IT202100003038A1 - Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: ?Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico?
La presente invenzione ? relativa ad un generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico.
Come ? noto, esistono pile a combustibile microbiologiche (microbial fuel cell, MFC) o pile a combustibile biologica che sono dei sistemi bioelettrochimici che generano corrente imitando le interazioni batteriche che si trovano in natura. I microorganismi catabolizzano composti come il glucosio , l'acetato, il butirrato o le acque reflue. Gli elettroni ottenuti con questa ossidazione vengono trasferiti su di un anodo, dal quale passano attraverso un circuito elettrico prima di arrivare al catodo. Da qui vengono trasferiti a un accettore di elettroni ad alto potenziale come l'ossigeno. Mentre la corrente scorre grazie alla differenza di potenziale, la potenza viene generata direttamente dal biocarburante tramite l'attivit? catalitica dei batteri.
Una pila a combustibile microbiologica converte l'energia chimica in energia elettrica mediante la reazione catalitica di microorganismi. Una pila microbiologica tipica ? costituita da due compartimenti, uno che racchiude l'anodo e l'altro il catodo, uniti da una membrana semipermeabile che permette unicamente il passaggio dei cationi. Nel compartimento dell'anodo, privo di ossigeno, il carburante viene ossidato dai microorganismi, liberando elettroni e cationi. I cationi viaggiano al catodo attraversando la membrana, mentre gli elettroni vi giungono mediante un circuito elettrico esterno alla pila; elettroni e cationi vengono quindi ricombinati con ossigeno nel compartimento del catodo, formando acqua. I batteri nelle pile a combustibile biologiche si alimentano di glucosio e metanolo ottenuti dagli scarti di cibo e li convertono in idrogeno (anche acque reflue e persino l'urina pura possono servire a questo proposito). In generale esistono due tipi di pile a combustibile microbiologiche, senza mediatore di trasferimento di elettroni che usano batteri attivi elettrochimicamente per trasferire gli elettroni all'elettrodo e e con mediatore di traferimento di elettroni.
Con particolare riferimento alle pile a combustibile microbiologiche con mediatore di trasferimento di elettroni, ? noto che la maggior parte delle cellule microbiologiche sono elettrochimicamente inattive. Pertanto, il trasferimento di elettroni da tali cellule all'elettrodo anodo ? facilitato da mediatori come la tionina, il paraquat, il blu di metilene, l'acido umico, il rosso toluilene e altre sostanze, la maggior parte delle quali sono, per?, costose e tossiche.
Inoltre, quando i microorganismi consumano un substrato come lo zucchero in condizioni aerobiche, producono anidride carbonica e acqua. Tuttavia, quando l'ossigeno non ? presente, essi producono anidride carbonica, protoni ed elettroni. Le pile microbiologiche usano mediatori inorganici per entrare nella catena di trasporto degli elettroni tra le cellule e per "rubare" quelli che vengono prodotti. Il mediatore attraversa le membrane esterne di lipidi e il muro di plasma; comincia poi a liberare gli elettroni dalla loro catena di trasporto che sarebbe normalmente occupata dall'ossigeno o altri intermediari. Il mediatore, ora ridotto, esce dalla cellula carico di elettroni che vengono portati a un elettrodo dove vengono depositati; questo elettrodo diventa l'anodo elettro-generatore (l'elettrodo negativo). Il rilascio degli elettroni riporta il mediatore nel precedente stato ossidato, pronto a ripetere il processo; ? importante notare che il processo pu? avvenire soltanto in condizioni anaerobiche poich?, se fosse presente l'ossigeno, esso raccoglierebbe tutti gli elettroni a causa della sua maggiore elettronegativit? rispetto al mediatore. Questo ? il principio per la generazione di un flusso di elettroni dalla maggior parte dei microorganismi. Per trasformare questo flusso in un generatore elettrico usabile, il processo deve essere ospitato in una pila a combustibile. Inoltre, ? necessario creare un circuito elettrico completo, non basta portare gli elettroni in un punto singolo.
Nel secondo compartimento della pila vi ? un'altra soluzione e un altro elettrodo. Questo elettrodo, chiamato catodo, ? carico positivamente ed ? equivalente al pozzo di ossigeno alla fine della catena di trasporto degli elettroni, solo che ? esterno alla cellula biologica. La soluzione ? un agente ossidante che raccoglie gli elettroni al catodo. A collegare i due elettrodi vi ? un filo (o un qualsiasi altro sentiero conduttivo che potrebbe includere un qualche strumento elettrico, come una lampadina), e a completare il circuito collegando i due comparti vi ? un ponte salino o una membrana che permette lo scambio di ioni. Quest'ultima caratteristica permette ai protoni prodotti, come descritto nell'equazione pi? sopra, di passare dal comparto dell'anodo a quello del catodo. Il mediatore ridotto porta gli elettroni dalle cellule all'elettrodo; da qui il mediatore si ossida mentre deposita gli elettroni. Questi poi scorrono attraverso il filo verso il secondo elettrodo, che funziona come un collegamento a terra; da qui poi passano in un materiale ossidante.
Una soluzione nota ? riportata nella domanda di brevetto US2011136022A1 che descrive una cella a combustibile e un relativo metodo di produzione in cui uno o pi? tipi di enzimi o ulteriori coenzimi sono racchiusi in un micro spazio in modo che gli elettroni possano essere estratti in modo efficiente da un combustibile come il glucosio, o simili, mediante una reazione enzimatica utilizzando il micro spazio come campo di reazione, producendo cos? energia elettrica, e in cui l'enzima, o ulteriormente il coenzima, possono essere facilmente immobilizzati su un elettrodo. Due enzimi e un coenzima necessario per una reazione enzimatica sono racchiusi in un liposoma che si trova immobilizzato su una superficie di un elettrodo composto di carbonio poroso o simile per formare un elettrodo immobilizzato da enzimi. Un antibiotico ? legato a una membrana lipidica bimolecolare che costituisce il liposoma per formare uno o pi? pori permeabili al glucosio. L'elettrodo immobilizzato con enzima viene utilizzato, ad esempio, come elettrodo negativo di una cella a biocarburante. In particolare, la soluzione presenta un metodo complesso poli-ionico in cui un polimero caricato positivamente e un polimero caricato negativamente vengono miscelati con un enzima in un rapporto appropriato e applicati a un elettrodo composto di carbonio poroso per stabilizzare una membrana di immobilizzazione mantenendo l'adesione all'elettrodo.
Tuttavia, il metodo di immobilizzazione sopra descritto che utilizza un complesso poli-ionico dipende in gran parte dalle propriet? fisico-chimiche di un enzima, in particolare dalla carica elettrica, e soffre, quindi, del problema che uno stato di immobilizzazione cambi con i cambiamenti in una soluzione esterna o nell?ambiente operativo, provocando cos? facilmente l'elusione dell'enzima immobilizzato e simili. Quando un enzima racchiuso nel liposoma ? considerato un biocatalizzatore, la velocit? di reazione ? bassa perch? la velocit? di permeazione di un substrato a una membrana lipidica bimolecolare (doppio strato lipidico) che costituisce il liposoma ? limitata. Tale problema viene risolto formando un poro permeabile al glucosio nella membrana lipidica bimolecolare che costituisce il liposoma.
Tale cella e metodo di produzione di energia, per?, soffrono del limite di dover gestire la sintesi delle micelle, processo che difficilmente ? inseribile all?interno di line di produzioni industriali essendo questo un processo il cui prodotto non ? completamente prevedibile nella quantit? e nella qualit? delle stesse (micelle)sintetizzate. Impiegando le micelle, inoltre, non risulta possibile stabilire in modo fine la quantit? di enzimi coenzimi e reagenti che saranno presenti. L?impossibilit? di stabilire quanto componenti di una reazione siano presenti in una micella (e quindi nella loro pluralit?) pu? rendere inefficiente e difficilmente controllabile la reazione. Le difficolt? di produrre a livello industriale le celle descritte nella domanda di brevetto US2011136022A1 deriva dall?evidente impossibilit? di produrre micelle che contengano al loro interno le medesime molecole nel medesimo quantitativo, questo ineluttabile dato porter? ad avere celle la cui resa non ? standardizzabile.
Scopo della presente invenzione ? fornire un generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico in grado di stabilire la concentrazione precisa di ogni elemento che partecipa alla reazione e rendere efficiente la reazione stessa, avente, quindi, caratteristiche tali da superare i limiti degli attuali generatori elettrici biochimici noti.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una reazione chimica su cui ? basato un generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico, secondo l?invenzione;
- la figura 2 mostra una vista schematica di un generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico, secondo l?invenzione.
Con riferimento a tale figura 1, ? mostrata la reazione su cui ? basato un generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico, secondo l?invenzione.
Il generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo l?invenzione ? costituito da una cella a combustibile con uno o pi? tipi di enzimi o ulteriori coenzimi che interagiscono in modo che gli elettroni possano essere estratti in modo efficiente da una molecola di nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), una biomolecola il cui ruolo biologico consiste nel trasferire gli elettroni, quindi nel permettere le ossidoriduzioni, producendo cos? energia elettrica.
Secondo un aspetto dell?invenzione, la molecola di NADH viene sintetizzata da un combustibile come il glucosio o simili mediante una reazione enzimatica, in una generica ossidasi (variabile in base alla molecola impiegata come combustibile per produrre NADH) che decompone una molecola di combustibile, ad esempio la molecola glucosio 1-deidrogenasi (ADH), ponendola all?interno di bioreattori in condizioni controllate.
Secondo un altro aspetto dell?invenzione, l?enzima diaforasi (Di - NAD deidrogenasi) viene fatto legare ad anticorpi monoclonali immobilizzati a loro volta su un substrato microforato. In particolare, le componenti enzimatiche del generatore, secondo l?invenzione, possono essere legate ad anticorpi monoclonali in prossimit? dell?elettrodo.
Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, il generatore prevede che si crei uno spazio virtuale estremamente ridotto tra l?elettrodo e l?enzima diaforasi (Di - NAD deidrogenasi) legato al substrato microforato mediante un anticorpo monoclonale.
Secondo un aspetto dell?invenzione, il substrato microforato ? costituito da PVC (polivinilcloruro) o nitrato di cellulosa o da qualsiasi materiale che permetta l?immobilizzazione di anticorpi monoclonali.
Vantaggiosamente secondo l?invenzione, il fatto che gli enzimi siano legati garantisce oltre che un?ottima interazione (per la prossimit? a cui sono poste le molecole) anche la possibilit? di determinare con precisione la quantit? di enzimi e coenzimi che prendono parte alla stessa. Inoltre il processo di sintesi si presta all?inserimento all?interno di un sistema di produzione industriale essendo in tutte le fasi prevedibile la resa in termini di quantit? e qualit? sia dei prodotti intermedi di lavorazione sia del prodotto finito, ulteriore vantaggio ? la possibilit? di ottenere attraverso il processo di sintesi prodotti (celle) standardizzabili in termini di resa elettrica.
Per chiarire il funzionamento del generatore elettrico biochimico secondo l?invenzione, bisogna ricordare che, a partire da una molecola, detta antigene, ? quasi sempre possibile produrre degli anticorpi specifici che la riconoscano, legandovisi. Gli anticorpi policlonali sono un insieme di anticorpi, prodotti da diversi cloni di cellule B, che riconoscono ognuno un epitopo (un pezzo) di una data molecola differente. Gli anticorpi monoclonali, invece, riconoscono tutti un solo epitopo o pezzo di una data molecola. Il vantaggio di questo comportamento ? che render possibile ottenere un comportamento prevedibile. Poich?, infatti, gli anticorpi monoclonali legano tutti un solo epitopo, permette di determinare un unico sito di legame e di direzionare la molecola nella fase di inserimento nella membrana. Nel generatore elettrico secondo l?invenzione, gli anticorpi monoclonali legheranno in maniera specifica e precisa un epitopo prestabilito permettendo, cos?, alla molecola/ enzima di poter svolgere la sua attivit?, mentre se l?anticorpo legasse la molecola enzima in una porzione detta sito attivo renderebbe non funzionale la stessa. In questa prima componente del sistema ibrido le reazioni che avvengono sono le seguenti:
- una ossidasi che determina l?ossidazione di un combustibile, come il glucosio o molecole simili, e che produce NADH partendo dal NAD+ (nicotinammide adenina dinucleotide). Il NADH cos? ottenuto dal passaggio precedente viene riportato nella sua forma originaria dalla la diaforasi (DI) (NAD deidrogenasi) che preleva gli elettroni che vengono trasferiti ad una molecola definite mediatore di elettroni che le trasferisce all?elettrodo. Secondo un aspetto dell?invenzione, in caso di impiego del glucosio sar? possibile impiegare glucosio 1-deidrogenasi (ADH).
Vantaggiosamente secondo l?invenzione, il fatto che la molecola di NADH sia prodotta separatamente riduce le problematiche inerenti eventuali contaminazioni/infezioni batteriche o da parte di microrganismi.
Secondo un aspetto dell?invenzione, un qualsiasi mediatore di elettroni (EM) pu? essere impiegato, e preferibilmente un composto avente uno scheletro di chinone ad esempio, 2,3-dimetossi-5-metil-1,4-benzochinone (Q0) e composti aventi uno scheletro di naftochinone, ad esempio vari derivati del naftochinone come 1-ammino-1,4-naftochinone (ANQ), 2-ammino-3-metil-1,4-naftochinone (AMNQ), 2-metil-1,4-naftochinone (VK3), 2-ammino-3-carbossi-1,4-naftochinone (ACNQ), vitamina K1, e simili. Come composto avente uno scheletro di chinone, ad esempio, possono essere utilizzati anche antrachinone e suoi derivati. Se necessario, il mediatore di elettroni pu? contenere uno o due o pi? tipi di altri composti che servono da mediatore di elettroni, diversi dal composto avente uno scheletro di chinone.
La figura 1 mostra lo schema della reazione che avviene.
Sull?elettrodo positivo (anodo) della cella, saturo dell?ossigeno presente nell?aria, avviene la riduzione dell?ossigeno stesso mentre sul catodo avviene l?ossidazione dell?idrogeno. Come risultato della reazione, oltre all?energia elettrica e a una certa quantit? di calore generati, si ha la produzione di acqua; i due elettrodi sono immersi nell?elettrolita, una soluzione concentrata di idrossido di potassio (KOH), e rivestiti da catalizzatori per aumentare la velocit? delle reazioni elettrodiche.
Secondo un aspetto dell?invenzione, la cella a combustibile impiegata usa come elettrolita una membrana polimerica a elevata conducibilit? protonica e funziona a temperature comprese tra 70 e 100 ?C. Per la conversione dell?idrogeno in energia sar? necessario per la pila a combustibile una membrana a scambio protonico. Le membrane a scambio protonico sono note con l'acronimo PEM (dall'inglese Proton Exchange Membrane) o PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Rispetto ad altri tipi di pile a combustibile quelle basate su tale membrana hanno il vantaggio di essere leggere e poco ingombranti. Una loro caratteristica peculiare ? la possibilit? di funzionare a bassi valori di temperatura (50-100 ?C) e pressione (0,3 MPa).
Secondo un aspetto dell?invenzione, il generatore elettrico biochimico non utilizza liposomi ma anticorpi monoclonali immobilizzati su un substrato. Il substrato ? microforato e si pone in prossimit? di un elettrodo, circondandolo. Vantaggiosamente il generatore elettrico ? configurato per funzionare sia con l?elettrodo negativo che con l?elettrodo positivo. Il substrato preferito ? PVC microforato o nitrato di cellulosa. In figura 2 si mostra uno schema del generatore elettrico in configurazione distesa, mentre in uso il substrato viene arrotolato su s? stesso a circondare l?elettrodo.
Pertanto, il generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo l?invenzione consente di stabilire preventivamente numero e tipo di enzimi o molecole e quindi di standardizzare la produzione di energia avendo un controllo totale della stechiometria di reazione.
Un altro vantaggio del generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo l?invenzione ? di essere vantaggiosamente industrializzabile potendo determinare la quantit? di energia producibile in base al numero e al tipo di molecole legate.
Risulta, infine, chiaro che al generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo l?invenzione qui descritto e illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (7)
1. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico costituito da una cella a combustibile avente due elettrodi immersi in un elettrolita e rivestiti da catalizzatori, basata su una molecola di nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) e su almeno un enzima o coenzima adatto ad estrarre elettroni dalla molecola di nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), producendo cos? energia elettrica.
2. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di usare una molecola di NADH precedentemente sintetizzata da un combustibile, come il glucosio o simili, mediante una reazione enzimatica, in una generica ossidasi atta a decomporre una molecola di combustibile, ad esempio la molecola glucosio 1-deidrogenasi (ADH), ponendola all?interno di bioreattori in condizioni controllate.
3. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di usare, come enzima, l?enzima diaforasi (Di - NAD deidrogenasi) legato, in prossimit? di uno degli elettrodi, ad anticorpi monoclonali immobilizzati a loro volta su un substrato.
4. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che tra l?elettrodo e l?enzima diaforasi (Di - NAD deidrogenasi) legato al substrato mediante un anticorpo monoclonale ? presente uno spazio virtuale ridotto.
5. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il substrato ? costituito da un materiale atto ad immobilizzare anticorpi monoclonali, come PVC (polivinilcloruro) microforato o nitrato di cellulosa.
6. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il mediatore di elettroni (EM) ? un composto avente uno scheletro di chinone.
7. Generatore elettrico biochimico con mediatore di trasferimento elettronico secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il composto ? 2,3-dimetossi-5-metil-1,4-benzochinone (Q0), o antrachinone e suoi derivati, o un composto avente uno scheletro di naftochinone, come 1-ammino-1,4-naftochinone (ANQ), 2-ammino-3-metil-1,4-naftochinone (AMNQ), 2-metil-1,4naftochinone (VK3), 2-ammino-3-carbossi-1,4-naftochinone (ACNQ), vitamina K1, e simili.
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