KR20160048058A - 생화학적 에너지 변환 셀 - Google Patents

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Abstract

본원에서 제시된 것은, 옵션적으로는 미생물 팝퓰레이션에서의 광 수확 안테나들 또는 다른 생물학-기반 전자 발생 구조들; 전자 전도성 성질들을 갖고 개개의 사이펀들이 광 수확 안테나들로부터 전자들을 수용하고 전자들을 전류 컬렉터로 수송하도록 구성된 전자 사이펀 팝퓰레이션; 옵션적인 광 안내 시스템 (예컨대, 거울); 및 전기로의 광생화학 에너지 및 생화학 에너지의 변환을 위해 감지 및 규제 피드백 성질들을 갖는 조정기를 포함하는 볼타 셀이다. 또한, 본원에서 제시된 것은 광의 부재 하에서 전기-발생 능력들을 가지는 볼타 셀이다. 또한, 본원에서 제시된 것은 솔라 패널에서의 볼타 셀의 사용이다.

Description

생화학적 에너지 변환 셀{BIOCHEMICAL ENERGY CONVERSION CELL}
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은 "PHOTOVOLTAIC CELLS AND PANELS" 이란 명칭으로 2013년 6월 25일자에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/957,147호, "BIOCHEMICAL ENERGY CONVERSION CELL" 이란 명칭으로 2013년 9월 18일자에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/879,612호, 및 " BIOCHEMICAL VOLTAIC CELLS" 이란 명칭으로 2014년 5월 9일자에 출원된 미국 가출원 번호 제 61/991,335호에 대해, 35 U.S.C. § 119(e) 하에서의 우선권의 이익을 주장하며, 이의 모두는 본원에서 모든 목적들을 위해 그들의 전체들로 포함된다.
현재의 볼타 셀들 및 솔라 패널 시스템들은 제한된 효율을 가지며, 상당한 연관 비용들을 초래하는 복합 재료들을 필요로 한다. 많은 솔라 패널들은 웨이퍼-기반의 결정 실리콘 셀들 또는 카드뮴 또는 실리콘-기반 박막 셀들을 이용한다. 이들 셀들은 부서지기 쉽고, 다수의 보호 층들을 추가하는 것을 통해서 수분으로부터 보호되어야 한다. 패널들은 증가된 전압을 위해서는 직렬로 및/또는 증가된 전류를 위해서는 병렬로 배치된다. 패널들은 전도 금속 와이어들을 통해서 상호접속된다. 일반 시스템들 (common systems) 에 대한 고유의 문제는 패널의 한 부분이 그늘지고 패널의 다른 부분이 직사 일광에 있을 때 역방향 전류 흐름으로 인해 과열하는 셀들의 민감성이다. 다른 고유의 문제는, 솔라 셀들이 높은 온도들에서 덜 효율적이 되게 하여 전기로의 광 변환의 지리적 유효성을 제한한다는 점이다. 어레이된 렌즈들 및 거울들과 같은 향상들은 집광을 향상시켜 효율을 증가시키지만 더 높은 제조 복잡성 및 연관된 비용들을 가진다.
염료-감응 솔라 셀 (DSSC) 은 광-감응 애노드와 전해질 사이에 위치된 반도체 재료에 기초한 솔라 셀 기술이다. DSSC들의 제조는 비용-효과적이지 않으며 백금 및 루테늄과 같은 비싼 재료들을 필요로 한다. 게다가, 액체 전해질의 기후-관련 민감도가 존재하기 때문에, DSSC 안정성이 관심사이다.
양자 도트 솔라 셀 (QDSC) 기술은 염료-감응 솔라 셀들에 기초하지만, 광 흡수제들로서, CdS, CdSe, Sb2S3, PbS 및 다른 메탈로이드 염들을 포함한, 양자 도트들로서 또한 알려져 있는, 낮은 밴드 간극 반도체 나노입자들을 이용한다. 양자 도트들의 이점들은 밴드 간극 선호사항들이 입자 사이즈에 의해 좌우되고 그리고 그들이 높은 흡광 계수들을 제공한다는 점이다. QDSC들의 효율들은 액체-접합 및 고체-상태 셀 유형들 양쪽에 대해 입증된 5% 이상 비해 여전히 낮으며 제조 비용들이 여전히 지나치게 높다.
폴리머 (및 코폴리머) 솔라 셀들은 폴리페닐렌 비닐렌 및 구리 프탈로시아닌과 같은 유기 반도체 폴리머들의 박막들로 제조된다. 이들 셀들은, 그들이 홀들로부터 전자들을 분리하는데 P-N 접합들의 내부 전기장을 필요로 하지 않기 때문에 전술한 무기 솔라 셀들과는 상이하다. 대신, 유기 셀들은 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함한다. 폴리머 솔라 셀에서, 전자 공여체는 광자에 의해 여기되고, 그의 에너지가 전자 및 홀 쌍으로 변환된다. 쌍은 공여체-수용체 계면으로 확산하여 전자 및 홀이 분리되고 전류가 발생된다.
기존 광전지의 패널들은 광의 파장들의 범위로부터 전기를 생성하지만, (폴리머 및 코폴리머 솔라 패널들에 대한, 이들 효율들이 3-4% 로 낮지만, 최근의 개념적인 연구들을 제외하고는) 자외선 및 적외선 범위들에서의 파장들을 이용할 수 없다. 가용 패널들은 또한 낮은 광 또는 확산 광으로부터 적은 전기를 생성한다. 설계 컨셉들에서의 증가된 노력은 광을 단색광의 파장들로 분할하고 이들 파장들을 그들 파장들에 특히 동조된 상이한 솔라 셀들에 직접 안내하여 최고 50% 까지 효율을 증가시키도록 계획되지만, 상당한 기술적인 진보들을 필요로 하고 매우 비싸다.
솔라 패널 기술에 수반하는 필드 실험들은, 섭씨 42-44 도 의 임계치 온도를 지나서 섭씨 온도에서의 매 증가에 대해 피크 출력에서 1.1% 의 저하가 발생함을 나타낸다. 이것은 덥고 맑은 날들에서는 문제가 있으며, 패널의 표면 온도는 섭씨 90 도를 초과할 수 있으며, 종종 경험 현재의 솔라 패널들에서 요구되는 반사층으로 인해 섭씨 800 도 만큼 높게 스팟을 초래하는, 패널 내 국부화된 열 축적 (buildup) 을 종종 경험할 수 있다. 춥고 화창한 환경들이 현재 솔라 패널들의 최대 효율을 위한 최적의 조건들이다.
1950대 이후 전기로의 광의 변환을 위해 광전지의 솔라 패널들이 사용되어 오고 있으며, 수십년간의 과학기술적 발전들은 겨우 그 효율을 12-28.8% 까지 증가시켰다. 최근, 그 효율을 10% 로부터, 거의 29% 까지, 그러나 증가된 설계 복잡성 및 제조 비용으로 증가시키는 상당한 나노기술 발전들이 이루어졌다.
본 개시물의 어떤 양태들은 다음 피쳐들, 즉, (a) 전자 공여체 팝퓰레이션 (population) 이 안에 제공된 이온 전도성 매체를 함유하는 버퍼; (b) 버퍼 전자 공여체 팝퓰레이션을 적어도 부분적으로 포함하는 베셀 (vessel); (c) 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하고 전자들을 외부 회로 또는 부하에 제공하는 애노드; 및 (d) 예컨대, 버퍼 내 종 (species) 에 전자들을 공여하는 캐소드를 특징으로 하는 볼타 셀들 (voltaic cells) 에 관한 것이다. 어떤 실시형태들에서, 전자 공여체 팝퓰레이션은 제 1 의 1차 대사 경로 (metabolic pathway) 를 갖는 미생물의 제 1 종 및 제 1 의 1차 대사 경로에 보충적인 제 2 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 2 종을 추가로 특징으로 할 수도 있다. 일부 구현예들에서, 어느 쪽의 1차 대사 경로도 본질적으로 글루코스 발효성이 아니다.
어떤 실시형태들에서, 볼타 셀은 버퍼를 애노드 구획 및 캐소드 구획으로 분리하여 전자 공여체 팝퓰레이션이 캐소드와 접촉하는 것을 방지하는, 이온 투과성 및 전자 공여체 불투과성 배리어를 더 포함한다. 일부 구현예들에서, 배리어는 전자 전도성이다. 일부 구현예들에서, 배리어는 애노드와 접촉한다. 일부 볼타 셀들은 애노드와 전기적으로 통하는 전류 컬렉터를 포함한다.
일부 구현예들에서, 미생물의 제 1 종 및/또는 미생물의 제 2 종은 광 수확 안테나들 (light harvesting antennae) 을 포함한다. 일 예로서, 미생물의 제 1 종은 제 1 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기되며, 버퍼에서의 미생물의 적어도 하나의 다른 종은 제 2 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기된다. 제 1 밴드 및 제 2 밴드는 실질적으로 중첩하지 않는다.
어떤 실시형태들에서, 미생물의 제 1 종은 광영양생물 또는 화학합성생물 미생물이다. 어떤 실시형태들에서, 미생물의 제 1 종은 화학합성생물이고 미생물의 제 2 종은 광영양생물이다. 어떤 실시형태들에서, 미생물의 제 1 종은 선모들 (pili), 피브릴들 (fibrils), 편모들 (flagella), 및/또는 섬질 형태 (filamentous shape) 를 갖는다.
일부 구현예들에서, 제 1 의 1차 대사 경로는 탄소, 질소, 인, 또는 황을 함유하는 화합물을 산화시키고, 제 2 의 1차 대사 경로는 제 1 의 1차 대사 경로에 의해 생성된 산화된 화합물을 환원시킨다. 일부 구현예들에서, 미생물의 제 1 종은 복수의 대사 경로들을 갖는다. 일부 실시형태들에서, 제 1 의 1차 대사 경로 및 제 2 의 1차 대사 경로 각각이 세포 호흡에 관여한다. 일부 구현예들에서, 미생물의 제 1 종은 자연 발생 미생물 종이다.
어떤 실시형태들에서, 볼타 셀은 전자 사이펀들의 팝퓰레이션을 더 포함하며, 여기서, 각각의 전자 사이펀은 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 전자 수용 구성요소로부터 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함한다. 일부의 경우, 전자 사이펀들은 많아 봐야 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수 (median principal dimension) 를 갖는다. 어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 버퍼 내에서 어셈블리를 함께 형성하며, 어셈블리는 전자들을 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 애노드로 전도하도록 구성된다.
본 개시물의 다른 양태는 이 섹션에서 위에서 제시된 피쳐들의 임의의 조합을 갖는 볼타 셀을 동작시킴으로써 화학 및/또는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 관한 것이다.
본 개시물의 다른 양태는 볼타 셀들용 버퍼들에 관한 것이다. 이러한 버퍼들은 다음 구성요소들, 즉, (a) 이온 전도성 매체; 및 (b) 이온 전도성 매체에 제공된 전자 공여체 팝퓰레이션을 특징으로 한다. 어떤 실시형태들에서, 전자 공여체 팝퓰레이션은 (i) 제 1 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 1 종, 및 (ii) 제 1 의 1차 대사 경로에 보충적인 제 2 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 2 종을 포함하며, 여기서, 어느 쪽의 1차 대사 경로도 본질적으로 글루코스 발효성이 아니다.
어떤 실시형태들에서, 미생물의 제 1 종 및/또는 미생물의 제 2 종은 광 수확 안테나들이다. 일 예로서, 미생물의 제 1 종은 제 1 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기될 수도 있으며, 버퍼에서의 미생물의 적어도 하나의 다른 종은 제 2 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기될 수도 있다. 이 예에서, 제 1 밴드 및 제 2 밴드는 실질적으로 중첩하지 않는다.
어떤 실시형태들에서, 버퍼에서의 미생물의 제 1 종은 광영양생물 또는 화학합성생물 미생물이다. 일 예로서, 미생물의 제 1 종은 화학합성생물이고 미생물의 제 2 종은 광영양생물이다.
버퍼의 어떤 실시형태들에서, 제 1 의 1차 대사 경로는 탄소, 질소, 인, 또는 황을 함유하는 화합물을 산화시키고, 제 2 의 1차 대사 경로는 제 1 의 1차 대사 경로에 의해 생성된 산화된 화합물을 환원시킨다. 버퍼의 일부 예들에서, 제 1 의 1차 대사 경로 및 제 2 의 1차 대사 경로 각각이 세포 호흡에 관여한다. 일부 버퍼들에서, 미생물의 제 1 또는 제 2 종은 복수의 대사 경로들을 갖는다. 일부 버퍼 예들에서, 제 1 의 1차 대사 경로 및 제 2 의 1차 대사 경로 각각이 세포 호흡에 관여한다.
일부 버퍼들에서, 미생물의 제 1 종은 선모들, 피브릴들, 편모들, 및/또는 섬질 형태를 갖는다. 일부 버퍼들에서, 미생물의 제 1 종은 자연 발생 미생물 종이다.
어떤 실시형태들에서, 버퍼는 전자 사이펀들의 팝퓰레이션을 더 포함하며, 여기서, 각각의 전자 사이펀은 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 전자 수용 구성요소로부터 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함한다. 일부의 경우, 전자 사이펀들은 많아 봐야 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는다. 일부 예들에서, 사이펀들은 일괄하여 버퍼 내에서 어셈블리를 구성하며, 그 어셈블리는 전자들을 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 애노드로 전도하도록 구성된다.
본 개시물의 다른 양태는, 다음 피쳐들, 즉, (a) (i) 전자 공여체 팝퓰레이션이 안에 제공되고 (ii) 전자 사이펀 팝퓰레이션이 안에 제공된 이온 전도성 매체를 포함하는 버퍼; (b) 버퍼 전자 공여체 팝퓰레이션을 적어도 부분적으로 포함하는 베셀; (c) 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하고 전자들을 외부 회로 또는 부하에 제공하는 애노드; 및 (d) 예컨대, 버퍼에서의 종에 전자들을 공여하는 캐소드를 특징으로 하는 볼타 셀들에 관한 것이다. 어떤 실시형태들에서, 각각의 전자 사이펀은 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 전자 수용 구성요소로부터 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함한다.
일부 구현예들에서, 전자 사이펀들은 많아 봐야 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는다. 일부 구현예들에서, 전자 사이펀들은 버퍼 내에서 어셈블리를 함께 구성하며, 그 어셈블리는 전자들을 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 애노드로 전도하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 전자 사이펀들은 전자 공여체 팝퓰레이션과 도킹하지만 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하는 셀들을 용해시키지 않는 도킹 모이어티 (docking moiety) 를 포함한다.
어떤 실시형태들에서, 볼타 셀은 버퍼를 애노드 구획 및 캐소드 구획으로 분리하여 전자 공여체 팝퓰레이션이 캐소드와 접촉하는 것을 방지하는, 이온 투과성 및 전자 공여체 불투과성 배리어를 더 포함한다. 어떤 실시형태들에서, 볼타 셀은 애노드와 전기적으로 통하는 전류 컬렉터를 더 포함한다.
본 개시물의 다른 양태는 볼타 셀들용 버퍼들에 관한 것으로, 버퍼들은 (i) 전자 공여체 팝퓰레이션; 및 (ii) 전자 사이펀 팝퓰레이션을 포함하는 이온 전도성 매체를 특징으로 할 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 각각의 전자 사이펀은 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 전자 수용 구성요소로부터 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함한다. 어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 많아 봐야 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는다. 어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 일괄하여 버퍼 내에서 어셈블리를 구성하며, 그 어셈블리는 전자들을 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 애노드로 전도하도록 구성된다. 어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 전자 공여체 팝퓰레이션과 도킹하지만 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하는 셀들을 용해시키지 않는 도킹 모이어티를 포함한다. 개시된 실시형태들의 이들 및 다른 피쳐들이 연관된 도면들과 관련하여 아래에서 제시될 것이다.
본 개시물의 이들 및 다른 피쳐들이 도면들을 참조하여 아래에서 추가로 설명될 것이다.
도 1a 는 에너지 변환 셀을 개략적으로 도시한다.
도 1b 내지 도 1d 는 도 1a 에 나타낸 셀의 변형예들을 도시한다.
도 2 는 내수성 개방계 볼타 셀의 일 예를 나타낸다.
도 3 및 도 4 는 전자 사이펀들을 채용하는 광-변환 시스템들을 도시한다.
도 5 는 전자 사이펀에 커플링된 광화학계를 도시한다.
도 6 은 전자 사이펀들 및 전자 공여체 팝퓰레이션 배열의 개략도를 나타낸다.
도 7 은 전자 사이펀들 및 미생물 셀 팝퓰레이션의 제 2 배열의 개략도를 나타낸다.
도 8 은 여러 전자 사이펀들의 예들을 나타낸다.
도 9 는 전자 사이펀들의 다양한 어레이의 개략도를 나타낸다.
도 10 은 대사 프로세스들로부터 발생된 전자들을 캡쳐하는 전자 사이펀의 사용을 나타낸다.
도 11 은 리포솜들로부터 발생된 전자들을 캡쳐하는 전자 사이펀의 사용을 나타낸다.
도 12 는 볼타 셀의 측면도를 나타낸다.
도 13 은 볼타 튜브의 개략도를 나타낸다.
도 14 는 볼타 셀 필러들의 개략도를 나타낸다.
도 15 는 볼타 셀에서의 회로 연결의 배열을 나타낸다.
도 16 은 전자 사이펀들 상에서의 전자 공여체들의 병렬 방식 배열을 나타낸다.
도 17 은 볼타 셀들의 직렬 배열의 개략도를 나타낸다.
도 18 은 볼타 패널 및 배터리의 개략도를 나타낸다.
도 19 및 도 20 은 어떤 실시형태들에 따라 구성된 볼타 셀들에 대한, 시간에 걸친 전력 출력의 플롯들이다.
정의들
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는, 모든 기술적인 및 과학적인 용어들은 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 포함된 용어들을 포함하는 여러 과학 사전들이 당업자들에게 널리 공지되어 있으며 입수가능하다. 설명된 것들과 유사하거나 또는 동등한 임의의 방법들 및 재료들은 개시된 실시형태들의 실시에서의 사용에 쓸수 있게 된다.
바로 아래에 정의된 용어들은 본 명세서를 참조하여 좀더 완전하게 이해된다. 정의들은 특정의 실시형태들을 단지 기술하고 본원에서 설명된 복잡한 컨셉들을 이해하는데 있어 도움을 주기 위해 제공된다. 그들은 본 개시물의 전체 범위를 한정하려고 의도되지 않는다. 구체적으로 설명하면, 설명된 특정의 조성들, 시스템들, 설계들, 방법론들, 프로토콜들, 및/또는 시약들에, 그들이 당업자들에 의해 사용되는 환경에 따라서, 이들이 변할 수도 있기 때문에, 본 개시물이 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용될 때, 단수형들 "한 (a)", "하나 (an)", 및 "그 (the)" 는, 그 내용 및 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상물들을 포함한다. 예를 들어, "셀" 에 대한 참조는 2개 이상의 이러한 셀들의 조합을 포함한다. 달리 표시되지 않는 한, "또는" 접속사는 피쳐들의 대안적 선택 (A 또는 B, 여기서 A 의 선택은 B 와 상호 배타적임) 및 피쳐들의 결합 선택 (A 또는 B, 여기서 A 및 B 양자가 선택됨) 양쪽을 포괄하는, 불린 논리 연산자로서, 그의 올바른 의미로, 사용된다.
"광-수확 안테나들 (light-harvesting antennae)" 은 광 에너지에 의해 여기될 수 있는 생화학 또는 화학적 구조들이다. 흥미있게도, 광은 안테나들을, 그들이 전기 또는 전기화학 에너지를 발생시키도록 하는 상태로 여기시킬 수도 있다. 종종, 광합성 미생물은 광 수확 안테나들을 포함한다.
"전자 공여체 (electron donor)" 는 방사선 (예컨대, 광), 화학 성분들, 기계적 조작, 또는 다른 프로세스로부터의 에너지의 변환을 수반하는 프로세스의 일부로서 전자들을 공여하는 구성요소이다. 본 개시물에서, 전자 공여체들의 예들은 광합성 및 비-광합성 미생물들, 광-수확 안테나들, 및 색소들을 포함한다.
'광합성 미생물 (photosynthetic microbe)' 은 성장 및 대사 프로세스들을 위해 광 에너지를 이용하는 미생물 셀이다. 이러한 미생물은 광 에너지를 이용할 수 있는 광-수확 안테나들, 및 세포질 멤브레인 및/또는 멤브레인 함입부들 및/또는 멤브레인 소포들 및/또는 세포소기관들에 내장될 수도 있는, 전자 전달 구성요소들을 일반적으로 포함한다.
"색소 (pigment)" 는 광 에너지에 의해, 일반적으로는, 파장-선택적 흡수를 통해서 여기될 수 있는 임의의 조성물 (composition) 이다. 색소는 하나의 광-수확 안테나들 또는 그의 구성요소이다. 색소는 합성적으로 (synthetically) 또는 생물학적으로 제조될 수도 있다.
"비-광합성 미생물 (non-photosynthetic microbe)" 은 성장 및 대사 프로세스들을 위해 광 에너지를 필요로 하지 않는 미생물 셀이다. 이러한 미생물은 세포질 멤브레인 및/또는 멤브레인 함입부들 및/또는 멤브레인 소포들 및/또는 세포소기관들 내에 내장될 수도 있는, 전자 전달 구성요소들을 포함할 수도 있다.
"전자 사이펀 (electron siphon)" 은 광 수확 안테나들로부터 전자들을 제거하고 전자들을 볼타 셀의 (전극으로서 종종 기능하는) 전류 컬렉터로 직접적으로 또는 간접적으로 수송하도록 구성된 작은 구조이다. 어떤 실시형태들에서, 사이펀은 전자 전달 구조에 (예컨대, 그의 표면 상에) 부착된 하나 이상의 전자 수용 엘리먼트들 (예컨대, 전자 조정 모이어티들) 을 포함한다. 전자 전달 구조는 단일 원자 두께 (예컨대, 그래핀 매트릭스) 일 수도 있거나 또는 다수의 원자들 두께일 수도 있다.
"전자 사이펀 매트릭스 (electron siphon matrix)" 는 실질적으로 서로 중첩할 수도 있는 전자 사이펀들의 컬렉션이다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 매트릭스는 다수의 개개의 전자 사이펀들을 포괄하는 전도 경로를 제공한다. 일부 실시형태들에서, 매트릭스는 볼타 셀의 전류 컬렉터 우물로부터, 매트릭스가 복수의 생물학-기반 전자 발생 구조들에 접촉하는 버퍼로, 연장하는 전도 경로를 제공한다. 일부 구현예들에서, 전자 사이펀 매트릭스는 전자 사이펀들의 어레이된 구성이다.
"전자 전도 재료 (electron conductive material)" 는 전자 전도 재료의 하나의 로케이션으로부터 다른 로케이션으로의 전자들의 수송을 가능하게 하는 재료이다. 전자 전도 재료는 전자적으로 전도성이거나 또는 반도체일 수도 있다. 그것은 홀들을 전도할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀의 전자 전달 구조는 전자 전도 재료를 포함한다.
도입 및 상황
광합성 미생물들 및 식물들은 광 에너지를 에너지의 다른 사용가능한 형태들로 변환할 때 약 40-80% 광 흡수에서 가장 효율적으로 된다. 광합성 생물체들에 의한 에너지 캡쳐의 평균 레이트가, 전체적으로, 인간 문명의 현재 전력 소비 능력들 (Nealson, 1999; Whitmarsh 1999; Steger, 2005; Energy Information Administration, 2006) 보다 대략 6-배 더 큰 130 테라와트인 것으로 추정된다. 광합성 미생물들은 광자에 의해 운반된 에너지를 이용하기 위해 그들의 멤브레인들에 광-수확 색소들 및 안테나 시스템들 또는 반응 중심들을 포함한다. 전자 운반체들은 여기된 전자들을 전자 전달 체인을 통해서 직렬로 통과시킴과 동시에 멤브레인을 가로질러 양성자 분리의 조정된 노력을 촉진시켜 퍼텐셜 에너지를 발생시킨다.
2 가지 광합성의 유형들, 즉, 비산소발생 및 산소발생이 있다. 비산소발생 광합성은 산소발생 광합성보다 역사적으로 선행하는 것으로 생각되며, 산소를 생성하지 않는다. 산소발생 광합성은 플랜트들 및 시아노박테리아에서 발생하며 H2O 를 광영양을 위한 전자 공여체로서 이용한다. 비산소발생 광합성은 수소, 황 및 어떤 화합물들을 광영양을 위한 전자 공여체들로서 이용할 수 있다.
문서로 기록된, 최대 광 이용의 능력은 해수면 아래로 거의 1 마일에, 아주 적은 광이 이들 미생물들에 도달하는 심해 열수구들에, 사는 녹색 황 박테리아에서 식별되었다. 이들 미생물들은 비-산소발생 광합성에서 잉여 광의 거의 100% 를 이용할 수 있다.
사용가능한 에너지를 발생시키는 광합성 미생물들의 사용은 주로 바이오연료 발생에 집중해 왔다.
본원에서 개시된 것은 더 낮은 에너지 제조 프로세스들을 갖고, 높은 광-대-전기 변환 레이트들을 발생하며, 조정기들을 갖고 그리고 현재의 솔라 기술들에 비해 덜 지리적 제약들을 갖는 미생물-기반 전기 발생 셀이다. 셀은 지형, 기후, 계절, 구조적 요구들, 등의 요구사항들을 해결하도록 맞춤가능할 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 셀은 하나 이상의 광-수확 안테나들 팝퓰레이션들을 가지며, 옵션적으로는, 다음 피쳐들 중 하나 이상을 포함한다: 전자 전도성 성질들을 가지는 전자 사이펀들, 광학적 커플링 시스템, 및 감지 및 조정 피드백 성질들을 가지는 조정기. 일부 설계들에서, 셀은 광 없는 전기-발생 능력들을 갖는다. 일부 구현예들에서, 셀은 솔라 패널에 배치된다.
하나의 형태에서, 볼타 셀은 버퍼 시스템, 미생물 셀 팝퓰레이션, 전도성 전자 사이펀 팝퓰레이션 및 전류 컬렉터 (예컨대, 와이어) 를 포함하는 베셀을 포함한다.
어떤 실시형태들에서, 볼타 셀은 버퍼 시스템, 미생물 셀 팝퓰레이션, 전자 사이펀 팝퓰레이션 및 전류 컬렉터를 포함하는 베셀을 포함한다. 다른 실시형태들에서, 볼타 셀은 버퍼 시스템, 미생물 셀 팝퓰레이션, 전도성 전자 사이펀 매트릭스, 및 와이어 (전류 컬렉터의 일 예) 를 포함하는 베셀을 포함한다. 다른 실시형태들에서, 볼타 셀은 버퍼 시스템, 미생물 셀 팝퓰레이션, 전도성 전자 사이펀 매트릭스, 및 전류 컬렉터를 포함하는 베셀을 포함한다. 일부 양태들에서, 볼타 셀은 광 수확 안테나들 팝퓰레이션, 버퍼 시스템, 전자 사이펀 팝퓰레이션, 전도성 전자 사이펀 매트릭스, 거울 (mirror) 시스템 및 조정기 시스템을 포함하는 베셀을 포함한다. 전자 사이펀 팝퓰레이션 및 전자 사이펀 매트릭스는 물리적으로 상이한 구조들일 수도 있으며, 여기서 팝퓰레이션은 전자 공여체와의 도킹을 촉진하는 작용기들을 포함하며 매트릭스는 전자들을 팝퓰레이션으로부터 전극으로 수송하도록 설계된다. 팝퓰레이션의 사이펀들은 미생물들과 함께 돌아다닐 수도 있지만 매트릭스의 사이펀들은 고정된 로케이션을 가질 수도 있다. 일부 양태들에서, 볼타 셀은 광 수확 안테나들 팝퓰레이션, 버퍼 시스템, 어레이된 전자 사이펀 팝퓰레이션, 전자 전도 재료, 거울 시스템 및 조정기 시스템을 포함하는 베셀을 포함할 수도 있다. 또한 다른 양태들에서, 볼타 셀은 미생물 팝퓰레이션, 버퍼 시스템, 전자 사이펀 팝퓰레이션, 조정기 시스템 및 전하 저장 디바이스를 포함하는 베셀을 포함할 수도 있다.
도 1a 는 하나 이상의 미생물 팝퓰레이션들이 존재하는 유체를 그의 내부 (109) 에 유지하는 격납 베셀 (107) 을 가지는 에너지 변환 셀 (105) 을 개략적으로 도시한다. 셀 (105) 은 또한 베셀 (107) 의 상부 상에 피팅된 커버 엘리먼트 (131) 를 포함한다. 엘리먼트 (131) 는 미생물 팝퓰레이션이 반응하는 파장 범위에서 방사선에 투명하다. 옵션적으로, 셀 (105) 은 영역 (109) 에서의 미생물들 및/또는 다른 전자 공여체들을 투과성 배리어 (111) 의 반대 측면 상의 구획 (113) 으로 통과시키는 것을 방지하기 위해 베셀 (107) 내에 배치된 이온 투과성 배리어 (111) 를 포함한다. 투과성 배리어 (111) 가 옵션적이고 종종 단지 단일 용액이 베셀 (107) 내에 제공되는 것으로 이해되어야 한다.
셀 (105) 은 구획 (109) 에서의, 옵션적으로는 존재하면 구획 (113) 에서 이온 전도성 유체에 의해 서로 전자적으로 분리된, 애노드 (115) 및 캐소드 (117) 를 포함할 것이다. 동작 동안, 구획 (109) 에서의 미생물 팝퓰레이션(들) 은 애노드 (115) 에서 수집된 전자들을 발생한다. 이들 전자들은 캐소드 (117) 및 애노드 (115) 를 커플링하는 회로에서의 부하 (119) 를 통해서 흐름으로써 동작한다. 구획 (113) 이 사용되면, 그것은 별개의 미생물 팝퓰레이션을 포함할 수도 있다. 일부 구현예들에서, 구획 (113) 에서의 미생물들은 양성자들 또는 다른 양으로 대전된 종을 캐소드 (117) 에 공여한다. 유체들 (109 및 113) 에서의 미생물들은 상이한 메커니즘들에 의해 에너지를 변환한다. 여러 실시형태들에서, 적어도 구획 (109) 내 미생물들은 광영양생물이다.
어떤 실시형태들에서, 유체공학 시스템 (121) 은 베셀 (107) 에 커플링되며, 옵션적으로, 구획들 (109 및 113) 에 대한 별개의 포트들을 갖는다. 유체공학 시스템 (121) 은 구획들 (109 및/또는 113) 용 구성 유체들을 유지하기 위한 저장소, 하나 이상의 펌프들, 하나 이상의 압력 게이지들, 질량 유량 미터들, 배플들, 및 기타 등등과 같은, 여러 엘리먼트들을 포함할 수도 있다. 유체공학 시스템 (121) 은 신선한 버퍼 용액 및/또는 미생물들을 셀 (105) 에 제공할 수도 있다. 그것은 또한 여러 조정제들 중 하나 이상을 이들 유체들로 운반할 수도 있다. 이러한 조정제들은 산, 염기, 염들, 영양소들, 염료들, 및 기타 등등을 포함할 수도 있다.
셀 (105) 은 또한 유체공학 시스템 (121) 을 제어하는 제어기 (125) 와 인터페이스할 수도 있다. 제어기 (125) 는 하나 이상의 다른 기능들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 그것은 애노드 (115), 캐소드 (117), 유체공학 시스템 (121), 및/또는 구획들 (109 및 113) 에 각각 제공된 센서들 (127 및 129) 을 커플링하는 회로와 같은 시스템의 여러 구성요소들로부터 입력을 수신할 수도 있다. 센서들은 모니터 셀 (105) 에 대해 임의의 하나 이상의 관련된 동작 파라미터들을 모니터링할 수도 있다. 예시적인 이러한 파라미터들은 온도, 화학적 성질들 (예컨대, 구성요소 농도 및 pH), 광학적 성질들 (예컨대, 불투명도), 전기적 성질들 (예컨대, 이온 전도도), 및 기타 등등을 포함한다.
도 1b 는 셀 (105) 의 변형예를 도시한다. 구체적으로 설명하면, 이 도면은 애노드 플레이트 (137), 캐소드 플레이트 (139), 및 플레이트들 (137 및 139) 사이에 스페이서 (143) 에 의해 한정된 구획 (141) 을 가지는 대안적인 셀 (135) 을 도시한다. 구획 (141) 내에 있는 것은 이온 전도성 매체이다. 애노드 플레이트 (137) 는 플레이트의 2개의 측면들 사이의 이온 소통을 허용하지만 미생물들 또는 미생물 구성요소들의 통과를 허용하지 않는 반투과 재료를 포함하거나 또는 이루어질 수도 있다. 애노드 플레이트 (137) 의 상부 상에 제공된 것은 광자 수확 안테나들을 포함하는 광영양 미생물들의 팝퓰레이션 (145) 이다.
도 1c 는 셀 (105) 의 다른 변형예를 도시한다. 구체적으로 설명하면, 이 도면은 제 3 구획 (151) 에 의해 제 2 구획 (149) 에 연결된 제 1 구획 (147) 을 도시한다. 구획 (147) 내에 있는 것은 제 1 전극 (153) 이며, 이 전극은 전자적으로 전도성이며, 이온 전도성일 수도 있다. 유기 감광성 전자 발생기들 (145) 의 층은 전극 (153) 의 상부 상에 배치된다. 전자 발생기들은 광 수확 안테나들 및, 일부의 경우, 또한 전자 사이펀들도 포함할 수도 있다. 층 (145) 은 광영양 미생물들의 팝퓰레이션, 미생물 멤브레인 결합된 (bound) 광화학계, 광화학계를 포함하는 소포들, 및/또는 다른 감광성 유기 전자 발생기들을 포함할 수도 있다. 구획 (149) 내에 있는 것은 제 2 전극 (155) 으로, 전극 (153) 의 반대 극성을 가지며 전자 전도성이며, 옵션적으로는 이온 전도성이다. 구획 (151) 은 구획들 (147 및 149) 사이의 이온 소통을 가능하게 하지만 층 (145) 에 존재하는 광영양 미생물들, 미생물 멤브레인 구성요소들, 등의, 구획 (147) 으로부터 구획 (149) 으로의 확산을 허용하지 않는 반투과 재료를 포함할 수도 있다. 미생물 팝퓰레이션 (145) 으로부터 수확된 전자들은 구획 (147) 에서의 전극 (153) 으로 수송되며, 그후 접속된 전도성 엘리먼트 (157) (예컨대, 와이어) 를 통과한다. 제 2 전도성 엘리먼트 (159) 는 전극 (155) 에 접속된다.
도 1d 는 셀 (105) 의 다른 변형예를 도시한다. 구체적으로 설명하면, 이 도면은 광영양 미생물을 포함하는 층 (145) 및/또는 광자 수확 안테나들을 포함하는 미생물 멤브레인 구성요소 팝퓰레이션과 직접 접촉하는 도 1c 의 실시형태에 대해 설명된 바와 같은 제 1 전극 (153) 을 포함하는 분할 구획 (161) 을 도시한다. 구획 (161) 은 또한 셀 전체에 걸쳐서 이온 교환을 가능하게 하지만 전극 (155) 을 둘러싸는 공간으로의 광자 수확 안테나들 (145) 의 확산을 억제하는 반투과 배리어 (163) 에 의해 분리된, 반대 극성의 도 1c 의 실시형태에서 설명된 바와 같은 제 2 전극 (155) 을 포함한다. 전자들은 제 1 전극 (153) 으로, 그후 전도성 엘리먼트 (157) 를 통해서 회로로 흐른다. 양성자들 또는 홀들과 같은 양으로 대전된 종은 전도성 엘리먼트 (159) 에 의해 제 2 전극 (155) 을 통해서 흐를 수도 있다. 동일한 효과로서, 전자들은 제 1 전극 (153) 에 전기적으로 접속된 부하로부터 전극 (155) 으로 흐를 수도 있다.
광-변환 시스템은 사이펀으로부터 전자들을 수집하여 애노드 및 캐소드를 포함하는 회로에서 전류를 생성하기 위해 전자 사이펀에 바로 인접하게 위치된 애노드를 포함할 수도 있다. 회로는 전기 그리드 또는 다른 시스템을 위한 변환 모듈에 커플링될 수도 있다.
하나의 형태에서, 개시된 미생물 에너지 변환 셀은 버퍼 시스템, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션, 및 전도성 전자 사이펀 팝퓰레이션을 포함하는 베셀을 포함한다. 본 개시물의 일부 양태들에서, 셀은 광 수확 안테나들 팝퓰레이션, 버퍼, 전도성 전자 사이펀 팝퓰레이션, 거울 시스템 및 조정기 시스템을 포함하는 베셀을 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 광 변환 시스템은 감소된 복잡성 및 비용에서의 향상된 광 변환의 효율을 위해 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션 및 개질된 전도성 전자 사이펀들을 포함한다.
어떤 실시형태들에서, 광-변환 시스템은 미생물-유래된 광-수확 안테나들 팝퓰레이션을 둘러싸는 버퍼된 전해질 용액을 포함하며, 팝퓰레이션은 구성요소 당 다수의 광-수확 안테나들을 가지며, 여기서, 구성요소 팝퓰레이션은 자외 및 원적색 광을 포함한 넓은 파장들의 범위에 걸쳐서 광을 수확하는 능력을 가지며 확산 광을 포함한 강도들의 범위에 걸쳐서 광을 수확할 수 있다. 팝퓰레이션은 광합성 및 비-광합성 미생물들의 혼합물을 포함하는 하나 이상의 미생물 종, 미생물들로부터 유래된 멤브레인들 구성요소들, 또는 광-수확 안테나들 구성요소들 및 전자 운반체 구성요소들을 포함하는 소포들을 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 광-수확 안테나들 팝퓰레이션은 광-수확 색소들 또는 전자 운반체 분자들 및 반응 중심들을 포함하는 광화학계들을 포함한다. 이들 엘리먼트들은 아래에서 도 5 와 관련하여 추가로 설명된다. 일부 구현예들에서, 광-수확 안테나들 팝퓰레이션은 상이한 광-수확 색소들의 범위 및 광화학계들의 범위를 포함하며, 유사한 전자 운반체 분자들을 가질 수도 있다. 개시된 실시형태들의 광-수확 안테나들 팝퓰레이션의 개개의 구성요소들의 예들은 테이블들 1 및 2 에 제시된다.
광 변환 시스템은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 전자-스케빈징 및 전도성 및/또는 반-전도성 성질들을 가지는 전자 사이펀들을 포함할 수도 있다. 전자 사이펀들은 전도성 및 반-전도성 성질로 개질될 수도 있으며, 전자 전도성 성질들을 유지하는 방식으로 개질된다. 아래에서 좀더 충분히 설명하는 바와 같이, 전자 사이펀들은 개별 또는 다중결합 나노로드들, 나노튜브들, 나노와이어들, 나노입자들, 나노네트워크들, 광섬유들, 양자 도트들, 덴드리머들, 나노클러스터들, 나노크리스탈들 또는 나노복합재료들일 수도 있으며, 탄소, 실리콘, 금속, 금속 합금들 또는 콜로이드를 포함할 수 있다. 또, 개시된 실시형태들의 개개의 전자 사이펀들은 길이가 1 내지 900 nm 길이의 범위일 수 있으며 멀티머들 (multimers) 은 길이가 0.9 내지 4 um 의 범위일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 미생물들 자신들은 과잉 전자들을 방출하는 자연 메커니즘을 제공하기 위해 전자 사이펀들을 생성하였다.
도 5 는 사용시의 예시적인 전자 사이펀을 도시한다. 이 예에서, 단일 벽 탄소 나노튜브 (505) 는, 생물학적으로 호환가능한 전자 사이펀을 생성하기 위해, HCl 에 의해 활성화되어 세척되고, 화학적 가교에 의해 L-아르기닌으로 개질되었다. 개질된 탄소 나노튜브 (505) 는 광-수확 색소들 및 전자 운반체 (electron carrier) 구성요소들을 그들의 멤브레인들에 포함하는 미생물 팝퓰레이션과 혼합되었다.
광화학계는 도 5 에 도시된 바와 같이 작용할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 광화학계는 생물의 셀 멤브레인에 존재한다. 일부 실시형태들에서, 광화학계는 생물로부터 유래된 멤브레인에 존재하지만 더 이상 그 생물체의 일부가 아니다. 다른 실시형태들에서, 광화학계가 합성 미셀라 구조에 포함된다. 이러한 구조들은 세척제를 가진 용매에서 오일 및 지질을 초음파 처리하는 것과 같은, 당업계에 알려져 있는 기법들에 의해 생성될 수 있다. 최종 미셀라 구조들은 요구된 광화학계의 구성요소들과 스파이크 (spike) 될 수 있다. 이러한 구성요소들은 일반적으로 클로로필 a 의 분자, 광 수확 색소들, 및 전자 셔틀링 (electron shuttling) 분자들과 같은 반응 중심을 포함한다. 어떤 색소 분자들은 광 수확 색소들 및 전자 셔틀링 분자들 양쪽으로서 기능할 수도 있다.
광이 미생물 멤브레인들에서의 광-수확 색소들을 가격함에 따라, 여기된 전자들이 멤브레인에서의 전자 운반체 구성요소들 (도 5 에서의 안테나 보조 색소들) 로, 그리고 전자를 단자 전자 수용체, 이 경우, 개질된 탄소 나노튜브로 전달하는 전자 셔틀링 구성요소로 방향적으로 전달된다. 전자는 미생물 멤브레인으로부터 전자 사이펀 결과물들 (electron siphon results) 상으로 흐른다. 그후, 그 전자 흐름이 미생물들의 팝퓰레이션으로부터의 전류의 흐름을 최대화하기 위해, 금속 플레이트 또는 와이어와 같은 이웃하는 애노드에 의해 이용될 수 있다. (하나의 전극에서) 셀의 하나의 부분 상에서의 전자들의 순 흐름이 (상이한 전극에서) 셀의 다른 부분과 현저하게 상이한 경우, 전류가 발생될 수 있다.
전자들은 여러 수단에 의해 광화학계로부터 애노드로 흐를 수도 있다. 종종, 미생물들은 필름 또는 다른 부착 구조로서 애노드에 직접 부착된다. 이러한 경우, 광화학계에 의해 발생된 전자들은 광화학계로부터 애노드로 바로 이동한다. 다른 경우, 광화학계들은 애노드에 부착되지 않으며 전자가 캡쳐되어 용액 내 매개체에 의해 전달될 수도 있는 용액에서의 전자 사이펀들로부터 전자가 흘러 나온다. 유사한 실시형태에서, 전자가 애노드를 용액 내 엘리먼트들을 포함하는 미생물들 또는 다른 광화학계로 연결하는 전도 네트워크로 운반된다. 이러한 시스템들은 예를 들어, 전자 사이펀로부터 애노드로의 연결을 유지하기 위해, 나노구조 네트워크, 경로 또는 다른 배열일 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 광화학계는 광 수확 안테나에 대응한다.
광화학계들은 개시된 실시형태들에 있어서 전자들의 소스로서 빈번히 설명되지만, 광화학계들 대신 또는 이외에, 전자들을 생성하는 비-광합성 생화학 프로세스들이 이용될 수도 있다. 따라서, 적합한 경우, 광화학계들 및 유사한 용어들에 대한 참조는, 에너지 변환 셀에서의 애노드에 공여에 이용가능한 전자들을 생성하는 대사 및 다른 생화학 시스템들을 포함하는 것으로 간주될 수도 있다.
볼타 셀용 베셀 및 연관된 하드웨어
그의 기본적인 실시형태에서, 볼타 셀의 중요한 기능은, 광자들을 수확하고 셀 내에 포함된 여기된 전자들을 활용하여, 광합성 미생물 및 광합성 미생물 멤브레인 팝퓰레이션들을 이용하여 전류를 발생시키는 것이다. 셀은 미생물 에너지 변환 셀 매체 및 미생물 팝퓰레이션을 위한 누설 방지 (leak proof) 베셀 또는 하우징을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 미생물 에너지 변환 셀은 전극들, 센서들, 반투성 배리어들, 이온 전도 재료, 와이어들 및 기타 등등을 추가로 포함한다.
일반적으로, 셀은 외부 방사선을 수용하여 그 안의 에너지를 미생물 멤브레인들의 광 수확 안테나들의 여기된 전자들로 변환하도록, 그리고, 미생물의 각각의 멤브레인 내 전자 전달 체인에 의해 발생된 최종적인 높은 에너지 전자들의 활용을 위한 전도 재료를 제공하도록 설계되어야 한다.
개시된 실시형태들의 미생물 에너지 변환 셀들은 환경에 완전히 액세스할 수 있으며, 섭씨 -20 도 내지 섭씨 65 도에 걸친 온도들, 그리고 완전한 태양으로부터 구름 또는 안개 커버 (cloud or fog cover) 까지 걸친 날씨에서, 광자 변환을 가능하게 하는 방법으로 구성될 수 있다. 개시된 실시형태들의 미생물 에너지 변환 셀들은 또한 휴대형일 수 있으며, 사용자에 의해 결정된 바와 같은 환경에 가변적 액세스를 행할 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 베셀들은 높은 온도들 (예컨대, 약 50C 이상) 및 약 50 Pa 내지 약 10 kPa; 약 500 Pa 내지 약 3 kPa; 약 800 Pa 내지 약 1.5 kPa 의 (대기 위에서) 내부 압력들을 견딜 수 있다. 자연 서식환경이 심해 열수구 (deep sea vent) 와 같은 고압 환경인 미생물들을 일부 실시형태들이 채용한다는 점에 유의한다.
일부 실시형태들에서, 셀은 시스템으로의 어떤 신선한 버퍼 또는 다른 용액의 흐름도 그리고 어떤 대기의 가스 교환에의 노출도 없는, 폐쇄계이다. 다른 실시형태들에서, 그것은 예를 들어, 신선한 버퍼, 조절 엘리먼트들, 신선한 미생물 안테나들 팝퓰레이션 및/또는 대기 가스들의 시스템에의 유입을 가능하게 하는 배관, 밸브들 및 포트들의 시스템을 포함하는 반-폐쇄계이다. 그의 포트들은 대기의 미생물 오염물들에 의한 시스템의 오염을 방지하기 위해 0.22 um 필터들을 포함한다. 다른 양태들에서, 포트들은 더 큰 대기의 미생물 오염물들에 의한 시스템의 오염을 방지하기 위해 0.45 um 필터들을 포함한다.
또한 다른 실시형태들에서, 셀은 환경에 풀 액세스하는 개방계이다. 일부의 경우, 개방계는 수체, 예컨대, 연못, 호수, 강, 저수지, 개울, 또는 다른 개방된 수체 (body of water) 이다. 개방계는 또한 개방계 미생물 에너지 변환 셀로의 내생의 신선한 미생물 안테나들 팝퓰레이션의 순환을 가능하게 하기 위해 배관, 밸브들 및 포트들의 시스템을 포함할 수도 있다.
도 2 는 내수성 개방계의 일 예를 나타낸다. 엘리먼트들 (807 및 811) 은 애노드 및 캐소드이다. 엘리먼트 (813) 는 이온 전도를 허용하지만 미생물들의 수송을 차단하는 반투과 배리어이다. 엘리먼트 (813) 는 항균 코팅 (예컨대, 은) 일 수도 있다. 805 및 809 는 애노드 및 캐소드로부터의 전기 전도성 리드들 (leads) 이다. 엘리먼트 (801) 는 회로의 일부, 기계적 지지 구조의 일부, 또는 양자이다.
볼타 셀을 한정하는 베셀들은 예들로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리우레탄들과 같은 폴리머, 유리, 금속, 또는 이들의 조합을 포함한, 다수의 재료들 중 임의의 재료로 제조될 수도 있다. 여러 실시형태들에서, 베셀 재료는 가스- 및 액체-불투과성 재료이다
베셀은 최외각 층 및 하나 이상의 내층들을 포함하는 다층 유닛을 포함할 수도 있다. 외부 층은 환경에 대한 보호를 제공하기 위해 투명 (clear) 플라스틱, 유리, 금속 또는 다른 재료를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 베셀은 전자기 방사선의 여러 스펙트럼의 파장들의 통과를 허용하는 최외각 층을 갖는다. 일부 실시형태들에서, 최외각 층은 광 에너지의 대부분의 스펙트럼의 파장들에 투과성일 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 베셀의 부분은 광 에너지의 대부분의 스펙트럼의 파장들에 불투과성인 최외각 층을 포함할 수도 있으며, 베셀의 제 2 부분은 광 에너지의 대부분의 스펙트럼의 파장들에 투과성인 최외각 층을 포함한다.
일부 실시형태들에서, 미생물 에너지 변환 셀의 외부 경계를 한정하는 베셀은 강성이다. 강성 인클로저들은 > 약 1.3 GPa 의 강성도를 갖고 입방체, 직육면체, 구, 칼럼, 실린더, 원뿔, 절두체, 피라미드 또는 프리즘과 유사한 형태를 갖는 유리 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 인클로저의 벽 두께는 약 1 mm 내지 20 cm 의 범위를 포괄할 수 있다. 선호되는 것은 약 5 mm 내지 25 mm 에 걸친 벽 두께를 가진 인클로저이다.
베셀 체적, 형태, 및 치수들은 그안에 존재하는 에너지 변환 시스템의 전체 구조를 보충하도록 선택될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 베셀 체적은 약 0.0000001 m3 내지 약 3 m3; 약 0.000001 m3 내지 약 2 m3; 약 0.0001 m3 내지 약 1.5 m3; 약 0.01 m3 내지 약 1 m3; 또는 약 0.1 m3 내지 약 0.5 m3 의 범위일 수도 있다.
베셀은 부분 몰딩, 사출 성형, 압출, 레이저 에칭, 풀칠, 납땜, 코킹 (caulking), 및 다른 적합한 기법들을 포함한 표준 방법들에 의해 제조될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 미생물 에너지 변환 셀의 외부 경계를 한정하는 베셀은 전기 절연 성질들을 갖는 프레임이다. 본 개시물의 일부 양태들에서, 프레임 형성된 (framed) 인클로저는 열적 절연 성질들을 가지며 포말 (foam)-충진된다. 개시된 실시형태들의 프레임들은 유리 섬유, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 그라파이트, 폴리카보네이트, 탄소 섬유, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 메타-아라미드 폴리머, 또는 코폴리아미드를 포함한다.
다른 실시형태들에서, 미생물 에너지 변환 셀의 외부 경계를 한정하는 인클로저는 가요성이다. 가요성 인클로저들의 예들은 < 약 1.2 GPa 의 강성도를 갖고 비결정 형태를 갖거나 또는 입방체, 직육면체, 구, 칼럼, 실린더, 원뿔, 절두체, 피라미드 또는 프리즘과 유사한 형태를 갖는 하나 이상의 투명 폴리머를 포함한다. 적합한 폴리머들의 예들은 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 메타-아라미드 폴리머, 또는 코폴리아미드를 포함한다. 인클로저의 벽 두께는 예를 들어, 약 0.5 mm 내지 25 mm 의 범위를 포괄할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 인클로저는 약 1 mm 내지 10 mm 에 걸친 벽 두께를 갖는다.
일부 실시형태들에서, 윈도우가 에너지 변환 셀에의 광자 에너지 침투를 위해 미생물 에너지 변환 셀에 포함된다. 윈도우는 약 100 nm 와 1060 nm 사이의 범위에서 광에 투과적일 수도 있으며, 유리, 결정 합성물들 및 폴리머들, 예컨대, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리(스티렌 술포네이트), 폴리(4,4-디옥틸시클로펜타디티오펜 또는 다른 투명 폴리머들을 포함할 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 윈도우들은 약 1mm 내지 30 cm 두께일 수 있다. 일부의 경우, 윈도우들은 약 5 mm 내지 25 mm 두께의 범위이다.
일부 실시형태들에서, 개스킷들 또는 밀봉물들이 미생물 에너지 변환 셀에 포함되며, 셀의 프레임과 윈도우 사이에 그리고 셀의 인클로저와 포트 또는 배관 사이에 누설-방지 밀봉재를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 적합한 개스킷들 또는 밀봉물들은 UV-방지 실리콘, 현장 경화 수지, 에틸렌-프로필렌디엔, 폐쇄된 셀 니트릴, 또는 다른 UV-방지 개스킷 또는 밀봉재를 포함할 수도 있다.
일 예에서, 격납 챔버는 인접한 주입-몰드된 폴리머 측벽 및 뒤판 유닛 상에 피팅된 UV-방지 개스킷과 병치된 유리 패널을 포함한다. 인접한 주입-몰드된 폴리머 측벽 및 뒤판 유닛은 유체용 입구 포트 및/또는 출구 포트 및/또는 0.22 um 필터 가스-교환 포트 및 솔라 패널의 교류 변환기로의 직류 전류의 집중된 흐름을 위해 전기 와이어링에 접속된 피팅된 전자 흐름 도관 플레이트를 갖는다.
다른 예에서, 베셀 형태는 중공 폴리머 튜브이다. 일부 실시형태들에서, 베셀은 실린더; 직사각형; 정사각형; 구; 주상 오브젝트; 또는 평면 오브젝트로서 형상화된다. 일부 실시형태들에서, 베셀은 발효기; 성장 챔버 또는 다른 셀 배양 장치로서 설계된다.
어떤 실시형태들에서, 셀 시스템은 하우징 프레임, 광-변환 시스템 어댑터, AC 어댑터 및 전기 코드를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 시스템은 광-변환 시스템들의 어레이를 하우징할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 솔라 패널은 하우징 프레임이 광-변환 시스템의 스케빈징 및 교체를 가능하게 하는 방법으로 제조될 수 있다. 본원에서 개시된 바와 같은 셀들은 기능적 역할을 행할 수 있으며 전류를 전용 외부 전기 부하 (예컨대, 그리드) 에 제공하기 위해 솔라 패널에 사용될 수 있지만, 본 개시물의 다른 양태들은 전류를 디바이스에 제공하기 위해 휴대형 태양광 셀을 이용한다.
일부 실시형태들에서, 셀 하우징은 강성 시스템이며 복사 에너지 수용 역할에 더해서 구조적 역할을 제공한다.
어떤 실시형태들에서, 볼타 셀은 구조적 및 기능적 역할에 사용될 수 있으며, 자동차 및 비행기에 후드, 지붕, 선루프, 문루프 (moonroof), 트렁크, 프레임, 날개, 윈도우 또는 기타등등으로서 사용될 수 있다. 게다가, 셀은 빌딩에, 벽, 벽 커튼, 지붕, 윈도우, 문, 보행로, 파티오 (patio), 차도, 갑판, 펜스 또는 기타등등으로서 사용될 수 있다.
다른 실시형태들에서, 셀 하우징은 에너지 변환 역할에 더해서 물리적인 역할을 제공할 수도 있는 유연성 (flexible) 시스템이다. 유연성 미생물 에너지 변환 셀에 대한 사용의 예들은, 차양들, 돛들, 커버들, 타프들, 망토들, 케이프들과 같은 리트랙터블 엘리먼트들 (retractable elements); 및 블랭킷들, 바이저들, 우산들, 파라솔들, 팬들 (fan) 및 의류 (clothing) 와 같은 폴더블 엘리먼트들이다.
반투성 배리어
본 개시물의 일부 양태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션의 일부 또는 모두는 베셀 내 반투성 배리어에 의해 차단된다. 일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 일부 또는 모두는 반투성 배리어에 의해 적어도 부분적으로 한정된 구획에 포함된다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션 및 별개의 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 혼합물은 반투성 배리어에 의해 한정된 구획에 포함될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 팝퓰레이션 및 미생물 셀 팝퓰레이션의 혼합물은 반투성 배리어에 의해 한정된 구획에 포함된다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 팝퓰레이션, 미생물 셀 팝퓰레이션 및 별개의 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 혼합물은 반투성 배리어에 의해 포함된다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 전도성이다. 일부 예들에서, 반투성 배리어는 반투성 배리어에 의해 포함된 전자 전도 재료를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 팝퓰레이션, 미생물 셀 팝퓰레이션, 및 별개의 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 혼합물은 제 1 반투성 배리어에 의해 포함되며, 전자 전도 재료는 제 2 반투성 배리어에 의해 포함된다.
배리어가 전자적으로 전도하는 어떤 실시형태들에서, 그것은 볼타 셀의 전극 (애노드 또는 캐소드) 과 전기 접촉한다. 일부 구현예들에서, 접촉은 전자 사이펀들의 네트워크를 통해서 이루어진다.
일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 베셀의 일부일 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 베셀의 하나 보다 많은 부분에 존재할 수도 있다. 반투성 배리어들은 볼타 셀 구성요소들의 격납 (containment), 분리 (예컨대, 볼타 셀에서의 애노드 및 캐소드 구획들), 베셀 내 극성, 등을 제공할 수도 있다.
베셀 내 격납은 볼타 셀의 구성요소를 한정함으로써 달성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 베셀 내 격납은 또한 볼타 셀의 구성요소들의 혼합물을 한정함으로써 달성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 수확 팝퓰레이션; 볼타 셀의 전자 공여체들, 등을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 하나 이상의 전자 수용체; 전자 전도 재료; 또는 볼타 셀의 다른 구성요소를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 수확 팝퓰레이션 및 전자 사이펀 팝퓰레이션을 포함하기 위해 사용된다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하기 위해 사용된다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 공여체 팝퓰레이션 및 전자 사이펀 팝퓰레이션을 포함하기 위해 사용된다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 수용체 팝퓰레이션을 포함하기 위해 사용된다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하기 위해 사용되며 제 2 반투성 배리어는 전자 수용체 팝퓰레이션을 포함하기 위해 사용된다.
볼타 셀 내에서의 구성요소들의 분리는 특수화된 동작부 (work) 의 서브-구획들을 생성하는데 하나 이상의 반투성 배리어를 이용함으로써 달성될 수도 있다. 하나의 구획, 즉, 전자 공여체 구획에서, 볼타 셀의 분리된 구성요소들은 광 에너지 또는 화학 에너지를 자유 전자들로 변환할 수도 있다. 다른 구획에서, 볼타 셀의 분리된 구성요소들은 전류에서의 전자들을 전자 공여체 구획으로부터 볼타 셀용 전류 컬렉터로 전도할 수도 있다.
베셀 내에서의 분리는 전기, 화학, 삼투, 화학삼투, 화학전기, 또는 다른 메커니즘들에 의해 이루어질 수도 있다. 하나 보다 많은 반투성 배리어는 향상된 극성을 가진 베셀을 만들기 위해 각각의 베셀에 사용될 수도 있다. 베셀 내에서의 하나 보다 많은 반투성 배리어의 배열은 병렬 또는 직렬일 수도 있으며, 여기서, 분리 (separation) 는 베셀의 일부분에 또는 베셀의 확대부 (expanse) 전체에 걸쳐서 마련될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자-발생 팝퓰레이션을 함유하는 반투성 배리어들의 병렬 배열이 발생될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 수령체 팝퓰레이션을 함유하는 반투성 배리어들의 병렬 배열이 발생될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 공여체 팝퓰레이션을 함유하는 반투성 배리어의 배열은 전자 수령체 팝퓰레이션을 포함하는 반투성 배리어와 직렬로 접속될 수도 있다. 일부 설계들에서, 단극성 또는 애노드 구성에서의 멀티-전극 볼타 셀들이 사용된다. 애노드 볼타 셀들에서, 셀들은 한 셀의 음의 플레이트가 다음 셀의 양의 플레이트가 되도록 샌드위치 구성으로 스택된다. 전극들은 전극의 하나의 측면이 한 셀에서의 애노드로서 기능하고 다른 측면이 다음 셀에서의 캐소드로서 기능하는 방식으로, 2개의 직렬-커플링된 전기화학 셀들에 의해, 공유된다. 공통 전극들의 애노드 및 캐소드 섹션들은 셀들 사이에 어떤 이온들의 흐름도 허용하지 않고 파티션 및 직렬 접속 양쪽으로서 기능하는 전자-전도 플레이트 또는 멤브레인에 의해 분리된다.
전자 수령체 미생물들의 예들은 로도슈도모나스 (Rhodopseudomonas) 종, 지오박터 (Geobacter) 종, 아시치오바실러스 (Acidithiobacillus) 종, 쉬와넬라 (Shewanella) 종, 및 유형 IV 선모들 또는 전자 수용 외부 멤브레인 구성요소들 (Reguera 등, 2006; Leang 등, 2010; Richter 등, 2012) 을 가진 다른 미생물들을 포함하며, 본원에 전체적으로 참고로 포함된다. 전자 공여 미생물들의 예들은 디술포박테랄레스 (Desulfobacterales) 종, 디술포비브리오날레스 (Desulfovibrionales) 종, 신트로포박테랄레스 (Syntrophobacterales) 종, 디술포토마큘럼 (Desulfotomaculum) 종, 디술포스포로무사 (Desulfosporomusa) 종, 디술포스포로시누스 (Desulfosporosinus) 종, 써모디술포비브리오 (Thermodesulfovibrio) 종, 써모디술포박테리어 (Thermodesulfobacteriae) 종, 써모디술포비움 (Thermodesulfobium) 종, 아르케오글로부스 (Archaeoglobus), 써모클라디움 (Thermocladium), 칼디비르가 (Caldivirga), 프로테우스 (Proteus) 종, 슈도모나스 (Pseudomonas) 종, 살모넬라 종, 설퍼로스피릴룸 (Sulfurospirillum) 종, 바실루스 종, 디술포마이크로비움 (Desulfomicrobium) 종, 피로바쿨룸 (Pyrobaculum) 종, 크리시오게네스 (Chrysiogenes) 종, 및 기타등등을 포함한다.
반투성 배리어들은 단일 층을 갖거나 또는 라미네이트와 같은 하나 보다 많은 층을 가질 수도 있는 재료를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 기공들을 포함한다. 어떤 구현예들에서, 반투성 배리어들의 기공들은 약 0.45 um 미만; 약 0.22 um 미만; 약 0.1 um 미만; 또는 약 0.5 nm 미만인 기공 사이즈들을 가질 수도 있다. 반투성 배리어는 멤브레인; 필터; 필름; 체; 사이즈 배제 매트릭스 (size exclusion matrix), 또는 기타 등등을 포함할 수도 있다. 반투성 배리어는 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 니트로셀룰로오스, 나일론, 또는 기타등등과 같은, 그런나 이에 한정되지 않는 합성 폴리머; 및 리그닌, 판지, 종이, 실리카 나노입자들과 같은 천연 폴리머로부터 제조될 수도 있으며, 전자 전도 재료를 포함하는 반투성 배리어들이 볼타 셀에 사용될 수도 있으며, 이 경우, 배리어들은 전류 컬렉터들로서 기능하거나 또는 아니면 애노드 또는 캐소드를 보충할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 배리어는 전도성이 아니다. 일부 실시형태들에서, 버퍼는 배리어를 적시며, 그 점에서 배리어가 이온들의 확산 및, 일부의 경우, 전도를 가능하게 한다. 반투성 배리어들은 또한 리그닌, 폴리비닐클로라이드, PVDF, 니트로셀룰로오스 또는 기타등등을 포함할 수도 있다. 배리어는 적용에 적합한 두께를 가질 수도 있다. 그것은 볼타 셀 내에서 높은 이온 전도도를 유지해야 하며 그것은 셀의 내부 체적의 큰 부분을 차지하지 않아야 한다. 일부 예들에서, 배리어는 약 2.5 mm 이하, 약 200 um 이하, 약 50 um 이하, 약 750 nm 이하, 또는 약 200 nm 이하의 두께를 갖는다. 종종, 배리어 두께는 약 1 nm 내지 약 0.35 nm 만큼 얇을 수도 있다.
전류 컬렉터들용 전자 전도 재료들
전자 전도 재료는 금속, 메탈로이드, 콜로이드, 합성물, 실리콘, 또는 전도성 또는 반-전도성 성질들을 갖는 다른 재료 유형들을 포함할 수도 있다. 전자 전도 재료는 평면 형태; 메시 형태; 강모 (bristled) 형태; 웹 형태; 층 형태; 스티플된 (stippled) 형태; 메시 형태 또는 향상된 전자 전도를 위한 증가된 표면적을 가지는 다른 형태를 포함할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 하나 보다 많은 유형의 전자 전도 재료를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 다수의 유형들의 전자 전도 재료를 포함할 수도 있으며, 각각의 재료 유형은 상이한 전자 수용 퍼텐셜을 갖는다. 상이한 전극들은 생물학 또는 생화학 에너지 변환을 촉진할 수도 있는 본질적으로 상이한 전기화학 퍼텐셜들을 가질 수도 있다. 양전성 퍼텐셜에서의 전극은 어떤 유형들의 미생물들의 전자 공여 활동을 강력하게 할 수도 있다.
전자 전도 재료는 반투성 배리어에 의해 포함될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 반투성 배리어에 의해 포함된 전자 전도 재료를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 반투성 배리어에 의해 각각 포함된 다수의 전자 전도 재료들을 포함할 수도 있다.
전자 전도 재료는 볼타 셀에서 전류 컬렉터로서 기능할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전류 컬렉터는 볼타 셀의 구획으로 연장하는, 와이어 또는 상호접속된 와이어들의 그룹으로서 구현된다. 일부 실시형태들에서, 전류 컬렉터는 적어도 약 0.2, 또는 적어도 약 0.5, 또는 적어도 약 0.7, 또는 적어도 약 0.9 의 공극율을 갖는 다공성 재료이다. 일부 실시형태들에서, 전류 컬렉터는 볼타 셀에서 챔버의 상당한 부분 (예컨대, 반투성 멤브레인에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드 챔버) 을 차지한다. 예들로서, 전류 컬렉터는 챔버 체적의 적어도 약 20%, 또는 챔버 체적의 적어도 약 50%, 또는 챔버 체적의 적어도 약 70%, 또는 챔버 체적의 적어도 약 90% 를 차지할 수도 있다.
볼타 셀들의 예시적인 구성들
볼타 셀의 설계.
이 실시형태에서, 볼타 셀은 베셀, 전류 컬렉터 또는 전기 단자 (예컨대, 폼 (form) 와이어들에서), 제 1 전극, 제 2 전극, 미생물들, 및 버퍼 시스템을 포함한다. 일 구현예에서, 베셀은 유리로 제조되며, 전류 컬렉터는 구리 와이어들을 포함하며, 제 1 전극은 산화물 (예컨대, 구리 산화물 또는 실리콘 이산화물) 과 같은 코팅을 포함하며, 개질된 전극은 금속을 포함한다. 예들로서, 개질들 (modifications) 은 전도성 금속 메시 및/또는 양자 도트들의 추가일 수도 있다. 미생물들은 수상 미생물들의 이종적인 팝퓰레이션일 수도 있으며, 이의 대부분은 광합성이 가능할 수도 있다. 버퍼 시스템은 염들, 미네랄들, 당류, 아미노산들, 암모늄 염들, 및 물을 포함한다.
가요성 볼타 셀의 설계.
볼타 셀은 가요성 베셀 뿐만 아니라, 와이어들, 전극, 개질된 전극, 미생물들 및 버퍼와 같은 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다. 베셀은 정상 동작 동안 양 단부들이 폐쇄되는 가요성 플라스틱 배관으로 이루어진다. 일 예로서, 와이어들은 구리 와이어들일 수도 있다. 전극은 동작 시, 표준 수소 전극에 대비하여 약 +0.8 내지 약 +1.5 V 에 걸친 특성적인 전기 퍼텐셜을 갖는 금속 와이어를 포함할 수도 있다. 달리 언급되지 않는 한, 본원에서 리스트된 모든 전극 전압들은 표준 수소 전극에 대비된다. 금속 와이어는 약 0.2 um 직경의 기공 사이즈를 갖는 반투성 멤브레인의 얇은 주위의 코팅을 갖는다. 개질된 전극은 약 -3.3 내지 약 +0.55 V 에 걸친 특유의 전기 퍼텐셜을 갖는 금속 와이어를 포함하며, 개질들은 전도성 나노와이어들 및/또는 양자 도트들이다. 미생물들은 수상 미생물들의 이종적인 팝퓰레이션이며, 이의 대부분은 광합성이 가능할 수도 있다. 버퍼는 염들, 미네랄들, 당류, 아미노산들, 암모늄 염들, 및 물을 포함한다.
높은 표면적 볼타 셀의 설계.
볼타 셀은 베셀, 와이어들, 전극, 개질된 전극, 미생물들 및 버퍼 시스템을 포함할 수도 있다. 일 예에서, 베셀은 유리로 이루어지며, 약 1 피트 길이 x 약 1 피트 폭 x 약 0.34 피트 높이의 치수들을 갖는다. 와이어들은 구리 와이어들이다. 전극은 실리콘 이산화물을 포함한다. 개질된 전극은 금속 메시로 이루어지며, 그 개질들은 전도성 나노튜브들 및/또는 양자 도트들이다. 미생물들은 수상 미생물들의 이종적인 팝퓰레이션이며, 이의 대부분은 광합성이 가능할 수도 있다. 버퍼 시스템은 염들, 미네랄들, 당류, 아미노산들, 암모늄 염들, 및 물을 포함한다.
이동하는 수체에서의 고정된 볼타 셀의 설계.
내수성 볼타 셀은 베셀, 와이어들, 전극, 개질된 전극, 미생물들 및 버퍼 시스템을 포함할 수도 있다. 베셀은, 내수성 셀에 의해 발생된 전기 에너지에 대한 저장을 제공하고 및/또는 미생물들 또는 내수성 셀의 다른 피쳐들을 활성화할 수도 있는 배터리를 하우징하는 금속 박스로 이루어진다. 와이어들은 구리 와이어들이다. 전극은 금속으로 이루어진다. 개질된 전극은 그라파이트를 포함한다. 개질들은 색소들의 혼합물로 사전-코팅된, 전도성 나노튜브들 및 양자 도트들이다. 미생물들은 수상 미생물들의 이종적인 팝퓰레이션을 포함하며, 정확한 조성은 지리 및 물 깊이에 의존한다. 버퍼 시스템은 해양수이다. 수체에 잠긴 볼타 셀의 부분은 전극, 개질된 전극 및 와이어들을 포함한다. 육지 (land) 상의 볼타 셀의 부분은 베셀, 와이어들, 및 옵션적인 배터리를 포함한다.
광 수확 안테나들
일부 실시형태들에서, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은, (i) 광자-흡수 능력을 갖는 하나 이상의 분자들, (ii) 광의 존재 시 광-흡수 분자 또는 이웃하는 분자의 하나 이상의 전자의 여기를 초래할 수 있는 것, 및 (iii) 여기된 전자가 전달될 수 있는 것 또는 (iv) 여기된 전자로부터의 에너지가 전달될 수 있는 것을 가지는 구성요소들의 팝퓰레이션으로서 특징화될 수도 있다. 아래에서 좀더 완전히 설명되는 바와 같이, 광-수확 안테나들 구성요소들의 팝퓰레이션은 다음 중 하나 이상을 포함할 수도 있다: 광합성 미생물, 광합성 미생물로부터 유래된 멤브레인, 광합성 미생물로부터 유래된 멤브레인 소포, 지질 및 광-수확 안테나들의 고분자 복합체, 리포솜, 미셀, 역방향 미셀, 단분자막과 복합된 재조합 광-수확 단백질 또는 리포솜, 미셀, 역방향 미셀, 단분자막과 복합된 광합성 미생물로부터 유래된 다른 광-수확 안테나들 또는 기타 등등.
광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 공여체들로서 기능할 수도 있으며 및/또는 광 에너지를 흡수가능한 생화학 및 화학 종을 포함할 수도 있다. 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 합성 및/또는 자연-발생 색소들; 광-수확 복합체들; 광화학계들; 광합성 반응 중심들; 카르티노이드들; 클로로필들; 클로로솜들; 포르피린들; 클로린들; 박테리오클로린들 및 기타등등이거나 또는 포함할 수도 있다. 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 재조합 단백질들; 광합성 생물체들로부터의 멤브레인 조제물들 (preparations); 광합성 생물체들로부터의 엑소좀 조제물들; 그라운드 및 감압동결건조된 광합성 생물체들; 광-수확 안테나들 팝퓰레이션을 포함하는 리포솜 복합체들; 및 기타등등을 포함할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 동종의 팝퓰레이션을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 이종의 팝퓰레이션을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 광 수확 안테나들의 이종의 팝퓰레이션을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 광 수확 안테나들의 동종의 팝퓰레이션을 포함한다.
볼타 셀에서의 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 배열은 용도에 기초하여 변할 수도 있다. 예들로서, 안테나들 팝퓰레이션은 용액에; 침전물 층에; 하나 보다 많은 층에; 예를 들어, 전류 컬렉터 상에 코팅에; 전자 사이펀의 표면에 컨쥬게이트되어; 전자 전도 재료의 표면에 컨쥬게이트되어; 와이어 네트워크 또는 기타등등과 같은 전류 컬렉터에 컨쥬게이트되어, 배열될 수도 있다. 안테나들 팝퓰레이션은 전자 전도성 사이펀과 전자 전도 재료 사이에 (예컨대, 전도 경로에서의 링크로서) 배열될 수도 있으며; 전자 전도성 사이펀과 교번하는 층들로 배열될 수도 있으며; 전자 전도 재료와 교번하는 층들로 배열될 수도 있으며; 전자 전도성 사이펀 및 전자 전도 재료와 교번하는 층들로 배열될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 베셀의 최외각 표면에 가까이 배열될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 베셀의 일부 내에 포함될 수도 있다. 본 개시물의 일부 양태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 약 0.45 um 미만; 약 0.22 um 미만; 약 0.1 um 미만; 또는 약 0.5 nm 미만의 기공 사이즈를 가진 반투성 배리어에 의해 포함될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 멤브레인은 전자 전도 재료를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반투성 멤브레인은 버퍼에 전체적으로 또는 부분적으로 침지된다.
예들로서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 미생물 셀 팝퓰레이션과 약 0.0000001:1; 약 0.000001:1; 약 0.000001:1; 약 0.00001:1; 약 0.0001:1, 및 이들 예들 중 임의의 2개 사이의 모든 범위들의 mg:mg 습성 중량 비 (광 수확 안테나들 팝퓰레이션 mg: 미생물 셀 팝퓰레이션 mg) 로 혼합될 수도 있다.
광 수확 안테나들은 광자들을 수용하고 그렇게 함으로써 전자들을 그들이 그들의 에너지를 수송 또는 전달에 이용가능한 상태 또는 상태들로 여기시킨다. 종종, 수송은 산화환원 매개체 또는 다른 전자 전달체에의 공여를 통해서 일어난다. 광 수확 안테나들은 복사 에너지를 전기 에너지로 변환할 때 그들의 효율에 의해 특징화된다. 효율은 파장, 온도, 등의 함수이다.
광-수확 안테나들은 광 변환 시스템이 사용될 환경의 조건들을 나타내는 온도들에서 최적의 광 수확 효율들을 갖도록 선택될 수 있다. 선호되는 발명의 생물체들은 섭씨 -20 내지 100 도에 걸친 온도들에서 광-수확 능력들을 갖는다 (테이블 2).
안테나들 팝퓰레이션들은 상이한 광의 파장들에서 복수의 광 수확 효율들을 가질 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은 자외, 가시 및 원-적색 광들을 동시에 수확할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 상이한 팝퓰레이션들은 상이한 밴드들의 여기 파장들을 갖는다. 어떤 설계들에서, 볼타 셀은 2개의 상이한 팝퓰레이션들을 포함하며, 각각은 별개의 여기 밴드를 각각 가지며, 그 밴드들이 실질적으로 중첩하지 않는다. 다시 말해서, 각각의 밴드에서의 대부분의 파장들은 중첩하지 않는다.
광 수확 안테나들은 상기 기능을 가지는 화학 화합물들을 포함한다. 그들은 이러한 화합물들을 보유하는 전달수단들 (vehicles) 을 추가로 포함할 수도 있다. 이러한 운송체들의 예들은 복합체들, 초분자 어셈블리들, 소포들, 세포소기관들, 미생물들, 등을 포함한다.
일반적으로, 광 수확 안테나들 화합물들은 유기 재료들이거나 또한 포함한다. 많은 실시형태들에서, 그들의 분자의 구조는 안에 포함된 하나 이상의 금속 이온들을 가진 환상 유기물 (cyclic organic) 이다. 금속 이온들은 아연, 카드뮴, 아연, 지르코늄, 몰리브데늄, 망간, 마그네슘, 철, 백금, 구리, 로듐, 오스뮴, 이리듐, 및 기타 등등을 포함한다.
광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은 광-수확 리포솜들과 혼합된 광합성 미생물들로부터 조제된 광-수확 멤브레인들을 포함할 수도 있다.
광 수확 안테나들은 광합성 미생물, 광합성 미생물로부터 유래된 멤브레인, 광합성 미생물로부터 유래된 멤브레인 소포, 지질 및 광-수확 안테나들의 고분자 복합체, 리포솜, 미셀, 역방향 미셀, 단분자막 또는 기타등등과 복합된 재조합 광-수확 단백질, 리포솜, 미셀, 역방향 미셀, 단분자막, 등과 복합된 광합성 미생물로부터 유래된 광-수확 안테나들에 포함될 수도 있다.
광 수확 안테나들의 맞춤된 조성들은, 기후에 양립가능한 태양광 셀을 만들기 위해 별개의 파장 여기 스펙트럼들 및 성장 요건들을 갖는 상이한 광 수확 안테나들의 비들을 혼합함으로써 생성될 수 있다. 광 수확 안테나들의 팝퓰레이션을 발생시키는 선택 기준들은 파장 여기 스펙트럼들, 호열성, 친할로겐성, 무산소 프로파일, 영양 요건들, 및 상이한 광 수확 안테나들과의 호환성을 포함한다. 광 수확 안테나들의 호환가능한 클래스들의 예들은, 지오박터 종, 클로로비움 종, 쉬와넬라 종, 등과 같은 호환가능한 영양소 및 성장 요건들을 가진 광합성 미생물들; 티타늄 화이트, 티타늄 산화물 (나노튜브들, 나노리본들, 및 기타등등), 망간 바이올렛, 크롬 그린 및 기타등등과 같은 모노머 및 폴리머 금속-기반의 색소들의 확산 (divergent) 파장 여기 스펙트럼들; 옐로 오커 (yellow ochre), 생 시에나, 울트라마린 및 기타등등과 같은 무기 색소들; 및 클로로필들, 카르티노이드들, 안토시아닌들, 베타레인들, 및 기타등등과 같은 생물체 색소들을 포함한다.
볼타 셀에서의 사용을 위한 미생물들의 선택은 그 셀에 대한 전력, 내구성 및 베셀 요건들에 기초된다. 일부 예들에서, 미생물들은 유닛으로부터의 전류의 볼루스를 주기적으로 제공하는 그들의 능력에 대해 선택될 수도 있다. 이와 같이, 이들 미생물들은 전자들을 그들의 세포 구성요소들에 저장하는 능력들을 최적으로 가질 것이며, 따라서, 전자 싱크 (sink) 성질들을 가질 것이다. 이들 미생물들은 선모들, 피브릴들, 편모들과 같은 부속물들을 일반적으로 가지거나 또는 또한 섬질 형태일 수도 있다. 선모들, 피브릴들, 편모들 및 유사한 구조들과 같은 부속물들을 가진 적합한 미생물들의 예들은, 나이세리아 (Neisseria) 종, 에세리키아 (Escherichia) 종, 에이케넬라 (Eikenella) 종, 코리네박테리움 (Corynebacterium) 종, 로도스피릴룸 (Rhodospirillum) 종, 로도박터 (Rhodobacter) 종, 아쿠아스피릴룸 (Aquaspirillum) 종, 슈도모나스 (Pseudomonas) 종, 피렐룰라 (Pirellula) 종, 노스톡 (Nostoc) 종, 헬리코박터 종, 지오박터 종, 엔테로박터 (Enterobacter) 종, 포토박테리움 (Photobacterium) 종, 브루셀라 종, 보렐리아 (Borrelia) 종, 아조아르쿠스 (Azoarcus) 종, 디노플라겔라타 (Dinoflagellata) 종, 주산텔라 (Zooxanthellae) 종, 아조토박터 (Azotobacter) 종, 파라바살리아 (Parabasalia) 종, 에로모나스 (Aeromonas) 종, 써모코커스 (Thermococcus) 종, 메타노피루스 (Methanopyrus) 종, 써모플라스마 (Thermoplasma) 종, 피로코커스 (Pyrococcus) 종, 메타노코커스 (Methanococcus) 종, 데설퍼로코커스 (Desulfurococcus) 종, 메타노셀레우스 (Methanoculleus) 종, 아르케오글로부스 (Archeoglobus) 종, 티오바실루스 (Thiobacillus) 종, 시네초코커스 (Synechococcus) 종, 스피릴룸 (Spirillum) 종, 스패로틸루스 (Sphaerotilus) 종, 루미노박터 (Ruminobacter) 종, 로세오박터 (Roseobacter) 종, 및 기타등등을 포함한다. 섬질 미생물들의 예들은, 데설퍼로코커스 (Desulfurococcus) 종, 스트렙토미세스 (Streptomyces) 종, 스피룰리나 (Spirulina) 종, 보르티셀라 (Vorticella) 종, 스패로틸루스 (Sphaerotilus) 종, 크산토파이세아 (Xanthophyceae) 종, 프로피오니박테리움 (Propionibacterium) 종, 노스톡 종, 렙토트릭스 (Leptothrix) 종, 프랑키아 (Frankia) 종, 플레우로캅사 (Pleurocapsa) 종, 클로로플렉수스 (Chloroflexus) 종, 베기아토아 (Beggiatoa) 종, 아나베나 (Anabaena) 종, 우스틸라고 (Ustilago) 종, 마그네토스피릴룸 (Magnetospirillum) 종, 및 기타등등이다.
미생물들은 상기 미생물들이 저장된 전자들의 볼타 셀-중재된 인출에 뒤이어서 독자생존가능하도록 선택된다. 미생물 셀에서의 해방된 (freed up) 전자 저장 구성요소들은 그후 전류의 다음 볼루스가 볼타 셀에 의해 요구될 때까지 시간에 걸쳐서 다시 팝퓰레이트될 수 있다. 적절히 강건한 전자 저장 용량들을 갖는 미생물들의 예들은 로도슈도모나스 파루스트리스 (Rhodopseudomonas palustris), 무렐라 써모아세티카 (Moorella thermoacetica), 및 기타 등등을 포함한다. 주기성의 시간프레임은 매일 한번, 3 일마다 한번, 7 일마다 한번, 2주마다 한번, 한달에 한번 또는 기타등등일 수도 있다. 선택된 미생물들의 대사 레이트들은 전류가 볼타 셀에 의해 인출될 수 있는 주파수를 결정할 것이다.
다른 예들에서, 미생물들은 볼타 셀로부터 적절하게 일정한 전류의 레벨을 제공하는 능력에 대해 선택될 수도 있다. 이러한 미생물들의 예들은, 나이세리아 종, 에세리키아 종, 로도스피릴룸 종, 로도박터 종, 아쿠아스피릴룸 종, 로도슈도모나스 종, 피렐룰라 종, 노스톡 종, 지오박터 종, 엔테로박터 종, 포토박테리움 종, 아조아르쿠스 종, 디노플라겔라타 종, 주산텔라 종, 아조토박터 종, 에로모나스 종, 써모코커스 종, 메타노피루스 종, 써모플라스마 종, 피로코커스 종, 메타노코커스 종, 데설퍼로코커스 종, 메타노셀레우스 종, 아르케오글로부스 종, 티오바실루스 종, 시네초코커스 종, 스피릴룸 종, 스패로틸루스 종, 루미노박터 종, 로세오박터 종, 데설퍼로코커스 종, 스피룰리나 종, 보르티셀라 종, 스패로틸루스 종, 크산토파이세아 종, 프로피오니박테리움 종, 노스톡 종, 렙토트릭스 종, 프랑키아 종, 플레우로캅사 종, 클로로플렉수스 종, 아나베나 종, 우스틸라고 종, 마그네토스피릴룸 종, 및 기타 등등을 포함한다. 이와 같이, 이들 미생물들은 그들로 하여금 화학물질 및/또는 광원들의 다양한 세트로부터 자유 전자들을 생성가능하게 하기 위해 다양한 대사 경로 레퍼토리들을 최적으로 가질 것이다. 게다가, 미생물들은 (대부분의 다른 미생물들에 비해) 자유 전자들이 발생되는 상대적으로 일정한 레이트를 가질 것이다. 미생물들은 그들이 볼타 셀의 연속 전류 인출에 뒤이어서 독자생존가능하도록 선택된다. 이러한 미생물들의 예들은 일부 광종속 영양생물들 및 일부 화학종속 영양생물들을 포함한다.
다른 예들에서, 미생물들은 그들의 내구성에 대해 선택될 수도 있다. 이러한 미생물들의 예들은 로도스피릴룸 종, 로도박터 종, 아쿠아스피릴룸 종, 로도슈도모나스 종, 노스톡 종, 지오박터 종, 엔테로박터 종, 메타노코커스 종, 데설퍼로코커스 종, 티오바실루스 종, 시네초코커스 종, 스피릴룸 종, 로세오박터 종, 데설퍼로코커스 종, 스피룰리나 종, 아나베나 종, 및 기타 등등을 포함한다. 내구성 미생물들은 볼타 셀에서의 조건들을 일관된 방식으로 견디는 능력을 갖는 것으로 정의된다. 내구성 미생물들의 선택에 고려하는 변수들은, (예컨대, 2개 이상 대사 경로들을 가지는) 대사 강건성; 유전 강건성 (환경의 스트레스 동안 변화시키는 능력, 즉, DNA 폴리메라아제 또는 RNA 폴리메라아제에서의 비-교정/비-편집 능력들); 환경의 강건성 (변동하는 환경의 조건들, 즉, 온도, 광, 압력 및 기타등등 하에서 시간에 걸쳐 대사적으로 활성시키는 능력); 및 팝퓰레이션 강건성 (영양소들, 등에 대해 경쟁에서 우세함이 없이 커뮤니티에서 다른 미생물 종과 공존하는 능력) 을 포함한다.
일부 예들에서, 영양소 급증 (nutrient spike) 이 미생물 팝퓰레이션의 하나 이상의 서브세트의 레벨들을 유지하는데 필요로 할 수도 있다. 주기적으로 요구되는 영양소들의 예들은, 인산염, 황, 황화수소, 황산염, 질산염, 아세트산, CO2, O2, 암모니아, H2, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Co2+ 및 그들의 염들, 또는 기타등등을 포함한다. 다른 예들에서, 폐기물-중화 급증이 미생물 팝퓰레이션의 하나 이상의 서브세트의 레벨들을 유지하는데 필요로 할 수도 있다. 주기적으로 요구되는 폐기물-중화 구성요소들의 예들은, HCl, NaOH, 중탄산염나트륨, 탄산수소칼슘, 킬레이트들, CO2, O2 또는 기타등등을 포함한다.
볼타 셀에서의 자급자족 미생물 팝퓰레이션들에 대해, 미생물들은 그들의 선호되는 대사 기질 용도 또는 그들의 선호되는 대사 폐기물에 기초하여 선택될 수도 있다. 선택된 미생물들의 짝짓기 (pairing) 는 보충적인 물질대사들에 기초할 수도 있다. 일부 예들에서, 하나의 유형의 지배적인 대사를 갖는 미생물들은 제 2 유형의 지배적인 대사을 가지는 다른 미생물들에 대해 기질들로서 기능하는 (또는 아니면 일부 영양 요건들을 만족시키는) 대사 폐기물들을 생성할 수도 있으며, 따라서 하나의 미생물 서브세트가 제 2 미생물 서브세트와 공생한다고 할 수 있다. 이러한 미생물 종의 쌍들은 보충적인 것으로 종종 말한다. 다른 예들에서, 볼타 셀은 2개 이상 서브세트들의 물질대사들이 서로 공생 방식으로 상호작용하고 있는 미생물들의 다양한 팝퓰레이션을 포함할 수 있다. 미생물 팝퓰레이션의 대사 균형은 자급자족 (self-sustained) 볼타 셀을 제공하도록 설계되거나 또는 조정될 수 있다.
종종, 버퍼에서의 2개 이상의 미생물들은 그들의 1차 대사 경로들에 의해 특징화될 수 있으며, 이것은 미생물들이 다수의 대사 경로들을 갖는다는 사실을 이용하지만, 임의의 시점에서 경로들 중 하나가 다른 것들보다 더 많은 대사를 이용한다. 1차 대사 경로들에 집중하면, 어떤 실시형태들에서, 보충 미생물들은 어느 정도 서로 반대인 1차 대사 경로들을 갖는다. 예를 들어, 하나의 생물체는 어떤 N, C, S, 또는 P-함유 화합물을 주로 산화시킬 수도 있으며, 보충적인 생물체는 제 1 생물체에 의해 생성된 산화된 N, C, S, 또는 P-함유 화합물을 주로 환원시킨다. 물론, 어떤 생물체도 배타적으로 산화시키지 않거나 또는 환원시키지 않으며; 대신 그것은 일부 화합물들을 산화시키고 다른 것들을 환원시킨다. 보충 미생물들의 짝짓기는 1차 대사 경로들의 기질들 및 폐기물들에 집중한다. 이상적으로는, 하나의 생물체의 폐기물은 상이한 생물체의 기질인, 산화된 N, C, S, 또는 P-함유 화합물이다. 결국, 제 2 생물체는 산화된 화합물을 환원시켜 제 1 생물체의 기질을 생성한다. 어떤 실시형태들에서, 버퍼에서의 보충 미생물들은 버퍼의 미생물 함량의 적어도 약 50%, 또는 버퍼의 미생물 함량의 적어도 약 70%, 또는 버퍼의 미생물 함량의 적어도 약 90% 를 함께 구성한다. 어떤 실시형태들에서, 보충 미생물들의 1차 대사 경로들은 호흡 경로들이다. 상기 논의는 2개의 보충 미생물들에 집중하지만, 그 컨셉은 자연적으로 3개 이상의 보충 미생물들로 확장한다. 일부의 경우, 2개 이상 미생물들은 동일한 1차 대사 경로를 공유하거나 또는 유사한 1차 대사 경로들을 갖는다. 다른 경우, 버퍼에서의 3개 이상 보충 미생물들의 각각은 상이한 1차 대사 경로들을 갖지만, 일괄하여 적거나 전혀 없는 기질들의 순 소비 또는 폐기물들의 발생을 갖는다. 예를 들어, 제 1 미생물은 화합물 A 를 소비하고 화합물 B 를 생성할 수도 있으며; 한편 제 2 미생물은 화합물 B 를 소비하고 화합물 C 를 생성하고; 제 3 미생물은 화합물 C 를 소비하고 화합물 A 를 생성한다.
일단 자급자족된 팝퓰레이션들이 볼타 셀에서 확립되었으면, 환경의 조건들 (일광, 온도, 등), 볼타 셀에 의한 전자 전류 인출의 타이밍 및 레이트 및 미생물 셀 밀도 입력이 공생을 유지하기 위해 제어될 수 있다. 미생물 선택은 적은 변경 (turnover) 으로, 일관된 (sustained) "항상성" 팝퓰레이션을 발생하는 것을 도울 것이며, 그러나 여러 입력들 및 출력들의 제어는 또한 규제를 필요로 할 수도 있다. 이러한 규제는 균형을 유지하는 것을 돕기 위해 볼타 셀에서의 센서들 및 피드백 루프들의 사용에 의해 채용될 수도 있다.
미생물들은 또한 그들의 토착 환경에 기초하여 선택될 수 있다. 해양 수들 및 그들의 하부의 침전물들은 생물권의 가장 큰 부분을 구성한다. 그들은 우리 행성에서 생물지구화학적 사이클링을 위한 키이며; 해양 미생물 커뮤니티들의 조성, 그들의 대사 퍼텐셜 및 활동들 및 환경과의 그들의 상호작용들이 여전히 불충분하게 이해되고 있는 상태이다. 상당한 노력이 고전의 배양-기반의 접근법들을 보충하는 분자 및 유전체학-기반의 방법들에 의해 유광 층들에 사는 플랑크톤 군집들을 연구하는데 헌신되어 왔다. 실제로, 표층수들은, 연대기 종 다양성 및 게놈 다양성에 대한 작은 서브유닛 리보솜 RNA (SSU rRNA) 유전자들의 증폭, 클로닝 및 시퀀싱에 기초한 미생물 다양성의 선구적 연구들을 위한 선택의 환경이 되어왔다. 그러나, 상이한 수괴들은 상이한 물리-화학적 특성들을 선천적으로 가지고 있다. 이러한 차이들은 근해에서 특히 중요하며, 해안 입력 (coastal input) 및 국부적 피쳐들 (local features) 에 의해 더 많이 영향을 받는다. 예를 들어, 지중해 수들은 개방된 대양수들와 매우 상이하며, 이것은 메타게놈 레벨에서 반사되는 것처럼 보인다. 지리적 로케이션이 따라서 특정의 지리적 환경에서의 사용을 위한 볼타 셀에 대한 미생물들의 선택을 위한 선택적 기준들로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 열수구들, 열하들, 기수 분수령들, 기수 침전물들, 연못들, 염전들, 빙하 얼음, 대양 침전물들, 옐로스톤 (Yellowstone) 산 (acid) 웅덩이들, 등.
문헌에서 제시된 실험적인 미생물 연료 셀들에서, 탄소 소스들은 지속가능한 (sustained) 시스템을 발생할 때에 값비싼 난관을 제공한다. 예를 들어, 연료 미생물 연료 셀들 및/또는 발효 시스템들에의 당 발효성 생물체들의 사용은 지나치게 비용이 커지고 스케일-업에 유용하지 않게 된다. 따라서, 어떤 실시형태들에서, 볼타 셀들 및 연관된 버퍼들은 실질적으로 효모와 같은 발효성 생물체들이 없다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀들은 실질적으로 글루코스 발효 생물체들와 같은 당 발효 생물체들이 없다.
화학합성 미생물들과 조합한, 광-수확 광영양 미생물들의 선택 및 사용은 볼타 셀에서의 지속적인 전기 전류 발생을 위해 좀더 지속가능한 팝퓰레이션을 제공한다. 많은 광영양생물들에서, 광의 광자는 CO2, O2, 다른 가스들, 무기 분자들, 유기 탄소원들 및 폐기물들로서의 다른 분자들인 폐기물들과 함께, (미생물 종에 따라) 1-3 개의 자유 전자들을 생성할 수 있다. 이들 폐기물들은 화학합성 미생물들에 의해 에너지 원들로서 사용될 수 있다.
화학합성생물들 사이에 상당한 다양성이 존재하며, 문서로 기록된, 수백의 화학적 화합물들에서의 에너지 원들은 가스들로부터, 금속들로, 무기 화합물들로, 유기 화합물들로 이른다. 이화작용 프로세스들 동안 이들 케미스트리들로부터의 결합 에너지의 쇠약 (breakdown) 및 자유 전자들의 발생이 변한다. 범위들의 예들은 CO2, O2, 다른 가스들, 유기 탄소 화합물들, 무기 분자들, 및 폐기물들로서의 다른 분자들인 대사 폐기물들과 함께, 시작 분자 당 1 내지 7 개 이상의 자유 전자들을 포함한다. 이들 폐기물들은 팝퓰레이션에서 다른 화학합성생물들에 의해 사용될 수 있거나 또는 팝퓰레이션에서 일부 광종속 영양생물들에 의해 사용될 수 있다.
전자 공여체들로서 발효성 기질들, 발효 산물들, 및 복합 유기 물질에 의한 제2철 환원에 대한 가능성 (potential) 이 조사되어 왔다. 예를 들어, 심지어 담수 및 기수 물 사이트들로부터의 수상 침전물들에서도, 미생물들은 특히 글루코스 및 적철석에 의한 농축에 뒤이은, 전자 흐름 능력들을 입증하였다. 이들 예들에서, 철 환원은 볼타 셀에서 화학합성생물들에 의해 사용될 수도 있는, 전자 흐름 및 축적된 발효 산물들에 대한 작은 경로였다. 글루코스 농축들에서 적철석에 대한 비결정 제2철 옥시하이드록사이드의 치환물은, 발효 산물들이 또한 화학합성생물들에 의해, 수반되는 철 환원으로 대사작용될 수 있기 때문에 철 환원을 50-배 증가시키는 것으로 추가로 나타내었다. 아세테이트, 수소, 프로피오네이트 (propionate), 부티라트, 에탄올, 메탄올, 및 트리메틸아민은, 또한 침전물들로 주입된 (inoculated) 농축들 (enrichments) 에서, 그러나 실험실 조건들 하에서의 미주입된 또는 열-살균된 제어들에서는 아닌, 비결정 제2철 옥시하이드록사이드의 환원을 자극하는 것으로 나타났다. 제2철의 추가는 침전물들에서 메탄 생산을 억제할 수 있다. 여러 형태들의 제2철에 의한 메탄 생산의 억제의 정도가 아세테이트의 화학합성생물 대사를 위한 전자 수용체들로서의 이들 제2철 화합물들의 유효성에 관련되는 것으로 나타났다. 팝퓰레이션에의 아세테이트 또는 수소의 추가는 제2철에 의해 메탄 생산의 억제를 완화시킬 수 있다. 비결정 제2철 옥시하이드록사이드들로 보충된 침전물들에서 메탄으로 진행하는 전자 당량들의 감소는 제일철 (ferrous iron) 에서의 전자 당량들의 대응하는 증가에 의해 보상될 수 있다. 따라서, 철 환원은 침전물 유기 물질에 대한 메탄생성 먹이 사슬들과 경쟁에서 이길 수 있다. 따라서, 비결정 제2철 옥시하이드록사이드들이 무산소 침전물들에 이용가능한 경우 및/또는 볼타 셀들에서의 사용을 위해 선택되는 경우, 유기 물질로부터 제2철로의 전자들의 전달은 유기 물질 분해를 위한 주요 경로일 수 있으며 전자 사이펀들 또는 다른 단자 전자 수용체, 따라서 볼타 셀용 전자 전류 발생의 소스에 의해 차단될 수 있다.
다른 예에서, 가스 또는 냉용수들은 메탄에서 농축되며 침전물로부터 나오는 거품들로서 직접 볼 수 있거나, 또는 미생물들에 의한 황산염 환원이 그 표면 바로 아래에서 발생하는 강한 산화환원 활동의 영역들을 보이는 어두운 패치들 (dark patches) 의 존재에 의해 직접 검출될 수 있다. 이들 패치들은 공생 박테리아 및 황화물-산화 박테리아의 매트들 (mats) 과 연관될 가능성있는 시보글리니드 (siboglinid) 다모류 및 쌍각류에 의해 종종 이식된다 (colonized). 볼타 셀은 담수 침전물 버퍼 시스템에서 황산염 환원 및 메탄 생산을 밸런싱하는 공생 미생물들의 팝퓰레이션을 포함할 수 있다. 황산염 환원 박테리아의 예들은 디술포박터 (Desulfobacter) 종, 디술포코커스 (Desulfococcus) 종, 디술포비브리오 (Desulfovibrio) 종, 에리트로박터 (Erythrobacter) 종, 써모토가 (Thermotoga) 종, 피로바쿨룸 (Pyrobaculum) 종, 로세오박터 (Roseobacter) 종, 로도페락스 (Rhodoferax) 종, 펠로박터 (Pelobacter) 종, 카르복시도써무스 (Carboxydothermus) 종, 로소니아 (Lawsonia) 종, 메타노코커스 (Methanococcus) 종, 써모디술포박테리움 (Thermodesulfobacterium) 종, 데설퍼로모나스 (Desulfuromonas) 종 및 기타등등을 포함한다. 메탄생성 미생물들의 예들은 메타노코커스 (Methanococcus) 종, 메타노셀레우스 (Methanoculleus) 종, 메타노폴리스 (Methanofollis) 종, 메타노피루스 (Methanopyrus) 종, 메타노사르시나 (Methanosarcina) 종, 메타노스페라 (Methanosphaera) 종, 메타노써모박터 (Methanothermobacter) 종, 및 기타 등등을 포함한다.
여전히, 다른 예에서, 높은 박테리아-다양성 침전물에서 가장 풍부한 그룹들인 감마-프로테오박테리아는, 그룹 I 크렌아케오타 (Crenarchaeota)/타움아케오타 (Thaumarchaeota) 를 포함하는 원시 (archael) 플랑크톤 부분과 혼합될 수 있으며, 그리고, 그룹 I (예컨대, 두보스퀄리다 (Duboscquellida)) 및 그룹 II (예컨대, 신디니아레스 (Syndiniales)) 알베올라테스 (alveolates) 및 라디오조아 (Radiozoa) 우세한 (dominating) 플랑크톤으로부터의 유리아케오타 (Euryarchaeota), 및 오피스쏘콘타 (Opisthokonta) 및 알베올라테스 (Alveolates), 침전물 버퍼 시스템과 혼합될 수 있다.
많은 다른 예들이 존재할 수 있으며, 이에 의해 바람직한 대사, 셀 생리학, 유전자들, 성장 조건들, 대사 레이트들 및 호환성이 선택될 수 있다.
실험실-기반의 미생물 연료 셀들의 많은 연구들은 글리세롤 냉동기 스탁들 (stocks) 로부터의 재배된 스트레인들 (domesticated strains) 을 포함하는 순수 미생물 배양들을 채용하지만, 이러한 스트레인들은 본원에서 개시된 바와 같이 일부 볼타 셀들에 적합하지 않을 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 볼타 셀들은 그들의 자연 상태에서 존재하는 환경 미생물들을 채용한다. 표준 미생물학적 기법들을 이용하여 분리되어 배양된 미생물들은, "피트니스 (fitness)" 를 상실하였다는 것을, 즉, 그들이 실험실 조건들 하에서 더 이상 필요로 하지 않는 유전자들을 그들이 상실한다는 것을 보였다. 본원에서 사용될 때, 용어 "자연 상태" 는 실험실 또는 산업 미생물들이 되기 전에, 그들의 자연 환경에서 발견된 바와 같은 유전자형들을 가지는 미생물들을 지칭한다. 이와 같이, 자연 상태 미생물들은 그들의 실험실 또는 산업 대응물들보다 더 많이 적합한 경향이 있다. 일 예에서, 환경의 침전물이 볼타 셀에 배치된다. 일부 예들에서, 환경의 침전물은 볼타 셀에의 배치 전에 제 2 환경의 샘플과 혼합된다. 이 방법의 목표는 최적의 전류 생산을 위해 볼타 셀에서 자연 상태 미생물 피트니스를 최대화하기 위해 자연-관찰된 유전자들 중 가능한 한 많은 것들을 유지하는 것이다. 실험실-배양된 미생물들에 대한 자연 상태 미생물들을 이용하는 제 2 이점은 외부 스트레스 요인들 및 실험실-배양된 미생물들보다 더 높은 스트레스 허용오차를 견디는 그들의 능력이다. 더 높은 유전자 존재비 (abundance) 및 증가된 유전자 레퍼토리를 가지는 시작 팝퓰레이션을 갖는 이점은, 실험실-배양된 미생물이 기존 유전자들에서의 가장 온건한 유익한 변형들 (mutations) 을 위해 선택되는 것보다 더 작은 게놈으로부터 새로운 유전자들을 자발적으로 발생시키는 것이 더욱더 어려울 수도 있기 때문에, 성공적인 자급자족된 팝퓰레이션이 볼타 셀에서 발생될 더 많은 기회들을 가능하게 한다.
볼타 셀들에서의 사용을 위한 환경적 고립물들 및 환경의 팝퓰레이션들에 대해, 환경의 샘플 테스팅은, 바람직한 케미스트리들의 존재 및/또는 생화학 및/또는 대사 경로에 관여하는 것으로 알려진 바람직한 유전자들의 존재를 식별하기 위해 분광학, 질량 분석법, 유전자 시퀀싱 및 다른 방법들과 같은 종래의 방법들을 이용하여 수행될 수 있다.
예를 들어, 사람은 특정의 효소 경로들에 대한, 그리고, 따라서, 특정의 대사 능력들에 대한 진단에 유용한 것으로 간주되는 특정의 유전자들 및 그들의 개개의 단백질 산물들에 대해 탐색할 수 있다. 이들은 암모니아 모노옥시게나아제 AmoA, AmoB 및 AmoC 서브유닛들 (질산화), 4-하이드록시부티릴 디히드라타아제 (3-하이드록시프로피오네이트/4-하이드록시부티라트 경로에 의한 CO2 고정), 이화적 아황산염 환원효소 DsrA 및 DsrB 서브유닛들 (황산염 호흡), 이화적 아질산염 환원효소 서브유닛들 NirK 및 NirS (질산염 호흡), 니트로게나아제 서브유닛들 NifH 및 NifD (질소 고정), 탄소-일산화물 탈수소효소 CoxLMS 서브유닛들 (CO 산화), RuBisCO (CO2 고정), 설파타아제 (술폰산화 헤테로폴리사카라이드들 (heteropolysaccharides) 의 분해 (degradation)), 하이드록실아민 산화환원 효소 HAO (아나목스 (anammox)), 메틸 보조효소 A 환원효소 (메탄의 무산소 산화) 및 C-P 리아제 (포스포네이트 이용) 을 포함한다. 원하는 유전자들에 대한 환경의 샘플들의 선택적 분석은 볼타 셀에서의 사용을 위해 팝퓰레이션에서의 미생물들의 바람직한 조성을 결정하는 하나의 방법이다.
원시 아모 (amo) 유전자들은 플랑크톤에 풍부하였으며, 마르마라 (Marmara) 플랑크톤 타움아케오타 (Thaumarchaeota) 가 암모니아 산화제들인 것을 시사한다. 황산염 환원, 탄소 일산화물 산화, 아나목스 및 설파타아제들에 포함된 유전자들은 침전물에 과도하게 재현되었다. 게놈 동원 분석들은 알테로모나스 마클레오디 (Alteromonas macleodii) '표면 생태형', 펠라기박터 유비크 (Pelagibacter ubique) 및 니트로소푸밀루스 마리티무스 (Nitrosopumilus maritimus) 가 1000 m-깊이 플랑크톤에서 높게 재현됨을 보였다.
무산소 침전물들에서, 황산염 환원은 일반적으로 더 깊은 침전물 층들에서의 메탄생성 아케아의 활동에 의해 달성된다. 마르마라 해의 국부 영역들에 존재하는 것들과 같은 냉용수 환경들에서, 일부 황산염-환원 박테리아는 무산소 메탄 산화를 수행하는 아케아에 공생적으로 연관된다. 사람은 메탄생성에서 최종 단계를 촉매반응하고 메탄-대사작용 아케아의 특성인 역방향 메탄생성에서 또한 역할을 행하는 것처럼 보이는 메틸 보조효소 M 환원효소의 존재를 찾을 수 있다. 메타노사르시나 바르케리 (McrABCDG) 로부터의 메틸 보조효소 M 의 서브유닛들, 및 미배양된 아키온으로부터의 메탄의 무산소 산화 (McrABG) 에 수반되는 니켈 단백질의 그것들을 인코딩하는 유전자들이 선택된 메타게놈들에 대해 시드들로서 사용되어 왔다. 그러나, 어떤 히트들 (hits) 도 검출되지 않았다. 이것은, Ma29 가 냉용수 활동에 의해 영향을 크게 받지 않는 '정상 (normal)', 저부 침전물에 대응한다는 사실 및 그것이 침전물 코어의 표면, 따라서 메탄생성 층 상부로부터 수집되었다는 사실 양자와 일치한다.
부유균문이 침전물에 상대적으로 풍부하기 때문에, 사람은 하이드록실아민 산화환원 효소, 즉, 아나목스 반응의 키 효소들 중 하나를 인코딩하는 쿠에네니아 스투트가르텐시스 (Kuenenia stuttgartensis) 유전자의 아나목스 활동의 발생을 표시할 수 있는 유전자들의 존재를 결정할 수 있다. 이 마커 및 다른 유사한 마커들이, 볼타 셀에서의 전자 사이펀들에 의해 액세스될 수도 있는 전자 운반체들의 소스로서 다수의 산화환원 효소들을 포함하는 샘플들을 식별하는데 사용될 수 있다.
설파타아제들은 R. 발티카 (baltica) 의 게놈에 풍부하며, 일반적으로, 해양 부유균문은, 그들이 황산화 헤테로폴리사카라이드들 (sulfated heteropolysaccharides) 의 초기 분열 (initial breakdown) 에 사용할 지도 모르는 다수의 이들 효소들을 가지며, 따라서 이들 풍부한 대양 화합물들을 리사이클링할 때에 중요한 역할을 한다. 이들 마커들은 볼타 셀에서의 다른 서브세트들에 생물-유용 황 소스들을 발생시키는 수단을 제공할 수 있는 황산염-리사이클러들 (sulfate-recyclers) 을 결정하는데 사용될 수 있다.
포스포네이트 화합물들의 사용이 P-결핍 표면 해양 수들에서 뿐만 아니라, 더욱더 P-풍부한 심층수들에서, 중요한 인의 소스로서 최근 제안되어 왔다. 포스포네이트 이용을 위한, 기지의 유전자들, 그러나 또한 신규한 경로들은 기능적 스크리닝들 (screenings) 로부터 추론되는 바와 같이 메타게놈 피코플랑크톤 라이브러리들에 풍부하다. 이들 마커들은, 볼타 셀에서의 다른 서브세트들에 생물-유용 인산염 소스들을 발생시키는 수단을 제공할 수 있는, 샘플에서의 미생물들에 의한 포스포네이트 사용을 결정하는데 사용될 수 있다.
대안 또는 보충 에너지 원으로서 CO2 로의 CO 의 산화는, 특히, 매우 다용도이고 풍부한 로세오박터 계통군의 멤버들을 포함하는 많은 해양 박테리아에 널리 퍼져있다. 탄소 일산화물 탈수소효소 유전자들은 지중해 심층수들에서 상대적인 높은 존재비로 검출되었으며, 이것은 심해 미생물들이 CO 를 산화시킴으로써 표면 박테리아플랑크톤에 의해 나타난 유형과 유사한 리소헤테로트로피의 유형을 수행할지도 모른다는 것을 시사하였다. 심층수들에서의 CO 산화의 가능한 역할은, CO 의 소스가 그 깊이에서 불확실할 것이기 때문에 그리고 탄소 일산화물 탈수소효소가 또한 중심 C 대사의 일부 경로들에, 예를 들어 초산생성 메탄생성 미생물들에 관련되기 때문에, 비판을 받아 왔다. 그러나, 지중해에서 참으로 다소 광범위한, 해저 화산 지대들 및 해령들에 연관된 열수성 활동은 심해에서 매우 가능성있는 CO 의 소스를 이룬다. 더욱이, 탄소 일산화물 탈수소효소 유전자들을 포함하는 메타게놈 포스미드들 (metagenomic fosmids) 의 시퀀싱은, 그들이 전형적인 CO 산화 박테리아의 구조를 가지는 클러스터들로 조직화되는 것으로 나타났다. 그러므로, CO 산화에 기초한 리소헤테로트로피는 실제로 심해에서 또한 자유 에너지를 얻는데 유용한 전략일 수도 있다. 이것은, CO 산화를 채용하는 선택된 미생물들이 전자 사이펀들을 환원시킬 수 있기 때문에, 볼타 셀에서, 레버리지될 수 있다.
암모늄 모노옥시게나아제는 질산화 (nitrification) 의 제 1 스텝에서 키 효소이다. 타움아케오타는 박테리아 amoA 유전자들에 대한 고세균 (archaeal) 의 우세에 의해 시사되는 바와 같이 토양 및 대양들에서 아질산염으로의 암모니아의 산화에서 주요한 인자들이다. 그러나, 모든 심해 타움아케오타가 amoA 를 가지는 것은 아니며, 많은 심해 아케아가 화학합성 독립영양생물 암모니아 산화제들이 아님을 시사한다. Amo 유전자들은 따라서 구동 볼타 셀의 상승작용 (potentiation) 을 구동하기 위해 볼타 셀의 서브-구획에 사용될 수도 있는 산화 미생물들에 대한 마커로서 사용될 수 있다.
게다가, Ma101 타움아케오타는, 그들이 4-하이드록시부티릴 디히드라타아제, 즉, 룹 I 아케아에서의 독립영양 CO2 고정을 위한 3-하이드록시프로피오네이트/4-하이드록시부티라트 경로에서의 키 효소에 대한 유전자를 가질 수 있기 때문에, 화학합성 독립영양생물인 것처럼 보인다. 이 C 고정 경로에 더해서, 샘플에서의 다수의 미생물들은 CO2 고정을 위한 더 종래의 캘빈 (Calvin) 사이클의 존재를 나타내는 RuBisCO 큰 서브유닛 (rbcL) 을 포함할 수도 있다. 이들 미생물들은 볼타 셀에서의 추가적인 미생물 서브세트들에 대한 영양소 발생을 위해 볼타 셀에 사용될 수 있다.
다른 예에서, 유전체학 및 유전자 시퀀싱은 볼타 셀에서의 사용을 위해 호환가능한 미생물들을 식별할 수 있다. 환경적 고립물들로부터 이루어진 유전자 라이브러리들로부터의 리보솜 DNA (rDNA) 시퀀스들의 계통발생 분석들을 이용하는 매우 많은 연구들로부터, 델타-프로테오박테리아의 많은 것들은 황산염-환원 디술포박터라세아 (Desulfobacteraceae) 와, 그러나 또한 배양된 미생물들 없이 여러 혈통들과 제휴하며, 이것은 그들 중 일부가 이역시 황산염 환원제들일 수도 있다는 것을 시사한다. 플랑크톤 델타-프로테오박테리아 rDNA 시퀀스들 중에서, 몇 개가 미배양된 그룹 SAR324 으로부터 식별되었다. 동일한 샘플에서의 황산염 환원을 위한 유전자들의 동시 발생은 SAR324 가 황산염을 환원시킬 수 있다는 것을 시사한다. 사실대로 말하자면, 메타게놈 클론들에서의 어떤 대사 유전자들의 존재 및 산소-결핍 수들에서의 이 그룹의 상대적인 존재비는 SAR324 가 무산소 또는 미호기성 생물체들에 대응할 수도 있다는 것을 시사하였다. 여기서 자세히 설명한 정보 및 방법들을 이용하는 것에 대한 이점들은, 전류 발생을 위해 볼타 셀에서 디술포박터라세아 및 SAR324 미생물들의 선택 및 사용을 포괄한다.
미생물 예들
어떤 실시형태들에서, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은 광합성 미생물들의 팝퓰레이션이며, 여기서 광합성 미생물들은 비-산소발생 광합성을 수행할 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은 산소발생 광합성 미생물들의 팝퓰레이션이다. 또한 또다른 실시형태들에서, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은 산소발생 및 비-산소발생 광합성 미생물들의 혼합물이다. 광합성 미생물들은 하나의 종일 수도 있으며 그러나 또한 복합 (poly)-종일 수도 있다. 개시된 실시형태들과 함께 사용하기 위한 이러한 미생물들 및 광-수확 안테나들의 예들은 테이블 1 에 리스트된다.
미생물 셀 팝퓰레이션은 전자 공여체로서 기능할 수도 있다. 미생물 셀 팝퓰레이션은 독자생존가능한 또는 비-독자생존가능한 광합성 미생물들, 비-광합성 미생물들, 또는 광합성 미생물들 및 비-광합성 미생물들의 조합을 포함할 수도 있다. 미생물 셀 팝퓰레이션은 0-100% 광합성 미생물들을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 약 35-80% 광합성 미생물들을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 거의 약 100% 비-광합성 미생물들을 포함한다. 광합성 미생물들은, 사용되면, 이종적인 종 및/또는 스트레인들의 팝퓰레이션일 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 광합성 미생물 팝퓰레이션은 동종의 종 또는 동종의 스트레인을 포함할 수도 있다. 비-광합성 미생물들은, 존재 한다면, 이종적인 종 및/또는 스트레인들의 팝퓰레이션을 포함할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 비-광합성 미생물들은 동종의 종 또는 동종의 스트레인을 포함할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션의 조성은 상이한 미생물 종; 상이한 환경적 고립물들; 상이한 환경의 샘플들; 또는 기타등등의 비들을 혼합함으로써 발생될 수도 있으며, 여기서, 각각의 종; 고립물; 환경의 샘플은 원하는 기후와 최적으로 호환가능할 수도 있는 별개의 스펙트럼의 파장 흡광도(들) 및 성장 요건을 갖는다. 미생물들의 팝퓰레이션을 발생시키는 선택 기준들은 파장 여기 스펙트럼들, 호열성, 친할로겐성, 무산소 프로파일, 영양 요건들, 호환성 및 기타등등을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 이들 기준들 중 임의의 하나 이상의 용어들에서 서로 보충하는 상이한 미생물 종 또는 스트레인들을 포함한다. 예를 들어, 2개의 종은 유사한 호열성들 및 친할로겐성들을, 그러나, 상이한 영양 요건들을 가질 수도 있다.
광 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 사용되는 볼타 셀은 광합성 미생물들과 비-광합성 미생물들의 조합을 포함하는 미생물 셀 팝퓰레이션을 포함할 수도 있으며, 여기서, 광합성 미생물들은 비-광합성 미생물들보다 약 1.5:1 비로 우세하거나; 여기서, 광합성 미생물들은 비-광합성 미생물들보다 약 3:1 비로 우세하거나; 여기서, 광합성 미생물들은 비-광합성 미생물들보다 약 5:1 비로 우세하거나; 여기서, 광합성 미생물들은 비-광합성 미생물들보다 약 500:1 비로 우세하거나; 여기서, 광합성 미생물들은 비-광합성 미생물들을 약 5,000,000:1 비로 우세하거나; 또는 상기 값들 중 임의의 2개 사이의 범위들이다. 일부 구현예들에서, 광합성 미생물들은 비-광합성 미생물들보다 약 1.5:1 내지 약 100:1 의 비로 우세하다. 볼타 셀은 세포 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 사용되며, 비-광합성 미생물들의 조합을 포함하는 미생물 셀 팝퓰레이션을 포함할 수도 있다. 볼타 셀은 광 에너지를 전기 에너지로 이따금 변환하고 세포 에너지를 전기 에너지로 이따금 변환하는 가변 방법으로 사용될 수도 있으며, 비-광합성 미생물들 및 광합성 미생물들의 조합을 포함하는 미생물 셀 팝퓰레이션을 포함한다.
볼타 셀에서의 미생물 셀 팝퓰레이션의 배열은 용도에 기초하여 변할 수도 있다. 미생물 셀들은 용액에; 침전물 층에; 하나 보다 많은 층에; 코팅에; 전자 사이펀의 표면에 컨쥬게이트되어; 전자 전도 재료의 표면에 컨쥬게이트되어; 와이어 또는 다른 전류 컬렉터에 컨쥬게이트되어; 또는 기타등등으로 배열될 수도 있다. 미생물 셀들은 전자 전도성 사이펀들과 (사이펀의 일부일 수도 있는) 다른 전자 전도 재료 사이에 배열될 수도 있으며; 전자 전도성 사이펀과 교번하는 층들로 배열될 수도 있으며; 전자 전도 재료와 교번하는 층들로 배열될 수도 있으며; 전자 전도성 사이펀 및 전자 전도 재료와 교번하는 층들로 배열될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 베셀의 최외각 표면 근처에 배열될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 베셀의 일부 내에 포함될 수도 있다.
본 개시물의 일부 양태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 볼타 셀에 층들로 배열될 수도 있으며; 그 층들은 유사한 광 흡수 파장 범위 특이성들을 가지는 미생물들을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 최외각 베셀 층에 관한 층들의 순서는, 적외선 흡수 미생물들, 그후, 적색 광 흡수 미생물들, 그후 주황색 광 흡수 미생물들, 그후 황색 광 흡수 미생물들, 그후 녹색 광 흡수 미생물들, 그후 청색 광 흡수 미생물들, 그후 인디고 (indigo) 광 흡수 미생물들, 그후 바이올렛 광 흡수 미생물들, 그후 자외선 흡수 미생물들, 또는 전자기 스펙트럼을 따른 다른 주파수 연쇄 (frequency progression) 일 수도 있다. 더 일반적으로는, 다른 캐스케이딩 (cascading) 파장 배열들이 광 수확 안테나들, 미생물들, 및 버퍼의 방사 흡수 특성들을 위해 채용될 수도 있다.
미생물들의 다양성은 전자들을 전극에 공여하거나 또는 본원에 전체적으로 참고로 포함되는 전극으로부터 전자들을 수용할 수 있다. 일부의 경우, 인공적인 전자 전달 촉진이 불필요하다. 쉬와넬라 오네이덴시스는 주로 가용성 전자 셔플들로서 기능하는 플라빈들을 통해서 전극들과 상호작용한다. 지오박터 설퍼리듀센들은 전극들에 외부-표면, c-유형 시토크롬들을 통해서 전기적으로 접촉한다. G. 설퍼리듀센들은 또한 합성 전도성 폴리머들에서 이전에 설명된 것과 유사한 금속-형 전도율을 가지는 미생물 나노와이어들로서 알려진 선모들을 따라서 장거리 전자 전달이 가능하다. 선모들 네트워크들은 수퍼커패시터 및 트랜지스터 기능들을 가진, 전도 폴리머로서 기능하는, G. 설퍼리듀센 생물막들에 전도성을 부여한다. 지오박터 설퍼리듀센들이 전자들을 상대적으로 두꺼운 (>50 미크론) 생물막들을 통해서 바닥 전자 수용체 (sole electron acceptor) 로서 기능하는 전극들로 전달하는 메커니즘들은 최근에 연구되었다. 전자 수용체로서 그라파이트 전극들을 가진 통과 (flow-through) 시스템들에서, 또는 바닥 전자 수용체로서 푸마르산염을 가진 동일한 그라파이트 표면 상에서 성장된 지오박터 설퍼리듀센들의 생물막들이, 전류를 생성하는 것으로 실증되어 왔다. 전도성 미생물들 및/또는 그들의 나노와이어들은 여러 잠재적인 실제 응용들을 갖지만, 추가적인 기본적인 연구가 합리적인 최적화를 위해 필요할 것이다. 미생물과 전극 사이의 좀더 효율적인 전자 전달을 위한 전자 사이펀 디바이스들이 설명된다. 또한, 볼타 셀용 전자 사이펀 디바이스들이 설명된다. 마지막으로, 물에 대한 볼타 셀들이 설명된다.
리포솜 예들
(테이블 2 에서의 것들과 같은) 광-수확 안테나들 분자들을 갖는 광-수확 리포솜들의 팝퓰레이션.
예들 리포솜들 구성요소들은 포스파티딜 콜린 (phosphatidyl choline) 의 스테롤 및 디스테아로일 (distearoyl) 유형들, 포스파티딜 콜린의 팔미토일 및 디팔미토일 유형들, 포스파티딜 글리세롤 및 콜레스테롤을 포함한다. 포스파티딜 글리세롤 및/또는 콜레스테롤이 향상된 온도 안정성을 제공하기 위해 리포솜에 추가될 수 있다.
팝퓰레이션은 광-수확 안테나들 리포솜들의 혼합물을 포함하며, 리포솜들은 디스테아로일 포스파티딜 콜린:디스테아롤 포스파티딜 글리세롤:콜레스테롤의 10:8:2 의 분자비를 포함하며; 광-수확 안테나들은 박테리오클로로필 a, 박테리오클로로필 b, 박테리오클로로필 c, 박테리오클로로필 d, 스피릴록산틴, 프로테오로돕신, 클로로필 a 및 클로로필 b 의 혼합물을 포함한다.
팝퓰레이션은 1:1 비의 조제된 멤브레인들 및 리포솜들을 포함할 수 있다. 가장 최적으로는, 팝퓰레이션은 1:10 비의 조제된 멤브레인 대 리포솜을 포함한다.
광합성 미생물들의 팝퓰레이션은 광-수확 리포솜들과 혼합되며, 여기서, 광합성 미생물들은 산소발생 및/또는 비-산소발생 광합성을 수행할 수 있다.
광 수확 안테나들 - 여러 예들
예시적인 생물체들 및 그들의 개개의 광-수확 안테나들은 테이블 1 에 리스트된다.
테이블 1. 미생물-유래된 광-수확 안테나들 구성요소들의 예들.
Figure pct00001
Figure pct00002
테이블 2. 안테나들 및 광-수확 능력들
Figure pct00003
Figure pct00004

광 수확 안테나들의 소스들
자연 발생 소스들
광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션들은, 자연 또는 합성 연못들; 종래의 실험실 조건들, 스케일링-업된 제조 조건들 하에서 배양 매체들을 가진 대규모의 성장 칼럼들; 및 광전지의 솔라 패널 베드들로부터 배양되어 수확될 수 있다.
개시된 실시형태들의 미생물들 및 미생물 유도체들은, 정의된 매체들로 배양하는 것, 자연 환경에서의 배양 및 솔라 패널 팜에서의 배양을 포함한 표준 미생물학적 방법들에 의해, 하나 이상의 지리적 로케이션으로부터 그리고 하나 이상의 기후 (climate) 로부터 분리될 수 있다.
에너지 변환 셀을 위한 조제
광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션은 광합성 미생물들로부터 유래된 광 수확 안테나들을 가진 멤브레인들을 포함할 수도 있다. 멤브레인들은 음파처리 (sonication), 수압 프레스, 압력 프레스, 효소, 저장성 배쓰 또는 다른 종래의 기계적 또는 화학-기계적 방법에 의해 미생물들로부터 조제될 수 있다. 멤브레인들은 개시된 실시형태들의 전해질-버퍼된 용액에의 첨가 전에, 버퍼된 용매 및 항산화제 혼합물, 예컨대 비이온성 계면활성제와 혼합될 수 있다. 멤브레인들은 산소발생 및/또는 비-산소발생 광합성이 가능한 하나 이상의 광합성 미생물 종으로부터 조제될 수 있다. 멤브레인들은 특정의 광합성 미생물들로부터 별개로 조제될 수 있으며, 광의 파장들의 범위들에 걸쳐서 광-수확 능력들을 가능하게 하기 위해 원하는 비로 혼합될 수 있다.
자연 발생 소스들의 변형들
개시된 실시형태들과 함께 사용하기 위한 미생물들 및 미생물 유도체들은, 또한 향상된 광의 수확을 위해 증가된 광 수확 안테나들 레벨들 및 증가된 광 수확 능력들을 갖는 하나 이상의 미생물 변형들을 생성하기 위해 유전 엔지니어링에 의해 발생될 수 있다.
광-수확 안테나들 구성요소는 단위 면적 멤브레인 당 증가된 개수들의 광-수확 안테나들 구성요소들을 갖는 하나 이상의 유전적으로-개질된 광합성 미생물 종을 추가로 포함할 수도 있다. 유전적으로-개질된 미생물들은 유전자 발현을 증대시켜 미생물들의 팝퓰레이션에서의 광-수확 안테나들의 생성을 증가시키도록 유도될 수 있다. 증가된 유전자 발현을 유도하는 방법들은, 전이인자들에 의한 유전자 녹-인들 (knock-ins); 플라스미드 DNA, 마이크로-RNA들, 유전자-활성화 RNA들에 의한 전이유전자들의 DNA 재결합; 컨주게이션 및 파지 형질도입을 증진하기 위한 공여체 셀들에 의한 공동 배양을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
광 수확 안테나들을 위한 매체들 - 버퍼들
버퍼 시스템은 액체, 겔 또는 페이스트 형태일 수도 있으며, 어떤 실시형태들에서, 염들, 완충제들, 영양소들, 농유제들 및 하나 이상의 다른 성분들을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 버퍼 시스템은 또한 색소들 또는 유사하게 간단한 광 수확 안테나들을 포함할 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 버퍼는 전자 공여체, 환원제, 염, 아미노산, pH 완충제, 탄소 소스, 질소 소스, 황 소스, 산소 소스, 트레이스 미네랄들, 비타민 보인자, 또는 전술한 것 중 임의의 2개 이상의 조합을 포함한다. 일반적으로, 버퍼 조성물은 시간에 걸친 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 유지보수를 지원한다. 또, 버퍼는 폐쇄된 시스템에서 하나 이상의 기후에서 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 유지보수를 지원할 수도 있다.
염들은 약 10 피코그램들/ℓ 내지 약 30 그램들/ℓ; 약 10 마이크로그램들/ℓ 내지 약 500 밀리그램들/ℓ; 약 50 마이크로그램들/ℓ 내지 약 50 밀리그램들/ℓ; 및 약 15 마이크로그램들/ℓ 내지 약 5 밀리그램들/ℓ 의 범위에 걸친 농도들로 존재할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 염들은 이온 전도도 레벨, 영양소 레벨, 등과 같은 원하는 전해질 성질들을 촉진하는 농도들로 존재한다. 일부 실시형태들에서, 염들은 그들의 높은 이온 전도도를 위해 선택된다.
사용될 수도 있는 염들의 예들은, 알루미늄 염화물, 알루미늄 플루오르화물, 암모니아, 암모늄 중탄산염, 암모늄 크롬산염, 염화암모늄, 암모늄 중크롬산염, 암모늄 수산화물, 암모늄 질산염, 암모늄 황화물, 암모늄 아황산염, 암모늄 황산염, 암모늄 과황산염, 암모늄 과염소산염, 붕산, 브롬 펜타플루오라이드, 카드뮴 염화물, 카드뮴 질산염, 카드뮴 셀렌화물, 카드뮴 황산염, 카드뮴 황화물, 칼슘 염화물, 칼슘 크롬산염, 칼슘 시안아미드, 칼슘 플루오르화물, 탄산, 크롬 염화물, 크롬 황산염, 크롬 염화물, 크롬 산화물, 크롬 황산염, 코발트 탄산염, 코발트 염화물, 코발트 황산염, 구리 염화물, 구리 산화물, 구리 황화물, 구리 탄산염, 구리 질산염, 수소 염화물, 수소 플루오르화물, 황화수소, 요오드산, 철 염화물, 철 산화물, 철 질산염, 철 티오시안네이트, 마그네슘 탄산염, 마그네슘 염화물, 마그네슘 산화물, 마그네슘 인산염, 황산 마그네슘, 마그네슘 인산염, 망간 산화물, 망간 황산염, 망간 염화물, 망간 플루오르화물, 망간 인산염, 니켈 탄산염, 니켈 염화물, 니켈 질산염, 니켈 수산화물, 니켈 산화물, 질산, 과염소산, 인 펜타브로마이드, 인 펜타플루오라이드, 인 펜타설파이드, 인 트리브로마이드, 인 트리플루오라이드, 인 3요오드화물, 백금 염화물, 포타슘 알루미늄 플루오르화물, 포타슘 붕산염, 포타슘 브롬화물, 포타슘 칼슘 염화물, 포타슘 질산염, 포타슘 과염소산염, 포타슘 과망간산염, 포타슘 황산염, 포타슘 황화물, 은 크롬산염, 은 질산염, 은 산화물, 은 황산염, 은 황화물, 나트륨 알루민산염, 나트륨 붕산염, 나트륨 브롬산염, 나트륨 탄산염, 염화나트륨, 중탄산염나트륨, 나트륨 수황화물, 나트륨 수산화물, 나트륨 차아염소산염, 나트륨 아망간산염, 나트륨 질산염, 나트륨 아질산염, 나트륨 과요오드산염, 나트륨 과황산염, 나트륨 인산염, 나트륨 황산염, 나트륨 황화물, 나트륨 티오시안네이트, 황 이산화물, 황산, 주석 염화물, 티타늄 염화물, 우라닐 탄산염, 아연 브롬화물, 아연 탄산염, 아연 염화물, 아연 플루오르화물, 아연 요오드화물, 아연 산화물, 아연 황산염, 아연 황화물 및 기타등등을 포함한다.
버퍼에서의 영양소들은 미생물 팝퓰레이션을 생산적인 상태에서 유지하도록 선택된다. 예들로서, 영양소 성분은, 질산염들, 아질산염들, 암모니아, 황산염, 아황산염, 인산염, 탄산염, 아미노산들, 당류, 펩톤, 카시톤 (casitone), 비타민들, 미네랄들, 금속들 및 미생물 성장 및 대사를 지원하는 다른 성분들 중 일부 또는 모두를 포함할 수도 있다. 영양소 농도들은 약 30 피코그램들/ℓ 내지 약 300 그램들/ℓ; 약 1 마이크로그램들/ℓ 내지 약 500 밀리그램들/ℓ; 약 50 마이크로그램들/ℓ 내지 약 30 밀리그램들/ℓ 및 15 마이크로그램들/ℓ 내지 약 5 밀리그램들/ℓ 의 범위일 수도 있다.
색소들은, 사용되면, 전자 공여체들이거나 및/또는 다른 역할들을 제공할 수도 있다. 그들은 파장-특정의 광을 흡수하고 광을 비-흡수 파장들에서 반사하거나 투과한다. 색소들은 광 에너지 캡쳐를 향상시킬 수도 있으며; 광을 베셀 내 둘러싸는 환경으로 반사할 수도 있으며; 광을 이웃하는 광 수확 안테나들로 반사할 수도 있으며; 광을 이웃하는 미생물로 반사할 수도 있으며; 광을 베셀 내 둘러싸는 환경으로 투과할 수도 있으며; 광을 이웃하는 광 수확 안테나들로 투과할 수도 있으며; 광을 이웃하는 미생물로 투과할 수도 있으며; (필터) 광의 하나 이상의 파장 범위들을 뽑아낼 (필터링할) 수도 있으며; 및/또는 다른 역할들을 제공할 수도 있다. 예들로서, 색소들은 카드뮴-, 크롬-, 코발트-, 니켈-, 망간-, 철-, 티타늄-, 아연-, 구리-함유 색소들 및 기타등등과 같은 금속 색소들; 카본 블랙, 아이보리 (ivory) 블랙, 및 기타등등과 같은 탄소-기반의 색소들; 점토 토양 (clay earth) 색소들; 울트라마린 색소들; 인디고, 인디안 적색, 티리언 퍼플, 및 기타등등과 같은 생물학적 유기 색소들; 및 다른 생물학적 및 합성 색소들일 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 색소들은 버퍼 시스템에 부재할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 색소들은 버퍼 시스템의, 약 5% 내지 약 90% 중량/체적 (w/v); 약 15% 내지 약 70% (w/v); 약 25% 내지 약 60% (w/v); 약 35% 내지 약 50% (w/v) 에 걸친 농도들로 존재할 수도 있다.
버퍼는 폐기물로서 달리 취급되는 영양소들을 포함할 수도 있다. 하나의 이러한 예는 폐수이다. 폐수에서의 탄소-함유 화합물들은 전자들을 생성하기 위해 미생물들에 의해 사용될 수도 있다.
전자 사이펀들
전자 사이펀들은 다른 엔터티들로부터 전자들을 수용하고 이러한 전자들을 전도 및/또는 반-전도 구조에 의해 수송하는 전자-수용 모이어티들을 포함할 수도 있다. 전자 사이펀들은 하나 이상의 이러한 전자-수용 모이어티를 가질 수도 있으며 하나 이상의 전자들을 동시에 수용할 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 엔터티들, 또는 다른 구조의 일부, 예컨대 미생물의 멤브레인; 멤브레인 구성요소; 소포; 엽록체; 사립체 또는 기타등등 내에 또는 그에 병치된, 광 수확 안테나들; 미생물들; 전자 운반체 단백질들; 및 다른 모이어티들이 존재하지 않을 수도 있는 멤브레인-포함 전자 공여체들로부터의 전자들의 효율적인 사이퍼닝 (siphoning) 을 위한 멤브레인 도킹 사이트들을 포함한다. 더 일반적으로는, 전자 사이펀들은 임의의 형태의 전자 공여체들과의 도킹 또는 간단한 접촉을 촉진하기 위해 모이어티들을 포함할 수도 있다.
전자 사이펀들의 성분들은 하나 이상의 전자 운반체 단백질들, 폴리머들, 탄소의 합성물들, 합금들 및 혼합물들, 탄소, 실리콘, 금속들, 콜로이드들, 세라믹, 구리, 아연, 그라파이트, 스테인리스 스틸, 티타늄 산화물, 색소들, 광 수확 안테나들, 엽록체들, 사립체, 전자 운반체 분자들, 다른 전자 수령체 분자들, 및 이들의 임의의 것의 조합들을 포함하는 재료로 이루어질 수도 있다. 일부 상황들에서, 전자 사이펀들은 전자 수용체들로서 그리고 전자 공여체들로서 양자로 간주될 수도 있으며; 그들은 전자를 버퍼에서의 공여체들로부터 볼타 셀에서의 전류 컬렉터 방향으로 직접 안내한다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 초기 전자 공여체와 전류 컬렉터 사이의 전자 중계 시스템으로서 기능한다. 전자 사이펀 구조 재료들의 예들은 탄소, 전자 운반체 단백질들, 폴리머들, 탄소의 합성물들, 합금들 및 혼합물들, 실리카, 금속들, 색소들, 구리, 아연, 스테인리스 스틸, 티타늄 산화물 및 기타 등등을 포함한다.
전자 사이펀들은 비결정, 결정, 또는 부분 결정 구조들을 포함할 수도 있다. 구조들은 단일 원자 두께 또는 다수의 원자들 두께인 두께를 가질 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 단일 형태를 갖지만, 다른 실시형태들에서, 그들이 조합되며, 종종 복합체로 조합된다. 전자 사이펀들은 튜브들, 와이어들, 나선형들 (spirals), 브리슬들 (bristles), 플레이트들, 절단 부서러기들 (shavings), 도트들, 입자들, 구들, 시트들, 멤브레인들, 메시, 웹들, 네트워크들, 및 기타 등등으로서 형상화될 수도 있다. 전자 사이펀 포맷들은 이들 중 2개 이상의 혼합된 팝퓰레이션을 포함할 수도 있다. 더욱이, 각각의 전자 사이펀은, 하나 이상의 탄소 폴리머, 금속, 메탈로이드, 콜로이드 또는 전자 전달 가능한 다른 구조를 포함하는, 하나 이상의 와이어, 쓰레드, 섬유, 튜브, 도트, 플레이트, 입자 또는 다른 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 전자 사이펀들의 팝퓰레이션은 튜브, 와이어, 입자, 도트, 섬유, 플레이트, 네트워크 또는 기타등등의 팝퓰레이션을 포함할 수도 있다.
다수의 전자 사이펀들은 어레이, 매트릭스, 서스펜션, 하나 이상의 층, 폴리머, 등과 같은 상부구조 (superstructure) 로 그룹화될 수도 있다. 버퍼와 같은 볼타 셀의 다른 엘리먼트들과 함께, 사이펀들은 겔, 코-폴리머, 페이스트, 반-고체, 및 임의의 다른 순서화된 또는 무작위 배열과 같은, 많은 유형들의 구조를 가정할 수도 있다.
전자 사이펀들은 (예컨대, 셀에서 전자들을 전도하고 및/또는 공여체들로부터 전자들을 수용하는) 그들의 역할에 적합한 사이즈를 갖는다. 종종, 그들은 전자 공여체들과 인터페이스하도록 크기가 형성된다. 일부 실시형태들에서, 사이펀들은 대략 셀 사이즈, 또는 더 작은, 예컨대, 수십의 마이크론으로부터 나노미터 스케일이다. 일부 구현예들에서, 사이펀들은 약 1-20 nm (예컨대, 약 4-5 nm) 의 평균 직경 및 약 10-50 um (예컨대, 약 30 um) 의 평균 길이를 갖는다. 이 사이즈의 사이펀들은 미생물의 외부 표면 상에 배열될 수 있다. 합성 사이펀들을 채용하는 어떤 구현예들에서, 사이펀들은 약 2-10 nm 의 직경들을 가질 수도 있다. 이러한 사이펀들의 어셈블리들은 약 50-100 nm 의 치수들을 가질 수도 있다. 합성 사이펀들의 예들은 4-5 nm 직경 및 30-80 um 길이들을 갖는 재조합 pilA 폴리머들을 포함한다. 합성 사이펀들의 다른 예들은 양자 도트들, 양자 와이어들, 양자 우물들, 나노튜브들, 나노와이어들, 및 기타 등등을 포함한다. 전자 사이펀들은 대략 나노미터 치수들을 일반적으로 갖지만, 마이크로미터 및 밀리미터와 같은 다른 사이즈 스케일들이 채용될 수도 있다.
전자 전도 나노구조들에 사용될 수 있는 구조들의 예들은 나노입자들, 나노분말들, 나노튜브들, 나노와이어들, 나노로드들, 광섬유들, 양자 도트들, 덴드리머들, 나노클러스터들, 나노크리스탈들, 및 나노복합재료들을 포함한다. 구조들은 전자 운반체 단백질들, 폴리머들, 합성물들, 탄소 (예컨대, 풀러렌들), 실리콘, 금속 (예컨대, 구리), 금속 합금들 (예컨대, 스테인리스 스틸), 세라믹, 티타늄 산화물, 등을 포함한, 여러 재료들 중 임의의 재료로 제조될 수 있다.
전자 사이펀들은 균일한 또는 불균일한 조성을 가질 수도 있다. 순수 균일한 실시형태에서, 전자 운반 구성요소 및 전자 수용 엘리먼트는 사이펀을 통해서 친밀히 혼합된다. 불균일한 전자 사이펀의 일 예로서, 구조는 지지 기판으로서 전도성 로드를 포함하며 전자 수용 모이어티 및 도킹 모이어티로 균일하게 코팅된다. 다른 예에서, 도킹 및/또는 전자 수용 모이어티들은 전도성 기판의 하나의 측면 또는 영역 상에 로컬라이즈될 수도 있다. 이러한 사이펀 구조들은 전자 수용 모이어티 및/또는 도킹 모이어티의 애플리케이션 동안 강자성의 로드들 (사이펀 지지 구조들의 컬렉션) 을 공통 방위로 배열하는 프로세스와 같은 방위 특정의 프로세싱 메커니즘에 의해 생성될 수도 있다.
전자 사이펀들은 하나 이상의 구성요소 서브유닛을 포함할 수도 있으며 이에 의해 구성요소 서브유닛이 전자 공여체와 조립된다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 서브유닛은 전자 공여체에 접속된다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 서브유닛들은 매트릭스 또는 다른 어셈블리에 접속되며 전자 공여체들에 접속된다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 서브유닛들은 전자 공여체들에 개별적으로 접속되며, 그 공여체들의 조합이 그후 다른 전자 사이펀들에 접속될 수도 있다. 설명된 바와 같이, 전자 사이펀들은 사이펀의 다른 구조로 수용되거나 또는 조정된 전자들을 수송하기 위해 전도성 또는 반-전도 재료를 포함할 수도 있다. 전자 사이펀은 하나 이상의 전자를 전자 공여체의 존재 하에 동시에 수용하고 조정할 수도 있다. 전자 사이펀은 하나 이상의 전자를 전자 수용체의 존재 하에서 공여할 수도 있다.
하나 이상의 전자를 수용하고 조정하는 전자 사이펀의 경향은, 공여체로부터 전자를 수신하기 위해 전자 수용 또는 조정 모이어티들에 대해 요구되는 퍼텐셜 에너지에 의해 부분적으로 결정될 수도 있다. 전자 사이펀의 전자 조정 모이어티들은 전자 공여체들보다 작은, 전체적 음성 (overall negativity) 을 가질 수도 있다. 전자 사이펀들은 전자 공여체들 보다 작은 전체 음성을 포함할 수도 있으며, 전자 수용체들보다 전체적으로 더 많은 음성을 포함할 수도 있다. 전자 조정 모이어티들의 예들은 아르기닌, 라이신, 폴리-아르기닌, 폴리-라이신, 암모늄, 테트라부틸암모늄, 퀴논들, 유비퀴논들, 비페닐들, 2,2'-비피리딘들, 아조 그룹들, 아민 그룹들, NO2 그룹들, CN 그룹들, 나프탈이미드, [60] 풀러렌들, 폴리티오펜들, 터피리딘 (terpyridine), 이미드 그룹들, 폴리이미드 그룹들, 그의 유도체, 또는 기타등등을 포함한다.
전자 조정 모이어티들은 전자 사이펀과 전자 조정 모이어티 사이의 공유 결합을 얻기 위해 여러 커플링 케미스트리들에 의해 전자 사이펀의 다른 구성요소들에 컨쥬게이트될 수도 있다.
전자 사이펀들은 그들이 인터페이스하는 미생물들 또는 멤브레인들과 도킹하지만 관통하지 (또는 아니면, 용해하지) 않도록 설계될 수도 있다. 사이펀들은 사이펀 전자들이 대사적으로 또는 광합성으로 발생한 양성 (benign) 부속물들로서 기능할 수도 있다. 전자 사이펀들은 커플링 모이어티를 포함할 수도 있다. 커플링 모이어티들은 전자 공여체 또는 전자 공여체를 포함하는 종에 대해 친화력을 가질 수도 있다. 커플링 모이어티들의 예들은 항체들 및 그의 성분들 (예컨대, F(ab) 및 F(ab')2 단편들), 단백질 도메인들, 콜레스테롤, 포스포이노시티드 (phosphoinositide), 인지질들, 지질 A, 리포다당류 (lipopolysaccharide), 만난, 리포아라비노만난 (lipoarabinomannan), 리포테이코산 (lipoteichoic acid), 필린, PilA, 및 기타 등등을 포함한다. 어떤 실시형태들에서, 커플링 모이어티들은 공유 결합의 형성을 가능하게 하기 위해서 하나 이상의 표면 잔재들 (residues) 에서의 전자 사이펀에 컨쥬게이트된다.
어떤 실시형태들에서, 멤브레인과의 도킹을 위해, 사이펀은 소수성 부분을 가질 수도 있다. 그러나, 전체 사이펀 구조는, 소수성이 그 구조가 멤브레인을 관통하도록 하기 때문에, 소수성이어서는 안된다. 따라서, 어떤 실시형태들에서, 사이펀 구조의 하나의 부분은 소수성이고 다른 부분은 소수성이 아니다. 일부 구현예들에서, 사이펀 구조의 비-소수성 부분은 대전된다, 즉, 양으로 대전되거나 또는 음으로 대전된다. 양의 전하가 전자들을 멤브레인에서의 전자 전달 구성요소들로부터 사이펀으로 끌어당기기 위해 채용될 수도 있다.
베이스 사이펀 구조가 친수성이면 (예컨대, 금속 사이펀 구조들), 그것은 양으로 대전될 필요가 없다. 대신, 부분은 멤브레인 도킹을 증진하기 위해 소수성으로 이루어진다. 베이스 사이펀 구조가 소수성이면 (예컨대, 탄소 사이펀 구조들), 그것은 소수성으로 만들기 위해 어떤 처리도 필요로 하지 않는다. 대신, 그것은 양으로 대전된 부분을 만들기 위해 처리될 수도 있다.
어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀 베이스 구조는 중성 버퍼에 전체 양의 전하를 부여하도록 처리된다. 이것은 사이펀이 소수성일 때 적합할 수도 있다. 소수성 사이펀 재료들의 예들은 탄소 (예컨대, 탄소 나노구조들), 소수성 아크릴들, 아미드들, 이미드들, 탄산염들, 디엔들, 에스테르들, 에테르들, 플루오로카본들, 올레핀들, 스티렌들, 비닐 아세탈들, 비닐 염화물들, 비닐리덴 염화물들, 비닐 에스테르들, 비닐 에테르들, 케톤들, 비닐피리딘 폴리머들 및 비닐피롤리돈 폴리머들을 포함한다. 전자 사이펀 재료들은 ac-형 시토크롬, 아르기닌, 폴리아르기닌, 라이신, 폴리라이신, 프로타민들, 히스톤들, 철 (III), 철-황 클러스터들, 및 기타 등등에 공유결합으로 컨쥬게이트될 수도 있다. 전자 사이펀 재료들은 카드뮴, 아연, 지르코늄, 몰리브데늄, 망간, 마그네슘, 철, 백금, 구리, 로듐, 오스뮴, 이리듐, 및 기타 등등과 같은 금속 모이어티들을 갖는 그들의 표면들을 가질 수도 있다. 또, 전자 사이펀 재료들은 (i) 전체 양의 전하 (overall positive charge), (ii) 전자-결합 능력들, 및 (iii) 종래의 합성 전도 재료들 (예컨대, 탄소 나노튜브들) 의 독성 효과들을 중성화하는 능력을 갖는 다른 전자 결합 구성요소들로 개질된 그들의 표면들을 가질 수도 있다. 합성 전자 전도 재료들의 개질은 전도 재료와 양으로-대전된 전자 결합 모이어티 사이의 공유 결합 형성과 친핵성 공격을 수반하는 클릭 케미스트리 (click chemistry) 및 화학적 가교를 포함하는 종래의 화학적 컨주게이션 기법들에 의해 수행될 수 있다. 다른 방법들은 구핵원자의 활성화를 유도하고 공유 결합을 발생시켜 전도 재료와 양으로-대전된 전자 결합 모이어티를 형성하기 위해, 광-가교로서 또한 알려져 있는, UV 조사의 사용을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 개질들은 단지 사이펀 구조의 부분 (예컨대, 단지 그의 말단 부분) 을 포함한다.
언급한 바와 같이, 전자 사이펀들은 미생물, 미생물 멤브레인, 소포, 또는 전자 운반체 구성요소들을 포함하는 다른 멤브레인 유도체와의 상호작용을 촉진하기 위해 소수성 부분을 가질 수 있다. 베이스 재료가 소수성이 아니면, 개질은 소수성 부분을 생성해야 한다. 이러한 소수성 부분들은 콜레스테롤, 이소프레노이드 (isoprenoid) 체인들을 포함하는 글리세롤-에테르 지질들, 시클로프로판들 및 시클로헥세인들 또는 글리세롤-에스테르 지질들 예컨대 지질 A, 포스파티딜콜린 (phosphatindylcholine), 포스파티딜에탄올아민 (phosphatidylethanolamine), 포스파티딜세린 (phosphatidylserine), 포스파티딜이노시톨 (phosphatidylinositol), 스핑고미엘린 (sphingomyelin) 및 포스파티딜글리세롤 (phosphatidylglycerol) 과 같은, 스테롤들의 공유 컨주게이션에 의해 발생될 수 있다. 소수성 처리를 필요로 할 수도 있는 재료들의 예들은 금속 나노구조들, 메탈로이드들, 콜로이드들, 합성물 나노구조들, 친수성 폴리머들 예컨대 폴리사카라이드들, 폴리아민들, 프로테오글리칸들 (proteoglycans), 항체들 및 기타 등등을 포함한다.
일 예에서, 하나 이상의 전자 공여체에의 전자 사이펀 활동 및/또는 연결성을 가능하게 하기 위한 생물학적 및 생화학적 모이어티들의 커플링은 산-활성화에 뒤이어서, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필) 카르보디이미드 하이드로클로라이드, N-하이드록시숙신이미드, 또는 기타등등을 첨가하는 것, 즉, 카르보디이미드 (carbodiimide) 아미드화를 통해서 달성된다.
일부 양태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 전자 사이펀 팝퓰레이션과 혼합된다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 전자 사이펀 팝퓰레이션과 약 1:1 비에서; 약 1:2 비에서; 약 1:3 비에서; 약 1:4 비에서; 약 1:5 비에서; 약 1:6 비에서; 약 1:7 비에서; 1:10 비 및 약 1:30 비에서 혼합될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 사이펀 팝퓰레이션과 혼합될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 사이펀 팝퓰레이션과 약 1:0.5 비; 약 1:1 비에서; 약 1:2 비에서; 약 1:3 비에서; 및 약 1:4 비에서 혼합될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 팝퓰레이션은 미생물 셀 팝퓰레이션과 혼합될 수도 있으며 광 수확 안테나들 팝퓰레이션과 혼합될 수도 있다. 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 미생물 셀 팝퓰레이션의 흡수 패턴을 보충하는 파장 범위들에서의 광을 흡수하는 인공적인 및/또는 자연 발생 안테나들을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀 팝퓰레이션은 미생물 셀 팝퓰레이션과 혼합될 수도 있으며, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션과, 약 0.5:1:1 비에서; 약 1:1:1 비에서; 약 2:1:1 비에서; 약 3:1:1 비에서; 약 4:1:1 비에서; 약 5:1:1 비에서; 약 6:1:1 비에서; 약 10:1:1 비에서; 약 15:1:1 비에서; 약 30:1:1 비에서; 약 40:1:1 비에서; 약 0.5:1:2 비; 약 1:1:2 비에서; 약 2:1:2 비에서; 약 3:1:2 비에서; 약 4:1:2 비에서; 약 5:1:2 비에서; 약 6:1:2 비에서; 약 10:1:2 비에서; 약 15:1:2 비에서; 약 30:1:2 비에서; 약 40:1:2 비에서; 약 0.5:1:3 비; 약 1:1:3 비에서; 약 2:1:3 비에서; 약 3:1:3 비에서; 약 4:1:3 비에서; 약 5:1:3 비에서; 약 6:1:3 비에서; 약 10:1:3 비에서; 약 15:1:3 비에서; 약 30:1:3 비에서; 약 40:1:3 비에서; 약 0.5:1:4 비; 약 1:1:4 비에서; 약 2:1:4 비에서; 약 3:1:4 비에서; 약 4:1:4 비에서; 약 5:1:4 비에서; 약 6:1:4 비에서; 약 10:1:4 비에서; 약 15:1:4 비에서; 약 30:1:4 비에서; 약 40:1:4 비에서; 약 0.5:1:4 비; 약 1:1:4 비에서; 약 2:1:4 비에서; 약 3:1:4 비에서; 약 4:1:4 비에서; 약 5:1:4 비에서; 약 6:1:4 비에서; 약 10:1:4 비에서; 약 15:1:4 비에서; 약 30:1:4 비에서; 약 40:1:4 비에서; 약 0.5:1:5 비; 약 1:1:5 비에서; 약 2:1:5 비에서; 약 3:1:5 비에서; 약 4:1:5 비에서; 약 5:1:5 비에서; 약 6:1:5 비에서; 약 10:1:5 비에서; 약 15:1:5 비에서; 약 30:1:5 비에서; 약 40:1:5 비에서; 약 1:1:5 비에서; 약 2:1:5 비에서; 약 3:1:5 비에서; 약 4:1:5 비에서; 약 5:1:5 비에서; 약 6:1:5 비에서; 약 10:1:5 비에서; 약 15:1:5 비에서; 약 30:1:5 비에서; 약 40:1:5 비에서; 약 1:1:6 비에서; 약 2:1:6 비에서; 약 3:1:6 비에서; 약 4:1:6 비에서; 약 5:1:6 비에서; 약 6:1:6 비에서; 약 10:1:6 비에서; 약 15:1:6 비에서; 약 30:1:6 비에서; 약 40:1:6 비에서; 약 2:1:7 비에서; 약 3:1:7 비에서; 약 4:1:7 비에서; 약 5:1:7 비에서; 약 6:1:7 비에서; 약 10:1:7 비에서; 약 15:1:7 비에서; 약 30:1:7 비에서; 약 40:1:7 비에서; 약 2:1:8 비에서; 약 3:1:8 비에서; 약 4:1:8 비에서; 약 5:1:8 비에서; 약 6:1:8 비에서; 약 10:1:8 비에서; 약 15:1:8 비에서; 약 30:1:8 비에서; 약 40:1:8 비에서; 약 2:1:9 비에서; 약 3:1:9 비에서; 약 4:1:9 비에서; 약 5:1:9 비에서; 약 6:1:9 비에서; 약 10:1:9 비에서; 약 15:1:9 비에서; 약 30:1:9 비에서; 약 40:1:9 비에서; 약 2:1:10 비에서; 약 3:1:10 비에서; 약 4:1:10 비에서; 약 5:1:10 비에서; 약 6:1:10 비에서; 약 10:1:10 비에서; 약 15:1:10 비에서; 약 30:1:10 비에서; 약 40:1:10 비에서; 그리고 최고 약 40:1:20 비에서 혼합될 수도 있다.
전자 사이펀들은 개시된 실시형태들의 광-수확 안테나들 구성요소에 바로 인접하게 위치될 수도 있다. 또, 개시된 실시형태들의 전자 사이펀들은 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션의 광자-중재된 흥분에 의해 발생된 자유 전자들의 스케빈징 (scavenging) 을 위해 전자 운반체 구성요소에 바로 인접하게 위치될 수 있다. 전자 사이펀들은 미생물, 미생물-유래된 멤브레인 구성요소 또는 내장된 광-수확 안테나들 구성요소들을 가진 소포의 표면을 따라서 위치될 수 있다.
상기 처리들은 전자 사이펀들을, 직접 인접하게 위치될 (즉, (예컨대, 항체-항원 면역 복합체에) 도킹되거나, 매립되거나 또는 결합되거나 또는 기타등등) 때 미생물 또는 미생물-유래된 멤브레인 구성요소의 광-활동을 유지하는 방법으로 개질시킨다. 또, 미생물의 대사 활동 및 미생물 멤브레인에서의 전자 운반체 구성요소들의 전자 전달 능력들은 이러한 전자 사이펀들이 도킹될 때 유지될 수도 있다.
또, 나노-스케일 유닛을 가로질러 지향성 전자 흐름을 가능하도록 하기 위해, 광-수확 안테나들 구성요소로부터 직접 전자 스케빈징을 위한, 생물학적으로 안전한 (bio-safe) 개질된 나노구조 유닛이 개시된다. 또한, 개질된 나노-스케일 구성요소들의 팝퓰레이션을 가로질러 지향성 전자 흐름을 가능하도록 하기 위해, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션으로부터의 직접 전자 스케빈징을 위한, 생물학적으로 안전한 개질된 나노-스케일 유닛들의 팝퓰레이션이 개시된다.
일부 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 하나 이상의 광 수확 안테나들을 갖는 미생물 멤브레인과 접촉가능한 양으로-대전된 전자 수용체 분자들에 (예컨대, 공유결합으로) 링크된 전기 전도 또는 반-전도 재료를 포함할 수도 있다. 개시된 실시형태들의 양으로-대전된 전자 수용체 분자들은 아르기닌, 라이신, 폴리-아르기닌, 폴리-라이신, 열-안정한 전자 운반체 단백질 또는 그의 유도체, 또는 기타등등을 포함할 수도 있다.
베셀은, 절연성 주입-몰드된 폴리머 측면-벽 및 뒤판 유닛에 병치된 전자 흐름 도관 플레이트에 병치된 개질된 전도성 나노-스케일 구성요소들의 층에 병치된 유리 패널에 병치된 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션의 층을 생성시키는 방법으로 제조될 수 있다. 개질된 전도성 나노-스케일 구성요소들은 분무 (spraying), 롤링, 및 프린팅에 의해 전자 흐름 도관 플레이트에 도포할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 도포하는 사전-혼합된 용액은 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션 및 개질된 전도성 나노-스케일 구성요소들을 포함하며, 여기서, 용액은 바로 광 변환 시스템의 전자 흐름 도관 플레이트에 대한 개시된 실시형태들의 pH-버퍼된 전해질 용액이다.
일 실시형태의 광-변환 시스템은, 광자-여기된 전자 스케빈징 및 광-수확 안테나들 팝퓰레이션으로부터 전도성 후면-플레이트 (예컨대, 전류 컬렉터) 로의 퍼널링 (funneling) 을 최대화하여 그후 전류를 외부 회로 (1007) 로 안내하기 위해 전도성 나노물질의 층 (1006) 에 병치된; 큰 온도 범위들을 견디도록 형성되고 최소의 굴절 성질들과 함께 광 투과에 최적화된 강화 유리 상부 플레이트 (도 3, 1002); 유리 상부 둘레에서 누설-방지 밀봉재를 발생시켜 전해질-버퍼된 용액 (1004) 의 손실을 방지하는 하나 이상의 UV-방지 개스킷 (1003); 및 광-흡수 효율을 최대화하는 방위에서의 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션 (1005) 을 포함한다. 도시된 실시형태에서, 광 변환 시스템의 주요 부분은 절연 벽들 내에 포함된 전해질 완충액, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션 및 전도성 나노-스케일 구성요소들에의 액세스를 가능하게 하는 하나 이상의 액세스 포트를 포함하는 주입-몰드된 폴리머 절연 측면 벽들 및 뒤판 프레임 (1008) 의 인클로저를 갖는다.
게다가, 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션 (2003) 에의 나노-스케일 구성요소들의 직접 접촉을 통해서 광-수확 안테나들 분자 상에서 광-중재된 전자 여기로부터 발생된 여기된 전자들을 스캐빈징하는 생물학적으로 안전한 개질된 나노-스케일 구성요소들 (도 4, 2002) 의 사용이 본원에서 제시된다.
일부 실시형태들에서, 미생물들은 (광합성으로 또는 대사적으로 생성된) 여분의 전자들을 제거하기 위해 전자 전도 나노구조들을 갖도록 선택되거나 생성하도록 유도될 수도 있다. 이러한 구조들은 미생물들의 해부학적 확장물들이다. 이러한 구조들은 피브릴들, 선모들, 세크레틴 시스템들 (I, II, III, 및 IV 유형들) 및 엑소좀들일 수 있다. 이러한 구조들의 조성들은 단백질, 프로테오글리칸, 리포솜, 리포다당류를 포함할 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 이러한 미생물 나노구조들은 전자 전도성 애노드 또는 애노드에 부착된 전도성 네트워크에 직접 커플링된다. 구조들은 광에의 노출 (렌즈들을 통한, 증가된 강도), 영양소들에의 노출 또는 유전 엔지니어링 접근법들을 통해서 해부학적 확장물들을 생성할 때에 수반되는 유전자 산물들을 인코딩하는 유전자들의 상향조절 (upregulation) 을 추가함으로써 유도될 수 있다.
전자 사이펀 매트릭스
일부 실시형태들에서, 볼타 셀은 하나 이상의 전자 사이펀 매트릭스들을 포함할 수도 있다. 매트릭스는 네트워크 또는 폴리머에 배열된 전자 사이펀 서브유닛들의 어레이를 포함할 수도 있다. 네트워크 또는 폴리머 매트릭스는 서브유닛들의 공유 커플링을 통해서 그리고 서브유닛들의 정전 상호작용을 통해서 제조될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 전자 사이펀 매트릭스에 직접 컨쥬게이트된다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션은 전자 사이펀 매트릭스 상으로 직접 흡수된다. 일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 사이펀 매트릭스에 직접 컨쥬게이트된다. 일부 실시형태들에서, 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 사이펀 매트릭스 상으로 직접 흡수된다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션 및 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 사이펀 매트릭스에 직접 컨쥬게이트된다. 일부 실시형태들에서, 미생물 셀 팝퓰레이션 및 광 수확 안테나들 팝퓰레이션은 전자 사이펀 매트릭스에 흡수된다.
일부 실시형태들에서, 추가적인 전자 전도 재료는 전자 사이펀 매트릭스에 직접 컨쥬게이트된다. 일부 실시형태들에서, 전자 전도 재료는 전자 사이펀 매트릭스에 직접 흡수된다. 일부 실시형태들에서, 전자 전도 재료는 전자 사이펀 매트릭스로부터 반투성 배리어에 의해 분리된다.
전자 사이펀 및 볼타 셀 배열들
배열 1. 전자 사이펀들 및 전자 공여체 팝퓰레이션 배열.
일부 예들에서, 볼타 셀에서 전자 공여체 팝퓰레이션의 멤버들로부터 유래하는 전자들은 볼타 셀에의 광자 에너지 통과에 의해 더 높은 에너지 상태로 여기될 수도 있다. 일부 예들에서, 볼타 셀에서 전자 공여체 팝퓰레이션의 멤버들로부터 유래하는 전자들은 생화학 반응에서의 공유 결합 에너지의 가수분해에 의해 발생될 수도 있다. 일부 예들에서, 전자 공여체 팝퓰레이션은 광 수확 안테나들을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 전자 공여체 팝퓰레이션은 색소들을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 전자 공여체 팝퓰레이션은 미생물 셀들을 포함할 수도 있다. 전자 공여체 팝퓰레이션 (도 6, 601 내지 611) 의 멤버들로부터 유래하는 전자(들) 은 전자 사이펀 팝퓰레이션 (도 6, 612) 의 멤버들에 의해 캡쳐될 수도 있다. 전자 사이펀 팝퓰레이션은 전자들을 외부 부하에 제공하는 볼타 셀의 전류 컬렉터 또는 전자 전도성 부분으로 전자들을 채널링한다. 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 캡쳐된 전자들은 한 방향으로 흐른다 (도 6, 613). 전류로서 또한 지칭되는, 전자 흐름의 방향은, 볼타 셀 내에 자발적으로 발생된 전기 전위차에 의해 볼타 셀 내에 확립될 수도 있으며, 볼타 셀 내에서 극성을 확립하는 외부 디바이스에 의해 옵션적으로 촉진될 수도 있다. 전류의 방향은 볼타 셀에서의 전자 사이펀 팝퓰레이션의 배열에 의해 부분적으로 발생될 수도 있다. 전류의 방향은 볼타 셀을 가로지르는 인가된 전기 퍼텐셜에 의해 영향을 추가로 받을 수도 있다. 전자 사이펀들은, 여러 전자 사이펀들이 제 2 전자 사이펀에 직접 접속할 수도 있고 제 1 전자 사이펀이 전자 공여체로부터 전자를 수용할 수도 있고 제 2 전자 사이펀이 제 2 전자 사이펀에 접속될 수도 있는 방법으로 배열될 수도 있다.
배열 2. 전자 사이펀들 및 미생물 셀 팝퓰레이션의 제 2 배열.
일부 예들에서, 전자 사이펀들 (도 7, 706) 의 혼합물 및 전자 공여체 팝퓰레이션 (도 7, 701 내지 705) 의 멤버들의 혼합물의 간단한 배열이 볼타 셀에 배치될 수도 있다. 전자 공여체 팝퓰레이션의 전자 공여체들은 미생물들, 색소들, 광 수확 안테나들 또는 기타등등을 포함할 수도 있다. 전자 사이펀 팝퓰레이션의 전자 사이펀들은 전도성 나노입자들, 전도성 나노와이어들, 전도성 나노튜브들, 전도성 메시, 전도성 플레이트, 및/또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수도 있다. 전자 공여체에 의해 발생된 전자들은 공여체로부터 (또한 중간 전자 수령체일 수도 있는) 사이펀으로의 전자의 수송 이벤트를 통해서 전자 사이펀에 의해 사이펀될 수도 있다. 전자 사이펀들은 여러 전자 사이펀들이 하나 이상의 전자 공여체에 병치되어 배열될 수도 있는 방법으로 배열될 수도 있다. 전자 사이펀들은 하나 이상의 전자 사이펀이 하나 이상의 전자 공여체에 직접 접속하여 전자 공여체로부터 전자를 직접 접속할 수도 있는 방법으로 배열될 수도 있다. 하나 이상의 전자 공여체들은 공여체들로부터 볼타 셀의 전류 컬렉터로의 전자 전도 경로에서 노드들 또는 경로 엘리먼트들로서 기능한다.
배열 3. 여러 전자 사이펀들의 배열들.
일부 예들에서, 탄소의 폴리머 (도 8 (A-C)) 는 전자 사이펀에서의 전도 재료일 수도 있다. 이 유형의 탄소 폴리머는 시트, 멤브레인, 메시, 플레이트, 섬유, 튜브, 와이어, 도트, 입자 또는 기타등등을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 전자 사이펀은 나노튜브, 나노와이어, 나노섬유, 나노입자 또는 기타등등을 포함할 수도 있다 (도 8A, 802). 일부 예들에서, 전자 사이펀은 중공 튜브, 와이어, 원섬유, 섬유, 브레이드 (braid) 또는 기타등등을 포함할 수도 있다 (도 8B). 일부 예들에서, 전자 사이펀은 도트, 나노입자, 극미립자, 구, 회전타원체, 다면체, 중공 다면체 또는 기타등등을 포함할 수도 있다 (도 8C). 전자 사이펀들의 개질은 전자 사이펀의 하나 이상의 잔유물 상에서 반응성 화학적 모이어티들을 발생시킬 수도 있는, 산 활성화와 같은 종래의 활성화 기법들을 이용하여 이루어질 수도 있다. 추가적인 개질들이 NHS, 술포-NHS, EDC, BMPH 또는 다른 링커들의 존재 하에서 발생될 수도 있다.
배열 4. 전자 사이펀들의 다양한 어레이.
전자 사이펀들은 성질에 있어 전도성 또는 반-전도성일 수도 있으며, 어레이의 일 단부로부터 타 단부로의 전자의 여행을 증진시키는 방법으로 배열될 수도 있다. 전자 사이펀들의 배열은 반데르발스 힘들과 같은 자연 성질들에 의해 조작될 수도 있거나 또는 어레이에의 전자 사이펀들의 공유 커플링과 같은 합성 수단 (synthetic means) 에 의해 조작될 수도 있다. 일 예에서, 전자 사이펀들의 균질 컬렉션 (도 9A, 903) 은, 전자 사이펀 (901) 이 어레이 (903) 에서의 제 2 전자 사이펀과 접촉하도록, 어레이될 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 전자 사이펀들은, 어레이에서의 인접한 전자 사이펀들 사이의 결합을 촉진시키고 전자들의 수송을 촉진시키고 전자 공여체에의 도킹을 촉진시키고 전자 전도 재료에 대한 도킹 사이트로서 기능하고 또는 기타등등을 행하기 위해 개질들 (902) 을 포함한다. 종종, 결합 (linkage) 은 약 0 내지 2 Angstroms 정도이다. 다른 예에서, 전자 사이펀들의 이종적인 어레이 (도 9B, 905) 는, 전자들의 효과적인 수용 및 이종 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터의 수송을 촉진시키는 전자 사이펀들의 어레이를 발생시키기 위해 별개의 전자 사이펀 성질들을 가지는 전자 사이펀 유형 (901) 이 상이한 전자 사이펀 성질들을 가지는 제 2 전자 사이펀 유형 (904) 과 결합될 수도 있는 방법으로 어레이된다. 이들 유형들의 어레이들은 여러 기능들을 제공하며 여러 개질들의 존재에 의존할 수도 있다. 일부 예들에서, 개질들이 양으로 대전된 아미노산, 양이온의 지질, 양이온, 또는 기타등등과 같은, 그러나 이에 한정되는 않는 양으로 대전된 모이어티; 소수성제들, 쌍성 이온들 또는 기타등등과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 중성으로 대전된 모이어티; 니트론들, 1,2-다이폴, 1,3-다이폴, 아민 산화물들 또는 기타등등과 같은 쌍극 분자들; 항체들, 수용체들, 리간드들, NAD+, NADP+, FAD, FMN, FeS 클러스터들, 헴, 보조효소 Q 또는 기타등등과 같은 결합 분자들; 및 산소-방출 복합체, 산화환원 효소, 또는 기타등등과 같은 효소들의 직접 컨주게이션을 포함할 수도 있다.
배열들 5. 대사 프로세스들로부터 발생된 전자들을 캡쳐하는데 전자 사이펀의 사용.
멤브레인 가로지르는 이온들의 이동은, 2개의 인자들, 즉, (i) 이온들을 포함한 화학 종의 확립된 농도 기울기에 의해 초래되는 확산력, 및 (ii) 전기 전위 기울기에 의해 초래되는 정전력에 의존하며, 이에 의해, 양이온들 (예를 들어, 양성자들 (H+)) 이 전기 퍼텐셜 아래로 확산하고 음이온들 (예를 들어, OH-) 이 반대 방향으로 확산하는 경향이 있다. 함께 취해진 이들 2개의 기울기들은 전기화학 기울기로서 표현될 수도 있다. 생물학적 셀들 및 리포솜들에서, 지질 층은 이온 통과를 위한 배리어로서 기능할 수도 있다. 퍼텐셜 에너지는 지질 층을 가로질러 전기화학 차이의 생성으로부터 일어날 수도 있으며, 이 에너지는 사용을 위해 저장될 수도 있다. 생물학적 세포 멤브레인들에서, 양성자들은 멤브레인을 가로질러 pH 및 전하 차이를 확립하는 능동 수송 방법으로 흐른다. 그것은 멤브레인을 가로지르는 양성자와 전압 기울기들의 조합 (양성자 농도 및 전기 퍼텐셜에서의 차이들) 으로서 저장된 퍼텐셜 에너지의 측정치로서 설명될 수도 있다. 전기 기울기는 (양성자들 H+ 가 염화물 Cl- 과 같은 반대 이온 없이 이동할 때) 멤브레인을 가로지른 전하 분리의 결과이다. 생물학적 시스템들에서, 전기화학 기울기는 종종 양성자 구동력 (PMF) 으로서 기능한다.
일부 예들에서, 전자 공여체는 미생물 셀이다. 대개, 미생물 셀에서, PMF 는 양성자 펌프로서 기능하는 미생물 셀 멤브레인 (도 5) 에서의 전자 전달 체인에 의해, 산화된 전자 운반체 (도 10A, 1004) 를 발생시켜 양성자들 (수소 이온들, 도 10A, 1006) 을 멤브레인을 가로질러 환경 (도 10A, 환경의 전자, 1009; 환경, 1007) 으로 펌핑 아웃하고, 전하들을 멤브레인을 가로질러 분리하여 미생물 셀 (1008) 에 재진입할 수도 있는 별개의 전자 (1005) 를 고에너지의 반응들 (1002) 을 위해 셀로 발생시키는, 환원된 전자 운반체 (도 5) 의 산화 이벤트로부터의 전자들의 에너지를 이용하여, 발생된다.
일부 예들에서, 전자 공여체는 사립체이며, 전자 전달 체인에 의해 해방된 에너지는 양성자들을 사립체 매트릭스로부터 미토콘드리아의 인터-멤브레인 공간으로 이동시키기 위해 사용된다. 미토콘드리아로부터 양성자들을 이동하는 것은 그 내부의 양으로 대전된 양성자들의 낮은 집중을 생성하여, 멤브레인의 내부 상에 경미한 음의 전하를 초래한다. 전기 전위 기울기는 약 -170 mV 이다. 사립체에서, PMF 는 전기적 구성요소로, 그러나 엽록체들 내에, 거의 전체적으로 이루어지며, PMF 는 양성자들 H+ 의 전하가 Cl- 및 다른 음이온들의 이동에 의해 중성화되기 때문에, pH 기울기로 주로 이루어진다. 어느 경우에나, PMF 는 ATP 신타아제가 ATP 를 형성하는데 약 50 kJ/mol 이어야 한다.
일 예에서, 전자 사이펀 (도 10B, 1010) 은 전자 전달 체인 (도 10B, 1001) 을 호스팅하는 멤브레인의 외부 표면과 접촉할 수도 있다. 전자 전달 체인에는 멤브레인에서의 전자 전달 체인의 멤버들에 의해 산화될 수도 있는 (1004) 환원된 전자 운반체들 (도 10B, 1003) 에 의한 생화학 및/또는 광화학 반응들로부터의 전자들 및 양성자들이 공급된다. 양성자 (1006) 로부터 전자 (1005) 의 분리는 멤브레인 내부 (intra-membrane) 방법으로 일어날 수도 있다. 양성자는 종래의 방법으로 환경 (1007) 으로 배출될 수도 있다 (1009). 전자 (1011) 는 전자 사이펀이 멤브레인 (1001) 에 가깝거나, 접촉할 수도 있거나, 그에 공유결합으로 링크될 수도 있거나, 또는 그 내에 내장될 수도 있을 때 전자 사이펀 (1010) 에 의해 캡쳐될 수도 있다.
배열 6. 리포솜들로부터 발생된 전자들을 캡쳐하는데 전자 사이펀의 사용.
리포솜 및 리포솜 멤브레인 (도 11A, 1101) 에서의 전자 전달 체인의 구성요소들의 내부 상에, 광 수확 에이전트들 예컨대 색소들, 광 수확 안테나들, 및 환원된 및 산화된 전자 운반체들, 각각 (도 11A, 1103 및 1104) 을 포함하는 광-수확 리포솜은 전자 공여체로서 기능할 수도 있다. 광 에너지의 캡쳐 및 높은 에너지 전자의 유형으로의 에너지의 후속 변환은 전자가 전자 운반체 (도 11A, 1103) 에 의해 캡쳐될 수 있도록 할 수도 있으며, 그 전자 운반체는 그후 전자를 전자 전달 체인 (도 11A, 1101) 으로 수송하여 산화된 전자 운반체 (도 11A, 1104) 를 재생성할 수도 있다. 전자 전달 체인의 에이전트들은 양성자 (도 11A, 1106) 및 전자 (도 11A, 1105) 를 분리가능하게 할 수도 있다. 이들 조건들 하에서, 리포솜은 전자를 환경 (도 11A, 1108) 으로 전도하지 않을 수도 있으며 전자가 내부 소포로 안내될 것이다. 전자 사이펀 (도 11B, 1110) 하에서 전자 전달 체인 (도 11B, 1101) 과 접촉하는 리포솜 멤브레인의 외부 표면과 접촉할 수도 있다. 전자 사이펀은 전자 전달 체인에서의 전자의 경로를 재안내하는데 사용될 수도 있으며 전자 (도 11B, 1111) 의 캡쳐를 촉진시킬 수도 있다.
배열 7. 볼타 셀의 측면도.
이 예에서, 볼타 셀은 베셀의 하나 이상의 표면들 상에 전자 전도 재료 (1202) 를 포함하는 베셀 (도 12, 1201) 을 포함한다. 베셀은 전자 전도 재료 (1202) 와, 하나 이상의 전자 공여체 (1206) 와 접촉가능한 상이한 전자 전도 재료 사이에서 식별 배리어로서 기능하는 반투성 멤브레인 (1203) 을 더 포함할 수도 있다. 2 Angstroms 내지 50 cm 의 공간 (1207) 이 반투성 멤브레인 (1202) 과 전류 컬렉터 (1204) 사이에 존재할 수도 있다. 전자 전도성 피쳐들은 멤브레인 (1202) 으로부터 전류 컬렉터 (1204) 로의 전자들의 전도를 가능하게 하기 위해 공간 (1207) 을 관통한다. 버퍼 또는 다른 이온 전도성 매체가 그 공간에 존재할 수도 있다. 베셀은, 전자 공여체들과 접촉할 수도 있고 버퍼 시스템 (1208) 과 접촉할 수도 있는 전자 사이펀들의 배열 (1205) 을 더 포함할 수 있다.
배열 8. 볼타 셀 튜브.
일 예에서, 가요성 투명 튜브 (도 13, 1301) 는 멤브레인을 가로질러 화학전기 (chemoelectric) 퍼텐셜을 발생시키기 위해 반투성 멤브레인 (1303) 에 의해 전자 공여체 팝퓰레이션 (1305) 으로부터 분리될 수도 있는 전자 전도 재료 (1304) 를 포함하는 볼타 셀 (1302) 을 포함할 수도 있다. 이 실시형태에서, 튜브는 볼타 셀 베셀로서 기능하며, 버퍼 용액을 흘리기 위한 도관으로서 기능한다. 관상의 베셀은 둘러싸질 수도 있거나 또는 아니면 극 (pole) 의 형태 또는 볼타 셀과 연관된 다른 구조를 따를 수도 있다.
배열 9. 볼타 셀 필러들 .
이 예에서, 볼타 셀들 (도 14, 1402) 은 전자 전도성 베이스 (1401) 상에 배열된다. 볼타 셀들은 투명한 베셀을 각각 포함할 수도 있으며, 각각의 베셀은 필러 또는 다른 수직 구조이다. 각각의 베셀은 전자 전도 재료 (1403) 를 둘러싸는 전자 사이펀 배열 (1405) 과 혼합된 전자 공여체 팝퓰레이션 (1406) 을 포함할 수도 있다. 멤브레인을 가로질러 화학전기 퍼텐셜을 촉진시키기 위해 전자 전도 재료 (1403) 를 둘러싸는 반투성 멤브레인 (1404) 이 존재할 수도 있다.
배열 10. 볼타 셀에서의 회로 연결의 배열.
일 예에서, 볼타 셀은 전자 전도 재료 (또한 캐소드로서 지칭됨) (도 15, 1503) 를 포함할 수도 있다. 캐소드는 전자 전도성 와이어 리드 (1507) 에 접속될 수도 있다. 캐소드는 (애노드로서 지칭되는) 제 2 전자 전도 재료 (1501) 사이의 전하 분리를 발생시키기 위해 반투성 멤브레인 (1502) 로 코팅될 수 있다. 이 예에서, 전자 사이펀 팝퓰레이션 (1505) 은 애노드 (1501) 와 접촉하도록 배열될 수도 있으며, 공여체 팝퓰레이션로부터의 전자들을 수확하여 전자들을 애노드로 전도하기 위해 전자 공여체 팝퓰레이션 (1504) 과의 인터페이스로서 기능할 수도 있다. 전자들은 그후 제 2 전도성 와이어 (1506) 로, 결국 그리드로 여행할 수도 있다.
배열 11. 전자 사이펀들 상에서의 전자 공여체들의 병렬 방식 배열
일 예에서, 전자 공여체들 (도 16, 1605) 은 전자 사이펀 배열 (1601) 에 도킹될 수도 있다 (1606). 도킹은 공유 결합 형성, 친화력 중재된 상호작용 (예를 들어, 항체-리간드 유도된 친화력, 소수성-소수성 상호작용, 또는 기타등등), 또는 기타등등을 포함할 수도 있다. 전자 공여체 (1605) 로부터의 전자 흐름은 공여체로부터 전자 사이펀 (1601) 으로, 그리고 볼타 셀에서의 전도성 전자 재료 방향으로 여행할 수도 있다.
일 예에서, 하나 보다 많은 전자 공여체 (1605 및 1607) 가 전자 사이펀 배열 (1602) 에 도킹될 수도 있다. 도킹은 하나 이상의 방법 (1606 및 1605) 에 의해 중재될 수도 있다. 전자 흐름은 각각의 전자 공여체로부터 전자 사이펀 배열 (1602) 상으로, 그리고 볼타 셀에서의 전도성 전자 재료 방향으로 일어날 수도 있다.
일 예에서, 하나 보다 많은 도킹 사이트 (1610) 가 전자 공여체 (1609) 와 전자 사이펀 배열 (1603) 사이에 존재할 수도 있다. 전자 흐름은 전자 공여체로부터 하나 보다 많은 도킹 사이트를 통해서 전자 사이펀 배열로 일어날 수도 있다.
일 예에서, 하나 보다 많은 전자 공여체가 전자 사이펀 배열 (1604) 에 도킹될 수도 있다. 이 예에서, 전자 공여체들 (1611 및 1612) 이 하나 보다 많은 방법에 의해 도킹될 수도 있으며, 전자 사이펀 배열 상에서 하나의 방향 (1613) 으로의 전자 흐름과 성질 상, 평행한 방법으로 전자들을 동일한 전자 사이펀 배열로 수송할 수도 있다.
전자 사이펀 배열의 표면을 따른 하나 보다 많은 지점에서의 전자 공여체들의 도킹된 (docked) 배열은 증가된 전자 수확을 가능하게 하며, (또한 전류로서 알려진) 증가된 전자 흐름을 초래할 수도 있다. 이 예는 증가된 전류를 생성하기 위해 회로에서 사용될 병렬 엘리먼트의 설계를 기술한다.
배열 12. 볼타 셀들의 직렬 배열.
볼타 셀들의 직렬 배열은 전압 및 전류를 불균형적으로 증가시킬 수도 있다. 이 배열에서, 패널 (도 17, 1701) 은 캐소드 (1704) 및 애노드 (1703) 의 그리드에 각각 접속하기 위해 캐소드 와이어 (1706) 및 애노드 와이어 (1705) 를 각각 갖는 여러 볼타 셀들 (1702) 을 포함할 수도 있다. 패널은 캐소드들 및 애노드들의 어레이를 포함할 수도 있으며, 마스터 캐소드 와이어 (1707) 및 마스터 애노드 와이어 (1708) 에 각각 접속될 수도 있다.
배열 13. 볼타 패널 및 배터리.
이 배열에서, 볼타 패널 (도 18, 1801) 은 그리드 (1804) 에 접속될 수도 있으며, 또한 와이어들 (1803) 을 통해서 배터리 (1802) 에 접속될 수도 있다. 일부 예들에서, 배터리는 외부 극성-발생 에이전트로서 기능하며, 이에 의해 볼타 패널의 극성이 볼타 패널로 이어지는 배터리의 양의 및 음의 전극들에 의해 결정될 수도 있다. 인가된 퍼텐셜은 활동 어떤 미생물들, 광 수확 안테나들, 또는 볼타 셀의 다른 구성요소를 활성화하거나 또는 강화시킬 수도 있다. 일부 예들에서, 볼타 패널로부터 발생된 여분의 전력은 배터리에 저장될 수도 있다.
배열 14 - 내수성 볼타 셀.
물-유래된 전기에 대한 내수성 볼타 디바이스는, 부하를 통해서 접속되고 침지될 때에 상이한 전기화학 퍼텐셜들을 갖는 2개의 전극들을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 디바이스는 수체에 완전히 침지될 수도 있다. 다른 예들에서, 디바이스의 부분이 수체에 침지될 수도 있다. 수체들의 예들은 웅덩이들, 연못들, 호수들, 개울들, 강들, 만들 (bays), 대양들 또는 인공 수로들을 포함할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 수체에서의 전기 발생을 위한 볼타 셀은 2개의 전극들을 포함하며, 하나의 전극은 미생물들이 전극과 접촉하는 것을 방지하지만 이온들이 통과되도록 하기 위해 전극을 둘러싸는 반투성 멤브레인을 갖는다. 멤브레인은 전체 중성 또는 약간의 전하를 가질 수도 있으며, 둘러싸는 매체의 전자들 및/또는 음이온들을 하나의 전극으로부터 배출할 수도 있다. 멤브레인은 또한 약 0.22 um 이하의 기공 직경을 가질 수도 있다. 멤브레인 재료들의 예들은 폴리프로필렌, 나일론, 실리카, 또는 기타등등을 포함한다. 멤브레인들은 전극의 표면에 직접 부착될 수도 있거나 또는 전극을 둘러싸는 케이지 내에 있을 수도 있다.
전극들은 고체 또는 반-고체 형태들을 포함할 수도 있으며, 플레이트들, 메시, 격자들, 브리슬들, 포말들 (foams), 클러스터들, 에멀젼들 또는 기타등등으로서 구조화될 수도 있다. 전극 표면들은 편평하거나, 스티플되거나, 둥글거나, 원주이거나, 비대칭이거나 또는 기타등등일 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 전극들은 약 10 Angstroms 내지 약 10 mm 의 전극들 사이의 분리를 가지는 공간적으로 분리된 방법으로 배열될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 전극들은 약 10 mm 내지 약 0.5 m 의 전극들 사이의 공간을 가지는 공간적으로 분리된 방법으로 배열될 수도 있다. 또한 다른 실시형태들에서, 전극들은 약 0.5 m 내지 약 2 m 로 공간적으로 분리될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전극들은 정지된 표면에 고정될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 전극들은 와이어 또는 다른 전도 재료에 의해 테더링될 수도 있으며 수성 환경에서 이동가능할 수도 있다.
다른 형태에서, 하나의 전극은 전자 사이펀들의 팝퓰레이션과 접촉한다. 종종, 전자 사이펀들은 공유, 정전 또는 다른 힘에 의해 전극에 부착된다. 전자 사이펀들은 전극 표면에의 부착 전에 컬렉션으로 배열되거나 또는 표면 상에 직접 배열될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전자 사이펀들은 전극 표면 상에 코팅될 수 있다. 코팅들은 규칙적으로 또는 불규칙적으로 퇴적될 수도 있다. 전자 사이펀 코팅들은 순차적으로 도포될 수도 있으며, 이에 의해, 전자 사이펀들의 제 1 층이 도포될 수도 있으며 상이한 전자 사이펀들의 제 2 층이 적용될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전극 표면은 개질된다. 일부 실시형태들에서, 전극 표면은 개질된다. 전극들은 전자 사이펀 부착 전에 먼저 처리될 수도 있다. 처리들은 산 처리, 열처리, 산화 화학적 처리 또는 기타등등을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전극 표면은 약 1-500 mM HCl, 과염소산, 포름산, 아세트산 또는 기타등등으로 처리될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 전극 표면은 열로 처리될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 전극 표면은 과산화수소, 초산화물, 수산화물 염기들, 및 전극 표면을 산화시키는 것이 가능한 다른 화학물질로 처리될 수도 있다. 원하는 처리들은 전극의 전기 전도 능력들을 방해하지 않는다.
전극 표면 처리의 하나의 목적은 전자 사이펀들의 부착을 위해 반응 그룹들을 생성하는 것이다. 전자 사이펀들의 부착용으로 호환가능할 수도 있는 전극 표면 상의 반응 그룹들의 예들은, -OH, -SH, -S=O, 에폭사이드들, -COOH, C=O, -H, -NH, -NHS, -NH2, -NH3, 아지드들, 플루오로벤젠들, 이미드들, 및 기타등등을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 처리된 전극 표면에의 전자 사이펀들의 부착은 반데르발스 힘들, 정전력들 또는 공유 결합들을 통해서 발생할 수도 있다. 일부 다른 실시형태들에서, 부착은 본딩과 힘들의 조합에 의해 촉진될 수도 있다. 전극 표면의 처리에 뒤이어서, 전극 표면의 제 2 처리가 공유 본딩에 의해 전자 사이펀 부착을 더욱 촉진시키기 위해 필요에 따라 공유 부착 모이어티들을 발생하도록 수행될 수도 있다.
전자 사이펀들은 방향족 아미노산들, 벤젠들, 양으로 대전된 아미노산들, 페놀 화합물들, 방향족 화합물들, 철-황 클러스터들, 카르티노이드들, 색소들, 단백질들, 단백질 필라멘트들 및 기타등등을 포함할 수도 있다. 전자 사이펀들은 또한 그래핀, 탄소, 금속, 메탈로이드, 합성물, 콜로이드들, 또는 기타등등을 포함하는 구조화된 배열을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 전자 사이펀들은 개질될 수도 있다. 전자 사이펀들의 개질은 하나 이상의 추가적인 전자 사이펀의 부착을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 전자 사이펀들에 대한 개질은 볼타 셀에서의 그들의 배열 전에 일어날 수도 있다. 다른 예들에서, 전자 사이펀 개질은 볼타 셀에서의 그들의 배열 이후에 일어날 수도 있다.
일 예에서, 전자 사이펀들의 사전-배열의 일부는 방향족 아미노산들, 페닐알라닌, 트립토판, 티로신 또는 기타등등으로 활성화되어 개질될 수도 있다. 다른 예에서, 전자 사이펀들의 사전-배열의 일부는 색소들로 활성화되어 개질될 수도 있다. 다른 예에서, 전자 사이펀들의 사전-배열의 부분은 PilA, c-형 시토크롬들, OmcZ 및 기타등등으로로 활성화되어 개질될 수도 있다.
전자 사이펀들로 개질된 전극들은 미생물들을 함유하는 수체들로부터 전자들을 수확할 수도 있다. 물로의 전극들의 출현 (emersion) 은 측정가능한 전류를 발생시킬 수 있다. 증가된 전류는 전자 사이펀들로 개질된 전극으로 발생될 수도 있다. 전자 사이펀들을 이용하는 것은 다음의 다수의 목적들을 제공한다: (i) 그들이 전극의 표면적을 증가시킬 수도 있거나, (ii) 그들이 수체에서의 미생물에 콘택의 사이트를 제공할 수도 있거나, (iii) 그들이 전자 수확의 사이트를 제공할 수도 있거나, (iv) 그들이 동적 유체와 인터페이스하기 위해 3차원 표면을 제공할 수도 있거나, (v) 그들이 기계적 힘이 인가될 때 단단한 충돌의 표면으로서 기능할 수도 있거나, 또는 기타등등.
미생물들을 함유하는 이동하는 수체는 미생물 표면과 전극 사이의 충돌 빈도를 증가시킬 수도 있다. 전자 사이펀들을 함유하는 전극은 표면적을 추가로 증가시키고 따라서 미생물들과 전극 사이에 발생할 수 있는 충돌들의 횟수를 증가시킬 수도 있다. 전극 상의 전자 사이펀들의 최적의 개수, 배열 및 조성은 수상 미생물의 멤브레인으로부터 전극의 표면으로의 전자 전달을 더욱 증가시킬 수도 있다. 이동하는 수체들의 예들은 대양들, 호수들, 연못들, 개울들, 및 강들, 및 인공 수로들, 예컨대 댐들, 고가교들 (viaducts), 수로들, 운하들, 또는 기타등등을 포함한다.
일 예에서, 볼타 셀은 2개의 전극들을 포함하며, 그 중 하나는 반투성 멤브레인으로 코팅되며, 그의 멤브레인은 (미생물들이 전극과 접촉하는 것을 보호하기 위해) 약 0.2 um 의 배제 한계를 갖는다. 다른 전극은 전자 사이펀들로 코팅될 수 있다. 전극들을 포함하는 볼타 셀의 일부는 수성 환경에 침지된다. 전극과의 수상 미생물들의 상호작용은 수동적이거나 또는 촉진될 수도 있다. 미생물 멤브레인으로부터 전극으로의 전자 전달은 파 액션 (wave action) 과 같은, 외부 물리적인 힘이 인가될 때 증가될 수도 있는 레이트에서 발생할 수도 있다. 미생물 표면에 가해진 힘은 전극 상의 전자 사이펀들에 의해 캡쳐될 수도 있는 추가적인 전자들을 몰아낼 수도 있다. 일 예에서, 볼타 셀은 다수의 전극들을 포함하며, 그의 서브세트는 반투성 멤브레인들로 코팅된다. 그의 다른 서브세트는 전자 사이펀들에 의해 개질될 수도 있다.
외부 방사를 안내하기 위한 광학적 구성요소들
거울들, 렌즈, 필터들, 굴절 엘리먼트들, 또는 다른 기하학적 시각의 구성요소들은 볼타 셀의 베셀에 위치될 수도 있거나 또는 광 에너지를 베셀로 반사하거나 또는 모으기 위해 베셀 외부에 위치될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 거울들이 광합성 미생물 셀 팝퓰레이션을 포함하는 볼타 셀에 사용될 수도 있다. 거울들은 광을 반사하거나 또는 모으는 것이 가능한 반사의 표면을 포함할 수도 있다. 광전지의 성질들을 갖는 볼타 셀들은 최대 광 캡쳐 능력을 위해 광을 안내하고 광을 모으는 하나 보다 많은 거울 및 하나 보다 많은 렌즈를 포함할 수도 있다.
조정기들
볼타 셀은 볼타 셀의 하나 이상의 피쳐들에 영향을 미치는 조정하는 구성요소를 포함하는 조정기 서브시스템을 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 조정기 서브시스템은 다음 피쳐들 중 하나 이상에 영향을 미치기 위해 사용된다: 전자 전도 레이트, 이온 전도 레이트, 광 분극, 환원제 농도, 산화제 농도, 탄소 소스 농도, 질소 농도, 인 농도, 황 농도, 트레이스 무기질 농도, 보인자 농도, 킬레이트제 농도, pH, 전자 사이펀, 광 수확 안테나들 농도 및/또는 다른 볼타 셀 파라미터. 조정기 서브시스템들은 또한 볼타 셀로/로부터 피쳐들 중 하나 이상을 규칙적으로 또는 주기적으로 떼어내거나 또는 결합할 수도 있다. 조정기들은 볼타 셀 내 하나 이상의 조건에 대한 하나 이상의 피드백 응답으로서 기능하기 위해 감지된 조건에 응답하여 볼타 셀로/로부터 하나 이상의 피쳐를 떼어내거나 또는 결합할 수도 있다. 결합하거나 또는 떼어내는 피쳐들의 예들은 산들 또는 수소 이온들, 염기들 또는 수산기 이온들, 또는 미생물 대사를 억제하거나 증대시키는 다른 종을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 조정기는 하나 이상의 종을 주기적으로, 예컨대, 분, 시간들, 일자들, 또는 주들에 따라서 떼어내거나 또는 스캐빈징한다.
일부 실시형태들에서, 조정기 서브시스템은 하나 이상의 조정기 구성요소들을 포함할 수도 있다. 조정기 구성요소들은 다음 중 하나 이상: 센서들, 검출기들, 펌프들, 인젝터들, 컨테이너들, 또는 피드백 시스템에서의 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다. 조정기들은 전력, 전류, 전압, 저항, pH, 감소 퍼텐셜, 산화 퍼텐셜, 영양소 농도, 폐기물 농도, 광학 밀도, 굴절율, 흡광도, 광도, 온도, 점도, 이온 강도, 및 기타 등등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 볼타 셀의 하나 이상의 피쳐를 모니터링할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 조정기 서브시스템은 하나 이상의 센서들을 포함할 수도 있다. 센서는 버퍼; 미생물 팝퓰레이션의 산물들; 광 수확 안테나들 팝퓰레이션의 산물들; 및/또는 볼타 셀의 전도성 단자 전자 수용체 팝퓰레이션의 산물들의 조건들을 모니터링할 수도 있다. 센서가 수행할 수도 있는 감지의 예들은 pH, 환원제 농도, 산화제 농도, 산화환원 퍼텐셜, 전압, 전류, 저항, 전력 출력, 전류, 점도, 혼탁도, 가스 농도, 압력, 온도, 아미노산 농도, 무기질 농도, 탄소 농도, 가스 농도 또는 기타등등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 일부 구현예들에서, 조정기 서브시스템은 볼타 셀에서의 파라미터들을 자동으로 조정하는 피드백 시스템으로서 구현될 것이다. 일부 구현예들에서, 조정기 시스템은 셀 파라미터를 감지할 때 통지들 또는 경보들을 제공한다. 이러한 통지들 또는 경보들은 프로세스 관리자 또는 볼타 셀의 동작을 모니터링하고 및/또는 정정하는 것을 담당하는 다른 사람에 의한 관측을 위해 컴퓨터 시스템에 제공될 수도 있다.
예들
예 1
광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션으로서 호열성 광합성 혼합된-미생물 팝퓰레이션을 함유하는 광-변환 시스템
본원에서 제시된 것은 광-변환 시스템에서의 사용을 위한 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션으로서의 혼합된-미생물 팝퓰레이션이다. 혼합된-미생물 팝퓰레이션은 광-변환 시스템에서 최적의 협력작용을 가지는, 부분 크로마티움 (Chromatium) 종, 부분 클로로플렉수스 (Chloroflexus) 종, 부분 로세이플렉수스 (Roseiflexus) 종 및 부분 포피로박터 종을 포함한다. 미생물들은 표준 기법들을 이용하여 따로 배양되고, 그후 샘플 입구 포트를 통한 준비된 광-변환 시스템에의 투여를 위해 준비된 버퍼된 전해질 용액에서의 희석 전에 원료 농축물들 (stock concentrations) 에 혼합된다.
크로마티움 종은 복수의 환경들에 존재할 수 있는 광합성 박테리아 속 크로마티움에 속한다. 종 크로마티움 테피둠 (Chromatium tepidum) 은 높은 G-C 그램-음성 로드-형상의 광합성 호열성 세균이다. 이 생물체는 섭씨 48-50 도의 최적의 온도에서 광독립영양으로 성장하며 황화물을 전자 공여체로서 이용한다. 세균은 생물체의 멤브레인 부분에 위치된, 박테리오클로로필 ap 및 카르티노이드들 로도비브린 및 스피릴록산틴을 합성한다.
클로로플렉수스 종은 녹색 비-황 박테리아의 멤버들이다. 클로로플렉수스 아우렌티쿠스는 섭씨 54-57 도의 최적의 성장 온도들을 갖는 섬질 호열성 무산소발생 광종속 영양생물 세균이지만, 섭씨 70 도 이상의 온도들에서 성장할 수 있다. 게다가, C. 아우렌티쿠스는 산소의 존재 하에서 생존할 수 있으며 필요한 경우 무기 탄소를 고정할 수 있다. C. 아우렌티쿠스는 생물체의 멤브레인 부분에 위치된, 박테리오클로로필 a 및 박테리오클로로필 c 를 합성한다.
로세이플렉수스 종은 광합성 녹색 비-황 박테리아의 멤버들이다. 로세이플렉수스 종은 섭씨 45-55 도를 포괄하는 최적의 성장 온도 범위들을 갖는 미분기된 (unbranched) 다세포 섬질 호열균들이다. 많은 로세이플렉수스 종은 그들의 멤브레인 부분에서 광 색소들로서 박테리오로돕신들 및 박테리오클로로필 a, 감마 카로틴 유도체들을 합성한다.
포피로박터 테피다리우스는 섭씨 40 내지 48 도의 최적의 성장 온도를 가지는 적당한 호열성 산소성 종속영양 및 광합성 세균이며, 성장을 위해 유기 탄소원들을 이용한다. 세균은 광-흡수 색소들로서 OH-베타카로틴 황산염 유도체들, 노스토크산틴 및 박테리오루비크산티날을 합성한다.
예 2.
광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션으로서, 녹색 황 박테리아로부터 분리된 Fenna-Matthews-Olson 색소-단백질 복합체들을 함유하는 멤브레인들을 포함하는 광-변환 시스템
광합성 미생물들은 광 에너지를 이용하여 공여체 분자로부터 전자들을 발생시켜 수확하기 위해 그들의 멤브레인들에서의 구조 단백질들에 병치된 색소들의 네트워크를 이용한다. 대부분의 미생물들에서, 에너지는 전자들이 색소-단백질 복합체들을 통해서 이동함에 따라서 손실된다. 녹색 황 박테리아에서, (Fenna-Matthews-Olson 복합체로 불리는) 시스템을 통한 전자 통과의 효율은 매우 효율적이며 아주 작은 에너지가 전자 전달 프로세스에서 손실된다.
본원에서 제시된 것은 무산소 조건들 하에서 표준 방법들 (Wahlund, 1991; Buttner, 1992) 에 의해 배양된 녹색 황 박테리아으로부터 조제된 멤브레인들을 포함하는 광-변환 시스템이다. 멤브레인들이 그후 멤브레인과 연관되는 구조 단백질 복합체들 및 색소들의 광-수확 성질을 유지하기 위해 무산소 조건들 하에서 프렌치 프레스 (French press) 에 의해 조제된다. 복구된 (recovered) 멤브레인 내용물이 그후 버퍼된 전해질 용액과 혼합되고 그후 조제된 광-변환 시스템에 샘플 입구 포트를 통해서 투여된다.
예 3.
전도성 나노-스케일 구성요소들로서, 개질된 단일-벽 탄소 나노튜브들을 포함하는 광-변환 시스템
시토크롬 복합체 (Cyt c) 는 시토크롬 c 단백질 군에 속하는 작은 헴 단백질 (100-104 아미노산들) 이다. Cyt c 는 대장균 (E. coli) 에서 성공적으로 과발현되어 종래의 정제 방법들 (Jeng, 2002) 에 의해 정제되어진 고 가용성 단백질이다. Cyt c 는 일반적으로 포유류의 사립체 멤브레인들, 식물들 및 많은 미생물들의 유의한 구성요소이다. Cyt c 는, 유의한 산화환원 퍼텐셜 (0.246 Volts) 및 전자 전달 능력들을 갖기 때문에, 전자 전달 체인의 필수적인 구성요소이다.
본원에서 제시된 것은 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션으로부터의 전자 스케빈징을 위한 생물학적으로 안전한 인터페이스 (interface) 를 발생시키기 위해 재조합 Cyt c 로 비대칭적으로 기능화된 단일-벽 탄소 나노튜브들 (SWNT들) 을 포함하는 광-변환 시스템이다. SWNT들은 카르복시산 모이어티들을 생성하기 위해 SWNT들의 하나의 부분 상에 디아조늄 염들을 분무함으로써 기능화용으로 조제된다. EDC 는 그후 -COOH 모이어티들을 활성화시키기 위해 SWNT들에 도포되며 술포-NHS 의 존재 하에서 안정된다. 술포-NHS 는 그후 (2013, Lerner 으로부터의 방법들에 기초하여) 냉각 전에 Cyt c 의 표면 라이신 잔재들 상에서 1차 아민들로 치환된다. SWNT들의 Cyt c 기능화를 위한 최대한의 전자 스케빈징 활동에 대한 조건들은, 나머지 라이신 잔재들을 유지하여 전자 결합 성질들을 조정하기 위해 SWNT-특정의 활성 부위들과 Cyt c 의 1-2 라이신 잔재들 사이의 공유 결합들을 생성할 때에 존재한다.
Cyt c 기능화된 SWNT들의 노출된 단부 (naked end) 는, Cyt c 농축된 단부가 광-수확 안테나들 구성요소 팝퓰레이션과 직접 상호작용가능하도록 SWNT들의 Cyt c 농축된 (enriched) 단부가 외측 대향 방위 (outward facing orientation) 를 갖게 하는 방법으로 후면 플레이트에 직접 제공된다.
예 4
전류를 전도하는데 사용되는 합성 전도 및/또는 반-전도 재료들은 생물학적 셀에 비우호적일 수도 있다. 도 19 의 예에서, 기수 물 소스로부터 분리된 광합성 및 비-광합성 미생물들의 팝퓰레이션은 이온 버퍼 시스템과 혼합되었으며 그후 착탈식 뚜껑을 가진 투명한 폴리에틸렌 베셀에 도입되었다. 베셀 내에 배치된 것은 전도성 구리 플레이트 및 열-처리된 전도성 구리 산화물 플레이트였으며, 여기서, 각각의 플레이트의 페이스는 서로 평행하게 그리고 미생물 팝퓰레이션/버퍼 시스템에 대해 수직하게 위치되었다. 전도성 금속 플레이트들 양자는 나머지 부분이 공기에 노출된 상태에서, 미생물 팝퓰레이션/버퍼 시스템 (0.25 인치) 에 침지된 부분들을 가지고 있었다. 시간 0 에서 베셀로의 미생물 팝퓰레이션의 도입 즉시 발생된 전압 및 전류의 측정치는 0 이었다. 셀은 그후 일정한 백열 광에 노출되었으며, 전압 및 전류의 양이 매 15 분마다 전압계 및 전류계에 의해 측정될 때, 최고 1 시간까지 규칙적인 간격들로 측정되었다. 시간 1 에서, 미개질된 합성 탄소 나노튜브들이 변환 셀에 첨가되었으며, 전류 및 전압에서의 저하가 변환 셀에서의 버퍼의 표면 상에의 용해된 미생물 부서러기의 출현과 공존하여 측정되었다. 이 예는 개질된 나노튜브들이 생물학적으로 안전한 전자 사이펀들을 제공하도록 요구됨을 시사한다.
예 5
또, 도 20 에서, 기수 물 소스로부터 분리된 광합성 및 비-광합성 미생물들의 팝퓰레이션은 이온 버퍼 시스템과 혼합되었으며 그후 착탈식 뚜껑을 가진 투명한 폴리에틸렌 베셀에 도입되었다. 베셀 내에 배치된 것은 전도성 구리 플레이트 및 열-처리된 전도성 구리 산화물 플레이트였으며, 여기서, 각각의 플레이트의 페이스는 서로 평행하게 그리고 미생물 팝퓰레이션/버퍼 시스템에 대해 수직하게 위치되었다. 전도성 금속 플레이트들 양자는 나머지 부분이 공기에 노출된 상태에서, 미생물 팝퓰레이션/버퍼 시스템 (0.25 인치) 에 침지된 부분들을 가지고 있었다. 베셀로의 미생물 팝퓰레이션의 도입 즉시 발생된 전압 및 전류의 측정치는 시간 0 에서 표시된다. 셀은 그후 일정한 백열 광에 노출되었으며, 전압 및 전류의 양이 규칙적인 간격들에서 측정되었다. 4 시간에서, 생물학적으로-호환가능한 L-아르기닌-개질된 단일-벽 탄소 나노튜브들이 에너지 변환 셀에서의 미생물 팝퓰레이션에 도입되었으며 (701), 검출가능한 전압 및 전류에서의 현저한 증가를 초래하였다. 5 시간에서, 광이 턴오프되었으며 (703), 변환 셀에 의해 발생된 최종 전력이 감소되었지만 암흑의 수 시간들에 걸쳐 베이스라인 레벨들로 복귀하지 않았으며, 에너지 변환 셀이 비-광합성 미생물 대사로부터 전력을 생성하고 있었다는 것을 시사한다.
상기는 이해를 용이하게 하기 위해서 좀더 자세히 설명되었지만, 설명된 실시형태들은 예시적이고 비한정적인 것으로 간주되어야 한다. 어떤 변화들 및 변경들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (42)

  1. 볼타 셀로서,
    (a) 전자 공여체 팝퓰레이션이 안에 제공된 이온 전도성 매체를 포함하는 버퍼;
    (b) 상기 버퍼 전자 공여체 팝퓰레이션을 적어도 부분적으로 포함하는 베셀;
    (c) 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하고 전자들을 외부 회로 또는 부하에 제공하는 애노드; 및
    (d) 상기 버퍼에서의 종으로 전자들을 공여하는 캐소드를 포함하며,
    상기 전자 공여체 팝퓰레이션은 제 1 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 1 종 및 상기 제 1 의 1차 대사 경로에 보충인 제 2 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 2 종을 포함하며, 어느 쪽의 1차 대사 경로도 본질적으로 글루코스 발효성이 아닌, 볼타 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼를 애노드 구획 및 캐소드 구획으로 분리하여 상기 전자 공여체 팝퓰레이션이 상기 캐소드와 접촉하는 것을 방지하는 이온 투과성 및 전자 공여체 불투과성 배리어를 더 포함하는, 볼타 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배리어는 전자 전도성인, 볼타 셀.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 배리어는 상기 애노드와 접촉하는, 볼타 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드와 전기 소통하는 전류 컬렉터를 더 포함하는, 볼타 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종 및/또는 상기 미생물의 제 2 종은 광 수확 안테나들을 포함하는, 볼타 셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 제 1 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기되며, 상기 버퍼에서의 미생물의 적어도 하나의 다른 종은 제 2 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기되며, 상기 제 1 밴드 및 상기 제 2 밴드는 실질적으로 중첩하지 않는, 볼타 셀.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 광영양생물 또는 화학합성생물 미생물을 포함하는, 볼타 셀.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 화학합성생물이고 상기 미생물의 제 2 종은 광영양생물인, 볼타 셀.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 의 1차 대사 경로는 탄소, 질소, 인, 또는 황을 함유하는 화합물을 산화시키고, 상기 제 2 의 1차 대사 경로는 상기 제 1 의 1차 대사 경로에 의해 생성된 산화된 화합물을 환원시키는, 볼타 셀.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 선모들, 피브릴들 (fibrils), 편모들, 및/또는 섬질 형태를 갖는, 볼타 셀.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 복수의 대사 경로들을 갖는, 볼타 셀.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 자연 발생 미생물 종인, 볼타 셀.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 사이펀들의 팝퓰레이션을 더 포함하며,
    각각의 전자 사이펀은 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 상기 전자 수용 구성요소로부터 상기 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함하는, 볼타 셀.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 최대 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는, 볼타 셀.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 상기 버퍼 내의 어셈블리를 포함하며, 상기 어셈블리는 전자들을 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 상기 애노드로 전도하도록 구성되는, 볼타 셀.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 의 1차 대사 경로 및 상기 제 2 의 1차 대사 경로 각각은 세포 호흡에 관여하는, 볼타 셀.
  18. 화학 및/또는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 볼타 셀을 동작시키는 단계를 포함하는, 화학 및/또는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법.
  19. 볼타 셀용 버퍼로서,
    이온 전도성 매체; 및
    상기 이온 전도성 매체에 제공된 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하며,
    상기 전자 공여체 팝퓰레이션은,
    제 1 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 1 종, 및
    상기 제 1 의 1차 대사 경로에 보충적인 제 2 의 1차 대사 경로를 갖는 미생물의 제 2 종을 포함하며,
    어느 쪽의 1차 대사 경로도 본질적으로 글루코스 발효성이 아닌, 볼타 셀용 버퍼.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종 및/또는 상기 미생물의 제 2 종은 광 수확 안테나들을 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 제 1 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기되며, 상기 버퍼에서의 미생물의 적어도 하나의 다른 종은 제 2 밴드에서의 전자기 방사선에 의해 여기되며, 상기 제 1 밴드 및 상기 제 2 밴드는 실질적으로 중첩하지 않는, 볼타 셀용 버퍼.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 광영양생물 또는 화학합성생물 미생물을 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 화학합성생물이고, 상기 미생물의 제 2 종은 광영양생물인, 볼타 셀용 버퍼.
  24. 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 의 1차 대사 경로는 탄소, 질소, 인, 또는 황을 함유하는 화합물을 산화시키고, 상기 제 2 의 1차 대사 경로는 상기 제 1 의 1차 대사 경로에 의해 생성된 산화된 화합물을 환원시키는, 볼타 셀용 버퍼.
  25. 제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 의 1차 대사 경로 및 상기 제 2 의 1차 대사 경로 각각은 세포 호흡에 관여하는, 볼타 셀용 버퍼.
  26. 제 19 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 선모들, 피브릴들, 편모들, 및/또는 섬질 형태를 갖는, 볼타 셀용 버퍼.
  27. 제 19 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 또는 제 2 종은 복수의 대사 경로들을 갖는, 볼타 셀용 버퍼.
  28. 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미생물의 제 1 종은 자연 발생 미생물 종인, 볼타 셀용 버퍼.
  29. 제 19 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 사이펀들의 팝퓰레이션을 더 포함하며,
    각각의 전자 사이펀은 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 상기 전자 수용 구성요소로부터 상기 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 최대 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는, 볼타 셀용 버퍼.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 상기 버퍼 내의 어셈블리를 포함하며,
    상기 어셈블리는 전자들을 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 상기 애노드로 전도하도록 구성되는, 볼타 셀용 버퍼.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 제 1 의 1차 대사 경로 및 상기 제 2 의 1차 대사 경로 각각은 세포 호흡에 관여하는, 볼타 셀용 버퍼.
  33. 볼타 셀로서,
    (a) (i) 전자 공여체 팝퓰레이션이 안에 제공되고 (ii) 전자 사이펀 팝퓰레이션이 안에 제공된 이온 전도성 매체를 포함하는 버퍼로서, 각각의 전자 사이펀은 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 상기 전자 수용 구성요소로부터 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함하는, 상기 버퍼;
    (b) 상기 버퍼 전자 공여체 팝퓰레이션을 적어도 부분적으로 포함하는 베셀;
    (c) 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하고 전자들을 외부 회로 또는 부하에 제공하는 애노드; 및
    (d) 상기 버퍼에서의 종으로 전자들을 공여하는 캐소드를 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 최대 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는, 볼타 셀용 버퍼.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 상기 버퍼 내의 어셈블리를 포함하며, 상기 어셈블리는 전자들을 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 상기 애노드로 전도하도록 구성되는, 볼타 셀용 버퍼.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 버퍼를 애노드 구획 및 캐소드 구획으로 분리하여 상기 전자 공여체 팝퓰레이션이 상기 캐소드와 접촉하는 것을 방지하는 이온 투과성 및 전자 공여체 불투과성 배리어를 더 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  37. 제 33 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드와 전기 소통하는 전류 컬렉터를 더 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  38. 제 33 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 상기 전자 공여체 팝퓰레이션과 도킹하지만 상기 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하는 셀들을 용해시키지 않는 도킹 모이어티 (docking moiety) 를 포함하는, 볼타 셀용 버퍼
  39. 볼타 셀용 버퍼로서,
    (i) 전자 공여체 팝퓰레이션; 및
    (ii) 전자 사이펀 팝퓰레이션
    을 포함하는 이온 전도성 매체를 포함하며,
    각각의 전자 사이펀은 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 전자들을 수용하는 전자 수용 구성요소, 및 전자들을 상기 전자 수용 구성요소로부터 애노드로 직접적으로 또는 간접적으로 전도하는 전자 전도 엘리먼트를 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 최대 약 500 마이크로미터의 메디안 주요 치수를 갖는, 볼타 셀용 버퍼.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 상기 버퍼 내의 어셈블리를 포함하며, 상기 어셈블리는 전자들을 상기 전자 공여체 팝퓰레이션으로부터 상기 애노드로 전도하도록 구성되는, 볼타 셀용 버퍼.
  42. 제 39 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 사이펀들은 상기 전자 공여체 팝퓰레이션과 도킹하지만 상기 전자 공여체 팝퓰레이션을 포함하는 셀들을 용해시키지 않는 도킹 모이어티를 포함하는, 볼타 셀용 버퍼.
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