriais de mamíferos, plantas e muitos micróbios. Cyt c tem um potencial redox significativo (0,246 Volts) e capacidades de transferência de elétrons, uma vez que é um componente essencial da cadeia de transporte de elétrons.
[00261] Neste documento é apresentado um sistema de conversão de luz contendo nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) funcionalizados assimetricamente com recombinante Cyt c para gerar uma interface de biossegurança para eliminação de elétron de uma população de componente de antenas de coleta de luz. Os SWNTs são preparados por funcionalização por pulverização de sais de diazônio sobre uma porção dos SWNTs para gerar porções de ácidos carboxílicos. EDC é então aplicado aos SWNTs para ativar as porções -COOH e são estabilizadas na presença de sulfo-NHS. O sulfo-NHS é então deslocado por aminas primárias em resíduos de lisina de superfície de Cyt c antes da têmpera (com base em métodos de Lerner, 2013). As condições para máxima funcionalização da atividade de sequestradora de elétron para Cyt c de SWNTs se encontra na geração de ligações covalentes entre sítios ativos específicos de SWNT e 1-2 resíduos de lisina de Cyt c para preservar os restantes resíduos de lisina para coordenar propriedades de ligação de elétrons.
[00262] A extremidade livre dos Cyt c dos SWNTs funcionalizados são aplicados diretamente para a placa traseira de modo a permitir o Cyt c final enriquecido dos SWNTs que tem uma orientação virada para fora para permitir o Cyt c final enriquecido interagir diretamente com o população de componente de antenas de coleta de luz.
Exemplo 4
[00263] Materiais condutores e/ou semicondutores sintéticos utilizados para conduzir uma corrente podem ser adversos para uma célula biológica. No exemplo da Figura 19, uma população de micróbios fotossintéticos e não fotossintéticos isolados a partir de uma fonte de água salobra foi misturada com um sistema de tampão iônico e, em seguida, foi introduzida em um recipiente de polietileno transparente com uma tampa removível. Colocado no interior do recipiente foram uma placa condutora de cobre e uma placa de óxido de cobre de uma placa condutora de calor tratadas com a face de cada uma das placas posicionadas paralelas umas às outras e perpendicular em relação ao sistema de população microbiana/tampão. Ambas as placas metálicas condutoras tinham porções que foram imersas no sistema de população microbiana/tampão (0,25 inches (0,635 cm)) com a porção restante exposta ao ar. Medição da tensão e corrente produzida pela célula imediatamente após a introdução da população microbiana para dentro do recipiente no momento 0 foi 0. A célula foi então exposta a luz incandescente constante e a quantidade de tensão e corrente foi medida em intervalos regulares de até 1 hora, conforme medido pelo voltímetro e amperímetro a cada 15 minutos. Na hora 1, nanotubos de carbono não modificados sintéticos foram adicionados à célula de conversão e uma queda na corrente e tensão foi medida concomitante com o aparecimento de detritos microbianos lisados na superfície do tampão na célula de conversão. Este exemplo sugere que os nanotubos modificados são necessários para fornecer sifões de elétrons biologicamente seguros.
Exemplo 5
[00264] Além disso, na Figura 20, uma população de micróbios isolados fotossintéticos e não fotossintéticos a partir de uma fonte de água salobra foi misturada com um sistema de tampão iônico e, em seguida, foi introduzida em um recipiente de polietileno transparente com uma tampa removível. Uma placa de cobre condutora e uma placa de óxido de cobre condutora tratada termicamente com a face de cada uma das placas posicionadas paralelas umas às outras e perpendicular em relação ao sistema população microbiana /tampão foram colocadas no interior do recipiente. Ambas as placas metálicas condutoras tinham porções que foram imersas no sistema população microbiana/ tampão (0,25 inches (0,635 cm)) com a porção restante exposta ao ar. Medição da tensão e da corrente produzida pela célula imediatamente após a introdução da população microbiana para dentro do recipiente é representada no momento 0. A célula foi então exposta à luz incandescente constante e a quantidade de tensão e corrente foi medida a intervalos regulares. Ao fim de 4 horas, nanotubos de carbono de parede única modificados com L-Arginina biologicamente compatíveis foram introduzidos 701 para a população microbiana na célula de conversão de energia e resultou em um aumento acentuado na tensão e corrente detectável. Ao fim de 5 horas, a luz foi desligada 703 e a energia resultante gerada pela célula de conversão diminuiu, mas não retornou à níveis de linha de base ao longo de várias horas de escuridão, sugerindo que a célula de conversão de energia foi de produção de energia do metabolismo microbiano não fotossintético.
[00265] Embora o anterior tenha sido descrito com algum pormenor para facilitar a compreensão, as modalidades descritas são para ser consideradas ilustrativas e não limitativas. Será evidente para um perito na técnica que certas alterações e modificações podem ser praticadas dentro do âmbito das reivindicações anexas.

Claims (38)

1. Célula voltaica, caracterizada por compreender: (a) um tampão compreendendo um meio ionicamente condutor com uma população de doadores de elétrons no mesmo, em que a população de doadores de elétrons compreende uma primeira espécie de micróbio tendo uma primeira via metabólica primária e uma segunda espécie de micróbio tendo uma segunda via metabólica primária, em que a primeira via metabólica produz produtos de resíduos que serve como substrato para a segunda via metabólica primária, em que o tampão compreende ainda uma população de sifões de elétrons imersa no tampão, e em que cada sifão de elétrons compreende: (1) um componente receptor de elétrons para receber elétrons a partir de componentes celulares da primeira espécie de micróbio ou a segunda espécie de micróbio da população de doadores de elétrons, e (2) um elemento condutor de elétrons para conduzir elétrons, em que cada sifão de elétrons da população de sifões de elétrons compreende pelo menos uma estrutura selecionada a partir do grupo que consiste em nanopartículas, nanobastões, nanotubos, nanofios, nanoredes, nanofibras, pontos quânticos, dendrímeros, nanoaglomerados, nanocristais, e nanocompósitos, e ainda em que o elemento condutor de elétrons é configurado para conduzir elétrons, durante a operação, de um componente receptor de elétrons para um ânodo; (b) um recipiente contendo, pelo menos, parcialmente a população de doadores de elétrons; (c) um ânodo para receber elétrons a partir da população de doadores de elétrons e fornecer elétrons para um circuito externo ou de carga; e (d) um cátodo para a doação de elétrons para uma espécie no tampão.
2. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender adicionalmente um íon permeável e barreira impermeável doadora de elétrons que separa o tampão em um compartimento de ânodo e um compartimento de cátodo, evitando assim a população de doadores de elétrons de contatar o cátodo.
3. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a barreira é eletronicamente condutora.
4. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a barreira contata o ânodo.
5. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por compreender adicionalmente um coletor de corrente em comunicação elétrica com o ânodo.
6. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio e/ou a segunda espécie de micróbio compreende antenas de coleta de luz.
7. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio é excitada pela radiação eletromagnética em uma primeira banda, e em que pelo menos uma outra espécie de micróbio no tampão é excitada pela radiação eletromagnética em uma segunda banda, em que a primeira banda e a segunda banda não se sobrepõem.
8. Célula voltaica, de acordo de qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio compreende um micróbio fototrófico ou quimiotrófico.
9. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio é um quimiotrófico e a segunda espécie de micróbio é um fototrófico.
10. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que a primeira via metabólica primária oxida um composto que contém carbono, nitrogênio, fósforo, ou enxofre, e a segunda via metabólica primária reduz o composto oxidado produzido na primeira via metabólica primária.
11. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio tem forma de pili, fibrilas, flagelos, e/ou uma forma filamentosa.
12. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio tem uma pluralidade de vias metabólicas.
13. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a primeira espécie de micróbio é uma espécie microbiana de ocorrência natural.
14. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os sifões de elétrons têm uma dimensão principal média de, no máximo, 500 micrômetros.
15. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizada pelo fato de que a primeira via metabólica primária e a segunda via metabólica primária, cada uma, participa na respiração celular.
16. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizada pelo fato de que cada membro da população de sifões de elétrons compreende um material selecionado a partir do grupo que consiste em grafeno, carbono, metal, metaloide, compósito e coloides.
17. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que os sifões de elétrons têm uma dimensão média principal de no máximo 500 micrômetros.
18. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que os sifões de elétrons compreendem um conjunto dentro do tampão, o referido conjunto configurado para conduzir elétrons a partir da população de doadores de elétrons para o ânodo.
19. Célula voltaica, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por compreender adicionalmente um íon permeável e uma barreira impermeável de doadores de elétrons que separa o tampão em um compartimento de ânodo e um compartimento de cátodo, evitando assim a população de doadores de elétrons de entrar em contato com o cátodo.
20. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 19, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um coletor de corrente em comunicação elétrica com o ânodo.
21. Célula voltaica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 20, caracterizada pelo fato de que os sifões de elétrons compreendem uma porção de acoplamento para acoplar com a população de doadores de elétrons, mas não lisar as células que contêm a população de doadores de elétrons.
22. Método de conversão da energia química e/ou luminosa em energia elétrica, caracterizado por compreender: operar a célula voltaica, como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 21.
23. Tampão para uma célula voltaica, como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 21, o tampão caracterizado por compreender: um meio ionicamente condutor; e uma população de doadores de elétrons fornecida no meio ionicamente condutor, em que a população de doadores de elétrons compreende: uma primeira espécie de micróbio tendo uma primeira via metabólica primária, e uma segunda espécie de micróbio tendo uma segunda via metabólica primária, que é complementar a primeira via metabólica primária, em que nenhuma via metabólica primária é principalmente a fermentação da glicose; e uma população de sifões de elétrons imersa no tampão, em que cada sifão de elétrons tem: (1) um componente de recebimento de elétrons para capturar elétrons de componentes celulares da primeira espécie de micróbio ou segunda espécie de micróbio da população de doadores de elétrons, e (2) um elemento condutor de elétrons para conduzir elétrons, em que cada sifão de elétrons da população de sifões de elétrons compreende pelo menos uma estrutura selecionada a partir do grupo que consiste em nanopartículas, nanobastões, nanotubos, nanofios, nanoredes, nanofibras, pontos quânticos, dendrímeros, nanoaglomerados, nanocristais, e nanocompósitos, e ainda em que o elemento condutor de elétrons é configurado para conduzir elétrons, durante a operação, do componente receptor de elétrons para um ânodo.
24. Tampão, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que a primeira espécie de micróbio e/ou a segunda espécie de micróbio compreende antenas de coleta de luz.
25. Tampão, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que a primeira espécie de micróbio é excitada pela radiação eletromagnética em uma primeira banda, e em que pelo menos uma outra espécie de micróbio no tampão é excitada pela radiação eletromagnética em uma segunda banda, em que a primeira banda e a segunda banda não se sobrepõem.
26. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 25, caracterizado pelo fato de que a primeira espécie de micróbio compreende um micróbio fototrófico ou quimiotrófico.
27. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 26, caracterizado pelo fato de que a primeira espécie de micróbio é um quimiotrófico e a segunda espécie de micróbio é um fototrófico.
28. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 27, caracterizado pelo fato de que a primeira via metabólica primária oxida um composto que contém carbono, nitrogênio, fósforo, ou enxofre, e a segunda via metabólica primária reduz o composto oxidado produzido da primeira via metabólica primária.
29. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 28, caracterizado pelo fato de que a primeira via metabólica primária e a segunda via metabólica primária, cada uma, participa na respiração celular.
30. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 29, caracterizado pelo fato de que a primeira espécie de micróbio tem uma forma de pili, fibrilas, flagelos, e/ou uma forma filamentosa.
31. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 30, caracterizado pelo fato de que a primeira ou segunda espécie de micróbio tem uma pluralidade de vias metabólicas.
32. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 31, caracterizado pelo fato de que a primeira espécie de micróbio é uma espécie microbiana de ocorrência natural.
33. Tampão, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que os sifões de elétrons têm uma dimensão principal média de no máximo 500 micrômetros.
34. Tampão, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que a primeira via metabólica primária e a segunda via metabólica primária, cada uma, participa na respiração celular.
35. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 34, caracterizado pelo fato de que cada membro da população de sifões de elétrons compreende um material selecionado a partir do grupo que consiste em: grafeno, carbono, metal, metaloide, compósito e coloides.
36. Tampão, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que os sifões de elétrons têm uma dimensão média principal de no máximo 500 micrômetros.
37. Tampão, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que os sifões de elétrons compreendem um conjunto dentro do tampão, o referido conjunto configurado para conduzir elétrons a partir da população de doadores de elétrons para o ânodo.
38. Tampão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 35 a 37, caracterizado pelo fato de que os sifões de elétrons compreendem uma porção de acoplamento para acoplar com a população de doadores de elétrons, mas não lisar as células que contêm a população de doadores de elétrons.
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