CN117693841A - 生物电化学能量转化电池单元中的生物膜 - Google Patents

Abstract

本文中呈现一种伏打电池单元，其含有用于促进生物电化学能量转化电池单元中的能量转化的生物膜，其中所述生物膜包含一或多种微生物群体。

Description

生物电化学能量转化电池单元中的生物膜

通过引用并入

PCT申请表格与本发明书一起作为本申请的一部分同时提交。本申请要求如在同时提交的PCT请求表格中确定的权益或优先权的每项申请均通过引用以其整体并且出于所有目的并入本文。

背景技术

目前的伏打电池单元和太阳能面板系统的效率有限，并且需要复杂的材料，这产生了显著的相关成本。许多太阳能面板使用基于晶圆的晶体硅电池单元或基于镉或硅的薄膜电池单元。这些电池单元是脆弱的，并且必须通过添加多个保护层来防止潮湿。面板串联部署以提高电压和/或并联部署以提高电流。面板通过金属导线互连。普通系统的一个固有问题在于，当面板的一部分被遮蔽并且面板的另一部分出于直射阳光下时，由于反向电流流动，电池单元容易过热。另一个固有问题在于，太阳能电池单元在较高温度下会变得不太有效，这限制了光转化为正电荷的地理有效性。如阵列排列的透镜和镜子等改进改进了光的聚焦以提高效率，但制造复杂度和相关成本更高。

虽然生物化学伏打电池单元可能是合适的替代方案，但生物化学伏打电池单元也面临许多挑战。生物化学伏打电池单元依赖于能够产生能量的生物体，这些能量可以被收集并且转化以产生势能。然而，利用这些生物体涉及维持电池单元内的充分活性水平以使生物体保持活着，以及以可靠的方式操作。在一些情况下，生物体可能干扰电池单元本身的操作，如通过产生电流和/或电压水平小于或超过特定电池单元所期望的电流和/或电压水平的电。另外，维持适当环境以实现生物体在生物化学伏打电池单元中茁壮成长的可持续条件可能具有挑战性以及价格高昂的。

在此提供的背景描述是出于总体上呈现本公开的上下文的目的。当前提及的发明人在本背景技术部分中描述的范围内的工作以及在提交时可能未另外取得现有技术资格的描述的各方面既不明确地也不暗示地承认是相对于本公开的现有技术。

发明内容

一方面涉及一种伏打电池单元，其包含：(a)阳极，所述阳极用于接收电子并且将电子提供给外部电路或负载；(b)阴极，所述阴极用于向电化学反应供送电子；(c)生物膜，所述生物膜包括微生物，所述生物膜与所述阳极或所述阴极电接触；(d)缓冲液，所述缓冲液包括与所述阳极和所述阴极接触的离子传导介质；以及(e)容器，所述容器至少部分地容纳所述生物膜和所述缓冲液。

在各个实施例中，所述伏打电池单元还包含离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障，所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障将所述缓冲液分隔到阳极隔室和阴极隔室中，由此防止电子供体群体接触所述阴极。在一些实施例中，所述屏障是电子传导性的。

在一些实施例中，所述屏障接触所述阳极。

在各个实施例中，所述生物膜与所述阳极和所述阴极中的至少一者接触。在一些实施例中，所述生物膜与所述阳极、所述阴极和所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障中的至少一者接触。

在各个实施例中，所述生物膜包含两种或更多种微生物。

在各个实施例中，所述生物膜形成于所述伏打电池单元中的衬底上。在一些实施例中，所述衬底为所述阳极或所述阴极。在一些实施例中，所述衬底接触所述阳极或所述阴极的表面。

在各个实施例中，所述生物膜包含带正电荷的部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含带负电荷的部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含合成部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含非合成部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含一或多个丝状附器。

在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种微生物类别，所述一或多种微生物类别是厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物中的一或多种。

在各个实施例中，所述生物膜包含硫氧化微生物和硫还原微生物。

在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种选自由以下组成的组的微生物：铁还原红育菌(Rhodoferax ferrireducens)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)、脱硫弧菌脱硫亚种(Desulfovibrio desulfuricanssubsp.desulfuricans)、厌氧消化链球菌(Peptostreptococcus anaerobius)、森氏红螺菌(Rhodospirillum centenum)、疾卡氏菌(Catonella morbi)、毛螺菌(Lachnospiraceaesp.)、腹发光杆菌(Photobacterium leiognathi)、酒色闪杆菌(Allochromatiumvinosum)、干酪乳酸杆菌(Lactobacillus casei)、具核梭杆菌多形亚种(Fusobacteriumnucleatum subsp.polymorphum)、孔兹创伤球菌(Helcococcus kunzii)、痤疮丙酸杆菌(Cutibacterium acnes)、深红红螺菌、孔兹创伤球菌、酒色闪杆菌和产黏变形杆菌(Ferrovum myxofaciens)。

在各个实施例中，所述生物膜包含基质，所述基质包含天然聚合物、合成聚合物、DNA的水合物、蛋白质的水合物或碳水化合物的水合物。

在以上所述的任何实施例中，所述伏打电池单元还可以包含与所述阳极电通信的集电器。

在以上所述的任何实施例中，第一微生物物种和/或第二微生物物种包含光采集天线。在各个实施例中，所述第一微生物物种通过第一波段中的电磁辐射激发，并且所述缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二波段中的电磁辐射激发，其中所述第一波段和所述第二波段基本上不重叠。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种包含光能营养或化能营养微生物。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是化能营养菌，并且所述第二微生物物种是光能营养菌。

在以上所述的任何实施例中，第一初级代谢通路使含有碳、氮、磷或硫的化合物氧化，并且第二初级代谢通路使通过所述第一初级代谢通路产生的经氧化的化合物还原。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有多个代谢通路。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是天然存在的微生物物种。

在以上所述的任何实施例中，所述第一初级代谢通路和所述第二初级代谢通路各自参与细胞呼吸。

另一方面涉及一种将化学能和/或光能转化为电能的方法，所述方法包含：操作根据前述实施例中任一实施例所述的伏打电池单元。

另一方面涉及一种伏打电池单元，其包括：(a)阴极气流硬件；(b)阴极气体扩散层；(c)阴极琼脂层；(d)电解质层，所述电解质层包含与阳极和阴极接触的离子传导介质；(e)阳极层，所述阳极层用于接收电子并且将电子提供给外部电路或负载；(f)阳极琼脂层；(g)窗口层；以及(h)生物膜，所述生物膜包括微生物。

在各个实施例中，所述微生物驻留在所述层中的一或多个层中。

在各个实施例中，所述阳极层包含如铝纳米颗粒、铝微粒、透明导体颗粒、亲水性聚合物和亲水性凝胶中的任何一或多种的材料。

在各个实施例中，所述窗口层包含玻璃。

在各个实施例中，所述生物膜与所述阳极和所述阴极中的至少一者接触。在一些实施例中，所述生物膜与所述阳极、所述阴极和所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障中的至少一者接触。

在各个实施例中，所述生物膜包含两种或更多种微生物。

在各个实施例中，所述生物膜形成于所述伏打电池单元中的衬底上。在一些实施例中，所述衬底为所述阳极或所述阴极。在一些实施例中，所述衬底接触所述阳极或所述阴极的表面。

在各个实施例中，所述生物膜包含带正电荷的部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含带负电荷的部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含合成部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含非合成部分。

在各个实施例中，所述生物膜包含一或多个丝状附器。

在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种微生物类别，所述一或多种微生物类别是厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物中的一或多种。

在各个实施例中，所述生物膜包含硫氧化微生物和硫还原微生物。

在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种选自由以下组成的组的微生物：铁还原红育菌、嗜酸乳杆菌、深红红螺菌、脱硫弧菌脱硫亚种、厌氧消化链球菌、森氏红螺菌、疾卡氏菌、毛螺菌、腹发光杆菌、酒色闪杆菌、干酪乳酸杆菌、具核梭杆菌多形亚种、孔兹创伤球菌、痤疮丙酸杆菌、深红红螺菌、孔兹创伤球菌、酒色闪杆菌和产黏变形杆菌。

在各个实施例中，所述生物膜包含基质，所述基质包含天然聚合物、合成聚合物、DNA的水合物、蛋白质的水合物或碳水化合物的水合物。

在以上所述的任何实施例中，所述伏打电池单元还可以包含与所述阳极电通信的集电器。

在以上所述的任何实施例中，第一微生物物种和/或第二微生物物种包含光采集天线。在各个实施例中，所述第一微生物物种通过第一波段中的电磁辐射激发，并且所述缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二波段中的电磁辐射激发，其中所述第一波段和所述第二波段基本上不重叠。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种包含光能营养或化能营养微生物。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是化能营养菌，并且所述第二微生物物种是光能营养菌。

在以上所述的任何实施例中，第一初级代谢通路使含有碳、氮、磷或硫的化合物氧化，并且第二初级代谢通路使通过所述第一初级代谢通路产生的经氧化的化合物还原。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有多个代谢通路。

在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是天然存在的微生物物种。

在以上所述的任何实施例中，所述第一初级代谢通路和所述第二初级代谢通路各自参与细胞呼吸。

这些和其它方面在下文参考附图进行了进一步描述。

附图说明

图1A示意性地描绘了根据某些实施例的能量转化电池单元。

图1B描述了图1A中示出的电池单元的变型。

图1C描绘了示例光系统。

图1D描述了根据某些所公开的实施例的具有电极和生物膜的微生物限制外壳。

图1E描述了可以在微生物限制外壳的多层生物膜中实施的两个层。

图1F示出了过程流程图，其展示了基于微生物的甲醇燃料电池单元的组件的布置。

图1G示出了根据某些所公开的实施例的多个微生物限制外壳。

图1H示出了根据某些所公开的实施例的电极上的微生物限制外壳。

图1I示出了过程流程图，其描绘了可以根据某些所公开的实施例执行的操作。

图2A描绘了在生物膜上形成的丝状形状的实例。

图2B-2D示出了在表面上具有微生物的生物膜的示意图示。

图2E和2F是微生物的实例的示意图示。

图2G示出了微生物之间的连接性的示意图示。

图2H示出了沿着微生物的细丝的电子流。

图3A、3B、3C和3D描绘了衬底表面上的各种形状的生物膜。

图4A示出了生物膜形成于衬底上的能量转化电池单元的横截面。

图4B为图4A的能量转化电池单元中的生物膜和衬底的多孔表面。

图5A示出了水平形式的示例能量转化电池单元。

图5B示出了示例三层转化电池单元形式。

图5C示出了水平形式的能量转化电池单元的示例“冰球”设计。

图5D示出了能量转化电池单元中的生物膜内的微生物层。

图5E示出了可以根据某些所公开的实施例使用的示例伏打电池单元的侧视图。

图6示出了过程流程图，其描绘了可以在根据某些所公开的实施例的方法中执行的操作。

图7和8示出了具有不同含碳阳极的示例能量转化电池单元。

图9示出了根据某些所公开的实施例可以实施为生物电化学伏打电池单元的层的示例堆叠。

图10是示出了在根据某些所公开的实施例进行的实验中测量的电流的图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对所呈现的实施例的透彻理解。所公开的实施例可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践。在其它情况下，未详细地描述熟知的过程操作以避免不必要地混淆所公开的实施例。虽然将结合具体实施例描述所公开的实施例，但应当理解的是，其并不旨在限制所公开的实施例。

I.定义

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术术语和科学术语均具有与本领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。包含本文所包含的术语的各种科学词典是本领域的人员众所周知的和可获得的。类似于或等效于所描述的那些方法和材料的任何方法和材料还可以用于实践所公开的实施例。

因此，以下紧接着定义的术语通过参考说明书来更充分地理解。提供了定义以仅描述具体实施例并帮助理解本说明书中描述的复杂概念。其并不旨在限制本公开的完整范围。具体地，应当理解，本公开不限于所描述的特定组成、系统、设计、方法、方案和/或试剂，因为这些特定组合物、系统、设计、方法、方案和/或试剂可以根据本领域的技术人员使用其的上下文而变化。

如本说明书和所附权利要求书中所使用的，除非内容和上下文另有规定，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”包含复数指示物。例如，对“电池单元”的提及包含两个或更多个此类电池单元的组合。除非另有说明，否则“或”连接在其正确意义上用作布尔逻辑运算符(Boolean logical operator)，其涵盖选择替代方案中的特征(A或B，其中选择A与B互斥)和选择连接的特征(A或B，其中A和B都被选择)。

“电子供体”是作为涉及来自辐射(例如，光)、化学组分、机械操纵的能量的转化的过程或其它过程的一部分供送电子的组分。在本公开中，电子供体的实例包含光合成和非光合成微生物、光采集天线和色素。

“光采集天线”是能够被光能激发的生物化学或化学结构。有趣的是，光可以将天线激发到允许其产生电能或电化学能的状态。有时，光合成微生物含有光采集天线。

“色素”是任何能够被光能激发，典型地通过波长选择性吸收激发的任何组成。色素是一种光采集天线或其组分。色素可以以合成方式或生物发生产生。

“非光合成微生物”是不需要光能用于生长和代谢过程的微生物细胞。此类微生物可以含有电子传输组分，所述电子传输组分可以嵌入在细胞质膜和/或膜内褶和/或膜囊泡和/或细胞器中。

“光合成微生物”或“光能营养微生物”是使用光能用于生长和代谢过程的微生物细胞。此类微生物通常含有能够利用光能的光采集天线和电子传输组分，所述电子传输组分可以嵌入在细胞质膜和/或膜内褶和/或膜囊泡和/或细胞器中。

“化能营养微生物”是在其环境中使用电子供体的有机或无机氧化以产生用于生长和代谢过程的能量的微生物细胞。

“有机营养微生物”是在一或多个代谢通路中使用有机化合物作为电子供体用于生长和代谢过程的微生物细胞。

“无机营养微生物”是在一或多个代谢通路中使用无机化合物作为电子供体，用于生长和代谢过程的微生物细胞。

“异养微生物”是使用有机化合物作为碳源的微生物细胞。

“自养微生物”使用二氧化碳作为碳源的微生物细胞。

“生物膜”是包含一或多种微生物群体的粘附到表面并且能够促进生物电化学能量转化电池单元的功能的微生物薄膜。生物膜可以包含非微生物组分(例如，胞外基质)。胞外组分包含但不限于多糖，如壳聚糖和卡拉胶。

“电子传导材料”是使得能够将电子从电子传导材料的一个位置转移到另一个位置的材料。电子传导材料可以是电子传导性的或半传导性的。其可以传导空穴。

II.引言

生物电化学能量转化电池单元是产生能量的有效替代方案。这样的电池单元可以使用多种生物体，包含但不限于光合成生物体、光能营养生物体、化能营养生物体、化能有机营养生物体、化能无机营养生物体、光能异养生物体、自养生物体、异养生物体和其它能够产生可捕获能量以在伏打电池单元中使用的生物体。电子载剂通过电子传输链连续传递所激发的电子，并且同时促进跨膜的质子分离的协同努力以产生势能。

光合成微生物和植物在将光能转化为其它可用能量形式方面是极其高效的。光合成微生物在其膜中含有光采集色素和天线系统或反应中心，以利用通过光子递送的能量。

存在两种类型的光合成，即非产氧性和产氧性。非产氧性光合成被视为在历史上先于产氧性光合成，并且不产生氧气。产氧性光合成发生在植物和蓝藻菌中，并且使用H₂O作为光能营养的电子供体。非产氧性光合成可以利用氢、硫和某些化合物作为光能营养的电子供体。

已在绿色硫细菌中鉴定出有记载的最大光利用能力，这些硫细菌在海洋表面以下近1英里驻留在深海热喷口中，在这些深海热喷口处仅很少的光到达这些微生物。这些微生物可以利用非产氧性光合成中的几乎100％的残余光。

光合成微生物用于产生可用能量的用途主要集中在生物燃料生产上。

除了光合成微生物之外或代替光合成微生物，生物电化学能量转化电池单元还可以采用向药性生物体，包含可以存在于海洋的深部区域中的那些生物体。生物电化学能量转化电池单元还可以采用异养菌，所述异样菌在将含碳营养物转化为可用能量形式方面是高效的。

一些生物电化学能量转化电池单元可以包含以上生物体类型中的两种或更多种生物体类型。例如，一些生物电化学能量转化电池单元可以有具有能量转化通路的生物体，其中能量转化通路的产物可以用作同一生物电化学能量转化电池单元中的另一种生物体的能量转化通路的能量源。

本文公开了一种利用生物膜以提高电池单元的性能(例如，效率)的基于微生物的电产生电池单元。在一些实施方案中，相较于目前的生物电化学能量产生技术，生物膜的掺入允许电池单元提供低成本能量产生过程和高光-电转化率。具有生物膜的电池单元可以使用生物膜来调节电池单元内的能量转化过程，并且可以在其中这种生物膜可能天然存在的不同地理位置中实施。电池单元可以是可定制的，以满足地理、气候、季节、结构需求等要求。在某些实施例中，电池单元具有安置在生物电化学转化电池单元中的一或多个表面上的一或多个生物膜。

在某些实施例中，伏打电池单元包含含有缓冲液系统、微生物细胞群体、一或多个夹带微生物细胞群体的至少一些部分的生物膜和集电器的容器。在一些实施例中，伏打电池单元包含含有缓冲液系统、微生物细胞群体和传导性生物膜的容器。在一些实施例中，伏打电池单元包含含有缓冲液系统、微生物细胞群体、一或多个生物膜和集电器的容器。在一些实施例中，伏打电池单元包含容纳光采集天线群体、缓冲液系统、一或多个生物膜、镜子或其它光能定向组件和调节器系统的容器。在一些电池单元设计中，生物膜可以促进电池单元中的电子传输、离子和电子传导性以及其它功能。在一些方面中，伏打电池单元包含含有光采集天线群体、缓冲液系统、一或多个生物膜、电子传导材料、镜子系统和调节器系统的容器。在又其它方面中，伏打电池单元包含含有微生物群体、缓冲液系统、一或多个生物膜、调节器系统和电荷存储装置的容器。调节器可以具有感测和调节反馈功能。在一些设计中，电池单元在不存在光的情况下也具有电产生能力。在一些实施方案中，电池单元部署在太阳能面板中。

III.伏打电池单元实施例

图1A示意性地描绘了具有限制容器107的能量转化电池单元105，所述限制容器在其内部109中保持其中一或多种微生物群体所存在的流体。电池单元105还包含安装在容器107的顶部上的可选盖元件131。对于在微生物群体作出响应的波长范围内的辐射来说，元件131是透明的。任选地，电池单元105包含离子可渗透屏障或电池单元隔膜111，所述离子可渗透屏障或电池单元隔膜安置在容器107内，以防止内部区域109中的微生物、电子供体和/或其它组分在可渗透屏障111的相对侧上通入隔室113中。应当理解，可渗透屏障111是可选的，并且有时在容器107内仅提供单一溶液。

返回到图1A，电池单元105将包含阳极115和阴极117，所述阳极和所述阴极被隔室109和任选地隔室113(如果存在的话)中的离子传导流体以电子方式彼此分离。流体可以是液体、凝胶(包含水凝胶)或基质。在操作期间，隔室109中的微生物群体可以产生电子，所述电子在阳极115处收集。这些电子在耦接阴极117和阳极115的电路中流过负载119。在一些实施方案中，隔室109中的微生物接受来自阳极115的质子或其它带正电荷的物种。

返回到图1A，如果使用隔室113，则所述隔室可以包含单独的微生物群体。在一些实施方案中，隔室113中的微生物向阴极117供送质子或其它带正电荷的物种。在一些实施方案中，隔室113中的微生物接受来自阴极117的电子、质子或其它带负电荷的物种。隔室109和可选隔室113中的微生物通过不同机制转化能量。在各个实施例中，至少隔室109内的微生物是光能营养的。

如所指出的，能量转化电池单元可以包含一或多个生物膜。图1描绘了电池单元105的各个组件上的可选生物膜。可选生物膜包含与阳极115、阴极117和半渗透屏障111相邻的生物膜199a、199b、199c和199d，并且有时附着到所述阳极、所述阴极和所述半渗透膜或以其它方式与所述阳极、所述阴极和所述半渗透膜接触。在将电子收集在阳极115处时，阳极115处的生物膜199a可以改善电子传导性和/或可以执行其它功能。例如，生物膜199a中的微生物可以向阳极115供送电子或其它带负电荷的物种。另外，或可替代地，这样的微生物可以接受来自阳极115的质子或其它带正电荷的物种。类似地，在电子从阴极117转移时，阴极117处的生物膜199b可以促进电子传导性和/或可以执行其它功能。存在于生物膜199b、199c和199d上的微生物可以向阴极117供送质子或其它带正电荷的物种。另外，或可替代地，此类微生物可以接受来自阴极117的电子或其它带负电荷的物种。生物膜199a、199b、199c和199d中的微生物还可以通过一或多种机制转化能量。在一些实施例中，微生物是光能营养的。

在某些实施例中，流控系统121耦接到容器107，并且任选地具有用于隔室109和113的单独端口。流控系统121可以包含各种元件，如用于容纳隔室109和/或113的补充流体的储器、一或多个泵、一或多个压力量表、质量流速计、挡板等。流控系统121可以向电池单元105提供新鲜缓冲溶液和/或微生物。其还可以递送用于这些流体的各种调节剂中的一或多种调节剂。此类调节剂可以包含酸、碱、盐、营养物、染料等。一或多种盐可以用作溶液的pH缓冲液。在一些情况下，调节剂包含氧化还原物种，所述氧化还原物种可以以化学方式、电化学方式和/或生物化学方式参与调节溶液。氧化还原物种的一个实例是含硫物种，如硫化氢(H₂S)、二氧化硫(SO₂)或硫酸根离子(SO₄ ^2-)。在一些实施例中，微生物在被包含在199a、199b、199c或199d中的生物膜中时可能比被包含在缓冲溶液中时更高效。

电池单元105还可以与控制流控系统121的控制器125介接。控制器125可以具有一或多种其它功能。例如，其可以接收来自系统的各个组件的输入，如电路耦接阳极115、阴极117、流控系统121和/或分别设置在隔室109和113中的传感器127和129。传感器可以监测电池单元105的任何一或多个相关操作参数。此类示例参数包含温度、化学性质(例如，组分浓度和pH)、光学性质(例如，不透光度)、电性质(例如，离子传导性)等。

图1B描绘了电池单元105的变型。具体地，所述图描绘了具有阳极板137、阴极板139、介于板137与139之间的由间隔件143限定的隔室141的替代电池单元135。在隔室141内是离子传导介质。阳极板137可以含有半渗透材料或可以由半渗透材料制成，所述半渗透材料允许在板的两侧之间实现离子连通，但不允许微生物或微生物组分穿过。在阳极板137的顶部上提供含有光子采集天线的光能营养微生物群体145。可选生物膜189a和189b分别与阳极板137和阴极板139相邻。应当理解的是，生物膜也可以存在于电池单元的其它表面105上。

光转化系统可以包含直接邻近于生物膜定位的阳极，所述生物膜被配置成在含有阳极和阴极的电路中转移电子并产生电流。电路可以耦接到用于电网或其它系统的转化模块。

在一种形式中，所公开的微生物能量转化电池单元包含含有缓冲液系统、光采集天线群体和一或多个生物膜的容器。在本公开的某些方面中，电池单元可以包含含有光采集天线群体、缓冲液、一或多个生物膜、镜子系统和调节器系统的容器。

在一些实施例中，光转化系统包含用于在降低复杂度和成本的情况下提高光转化为电的效率的光采集天线组分群体和一或多个生物膜。

在某些实施例中，光转化系统包含围绕微生物衍生的光采集天线群体的缓冲电解质溶液，所述群体具有每种组分多种光采集天线，并且其中组分群体能够采集包含紫外光和远红光在内的宽波长范围内的光，并且可以采集包含漫射光在内的一定强度范围内的光。所述群体可以包含一或多种微生物物种，包含光合成和非光合成微生物的混合物、衍生自微生物的膜组分或含有光采集天线组分和电子载剂组分的囊泡。

在一些实施例中，光采集天线群体含有光系统，所述光系统包含光采集色素或电子载剂分子和反应中心。在一些实施方案中，光采集天线群体含有一系列不同的光采集色素和光系统，并且可以具有相似的电子载剂分子。

在一些实施例中，所公开的微生物能量转化电池单元包含含有缓冲液系统的容器、含有一或多种化能营养微生物的微生物群体和一或多个生物膜。在本公开的一些方面中，电池单元可以包含含有一或多种化能营养微生物、缓冲液、一或多个生物膜、镜子系统和调节器系统的容器。

在一些实施例中，能量转化系统包含用于在降低复杂度和成本的情况下提高能量来源转化为电的效率的化能营养微生物群体和一或多个生物膜。

在一些实施例中，能量转化系统包含用于在降低复杂度和成本的情况下提高碳转化为电的效率的有机营养微生物群体和一或多个生物膜。

在某些实施例中，能量转化系统包含围绕微生物群体的缓冲电解质溶液，所述群体具有多种微生物，并且其中每种微生物能够在不同条件下使用各种代谢通路转化各种能量来源。微生物群体可以包含一或多种微生物物种，包含光合成微生物、非光合成微生物、化能营养微生物、自养微生物、异养微生物、有机营养微生物、衍生自微生物的膜组分或含有电子载剂组分的囊泡的混合物。

发生在电极处的化学氧化还原反应通过向(阳极)外部电路供送电子或从(阴极)外部电路接收电子来将化学能转化为电能。适当电荷的离子在适当的电极(通过氧化还原反应)被消耗或捐赠，以维持局部电荷平衡和整体电流动(电子在外部电路中，并且离子在电池单元介质(电解质)中)。

生物生物体(或其组分)参与电池单元的运作。其可以(i)促进电池单元所需的电子和/或离子传导，(ii)其可以参与电极处的能量产生性氧化还原反应，和/或(iii)其可以从外部来源采集能量(例如，用于光合成微生物的阳光或用于化能营养菌的化学能)，并且以可以参与电极处的氧化还原反应的化学化合物的形式提供所采集的能量。

在某些所公开的实施例中，生物膜能够促进电子和/或离子传导，参与能量产生性氧化还原反应，和/或从外部来源采集能量。

一个示例光系统可以如图1C所示进行操作。在一些实施例中，光系统存在于活生物体的细胞膜中。在一些实施例中，光系统存在于衍生自活生物体的膜中，但不再是所述生物体的一部分。在其它实施例中，光系统被并入在合成微细胞结构中。此类结构可以通过本领域已知的技术，如在具有洗涤剂的溶剂中对油和脂质进行超声处理来产生。所产生的微细胞结构可以加标有光系统所需的组分。此类组分通常包含反应中心，如叶绿素a分子、光采集色素和电子穿梭分子。某些色素分子可以起到光采集色素和电子穿梭分子两者的作用。在某些实施例中，向伏打电池单元的生物膜或类似组件提供光系统的一或多个元件。例如，可以将一或多种色素添加到水凝胶或支化聚合物基质中。这种基质的实例包含海藻酸盐、琼脂、琼脂糖、果胶、明胶和Sephadex。

当光碰撞微生物膜中的光采集色素时，所激发的电子定向地传递到膜中的电子载剂组分(图1C中的天线辅助色素)和电子穿梭组分，所述电子穿梭组分将电子传递到终端电子受体。在一些情况下，穿梭组分是生物膜。电子流动到微生物膜之外进入到生物膜上，所述生物膜可以有助于促进电子流动。然后，电子流可以被邻近的阳极利用，如金属板或金属导线，以使流动到微生物群体的电流的流动最大化。当电池单元的一部分上(一个电极处)的电子的净流量与电池单元的另一部分上(不同的电极处)的电子的净流量显著不同时，就会产生电流。

电子可以通过各种方式从光系统流动到阳极。有时，微生物以生物膜或其它粘附结构的形式直接附着到阳极上。在这种情况下，通过光系统产生的电子从光系统直接移动到阳极。在其它情况下，光系统不附着到阳极上，并且电子流动到溶液中，在所述溶液中电子可以通过溶液中的介体或电池单元的另一部分上的生物膜，如邻近于阴极的生物膜捕获和传输。在类似实施例中，电子被递送到传导网络，所述传导网络将阳极与溶液中含微生物或其它光系统的元件连接。在某些实施例中，光系统对应于光采集天线。

虽然光系统通常被描述为所公开的实施例的电子来源，但是产生电子的非光合成生物化学过程可以代替光系统使用或可以在光系统之外使用。因此，在适当的情况下，光系统和类似术语的提及可以被视为包含代谢系统和其它产生可用于在能量转化电池单元中向阳极供送的电子的生物化学系统。

A.灭菌

在一些实施例中，生物电化学能量转化电池单元通过以下过程制造，所述过程包含在将一或多个组件安装在电池单元或部分制造的电池单元中之前或之后对所述一或多个组件进行灭菌。

用于本文所述的生物电化学能量转化电池单元的起始材料应是无菌的，使得当引入微生物时，仅引入了所关注的微生物，并且不期望的微生物未被引入到转化电池单元中。在生物电化学能量转化电池单元操作期间，电池单元是完全密封的和/或以这样的方式封闭，即防止转化电池单元外部的有害微生物或条件穿透电池单元环境和装置。

例如，生物电化学能量转化电池单元的所有部件都可以以无菌方式构建和制造。例如，铝阳极可以用热水浴消毒，然后用乙醇或异丙醇喷雾消毒，然后进行干燥，或者金属阳极可以通过在高温烘箱中烘烤1小时灭菌。凝胶介质可以用无菌去离子水制成，或者可以使用非无菌去离子水制成，在这种情况下其然后被高压灭菌。凝胶冷却和成型可以用经灭菌的箔模具形式，所述经灭菌的箔模具被覆盖并放置在无菌容器并且放置在冷却室中。碳布可以暴露于70％乙醇或抗菌喷雾中，然后进行干燥。包含容器(container)和密封剂在内的预灭菌的部件被包装并储存在低吞吐量货架上，并且在组装时在机罩下打开。引线可以暴露于乙醇或抗菌喷雾中并且可以进行干燥。

IV.凝胶和聚合物电解质生物电化学能量转化电池单元设计

在某些实施例中，生物电化学能量转化电池单元具有一或多个含金属或非金属的电极，所述电极任选地用生物膜涂覆，并且然后用离子传导聚合物涂覆。

在某些实施例中，生物电化学能量转化电池单元具有凝胶或聚合物电解质。在一些情况下，这种电池单元任选地不具有不同的液体电解质隔室或区。阳极与阴极之间的离子传导主要或仅仅发生在凝胶或聚合物基质中。在其它情况下，这种电池单元具有液体电解质部分和凝胶或固体电解质部分。举例来说，这种电池单元可以具有用生物膜涂覆或部分涂覆的电极和涂覆在生物膜上的离子传导聚合物。整个结构(电极/生物膜/聚合物)接触与对电极以离子方式接触的液体电解质。

图1D和1E示意性地示出了具有凝胶或聚合物电解质的生物电化学能量转化电池单元。图1D示出了伏打电池单元1019的简化示意图示，所述伏打电池单元具有阳极1017、可选生物膜1099、聚合物电解质1016、可选生物膜1099b和阴极1015。在一些实施例中，如在生物膜1099b中的微生物是光合成微生物的情况下，阴极1015是透明的。图1E示出了伏打电池单元1119的简化示意图示，所述伏打电池单元具有阳极1117、生物膜1199ba、聚合物电解质1116、液体电解质1105、可选生物膜1199b和阴极1115。

电解质阻断电子的传导，同时允许离子在阳极与阴极之间传导。当电解质是(或包含)固体或凝胶时，其可以被称为隔膜。除了传导离子外，隔膜还可以起到为一或多种参与产生电能的电化学过程的微生物提供舒适环境的作用。凝胶或聚合物隔膜可包含适当尺寸的孔，如微米标度的孔，以容纳微生物。孔可以夹带微生物和/或可以允许微生物移动(进入和离开)。

在某些实施例中，电解质或隔膜包含多种组分，并且组分中的至少一种组分是具有固体或凝胶状态的离子传导基质。此类基质可以具有各种组成中的任何组成。在一些实施例中，溶解在水中的NaCl用于提供离子传导性(即，电解质)。这可能为一系列微生物提供合适的环境。在一些实施例中，溶解在水中的盐提供离子传导性。在一些实施例中，水性电解质被凝胶或聚合物吸收。在一些实施例中，凝胶或聚合物可以是离子传导的。在一些实施例中，凝胶或聚合物可以不是离子传导的。在一些实施例中，电解质可以用于传导不同类型的离子-例如，H+和OH-。选择用于某些所公开的实施例的电解质可以取决于基于所传导的离子的特定燃料电池单元或太阳能电池单元实施例的化学作用。例如，如果实施氢燃料电池单元实施例，则可以使用H+(质子)传导电解质。

合适的凝胶样基质材料的实例包含多糖材料，如海藻酸盐(例如，海藻酸钠)、琼脂糖、琼脂、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、甘油、丙三醇、水凝胶、明胶、果胶、PEG、纤维素、核酸链、多蛋白、合成聚合物、纤维素、其它维诺格拉茨基矿物质(Winogradsky mineral media)和其混合物。凝胶状基质材料可以实现用于细菌生长的可行支架。在一些实施例中，生物膜基质还可以具有钙来源或可以位于富含钙的缓冲溶液中。

A.制备方法

在一些实施例中，电极可以被聚合物凝胶包围或涂覆。在此类实施例中，电极可以铺设到模具中，熔融的凝胶施涂到所述模具上并被允许硬化。这允许凝胶与电极表面之间直接接触。

在一些实施例中，电极可以插入到硬化的聚合物凝胶中。在此实施例中，熔融的凝胶施涂到模具上并被允许硬化。在从模具中取出凝胶之后，电极然后可以插入到硬化的凝胶中。这允许在凝胶变为惰性之后凝胶与电极表面之间直接接触。

在一些实施例中，可以通过提供聚合物膜并且在聚合物膜的任何一侧上施涂电极来制造电池单元。电极的施涂可以通过任何沉积技术进行，包含但不限于印刷、涂覆和喷涂。

在一些实施例中，电池单元包含热源，如用于产生可以组装成电池单元的微生物的地热源。对于本文描述的任何电池单元实施例，来自大气或来自如车辆或燃烧发电厂等二氧化碳产生性来源的二氧化碳消耗可以与某些所公开的实施例结合使用。

V.采用离子传导聚合物的电极形式

离子传导聚合物与其它电极组分一起被包含在内。共同地，聚合物和其它组分形成电极。离子传导聚合物可以用于阳极、阴极或两者。离子传导聚合物可以是阳离子导体、阴离子导体或混合阴离子和阳离子导体。

A.阳极组分

阳极包含(a)可以在放电期间氧化以释放电子的电化学活性材料，(b)任选地电子传导材料，以及(c)任选地离子传导材料。阳极可以与集电器电接触，所述集电器通常具有负极性。

1.离子传导材料

根据在阳极处发生的反应，离子传导聚合物可以传导阴离子、阳离子或两者。在采用含金属阳极的某些实施例中，离聚体传导氢氧化物离子。例如，铝金属电极可以采用传导氢氧化物离子的离聚体。

在某些实施例中，离子传导聚合物是阳离子传导聚合物。阳离子传导聚合物优先传导阳离子(例如，质子)而不是阴离子。在一些实施例中，阳离子传导聚合物可以将阳离子从阳极传导到电解质。阳离子取决于所使用的电极的类型。所传导的阳离子的实例包含氢离子、铝离子和锌离子。所传导的阴离子的例子包含氢氧根离子、碳酸氢根离子和硫酸氢根离子。在化学上，离子传导聚合物基质可以包含具有如下悬垂离子基团的有机聚合物骨架：磺酸基、二硫键；芳香族环结构；甲基；磷酸基；羟基；羰基；醛基；硝酰基；亚硝鎓基；或季铵基。离子传导聚合物可以具有含有芳香族环、双键或芳香族环和双键的主链。具有芳香族环的离子传导聚合物可以具有杂原子，或可以不存在杂原子。主链含有芳香族环但不包含杂原子的离子传导聚合物包含聚(芴)、聚苯、聚丙烯腈、聚薁和聚萘。主链含有芳香族环并且在芳香族环中具有含氮杂原子的离子传导聚合物包含聚吡咯(PPY)、聚咔唑、聚吲哚和聚氮杂。主链含有芳香族环并且在芳香族环外部具有含氮杂原子的离子传导聚合物包含聚苯胺(PANI)。主链含有芳香族环并且在芳香族环中具有含硫杂原子的离子传导聚合物包含聚(噻吩)(PT)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)。主链含有芳香族环并且在芳香族环外部具有含硫杂原子的离子传导聚合物包含聚(对苯硫醚)(PPS)。主链含有双键的离子传导聚合物包含聚(乙炔)(PAC)。主链含有芳香族环和双键的离子传导聚合物包含聚(对苯乙炔)(PPV)。离子传导聚合物可以是线性多糖。离子传导聚合物可以是阴离子共聚物聚电解质。在一些实施例中，阴离子共聚物聚电解质可以协助离子转移和支撑生物膜结构。离子传导聚合物对阴离子和/或阳离子具有的比电导率为至少1mS/cm。阴离子传导聚合物是主要传导阴离子的离子传导聚合物(但是仍然会有少量的阳离子传导)。阳离子传导聚合物是主要传导阳离子的离子传导聚合物(例如，仍然可能存在偶然量的阴离子传导)。在各个实施例中，离子传导聚合物是具有诸如磺酸基或季铵基等悬垂离子基团的有机聚合物。

除了如上所述的聚合物或凝胶基质材料外，电解质或隔膜可以包含使基质水合和/或膨胀的水、一或多种离子类型、一或多种生物相容性试剂和其组合。在一个实例中，可以使用胞外多糖。

在某些实施例中，聚合物或凝胶电解质的厚度为约0.025mm至10cm。电解质的厚度可能取决于电池单元中所使用的微生物。在一些实施例中，厚度可以为约25μm至约250μm。

然而，一些微生物可以使用比此范围更厚的层。

聚合物或凝胶电解质或电极可以具有值得注意的光学特性。在某些实施例中，对于电磁波谱的一些或全部UV、IR和/或可见部分中的波长来说，电解质是透明或部分透明的。在采用光合成微生物的系统中，这可能是一个有益特性。

在各个实施例中，微生物被夹带在生物电化学能量转化电池单元的阳极和/或阴极中和/或移动穿过所述阳极和/或所述阴极。如本文其它地方所解释，某些微生物可以促进生物电化学能量转化电池单元的操作。在一些情况下，离子传导聚合物含有可以将微生物收纳在电极中的孔或其它开口。在一些实施例中，离子传导聚合物含有具有的平均横截面直径或其它横截面尺寸为约0.1μm至10μm的孔。

2.电子传导材料

任选地，阳极包含作为一种组分的电子传导材料。此材料可以与其它组分(包含电化学活性材料和离子传导组分)混合。这里描述的电子传导材料不同于电子传导集电器。

合适的电子传导材料的实例包含碳、金属、有机电子传导材料和传导性氧化物、氮化物等。如果使用碳，那么所述碳可以呈各种形式，如炭黑、石墨、石墨烯结构、如纳米管等富勒烯结构等。如果使用金属或含金属结构，那么在阳极处所经历的化学和电条件下，所述金属或所述含金属结构应是惰性的。在某些实施例中，电子传导材料是传导性氧化物。在一些情况下，传导性氧化物是透明的传导性氧化物，如氧化铟锡或氟化的氧化锡。

在一些实施例中，电子传导材料可以包含如具有PVC引线的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等绝缘背衬材料和具有25％碳和75％聚乙烯的传导性塑料薄膜。所述材料可以进一步包含具有20％高聚合物材料、59％甘油、20％水和1％盐的传导性水凝胶。

在一些实施例中，电子传导材料的颗粒或其它单元具有提供用于使电子在电极中的位置之间或电极与其它生物电化学能量转化电池单元组件，如生物膜、电解质和/或集电器之间移动的通路的形状或形态。在另一部分中，本公开进一步描述了这种电子传导材料的特性。这种特性的实例包含电子传导颗粒的形状和尺寸。另外，电子传导材料的位置可以基于电子传导材料在其之间传导电子的组件来选择。

3.生物电化学活性材料

在阳极中可以使用许多不同类型的电化学活性材料。电化学活性材料中的一些在本文的其它地方描述。在某些实施例中，电化学活性材料是金属、金属氧化物和/或金属硫族化物。阳极金属的实例包含铝、锌、银、银/氯化银、碳、被组氨酸修饰的碳、被精氨酸或聚精氨酸、组氨酸或聚组氨酸修饰的碳和/或被两性离子部分修饰的碳。

在一些实施例中，可以连续向阳极供应如氢或甲醇等燃料电池单元还原剂，在所述阳极处，所述还原剂将被氧化并供送电子。此类实施方案可以利用产生甲醇或氢的微生物。甲醇氧化微生物是使用甲醇作为能量的碳源的微生物。一些甲醇氧化微生物可以是细菌和真核生物域的微生物。实例可以包含毕赤酵母(Pichia pastoris)、多形汉逊酵母(Hansensula polymorpha)、假丝酵母(Candida spp.)、毛孢子菌(Trichsporon spp.)等。另外的实例描述于史蒂芬科尔布(Steffen Kolb),土壤中的好氧甲醇氧化细菌(Aerobicmethanol-oxidizing Bacterial in soil)，300FEMS微生物学快报1(300FEMSMicrobiology Letters 1),2009年11月,第1-10页中，可在https://academic.oup.com/femsle/article/300/1/1/528736上获得。某些微生物可以用于燃料电池单元还原剂双层设计，所述燃料电池单元还原剂双层设计使用包含Nafion以及官能化的碳掺杂的琼脂/海藻酸钠生物膜在内的材料。

甲醇燃料电池单元可以按两种一般方式分类-间接甲醇燃料电池单元和直接甲醇燃料电池单元。图1F示出了可以根据某些所公开的实施例使用以形成甲醇燃料电池单元的过程流程。在操作120中，通过微生物反应产生甲醇。在操作130中，将甲醇收集并纯化。在操作140中，将水和经纯化的甲醇合并在溶液中，所述溶液进料到燃料电池单元阳极。图150示出了具有阳极、电解质和阴极的直接或间接甲醇燃料电池单元，由此电解质被夹置在阳极与阴极之间。间接甲醇燃料电池单元也被称为重整式甲醇燃料电池单元(RMFC)，所述RMFC具有甲醇重整器，所述甲醇重整器在阳极的上游将甲醇重整为氢气和二氧化碳。H₂/CO₂混合物然后与如一氧化碳等低浓度的重整器污染物一起被进料到阳极。在这种情况下，H₂是阳极处的燃料。另一方面，直接甲醇燃料电池单元(DMFC)具有直接进料到阳极的甲醇/水溶液。然后，甲醇/水溶液在燃料电池单元阳极处发生反应。

在一些实施例中，可以使用不含金属的基于聚合物的电极。基于聚合物的电极可以由多肽形成。基于多肽的电极可以有具有氧化还原活性悬垂基团的不可降解的脂肪族骨架。在一些实施例中，多肽是酶。在其它实施例中，基于多肽的电极被保护免受蛋白水解和水解活性的影响。又在其它实施例中，基于多肽的电极经受水解降解以形成氨基酸，并且充当装置的能量来源和微生物群体的次级营养物来源两者。在一个实例中，多肽骨架可以是阴极传导材料，而紫精和氮氧化物自由基以及其它氧化还原活性基团可以是阳极传导材料。在无废物的过程需要的情况下并且当无废物的过程需要时，基于多肽的电极可以具有易于降解的额外优势。经降解的氨基酸和其它组分还可以重复使用和/或重新合成以形成新电极。多肽有机自由基电池材料进一步描述于纽伦(Nguyen)等人,“多肽有机自由基电池”,自然(Nature),第583卷,第61页,2021年5月6日中。

在另一个实施例中，本质上是核酸的不含金属的基于聚合物的电极可以在接受表面上形成或其自身可以形成为层。DNA的手性以用于提供电子转移的方式组织DNA骨架和核酸碱基上的羟基部分的负电荷。在某些实施例中，DNA定向成产生极性可能是有利的。此外，DNA可以随着时间的推移而降解，以充当微生物群体的营养物来源。

2.阳极的总体组成

如所指出的，阳极包含电化学活性材料、可选电子传导材料和如离子传导聚合物等可选离子传导材料。所述阳极可以含有对阳极的电子或电化学特性没有贡献的其它组分。此类其它组分的实例包含粘合剂和润湿材料。当然，这些组分的范围或相对量可能会由于电池单元设计、所采用的微生物和其它因素而变化。

在某些实施例中，阳极包含浓度为约5质量％至约70质量％、或约15质量％至约50质量％或约25质量％至约40质量％的离子传导材料。在某些实施例中，阳极包含浓度为约30质量％至约95质量％、或约50质量％至约85质量％或约60质量％至约75质量％的电子传导材料。在某些实施例中，阳极包含浓度小于约40质量％、或小于约25质量％、或小于约10质量％的电化学活性材料。在一些实施例中，阳极包含具有的浓度为约0.1％w/v至约55％w/v(重量/体积)的离子传导材料。此类实施例可以涉及电化学电池单元内部或外部的微生物。例如，具有甲醇产生性细菌的直接甲醇燃料电池单元(DMFC)将具有位于燃料电池单元外部的微生物。在一些实施例中，阳极、隔膜、阴极和周围材料还可以为直接参与电化学电池单元反应的微生物提供友好环境。

在某些实施例中，阳极包含浓度为约20质量％至约80质量％、或约30质量％至约70质量％、或约35质量％至约60质量％的微生物相容性材料。在某些实施例中，阳极包含浓度为约20质量％至约80质量％或约30质量％至约70质量％的电子传导颗粒。在某些实施例中，阳极包含小于约40质量％的电化学活性材料、或小于约25质量％的电化学活性材料或小于约10质量％的电化学活性材料。在一些实施例中，阳极可以用水和溶解的离子，如NaCl饱和，以提供一些离子传导性。此类实施例可以涉及电化学电池单元内部的微生物。然而，这并不排除还包含电化学电池单元外部的微生物提供额外功能的可能性(例如，电化学电池单元外部的微生物可以向电化学电池单元和内部的微生物提供原料)。在一些实施例中，包含如本文所述的阳极等阳极的伏打电池单元可以包含额外的层，如但不限于传导碳层、金属层、透明传导层和/或气体扩散层(GDL)。

对于一些实施方案，与电子传导材料相比，仅采用相对少量的电化学活性材料。例如，与碳的百分比相比，阳极可以具有的铝粉的百分比相对较低。这是因为仅需要相对少量的电化学活性材料来设置电极的电位。

为使微生物对电化学能量转化过程做出重大贡献-而不是使像铝这样的材料来决定电池单元的能量转化和电特性-仅采用少量的无机电化学活性材料。在某些实施例中，电化学传导材料与电子传导材料的重量比为约1:1至1:5或更小。

阳极可以具有各种形态中的任何形态。例如，阳极可以是颗粒的混合物、独立式片材或衬底上的层或涂层。在一些情况下，片材是柔性结构，如通常用于膜电极组合件的薄膜。在一些情况下，层或涂层以油墨的形式施涂。在一些情况下，衬底是集电器。

在一些情况下，一或多种微生物促进阳极的操作。如本文其它地方所解释的，可以在阳极上或中提供生物膜。

在某些实施例中，在厚度方面，阳极的厚度为至少约25μm。阳极的最大厚度可能取决于所使用的微生物。

阳极可能具有值得注意的光学特性。在某些实施例中，对于电磁波谱的一些或全部UV、IR和/或可见部分中的波长来说，阳极是透明或部分透明的。在采用光合成微生物的系统中，这可能是一个有益特性。在一些情况下，透明电极采用透明传导性氧化物，如氧化铟锡或氟化的氧化锡。

在一些实施例中，阳极不是透明的。在一些实施例中，阳极是不透光的。

B.阴极组分

阴极包含(a)可以在放电期间还原以接受来自电路的电子的电化学活性材料，(b)任选地电子传导材料，以及(c)任选地离子传导材料。

在某些实施例中，阴极可以类似于例如燃料电池单元中的常规空气电极。阴极可以包含具有例如碳颗粒或纤维和如氟化聚合物(例如，PTFE)等疏水材料的气体扩散层。阴极还可以具有用于使空气到达电极的流动路径，所述流动路径可以具有各种通路中的任何通路。在一个实例中，流动路径包含多个平行路径。在一些情况下，流动路径遵循蛇形路径。在一些实施方案中，对太阳能光谱的实质性区域来说，可以是空气阴极的阴极是不透光的或在其它方面不透明的。出于这个原因，采用光能营养菌的生物电化学能量转化系统可以被设计成使得阴极不安置在其中光能营养菌所位于的区域与太阳能辐射接触电池单元的方向之间。在一些实施例中，阴极包含碳颗粒和油墨或糊剂形式的Nafion离聚体。此阴极可以通过使用糊剂，包含支撑在碳上的铂催化剂、Nafion悬浮液或溶液和溶剂，并且去除铂以形成含碳糊剂来制造。糊剂可以混合在异丙醇中。在一些实施例中，Nafion可以用聚合物或凝胶来代替以改变pH，提供生物相容性环境，并降低制造成本。在一些实施例中，微生物可以掺入在碳层中。在一些实施例中，碳层可以由如石墨、石墨烯或碳纳米颗粒等替代性传导碳材料来制成。在一些实施例中，导体可以替代电池单元中的碳，如通过使用金属颗粒(例如，银)和/或传导金属氧化物。

空气阴极需要获得空气的途径。在一些实施例中，这是通过其中阴极的至少一个表面或侧暴露于空气的生物电化学能量转化电池单元设计来实现的。在一些水平构型电池单元设计中，空气电极的一部分延伸到电解质或缓冲液之外并且接触空气。在一些实施方案中，空气通过，例如，将空气推动到阴极中的泵提供。

水管理可能是某些电池单元设计中的考虑因素，特别是采用空气阴极的电池单元设计的考虑因素。一些电极反应消耗水，并且一些电极反应产生水。另外，水可能会从电池单元中蒸发。如果电池单元中存在净水损失，则提供一些机制以提供水来补充电池单元。在一些实施例中，泵用于此目的。

C.制备电极的方法

在一个实施例中，制备阳极并且将其以碳油墨的形式施涂到衬底上，所述碳油墨包含如乙醇等液体载剂、碳颗粒、限定量的铝粉或其它电化学活性材料和离子传导聚合物。在施涂油墨后，允许液体蒸发，并且在衬底上形成阳极。举例来说，衬底可以包含集电器、玻璃片材或透明塑料片材。

在另一个实施例中，将液体形式的多肽或DNA施涂到模具上，并且通过加热、冻干或蒸发去除一些或大部分水。所得电极可以是凝胶或粉末。

在另一个实施例中，电极可以形成到具有特定结构特征的骨架/表面上，并且可以喷涂或沉积到骨架结构/表面上并允许固化。

在一些实施例中，可以使用超声处理或类似技术以帮助碳油墨和铝粉分散。

在制造铝阳极时，不可以使用单独的集电器。在制造期间，引线可以直接嵌入到凝胶中。

VI.电极中的电子传导通路

在一些实施例中，生物电化学能量转化电池单元包含电解质或电极内的提供电子传导通路的结构。这些通路可以以促进由微生物物种供送的电子的转移的结构形式提供。所述结构将所供送的电子传输到电极或与电极相关联的组件，如集电器。在一些情况下，结构将电子转移到电极中的电化学活性氧化还原材料。

提供电子通路的结构可以是天然存在的或合成的和/或可以提供以促进电子通路。在一些实施例中，结构被有意地形成以具有特定于微生物群体的选择及其对应茁壮成长的环境的特定特性。在一些实施例中，结构混合在电极本身中，例如，混合在阳极中，所述阳极接收电子，用于生物电化学能量转化电池单元附接到的电路。可替代地，这些材料可以放置在电极的界面处，如放置在阳极与电解质之间的界面处。

电子通路可以由许多电子传导材料中的任何电子传导材料组成。实例包含含碳材料、如铜等金属和如氟化的氧化锡和氧化铟锡等透明传导材料。举例来说，含碳材料可以是碳富勒烯结构，如纳米管。在一些实施例中，结构是电子虹吸管。长度可以基于设计而变化，然而在优选实施例中，长度的范围为每单位5nm至5cm，形状的范围可以为线圈、圆柱体、点、导线、棒、菌毛和网，并且可以包含碳、金属、生物聚合物。

在一些实施例中，电子通路以粉末或颗粒状材料的形式提供。在一些实施例中，电子通路在如片材等连续衬底上提供。例如，片材可以包含透明传导氧化物。在一些情况下，片材状结构被蚀刻以使其具有更大的表面积。蚀刻可以产生促进电子移动或移动方向的指或线。

提供电子通路的结构通常会被形状设定为将电子从一个区域传输到另一个区域。为此，所述结构可以是导线状的或导线形状的。在某些实施例中，结构的纵横比平均大于1或大于3。平均颗粒长度(电子传输的方向)可以为至少约5纳米、或约5纳米至500毫米。

此类结构可以与生物电化学转化电池单元的传导组分，如电子传导材料、阳极传导材料、阴极传导材料和离子传导材料直接或间接接触。所述结构被选择和成形为帮助促进在不接触将产生短路的对电极的情况下从微生物中的一或多种微生物向电极的电子移动。电子传导通路可以与离子传导聚合物结合使用，所述离子传导聚合物有助于将一或多种微生物保持处于紧密接近电极的位置，在所述位置处，所述微生物可以供送电极并避免电子传输到对电极。

A.在生物电化学能量转化电池单元中并入电子传导通路的方法

实施例涉及将电子传导通路与电极、生物膜、电解质或生物电化学能量转化电池单元的其它组分中的一或多种成分混合。

在某些实施例中，制备阳极并且将其施涂到具有蚀刻的透明传导材料，如透明传导氧化物(例如，氧化铟锡)的衬底上。蚀刻可以使用化学蚀刻剂、激光或用于部分地去除材料的其它药剂进行。

VII.微生物限制外壳(笼)

在某些实施例中，使用一或多个微生物限制外壳(有时被称为“笼”)来制造生物电化学能量转化电池单元，以在电池单元制造和操作期间将微生物保持在适当定位。

图1G以透视图示出了微生物限制外壳1800A。如所示出的，结构完全包围微生物1810所占据的区。这种外壳可以在生物电化学电池单元制造期间使用。例如，可以在外壳内提供处于液体或凝胶介质中的一或多种类型的微生物，然后将所述微生物定位在生物电化学能量转化电池单元的容器内，并且随后任选地通过添加基质形成材料而转化为生物膜或生物膜的一部分。图1G以透视图示出了具有第二微生物1820A的第二微生物限制外壳1800B。

图1H示出了原位处于具有电极1820B的生物电化学能量转化电池单元1800的多层生物膜1801中的微生物限制外壳1800A和微生物限制外壳1800B。微生物限制外壳1800A可以具有由聚丙烯材料或硼硅酸盐钢化玻璃制成的壁。

在某些实施例中，外壳在其壁上具有孔，所述孔允许水或其它流体在外壳的内部与外部之间穿过。然而，这些孔通常小到以至于无法使微生物从结构的内部穿过到外部。此类孔的直径可以小于约0.22μm。孔还可以用过滤器密封，以实现孔径的灵活性，以调整水流，同时防止微生物从电池单元中丢失。

在一些情况下，用于形成生物膜的过程开始于具有开放侧的微生物限制外壳。图1I示出了过程流程图，其描绘了可以根据此过程2001执行的操作。在操作2003中，提供了具有开放侧的微生物限制外壳，如图1G中描绘的微生物限制外壳。在操作2005中，将包括要掺入到生物膜中的微生物的液体或凝胶介质倾倒到微生物限制外壳的开放侧中。所述外壳包围一些或全部微生物介质。任选地，微生物限制外壳是封闭的以在制造期间将微生物保持在内部内。在操作2007中，将外壳中的受限的微生物任选地混合并且掺入到形成生物膜的基质或衬底的材料中。例如，可以将微生物限制外壳与含海藻酸盐和/或琼脂糖的基质混合或放置到所述基质中。在操作2009中，然后可以将所产生的生物膜施涂到伏打或生物电化学能量转化电池单元组件上。在操作2011中，然后可以将具有生物膜基质的组分掺入到生物电化学能量转化电池单元中。

VIII.生物膜的作用

所公开的伏打电池单元包含位于一或多个位置中的生物膜，所述生物膜各自可以具有一或多种用于促进伏打电池单元中的能量产生的功能。生物膜可以用作微生物群落的稳定因子。生物膜也可以通过在固体表面上用作稳定因子来提高电子传输的效率。某些所公开的实施例中的生物膜执行许多不同功能。

在一些实施例中，微生物可以促进电池单元所需的电子和/或离子传导，参与电极处的能量产生性氧化还原反应，和/或从外部来源采集能量。在微生物存在于生物膜中时，这些作用中的任何一或多种作用都可以比其不存在于生物膜中时表现得更好。例如，相较于在布置在生物膜中时执行相同功能的相同微生物，悬浮在电解质或缓冲液介质中的微生物可以具有减少的能量产生、减少的电子和/或离子传导或更慢的氧化还原反应。

当两种或更多种微生物存在于生物膜上时，生物膜可以提供用于共生关系的介质。例如，在同一生物膜上具有互补通路的两种微生物可以一起共同产生更多能量，因为通过第一微生物的代谢通路产生的废物产物被第二微生物更高效地消耗。其实例可以包含与硫还原剂配对的硫氧化剂；与氮固定剂配对的氮氧化剂；与有机异养菌配对的光合成剂(碳固定剂)。具有互补通路的微生物的额外实例在于2018年10月2日发布的美国专利第10,090,113号中进行了讨论，所述文献出于提供互补通路微生物的实例的目的通过引用以其整体在此并入。举例来说，生物膜中的两种生物体可以有益地通信，由于各种类型的共生等任何类型的共生而变得更健康，等。

可以用于生物膜的示例微生物包含但不限于芽孢杆菌(Bacillus spp.)、红假单胞菌(Rhodopseudomonas spp.)(例如，沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris))、地杆菌(Geobacter spp.)(例如，硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens))、硫杆菌(Acidithiobacillus spp.)、希瓦氏菌(Shewanella spp.)(例如，奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis))、脱硫杆菌(Desulfobacterales spp.)、脱硫弧菌(Desulfovibrionales spp.)、互营杆菌(Syntrophobacterales spp.)、脱硫肠状菌(Desulfotomaculum spp.)、脱硫鼠孢菌(Desulfosporomusa spp.)、脱硫芽孢弯曲菌(Desulfosporosinus spp.)、热脱硫弧菌(Thermodesulfovibrio spp.)、热脱硫杆菌(Thermodesulfobacteriae spp.)、热脱硫菌(Thermodesulfobium spp.)、古生球菌(Archaeoglobus)、热枝菌(Thermocladium)、暖枝菌(Caldivirga)、变形杆菌(Proteusspp.)、假单胞菌(Pseudomonas spp.)、沙门氏菌(Salmonella spp.)、硫磺单胞菌(Sulfurospirillum spp.)、脱硫微菌(Desulfomicrobium spp.)、热棒菌(Pyrobaculumspp.)、产金菌(Chrysiogenes spp.)、奈瑟氏菌(Neisseria spp.)、大肠杆菌(Escherichiaspp.)、艾肯菌(Eikenella spp.)、棒状杆菌(Corynebacterium spp.)、红螺菌(Rhodospirillum spp.)、红杆菌(Rhodobacter spp.)、水螺菌(Aquaspirillum spp.)、小梨形菌(Pirellula spp.)、念珠藻(Nostoc spp.)、螺杆菌(Helicobacter spp.)、肠杆菌(Enterobacter spp.)、发光杆菌(Photobacterium spp.)、布鲁氏菌(Brucella spp.)、伯氏疏螺旋体(Borrelia spp.)、固氮弧菌(Azoarcus spp.)、鞭毛藻(Dinoflagellataspp.)、黄藻(Zooxanthellae spp.)、固氮菌(Azotobacter spp.)、副基体(Parabasaliaspp.)、气单胞菌(Aeromonas spp.)、热球菌(Thermococcus spp.)、甲烷嗜热菌(Methanopyrus spp.)、热原体(Thermoplasma spp.)、热球菌(Pyrococcus spp.)、产甲烷球菌(Methanococcus spp.)、除硫球菌(Desulfurococcus spp.)、甲烷囊菌(Methanoculleus spp.)、古生球菌(Archeoglobus spp.)、硫杆菌(Thiobacillus spp.)、聚球藻(Synechococcus spp.)、螺旋菌(Spirillum spp.)、球衣菌(Sphaerotilus spp.)、反刍杆菌(Ruminobacter spp.)、玫瑰杆菌(Roseobacter spp.)、链霉菌(Streptomycesspp.)、螺旋藻(Spirulina spp.)、钟虫(Vorticella spp.)、黄藻(Xanthophyceae spp.)、丙酸杆菌(Propionibacterium spp.)、纤毛菌(Leptothrix spp.)、弗兰克氏菌(Frankiaspp.)、厚皮藻(Pleurocapsa spp.)、绿屈挠菌(Chloroflexus spp.)、贝日阿托菌(Beggiatoa spp.)、鱼腥藻(Anabaena spp.)、黑粉菌(Ustilago spp.)、磁螺菌(Megnetospirillum spp.)、热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)、脱硫杆菌(Desulfobacter spp.)、脱硫球菌(Desulfococcus spp.)、脱硫弧菌(Desulfovibriospp.)、赤杆菌(Erythrobacter spp.)、热袍菌(Thermotoga spp.)、红育菌(Rhodoferaxspp.)、暗杆菌(Pelobacter spp.)、一氧化碳嗜热菌(Carboxydothermus spp.)、劳森氏菌(Lawsonia spp.)、热脱硫杆菌(Thermodesulfobacterium spp.)、除硫单胞菌(Desulfuromonas spp.)、甲烷泡菌(Methanofollis spp.)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina spp.)、甲烷球形菌(Methanosphaera spp.)、甲烷嗜热杆菌泉古菌门/奇古菌门(Methanothermobacter spp.Crenarchaeota/Thaumarchaeota)、来自I族(例如，Duboscquellida)和II族(例如，共甲藻目(Syndiniales))囊泡虫总门(alveolates)的古菌门(Euryarchaeota)、放射虫主导浮游生物(Radiozoa dominating plankton)以及后鞭毛生物(Opisthokonta)和囊泡虫总门、麦氏交替单胞菌‘表面生态型’(Alteromonasmacleodii'surface ecotype')、遍在远洋杆菌(Pelagibacter ubique)、海洋氨氧化古菌(Nitrosopumilus maritimus)、绿硫菌(Chlorobium)、绿爬菌(Chloroherpeton)、GSB1、原绿球藻属(Prochlorococcus)、产卟啉杆菌(Porphyrobacter)、青绿藻(Cyanidium)、褐指藻(Phaeodactylum)、着色菌(Chromatium spp.)、玫瑰弯菌(Roseiflexus spp.)和产卟啉杆菌(Porphyrobacter spp.)等以及其它具有IV型菌毛和接受电子的外膜组分的微生物(雷格拉(Reguera)等人,2006；乐昂(Leang)等人,2010；里克特(Richter)等人,2012)，所述微生物通过引用以其整体并入本文。

可以用于生物膜的微生物的具体实例包含但不限于铁还原红育菌、嗜酸乳杆菌、深红红螺菌、脱硫弧菌脱硫亚种、厌氧消化链球菌、森氏红螺菌、疾卡氏菌、毛螺菌、腹发光杆菌、酒色闪杆菌、干酪乳酸杆菌、具核梭杆菌多形亚种、孔兹创伤球菌、痤疮丙酸杆菌、深红红螺菌、孔兹创伤球菌、酒色闪杆菌和产黏变形杆菌。表1列出了这些微生物的当在生物膜中形成时可以促进生物电化学伏打电池单元功能的实例和特性。

在另一个实例中，两种利用太阳能光谱的不同区的微生物可以通过转化能量产生更多能量，不必竞争资源。

在另一个实例中，两种使用不同类型的能量的微生物可能受益于生物膜的存在。例如，一种微生物可以是通过从其环境中氧化电子供体来获得能量的化能营养菌，而另一种微生物可以使用太阳能的光能营养菌。

在另一个实例中，两种使用不同来源作为电子或氢供体的微生物可以在存在生物膜的情况下使用。例如，一种微生物可以是有机营养菌，而另一种微生物可以是无机营养菌。

在另一个实例中，两种使用不同有机化合物作为能量的微生物可以在存在生物膜的情况下使用。例如，一种微生物可以是异养菌，而另一种微生物可以是自养菌。

在另一个实例中，也可以使用两种使用涉及不同催化剂的代谢通路获得能量的微生物。例如，厌氧微生物可以与好氧生物体组合。

在另一个实例中，电子传导结构被设计成确保微生物所产生或消耗的电子接触电极，并且不接触可能导致电池单元短路的对电极。可以使用电子传导通路以使用离子传导聚合物电解质来传导电子，这有助于将微生物保持在靠近于电极的位置，在所述位置处，微生物可以供送电极并避免电子传传输到对电极。

可以使用的两种或更多种微生物包含以下微生物类型中的两种或更多种：光能营养菌、光能有机营养菌、光能无机营养菌、光能有机异养菌、光能有机自养菌、光能无机异养菌、光能无机自养菌、化能营养菌、化能有机营养菌、化能无机营养菌、化能有机异养菌、化能有机自养菌、化能无机异养菌、化能无机自养菌和混合营养菌。

可以与生物膜一起使用的微生物的特定组合可以基于互补性、在相同或类似条件，如温度、pH、盐度、主要气体物种、水动力学流动条件、对化学物种的阻力、光暴露、光暴露的类型、生物膜环境(如具有共同的胞外基质)下茁壮成长的能力或其组合进行选择。

当两种或更多种微生物存在于生物膜上时，具有共生关系的生物膜的另外的实例。

在一些实施例中，生物膜可以包含可以维持所选微生物的环境的特征。例如，可以使用具有时释营养物(碳水化合物盘、纳米和微球状氨基酸、CO₂/O₂气体筒)、缓冲剂(柠檬酸、乙酸、磷酸钾、CHES、硼酸盐)、酸(盐酸、高氯酸、冰乙酸、磷酸、硝酸)或碱(氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钙、氢氧化钾)的凝胶以优化特定微生物的环境。另外的实例包含但不限于时释pH调节剂(例如，两性离子化合物，如组氨酸和缓冲液材料，如硼酸)和时释营养物。可以在生物膜的合成中添加硼酸，以提供用于嗜酸微生物的延长的酸性环境。在一些实施例中，可以使用聚组氨酸标签。

在一些实施例中，微生物可以在生物膜内形成在微生物不在生物膜中的情况下通常将不期望形成的形态结构。所使用的形态结构可以提高效率以改善微生物的功能，如通过增加电池单元所需的电子和/或离子传导，提高电极处的能量产生性氧化还原反应的反应速率或增加对所述能量产生性氧化还原反应的催化，和/或增加从外部来源采集的能量。在一些实施例中，所形成的形态结构是促进电解质与电极之间的传输的电子、化学或离子传输细丝。

在一些实施例中，生物膜包含单一微生物物种。在一些实施例中，生物膜包含两种或更多种微生物物种。

生物膜中的微生物可以采取任何特定形状或形态。在一些实施例中，微生物在生物膜表面上随机生长。在一些实施例中，微生物在生物膜表面上以优先形成的形式生长。在一些实施例中，微生物在生物膜表面上在彼此的顶部上生长。在一些实施例中，微生物优先沿着表面的公共轴生长。在一些实施例中，微生物以这样的方式布置，即其各自自身彼此缔合以使营养物的利用最大化。

在一些实施例中，微生物在生物电化学伏打电池单元中漂浮。

在一些实施例中，在甲醇燃料电池单元实施例中可以使用产生甲醇的微生物(例如，“产甲烷菌”)或消耗甲醇的微生物或两者。在一些实施例中，在甲烷燃料电池单元实施例中，基质可以由果胶制造或可以添加到琼脂、琼脂糖和/或聚丙烯酰胺中，并且甲醇产生性微生物可以生长以产生甲醇。

示例甲基营养微生物包含但不限于α、β和γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)；以及放线菌纲、螺旋体纲(Spirochaetes)、α、β、γ和δ变形菌纲、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、蓝藻门(Cyanobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)和/或古细菌(Archaea)域的成员。

产甲烷菌可以通过电合成生长。在一些实施例中，产甲烷菌可以沿着导电纳米线或菌毛或在导电纳米导线或菌毛上，通过与阳极或阴极的直接膜或电极接触或通过胞外电子载剂的扩散生长。产甲烷菌可以使用光子以保存能量或光催化某些代谢反应而生长。在一些实施例中，产甲烷菌可以合成可以充当用于跨膜离子泵送或光催化氧化还原反应的发色团的光活性辅助因子。

示例产甲烷菌目包含：甲烷火菌目(Methanopyrales，如甲烷嗜热菌(Methanopyrus kandleri))、甲烷球菌目(Methanococcales，如海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis))、甲烷杆菌目(Methanobacteriale，如嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacterium thermoautotrophicum))、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales，如马氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina mazei))、甲烷微菌目(Methanomicrobiales，如亨氏甲烷螺菌(Methanospirillum hungatei))、甲烷胞菌目(Methanocellales，如淡水甲烷胞菌(Methanocella paludicola))、甲烷马赛球菌目(Methanomassiliicoccales，如卢米尼甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus luminyensis))、盐杆菌目(Halobacteriales，如盐生盐杆菌(Halobacterium salinarum))、热原体目(Thermoplasmatales，如火山热原体(Thermoplasma volcanium))和古生球菌目(Archaeoglobales，如闪烁古生球菌(Archaeoglobus fulgidus))。甲烷生成通路可以是氢营养的、甲基营养的、羧基营养的或乙酸分解的。在一些实施例中，某些产甲烷菌目可以是好氧嗜盐异养菌(如盐杆菌目)、嗜热异养菌(如热原体目)或厌氧硫酸盐还原剂(如古生球菌目)。示例氢营养产甲烷菌目包含甲烷火菌目、甲烷球菌目、甲烷杆菌目、甲烷八叠球菌目、甲烷微菌目和甲烷胞菌目。示例甲基营养产甲烷菌目包含甲烷八叠球菌目和甲烷马赛球菌目。示例羧基营养产甲烷菌目为甲烷八叠球菌目。示例乙酸分解产甲烷菌目为甲烷八叠球菌目。

图2A示出了具有微生物群体260的生物膜299a中的细丝265a的实例。

图2B示出了在表面201b上包含在生物膜299b中的菌毛280、微生物265b的实例。实例示出了在生物膜形成的电极表面上相同类别的微生物之间的连接性的实例，在所述实例中微生物以有组织的方式布置。微生物之间的菌毛280可以表示如物理附着、电子汇、电子转移或其它材料转移等连接。在各个实施例中，菌毛是导体，可以储存电荷，可以进行氧化还原反应或其任何组合。在一些实施例中，菌毛可以提供用于生物膜的结构。其它蛋白质可以代替菌毛或在菌毛之外存在。

图2C示出了生物膜299c的实例，所述生物膜包含两种类型的微生物-具有菌毛281的第一微生物265c和具有细丝282的第二微生物267a。此实例示出了一般无定形随机结构的微生物，在一些情况下所述微生物可以存在于生物膜299c中。其它包含但不限于菌毛、鞭毛和伞毛的蛋白质可以代替菌毛281和细丝282或在所述菌毛和细丝之外使用。

图2D示出了具有两种微生物的生物膜299d的实例，在所述实例中微生物以其中细丝283和284优先连接到微生物265d和267b的特定侧的方式定向。这可以用于其中一种微生物产生可以被第二微生物消耗的废物产物，使得优先定向允许从第一微生物的特定侧释放的废物产物可以高效地转移到第二微生物以供消耗的实施例中。在此类实施例中，第一微生物中的每个微生物和/或第二微生物中的每个微生物总体上可以与相同物种的其它微生物间隔开，以便不竞争相同的资源。其它包含但不限于菌毛、鞭毛和伞毛的蛋白质可以代替细丝283和284或在所述细丝之外使用。

生物膜可以包含各种类型的微生物，所述微生物中的一些微生物具有纤毛或菌毛(如图2E的微生物269的菌毛284所示)，并且所述微生物中的一些微生物具有鞭毛(如图2F中具有鞭毛与细丝285的微生物270所示)。纤毛的一个实例是pilA聚合物。菌毛和细丝可以充当电子汇，实现电子传导性，并且起到附着到表面或邻近微生物的物理锚固点的作用。

在一些情况下，细丝可以提供微生物之间的传导连接。图2G示出了两种微生物-第一微生物271和第二微生物272-其中细丝286连接第一微生物271和第二微生物272。虽然在图2G中描绘了三条细丝，但应当理解，一条或若干条细丝可以连接微生物的不同区中的微生物。

生物膜允许电子传导性以更高效地跨微生物群体移动。在微生物布置在生物膜中时，有具有菌毛或细丝连接的微生物的电池单元中的电子流可以更高效地流动。示例电子流图示意地描绘于图2H中。在图2H中，电子从电子传输链210流动到附着位点220。多余的电子储存在细丝240中。当电子从电子传输链210流动到附着位点220时，其可以沿细丝230向下流动并且储存在细丝240中。

IX.生物膜的定位

生物膜可以被定位在伏打电池单元内的任何各个位置中。定位可以取决于伏打电池单元本身的构型(参见例如图1A和1B中的伏打电池单元的不同构型)。一般来说，生物膜可以附着到伏打电池单元的任何表面上。实例包含电极、容器的壁、过滤器和屏障。在一些情况下，生物膜可以在表面处或附近形成，在所述位置处，阳性物种被供送，或在所述位置处，阳性物种被接受，或在所述位置处，阴性物种被供送，或在所述位置处，阴性物种被接受，或其任何组合。在一些实施例中，选择用于与能量转化电池单元一起使用的生物膜的类型是针对其对能量转化电池单元的表面的粘附特性而选择的。

在阳极的表面上可以形成一或多个生物膜，示出在图1A的阳极115上的生物膜199a。形成在阳极的表面上的生物膜可以直接在表面上生长。可以对阳极进行纹理化或进行处理，以提高与表面的粘附性。在一些实施例中，在使生物膜生长之前在阳极上形成粘附层以增强生物膜在阳极上的附着。在一些实施例中，生物膜在不对阳极的表面进行纹理化、处理或以其它方式修饰的情况下直接在阳极上形成。生物膜的组成可以根据阳极表面的材料来选择。

可以在阴极的表面上形成一或多个生物膜，如图1A的阴极117上的生物膜199b。在阴极的表面上形成的生物膜可以直接在表面上生长。可以对阴极进行纹理化或进行处理，以提高与表面的粘附性。在一些实施例中，在使生物膜生长之前在阴极上形成粘附层以增强生物膜在阴极上的附着。在一些实施例中，生物膜在不对阴极的表面进行纹理化、处理或以其它方式修饰的情况下直接在阴极上形成。生物膜的组成可以阴极表面的材料来选择。在一些实施例中，电极的表面上的生物活性生物膜通过向膜组分中添加微生物而形成。例如，可以将微生物直接添加到熔融的水凝胶中，然后将其直接倾倒到电极的表面上。

一或多个生物膜可以在可渗透屏障的表面上形成，并且可以暴露于能量转化电池单元的与生物膜的暴露于微生物群体的表面(如图1A的可渗透屏障111的表面上的生物膜199d)或暴露于另一个隔室中的微生物群体(如图1A中的可渗透屏障111上的暴露于隔室113的生物膜199c)面对的内部。在可渗透屏障的表面上形成的生物膜可以直接处于屏障上。可以对可渗透屏障进行纹理化或进行处理以提高在屏障的表面上的粘附性。在一些实施例中，在使生物膜生长之前在可渗透屏障上形成粘附层以增强生物膜在可渗透屏障上的附着。在一些实施例中，生物膜在不对可渗透屏障的表面进行纹理化、处理或以其它方式修饰的情况下直接在可渗透屏障上形成。生物膜的组成可以根据可渗透屏障的表面的材料来选择。

可以在能量转化电池单元的隔室内使用的间隔件，如图1B的间隔件143上形成一或多个生物膜。在间隔件的表面上形成的生物膜可以直接在表面上生长。可以对间隔件进行纹理化或进行处理，以提高在表面上的粘附性。在一些实施例中，在使生物膜生长之前在间隔件上形成粘附层以增强生物膜在间隔件上的附着。在一些实施例中，生物膜在不对间隔件的表面进行纹理化、处理或以其它方式修饰的情况下直接在阴极上形成。生物膜的组成可以根据间隔件的表面的材料来选择。

一或多个生物膜可以在能量转化电池单元的任何其它表面上形成，如在能量转化电池单元的底部的一或多个区上或在能量转化电池单元的可选覆盖元件上形成，只要所述生物膜可以与一或多个可以在能量转化电池单元的底部处生长或可以漂浮或悬浮在液体中的微生物群体接触即可。

可以在与微生物群体接触但不与离子传导介质接触的能量转化电池单元的表面上形成一或多个生物膜，如在图1B的面向微生物群体145的阳极板137上。在此表面上形成的生物膜可以直接在表面上生长。可以对表面进行纹理化或进行处理，以提高在表面上的粘附性。在一些实施例中，在使生物膜生长之前在表面上形成粘附层以增强生物膜在表面上的附着。在一些实施例中，生物膜在不对表面进行纹理化、处理或以其它方式修饰的情况下直接在表面上形成。生物膜的组成可以根据表面的材料来选择。

可以在可以含有一或多种微生物群体的液体的表面上形成一或多个生物膜。例如，在液体的表面上形成的生物膜可以在微生物群体彼此附着或相互作用以产生薄微生物基质时形成。在一些实施例中，在液体的表面上形成的生物膜通过一些分子和/或胞间键合保持在一起。

生物膜可以在能量转化电池单元的固体表面的整个表面上形成，或者可以在能量转化电池单元的表面上以簇的形式、或不规则地或以成形区的形式形成。生物膜可以在能量转化电池单元的一个表面上以较大厚度形成，但在同一能量转化电池单元的另一个表面上可以具有较小厚度。

不同的生物膜或具有不同特性的生物膜可以在能量转化电池单元的同一表面上形成，并且可以间隔开，或者可以分开，或者可以彼此接触。

定位生物膜和生物膜特性的一个考虑因素是电极结垢的可能性。当生物膜阻挡电极的一部分或以其它方式使电极的一部分失活时，会发生电极结垢，从而使其在所有所阻挡的部分中不太有效或根本无效。例如，生物膜可以阻挡物种到和/或从电极表面的传输或跨过离子可渗透隔膜的运输。此类物种可以参与或促进发生在电极表面处的电化学反应。此类物种的实例包含正离子、负离子、不带电的化学物种、水分子等。在一些实施方案中，通过采用可接受有问题的物种的生物膜来减少或避免电极结垢。举例来说，金属还原剂微生物可以再生在阳极被电化学氧化的金属。并且，如下所述，生物膜可以被限于如阳极或阴极的有源表面或离子可渗透伏打电池单元隔膜的表面等表面上的某些区。换言之，生物膜仅占据了受影响表面的一小部分。

生物膜还可以存在于电极表面的一些区域上，或可以接近于电极表面，但被排除在电极表面的其它区域之外。图3A-3D提供了从电极的表面的视图看生物膜位于电极表面的某些区域上而不位于电极表面的其它区域上的实例，在所述实例中，与电解质或缓冲液接触的表面面向观察者。应当理解，尽管图3A-3D中所描绘的生物膜在电极的表面上是连续的，但在一些实施例中，生物膜可以在电极表面上在各个间隔开的区上形成。图3A示出了生物膜399a位于电极315a上，使得生物膜占据电极表面的指定半部区。图3B示出了生物膜399b位于电极315b上，使该生物膜占据电极表面的角落区。图3C示出了生物膜399c位于电极315c上，由此生物膜399c在电极315c的区上呈现自由形式形状。图3D示出了生物膜399d位于电极315d上，由此生物膜399d在电极315d的区上呈近似流转形状。本领域的技术人员将理解，电极的表面上的生物膜形成和占据区不受这些实例的限制，并且可以根据生物膜中的生物体、电极的材料和生物膜的一般形成而变化。

如所指出的，生物膜在伏打电池单元的衬底上提供或生长。在一些实施例中，衬底是电极或电池单元隔膜本身。在一些实施例中，衬底是单独的中间结构，在一些实施例中，所述中间结构可以夹置在电极与生物膜之间。

孔隙度或点刻表面增加了表面积，并且提供了更多用于使生物膜占据的附着位点。材料包含纳米颗粒(金属、二氧化硅)、多孔水凝胶(琼脂糖、琼脂、硝化纤维素、甲基纤维素、明胶、海藻酸盐)和粘液(多糖)。

图4描绘了在电极415与生物膜499之间具有中间衬底480的电极表面的实例的横截面视图。衬底可以用于帮助支撑和固定生物膜，同时允许电解质进入到电极或电池单元细胞隔膜中。在一些实施例中，中间衬底480可以是多孔的，使得即使在生物膜499粘附到中间衬底480上时生物膜499和/或中间衬底480中的开口也允许电解质进入到电极415中。

中间衬底可以具有任何合适的厚度。在衬底上，生物膜可以生长到任何合适的厚度。多孔中间衬底可以具有特定孔隙度。

示例性多孔结构示出在图4B中。此视图来自图4A中所描绘的角度。中间衬底480夹置在生物膜499与电极415之间。孔470提供了电解质可以通过其接触电极415的途径。在本实例中，孔470横跨穿过生物膜499和电极415，但应理解，在某些所公开的实施例中，孔可以仅出现在生物膜499上或仅出现在电极415上或生物膜499和电极415上，但可能不会完全重叠以在电解质与电极之间形成连续孔。

在衬底不是电极的情况下，衬底可以是生物相容性聚合物、陶瓷或金属。

在一些实施例中，在生物膜所附着到的衬底是电极的情况下，电极的电化学作用可以限制其结构和组成。然而，电极可以具有与直接附着的生物膜相容的某些特性。例如，电极可以具有多孔结构。示例性电极结构包含具有为泡沫、编织、毡、网、穿孔等形态的碳、金属或陶瓷材料。

X.水平电极电池单元设计

在重力的影响下，一些微生物会自然地分离到容器的底部。在一些情况下，这些生物体是不能动的。换句话说，这些生物体未被配备成在其自身推进力下到处移动。不能动的微生物通常不含促进推进力的结构。能动的生物体中的这种结构的实例包含纤毛和鞭毛。

在生物电化学能量转化电池单元内的特定位置处需要不能动的微生物的程度下，所述位置可以提供在水平定向的电池单元的底部。例如，如果不能动的微生物在此电池单元的阳极处使用，那么阳极可以被基本上水平定向并放置在电池单元的底部处。以此方式，生物体优先驻留在电极附近，在所述位置处生物体促进生物电化学能量转化电池单元的操作。应注意，生物体可能会自然地被重力吸引到电池单元的底部。

水平定向的电池单元的另一个功能或潜在益处是，如果一些液体电解质蒸发(如通过与强制空气在阴极处接触的方式)，则电极或至少位于电池单元底部的电极将不会暴露于空气，甚至不会部分地暴露于空气。由电极暴露于环境产生的其它挑战是暴露于环境的表面区域不能用于电化学能量转化。在一些实施例中，水平定向的电池单元可以利用电池单元的竖直性以将生物膜暴露于空气，同时防止电极暴露于环境。

示例不能动的微生物类别包含球菌和非能动杆菌。不能动的微生物的具体实例包含葡萄球菌(Staphylococcus)、链球菌(Streptococcus)、芽孢杆菌(Bacillus)、假单胞菌(Pseudomonas)、小球藻(Chlorella)、伞藻(Acetabularia)、鼓藻(Desmids)等。

图5A示出了水平定向的电池单元505的横截面的示意图示。能量转化电池单元505包含限制容器407，所述限制容器在其内部509容纳如缓冲液等流体。电池单元505还包含安装在容器507的顶部上的可选盖元件531。对于光合成微生物群体作出响应的波长范围内的辐射来说，元件531是透明的。电池单元505将包含阳极515和阴极517，在本实例中，所述阳极和所述阴极通过生物膜599以电子方式彼此分离。在一些实施例中，生物膜599用作电解质，以允在许微生物与具有电极的界面之间发生直接接触。在一些实施例中，离子传导介质可将阳极515与阴极517分开。在操作期间，生物膜599中的微生物群体可以产生电子，所述电子在阳极515处收集。这些电子在耦接阴极517和阳极515的电路中流过负载519。电池单元505可以包含处理控制器525，并且流控系统521耦接到容器107，并且任选地具有用于隔室509的单独端口。电池单元505还可以与控制流控系统521的控制器525介接。控制器525可以具有一或多种其它功能。例如，其可以接收来自系统的各个组件的输入，如电路耦接阳极515、阴极517、流控系统521和/或设置在隔室509中的传感器527和529。传感器527和529可以监测电池单元505的任何一或多个相关操作参数。此类示例参数包含温度、化学性质(例如，组分浓度和pH)、光学性质(例如，不透光度)、电性质(例如，离子传导性)等。

容器507含有电极，如定位在所述容器507的底部处的阳极517。阳极517可以是安置在容器507的底部处的连续片材。阳极517的边缘可以通过屏障或其它非传导介质在空间上与对电极或阴极515分离。对电极(或阴极)515可以安置在各个位置处。对电极的一个位置是围绕容器507的外周。周围的对电极515本身可以水平或竖直定向。因此，例如，铜阴极可以是沿电池单元的外周成一直线的竖直铜片材，所述周长可以是盘或圆柱体形状的外壳。在另一个实例中，周围的阴极含有允许氧气(例如在空气中)还原的碳材料和催化剂。如所指出的，可以是含铝材料的阳极517可以水平定向并安置在容器507的底部处。例如，如果容器507是圆柱形形状的，使得容器507的底部为圆形、椭圆形或圆，并且容器507的壁是竖直的，则阴极515可以定位在容器507的底部处但也可以是圆柱形的，其中壁平行于容器507的壁沿展。

图5B是具有三层水平设计的伏打电池单元的实例：阳极层565/生物膜599层/阴极层567。这些层中的任何或所有层都可以以凝胶的形式存在。在一些实施例中，第一层是阳极层565。阳极层565可以包含离子传导凝胶形式的铝粉560。下一层是生物膜层599，所述生物膜层可以包含海藻酸盐和/或琼脂糖。可选第三层(未示出)含有离子传导层，如防止电子传输并且可以用于将微生物保持在适当位置的离子传导聚合物。最后的层是阴极层567。阴极层567可以是碳层、含金属层，如铜网、毡层或离子传导凝胶基质。

在一些实施例中，阳极包含如金属等正电材料(相对于阴极中的电化学活性材料)。在一些情况下，阳极包含铝，任选地粉末形式的铝。铝或其它正电材料可以以凝胶形式布置，所述凝胶可以为离子传导聚合物。在一些实施例中，铝或其它正电材料可以在层中均匀地或呈梯度形式分布。在一些实施例中，阴极组成包含铜(任选地网形式)或碳(任选地粉末形式)。

图5C是透视图中的“冰球”形式的容器597的示例水平构型，所述容器包含阴极层525、离子传导聚合物、凝胶或液体(未示出)、生物膜599和阳极层577。在一些实施例中，可以使用液体缓冲液509。在一些实施例中，缓冲液可以是液体电解质。在一些情况下，可以在不使用离子传导介质525的情况下使用液体电解质。在一些实施例中，生物膜599具有足够的凝胶含量以用作阳极577与阴极525之间的屏障。

某些所公开的实施例可以用于增加生物膜中的用于微生物生长和发育的表面积。引线可以直接嵌入到凝胶介质中或通过物理附接端嵌入到铝阳极。

图5E示出了示例伏打电池单元的另一个侧面视图，所述伏打电池单元具有由无菌纱布层799隔开的碳布760，所述无菌纱布层位于凝胶介质涂覆的铝阳极767的顶部。引线(铝引线775和碳引线765)连接到碳布/铝阳极，并且通过制成的小开口漏出。这允许更多空气进入碳布，同时利用凝胶介质作为捕集机制，以确保微生物沿着阳极的表面生长，同时还为所述细菌物种提供用于促进和有助于电压输出的结构网络，所述电压输出是对细菌活性的期望分析测量。调节的此伏打电池单元的参数和特征包含电压输出降噪、信号削弱、溶液/缓冲液重新引入和细菌掺入。

现在将描述几个示例水平电池单元形式。

1.一种具有位于中心区中的阳极和围绕外周的阴极的水平设计可以包含：

a.阳极，所述阳极任选地包含金属，其中所述金属是氧化的；

b.阴极，所述阴极可以是空气还原电极；以及

c.位于阳极上的生物膜，所述生物任选地具有光能营养菌和/或任选地具有两个或更多个子层。

在此实施例中，所述阳极和所述阴极可以通过其构造、通过可以充当电解质的物理隔膜或通过两者而物理地分开。

2.一种具有位于中间的阴极和围绕外周的阳极的水平设计可以包含：

a.阳极，所述阳极任选地包含金属，其中所述金属进行氧化；

b.阴极，所述阴极可以是空气还原电极；以及

c.位于阳极上的生物膜，所述生物任选地具有光能营养菌和/或任选地具有两个或更多个子层。

在此实施例中，所述阳极和所述阴极可以通过其构造、通过可以充当电解质的物理隔膜或通过两者而物理地分开。

设计1和2允许生物膜暴露于太阳能辐射。这是因为，在其顶部处不存在阴极以阻挡太阳能辐射。

3.一种具有三层堆叠的水平设计可以包含：

a.位于所述堆叠的顶部上的阴极；

b.作为中间层的生物膜；所述生物膜任选地具有光能营养菌和/或任选地具有两个或更多个子层；以及

c.位于生物膜的顶部上的阳极。所述阳极对于太阳能辐射可以是至少部分地透明的，以由此允许辐射到达光能营养菌。

XI.生物膜组成

生物膜的组成可以包含一或多种微生物以及可以包含水和一或多种其它材料的基质。在一些实施例中，基质包含天然存在的聚合物。在一些实施例中，基质包含合成聚合物。在各个实施例中，基质包含任何一或多种材料，如核酸、蛋白质、碳水化合物或其任何组合的水合物。在天然存在的基质中，基质的一或多种组分可以由生物膜的微生物分泌或以其它方式产生。示例核酸基质材料包含RNA和DNA。示例蛋白质基质材料包含PilA、伞毛、蛋白酶和代谢酶。示例碳水化合物基质材料包含右旋糖酐和其它多糖。另一个实例是芳香族有颜色的分子。

在一些实施例中，生物膜基质以水凝胶的形式提供。可以用于形成水凝胶的组分的实例包含果胶和海藻酸盐(例如，海藻酸钠)。在一些实施方案中，生物膜基质包含约5-15重量％的果胶、约1-8％重量的海藻酸钠和水。在一些实施例中，生物膜基质包含使用具有约2-5％w/v的琼脂的琼脂组成的约2-7％w/v的果胶。生物膜合成还可以包含将特定细菌菌株捕集在层内，以及还有根据所定义的ATCC生长条件引入生长增强材料(如胰酶大豆琼脂(TSA)、HCl、H₃BO₃等)。

凝胶可以是粘性的、半固体的或固体的。在各个实施例中，凝胶包含具有允许离子流动和营养物流动但不允许微生物迁移到凝胶基质之外的孔隙度的基质。

凝胶可以包含一或多种添加剂。添加剂的实例包含但不限于盐(如海盐介质)、DNA(如鲑鱼精子DNA)和盐水溶液，如磷酸盐缓冲盐水(PBS)。一种示例添加剂是蛋白质来源。示例蛋白质来源可以是蛋白质水解物，如蛋白胨。

在一些实施例中，用于某些所公开的实施例的凝胶介质的细菌特异性合成可以涉及在用于嗜酸菌的凝胶介质的合成中使用海藻酸钠粉末、TSA和盐酸。

在一些实施例中，用于某些所公开的实施例的凝胶介质的细菌特异性合成可以涉及在用于嗜中性粒细胞的凝胶介质的合成中使用TSA粉末。

下面是示例凝胶组成：

实例1： 1.25％琼脂糖+0.5％海藻酸盐凝胶。

实例2： 0.75％明胶+0.5％海藻酸盐+0.15％果胶凝胶。

实例3： 2％琼脂糖凝胶。

实例4： 0.5％琼脂糖+1％纤维素+0.25％海藻酸盐凝胶。

实例5： 1％鲑鱼精子DNA+1.25％琼脂凝胶。

实例6： 1％鲑鱼精子DNA+3.5％聚丙烯酰胺凝胶。

实例7： 8％水凝胶。

实例8： 5％w/v含有最佳数量的两性离子氨基酸的多肽，例如,含组氨酸的1x磷酸盐缓冲盐水(PBS)。

实例9：含5％w/v鲑鱼精子DNA的1.25x PBS

实例10：含5％海盐介质的水

实例11：含50mM氯化钠(NaCl)的洛斯维·帕克纪念研究所(Roswell ParkMemorial Institute，RPMI)介质

实例12：含50mM NaCl的杜氏改性伊格尔培养基(Dulbecco's Modified EagleMedium，DMEM)介质

实例13：脑心浸液(BHI)介质

实例14：溶菌肉汤(LB)介质

实例15：含0.2g硫酸铵((NH₄)₂SO₄)、0.5g硫酸镁(II)(MgSO₄)、0.25二水氯化钙(CaCl₂ 2H₂O)、3.0g磷酸钾(KH₂PO₄)、2.0g酵母提取物的1.0L蒸馏水，其使用硫酸(H₂SO₄)调节到pH 0.7，并且在121℃下高压灭菌15分钟。

实例16：具有4mL 0.025％刃天青(Resazurin)的含1.5g氯化铵(NH₄Cl)、0.6g磷酸钠(NaH₂PO₄)、0.1g磷酸钠(KCl)、2.5g碳酸氢钠(NaHCO₃)、0.82g乙酸钠、10.0mL Wolfe's维生素、10.0mL Wolfe's金属的976mL蒸馏水，其在没有富马酸盐的介质中在80％氮(N₂)和20％二氧化碳(CO₂)下厌氧地制备和分配，在121℃下在1M(16g/100mL)富马酸钠中高压灭菌15分钟，2管，每管2mL。

在一些实施例中，单独的生物膜层是薄的，并且为了通过添加细菌物种、介质和其它生长因子来获得合适的结构，膜以逐步分层的方式引入。

在一些实施例中，基质的组分以交联形式提供。交联可以呈共价键、静电键、范德华键(van der Waals bond)、氢键或其任何组合的形式。

通常，本文采用的生物膜包含一定量的水。水可以由生物膜中的微生物产生，在伏打电池单元构造期间添加，和/或从伏打电池单元中存在的电解质或缓冲液中掺入。在一些实施例中，水赋予生物膜机械、生物和/或电特性。例如，离子传导水可以促进电解质与生物膜所驻留的电极之间的离子传输。在一些情况下，水为生物膜基质材料赋予粘附性、机械强度或其它物理特性。在一些实施例中，水以约60-90重量％的浓度存在于生物膜中。

A.多层生物膜

在某些实施例中，伏打电池单元包含多层生物膜，其中不同的层含有不同的微生物。在一些情况下，不同层中的微生物是彼此互补的。互补性微生物在本文的其它地方描述。

在一些实施例中，生物膜以层压板或其它多层结构的形式提供。在一些情况下，生物膜具有两个不同子层，一个被配置成掺入一种类型的微生物的子层，以及另一个被配置成掺入不同类型的微生物的子层。当两种不同微生物具有互补特性，但在密切混合或彼此直接接触时不相容时，这种实施例可能是合适的。

1.多层生物膜的结构

单独层的物理、化学和生物特性可以在层与层之间而变化。

为了使由生物膜本身产生的阻力最小化，基质的厚度可以比正常厚度薄得多，如小于约0.5cm。此外，由于燃料电池单元的这种功能方面，海藻酸钠生物膜基质的制造维持延长时间段的柔性和组成，如约3周至约4周。在一些实施例中，将DMEM+CaCl₂经30分钟时间段添加到2％海藻酸钠/果胶(1:1)溶液中会产生交联。

组成将主要在于用于菌株特定的微生物生长的额外生长因子方面有所变化。一些实例包含但不限于对某些微生物添加10mL 0.1M HCl和DMEM，以及对深红红螺菌微生物添加范尼尔氏酵母琼脂(Van Niels Yeast agar)。

生物膜可以在大水平表面区域上直接物理接触。生物膜的堆叠/组织取决于用于电池单元的多生物体关系。一个实例涉及位于传导性丝状生物膜的顶部上的光合成细菌生物膜。

在一些实施例中，微生物中的一种微生物是光合成的，并且另一种不是光合成的。在这种情况下，光合成生物体可以被放置成更靠近光源。在一些实施方案中，这意味着光合成微生物应位于多层生物膜堆栈的上层中。

生物膜的每个层的厚度和/或组成可以在层与层之间而变化。

2.多层生物膜的孔隙度

在一些情况下，子层是单独制造的，并且不同微生物被单独地掺入在层中。在其它实施例中，一个子层可以具有的孔径范围与另一个子层中的孔径范围不同。在一些情况下，一个子层具有容纳微生物本身的孔径，而另一个子层具有容纳微生物的囊泡的孔径，即另一个子层具有的孔径比第一子层的孔径更小。各种孔径可以帮助离子流动以及稳定性。

生物膜中的微生物可以定位或分布在生物膜的各个区中的任何区上。这些区的实例包含衬底的二维表面的生物膜所驻留、嵌入在生物膜内的基质内、位于生物膜的连续区之间或夹置或以液体形式悬浮在两个或更多个生物膜之间的部分。在一些实施例中，生物膜包含一或多个层。在一些实施例中，微生物优先位于层的子集中。例如，微生物可以优先位于一或多个层之一中。在一些实施例中，微生物位于两个或更多个层中。例如，图5示出了生物膜599内的微生物层570的实例。虽然示出了一层，但应当理解，也可以存在两个或更多个层。在一些实施例中，层的数量或大小随着跨整个生物膜的表面的定位的变化而变化。

生物膜中的微生物以微生物/cm³的密度来表征。

3.制造多层堆叠的方法

在一些实施方案中，单独的层是单独制造的，并且然后组装。在一些实施方案中，第一层，如最靠近容器壁或电极的层，在适当位置制造。然后第二层和随后的层在第一层上制造。在某些实施例中，多层生物膜的一或多个层是使用本文其它地方描述的微生物外壳制造的。

每个层都是在原位单独制造的。在一些实施例中，由于结构问题，可以不使用凝固后堆积。在合成基质凝胶后，熔融的溶液在特定过程条件下直接倾倒在前一层之上。例如，溶液是酸性溶液。在一些实施例中，溶液是碱性溶液。细菌层捕集在凝胶冷却阶段期间在模制之前发生。可以使用超声处理以帮助所添加的材料组分充分分散。在存在细菌菌株的情况下不使用超声处理。

B.生物膜微生物组成

生物膜可以包含各种类型的微生物。微生物的示例类别包含厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物。

生物膜可以包含互补性微生物的组合。如果两种微生物的组合具有特定互补特性，则这两种微生物可以是互补性的。例如，互补特性的一个实例是为硫氧化性的微生物和为硫还原性的微生物。

1.微生物互补性的类型

在一些情况下，互补性基于代谢通路，使得一种微生物的代谢通路产生被不同微生物消耗的产物。在一些情况下，互补性基于一种微生物的产生和不同微生物的有益环境的维持。有益环境可以是特定pH值范围或本文所述的其它条件。在一些情况下，多种微生物产生多种生物体茁壮成长的环境。

在某些实施例中，层中的至少一层中的微生物产生电子或以其它方式强烈参与生物电化学能量转化过程。

可以有利地利用生物膜结构的互补性微生物在以上关于第VIII节进行了描述。

XII.生物膜特性

1.微生物生物体的选择

生物膜类型的选择可以取决于生物电化学电池单元和其目的。可以确定生物膜中使用的微生物的选择的另一个因素包含但不限于微生物生长条件、生物膜生长的表面、能量转化电池单元的配置以及生物电化学电池单元中的每种微生物的代谢通路。

2.电特性

生物膜可以表现出各种电特性。在一些实施例中，生物膜在相关表面上具有净电荷。带电的生物膜可以促进带相反电荷的可移动物种，如电解质中的离子的吸引和/或传输。在一些实施例中，生物膜的基质包含带电的组分。在一些实施例中，天然存在的带电的基质蛋白或其它聚合物由于带正电荷的单体而具有净正电荷。示例带电的聚合物包含富赖氨酸、富组氨酸和/或富精氨酸的蛋白质或多肽。带负电荷的基质组分的实例包含蛋白质或其它富含带负电荷的单体的聚合物，如天冬氨酸和/或谷氨酸。

3.机械特性

生物膜具有机械特性，所述机械特性中的一些机械特性可以影响生物膜在生物化学伏打电池单元中的作用。例如，在一些实施例中，生物电化学能量转化电池单元中的生物膜可以牢固地粘附到衬底表面。粘附力可以通过用于涂层粘附的标准测试，如划痕测试来测量。

生物膜的尺寸和其它物理特征也可以取决于微生物、基质和生物膜的其它组分。在厚度方面，多层结构中的生物膜层中的每个生物膜层的层厚度可以为至少约0.5cm。在一些实施例中，生物膜具有特定表面粗糙度。表面粗糙度是指在与电解质接触的所暴露的表面上测量的粗糙度。在一些实施例中，生物膜的厚度为约10-300微米。

4.孔隙度

生物膜也可以具有特定形态和/或孔隙度。多孔生物膜可以具有特定最大横截面尺寸的孔或开口。在某些实施例中，生物膜基质中的孔具有的平均或中值孔径为约10nm至10μm。功能上，生物膜的孔径可以对应于掺入在生物膜中的微生物的大小或大小范围。在一些实施例中，孔径对应于生物膜中的微生物所产生的囊泡的大小。在某些实施例中，用于容纳微生物的孔径平均可以为约1微米至100微米。在某些实施例中，用于容纳微生物囊泡的孔径平均可以为约10纳米至100纳米。

XIII.产生生物膜的方法

可以使用各种方法以产生生物膜。生物膜可以在凝胶状物质上或使用凝胶状物质制造。凝胶状物质包含海藻酸盐、琼脂、琼脂糖、果胶、明胶和Sephadex。在一个实例中，通过使用水凝胶形成分子制造水凝胶来形成生物膜。例如，海藻培养物和海藻酸钠可以在呈湿形式时均质化并混合，然后过滤，并且收集以形成海藻酸盐水凝胶。水凝胶可以被冲洗和过滤以形成生物膜垫。在一些实施例中，生物膜垫具有被捕集在其内的微生物。在一些实施例中，生物膜垫形成微生物可以在其上生长的结构。海藻酸盐的替代物包含但不限于明胶和果胶。在一些实施例中，可以使用海藻酸盐与果胶的混合物。例如，生物膜垫可以形成为具有约3％至约15％的果胶和约3％至约7％的海藻酸钠。在一些实施例中，垫可以涂覆在铝阳极上。在一些实施例中，可以使用经均质化的液体混合物以沉积到单独的模具中以形成可传输的生物膜垫。生物膜可以彼此并排或在彼此的顶部上分层或其组合直接施涂到生物电化学伏打电池单元的表面上。在一些实施例中，可以使用气溶胶悬浮液，如通过粉末涂层将微生物施涂到生物膜垫上。

图6呈现了过程流程601，所述过程流程包含可以用于产生用于伏打电池单元的生物膜的多个步骤。所描绘的过程开始于操作603，在所述操作中提供了生物膜基质的一或多种前体或组分材料。在一些实施例中，前体是聚合物材料和/或凝胶形成材料。在一些实施例中，前体具有使其形成多孔基质的特性。

在一些实施例中，过程修饰一或多种前体形成生物膜基质的化学或物理化学特性。在图6中，这是通过可选操作605描绘的。在一些实施例中，修饰涉及使一或多种聚合物前体发生反应以形成交联基质。交联可以通过乳离子力或范德华力等静电力进行，或者其可以通过共价键进行。在一些实施例中，操作605涉及改变如孔隙度或表面粗糙度等形态特性。在一些实施例中，操作605涉及改变如润湿性和/或粘附性等物理特性。在一些实施例中，操作605涉及改变如与一或多种类型的微生物的相容性(或相容性缺乏)等生物特性。举例来说，可以在基质中掺入微生物营养物。修饰可以涉及施加物理效应，如热、压力(或真空)或照射(例如，UV照射)。在一个实施例中，修饰涉及首先将前体加热至约80-110℃的温度，并且然后将组合物冷却至约20-50℃的温度。此加热和冷却操作可以用于使某些前体，如水凝胶前体交联。注意，在一些实施方案中，不执行操作605，因为，例如，前体是以不需要修饰来执行生物膜的作用的形式提供的。

在提供并任选地修饰生物膜基质组分之后，过程601任选地将基质形成为可以用于伏打电池单元的生物膜形状。参见操作607。此操作是可选的，因为某些实施例在不首先将生物膜基质组分形成为合适形式的情况下直接在伏打电池单元组件上形成基质。当执行操作607时，所述操作可以涉及通过熔体处理、溶液处理或固态处理来形成生物膜基质。在一些实施例中，生物膜形状是通过模制、将生物膜喷涂在衬底上、将熔融的或溶解的生物膜基质倾倒到衬底上、将生物膜挤压成片材或其它形状、压缩固体生物膜基质等形成的。

过程601将生物膜基质施涂到用于伏打电池单元的结构组件上。参见操作609。这种结构组件的实例描述于本文的其它地方。电极和电解质隔膜是可以使用的结构组件的实例。将生物膜基质施涂到结构组件可以涉及将生物膜基质粘附到组件的表面上。粘附可以通过，例如，将粘合剂施涂到生物膜和/或组件表面上，使熔融的或溶解的生物膜基质与组件表面接触等来完成。在一些实施例中，首先将预先形成的生物膜基质(例如，由可选成型操作607产生的基质)与结构组件对齐，然后粘附。

在一些实施例中，操作607和/或609以产生具有两个或更多个生物膜基质子层的层压板或其它多层结构的方式执行。如其它地方所解释的，此类子层可以具有不同形态、化学组成、生物组成、可以容纳不同类型的微生物等。

在过程601中，最后描绘的操作是将组件与其生物膜基质一起安装到或以其它方式提供给伏打电池单元，在这种情况下，在正常操作期间，生物膜中的微生物将促进电化学能量转化以产生电。参见操作611。在其中组件为电极或电解质隔膜的情况下，电极或隔膜与其生物膜基质一起安装在限定伏打电池单元的边界的容器中。

所描绘的过程601并未示出将微生物掺入到生物膜基质的过程。一般而言，微生物可以在过程中的任何时间点掺入，只要所述过程中的后续操作不杀死或实质上损害微生物即可。

在一些实施例中，一或多种微生物在操作603中提供有前体。在一些实施例中，一或多种微生物在基质修饰操作605期间提供。例如，聚合物混合物可以在从热或辐射诱导的交联操作中冷却时用微生物加标。在一些实施例中，一或多种微生物在生物膜基质形成操作607期间提供。在一些实施例中，一或多种微生物在操作609中在将基质施涂到组件上时掺入到基质中。在一些实施例中，一或多种微生物在操作611中在将组件安装在伏打电池单元中时或之后提供给基质。举例来说，在将含基质的组件安装在伏打电池单元中之后，通过使基质与缓冲液或含有微生物的其它介质接触，将微生物掺入到基质中。接触可以通过使介质流动到组件上、将介质喷涂到组件上等来实现。

在一些实施例中，微生物分两个或更多个阶段施涂。例如，一些微生物可以在操作605期间施涂，并且一些其它微生物可以在操作611期间施涂。

生物膜可以包含增加微生物与生物电化学伏打电池单元的表面接触的表面积的材料。例如，电池单元可以在某些表面上利用碳涂料以增加微生物使生物膜在上面生长的表面积。碳涂料是一种相对低阻力的材料，但实现了生物膜用于生长的高表面积。生物膜可以在相对于电池的内部阻力具有低阻力的表面上生长。

一个实例提供于图7中。图7示出了其中基于铝的涂料和传导性碳涂料混合以形成阳极的结构，其中碳涂料在其内部包含铝颗粒。在此实例中，碳涂料和铝混合物充当阳极，其中所述阳极与铜阴极之间用滤纸分开。虽然在此实例中示出了铜，但应当理解，其它材料和其它金属也可以用于阴极材料。如所指出的，细菌或微生物可以与阴极和/或碳/铝混合材料接触，并且在一些实施例中，可以位于碳/铝混合物与滤纸隔膜之间，或者可以位于阴极与滤纸隔膜之间。在一些实施例中，微生物可以在生物膜形成之前、期间或之后处于溶液中。

图8示出了使用碳涂料的另一个实例，但与图7中的将碳涂料与基于铝的涂料混合相反，在此实例中，将碳涂料涂覆在铝片材的两侧上，并且与图7一样，通过滤纸隔膜将碳涂料与铜阴极分开。虽然铝片材的两侧都涂覆有碳涂料，但应当理解，在一些情况下，仅涂覆铝片材的一侧，如仅暴露于微生物的侧。不受特定理论的约束，据信图8中描绘的电池单元等电池单元可以用于较低电流密度实施例。两个实施例和其变型可以适用于在其上形成生物膜，并且适用于缩放成更大的工业大小工具以产生稳定电力。

图9示出了其中描绘了水平定向的伏打电池单元的另一个实例，所述伏打电池单元包含暴露于阳光或人造光的窗口层(如玻璃)。窗口层下面是阳极琼脂层；阳极层，所述阳极层可以是铝纳米颗粒或微粒、透明导体颗粒、亲水性聚合物或凝胶；隔膜或电解质层；阴极琼脂层；阴极气体扩散层(GDL)；以及阴极气流硬件。层可以重新布置，并且每个层的材料可以根据所使用的特定应用和微生物而变化。微生物可以存在于阳极琼脂层、阳极层、隔膜和阴极琼脂层中的一或多个中。

XIV.保持生物膜的方法

可以使用各种方法以在生物电化学能量转化电池单元正常操作期间保持生物膜，以确保生物膜的非微生物构建块的工作供应。

在各个实施例中，形成于如图7和8中描述的电极等电极上的生物膜和其变型可以在使表面再水化之后使用。在各个实施例中，本文描述的生物电化学伏打电池单元是自我维持的。

在一些实施例中，某些嗜酸能产生性微生物可以用作生物膜。当微生物使其环境碱化并停止有代谢活性时，向系统中添加酸使微生物复原并保持其功能。

图10示出了来自实验的结果，所述实验随时间推移测量嗜酸能产生性微生物的电能。当如所示出的重新引入酸时，电流中出现尖峰，这表明可以通过保持电池单元内的pH来恢复对嗜酸能产生性微生物的保持，所述保持pH可以通过引入酸或利用适于微生物的缓冲液来进行。

XV.用于伏打电池单元的容器的特征

在一个实施例中，伏打电池单元的一个重要功能是采集光子并利用容纳在电池单元内的所激发的电子，以使用光合成微生物和光合成微生物膜群体来产生电流。电池单元可以包含用于微生物能量转化电池单元介质和微生物群体的防泄漏容器或壳体。在一些实施例中，微生物能量转化电池单元另外包含电极、传感器、半渗透屏障、离子传导材料、导线等。

通常，利用光合成微生物的电池单元应被设计成接受外部辐射，并且将其中的能量转化为微生物膜的光采集天线的所激发的电子，并且提供传导材料以利用微生物的每个膜内的通过电子传输链产生的所得高能电子。

所公开的实施例的微生物能量转化电池单元可以是整个环境可用的，并且可以以使得能够在范围为-20℃至65℃的温度下和范围为完全太阳到云或雾覆盖的天气下进行光子转化的方式构建。所公开的实施例的微生物能量转化电池单元还可以是便携式的，并且可以是各种环境可用的，如由用户确定的。

在某些实施例中，容器可以承受高温(例如，约50℃或更高)和约50Pa至约10kPa；约500Pa至约3kPa；约800Pa至约1.5kPa的内部压力(高于大气)。注意，一些实施例采用其自然栖息地是高压环境，如深海喷口的微生物。

在一些实施例中，电池单元是封闭系统，没有新鲜缓冲液或其它溶液流动到系统中，并且没有暴露于大气气体交换。在其它实施例中，电池单元是半封闭系统，其含有例如由管道、阀和端口构成的系统，以允许新鲜缓冲液、调节元素、新鲜微生物天线群体和/或大气气体流动到系统中。所述电池单元的端口含有0.22μm过滤器，以防止大气微生物污染物对系统的污染。在其它方面中，端口含有0.45μm过滤器，以防止较大的大气微生物污染物对系统的污染。

在又其它实施例中，所述电池单元是整个环境可用的开放系统。在一些情况下，开放系统是水体，如池塘、湖泊、河流、水库、溪流或其它开放水体。开放系统还可以含有由管道、阀和端口构成的系统，以允许内源性新鲜微生物天线群体循环到开放系统微生物能量转化电池单元中。

浸没式开放系统可以具有阳极和阴极以及允许离子传导但阻挡微生物的传输的半渗透屏障。屏障可以是抗微生物涂层(例如，银)。可以存在来自阳极和阴极的传导性电引线。系统可以包含作为电路的一部分、机械支撑结构的一部分或两者的组件。

约束伏打电池单元的容器可以由许多材料中的任何材料制成，例如，包含如聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯等聚合物、玻璃、金属或其组合。在各个实施例中，容器材料是气体和液体不可渗透的材料。

容器可以含有多层单元，所述多层单元含有最外层和一或多个内层。外层可以含有透明塑料、玻璃、金属或其它材料，以提供针对环境的保护。在一些实施例中，容器具有允许电磁辐射的各种光谱波长穿过的最外层。在一些实施例中，对于光能的大多数光谱波长，最外层可以是可渗透的。在一些实施例中，容器的一部分可以含有对光能的大多数光谱波长来说可以是不可渗透的最外层，并且容器的第二部分含有对光能的大多数光谱波长来说可以是可渗透的最外层。

在一些实施例中，限定微生物能量转化电池单元的外边界的容器是刚性的。刚性外壳可以含有刚度>约1.3GPa并且具有类似于立方体、长方体、球体、柱、圆柱体、锥体、截锥体、金字塔或棱镜的形状的玻璃或聚合物。外壳的壁厚度可以跨越约1mm至20cm的范围。优选的是壁厚度在约5mm至25mm的范围内的外壳。

容器容积、形状和尺寸可以选择以补充其所驻留的能量转化系统的整体结构。在一些实施例中，容器容积可以在约0.0000001m³至约3m³；约0.000001m³至约2m³；约0.0001m³至约1.5m³；约0.01m³至约1m³；或约0.1m³至约0.5m³的范围内。

容器可以通过标准方法，包含部件模制、注塑模制、挤出、激光蚀刻、粘合、焊接填隙和其它合适的技术制造。

在一些实施例中，限定微生物能量转化电池单元的外边界的容器是具有电绝缘特性的框架。在本公开的一些方面中，框架化外壳具有热绝缘特性并且是泡沫填充的。所公开的实施例的框架包含玻璃纤维、铝、不锈钢、石墨、聚碳酸酯、碳纤维、聚苯乙烯、聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、间位芳纶聚合物或共聚酰胺。

在其它实施例中，限定微生物能量转化电池单元的外边界的外壳是柔性的。柔性外壳的实例包含一或多种刚度小于约1.2GPa，并且具有无定形形状或具有类似于立方体、长方体、球体、柱、圆柱体、锥体、截锥体、金字塔或棱镜的形状的透明聚合物。合适的聚合物的实例包含聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、间位芳纶聚合物或共聚酰胺。外壳的壁厚度可以跨越例如约0.5mm至25mm的范围。在一些实施例中，外壳具有的壁厚度在约1mm至10mm的范围内。

在一些实施例中，在微生物能量转化电池单元中包含窗口，用于光子能量渗透到能量转化电池单元中。对于范围介于约100nm与1060nm之间的光来说，窗口可以是可传输的，并且可以含有玻璃、结晶复合物和聚合物，如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸盐)、聚(4,4-二辛基环戊二噻吩)或其它透明聚合物。在某些实施例中，窗口可以厚约1mm至30cm。在一些情况下，窗口的厚度范围为约5mm至25mm。

在一些实施例中，在微生物能量转化电池单元中包含垫片或密封件，所述垫片或所述密封件可以用于在电池单元的框架与窗口之间以及在电池单元的外壳与端口或管道之间提供防泄漏密封。合适的垫片或密封件可以含有抗UV硅酮、原位固化树脂(cure-in-place resin)、乙烯-丙烯二烯、闭孔腈或其它抗UV的垫片或密封剂。

在一个实例中，限制室包含与安装到连续注注塑模制的聚合物侧壁和背衬单元上的抗UV垫片并置的玻璃面板。连续注射模制的聚合物侧壁和背衬单元具有：用于流体的入口端口和/或出口端口和/或0.22μm过滤器气体交换端口，以及连接到电接线用于将直流电的流动集中到太阳能面板的交流电转化器中的经安装的电子流导管板。

在另一个实例中，容器形状是中空的聚合物管。在一些实施例中，容器被形状设定为圆柱体；长方体；正方体；球体；柱状物体；或平面物体。在一些实施例中，容器被设计为发酵罐；生长室或其它细胞培养设备。

在某些实施例中，电池单元系统包含壳体框架、光转化系统适配器、AC适配器和电线。在一些实施例中，系统可容纳光转化系统阵列。在其它实施例中，太阳能面板可以以这样的方式制造，使得壳体框架可以能够移除和更换光转化系统。本文所公开的电池单元可以起到功能性作用，并且可以在太阳能面板中使用以向专用外部电负载(例如，电网)提供电流，而本公开的其它方面使用便携式伏打电池单元以向装置提供电流。

在一些实施例中，电池单元壳体是刚性系统，并且除了提供辐射能接受作用外，还提供结构作用。

在某些实施例中，伏打电池单元可以用于结构和功能作用，并且可以在汽车和飞机中用作机罩、顶、采光顶、天窗、后备箱、框架、机翼、窗户等。另外，电池单元还可以在建筑物中用作墙壁、墙幕、屋顶、窗户、门、走道、天井、车道、甲板、围栏等。

在其它实施例中，电池单元壳体是除能量转化作用外可以提供物理作用的灵活系统。灵活的微生物能量转化电池单元的用途的实例为：可缩回元件，如遮阳篷、风帆、盖、防水布、斗篷、披肩；以及可折叠元件，如毯子、遮阳板、伞、遮阳伞、风扇和衣服。

电池单元还可以包含电子虹吸管。电子虹吸管的实例在于2018年10月2日发布的美国专利第10,090,113号中进行了讨论，所述文献出于提供电子虹吸管的实例的目的在此通过引用以其整体并入。

XVI.结论

尽管出于清楚理解的目的已经在一些细节上描述了前述实施例，但是显而易见，可以在所附权利要求的范围内实践某些更改和修改。应该注意，存在许多实施本实施例的过程、系统和设备的替代性方式。因此，本实施例被认为是说明性的而非限制性的，并且实施例并不限于本文给出的细节。

Claims (34)

1.一种伏打电池单元，其包括：

(a)阳极，所述阳极用于接收电子并且将电子提供给外部电路或负载；

(b)阴极，所述阴极用于向电化学反应供送电子；

(c)生物膜，所述生物膜包括微生物，所述生物膜与所述阳极或所述阴极电接触；

(d)缓冲液，所述缓冲液包括与所述阳极和所述阴极接触的离子传导介质；以及

(e)容器，所述容器至少部分地容纳所述生物膜和所述缓冲液。

2.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其进一步包括离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障，所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障将所述缓冲液分隔到阳极隔室和阴极隔室中，由此防止电子供体群体接触所述阴极。

3.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜与所述阳极和所述阴极中的至少一者接触。

4.根据权利要求2所述的伏打电池单元，其中所述生物膜与所述阳极、所述阴极和所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障中的至少一者接触。

5.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括两种或更多种微生物。

6.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜形成于所述伏打电池单元中的衬底上。

7.根据权利要求6所述的伏打电池单元，其中所述衬底为所述阳极或所述阴极。

8.根据权利要求6所述的伏打电池单元，其中所述衬底接触所述阳极或所述阴极的表面。

9.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括带正电荷的部分。

10.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括带负电荷的部分。

11.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括合成部分。

12.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括非合成部分。

13.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括一或多个丝状附器。

14.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括一或多种选自由以下组成的群组的微生物类别：厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物。

15.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括硫氧化微生物和硫还原微生物。

16.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括一或多种选自由以下组成的群组的微生物：铁还原红育菌、嗜酸乳杆菌、深红红螺菌、脱硫弧菌脱硫亚种、厌氧消化链球菌、森氏红螺菌、疾卡氏菌、毛螺菌、腹发光杆菌、酒色闪杆菌、干酪乳酸杆菌、具核梭杆菌多形亚种、孔兹创伤球菌、痤疮丙酸杆菌、深红红螺菌、孔兹创伤球菌、酒色闪杆菌和产黏变形杆菌。

17.根据权利要求1所述的伏打电池单元，其中所述生物膜包括基质，所述基质包括天然聚合物、合成聚合物、DNA的水合物、蛋白质的水合物或碳水化合物的水合物。

18.根据权利要求2所述的伏打电池单元，其中所述屏障是电子传导性的。

19.根据权利要求2所述的伏打电池单元，其中所述屏障接触所述阳极。

20.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其进一步包括与所述阳极电通信的集电器。

21.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中第一微生物物种和/或第二微生物物种包括光采集天线。

22.根据权利要求21所述的伏打电池单元，其中所述第一微生物物种通过第一波段中的电磁辐射激发，并且其中所述缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二波段中的电磁辐射激发，其中所述第一波段和所述第二波段基本上不重叠。

23.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中所述第一微生物物种包括光能营养或化能营养微生物。

24.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中所述第一微生物物种为化能营养菌，并且所述第二微生物物种为光能营养菌。

25.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中第一初级代谢通路使含有碳、氮、磷或硫的化合物氧化，并且第二初级代谢通路使通过所述第一初级代谢通路产生的经氧化的化合物还原。

26.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中所述第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。

27.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中所述第一微生物物种具有多个代谢通路。

28.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中所述第一微生物物种为天然存在的微生物物种。

29.根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元，其中所述第一初级代谢通路和所述第二初级代谢通路各自参与细胞呼吸。

30.一种将化学能和/或光能转化为电能的方法，所述方法包括：

操作根据前述权利要求中任一权利要求所述的伏打电池单元。

31.一种伏打电池单元，其包括：

(a)阴极气流硬件；

(b)阴极气体扩散层；

(c)阴极琼脂层；

(d)电解质层，所述电解质层包括与所述阳极和所述阴极接触的离子传导介质；

(e)阳极层，所述阳极层用于接收电子并且将电子提供给外部电路或负载；

(f)阳极琼脂层；

(g)窗口层；以及

(h)生物膜，所述生物膜包括微生物。

32.根据权利要求31所述的伏打电池单元，其中所述微生物驻留在所述层中的一或多个层中。

33.根据权利要求31所述的伏打电池单元，其中所述阳极层包括选自由以下组成的群组的材料：铝纳米颗粒、铝微粒、透明导体颗粒、亲水性聚合物和亲水性凝胶。

34.根据权利要求31所述的伏打电池单元，其中所述窗口层包括玻璃。