ES2944483T3 - Biopila con depósito de combustible - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una biocélula (1) con depósito de biocombustible, estando destinada dicha biocélula a ser puesta en contacto con un medio líquido y con un fluido que comprende un agente oxidante. Dicha biocelda comprende una primera celda electroquímica que tiene: - un ánodo (5) que comprende una primera enzima capaz de catalizar la oxidación del biocombustible; - un cátodo (7) que comprende una segunda enzima capaz de catalizar la reducción del agente oxidante; y - una membrana separadora (3) porosa, eléctricamente aislante, permeable a dicho medio líquido, estando situada dicha membrana entre el ánodo (5) y el cátodo (7); caracterizándose dicha biocélula (1) porque comprende un medio para almacenar el biocombustible (3) y para hacer disponible el medio líquido en el ánodo (5), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Biopila con depósito de combustible
Campo de la invención
La invención se refiere a una pila enzimática, o biopila, de combustible, a sus usos para la detección o la oxidación de un biocombustible tal como la glucosa, a los kits que la contienen, así como a los aparatos eléctricos o electrónicos que la incorporan. La invención también se refiere a procedimientos de fabricación de esta biopila así como a conjuntos que comprenden al menos dos biopilas según la invención.
Técnica anterior
La tecnología de las pilas de combustible se basa en la conversión de la energía química en energía electrónica. Una molécula orgánica como la glucosa es una de las fuentes de energía más importantes para muchos organismos vivos y puede considerarse un biocombustible seguro, fácil de manipular, biodegradable ya que es consumible.
Las pilas enzimáticas (también llamadas biopilas) de biocombustible usan enzimas para producir energía o potencia eléctrica a partir de sustratos biológicos como el oxígeno, el metanol, la glucosa o el almidón. Las biopilas de combustible convierten el biocombustible en presencia de compuestos enzimáticos lo que produce potencia. Las biopilas más conocidas funcionan por oxidación de la glucosa (GBFC) son pilas de este tipo que convierten la glucosa por oxidación en el ánodo para la producción de potencia utilizando una enzima incorporada a la misma y que tiene una fucnión de catalizador de la reacción. El cátodo generalmente tiene la función de reducir el oxígeno y puede, o no, comprender una enzima que cataliza esta reacción.
Las enzimas son alternativas prometedoras a los catalizadores a base de metales nobles, ya que la mayoría de ellas son operativas a pH neutro y a temperatura ambiente y ofrecen baja o nula toxicidad, lo que no ocurre con otros catalizadores a base de metales. Por lo tanto, tales biopilas de biocombustible pueden reciclarse muy fácilmente y presentar alternativas ecológicas como generadores de corriente eléctrica, en particular, para dispositivos desechables.
CAROLINE ABREU ET AL: "Assembly and Stacking of Flow-through Enzymatic Bioelectrodes for High Power Glucose Fuel Cells", ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, vol. 9, n.° 28, 7 de julio de 2017, páginas 2383623842, describe una pila de combustible que comprende una lámina de celulosa que separa los electrodos. Esta lámina de celulosa solo presenta una densidad superficial baja de 64 g/m2.
La presente invención se refiere más particularmente a la fabricación de una biopila de tipo "botón", es decir, de tamaño pequeño y capaz de suministrar electricidad equivalente a una pila de botón a base de metales y que posiblemente se pueda tirar a la basura sin riesgo para el medio ambiente. Este no es el caso de las pilas de botón y de las pilas alcalinas en la actualidad. Esta tecnología verde podría proporcionar una solución original a los problemas asociados con el reciclaje de las pilas a base de zinc, litio o manganeso utilizadas diariamente. Sin la presencia de metales, el dispositivo según la invención también describe una fuente de energía portátil invisible para los detectores de metales.
De manera alternativa o adicional, el dispositivo según la invención tiene como objetivo permitir la producción de energía eléctrica para una necesidad puntual cuando otras fuentes de energía convencionales (eólica, solar, etc.) no están disponibles. En efecto, las enzimas tienen una selectividad única que permite la producción de potencia en medios complejos que pueden permitir el uso de líquido y, en particular, de diversos líquidos biológicos: azúcar (glucosa), bebidas azucaradas, fluidos fisiológicos (saliva, sangre, orina), de origen animal o vegetal (zumo de frutas, etc.) como activador y/o de combustible. En este contexto, los términos "combustible" y "biocombustible" son intercambiables.
En estos aspectos, es necesario superar desafíos significativos antes de que tales biopilas puedan ponerse en práctica comercial.
En particular, deben, preferentemente, ser pequeñas (1 a 5 cm2 de superficie), incluso muy pequeñas (menos de 0,5 cm2 de superficie) y estar diseñadas para poder reemplazar las pilas de tipo "botón" que se utilizan con frecuencia en los dispositivos desechables. Ventajosamente, deben ser fácilmente reciclables y preferentemente económicas.
De este modo, la invención tiene como objetivo en particular resolver el problema de proporcionar una biopila de combustible, en particular, de diseño que permita su uso en dispositivos desechables, económico (tipo pilas botón) o de un solo uso, preferentemente de dimensiones restringidas, y que permita ventajosamente un acceso optimizado del combustible y el oxidante a la celda electroquímica, para producir la máxima energía. Además, es ventajoso que esta biopila pueda ser utilizada en un conjunto de varias biopilas de biocombustible o celdas electroquímicas, para producir energía sostenible y renovada.
De este modo, de una manera general, la invención pretende resolver el problema de la fabricación fácil y económica
de biopilas de combustible y su integración en circuitos eléctricos más o menos sofisticados en los que las densidades de corriente producidas sean suficientemente altas para hacer funcionar dichos dispositivos. Ventajosamente, la tensión emitida es suficiente para hacer funcionar los dispositivos de manera confiable.
Descripción de la invención
Según una realización, la invención comprende una biopila con un depósito de biocombustible, destinada a ser puesta en contacto con un medio líquido, comprendiendo dicho medio líquido opcionalmente un biocombustible, y un medio fluido que comprenda un oxidante, comprendiendo dicha biopila una primera celda electroquímica, comprendiendo dicha primera celda electroquímica:
- un ánodo que consiste en un aglomerado sólido que comprende un material conductor mezclado con una primera enzima capaz de catalizar la oxidación del biocombustible; y
- un cátodo que consiste en un aglomerado sólido que comprende un material conductor mezclado con una segunda enzima capaz de catalizar la reducción del oxidante, y
- una membrana separadora y porosa, eléctricamente aislante, y permeable a dicho medio líquido, colocada entre el ánodo y el cátodo.
Dicha biopila comprende, además, medios para conectar eléctricamente dicha biopila con un receptor eléctrico, permitiendo dichos medios de puesta en circuito eléctrico que la corriente circule entre el ánodo y el cátodo. La biopila se caracteriza por que comprende un medio de almacenamiento del biocombustible y de puesta a disposición del medio líquido en el ánodo, comprendiendo dicho medio un material poroso hidrófilo en contacto con dicho ánodo y que tiene una densidad superficial de 500 a 900 g/m2
Los medios de almacenamiento pueden actuar por tanto como un depósito de biocombustible y/o de un líquido que lo contiene. Preferentemente, el medio de almacenamiento tiene una densidad superficial (o gramaje) que puede oscilar entre 650 y 750 g/m2 para que sea lo suficientemente absorbente. Ventajosamente, su densidad superficial es de 703 g/m2, opcionalmente ± 20 %. En particular, se puede elegir del grupo de valores que consiste en 655, 660, 665, 670, 675, 680, 685, 690, 695, 696, 697, 698, 699, 700, 701, 702, 703, 704, 705, 707, 708, 709, 710, 711, 712, 713, 714, 715, 720, 725, 730, 735, 740, 745, 750, 755 y 760 g/m2. Por tanto, el medio de almacenamiento es un material muy poroso.
El medio de almacenamiento puede tener la forma de una almohadilla porosa, de un tampón o, en inglés "pad". El material constitutivo de los medios de almacenamiento es preferentemente un aislante eléctrico. Este material puede comprender o consistir en fibras tejidas o no tejidas (fieltro). Estas fibras son preferentemente fibras naturales y/o biodegradables, por ejemplo, puede tratarse de un material que comprende, o consiste esencialmente en, o incluso a base de celulosa, y en particular de algodón. También puede tratarse de un polímero natural (celulosa, algodón, esponja, quitosano, etc...) o sintético (espuma poliacrílica, alcohol polivinílico, etc...). La expresión "a base de X" puede interpretarse como una referencia a un material constituido por más del 90 % en masa, preferentemente por más del 95 %, o incluso más del 98 % con respecto a la masa total del constituyente X. Por lo tanto, los medios de almacenamiento pueden ventajosamente comprender, o consistir esencialmente en, una lámina de papel, preferentemente de tipo secante, por ejemplo, papel secante súper grueso. También se prefiere que esta almohadilla y/o la lámina de papel no tengan aditivos. El gramaje se puede medir según la norma NF EN ISO 536 de noviembre de 2012.
El grosor del medio de almacenamiento es ventajosamente lo más pequeño posible para permitir un uso miniaturizado. Sin embargo, para otros usos, este grosor puede ser mayor e incluso del orden de un centímetro, o medio centímetro. Por lo tanto, este grosor puede ser de 1 cm a 0,1 mm, preferentemente de 8 a 2 mm, y más particularmente alrededor de 2,6 mm, opcionalmente ± 20 %. En particular, puede seleccionarse como un grosor elegido del grupo que consiste en 1; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,6; 2,7; 2,8; 2,9; 3; 3,1; 3,2; 3,3; 3,4; 3,5; 3,6; 3,7; 3,8; 3,9 y 4 mm.
Ventajosamente, el medio de almacenamiento es una lámina de papel secante, con un grosor de 2,6 mm ± 0,2 mm. Su porosidad debe permitir una buena absorción del líquido que contiene el combustible (por ejemplo, agua, orina, bebida azucarada, sangre, etc...) y en particular el azúcar. Según una variante preferida de la invención, debe ser suficientemente rígida para la incrustación o el mantenimiento de bioánodos o biocátodos.
Ventajosamente, el medio de almacenamiento tiene un tiempo de filtración del líquido que puede oscilar entre 100 y 140 s/ml, preferentemente de 110 a 130 s/ml y ventajosamente alrededor de 120 s/100 ml, opcionalmente ± 20 %; medido según el método de Herzberg (con una columna de agua de 100 mm).
La celda electroquímica incluida en la biopila según la invención comprende un ánodo y un cátodo. Estos electrodos se presentan en forma de aglomerado sólido que comprende en su base un material conductor preferentemente poroso y al menos una enzima de la semirreacción que se va a catalizar. Este material poroso puede ser cualquier material conductor poroso reciclable tal como fieltro de carbono, carbono microporoso, nanotubos de carbono, carbón activo, negro de carbono, polímeros conductores, etc. En los ejemplos, las pastillas a base de nanotubos de carbono de pared simple o, más ventajosamente, de pared múltiple (MWCNT) o de negro de carbono, ofrecen una excelente porosidad
asociada a una excelente conductividad. Por "nanotubo de carbono", se entiende un nanotubo de carbono del que al menos una dimensión es inferior a 1500 nm. Preferentemente, los nanotubos de carbono tienen una relación de longitud (L) a diámetro indicada como L/diámetro comprendida entre 100 y 5000. Preferentemente, los nanotubos de carbono tienen una longitud de aproximadamente 1,5 μm y, por ejemplo, un diámetro de aproximadamente 10 nm.
En los ejemplos de realización de la invención de la solicitud, el biocombustible elegido es la glucosa, debido a la amplia disponibilidad de este compuesto y su bajo impacto en el medio ambiente. Sin embargo, la estructura de la pila de biocombustible según la invención puede adaptarse a sustratos distintos de la glucosa en la medida en que también se adapten los compuestos enzimáticos asociados.
El balance de reacción teórico de la biopila enzimática de glucosa/O2 es el siguiente:
Ánodo: glucosa ^ gluconolactona 2 H+ 2 e-
Cátodo: O2 + 4 H+ 4 e- ^ 2 H2O
Biopila: 2 glucosa O2 ^ 2 gluconolactona 2 H2O
De este modo, según un aspecto preferido de la invención, un sistema enzimático utilizado en el ánodo puede comprender al menos una glucosa oxidasa. Las glucosas oxidasas (GOx) son enzimas oxidorreductasas del tipo EC 1.1.3.4 (clasificación de abril de 2018) que catalizan la oxidación de la glucosa, más particularmente de la p-D-glucosa (o Dextrosa) en peróxido de hidrógeno y D-glucono-8-lactona, que a continuación se hidroliza a ácido glucónico. Las glucosa oxidasas se unen específicamente a la p-D-glucopiranosa (forma hemiacetal de la glucosa) y no actúan sobre la a-D-glucosa. Sin embargo, son capaces de actuar sobre la glucosa en sus formas enantioméricas, porque en solución la glucosa adopta principalmente su forma cíclica (a pH7: 36,4 % de a-D-glucosa y 63,6 % de p-D-glucosa, 0,5 % en forma lineal). Además, la oxidación y el consumo de la forma p desplaza el equilibrio de a-D-glucosa/p-D-glucosa hacia esta forma. El término GOx se extiende a las proteínas nativas y sus derivados, mutantes y/o equivalentes funcionales. Este término se extiende en particular a proteínas que no difieren sustancialmente de la estructura y/o de la actividad enzimática.
Las glucosa oxidasas incluyen y requieren un cofactor para permitir la catálisis. Este cofactor es el dinucleótido de flavina y adenina (FAD), un importante componente de oxidación-reducción en las células. El FAD sirve como el aceptor de electrones inicial, se reduce en FADH2 que será reoxidado a FAD (regeneración) por el oxígeno molecular (O2, más reductor que el FAD). El O2 finalmente se reduce a peróxido de hidrógeno (H2O2). El cofactor está incluido en la enzima GOx disponible en el comercio y los términos GOx y FAD-GOX son equivalentes.
La glucosa oxidasa más utilizada es la que se extrae de Aspergillus niger. Sin embargo, se puede usar GOx de otras fuentes, como por ejemplo ciertas cepas de la especie Penicillium o de Aspergillus terreus.
La glucosa oxidasa de Aspergillus niger es un dímero compuesto por 2 subunidades iguales con un peso molecular de 80 kDa cada una (por filtración en gel). Cada subunidad contiene un dinucleótido de flavina y adenina y un átomo de hierro. Esta glicoproteína contiene aproximadamente un 16% de azúcar neutra y un 2% de aminoazúcares. También contiene 3 residuos de cisteína y 8 sitios potenciales para la N-glicosilación.
La actividad específica de la GOx es preferentemente superior o igual a 100.000 unidades/g de sólido (sin adición de O2). Una unidad se define como la capacidad de oxidación de 1,0 pmol de p-D-glucosa a D-gluconolactona y H2O2 por minuto a un pH de 5,1 a 35 °C. (Km = 33-110 mM; 25 °C; pH 5,5 -5,6).
Dado que el uso de la GOx implica la producción de peróxido de hidrógeno, se puede añadir catalasa al sistema enzimático.
La catalasa es una enzima tetramérica que cataliza la reacción: 2 H2O2 ^ O2 + 2 H2O. Cada subunidad contiene hierro unido a un grupo de protohemo tipo IX. Cada subunidad es equivalente y comprende una cadena polipeptídica de alrededor de 500 aminoácidos. El peso molecular de cada subunidad es generalmente de 60 kDa (filtración en gel). La catalasa puede unirse fuertemente a NADP y esta y el grupo hemo se coloca a una distancia de 13,7 A entre sí. Puede reaccionar con otros peróxidos de hidrógeno alquílicos como el peróxido de metilo o el peróxido de etilo. La actividad de la catalasa es generalmente constante en un rango de pH de 4 a 8,5. Su actividad específica es, preferentemente, superior a 2000 unidades/mg, en particular superior a 3000 unidades/mg, por ejemplo aproximadamente 5000 unidades/mg de proteína. Una unidad se define como la capacidad de descomponer 1,0 micromol de agua oxigenada (H2O2) por minuto a pH 7,0 a 25 °C, siendo la concentración de H2O2 preferentemente de 10,3 a 9,2 milimolar. El término catalasa se extiende a las proteínas nativas y a sus derivados, mutantes y/o equivalentes funcionales. Este término se extiende en particular a proteínas que no difieren sustancialmente de la estructura y/o de la actividad enzimática. La catalasa utilizada es preferentemente de origen bovino.
También es posible utilizar otras enzimas transformadoras de glucosa, y particularmente al menos una deshidrogenasa. De hecho, no se produce peróxido de hidrógeno durante la reacción catalizada por esta enzima, lo
cual es ventajoso. Las deshidrogenasas también funcionan en asociación con el FAD (véase arriba). Una deshidrogenasa particularmente preferida es Dinucleótido de Flavina-Adenina-Glucosa Deshidrogenasa (FAD-GDH) (EC 1.1.5.9). El término FAD-GDH se extiende a las proteínas nativas y a sus derivados, mutantes y/o equivalentes funcionales. Este término se extiende en particular a proteínas que no difieren sustancialmente de la estructura y/o de la actividad enzimática. Por tanto, para producir el ánodo de la celda electroquímica de la biopila según la invención se puede utilizar, en asociación con un cofactor, una proteína enzimática GDH que tiene una secuencia de aminoácidos de al menos el 75 %, preferentemente el 95 %, e incluso más preferentemente el 99 % de identidad con la secuencia o secuencias de GDH enumeradas en las bases de datos (por ejemplo, SWISS PROT). Una FAD-GDH de aspergillus sp. es particularmente preferida y eficaz, pero otras FAD-GDH procedentes de Glomerella cingulata (GcGDH), o una forma recombinante expresada en Pichia pastoris (rGcGDH), también podrían usarse. La FAD-GDH usada en una realización ejemplificada es una FAD-GDH de Aspergillus sp. (SEKISUI DIAGNÓSTICO, Lexington, MA, N.° de Catálogo GLDE - 70 - 1192) que presenta las siguientes características:
Aspecto: polvo amarillo liofilizado.
Actividad: > 900 U/mg de polvo a 37 °C.
Solubilidad: se disuelve fácilmente en agua a una concentración de: 10 mg/ml.
Una unidad de actividad: cantidad de enzima que convertirá un micromol de glucosa por minuto a 37 °C.
Peso molecular (filtración en gel) 130 kDa.
Peso molecular (SDS Page): banda difusa a 97 kDa indicativa de una proteína glicosilada.
Punto isoeléctrico: 4,4.
Valor Km: 5.10-2 M (D-Glucosa).
El material conductor poroso también puede incluir una molécula aromática que actúa como mediador redox, tal como 1,4-naftoquinona, para mejorar los intercambios electrónicos. Otras moléculas elegidas del grupo formado por la 9,10-fenantrenoquinona, la 1,10-fenantrolina-5,6-diona, la 9,10-antraquinona, el fenantreno, la 1,10-fenantrolina, la 5-metil-1,10-fenantrolina, el pireno, el 1-aminopireno, el ácido pireno-1-butírico y mezclas de dos o más de ellos también pueden considerarse. El uso de tales compuestos se muestra particularmente ventajoso en el caso de sistemas enzimáticos que comprenden una FAD-GDH o una GOx.
El oxidante de la biopila puede ser ventajosamente oxígeno molecular, y en particular oxígeno contenido en el aire.
Cuando el oxidante es oxígeno molecular O2, el sistema enzimático que se puede utilizar en el cátodo puede comprender ventajosamente una bilirrubina oxidasa (BOD). La BOD es una enzima oxidorreductasa (Clasificación CE 1.3.3.5, número CAS 80619-01-8; abril de 2018) que cataliza la reacción:
2 bilirubina O(2) <=> 2 biliverdina 2 H(2)O.
La bilirrubina oxidasa más utilizada es la extraída de Myrothecium verrucaria. Sin embargo, se puede considerar el uso de BOD de otras fuentes. La actividad de la BOD es ventajosamente superior a 15 unidades/mg de proteína, preferentemente superior a 50 unidades/mg, por ejemplo, alrededor de 65 unidades/mg de proteína. Una unidad se define como la capacidad de oxidar 1,0 micromol de bilirrubina por minuto a un pH de 8,4 a 37 °C. El término BOD se extiende a las proteínas nativas y sus derivados, mutantes y/o equivalentes funcionales. Este término se extiende en particular a proteínas que no difieren sustancialmente de la estructura y/o de la actividad enzimática.
La protoporfirina IX (número CAS 553-12-8; abril de 2018), es un compuesto con una unidad de porfirina de fórmula empírica C34H34N4O4. Se utiliza para funcionalizar el material conductor poroso, y en particular los nanotubos, y para permitir una mejor orientación de enzimas como las BOD. Por lo tanto, se incluye ventajosamente en el material que constituye el cátodo.
El aglomerado sólido que combina un material conductor poroso y al menos una enzima y/o un sistema enzimático se presenta preferentemente en forma de bloque o de pastilla, por ejemplo circular, obtenido ventajosamente por compresión de la mezcla de los elementos. El aglomerado se puede obtener fácilmente por compresión y adquirir cualquier forma particular deseada. En particular, los bioánodos y/o biocátodos según la invención pueden presentarse en forma de pequeñas (de 1 a 2 cm de diámetro), incluso muy pequeñas (menos de 0,5 cm de diámetro), pastillas, por ejemplo, circulares o poligonales. Dichas pastillas pueden tener un grosor que varía de 3,5 mm a 0,2 mm, por ejemplo 0,25 mm. Por lo tanto, la biopila según la invención puede ser de forma variada y de pequeño tamaño. En particular, sólo podrá ocupar un volumen inferior o igual a 2 cm3, preferentemente, inferior o igual a 1 cm3, incluso inferior o igual a 0,75 cm3. En particular, puede diseñarse para poder reemplazar las pilas de "tipo botón".
De acuerdo con un aspecto particularmente preferido de la invención, el ánodo comprende por tanto una enzima GOx, preferentemente asociada con una catalasa, o una enzima FAD-GDH. En este caso, el biocombustible es por tanto glucosa. En ambos casos, el bioánodo también comprende un mediador de oxidación de la glucosa, por ejemplo, un compuesto del tipo 1,4-naftoquinona. Preferentemente, el biocátodo comprende una enzima reductora de oxígeno, y más particularmente la BOD, asociado ventajosamente con protoporfirina IX. Los términos biocátodo y bioánodo se refieren a la presencia de material biológico, por ejemplo, una enzima, en su estructura. En el contexto de la biopila de la invención, deben usarse de manera equivalente a cátodo y ánodo.
El dispositivo según la invención comprende una membrana separadora y porosa, eléctricamente aislante y permeable al medio líquido, que se coloca entre el ánodo y el cátodo. Esta membrana permite el paso en particular de especies iónicas entre el ánodo y el cátodo.
Según una variante particular de la invención, esta membrana puede ser una lámina delgada (menos de 200 μm de grosor) de papel, que sea de baja densidad superficial (por ejemplo, inferior o igual a 150 g/m2 En particular, dicha membrana tiene un grosor de menos de 150 μm, preferentemente menos de 100 μm, preferentemente menos de 75 μm de papel, que es ventajosamente biodegradable. Esta opción es particularmente preferida cuando el medio de almacenamiento del biocombustible y de puesta a disposición del medio líquido en el ánodo rodean y soportan el bioánodo y/o las pastillas anódicas, y posiblemente biocatódica(s) de la biopila.
Según otra variante preferida de la invención, la membrana separadora y porosa, eléctricamente aislante y permeable al medio líquido, es también el medio de almacenamiento del biocombustible y de puesta a disposición del líquido. Ventajosamente, este medio de almacenamiento es como se ha descrito anteriormente.
La biopila según la invención también comprende medios de puesta en circuito que generalmente incorporan un material eléctricamente conductor. Estos medios pueden ser en forma de capas, lengüetas o hilos. Una capa, lengüeta o hilo de este tipo tiene ventajosamente un pequeño grosor, alta conductividad térmica y/o eléctrica y puede comprender, o consistir (sustancialmente) en, grafito altamente orientado. Por lo tanto, puede usarse una lámina, o una lengüeta, en grafito pirolítico (pyrolytic graphite sheet). Su grosor puede elegirse variando de 10 y 500 μm, preferentemente de 17 a 300 μm, y ventajosamente de 40 a 100 μm. Puede elegirse del grupo formado por grosores de 10, 17, 25, 40, 50, 70 y 100 μm. Su conductividad térmica (en el plano longitudinal de la lámina) puede ser de 500 a 2000 W/(m.K), preferentemente de 700 a 1950 W/(m.K) y ventajosamente de 900 a 1350 W/(m.K). Puede elegirse del grupo formado por valores de conductividad térmica de 700, 1000, 1300, 1350, 1600, 1850 y 1950 W/(m.K). Esta capa también puede tener una conductividad eléctrica superior a 5000 S/cm, preferentemente superior o igual a 8000 S/cm, por ejemplo, alrededor de 10.000 S/cm. Sin embargo, puede tener una conductividad más alta, por ejemplo, alrededor de 20.000 S/cm, especialmente si el grosor de la capa es inferior a 40 μm. Esta capa también puede presentar resistencia al calor, por ejemplo, resistencia a una temperatura de más de 200 °C, ventajosamente más de 300 ° C., por ejemplo, aproximadamente 400 °C.
Ventajosamente, el dispositivo según la invención comprende un revestimiento externo que puede ser una capa, o una película, protectora que cubre parcialmente la(s) celda(s) electroquímica(s) del dispositivo. Es preferentemente flexible, adhesivo, no tóxico, químicamente estable, eléctricamente aislante, poco sensible a la radiación y/o tiene una amplia gama de temperatura de funcionamiento (por ejemplo, de -150 °C a 200 °C, incluso alrededor de 260 °C). Este revestimiento, o película protectora exterior, puede comprender, o estar (sustancialmente) constituido de un tejido de fibra de vidrio impregnado con un material relativamente inerte tal como un material polimérico perfluorado del tipo PTFE (politetrafluoroetileno) o un material a base de silicona. El PTFE puede ser Teflon® de Du Pont de Nemours, Fluon® de Asahi Glass, Hostaflon ® de Dyneon. Preferentemente, la película o revestimiento está impregnado con más del 50 % en peso de dicho material, ventajosamente del 50 al 70 %, preferentemente del 57 al 64 % basado en el peso total de la película. Su grosor puede ser de unas décimas, incluso centésimas de milímetros. Por ejemplo, se puede elegir en una gama que varía de 0,03 a 0,50 mm, preferentemente de 0,05 a 0,30 mm y preferentemente de 0,06 a 0,14 mm, por ejemplo, ser de 0,07 mm (norma NF En ISO 2286 - 3 de diciembre de 2016). Según un aspecto preferido de la invención, el revestimiento, o película protectora, comprende una capa adhesiva, preferentemente resistente al agua, permitiéndole adherirse a la superficie externa de la, o las, celda(s) electroquímica(s) de la biopila según la invención. Según un aspecto particular, esta película se puede fijar directamente a una cara del ánodo y/o del cátodo, o directamente en una parte de los medios de puesta en circuito. Según otro aspecto preferido, esta capa exterior, que es preferentemente flexible y aislante, comprende una o más abertura(s) colocada(s) y dimensionada(s) para permitir el acceso de un líquido y/o de un gas al ánodo y/o al cátodo. Esta abertura puede estar precortada en el revestimiento: por ejemplo, puede adoptar la forma de una serie de pequeñas aberturas circulares colocadas frente al biocátodo. De manera adicional o alternativa, esta abertura puede estar constituida por el hecho de que el revestimiento no rodea completamente la biopila que comprende la, o las, celda(s) electroquímica(s) y el medio de almacenamiento, pero deja una abertura que da acceso a estos elementos. Por tanto, para un dispositivo de forma generalmente plana, se puede dejar una abertura en el borde del dispositivo.
Según un aspecto ventajoso de la invención, cuando el bioánodo y/o el biocátodo (que puede tener forma de pastilla o de botón), se mantiene en un marco, dicho marco siendo sea dicho medio de almacenamiento del biocombustible y de puesta a disposición del medio líquido, sea un material eléctricamente aislante como PTFE.
De este modo, según una primera realización, el ánodo se inserta en los medios de almacenamiento, que puede ser, por ejemplo, una lámina de material absorbente como se ha descrito anteriormente. Este medio de almacenamiento actuará por lo tanto también como marco y/o soporte y mantendrá del bioánodo y posiblemente el biocátodo, en posición, y, estando generalmente en contacto directo con él, lo mantendrá en contacto con el medio líquido y el biocombustible contenido en el mismo. Según esta variante de la invención, el dispositivo puede comprender varias celdas electroquímicas del tipo descrito en la solicitud, dichas celdas electroquímicas estando conectadas en serie. Un dispositivo de este tipo consiste por lo tanto en una pila de celdas electroquímicas, no siendo el número de celdas
generalmente superior a diez. Por ejemplo, se pueden apilar tres o cuatro celdas individuales.
De acuerdo con otra realización descrita anteriormente, el medio de almacenamiento es también la membrana de la biopila. En este caso, el ánodo (y posiblemente el cátodo) se puede insertar en un marco, o plantilla, compuesto por un material aislante, como por ejemplo PTFE (politetrafluoroetileno). Este marco tiene, preferentemente, aberturas dimensionadas para recibir el(los) bioelectrodo(s) y permite que el electrodo (ánodo o cátodo) sea mantenido y/o posicionado. En efecto, según esta variante de la invención, el marco puede contener varios electrodos que pueden ser de tipo anódico o catódico. Los marcos están dimensionados para permitir, cuando se enfrenta a dos marcos, colocar un ánodo y un cátodo uno frente al otro y así crear varias celdas electroquímicas. Los medios de circuito se colocan entonces ventajosamente para conectar en serie estas celdas electroquímicas.
Un objeto de la invención también es un método para fabricar una biopila como se describe en la presente solicitud. Este método comprende el uso de una lámina de revestimiento exterior como se describe y comprende la etapa de posicionamiento en una cara interior, preferentemente adhesiva, del revestimiento externo, los medios de puesta en circuito, al menos un electrodo (bioánodo o biocátodo) enfrentado a dichos medios de puesta en circuito, los medios de almacenamiento y posiblemente la membrana. La lámina de revestimiento exterior tiene un tamaño tal que una vez que los elementos del biocombustible se colocan en la superficie adhesiva, una superficie libre esté presente alrededor del perímetro de estos elementos. Esta superficie libre está posicionada y dimensionada para permitir unir estos elementos entre sí y formar la biopila.
Según una variante del método según la invención, los medios de puesta en circuito se colocan inicialmente en la cara interna del revestimiento y a continuación se superpone el marco (o plantilla). En un segundo paso, una mezcla en forma de polvo o pasta que constituye un ánodo o un cátodo según la invención se coloca en el interior de la abertura del marco y este conjunto se somete a compresión in situ para obtener un aglomerado sólido que constituye el ánodo o el cátodo. Esta etapa se puede repetir para formar el electrodo faltante (cátodo o ánodo) y se ensamblan los dos revestimientos, una vez colocado el medio de almacenamiento entre estas capas, para formar la biopila según la invención. Ventajosamente, estas dos partes están unidas entre sí por la presencia de un adhesivo en la parte interna del revestimiento externo.
La invención también se refiere a una biopila como se describe en la presente solicitud y que comprende, además, un líquido acuoso, comprendiendo opcionalmente dicho líquido un biocombustible. En efecto, el biocombustible puede estar ya presente en el dispositivo en forma seca y/o sólida y/o no solubilizada y/o capaz de migrar hacia los sitios enzimáticos. Por ejemplo, puede incorporarse en, o colocarse cerca de, medios de almacenamiento de combustible. Cuando el agua (pura o no), se añade, el biocombustible así presente (por ejemplo, azúcar) se disuelve en el medio, lo que permite que se produzcan intercambios electroquímicos. De manera alternativa o adicional, el líquido añadido incluye el biocombustible. Este puede ser, por ejemplo, un fluido fisiológico como la sangre, orina o saliva o una bebida alcohólica o glucosada.
También es objeto de la invención un proceso de obtención de una biopila que comprende la puesta en contacto de una biopila según la invención tal como se describe en la presente solicitud con un líquido, preferentemente un líquido acuoso, que comprende opcionalmente un biocombustible tal como glucosa, almidón o etanol.
Otro objeto de la invención es un aparato que comprende una biopila según la invención, y un receptor eléctrico (es decir, un aparato que utiliza (recibe) corriente eléctrica), estando conectada eléctricamente dicha biopila a dicho receptor eléctrico. Un aparato de este tipo puede ser una prueba, en particular, una prueba de fluidos biológicos: por ejemplo, una prueba de embarazo o una prueba de azúcar en sangre. De manera alternativa o adicional, la biopila (y/o el dispositivo) según la invención puede incorporarse a un dispositivo electrónico con pantalla electrónica y/o con emisión de luz. Más generalmente, el dispositivo según la invención es del tipo que funciona con pilas de tipo botón que utilizan derivados metálicos. Un aparato de este tipo según la invención puede ventajosamente ser desechable y/o biodegradable.
Otro objeto de la invención es un kit para la fabricación de una biopila como se describe en la presente solicitud y que comprende una biopila como se describe en la presente solicitud, asociado con instrucciones de uso y, opcionalmente, un recipiente que comprende un líquido acuoso como se ha descrito anteriormente.
Otro objeto de la invención es el uso de un papel secante grueso como el descrito anteriormente para la fabricación de una biopila o la fabricación de un dispositivo para la obtención de una biopila, preferentemente una biopila según la invención. Preferentemente, el papel secante o absorbente tiene un grosor de 2,6 mm ± 0,2 mm.
Otro objeto de la invención es un uso de una biopila según la invención para generar una corriente eléctrica.
Descripción de las figuras
La figura 1 es una vista parcial explosionada de un dispositivo según la invención tal como se describe en el ejemplo 1.
La Figura 2 representa las curvas de polarización y de potencia de una biopila GOx/BOD según el ejemplo 1,
producida a partir del dispositivo del Ejemplo 1 y una solución de 5 mM de glucosa.
La Figura 3 representa las curvas de polarización y de potencia de una biopila FAD-GDH/BOD según el ejemplo 1, producida a partir del dispositivo según la invención de la figura 1 y una solución de 5 mM de glucosa.
La Figura 4 representa las curvas de polarización y de potencia de una biopila GOx/BOD según la realización del ejemplo 2, siendo el combustible una solución de 5 mM de glucosa.
La Figura 5 representa las curvas de polarización y de potencia de una biopila GOx/BOD según la realización del ejemplo 2, siendo el combustible una solución de 150 mM de glucosa.
La Figura 6 representa las curvas de polarización y de potencia de una biopila FAD-GDH/BOD sobre carbono Vulcan® producida según el ejemplo 3, siendo el combustible una solución de 150 mM de glucosa.
La figura 7 representa las curvas de polarización y de potencia de una biopila FAD-GDH/BOD en MWCNT producida según el ejemplo 1, siendo el combustible una solución de 150 mM de glucosa.
La Figura 8 muestra la producción de energía por descarga continua a 6 kü en pW.h con respecto al tiempo (minutos) y consumo total de glucosa para almohadillas empapadas en glucosa a 5 mM y 150 mM para la biopila del Ejemplo 3.
La figura 9 muestra la producción de energía por descarga continua a 6 kü en pWh con respecto al tiempo (minutos) y el consumo total de glucosa para almohadillas empapadas en glucosa 150 mM para la biopila del ejemplo 3 (negro de carbono) y la del ejemplo 1 FAD-GDH/ BOD en MWCNT.
La figura 10 comprende un esquema parcial despiezado de la estructura de una biopila 10 presentada en el ejemplo 4 así como una vista frontal de la misma, y a la izquierda una vista en sección.
La Figura 11 comprende un esquema parcial despiezado de la estructura de una biopila 20 presentada en el ejemplo 5 así como una vista frontal de la misma, y a la izquierda, una vista en sección.
La figura 12 representa las curvas de polarización y de potencia de la biopila según el ejemplo 4 en t=0, t=7 días y t= 1 mes para una solución de glucosa 150 mM.
La Figura 13 muestra la producción de energía por descarga continua a 6 kü en pWh con respecto al tiempo (minutos) y el consumo total de glucosa para una solución de glucosa 150 mM para la biopila del Ejemplo 4. La figura 14 muestra las curvas de polarización y de potencia de la biopila descrita en el ejemplo 5 y en la figura 11 para una solución de glucosa 150 mM.
La figura 15 representa las curvas de polarización y de potencia de la biopila descrita en el ejemplo 6 para una solución de glucosa 150 mM.
Ejemplos
Reactivos:
La glucosa oxidasa tipo VII (GOx) de Aspergillus niger (abril de 2018: n°. CE: 1.1.3.4, n°. CAS: 9001-37-0, peso molecular: 160 kDa (filtración en gel), > 100.000 unidades/g) proviene de Sigma-Aldrich (código de producto G2133).
La catalasa de hígado bovino (abril de 2018: n°. CE: 1.11.1.6, n°. CAS: 9001-05-2, peso molecular 250 kDa, 2000 a 5000 unidades/mg) también proviene de Sigma-Aldrich Co. (código de producto C1345).
La bilirrubina oxidasa (BOD) de Myrothecium Verrucaria (Abril de 2018 CE No. 1.3.3.5, N °CAS: 80619-01-8, 15-65 unidades/mg) se obtuvo de la sociedad Sigma Aldrich (código de producto B0390).
La protoporfirina IX con una pureza del 95 % también es de Sigma-Aldrich Co. (código de producto P8293).
La glucosa deshidrogenasa dependiente de dinucleótido de flavina y adenina (FAD-GDH, 11580 unidades/mg de sólido (una unidad de actividad: cantidad de enzima que convertirá un micromol de glucosa (p-dextrosa) por minuto a 37 °C.)) de Aspergillus sp. (abril de 2018: N.° EC 1.1.5.9) proviene de la sociedad SEKISUI.
Se adquirieron nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) de la sociedad Nanocyl (pureza >95 %, diámetro 10 nm, longitud 1,5 μm).
El negro de carbono de la marca VULCAN® XC72R se adquirió de la sociedad CABOT Corporation.
La capa de difusión de gas microporosa (GDL) colectora de corriente se adquirió de la sociedad Paxitech. Está constituida de una malla estrecha de fibras de carbono en forma de fieltro de carbono y tiene un grosor de 210 μm, una resistividad de paso de 8 m ücm 2 y una permeabilidad de paso al aire de 70 segundos.
El papel poroso utilizado como almohadilla es un papel secante supergrueso (calidad 707) adquirido de VWR con la referencia 732-0604. Este es un papel secante 100 % de algodón, sin aditivos, y elaborado con agua Ultrapura. Su textura es suave y regular y su estructura homogénea. Su densidad superficial es de 703 g/m2 para un grosor de 2,6 mm. Sus características técnicas dadas son un tiempo de filtración (según Herzberg) de 120s/100ml (con una columna de agua de 100 mm) así como una subida de 75 mm en 96 segundos según el test de Klemm (tasa de penetración capilar).
La lámina de celulosa de 140 μm de grosor utilizada es del tipo Whatman (qualitative filter paper for technical use,
Grade 0903) distribuido por Sigma Aldrich (ref WHA10334885).
La película protectora es una lámina adhesiva de tejido o película de vidrio impregnado de PTFE (TISOFLON 3 AD; sociedad ISOFLON) con un grosor de 70 |jm y con una tasa de impregnación de PTFE del 61 % en peso. La superficie adhesiva de esta película está recubierta con una lámina protectora de PTFE (Teflon™). Esta película está recubierta con una lámina protectora de teflón que puede servir como marco de mantenimiento o plantilla para las pastillas bioanódicas y/o biocatódicas según la invención.
Las enzimas se almacenaron a -20 °C. El agua destilada se obtuvo por purificación del agua hasta una resistividad de 15 MQ x cm utilizando un sistema Millipore Ultrapure™. El oxígeno y el argón de alta pureza provienen de la sociedad MESSER. Se permitió que las soluciones de glucosa se transformaran durante la noche en p-D-glucosa antes de su uso. Todos los demás reactivos, incluida la 1,4-naftoquinona provienen de la sociedad Sigma-Aldrich Inc.
Para la caracterización electroquímica de la celda de biocombustible, el ánodo se configuró como electrodo de trabajo mientras que el cátodo se conectó como electrodo de referencia. Todos los experimentos se realizaron con una solución de glucosa de 5 (cercana a la concentración de ciertos fluidos biológicos) o 150 mmol L-1 en Mcllvaine o tampón fosfato, a pH 7. La solución se depositó en un cuentagotas en el borde del depósito al menos en uno que no esté completamente recubierto con revestimiento aislante. La celda de biocombustible se conectó a un potenciostato multicanal Biologic® VMP3 que ejecutaba el software EC-lab 10.39. Las curvas de polarización y de potencia se registraron después de una descarga de 30 segundos. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente (aprox. 20 °C).
Los biocátodos y bioánodos ejemplificados a continuación son sólidos en forma de discos comprimidos.
Ejemplo 1 (pastillas insertadas en una lámina porosa)
Para el biocátodo, los nanotubos de carbono (MWCNT) se mezclaron con protoporfirina IX en presencia de DMF (Dimetilformamida) y a continuación se calentaron a 80 °C durante aproximadamente 12 horas. La protoporfirina IX promueve la orientación de las proteínas enzimáticas con respecto a los nanotubos. Los nanotubos así funcionalizados fueron enjuagados y filtrados varias veces con agua destilada. Se molieron 35 mg de MWCNT funcionalizados con protoporfirina IX en presencia de 15 mg de BOD y 100 j l de agua destilada.
Para un bioánodo, 35 mg de MWCNT, 15 mg de GOx, 10 mg de catalasa de hígado bovino y 5 mg de 1,4-naftoquinona se molieron con 100 j l de agua destilada. Para otro bioánodo a base de FAD-GDH, 35 mg de MWCNT funcionalizados, 15 mg de FAD-GDH y 5 mg de 1,4-naftoquinona se molieron con 100 j l de agua destilada.
A continuación, cada pasta homogénea se comprime respectivamente en una lengüeta GDL de contacto eléctrico utilizando una prensa hidráulica para obtener una pastilla de 1 cm de diámetro y 2 mm de grosor. En este caso, esta lengüeta de g Dl 9 o 9' sirve tanto de colector de corriente como de soporte para la compresión de la pasta de carbono.
Se practican orificios de dimensiones y formas correspondientes a las de las pastillas anódicas y catódicas en una almohadilla (una lámina de papel secante) de 2,6 mm de grosor y 25 mm x 25 mm de tamaño. Cada almohadilla, o "pad", servirá como marco para una pastilla. A continuación, se ensambla el dispositivo de biopila: cada una de las combinaciones de pastilla/lengüeta producidas se coloca dentro de las aberturas de las almohadillas por detrás de ellas para colocar las lengüetas de GDL en el exterior y sobresaliendo con respecto a su respectiva almohadilla. Se constituyen así un bioánodo y un biocátodo. Entre el bioánodo y el biocátodo se coloca una fina lámina de celulosa Whatman que sirve de aislamiento eléctrico. Este conjunto constituye la base de la celda electroquímica. La figura 1 es una vista semiexplosionada de dicho dispositivo. Una pastilla enzimática 5, o bioánodo, que comprende GOx o FAD-GDH, se coloca en el depósito de combustible 3, la lengüeta de GDL 9 sobresaliendo en la parte trasera. Simétricamente, una pastilla enzimática 7, o biocátodo, que comprende BOD se coloca en una almohadilla 3', la lengüeta de GDL 9' sobresaliendo también por la parte trasera del mismo. La lámina porosa de aislamiento eléctrico 8 se coloca entre el bioánodo 5 y el biocátodo 7 y su respectivo marco 3 y 3'.
A continuación, este dispositivo se envuelve con una película protectora adhesiva de tejido de vidrio y PTFE de un grosor de 70 jm (no representado) que recubre la parte trasera de los dos electrodos. Las porciones de las lengüetas de GDL sobresalientes no están sustancialmente recubiertas con esta película protectora. Adicionalmente, 4 orificios de 2 mm de diámetro realizados en la película protectora están posicionados en la parte posterior del biocátodo y permiten la difusión del oxígeno del aire al interior del dispositivo y su puesta a disposición para el biocátodo 7.
Las figuras 2 y 3 representan las curvas de polarización y de potencia de las biopilas GOx (Figura 2) y FAD-GDH (Figura 3). Las potencias obtenidas en el caso de la FAD-GDH (0,38 mW) son superiores a las potencias obtenidas en el caso de la GOx (0,27 mW). Esto se debe a que la FAD-GDH es más activa que la GOx y que no genera H2O2 como coproducto. En efecto, H2O2 puede aumentar la inestabilidad de la pila e inhibir la actividad de la enzima BOD en el cátodo.
Ejemplo 2: Apilamiento ("stack")
Un stack/apilamiento de 3 celdas con biocátodo/ánodo FAD-GOX/BOD se representa esquemáticamente (no se representan las lengüetas de GDL) en la Figura 3 y la Figura 4. Este apilamiento se hizo dejando que sobresalieran sólo las lengüetas exteriores para cerrar el circuito. Una vez yuxtapuestas las celdas, el apilamiento se cubrió con una película adhesiva de tejido de fibra de vidrio y PTFE de la misma manera que el dispositivo del ejemplo 1.
Este ejemplo muestra la facilidad de apilamiento de estas pilas, de 0,27 mW y 0,62 V de f.e.m. para una sola pila a 0,82 mW y 1,7 V de f.e.m. para un apilamiento de 3 pilas con una almohadilla empapada en una solución de glucosa de 5 mM (Figura 4). Una solución concentrada de glucosa (150 mM) da acceso a altas potencias de 2,2 mW (Figura 5). Las Figuras 4 y 5 muestran el efecto de estas dos concentraciones de glucosa diferentes sobre el rendimiento obtenido.
Ejemplo 3: Biopila FAD-GDH/BOD que utiliza un soporte de negro de carbono
Con el fin de superar los problemas que pueden estar relacionados con los nanotubos de carbono en términos de acceso a muestras comerciales o por su sospecha de toxicidad, los MWCNT han sido reemplazados por negro de carbono, ya se utiliza en muchos productos comerciales.
Las pastillas enzimáticas se obtienen usando el mismo procedimiento que el Ejemplo 1 pero reemplazando los MWCNT con negro de carbono (Vulcan®). A continuación, se fabrica una biopila de 1 celda utilizando también el procedimiento del Ejemplo 1. La figura 6 representa las curvas de polarización y de potencia de esta biopila FAD-GDH sobre Carbono Vulcan® obtenida al ponerse en contacto con una solución de glucosa 150 mM.
La figura 7 representa las curvas de polarización y de potencia de la biopila FAD-GDH sobre MWCNT del ejemplo 1 cuando se pone en contacto con una solución de glucosa de la misma concentración (150 mM). Las potencias emitidas por las pilas a base de MWCNTs y carbono Vulcan (negro de carbono) son respectivamente de 1,3 y 1,2 mW para una recarga de glucosa de 150 mM (en aproximadamente 0,5 ml). Los dos materiales dan acceso a potencias similares y, por lo tanto, ambos pueden utilizarse en función de las limitaciones técnicas y ambientales necesarias para la fabricación de estas pilas.
La Figura 8 muestra la producción de energía por descarga continua a 6 kü en jW .h con respecto al tiempo (minutos) y consumo total de glucosa para almohadillas empapadas en glucosa a 5 mM y 150 mM para la biopila del ejemplo 3 (negro de carbono). La figura 9 muestra la producción de energía por descarga continua a 6 kü en jW h con respecto al tiempo (minutos) y el consumo total de glucosa para almohadillas empapadas en glucosa 150 mM para la biopila del ejemplo 3 (negro de carbono) y la del ejemplo 1 FAD-GDH/ BOD en MWc NT.
Los mejores rendimientos se obtienen para la pila a base de MWCNTs que permite generar 400 jW h tras una descarga continua que consume la totalidad de los 150 mM de glucosa disponible.
Ejemplo 4: Biopila de un solo depósito
La figura 10 incluye un diagrama de la estructura de una biopila 10 según este ejemplo particular.
Para el biocátodo, se molieron 8,75 mg de MWCNT funcionalizados con protoporfirina IX como se describe en el ejemplo 1 en presencia de 3,75 mg de BOD y 25 j l de agua destilada. Para el bioánodo, 8,75 mg de MWCNT, 3,75 mg de GOx, 2,5 mg de catalasa de hígado bovino y 1,25 mg de 1,4-naftoquinona se molieron con 25 j l de agua destilada. Cada pastilla 15 y 17 se forma in situ sobre un marco que comprende una lámina de PTFE 12 o 12' que tiene un grosor de 0,25 mm y perforada con un orificio circular de 1 cm de diámetro. Esta plantilla se coloca sobre un soporte formado por una lámina adhesiva de fibra de vidrio y PTFE 11 u 11' de 70 jm de grosor. Se coloca una lengüeta de GDL 19 o 19' frente al orificio circular de la lámina de PTFE 12 o 12' entre el orificio circular y la lámina adhesiva 11 u 11'. Esta lámina 11 y 11' no se representa en la vista explosionada. Una cantidad suficiente de cada pasta homogénea de bioánodo o de biocátodo (una cantidad de aproximadamente 12 mg por pastilla permite llenar una plantilla) se coloca en el orificio y se comprime directamente sobre el soporte mediante una prensa. Esto permite obtener pastillas de 1 cm de diámetro y 0,25 mm de grosor. Estas pastillas sobre un soporte formadas in situ se pueden usar a continuación como bioánodos y biocátodos.
La lámina adhesiva 11' del biocátodo está perforada con 4 orificios 14 de 2 mm de diámetro para permitir la difusión del oxígeno del aire al biocátodo. Aunque la lámina adhesiva de revestimiento 11 u 11' no se representa en la vista explosionada de la Figura 10, allí se indican las posiciones que adoptarían los orificios. Las dimensiones de la lámina de PTFE que sirve como marco 12 o 12' son de aproximadamente 20 mm x 20 mm. Las láminas de soporte exterior 11 y 11' que sirven de protección son de mayores dimensiones y permiten, por contacto de sus caras adhesivas enfrentadas, fijar o unir los elementos del dispositivo. Estando sus caras adhesivas cara a cara, pueden unirse entre sí y asegurar la biopila en algunos de sus lados. Un ejemplo de esta variante se muestra en una fotografía enmarcada en la Figura 10. Podemos observar la lámina exterior flexible 11' perforada con orificios 14 y extendiéndose lateralmente de derecha a izquierda para cubrir y adherirse a las partes simétricas de la lámina 11 que se superponen entre sí. Una moneda de 10 céntimos de euro permite visualizar el tamaño de la biopila obtenida.
A continuación, se coloca entre el bioánodo 15 y el biocátodo 17 una lámina de papel secante grueso 13 (como se usa en los ejemplos anteriores) sustancialmente del mismo tamaño que la lámina de PTFE que sirve como marco. Las lengüetas de g Dl 19 y 19' sirven tanto de colector de corriente como de soporte para las pastillas 15 o 17.
Por lo tanto, una lengüeta de GDL 19 se coloca frente a la pastilla anódica 15, y una lengüeta de GDL 19' también se coloca frente a la pastilla catódica 17. Estas dos lengüetas 19 y 19' sobresalen con respecto a su respectivo soporte 12 y 12'. Se colocan entre el marco de PTFE de 12 o 12' y la lámina exterior de soporte 11 u 11'. Estas lengüetas 19 y 19' sirven tanto de colector de corriente como de soporte para la pastilla asociada a las mismas y permiten conectar el dispositivo a un receptor eléctrico. En la vista frontal de la biopila 10, las lengüetas 19 y 19' sobresalen en lados opuestos del dispositivo según la invención, mientras que en la vista explosionada estas lengüetas 19 y 19' se representan sobresaliendo del mismo lado. Ambas disposiciones son posibles.
Cualquiera que sea la forma final particular de una biopila según la invención, incluye un pasaje que permite el acceso del combustible a base de glucosa a la almohadilla 13. Aquí, la solución de glucosa se añade inyectando una solución de glucosa con una jeringa.
La Figura 12 muestra que la biopila mantiene su rendimiento ya sea que se mida después de una semana o de 1 mes. La Figura 13 confirma que al probar la descarga de la biopila, también conserva el 100 % de su rendimiento, ya sea que se inicie después de una semana o de un mes. Esto valida la capacidad de la biopila para alimentar un dispositivo al menos 1 mes después de su fabricación sin pérdida de rendimiento.
Ejemplo 5 biopilas de pastillas en serie
La Figura 11 incluye un esquema de la estructura de una biopila 20 según este ejemplo particular.
Las pastillas anódicas y catódicas utilizadas son del mismo tipo que las utilizadas para el dispositivo del ejemplo 4.
Cuatro pastillas, dos anódicas 25 y 35, y dos catódicas 27 y 37 están dispuestas sobre la superficie adhesiva de una primera lámina adhesiva de fibra de vidrio y PTFE 31 y en cuatro aberturas circulares de un marco de PTFE 32 de dimensiones 35 mm x 35 mm. Estas láminas son de idénticos materiales y grosores a los descritos en el ejemplo 4. Las cuatro pastillas están colocadas en un cuadrilátero y cada pastilla anódica 25 y 35 está dispuesta en diagonal entre sí, así como las pastillas catódicas 27 y 37.
Otra serie de cuatro pastillas en un marco de PTFE de 32 'se colocan en una segunda lámina de fibra y PTFE de 31'. En el segundo marco 32', las 4 pastillas se alternan en una disposición simétrica: dos pastillas anódicas 45 y 55, y dos pastillas catódicas 47 y 57, cada una en diagonal entre sí.
La serialización de las celdas electroquímicas se logra mediante el uso de lengüetas de GDL 29, 29' y 29" colocadas entre la lámina exterior adhesiva 31 y el marco de PTFE 32 y las lengüetas 39 y 39' situadas entre la lámina exterior adhesiva 31' y el marco de PTFE 32'. Cabe señalar que en el diagrama despiezado de la figura 11, la posición de las lengüetas en el marco de PTFE 32 se ve por transparencia: las lengüetas están de hecho colocadas detrás de la cara del marco representado. Esto se hace para poder apreciar el respectivo posicionamiento de las lengüetas. Su posición relativa se explica mejor en la vista en sección asociada. En el marco de PTFE de 32', la lengüeta 39 colocada horizontalmente entre las pastillas 45 y 57 permite conectar la celda electroquímica formada por el ánodo 45 y el cátodo 27 a la constituida por el ánodo 35 y el cátodo 57. Del mismo modo, la lengüeta 29" colocada verticalmente entre las pastillas 35 y 37 permite conectar la celda constituida por el ánodo 35 y el cátodo 57 con la constituida por el ánodo 55 y el cátodo 37. La lengüeta 39' colocada horizontalmente entre las pastillas 55 y 47 permite conectar la celda constituida por el ánodo 55 y el cátodo 37 a la constituida por el ánodo 25 y el cátodo 47. Las lengüetas 29 y 29', respectivamente en contacto con el cátodo 27 y el ánodo 25 se proyectan al exterior del circuito en direcciones opuestas y permiten la conexión del dispositivo a un receptor eléctrico (no representado).
Como en el ejemplo 4, las pastillas se forman por compresión in situ añadiendo una cantidad de pasta en los orificios circulares de 10 mm de diámetro preformados en el marco 32 o 32'. Las lengüetas 29, 29', 29", 39 y 39' se colocan previamente entre la lámina de fibra de vidrio y PTFE 31 y 31' que sirve de soporte y el marco de PTFe 32 y 32'.
Se realizan series de 4 orificios 24 de 2 mm de diámetro sobre las láminas de soporte de fibra de vidrio y PTFE 31 y 31' en la parte posterior de cada uno de los 4 biocátodos 27, 37, 47 y 57 (y de la porción de lengüetas GDL correspondientes) y permiten la difusión del oxígeno del aire al biocátodo. La posición de esta serie de aberturas 24 también está indicada en la vista explosionada parcial del dispositivo 20 aunque las aberturas están realizadas en las láminas 31 y 31', no representadas en la vista explosionada parcial.
Un depósito, o almohadilla, de 3 mm de grosor y sustancialmente del mismo tamaño, o un poco inferior, que la de los marcos de PTFE 32 y 32' se interpone entre las dos láminas que portan los marcos de PTFE 31 y 31', las pastillas 27, 35, 37, 25 y 45, 57, 55, 47, y que portan las lengüetas 29, 29' y 29". Esta almohadilla 23 está directamente en contacto con una cara de las pastillas 27, 35, 37, 25, 45, 57, 55 y 47. Esta almohadilla está hecha de papel secante grueso del
mismo tipo que el descrito anteriormente en el ejemplo 4.
Las láminas de revestimiento exterior 31 y 31' que sirven de protección y de soporte son de dimensiones mayores que el marco de PTFE y por lo tanto sobresalen de estos marcos 32 y 32'. Así estas láminas 31 y 31' permiten, por contacto de sus superficies adhesivas enfrentadas asegurar, o unir, los elementos del dispositivo. Sus caras adhesivas una frente a la otra, pueden unirse entre sí y asegurar la biopila en algunos de sus lados. Un ejemplo de esta variante es el objeto de la vista frontal de la figura 20. Se puede ver allí la lámina exterior flexible 31' perforada con series de orificios 14 cuyos bordes se extienden lateralmente hacia la derecha y hacia la izquierda para cubrir y adherirse a las partes simétricas de la lámina 31 por superposición entre sí.
Los marcos 32 y 32' se colocan cara a cara de manera que cada pastilla anódica 25, 35 colocada sobre una primera lámina 32 se enfrente a una pastilla catódica 47 y 57 colocada sobre la otra lámina de PTFE 32. Del mismo modo, cada pastilla anódica 27, 37 colocada sobre la primera lámina de PTFE 32 se enfrenta a una pastilla catódica 45 y 55 colocada sobre la otra lámina de PTFE 32'. El depósito 23, de lámina de papel secante grueso del mismo tamaño que las láminas de PTFE 32 y 32' se coloca entre las mismas. El dispositivo 30 se obtiene entonces poniendo en contacto las láminas de revestimiento exterior 31 y 31' entre sí.
Ejemplo 6: Comparación de las biopilas de pastillas en serie del ejemplo anterior con una sola pastilla
Se produjo una biopila 40 según la invención para comparar la eficacia del dispositivo en serie descrito en el ejemplo 5 con una biopila del mismo tipo pero que comprende solo un par de pastillas, y no 4, montadas en serie, con la misma cantidad de material. Se ha realizado una biopila que comprende un par de pastillas circulares bioanódicas y biocatódicas, idénticas al ejemplo 5 en todos los aspectos, a excepción de sus diámetros. El diámetro de las pastillas es de 20 mm.
La figura 14 representa las curvas de polarización y de potencia de la biopila de pastilla de 20 mm. La figura muestra que si se aumenta el tamaño de las pastillas por dos, se obtiene una potencia multiplicada por dos aproximadamente. La figura 15 representa las curvas de polarización y de potencia de la biopila descrita en el ejemplo 5. Muestra que si dos biopilas se ponen en serie en el mismo dispositivo, se aumenta la f.e.m y la potencia de la pila por dos.
Claims (10)
1. Una biopila (1, 10, 20) con un depósito de biocombustible, estando destinada dicha biopila (1, 10, 20) a ser puesta en contacto con un medio líquido, comprendiendo dicho medio líquido opcionalmente un biocombustible, y con un medio fluido que comprende un oxidante, comprendiendo dicha biopila una primera celda electroquímica, comprendiendo dicha primera celda electroquímica:
- un ánodo (5, 15, 25, 35, 45, 55) constituido por un aglomerado sólido que comprende un material conductor mezclado con una primera enzima capaz de catalizar la oxidación del biocombustible; y
- un cátodo (7, 17, 27, 37, 47, 57) constituido por un aglomerado sólido que comprende un material conductor mezclado con una segunda enzima capaz de catalizar la reducción del oxidante, y
- una membrana separadora y porosa (3, 3', 8, 13, 23), eléctricamente aislante, y permeable a dicho medio líquido, colocada entre el ánodo (5, 15, 25, 35, 45, 55) y el cátodo (7, 17, 27, 37, 47, 57),
- comprendiendo dicha biopila, además, medios de puesta en circuito eléctrico (9, 9', 19, 19', 29, 29', 29", 39, 39') de dicha biopila con un receptor eléctrico, permitiendo dichos medios de puesta en circuito eléctrico que la corriente circule desde el cátodo (7, 17, 27, 37, 47, 57) hacia el ánodo (5, 15, 25, 35, 45, 55);
estando dicha biopila (1, 10, 20) caracterizada por que comprende un medio de almacenamiento del biocombustible (3, 3', 13, 23) y de puesta a disposición en el ánodo (5, 15, 25, 35, 45 y 55) del medio líquido, comprendiendo dicho medio un material poroso hidrófilo en contacto con dicho ánodo (5, 15, 25, 35, 45 y 55) y que tiene una densidad superficial de 500 a 900 g/m2
2. La biopila (1, 10, 30) según la reivindicación 1, en donde dicho medio de almacenamiento de biocombustible (3, 3', 13, 23) tiene un grosor de 1 cm a 0,1 mm.
3. La biopila (1, 10, 30) según la reivindicación 1 o 2, en donde dicho material poroso hidrófilo se basa en celulosa.
4. La biopila (1, 10, 30) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicho medio de almacenamiento del biocombustible y de puesta a disposición del líquido (13 y 23) es también dicha membrana (13 y 23) separadora y porosa, eléctricamente aislante y permeable al medio líquido.
5. La biopila (1, 10, 30) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dichos medios de puesta en circuito del dispositivo comprenden una lengüeta de grafito pirolítico.
6. La biopila (1, 10, 30) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicho ánodo (5, 15, 25, 35, 45 y 55) tiene forma de pastilla.
7. La biopila (1, 10, 30) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dicho ánodo se mantiene en un marco, dicho marco siendo sea dicho medio de almacenamiento del biocombustible y de puesta en disposición del medio líquido (3, 3', 13 y 23), sea un material eléctricamente aislante como PTFE.
8. La biopila (1, 10, 30) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde dicha biopila comprende un revestimiento exterior, preferentemente flexible y aislante, que comprende aberturas colocadas y dimensionadas para permitir el acceso de un líquido al ánodo y/o de un gas al cátodo.
9. La biopila (1, 10, 30) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y que comprende, además, un medio líquido acuoso, comprendiendo opcionalmente dicho líquido un biocombustible.
10. Uso de una biopila según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, para generar una corriente eléctrica.
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Family Cites Families (13)
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|---|---|---|---|---|
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| CN101573816A (zh) * | 2007-01-05 | 2009-11-04 | 埃克民公司 | 生物阳极和生物阴极堆叠组件 |
| KR20110081170A (ko) * | 2008-10-06 | 2011-07-13 | 소니 주식회사 | 연료 전지 및 효소 전극 |
| US8642308B1 (en) * | 2010-07-07 | 2014-02-04 | Stc.Unm | Biofuel cell electrocatalysts utilizing enzyme-carbon nanotube adducts |
| CN108086041B (zh) * | 2011-01-04 | 2021-06-01 | 帝人芳纶有限公司 | 包含微丝的纸 |
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| CN104054202A (zh) * | 2011-11-02 | 2014-09-17 | 索尼公司 | 生物燃料电池、生物燃料电池的制造方法、电子设备、酶固定电极、酶固定电极的制造方法、用于制造酶固定电极的电极、用于制造酶固定电极的电极的制造方法和利用酶反应的设备 |
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