BRPI0810389B1 - Device and method for converting light energy into electrical energy and / or hydrogen - Google Patents
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Description
(54) Título: DISPOSITIVO E MÉTODO PARA CONVERTER ENERGIA LUMINOSA EM ENERGIA ELÉTRICA E/OU HIDROGÊNIO (51) lnt.CI.: H01M 8/06; H01M 8/16 (30) Prioridade Unionista: 17/04/2007 NL 2000598 (73) Titular(es): PLANT-E KNOWLEDGE B.V.(54) Title: DEVICE AND METHOD FOR CONVERTING LIGHT ENERGY TO ELECTRIC ENERGY AND / OR HYDROGEN (51) lnt.CI .: H01M 8/06; H01M 8/16 (30) Unionist Priority: 4/17/2007 NL 2000598 (73) Holder (s): PLANT-E KNOWLEDGE B.V.
(72) Inventor(es): HUBERTUS VICTOR MARIE HAMELERS; DAVID PETRUS BONIFACIUS THEODORUS BERNARDUS STRIK; JAN FREDERIK HENDRIK SNEL; CEES JAN NICO BUISMAN (85) Data do Início da Fase Nacional: 16/10/2009(72) Inventor (s): HUBERTUS VICTOR MARIE HAMELERS; DAVID PETRUS BONIFACIUS THEODORUS BERNARDUS STRIK; JAN FREDERIK HENDRIK SNEL; CEES JAN NICO BUISMAN (85) National Phase Start Date: 10/16/2009
1/13 “DISPOSITIVO E MÉTODO PARA CONVERTER ENERGIA LUMINOSA EM ENERGIA ELÉTRICA E/OU HIDROGÊNIO”1/13 “DEVICE AND METHOD FOR CONVERTING LUMINOUS ENERGY TO ELECTRIC ENERGY AND / OR HYDROGEN”
Campo da invenção [0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo e a um método para converter energia luminosa em energia elétrica e/ou hidrogênio pelo uso de uma planta viva para converter energia luminosa em uma carga de alimentação para uma célula de combustível microbiana.Field of the invention [0001] The present invention relates to a device and a method for converting light energy into electrical energy and / or hydrogen by using a living plant to convert light energy into a power charge for a fuel cell microbial.
Fundamentos da invenção [0002] Células de combustível microbianas são conhecidas da técnica anterior. Por exemplo, WO 2007/006107 revela uma célula de combustível microbiana que compreende um reator, e cada reator compreende um compartimento de anodo, um compartimento de catodo e uma membrana, onde a membrana separa o compartimento de anodo e o compartimento de catodo um do outro. O compartimento de anodo contém microorganismos capazes de oxidar compostos doadores de elétrons oxidantes, os elétrons sendo fornecidos ao anodo no compartimento de anodo. De acordo com WO 2007/006107, o composto orgânico doador de elétrons em questão pode ser glicose, sacarose, um acetato ou um composto redutor do tipo ocorrendo por exemplo em água de esgoto doméstico e no efluente de bio-refinarias.Background of the invention [0002] Microbial fuel cells are known in the prior art. For example, WO 2007/006107 discloses a microbial fuel cell comprising a reactor, and each reactor comprises an anode compartment, a cathode compartment and a membrane, where the membrane separates the anode compartment and the cathode compartment one from other. The anode compartment contains microorganisms capable of oxidizing oxidizing electron donating compounds, electrons being supplied to the anode in the anode compartment. According to WO 2007/006107, the electron donor organic compound in question can be glucose, sucrose, an acetate or a reducing compound of the type occurring for example in domestic sewage water and in the effluent of bio-refineries.
[0003] Outras células de combustível microbianas são descritas por exemplo em: Logan et al., 2006, Lovley, 2006a; Lovley, 2006b; Rabaey e Verstraete, 2005, e Verstraete e Rabaey, 2006. A oxidação dos compostos doadores de elétrons pode ser catabsada por exemplo por microorganismos anodofflicos e/ou catodofflicos e enzimas redox. Em algumas apbcações, hidrogênio é produzido no compartimento de catodo como um transportador de energia, em vez de eletricidade (Liu et al., 2005; Rozendal et al., 2006). [0004] Algumas células de combustível são projetadas em uma tal maneira que é possível transformar atividades fotossintéticas em eletricidade. US 3.477.879 revela um dispositivo para converter energia luminosa em[0003] Other microbial fuel cells are described for example in: Logan et al., 2006, Lovley, 2006a; Lovley, 2006b; Rabaey and Verstraete, 2005, and Verstraete and Rabaey, 2006. The oxidation of electron donor compounds can be catabolized, for example, by anodoffic and / or catodoffic microorganisms and redox enzymes. In some applications, hydrogen is produced in the cathode compartment as an energy carrier, rather than electricity (Liu et al., 2005; Rozendal et al., 2006). [0004] Some fuel cells are designed in such a way that it is possible to transform photosynthetic activities into electricity. US 3,477,879 discloses a device for converting light energy into
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2/13 energia elétrica, onde o dispositivo consiste de um compartimento de anodo contendo um meio aquoso, onde este meio aquoso contém algas vivas e mortas e minerais, incluindo sulfeto, que ocorre em água do mar, e um compartimento de catodo contendo um meio aquoso, onde este meio aquoso contém bactérias e minerais, incluindo sulfato, que ocorre em água do mar. O compartimento de anodo e o compartimento de catodo estão conectados por uma ponte de íons ou ponte salina. As algas vivas são capazes de produzir oxigênio. Quando o dispositivo está em operação, algas mortas são bombeadas do compartimento de anodo para dentro do compartimento de catodo, onde servem como um nutriente para as bactérias que são capazes de converter sulfato em sulfeto. Quando sulfato é convertido em sulfeto, elétrons são capturados. Sulfeto é convertido em sulfato e íons hidrogênio (H+) no catodo, cujo um resultado é a liberação de elétrons no catodo que são capturados de novo pelo oxigênio via o anodo, e o oxigênio é então convertido em íons hidróxido (OH ). Os íons hidrogênio e os íons hidróxido se difundem através da ponte salina e se combinam para formar água, que completa o circuito elétrico.2/13 electrical energy, where the device consists of an anode compartment containing an aqueous medium, where this aqueous medium contains living and dead algae and minerals, including sulfide, which occurs in seawater, and a cathode compartment containing an aqueous, where this aqueous medium contains bacteria and minerals, including sulfate, which occurs in seawater. The anode compartment and the cathode compartment are connected by an ion bridge or saline bridge. Live algae are capable of producing oxygen. When the device is in operation, dead algae are pumped from the anode compartment into the cathode compartment, where they serve as a nutrient for bacteria that are capable of converting sulfate to sulfide. When sulfate is converted to sulfide, electrons are captured. Sulfide is converted to sulfate and hydrogen ions (H + ) in the cathode, the result of which is the release of electrons in the cathode that are captured again by oxygen via the anode, and the oxygen is then converted to hydroxide (OH) ions. The hydrogen ions and hydroxide ions diffuse through the saline bridge and combine to form water, which completes the electrical circuit.
[0005] US 4.117.202 e CA 1.099.332 revelam uma célula de combustível biológica, onde é feito uso de células mesofflicas isoladas derivadas de denominadas plantas C4, i.e., plantas capazes de converter CO2 em compostos orgânicos contendo quatro átomos de carbono, por exemplo, oxalacetato, aspartato e malato. Tais células também são descritas em Rosenbaum et al., 2005a e Rosenbaum et al., 2005b. Células de planta fotossintética C4 isoladas, algas verdes ou bactérias (produtoras de hidrogênio) são usadas nestes dispositivos.[0005] US 4,117,202 and CA 1,099,332 disclose a biofuel cell, where isolated mesoffic cells derived from so-called C4 plants are used, ie, plants capable of converting CO 2 into organic compounds containing four carbon atoms, for example, oxalacetate, aspartate and malate. Such cells are also described in Rosenbaum et al., 2005a and Rosenbaum et al., 2005b. Isolated C4 photosynthetic plant cells, green algae or bacteria (producing hydrogen) are used in these devices.
[0006] Uma desvantagem das células de combustível microbianas de acordo com WO 2007/006107 é que uma corrente de efluente tal como água residual doméstica é usada. Correntes de efluente não são sustentáveis ou renováveis, e não podem ser sustentavelmente obtidas, devido ao transporte,[0006] A disadvantage of microbial fuel cells according to WO 2007/006107 is that an effluent stream such as domestic wastewater is used. Effluent streams are not sustainable or renewable, and cannot be sustainably obtained, due to transportation,
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3/13 por exemplo. Muita energia é investida antes de as correntes de efluente serem obtidas, e isto envolve uma grande emissão de CO2 dos combustíveis, por exemplo combustíveis fósseis ou resíduo radioativo liberado na geração de energia nuclear. É verdade que pelo aumento da produção de correntes de efluente, mais energia pode ser produzida pelas células de combustível, mas um tal método não oferece uma solução sustentável ou renovável para o consumo mundial crescente de energia elétrica. Portanto é melhor gerar ou regenerar energia em uma maneira sustentável ou renovável. A presente invenção fornece uma solução para o problema de redução de energia nãosustentável e não-renovável.3/13 for example. Much energy is invested before effluent streams are obtained, and this involves a large emission of CO 2 from the fuels, for example fossil fuels or radioactive waste released in the generation of nuclear energy. It is true that by increasing the production of effluent streams, more energy can be produced by fuel cells, but such a method does not offer a sustainable or renewable solution for the growing world consumption of electricity. Therefore, it is better to generate or regenerate energy in a sustainable or renewable way. The present invention provides a solution to the problem of unsustainable and non-renewable energy reduction.
Sumário da invenção [0007] A presente invenção refere-se a um dispositivo que compreende um reator, onde o reator compreende um compartimento de anodo e um compartimento de catodo e onde o compartimento de anodo compreende a) um microorganismo anodofílico capaz de oxidar um composto doador de elétrons, e b) uma planta viva ou sua parte.Summary of the invention [0007] The present invention relates to a device comprising a reactor, where the reactor comprises an anode compartment and a cathode compartment and where the anode compartment comprises a) an anodophilic microorganism capable of oxidizing a compound electron donor, and b) a living plant or its part.
[0008] A presente invenção também se refere a um método para converter energia luminosa em energia elétrica e/ou hidrogênio, onde uma carga de alimentação compreendendo um composto doador de elétrons é introduzida em um dispositivo que compreende um reator, onde o reator compreende um compartimento de anodo e um compartimento de catodo e onde o compartimento de anodo compreende a) um microorganismo anodofílico capaz de oxidar um composto doador de elétrons, e b) uma planta viva ou sua parte.[0008] The present invention also relates to a method for converting light energy into electrical energy and / or hydrogen, where a feed charge comprising an electron donor compound is introduced into a device comprising a reactor, where the reactor comprises a anode compartment and a cathode compartment and where the anode compartment comprises a) an anodophilic microorganism capable of oxidizing an electron donating compound, and b) a living plant or its part.
Descrição detalhada da invenção [0009] O verbo compreender como é usado nesta descrição e nas reivindicações e suas conjugações são utilizados em seu sentido não-limitante para significar que itens após a palavra estão incluídos, mas itens não especificamente mencionados não estão excluídos. Em adição, referência aDetailed description of the invention [0009] The verb understand as used in this description and in the claims and their conjugations are used in their non-limiting sense to mean that items after the word are included, but items not specifically mentioned are not excluded. In addition, reference to
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4/13 um elemento pelo artigo indefinido um ou uma não exclui a possibilidade de que mais do que um elemento esteja presente, a não ser que o contexto exija claramente que há um e apenas um dos elementos. O artigo indefinido um ou uma assim costumeiramente significa pelo menos um(a).4/13 an element by the indefinite article one or one does not exclude the possibility that more than one element is present, unless the context clearly requires that there is one and only one of the elements. The indefinite article one or one usually means at least one (a).
[00010] O termo planta viva ou sua parte é usado neste documento no sentido de uma planta (ou qualquer parte sua) pertencendo ao Reino Vegetal (Plantae) e compreendendo pelo menos uma célula eucariótica com uma membrana celular, capaz de converter energia luminosa em um composto doador de elétrons por meio de fotossíntese. O termo planta viva ou sua parte portanto também cobre células de planta separadas, possivelmente indiferenciadas que são obtidas por exemplo por cultura de tecido e são capazes de converter energia luminosa, por meio de fotossíntese, em um composto doador de elétrons, plantas ou suas partes que estão (parcialmente) mortas, e algas.[00010] The term living plant or its part is used in this document in the sense of a plant (or any part thereof) belonging to the Vegetal Kingdom (Plantae) and comprising at least one eukaryotic cell with a cell membrane, capable of converting light energy into an electron donor compound through photosynthesis. The term living plant or its part therefore also covers separate plant cells, possibly undifferentiated which are obtained for example by tissue culture and are capable of converting light energy, through photosynthesis, into an electron donating compound, plants or parts thereof that are (partially) dead, and algae.
[00011] De acordo com a invenção, o composto doador de elétrons é convertido em energia elétrica e/ou energia química, preferivelmente na forma de hidrogênio, com a ajuda de um microorganismo anodofílico.[00011] According to the invention, the electron donor compound is converted into electrical energy and / or chemical energy, preferably in the form of hydrogen, with the help of an anodophilic microorganism.
[00012] De acordo com a invenção, o composto doador de elétrons é preferivelmente um composto orgânico.[00012] According to the invention, the electron donor compound is preferably an organic compound.
[00013] Uma membrana que pode transportar íons seletivamente pode ser usada para separar o compartimento de anodo do compartimento de catodo. Também é possível utilizar materiais porosos não-seletivos de íons, eletricamente não-condutores. Exemplos destes materiais são vidro e plástico. Contudo, uma membrana que pode transportar íons seletivamente é preferida. A membrana é preferivelmente uma membrana seletiva de cátions e mais preferivelmente uma membrana seletiva de prótons.[00013] A membrane that can selectively transport ions can be used to separate the anode compartment from the cathode compartment. It is also possible to use porous non-selective ion materials, electrically non-conductive. Examples of these materials are glass and plastic. However, a membrane that can selectively transport ions is preferred. The membrane is preferably a cation-selective membrane and more preferably a proton-selective membrane.
[00014] A planta ou sua parte é preferivelmente derivada do que é chamado de uma planta energética. Uma planta energética é uma planta viva que contribui para energia sustentável: energia solar está presente durante o[00014] The plant or its part is preferably derived from what is called an energy plant. An energy plant is a living plant that contributes to sustainable energy: solar energy is present during the
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5/13 horário diurno e pode ser armazenada pelas plantas vivas ou suas partes por exemplo na forma de um composto doador de elétrons, enquanto que CO2 é absorvido da atmosfera. Disso, uma planta energética é para ser entendida como uma planta viva capaz de converter energia luminosa em energia química.5/13 daytime and can be stored by living plants or their parts for example in the form of an electron donating compound, while CO2 is absorbed from the atmosphere. From this, an energetic plant is to be understood as a living plant capable of converting light energy into chemical energy.
[00015] Várias partes de uma planta, por exemplo folhas caídas ou raízes que não têm sido colhidas, podem ser usadas como uma planta energética. Estas partes não são perdidas do suprimento de energia renovável. Uma parte grande da energia solar armazenada pela planta deixa a planta sob o solo, devido às morte e respiração das raízes e pela liberação de um exsudado. Este processo estimula o crescimento de microorganismos de solo. Estes processos são definidos como rizodeposição. Tem sido estabelecido que quase todos os tipos de componentes químicos de uma planta podem ser perdidos pelas perdas de raiz. Estes componentes são por exemplo carboidratos tais como açúcares, aminoácidos, ácidos orgânicos, hormônios e vitaminas. Estes componentes são classificados em 4 grupos, dependendo de sua origem: exsudados, secreções, Usados e gases. Exsudados exsudam da raiz sem o envolvimento de energia metabóhca, enquanto que no caso de secreções, processos metabóbcos apropriados ocorrem na planta. Lisados são devido à morte da raiz. Gases também provêm das raízes da planta (Lynch, 1990). Rizodeposição depende por exemplo do tipo de planta, de sua idade e das circunstâncias de vida. Partes de planta refugadas tais como frutas, ramos e folhas podem contribuir para o aumento da matéria orgânica no solo. Portanto é preferido de acordo com a invenção que a planta ou sua parte seja uma planta energética ou uma parte sua, em cujo caso a planta viva ou sua parte converte energia luminosa em pelo menos um composto doador de elétrons, que é subseqüentemente convertido em energia elétrica e/ou hidrogênio, preferivelmente pelo sistema de raiz de uma planta viva, em cooperação com um microorganismo.[00015] Various parts of a plant, for example fallen leaves or roots that have not been harvested, can be used as an energy plant. These parts are not lost from the renewable energy supply. A large part of the solar energy stored by the plant leaves the plant under the ground, due to the death and breathing of the roots and the release of an exudate. This process stimulates the growth of soil microorganisms. These processes are defined as rhizodeposition. It has been established that almost all types of chemical components in a plant can be lost by root loss. These components are for example carbohydrates such as sugars, amino acids, organic acids, hormones and vitamins. These components are classified into 4 groups, depending on their origin: exudates, secretions, waste and gases. Exudates exude from the root without the involvement of metabolic energy, while in the case of secretions, appropriate metabolic processes occur in the plant. Lysates are due to the death of the root. Gases also come from the plant's roots (Lynch, 1990). Rhizodeposition depends, for example, on the type of plant, its age and the circumstances of life. Refused plant parts such as fruits, branches and leaves can contribute to the increase of organic matter in the soil. Therefore it is preferred according to the invention that the plant or its part is an energetic plant or a part of itself, in which case the living plant or its part converts light energy into at least one electron donating compound, which is subsequently converted into energy electrical and / or hydrogen, preferably by the root system of a living plant, in cooperation with a microorganism.
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6/13 [00016] De acordo com a invenção, o composto doador de elétrons pode estar presente em exsudados, secreções, lisados, matéria vegetal de partes de planta mortas, gases e/ou uma goma de origem de planta, derivada do sistema de raiz de uma planta ou de uma parte sua. Os elétrons produzidos pelos microorganismos são transportados do anodo primeiro para uma resistência ou um dispositivo que consome energia elétrica, e então para o catodo. Oxigênio, especialmente oxigênio da atmosfera, é usado como o aceptor de elétrons terminal.6/13 [00016] According to the invention, the electron donor compound may be present in exudates, secretions, lysates, plant material from dead plant parts, gases and / or a gum of plant origin, derived from the root of a plant or part of it. The electrons produced by the microorganisms are transported from the anode first to a resistor or device that consumes electrical energy, and then to the cathode. Oxygen, especially oxygen from the atmosphere, is used as the terminal electron acceptor.
[00017] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o anodo preferivelmente compreende um material anódico, dito material anódico preferivelmente sendo selecionado do grupo consistindo de grânulos de grafite, feltro de grafite, bastões de grafite, outros condutores de elétrons contendo grafite e combinações de um ou mais de tais materiais, a zona de raiz de uma planta viva essencialmente estando presente no material anódico. Isto significa em particular que as raízes da planta viva estão principalmente posicionadas no material anódico. A vantagem adicional disto é que a planta tem um apoio.[00017] According to an embodiment of the present invention, the anode preferably comprises an anode material, said anode material, preferably being selected from the group consisting of graphite granules, graphite felt, graphite rods, other electron conductors containing graphite and combinations of one or more of such materials, the root zone of a living plant is essentially present in the anodic material. This means in particular that the roots of the living plant are mainly positioned in the anodic material. The added advantage of this is that the plant has support.
[00018] O microorganismo que converte o composto doador de elétrons da planta ou sua parte preferivelmente vive ao redor da zona de raiz da planta viva (chamada de rizosfera), de modo que o microorganismo pode liberar elétrons para o anodo mais facilmente.[00018] The microorganism that converts the plant's electron donor compound or its part preferably lives around the root zone of the living plant (called the rhizosphere), so that the microorganism can release electrons to the anode more easily.
[00019] Em outra modalidade de acordo com a presente invenção, o reator compreende numerosos compartimentos de anodo, que estão isolados da vizinhança (a atmosfera).[00019] In another embodiment according to the present invention, the reactor comprises numerous anode compartments, which are isolated from the vicinity (the atmosphere).
[00020] Em ainda outra modalidade de acordo com a presente invenção, o reator compreende um compartimento de anodo que pode ser aberto, de modo que pode estar em contato com a sua vizinhança. Isto tem a vantagem de que condições de subsistência da planta viva, tais como temperatura, luz e/ou umidade, podem ser reguladas.[00020] In yet another embodiment according to the present invention, the reactor comprises an anode compartment that can be opened, so that it can be in contact with its vicinity. This has the advantage that living conditions of the living plant, such as temperature, light and / or humidity, can be regulated.
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7/13 [00021] De acordo com a invenção, a carga de alimentação para o compartimento de anodo pode ser um ou mais micro- e/ou macronutrientes e/ou água para a planta viva ou sua parte ou para o microorganismo. A carga de alimentação é preferivelmente um composto balanceado de micro- e/ou macronutrientes e água.7/13 [00021] According to the invention, the feed charge for the anode compartment can be one or more micro- and / or macronutrients and / or water for the living plant or its part or for the microorganism. The feed load is preferably a balanced compound of micro- and / or macronutrients and water.
[00022] De acordo com a invenção, é preferível que o compartimento de anodo compreenda um mediador redox (também chamado de um lançador de elétrons), de modo que o transporte de elétrons no compartimento de anodo seja tomado mais fácil.[00022] According to the invention, it is preferable that the anode compartment comprises a redox mediator (also called an electron launcher), so that the electron transport in the anode compartment is made easier.
[00023] Em outra modalidade preferida, o dispositivo compreende numerosos componentes que reduzem ou previnem a produção de metano no compartimento de anodo.[00023] In another preferred embodiment, the device comprises numerous components that reduce or prevent the production of methane in the anode compartment.
[00024] Plantas vivas evaporam água que tem sido absorvida por exemplo pelo sistema de raiz. Portanto, uma modalidade do dispositivo de acordo com a invenção está equipada com um transbordo para a remoção de excesso de carga de alimentação introduzida no compartimento de anodo. Em outra modabdade preferida, este transbordo vai do compartimento de anodo para o compartimento de catodo.[00024] Live plants evaporate water that has been absorbed for example by the root system. Therefore, an embodiment of the device according to the invention is equipped with an overflow for removing excess load from the feed introduced in the anode compartment. In another preferred modality, this overflow goes from the anode compartment to the cathode compartment.
[00025] A invenção é explicada com mais detalhe com o auxílio de Fig. 1. Fig. 1 mostra um reator 1 que está munido com um compartimento de anodo 2 e um compartimento de catodo 3. O compartimento de anodo 2 contém um anodo 4, e o compartimento de catodo 3 contém um catodo 5. O compartimento de anodo 2 e o compartimento de catodo 3 estão separados um do outro por meio de uma membrana 6. O compartimento de anodo 2 acomoda uma planta viva 7, posicionada dentro dele em uma tal maneira que as raízes 8 da planta viva estão circundadas pelo material anódico em forma granular. Tanto o compartimento de anodo quanto o compartimento de catodo estão em contato com a vizinhança - veja as setas 9 e 10. Energia luminosa 11, por exemplo luz solar, pode alcançar a planta viva diretamente. Oxigênio[00025] The invention is explained in more detail with the aid of Fig. 1. Fig. 1 shows a reactor 1 which is equipped with anode compartment 2 and cathode compartment 3. Anode compartment 2 contains anode 4 , and the cathode compartment 3 contains a cathode 5. The anode compartment 2 and the cathode compartment 3 are separated from each other by means of a membrane 6. The anode compartment 2 accommodates a living plant 7, positioned inside it in such that the roots 8 of the living plant are surrounded by granular anode material. Both the anode compartment and the cathode compartment are in contact with the neighborhood - see arrows 9 and 10. Light energy 11, for example sunlight, can reach the living plant directly. Oxygen
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8/13 (proveniente da atmosfera) pode se difundir para dentro do compartimento de catodo. O anodo e o catodo estão conectados eletricamente um no outro por uma resistência ou um dispositivo que consome energia elétrica (12), com o auxílio de conexões elétricas 13.8/13 (from the atmosphere) can diffuse into the cathode compartment. The anode and cathode are electrically connected to each other by a resistor or a device that consumes electrical energy (12), with the aid of electrical connections 13.
Exemplo [00026] Oito células de combustível microbianas tubulares verticalmente posicionadas foram feitas de vidro Schott Duran. A altura de cada tubo foi 30 cm e seu diâmetro foi 3,5 cm. Em uma altura de 2 cm e 28 cm, havia um braço lateral de vidro, cuja parte inferior estava fechada com uma tampa de borracha e a parte superior mantida aberta para garantir uma função de transbordo. A extremidade de topo do tubo foi deixada aberta, de modo que a parte acima do solo da planta se projetasse de lá. Uma membrana de troca de cátions (FKL type, FuMA-tech GmbH, St. Ingbert, Alemanha) foi posicionada no fundo com o auxílio de um tampão rosqueado que tinha um corte no mesmo (diâmetro: 3 cm). Um feltro de grafite de 3 mm de espessura (FMI Composites Ltd., Galashiels, Escócia) foi posicionado sobre o lado interno do tubo de vidro. Um bastão de grafite (medições: 26 mm x 14 mm x 6 mm; Müller & Rõssner GmbH & Co., Sieburg, Alemanha) foi introduzido no feltro de grafite. O tubo foi então cheio com grânulos de grafite (diâmetro entre 1,5 mm e 5 mm; Le Carbone, Bélgica). Um feltro de grafite de espessura de 3 mm (medições: 8 cm x 8 cm; FMI Composites Ltd., Galashiels, Escócia) foi então posicionado no fundo de um béquer de vidro grande. Sobre este feltro de grafite foram então posicionados o tubo de vidro e, paralelo ao mesmo, um segundo bastão de grafite. O eletrodo anódico e o eletrodo catódico foram formados pelos componentes de grafite dentro e fora do tubo, respectivamente. O circuito (elétrico) do anodo e do catodo foi completado por fios de cobre revestidos de plástico correndo dos bastões de grafite para a resistência externa R de 1000 Ohms.Example [00026] Eight vertically positioned tubular microbial fuel cells were made from Schott Duran glass. The height of each tube was 30 cm and its diameter was 3.5 cm. At a height of 2 cm and 28 cm, there was a side glass arm, the lower part of which was closed with a rubber cover and the upper part kept open to guarantee an overflow function. The top end of the tube was left open, so that the above-ground part of the plant protruded from there. A cation exchange membrane (FKL type, FuMA-tech GmbH, St. Ingbert, Germany) was positioned at the bottom with the aid of a threaded plug that had a cut in it (diameter: 3 cm). A 3 mm thick graphite felt (IMF Composites Ltd., Galashiels, Scotland) was placed on the inside of the glass tube. A graphite stick (measurements: 26 mm x 14 mm x 6 mm; Müller & Rössner GmbH & Co., Sieburg, Germany) was introduced into the graphite felt. The tube was then filled with graphite granules (diameter between 1.5 mm and 5 mm; Le Carbone, Belgium). A 3 mm thick graphite felt (measurements: 8 cm x 8 cm; IMF Composites Ltd., Galashiels, Scotland) was then placed on the bottom of a large glass beaker. The glass tube was then placed on this graphite felt and, parallel to it, a second graphite stick. The anode electrode and cathode electrode were formed by the graphite components inside and outside the tube, respectively. The (electrical) circuit of the anode and cathode was completed by plastic-coated copper wires running from the graphite rods to the external resistance R of 1000 Ohms.
[00027] Os potenciais de eletrodo e a voltagem da célula [E (célula) em[00027] The electrode potentials and the cell voltage [E (cell) in
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9/13 mV] foram medidos desconectados com um Multímetro (True RMS Multimeter, Fluke 189). Eletrodos de referência de Ag/AgCl (ProSense Qis, Oosterhout, Países-Baixos) foram usados para medir os potenciais de eletrodo. A voltagem da célula foi determinada continuamente com o auxílio de módulos FieldPoint FP-AI-110 (National Instruments, Países-Baixos), um computador pessoal (Pentium III) e um programa auto-programado Labview 7.0 (National Instruments, Países-Baixos). A intensidade de corrente (I em mA) foi então calculada da lei de Ohm [I = E (célula) / R]. O rendimento de potência (P em watts) da célula de combustível microbiana foi calculado da voltagem da célula e da intensidade de corrente [P = I χ E (célula)].9/13 mV] were measured disconnected with a multimeter (True RMS Multimeter, Fluke 189). Ag / AgCl reference electrodes (ProSense Qis, Oosterhout, Netherlands) were used to measure the electrode potentials. The cell voltage was determined continuously with the help of FieldPoint FP-AI-110 modules (National Instruments, Netherlands), a personal computer (Pentium III) and a self-programmed Labview 7.0 program (National Instruments, Netherlands) . The current intensity (I in mA) was then calculated from Ohm's law [I = E (cell) / R]. The power yield (P in watts) of the microbial fuel cell was calculated from the cell's voltage and current intensity [P = I χ E (cell)].
[00028] A luz foi fornecida por uma lâmpada de halogênio - metal de 250 W (SpaceSaver C/TLBH250), mais tarde suplementada por uma lâmpada de halogênio - metal de 400 W (SpaceSaver C/TLBH400), posicionada a uma altura de 125 cm acima da mesa que suportava a montagem experimental. A sala acomodando a célula de combustível microbiana foi iluminada por lâmpadas TL e luz solar indireta. Telas brancas acima e sobre dois lados da montagem garantiram a reflexão da luz. As lâmpadas foram mantidas ligadas por 14 horas durante o dia com o auxílio de um comutador de tempo, após as quais foram desligadas por 10 horas à noite. A montagem foi alojada em uma sala mantida na temperatura ambiente (cerca de 20-25°C). Do dia 26, a temperatura foi medida em Unha com um termopar de cobre -constantan e registrada por um módulo Fieldpoint (FP), usando o programa e o computador pessoal mencionados acima. A temperatura estava na região de 24-27°C. [00029] Os compartimentos de anodo da célula de combustível microbiana foram alimentados com uma solução de nutrientes Hoagland modificada (Taiz e Zeiger, 2006), com micronutrientes extras para e.g. o microorganismo. A solução tinha a seguinte composição, com as concentrações em mg por litro dada entre parênteses: KNO3 (606,60), Ca(NO3)2 . 4H2O (944,64), NHdUPCU (230,16), MgSO4 . 7H2O (246,49),[00028] The light was provided by a 250 W metal halogen lamp (SpaceSaver C / TLBH250), later supplemented by a 400 W metal halogen lamp (SpaceSaver C / TLBH400), positioned at a height of 125 cm above the table that supported the experimental setup. The room accommodating the microbial fuel cell was lit by TL lamps and indirect sunlight. White screens above and on two sides of the assembly guaranteed the reflection of the light. The lamps were kept on for 14 hours during the day with the aid of a time switch, after which they were turned off for 10 hours at night. The assembly was housed in a room maintained at room temperature (about 20-25 ° C). From the 26th, the temperature was measured in Nail with a copper thermocouple -constantan and recorded by a Fieldpoint module (FP), using the program and the personal computer mentioned above. The temperature was in the region of 24-27 ° C. [00029] The anode compartments of the microbial fuel cell were fed with a modified Hoagland nutrient solution (Taiz and Zeiger, 2006), with extra micronutrients for eg the microorganism. The solution had the following composition, with concentrations in mg per liter given in parentheses: KNO3 (606.60), Ca (NO 3 ) 2 . 4H 2 O (944.64), NHdUPCU (230.16), MgSO 4 . 7H 2 O (246.49),
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KC1 (3,73), H3BO3 (1,55), MnSO4 . H2O (0,34), ZnSO4.7H2O (0,58), CuSO4 . 5H2O (0,12), (NH4)6Mo7O24 . 4H2O (0,09), H2MoO4 com 85% de MoO3 (161,97), CoCl2 . 6H2O (2,00), Na2SeO3 (0.10), EDTA como Titriplex II (30,00), FeCl2.4H2O (10,68), Ni2Cl. 6H2O (0,06), Na2SiO3.9H2O (284,20). [00030] A solução foi neutralizada para um pH de cerca de 7 com NaOH 2M. Ela foi inoculada com o efluente da outra célula de combustível microbiana operando. Acetato de potássio (KAc) foi introduzido como a carga de alimentação em bateladas, de modo que os microorganismos anodofílicos, dentre outros, se multiplicassem na célula de combustível. O compartimento de catodo foi cheio com K3Fe(CN)6 50 mM e KH2P04100 mM, que foram neutralizados para um pH de cerca de 7. Esta solução foi mais tarde substituída por água desminerabzada com 2 ml de tampão fosfato por btro (K2HPO4 132,7 g/1; KH2PO4: 168,5 g/1). O volume do líquido de anodo e o volume do líquido de catodo totabzaram cerca de e 250 ml e 200 ml, respectivamente.KC1 (3.73), H 3 BO 3 (1.55), MnSO 4 . H 2 O (0.34), ZnSO 4 .7H 2 O (0.58), CuSO 4 . 5H 2 O (0.12), (NH4) 6 Mo 7 O 2 4. 4H 2 O (0.09), H 2 MoO 4 with 85% MoO 3 (161.97), CoCl 2 . 6H 2 O (2.00), Na 2 SeO 3 (0.10), EDTA as Titriplex II (30.00), FeCl 2 .4H 2 O (10.68), Ni 2 Cl. 6H 2 O (0.06), Na 2 SiO 3 .9H 2 O (284.20). [00030] The solution was neutralized to a pH of about 7 with 2M NaOH. She was inoculated with the effluent from the other microbial fuel cell operating. Potassium acetate (KAc) was introduced as the batch feed load, so that anodophilic microorganisms, among others, multiply in the fuel cell. The cathode compartment was filled with 50 mM K 3 Fe (CN) 6 and 100 mM KH 2 P0 4 , which were neutralized to a pH of about 7. This solution was later replaced by deminerized water with 2 ml of phosphate buffer per filter (K 2 HPO 4 132.7 g / 1; KH 2 PO 4 : 168.5 g / 1). The volume of the anode liquid and the volume of the cathode liquid totaled about 250 ml and 200 ml, respectively.
[00031] O acetato foi consumido nas células de combustível microbianas, e a voltagem da célula sobre o anodo e o catodo foi medida. Quando esta voltagem de célula havia caído, todos os grânulos de grafite foram removidos da montagem e preservados. O KAc residual foi removido o máximo possível pela lavagem dos grânulos de grafite com meio nutriente. Grânulos de grafite extras foram então introduzidos, e a concentração de KAc foi determinada. Após isto, os grânulos foram distribuídos sobre as oito células de combustível microbianas.[00031] Acetate was consumed in microbial fuel cells, and the voltage of the cell over the anode and cathode was measured. When this cell voltage had dropped, all of the graphite granules were removed from the assembly and preserved. Residual KAc was removed as much as possible by washing the graphite granules with nutrient medium. Extra graphite granules were then introduced, and the KAc concentration was determined. After that, the granules were distributed over the eight microbial fuel cells.
[00032] Uma coleção de capim-gbcéria (Glyceria maxima, sinon. Glyceria aquatica) foi obtida do leito de um riacho em Renkum (PaísesBaixos). Os caules de capim-glicéria foram separados (que algumas vezes exigiram corte através do rizoma horizontal) e intensamente lavados, de modo que a matéria orgânica fosse removida. As partes marrons da planta foram cortadas, de modo que apenas as plantas verdes de capim-gbcéria[00032] A collection of gray grass (Glyceria maxima, sinon. Glyceria aquatica) was obtained from a stream bed in Renkum (Low Countries). The stems of grass-glyceria were separated (which sometimes required cutting through the horizontal rhizome) and thoroughly washed, so that the organic matter was removed. The brown parts of the plant were cut, so that only the green plants of germgrass
Petição 870180058399, de 05/07/2018, pág. 17/24Petition 870180058399, of 07/05/2018, p. 17/24
11/13 permanecessem. Plantas úmidas de capim-glicéria foram posicionadas no compartimento de anodo de seis células de combustível microbianas (números 3 a 8), usando 20 a 30 plantas por célula. Duas células de combustível microbianas não receberam quaisquer plantas vivas, mas foram tratadas na mesma maneira que as outras células de combustível microbianas e atuaram como amostras de referência (células de combustível microbianas de números 1 e 2).11/13 remained. Wet plants of glycine grass were placed in the anode compartment of six microbial fuel cells (numbers 3 to 8), using 20 to 30 plants per cell. Two microbial fuel cells did not receive any living plants, but were treated in the same way as the other microbial fuel cells and acted as reference samples (microbial fuel cells numbers 1 and 2).
[00033] O nível de líquido de anodo abaixou durante o experimento, devido à evaporação. Ele foi regularmente reposto com água desmineralizada (até dia 13) ou com solução de nutriente Hoagland (nos dias 13-19), ou com solução de nutriente Hoagland com um tampão (4 ml/1 com K2HPO4 132,7 g/l; KH2PO4: 168,5 g/l) (nos dias 19 to 34), ou com solução de Hoagland sem qualquer nitrogênio, tendo a seguinte composição, a concentração em mg por litro sendo dada entre parênteses: MgSCb . 7H2O (246,49), KC1 (3.73), H3BO3 (1,55), MnSO4 . H2O (0,34), ZnSO4 . 7H2O (0,58), CuSO4 . 5H2O (0,12), (NH4)6Mo7O24 · 4H2O (0,09), Η2ΜΟΟ4 com 85% de MoO3 (161,97), CoCl2 . 6H2O (2,00), Na2SeO3 (0.10), EDTA como Titriplex II (30,00), FeCl2.4H2O (10,68), N12CI . 6H2O (0,06), Na2SiC>3 . 9H2O (284,20) com um tampão (4 ml/1 com K2HPO4 132,7 g/l; ΚΉ2ΡΟ4: 168,5 g/l) (do dia 34 até o final). Uma bomba, instalada no dia 23, foi usada para introduzir a solução de nutriente em intervalos de 15 minutos, sob o controle de um comutador de tempo. Qualquer meio em excesso flua para dentro de um frasco receptor via um transbordo.[00033] The level of anode liquid decreased during the experiment, due to evaporation. It was regularly replenished with demineralized water (until the 13th) or with Hoagland nutrient solution (on days 13-19), or with Hoagland nutrient solution with a buffer (4 ml / 1 with K2HPO4 132.7 g / l; KH2PO4 : 168.5 g / l) (on days 19 to 34), or with Hoagland's solution without any nitrogen, having the following composition, the concentration in mg per liter being given in parentheses: MgSCb. 7H2O (246.49), KCl (3.73), H3BO3 (1.55), MnSO 4 . H 2 O (0.34), ZnSO 4 . 7H 2 O (0.58), CuSO 4 . 5H 2 O (0.12), (NH4) 6 Mo 7 O24 · 4H 2 O (0.09), Η2ΜΟΟ4 with 85% MoO 3 (161.97), CoCl 2 . 6H 2 O (2.00), Na 2 SeO 3 (0.10), EDTA as Titriplex II (30.00), FeCl 2 .4H 2 O (10.68), N12CI. 6H2O (0.06), Na2SiC> 3. 9H2O (284.20) with a buffer (4 ml / 1 with K2HPO4 132.7 g / l; ΚΉ2ΡΟ4: 168.5 g / l) (from day 34 to the end). A pump, installed on the 23rd, was used to introduce the nutrient solution at 15 minute intervals, under the control of a time switch. Any excess medium flows into a receiving vial via an overflow.
[00034] O nível do líquido de catodo também abaixou durante o experimento. Ele foi reposto regularmente pela adição de água desmineralizada. No dia 14, o líquido de catodo foi substituído por um líquido de catodo novo, que continha água desmineralizada com um tampão fosfato (K2HPO4 132,7 g/l; ΚΉ2ΡΟ4: 168,5 g/l; 2 ml/1). O pano de grafite no catodo foi substituído aqui por um pedaço novo de pano. Foi observado que um[00034] The level of the cathode liquid also decreased during the experiment. It was replenished regularly by adding demineralized water. On day 14, the cathode liquid was replaced by a new cathode liquid, which contained demineralized water with a phosphate buffer (K2HPO4 132.7 g / l; ΚΉ2ΡΟ4: 168.5 g / l; 2 ml / 1). The graphite cloth on the cathode was replaced here with a new piece of cloth. It was observed that a
Petição 870180058399, de 05/07/2018, pág. 18/24Petition 870180058399, of 07/05/2018, p. 18/24
12/13 pouco de líquido de catodo prévio permaneceu no compartimento de catodo, possivelmente proveniente da membrana.12/13 little of the previous cathode liquid remained in the cathode compartment, possibly from the membrane.
[00035] Fig. 2 mostra o rendimento de potência de três células de combustível microbianas com capim-glicéria (números 3, 4 e 8) e as duas células de combustível de referência (números 1 e 2) para dias 1 a 78. A potência específica máxima, medida desconectada, foi 0,062 mW. As montagens de referência não produzirem qualquer energia elétrica, mas as montagens com o capim-glicéria produziram. As plantas de capim-glicéria permaneceram vitais e também cresceram durante este experimento. Referências • H. Liu, S. Grot e B.E. Logan (2005): Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate, Environmental Science and Technology, 39, No. 11 (2005) pp. 4317-4320.[00035] Fig. 2 shows the power yield of three microbial fuel cells with glycine grass (numbers 3, 4 and 8) and the two reference fuel cells (numbers 1 and 2) for days 1 to 78. A maximum specific power, measured disconnected, was 0.062 mW. The reference assemblies do not produce any electrical energy, but the assemblies with grass-glycerine did. The grass-glycerin plants remained vital and also grew during this experiment. References • H. Liu, S. Grot and B.E. Logan (2005): Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate, Environmental Science and Technology, 39, No. 11 (2005) pp. 4317-4320.
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13/13 the green alga Chlamydomonas reinhardtii for microbial electricity generation: A living solar cell, Applied Microbiology and Biotechnology, 68 pp. 753-756.13/13 the green alga Chlamydomonas reinhardtii for microbial electricity generation: A living solar cell, Applied Microbiology and Biotechnology, 68 pp. 753-756.
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