MXPA01001792A - Bateria enzimatica. - Google Patents

Abstract

Se provee una bateria que comprende un primer compartimento, un segundo compartimento y una barrera que separa el primer y segundo compartimentos, en donde la barrera comprende una porcion transportadora de protones.

Description

BATERÍA ENZIMATICA MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se refiere a baterías, incluyendo celdas de combustible y celdas de combustible recargables, para su uso en el accionamiento de dispositivos eléctricos. Baterías tales como las celdas de combustible son útiles para la conversión directa de energía química en energía eléctrica. Las celdas de combustible están formadas típicamente de tres cámaras separadas por dos electrodos porosos. Una cámara de combustible sirve para introducir un combustible, típicamente hidrógeno gaseoso, el cual puede ser generado in situ "reformando" hidrocarburos tales como metano con vapor, de modo que el hidrógeno entra en contacto con H2O en el primer electrodo en donde, cuando un circuito se forma entre los electrodos, se cataliza una reacción que produce electrones e iones hidronio (H30+). 2H2O + H2 •* „ 2HsO+ + 2e" (1 ) Una cámara central puede comprender un electrolito. La cámara central funciona para transportar iones hidronio del primer electrodo al segundo electrodo. El segundo electrodo provee una interfaz con una molécula receptora, típicamente oxígeno, presente en la tercera cámara. La molécula receptora recibe los electrones transportados por el circuito. 2H30+ + 1/2 O2 + 2e •* 3H20 (2) El elemento electrolito de la celda de combustible puede ser, por ejemplo, un material de polímero conductor tal como un polímero hidratado que contiene grupos de ácido sulfónico sobre cadenas laterales de perfluoroetileno sobre una estructura de base de perfluoroetileno tal como Nafion™ (du Pont de Nemours, Wilmington, DE) o polímeros similares disponibles de Dow Chemical Co., Midland, MI. Otros electrolitos incluyen soluciones alcalinas (tales como KOH a 35% en peso, 50% en peso u 85% en peso), soluciones acidas (tales como ácido fosfórico concentrado), electrolitos fundidos (tales como carbonato de metal fundido) y electrolitos sólidos (óxidos sólidos tales como circonia (ZrO2) estabilizada con ytria (Y2O3). Electrolitos líquidos son retenidos con frecuencia en una matriz porosa. Dichas celdas de combustible se describen, por ejemplo, en "Fuel Cells, " Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, cuarta edición, Vol. 1 1 , pp-1098-1 121. Estos tipos de celdas de combustible funcionan típicamente a temperaturas de aproximadamente 80°C a aproximadamente 1 ,000°C. Los inconvenientes de la tecnología incluyen tiempos de operación cortos debidos a envenenamiento del catalizador por contaminantes, altos costos iniciales, y las restricciones prácticas impuestas sobre los dispositivos que operan a temperaturas relativamente altas a extremadamente altas. La presente invención provee una tecnología de celdas de combustible que utilizan moléculas usadas en procesos biológicos para crear celdas de combustible que funcionan a temperaturas moderadas y sin la presencia de compuestos químicos desagradables mantenidos a altas temperaturas, lo cual puede conducir a corrosión de los componentes de la celda. Aunque los combustibles usados en las celdas de combustible de la presente invención son más complejos, son fácilmente disponibles y adecuadamente cotizados para un número de aplicaciones tales como fuentes de energía para dispositivos móviles de computación o telefónicos. Se anticipa que las celdas de combustible de la invención pueden ser configuradas de modo que una celda de 300 ce tiene una capacidad de hasta 80 W»h- y de esta manera puede tener más capacidad que una batería de tamaño comparable para una computadora laptop -, y que dichas celdas podrían tener incluso más capacidad. De esta manera, se piensa que las celdas de combustible de la invención se pueden usar para incrementar capacidad, y/o para disminuir tamaño y/o peso. Además, las fuentes de energía inerte y compacta de la invención se pueden usar para proveer salida eléctrica de duración breve. Puesto que los materiales retenidos dentro de las celdas de combustible son no corrosivos y típicamente no son peligrosos, es práctico recargar las celdas de combustible con combustible, en donde la recarga es hecha por el consumidor o mediante un servicio tal como un servicio de pedido por correo. Además, en ciertos aspectos, la invención provee celdas de combustible que usan el transporte activo de protones para incrementar su eficiencia sostenible. Las celdas de combustible de la invención pueden ser también recargadas eléctricamente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un aspecto, la invención provee una celda de combustible que comprende un primer compartimento, un segundo compartimento y una barrera que separa el primer y segundo compartimientos, en donde la barrera comprende una porción transportadora de protones. En otro aspecto, la invención provee una celda de combustible; un primer compartimento; un segundo compartimento; una barrera que separa el primer compartimento del segundo compartimento; un primer electrodo; un segundo electrodo; una enzima redox en el primer compartimento en comunicación con el primer electrodo para recibir electrones del mismo, la enzima redox incorporada en una composición de lípido; un portador de electrones en el primer compartimento en comunicación química con la enzima redox; y una composición receptora de electrones en el segundo compartimento en comunicación química con el segundo electrodo en donde, en funcionamiento, una corriente eléctrica fluye a lo largo de una trayectoria conductora formada entre el primer electrodo y el segundo electrodo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra una vista en perspectiva del interior de una celda de combustible con tres cámaras. La figura 2 ilustra una celda de combustible que exhibe ciertos aspectos preferidos de la presente invención. Las figuras 3A, 3B y 3C ilustran una celda de combustible similar con segmento que contiene depurador. Las figuras 4A y 4B muestran una vista superior de una celda de combustible con dos cámaras. La figura 5A muestra una vista superior de una celda de combustible con dos cámaras, mientras que la figura 5B muestra una vista lateral. La figura 6 muestra una celda de combustible, en donde los fluidos que bañan a los dos electrodos son segregados. La figura 7 muestra una celda de combustible, con regulación de luz incorporada y un sensor.

Definiciones Los siguientes términos deben tener, para los propósitos de esta solicitud, el significado respectivo descrito a continuación. Portador de electrones: Un portador de electrones es una composición que provee electrones en una reacción enzimática. Los portadores de electrones incluyen, sin limitación, nicotamida adenin dinucleótido reducido (denotado por NADH; forma oxidada denotada por NAD o NAD+), nicotinamida adenin dinucleótido fosfato reducido (denotado por NADPH; forma oxidada denotada por NADP o NADP+), nicotinamida mononucleótido reducido (NMNH; forma oxidada denotada por NMN), flavin adenin dinucleótido reducido (FADH2; forma oxidada denotada por FAD), flavin mononucleótido reducido (FMNH2; forma oxidada denotada por FMN), coenzima A reducida, y similares. Los portadores de electrones incluyen proteínas con grupos prostéticos donadores de electrones incorporados, tales como coenzima A, protoporfirina IX, vitamina B12, y similares. Otros portadores de electrones incluyen glucosa (forma oxidada: ácido glucónico), alcoholes (por ejemplo, forma oxidada: etilaldehido), y similares. De preferencia, el portador de electrones está presente a una concentración de 1 M o más, más preferiblemente 1.5 M o más, aún más preferiblemente 2 M o más. Composición receptora de electrones: Una composición receptora de electrones recibe los electrones transportados hacia el cátodo por la celda de combustible. Mediador de transferencia de electrones: Un mediador de transferencia de electrones es una composición que facilita la transferencia, hacia un electrodo, de electrones liberados de un portador de electrones. Enzima redox: Una enzima redox es una enzima que cataliza la transferencia de electrones de un portador de electrones a otra composición, o de otra composición hasta la forma oxidada de un portador de electrones. Ejemplos de clases apropiadas de enzimas redox incluyen: oxidasas, deshidrogenasas, reductasas y oxidorreductasas. Además, también se podrían usar otras enzimas que catalizan la oxidorreducción como su propiedad secundaria, por ejemplo, superóxido dismutasa. Composición: Composición se refiere a una molécula, compuesto, especie cargada, sal, polímero, u otra combinación o mezcla de entidades químicas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 ilustra características de un ejemplo de batería tal como una celda de combustible 10. La celda de combustible 10 tiene una primera cámara 1 que contiene un portador de electrones, en donde el relleno de fondo texturizado de la primera cámara 1 ilustra que la solución puede ser retenida dentro de una matriz porosa (incluyendo una membrana). La segunda cámara 2 contiene similarmente un electrolito (y puede ser el mismo material presente en la primera cámara) en un espacio, cuyo espacio puede ser llenado también con una matriz de retención, interpuesta entre el primer electrodo poroso 4 y el segundo electrodo poroso 5. Una superficie del segundo electrodo 5 entra en contacto con el espacio de la tercera cámara 3, en la cual se introduce una molécula receptora de electrones, típicamente una molécula gaseosa tal como oxígeno. El primer contacto eléctrico 6 y el segundo contacto eléctrico 7 permiten que se forme un circuito entre los dos electrodos. La matriz de retención porosa opcional puede ayudar a retener la solución en, por ejemplo, la segunda cámara 2, y minimizar el derrame de la solución en la tercera cámara 3, manteniendo de esta manera un área de superficie de contacto entre la molécula receptora de electrones y el segundo electrodo 5. En algunas modalidades, el líquido acuoso en la primera cámara 1 y la segunda cámara 2, suspende al portador de electrones reducido no disuelto, aumentando de esta manera el depósito del portador de electrones reducido disponible para usarse para suministrar electrones hacia el primer electrodo 4. En otro ejemplo, en donde las cámaras incluyen una matriz porosa, se puede introducir una solución saturada, y se puede reducir la temperatura para precipitar al portador de electrones reducido dentro de los poros de la matriz. Después de la precipitación, la fase de la solución puede ser reemplazada con otra solución concentrada, aumentando de esta manera la cantidad del portador de electrones, en donde el portador de electrones está en forma sólida y solvatada. Se reconocerá que la segunda cámara puede estar hecha de un electrolito polimérico, tal como uno de los descritos anteriormente. La reacción que ocurre en el primer electrodo se puede ejemplificar con NADH de la manera siguiente: H20 + NADH „ *» NAD1" + H3Ot + 2e (3) Enzimas preferidas transmiten los electrones hacia mediadores que transportan los electrones hacia el electrodo del ánodo. De esta manera, si la enzima transporta normalmente los electrones para reducir una molécula pequeña, esta molécula pequeña es preferiblemente desviada. La reacción correspondiente en el segundo electrodo es: 2H3O+ + 1/2 O2 + 2e" - ^ 3H2O (2) Usando la reacción 2, preferiblemente la solución de inmersión es regulada en su pH para explicar el consumo de iones hidrógeno, o se pueden suministrar compuestos donadores de iones hidrógeno durante el funcionamiento de la celda de combustible. Esta explicación del consumo de iones hidrógeno ayuda a mantener el pH a un valor que permite un grado útil de actividad enzimática redox. Pare evitar este problema, se puede usar una molécula alternativa receptora de electrones con un potencial de oxidación/reducción apropiado. Por ejemplo, se puede usar ácido periódico de la manera siguiente: H3O+ + H5IO6 + 2e- « r IO3" + 4H20 (4) El uso de esta reacción en el cátodo da como resultado una producción neta de agua que, si es significativa, puede estar relacionada, por ejemplo, con proveer espacio para el exceso de líquido. Dichas moléculas receptoras de electrones alternativas son con frecuencia sólidos a las temperaturas de operación o solutos en un vehículo líquido, en cuyo caso la tercera cámara 3 debe ser adaptada para llevar dicho material no gaseoso. En los casos en donde, como con el ácido periódico, la molécula receptora de electrones puede dañar a la enzima que cataliza la liberación de electrones, la segunda cámara 2 puede tener un segmento, según se ¡lustra con el número 8 en la celda de combustible 10' de la figura 2, que contiene un depurador para dicha molécula receptora de electrones. En una modalidad preferida, los electrodos comprenden metalizaciones en cada lado de un substrato no conductor. Por ejemplo, en la figura 3A, la metalización en un primer lado del substrato dieléctrico 42 es el primer electrodo 44, mientras que la metalización en el segundo lado es el segundo electrodo 45. Perforaciones 49 funcionan como conducto entre el ánodo y el cátodo de la celda de combustible, como se describe más adelante. La ilustración de la figura 3A, como se reconocerá, es ilustrativa de la geometría relativa de esta modalidad. El espesor del substrato dieléctrico 42 es, por ejemplo, de 15 micrómetros (µm) a 50 micrómetros, o de 15 micrómetros a 30 micrómetros. El ancho de las perforaciones es, por ejemplo, de 20 micrómetros a 80 micrómetros. De preferencia, las perforaciones comprenden un exceso de 50% del área de cualquier área del substrato dieléctrico que interviene en el transporte entre las cámaras, tal como de 50 a 75% del área. En ciertas modalidades preferidas, el substrato dieléctrico es vidrio o un polímero tal como acetato de polivinilo o silicato de cal de sosa. La figura 3B ¡lustra los electrodos estructurados sobre un substrato perforado en más detalle. Las perforaciones 49 junto con el substrato dieléctrico 42 proveen un soporte y capas lipídicas (es decir, membranas) que abarcan las perforaciones. Dichas bicapas lipídicas pueden incorporar por lo menos una primera enzima o complejo de enzimas (denominado en lo consecutivo "primera enzima") 62 efectiva (i) para oxidar la forma reducida de un portador de electrones, y de preferencia (ii) para transportar, en conjunto con la oxidación, protones del lado de combustible 41 hacia el lado de producto 43 de la celda de combustible 50. De preferencia, la primera enzima 62 es inmovilizada en la bicapa lipídica con la orientación apropiada para permitir el acceso del sitio catalítico para la reacción oxidante hacia el lado de combustible y el bombeo asimétrico de protones. Sin embargo, puesto que el combustible está aislado sustancialmente en el lado de combustible 41 , una enzima insertada en la bicapa lipídica con la orientación opuesta, carece de una fuente de energía. Ejemplos de enzimas particularmente preferidas que proveen una de las funciones de bombeo de protones y de oxidación/reducción, o ambas incluyen, por ejemplo, NADH deshidrogenasa (por ejemplo, de E. coli Tran et al., "Requirement for the protón pumping NADH dehydrogenase I of Escheríchia coli in respiration of NADH to fumarate and its bioenergetic implications", Eur. J. Biochem. 244:155, 1997), NADPH transhidrogenasa, protón ATPasa y citocromo oxidasa, y sus diferentes formas. Métodos para aislar dicha enzima NADH deshidrogenasa se describen en detalle, por ejemplo, en Braun et al., Biochemistry 37: 1861-1867, 1998; y Bergsma et al., "Purification and characterization of NADH deshidrogenase from Bacillus subtilis", Eur. J. Biochem. 128: 151 -157, 1982. La bicapa lipídica se puede formar a través de las perforaciones 49 y enzima incorporada en la misma, por ejemplo, mediante los métodos descritos en detalle en Niki et al., patente de E.U.A. 4,541 ,908 (templando el citocromo C hacia un electrodo), y Persson et al., J. Electroanalytical Chem. 292: 1 15, 1990. Dichos métodos pueden comprender los pasos de: obtener una solución apropiada de lípido y enzima, en donde la enzima puede ser suministrada hacia la mezcla en una solución estabilizada con un detergente y, una vez que se obtiene una solución apropiada de lípido y enzima, el substrato dieléctrico perforado es sumergido en la solución para formar las bicapas lipídicas que contienen enzima. Se pueden requerir tratamiento con sonido o dilución de detergente para facilitar la incorporación de la enzima en la bicapa. Véase, por ejemplo, Singer, Biochemical Pharmacology 31 : 527-534, 1982; Madden, "Current concepts in membrane protein reconstitution", Chem. Phys. Lipids 40: 207-222, 1986; Montal et al., "Functional reassembly of membrane proteins in planar lipid bilalayers", Quart. Rev. Biophys. 14: 1 -79, 1981 ; Helenius et al., "Asymmetric and symmetric membrane reconstitution by detergent elimination", Eur. J.

Biochem. 1 16: 27-31 , 1981 ; y volúmenes sobre biomembranas (por ejemplo, Fleischer y Packer (eds.)) en Methods in Enzymology series, Academic Press. Mediante el uso de enzimas que tienen las funciones de oxidación/reducción y de bombeo de protones, y que consumen al portador de electrones, la acidificación del lado de combustible causada por el consumo del portador de electrones, es sustancialmente compensada por la salida de protones. El bombeo neto de protones en conjunto con la reducción de un portador de electrones puede exceder dos protones por transferencia de electrones (por ejemplo, hasta 3 o 4 protones por transferencia de electrones). Por consiguiente, en algunas modalidades, se debe tener cuidado de amortiguar o acomodar el exceso de acidificación en el lado de combustible o el exceso de acidificación en el lado de producto. En forma alternativa, la velocidad de transporte se ajusta incorporando una mezcla de enzimas redox, una porción de las cuales no exhibe transporte de protones coordinado. En algunas modalidades, se debe tener cuidado especialmente en el lado de combustible para moderar la salida de protones para igualar la producción de " los mismos. La acidificación o desacidificación en un lado u otro de la celda de combustible, puede ser moderada también seleccionando o mezclando enzimas redox para proveer una cantidad deseada de producción de protones. De hecho, la salida de protones del lado de combustible es hasta cierto grado autolimitativa, de modo que en algunas modalidades el interés teórico por el bombeo excesivo hacia el lado de producto es, cuando mucho, de consecuencia limitada. Por ejemplo, las proteínas de la matriz mitocondrial se oxidan a los portadores de electrones y transportan protones, funcionan para crear un gradiente de pH sustancial a través de la membrana mitocondrial interna, y están diseñadas para funcionar en vista de que el bombeo crea un pH relativamente alto tal como pH 8 o mayor. (En algunas modalidades, sin embargo, se debe tener cuidado de mantener el pH a una escala más cerca a pH 7.4, en donde muchos portadores de electrones tales como el NADH son más estables). Sin importar qué tan perfectamente la producción de protones iguala el consumo de los mismos, el bombeo de protones provisto por esta modalidad de la invención ayuda a disminuir las pérdidas en la velocidad de transferencia de electrones debidas a un déficit de protones en el lado de producto. En algunas modalidades, el bombeo de protones es provisto por una bomba de protones accionada por la luz, tal como bacteriorrodopsina. La producción recombinante de bacteriorrodopsina se describe, por ejemplo, en Nassal et al., J. Biol. Chem. 262: 9264-70, 1987. El retinal todo trans está asociado con la bacteriorrodopsina para proveer el cromóforo absorbente de luz. La luz para accionar este tipo de bomba de protones puede ser provista por fuentes de luz electrónicas, tales como LEDs, incorporadas en la celda de combustible, y accionadas por (i) una porción de energía producida a partir de la celda de combustible, o (¡i) una porción translúcida de la cubierta de la celda de combustible que permite que la luz de la iluminación del entorno o la luz solar incidan sobre la bicapa lipídica. Por ejemplo, ¡lustrada en la figura 7 está una celda de combustible 400 en la cual se incorporan dispositivos de control de luz 71. Estos dispositivos de control de luz 71 contienen, por ejemplo, LEDs u obturadores de cristal líquido. Los obturadores de cristal líquido tienen un estado relativamente opaco y relativamente translúcido, y pueden ser conmutados electrónicamente entre los dos estados. Una fuente de luz externa, tal como la luz provista por la iluminación del entorno o la luz solar, puede ser regulada mediante el uso de obturadores de cristal líquido u otro dispositivo de obturación. En algunas modalidades, los dispositivos de control de luz son regulados individualmente o regulados en grupos para facilitar la regulación de la cantidad de luz transportada hacia la proteína de la bomba de protones. De preferencia, los dispositivos de control de luz 71 tienen lentes para dirigir la luz para enfocar principalmente en el substrato dieléctrico 42, particularmente las porciones que contienen bicapas lipídicas que incorporan las bombas de protones. Un dispositivo de monitoreo 72 puede operar para monitorear una condición en la celda de combustible, tal como el pH o la concentración del portador de electrones, y transmite información hacia un controlador 73 que funciona para moderar un aspecto del funcionamiento de la celda de combustible si los valores monitoreados dictan dicha acción. Por ejemplo, el controlador 73 puede moderar el nivel de luz transportada por los dispositivos de control de luz 71 , dependiendo del pH del lado de combustible 41. Nótese que en una modalidad, se deja que la fuente de luz externa energice la bomba de protones sin el uso de dispositivo regulador de luz alguno. En otra modalidad, la enzima redox es depositada sobre o adyacente al primer electrodo, mientras que un transportador de protones es incorporado en las bicapas lipídicas de las perforaciones. En otra modalidad, una segunda enzima 63 es incorporada en la celda de combustible, tal como en la bicapa lipídica o de otra manera sobre el primer electrodo o en la primera cámara, para facilitar el transporte o la generación de protones en la primera cámara durante el modo de recarga, añadiendo de esta manera protones al lado de combustible. La segunda enzima puede ser idéntica a, o distinta de, la enzima que transporta protones durante la operación hacia adelante. Un ejemplo de esta segunda enzima incluye proteínas de transporte con potencial redox menor respecto a, por ejemplo, NAD succinato deshidrogenasa, en conjunto con el complejo de CoQH2-citocromo c reductasa. También útiles con lactato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa, ambas enzimas aisladas de varias fuentes disponibles de Sigma Chemical Co., St. Louis, MO. Por ejemplo, la bacteriorrodopsina se puede usar también con una orientación apropiada para este uso en el modo de recarga. En algunas modalidades, el modo de recarga funciona para regenerar NADH, pero no invierte el bombeo de protones. Las perforaciones 49 se ilustran como aberturas. Sin embargo, estas pueden comprender también segmentos porosos del substrato dieléctrico 42. En forma alternativa, estos pueden comprender membranas que abarcan las perforaciones 49 para soportar la blcapa lipídica. De preferencia, las perforaciones abarcan una porción sustancial del área de superficie del substrato dieléctrico, tal como 50%. De preferencia, la densidad de enzimas en la bicapa lipídica es alta, tal como 2 x 1012/mm2. La orientación de la enzima en la bicapa lipídica puede ser aleatoria, en donde la eficacia del bombeo de electrones es determinada por la presencia asimétrica del substrato tal como un portador de electrones y protones. En forma alternativa, la orientación se establece, por ejemplo, usando anticuerpos para la enzima presente en un lado de la membrana durante la formación del complejo de enzima-bicapa lipídica.

Las perforaciones 49 y superficies metalizadas (primer electrodo 44 y segundo electrodo 45) del substrato dieléctrico 42 se pueden construir, por ejemplo, mediante técnicas de fotolitografía por enmascaramiento y grabado con ácido bien conocidas en la técnica. En forma alternativa, los electrodos de las superficies metalizadas se pueden formar, por ejemplo, mediante (1 ) deposición de película delgada a través de una máscara, (2) aplicando un manto de metalización mediante película delgada y entonces mediante fotodefinición, grabando con ácido selectivamente un patrón en la metalización, o (3) fotodefiniendo el patrón de metalización directamente sin grabado con ácido usando una resistencia impregnada de metal (procedimiento Fobel de DuPont, véase Drozdyk et al. "Photopattemable Conductor tapes for PDP applications" Society for Information Display 1999 Digest, 1044-1047; Nebe et al., patente de E.U.A. 5,049,480). En una modalidad, el substrato dieléctrico es una película. Por ejemplo, el substrato dieléctrico puede ser una película porosa que se hace no permeable fuera de las "perforaciones" mediante las metalizaciones. Las superficies de las capas de metal pueden ser modificadas con otros metales, por ejemplo, mediante electrólisis. Dichas electrólisis pueden ser, por ejemplo, con cromo, oro, plata, platino, paladio, níquel, mezclas de los mismos, o similares, de preferencia oro y platino. Además de las superficies metalizadas, los electrodos se pueden formar mediante otros materiales conductores apropiados, los cuales pueden ser modificados en su superficie. Por ejemplo, los electrodos se pueden formar de carbón (grafito), el cual puede ser aplicado al substrato dieléctrico mediante evaporación de haz de electrones, deposición de vapor químico o pirólisis. De preferencia, las superficies que van a ser metalizadas son limpiadas con solvente, y la ceniza se elimina con plasma de oxígeno. Como se ¡lustra en la figura 3C, el contacto eléctrico 54 conecta el primer electrodo 44 a un circuito eléctrico prospectivo, mientras que el contacto eléctrico 55 conecta el segundo electrodo 45. En una modalidad, el lado de producto de la celda de combustible comprende un líquido acuoso con oxígeno disuelto. En una modalidad, por lo menos una porción de la pared que retiene dicho líquido acuoso es permeable a oxígeno, pero resiste suficientemente la transmisión de vapor de agua para permitir la vida útil del producto con el líquido acuoso retenido en la celda de combustible. Un ejemplo de un material de pared polimérico apropiado es un plástico permeable a oxígeno. En contraste, el lado de combustible se construye de preferencia de material que resista la incursión de oxígeno. Puede hacerse que la celda de combustible sea anaeróbica mediante inundación para purgar el oxígeno con un gas inerte tal como nitrógeno o helio. En algunas modalidades recargables, la composición receptora de electrones se regenera durante el modo de recarga, eliminando o reduciendo de esta manera la necesidad de una fuente exterior de dicha composición receptora de electrones. La celda de combustible de la invención puede ser recargada de preferencia aplicando un voltaje apropiado para inyectar electrones en el lado de combustible para permitir que la primera enzima catalice la reacción inversa. En modalidades particularmente preferidas, la primera enzima tiene las funciones de oxidación/reducción y de bombeo de electrones, y funciona para invertir el bombeo de protones del lado de producto al lado de combustible durante la recarga. De esta manera, el bombeo inverso suministra los protones consumidos en la generación, por ejemplo, de NADH a partir de (i) NAD y (ii) los electrones y protones inyectados. Nótese que en la operación inversa, los electrones inyectados actúan primero para reducir el oxígeno residente en el lado de combustible, ya que esta reacción es favorecida energéticamente. Una vez que el oxígeno es consumido, los electrones pueden contribuir a la regeneración del portador de electrones reducido. La descripción anterior de las modalidades que usan el transporte de protones se centra en el uso de ambas superficies de un substrato para proveer los electrodos, facilitando de esta manera una transferencia más inmediata de protones hacia el lado de producto, en donde los protones son consumidos en la reducción de la composición receptora de electrones. Sin embargo, se reconocerá que esta modalidad, estructuras tales como una matriz porosa pueden ser interpuestas entre el lado de combustible y el lado de producto. Dicha estructura interpuesta puede funcionar para proveer protección a temperatura o moléculas depuradoras que protejan, por ejemplo, a las enzimas de los compuestos reactivos. La celda de combustible funciona dentro de una escala de temperatura apropiada para el funcionamiento de la enzima redox. Esta escala de temperatura varía típicamente con la estabilidad de la enzima y la fuente de la misma. Para incrementar la escala de temperatura apropiada, se puede seleccionar la enzima redox apropiada de un organismo termofílico, tal como un microorganismo aislado de un respiradero volcánico o aguas termales. Sin embargo, las temperaturas de operación preferidas de por lo menos el primer electrodo son de aproximadamente 80°C o menos, de preferencia 60°C o menos, más preferiblemente 40°C o 30°C o menos. La matriz porosa está hecha, por ejemplo, de fibras inertes tales como asbesto, materiales concrecionados tales como vidrio concrecionado, o esferas de material inerte. El primer electrodo (ánodo) puede ser revestido con un mediador de transferencia de electrones tal como un compuesto organometálico que funcione como un receptor de electrones sustituto para el substrato biológico de la enzima redox. En forma similar, la bicapa lipídica de la modalidad de la figura 3, o estructuras adyacentes a la bicapa, pueden incorporar dichos mediadores de transferencia de electrones. Dichos compuestos organometálicos pueden incluir, sin limitación, diciclopentadieniliron (C-?oH10Fe, ferroceno), disponible junto con análogos que pueden ser sustituidos, de Aldrich, Milwaukee, Wl, platino o carbón, y paladio sobre carbón. Otros ejemplos incluyen moléculas de ferredoxina de potencial de oxidación/reducción apropiado, tal como la ferredoxina formada de rubredoxina y otras ferredoxinas disponibles de Sigma Chemical. Otros mediadores de transferencia de electrones incluyen compuestos orgánicos tales como quinona y compuestos relacionados. El mediador de transferencia de electrones se puede aplicar, por ejemplo, mediante tamizado o revestimiento por inmersión enmascado o sublimación. El primer electrodo puede ser impregnado con la enzima redox, la cual puede ser aplicada antes o después del mediador de transferencia de electrones. Una forma de asegurar la asociación de la enzima redox con el electrodo, es simplemente incubar una solución de la enzima redox con un electrodo durante tiempo suficiente para permitir asociaciones entre el electrodo y la enzima, tal como mediante asociaciones de Van der Waals, hasta su maduración. En forma alternativa, una primera porción de unión, tal como biotina o su complemento de unión avidina/estreptavidina, puede ser fijada al electrodo, y la enzima unida a la primera porción de unión mediante una molécula unida del complemento de unión. La enzima redox puede comprender cualquier número de enzimas que usen un portador de electrones como substrato, sin importar si la dirección de la reacción primaria biológicamente relevante es para el consumo o producción de dicho portador de electrones reducido, puesto que dichas reacciones se pueden llevar a cabo en dirección inversa. Ejemplos de enzimas redox incluyen además, sin limitación, glucosa oxidasa (que usa NADH, disponible de varías fuentes, incluyendo varios tipos de esta enzima disponibles de Sigma Chemical), glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (NADPH, Boehringer Mannheim, Indianapolis, IN), 6-fosfogluconato deshidrogenasa (NADPH, Boehringer Mannheim), malato deshidrogenasa (NADH, Boehringer Mannheim), gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (NADH, Sigma, Boehringer Mannheim), isocitrato deshidrogenasa (NADH, Boehringer Mannheim; NADPH, Sigma), y complejo de a-cetoglutarato dehidrogenasa (NADH, Sigma). La enzima redox puede ser también una bomba de transmembrana, tal como una bomba de protones, que funciona usando un portador de electrones como fuente de energía. En este caso, la enzima puede ser asociada con el electrodo en presencia de detergente y/o moléculas portadoras de lípido que estabilicen la conformación activa de la enzima. Como en otras modalidades, un mediador de transferencia de electrones se puede usar para incrementar la eficiencia de la transferencia de electrones hacia el electrodo. Portadores de electrones asociados están disponibles fácilmente de proveedores comerciales tales como Sigma y Boehringer Mannheim. Las concentraciones a las cuales la forma reducida de dichos portadores de electrones funciona, pueden ser tan altas como sea posible sin interrumpir el funcionamiento de la enzima redox. Las condiciones de salinidad y de regulador de pH se designan con base en, como punto de partida, el amplio conocimiento disponible de las condiciones apropiadas para la enzima redox. Las condiciones para dicha enzima están disponibles típicamente, por ejemplo, a partir de proveedores de dichas enzimas. Como se ilustra para la celda de combustible 100 en la figura 4A (vista superior), se puede proveer un depósito de suministro 1 1 1 para suministrar el portador de electrones reducido mediante el conducto 1 13, válvula obturadora 1 12 y difusor 1 14, hacia la segunda cámara 102. Nótese que la celda de combustible 100 carece de una primera cámara, ya que esta cámara funciona con frecuencia como depósito, que en la celda de combustible 100 es provisto por el depósito del suministro 1 1 1 . El difusor 1 15, conducto 1 16 y bomba 1 17 proveen la trayectoria y energía motriz para transportar el líquido consumido que contiene al portador de electrones (con frecuencia solamente habiendo reducido su eficacia para accionar la celda de combustible) hacia un depósito de salida 1 18. La celda de combustible 100 tiene además un primer electrodo 104, segundo electrodo 105, tercera cámara 103, bomba de aire 121 , entrada de aire 122 y salida de aire 123. Las diferentes bombas pueden ser inactivadas de una batería, la cual puede ser recargada y regulada usando energía de la celda de combustible, o pueden funcionar después de que la celda de combustible comience a generar corriente. Como se ilustra en la figura 4B, el monitor de voltaje o corriente M puede monitorear el rendimiento de la celda de combustible proveyendo voltaje hacia el circuito que comprende resistencias R. El monitor M puede transmitir información hacia el controlador, el cual usa la información para regular el funcionamiento de una o más de las bombas. La figura 5A ¡lustra una celda de combustible 200 (vista superior), en la cual un depósito de ácido/base 231 sirve para suministrar una fuente de un material que se requiere para explicar cualquier desequilibrio de materiales en las ecuaciones de reacción en el primer y segundo electrodos.

El depósito de ácido/base 231 está conectado mediante el conducto 232, primera válvula accionada 233 y difusor 234, a una segunda cámara 202. El líquido del depósito de suministro 211 es suministrado mediante la válvula obturadora 212A y segunda válvula accionada 212B. En un ejemplo de operación, la segunda válvula accionada 212B está normalmente abierta, y la primera válvula accionada 233 está normalmente cerrada. Las posiciones de estas válvulas se invierten cuando el controlador detecta la necesidad de fluido a partir del depósito de ácido/base 231 (por ejemplo, debido a una señal recibida a partir del monitor de pH), y .hace funcionar la bomba 1 17 (por ejemplo, mediante el uso de motor de pasos) para extraer fluido en la segunda cámara 202. Se reconocerá que las disposiciones de bomba y válvula de las figuras 4A a 5B son únicamente para ilustración, ya que numerosas disposiciones alternativas serán reconocidas por los expertos en la técnica. La instalación de la celda de combustible puede estar dispuesta para mantener una cámara a una presión menor que la presión atmosférica, por ejemplo, para ayudar a reducir la pérdida de fluidos a través de varios materiales porosos. Los poros en varios materiales porosos se pueden seleccionar para permitir dicha difusión según sea necesario, mientras se minimiza el flujo de fluidos a través de los materiales porosos, tal como mediante flujo global de líquido en una cámara diseñada para poner en contacto gas con un electrodo poroso.

Las cámaras de fluido con las cuales el primer y segundo electrodos están en contacto, pueden ser independientes, como se ¡lustra en la figura 6. En la celda de combustible 300, la solución que baña al primer electrodo (ánodo) es alimentada a través del conducto 313A, mientras que la que baña al segundo electrodo (cátodo) es suministrada a través del conducto 313B. El flujo se ilustra como es regulado por las bombas 317A y 317B. En la celda de combustible ilustrada, las soluciones de inmersión son reabastecidas según sea necesario para explicar el balance necesario en las químicas que ocurren en las celdas segregadas. Las celdas pueden ser apiladas, y los electrodos dispuestos en varias formas para aumentar las áreas de contacto entre los electrodos y los reactivos. Estas geometrías de apilamiento y disposición se pueden basar en geometrías bien conocidas usadas con celdas de combustible convencionales. Se reconocerá que cuando el portador de electrones tiene un potencial electroquímico apropiado respecto a la molécula receptora de electrones, la celda se puede hacer funcionar de modo que la forma oxidada del portador de electrones recibe los electrones a través de un evento catalizado por enzimas. Por ejemplo, el portador de electrones y la molécula receptora de electrones pueden ser de la clase ejemplificada por portadores de electrones, pero con potenciales electroquímicos diferentes. De esta manera, las reacciones del lado de combustible y del lado de producto pueden ser catalizadas por enzimas. De hecho, incluso siendo oxígeno dicha composición receptora de electrones tradicional, la reacción del lado de producto puede ser catalizada por enzimas. En una modalidad de la invención, la celda de combustible no incorpora una bomba de protones. De preferencia, en esta modalidad, la enzima redox está asociada con un componente lipídico, tal como una composición que contiene fosfolípidos, esferoides (tales como esteróles), glucolípidos, esfingolípidos, triglicéridos u otros componentes incorporados típicamente en membranas celulares intracelulares o externas, mientras está aún suficientemente asociada con los electrodos para transportar electrones. La enzima es incorporada de preferencia en una bicapa lipídica. La barrera puede estar separando a los componentes tal como se usa en una celda de combustible típica, la cual transporta de preferencia protones entre la primera y segunda cámaras, aunque sin requerir bombeo de protones. Los siguientes ejemplos ilustran mejor la presente invención pero, de hecho, de ninguna manera deben ser considerados como limitativos de su alcance.

EJEMPLO El aparato de prueba consistía de un recipiente de reacción de 5 mi que contenía el combustible, y en el cual se sumergieron cobre y otros electrodos. Los electrodos fueron conectados a su vez a un voltímetro de alta impedancia para mediciones de voltaje de circuito abierto ó a un amperímetro de baja ¡mpedancia para mediciones de corriente de corto circuito. Varias configuraciones de prueba se utilizaron para establecer una línea de base con la cual se pudiera medir el rendimiento de la celda. La prueba se llevó a cabo sumergiendo los electrodos en la solución de combustible, y midiendo la 5 corriente y/o el voltaje como un función de tiempo. La reacción que accionó la celda fue la oxidación de hidruro de nicotinamida-adenin dínucleótido (NADH), la cual es catalizada por la enzima glucosa oxidasa (GOD) en presencia de glucosa. Esta reacción produjo NAD+, un protón (H+) y 2 electrones libres. -JO HzO + NADH = NAD* + HiO + 2e- La reacción se llevó a cabo en un electrodo, el cual era una tira de plástico metalizada revestida con la enzima GOD. Esta semirreacción fue acoplada a través de un circuito externo, a la formación de agua o peróxido de hidrógeno a partir de protones, oxígeno disuelto y electrones libres en el otro 15 electrodo. Los combustibles usados fueron soluciones de glucosa, NADH, o combinaciones de los mismos, agua desionizada destilada o una solución a 50 mM de regulador de pH Tris™, pH 7.4 (el NADH es más estable en un ambiente de pH 7.4). Los materiales de los electrodos fueron cobre (como 0 referencia) y tiras de plástico metalizadas revestidas con GOD (un producto disponible comercialmente). Las configuraciones de prueba utilizadas, así como también los resultados iniciales, fueron los siguientes: Configuración 1 : Electrodo 1 : cobre Electrodo 2: cobre Solución: regulador de pH Tris a 50 mM, pH 7.4 Voltaje: -7.5 mV Corriente: 3 µA, disminuyendo inicialmente hasta -2.2 µA dentro de 3 minutos, después principalmente constante.

Configuración 2: Electrodo 1 : cobre Electrodo 2: tira revestida de GOD Solución: regulador de pH Tris a 50 mM, pH 7.4 Voltaje: +350 mV Corriente: >20 µA (+), disminuyendo inicialmente hasta +4 µA dentro de 2 minutos, después principalmente constante.

Configuración 3: Electrodo 1 : cobre Electrodo 2: cobre Solución: glucosa a 10 mM en regulador de pH Tris a 50 mM, pH 7.4 Voltaje: -6.3 mV Corriente: -1 .7 µA, principalmente constante después de la disminución inicial.

Configuración 4: Electrodo 1 : cobre Electrodo 2: tira revestida de GOD Solución: glucosa a 10 mM en regulador de pH Tris a 50 mM, pH 7.4 Voltaje: +350 mV Corriente: >20 µA (+), disminuyendo inicialmente hasta aproximadamente +2 µA dentro de 2 minutos, después principalmente constante.

Configuración 5: Electrodo 1 : cobre Electrodo 2: cobre Solución: glucosa a 10 mM + NADH a 10 mM en regulador de pH Tris a 50 mM, pH 7.4 Voltaje: -290 mV, aumentando lentamente hasta -320 después de 4 minutos Corriente: -25 µA, disminuyendo hasta -21 µA después de 2 minutos.

Configuración 6: Electrodo 1 : cobre Electrodo 2: tira revestida de GOD Solución: glucosa a 10 mM + NADH a 10 mM en regulador de pH Tris a 50 mM, pH 7.4 Voltaje: + 500 mV, disminuyendo hasta + 380 después de 2 minutos. Corriente: > + 30 µA, disminuyendo rápidamente hasta ~ + 1 µA después de 1 minuto.

Todas las publicaciones y referencias incluyendo, pero no limitadas a, patentes y solicitudes de patente citadas en esta especificación, se incorporan en su totalidad en la presente como referencia, como si se indicara que cada publicación o referencia individual es incorporada específicamente e individualmente en la presente como referencia, según se describe en la misma. Cualquier solicitud de patente para la cual esta solicitud reclama prioridad, se incorpora también totalmente en la presente como referencia en la forma descrita anteriormente para publicaciones y referencias. Aunque esta invención se ha descrito con énfasis en modalidades preferidas, será obvio para los expertos en la técnica que se pueden usar variaciones en los dispositivos y métodos preferidos, y que de otra manera se pretende que la invención pueda ser puesta en práctica como se describe específicamente en la presente. Por consiguiente, esta invención incluye todas las modificaciones abarcadas dentro del espíritu y alcance de la misma, según se define mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (17)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1 .- Una batería que comprende un primer compartimento, un segundo compartimento y una barrera que separa al primer y segundo compartimentos, caracterizada porque la barrera comprende una porción transportadora de protones.

2.- Una batería que comprende: un primer compartimento; un segundo compartimento; una barrera que separa el primer compartimento del segundo compartimento; dicha barrera teniendo una porción transportadora de protones; un primer electrodo; un segundo electrodo; una enzima redox en el primer compartimento en comunicación con el primer electrodo para recibir electrones del mismo; un portador de electrones en el primer compartimento en comunicación química con la enzima redox; y una composición receptora de electrones en el segundo compartimento en comunicación química con el segundo electrodo, en donde, en operación, una corriente eléctrica fluye a lo largo de una trayectoria conductora formada entre el primer electrodo y el segundo electrodo.

3.- La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque el primer electrodo está asociado además con un mediador de transferencia de electrones que transfiere electrones de la enzima redox hacia el primer electrodo.

4.- La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque la proteína transportadora de protones comprende por lo menos una porción de la enzima redox.

5.- La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque comprende un depósito para suministrar hacia la vecindad de por lo menos uno de los electrodos, un componente consumido en el funcionamiento de la batería y una bomba para extraer dicho componente hacia esa vecindad.

6.- La batería de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada además porque comprende un controlador que recibe datos sobre el funcionamiento de la batería, y controla la bomba en respuesta a los datos.

7.- La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque una proteína de bomba de protones accionada por luz comprende por lo menos una porción de la proteína transportadora de protones, y comprende además una fuente de luz para accionar la proteína de bomba de protones accionada por luz.

8.- La batería de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada además porque incorpora en la barrera una segunda proteína, distinta de la primera, adaptada para facilitar el bombeo inverso de protones cuando la batería se hace funcionar en el modo de recarga.

9.- Un método de operación de una batería con un primer compartimento y un segundo compartimento, caracterizado porque comprende: oxidar enzimáticamente un portador de electrones y suministrar los electrones hacia un primer electrodo en comunicación química con el primer compartimento; catalizar la transferencia de protones del primer compartimento al segundo compartimento; y reducir con electrodos una molécula receptora de electrones transportados a través de un circuito del primer electrodo hacia un segundo electrodo localizado en el segundo compartimento.

10.- El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque la transferencia catalítica de protones ocurre en conjunto con la oxidación enzimática del portador de electrones.

11.- El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque por lo menos una porción de la transferencia de protones es accionada por una proteína de bomba de protones accionada por luz, y el método comprende además dirigir luz hacia la bomba de protones accionada por luz.

12.- El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque comprende monitorear el pH del primer compartimento, y controlar la cantidad de luz dirigida hacia la bomba de protones accionada por luz, de modo que relativamente más luz sea dirigida a valores de pH menores.

13.- El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque comprende: aplicar un voltaje a los electrodos de una polaridad opuesta a la generada por el funcionamiento normal de la batería para recargar la misma.

14.- El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende: transportar enzimáticamente protones de la segunda cámara a la primera cámara en conexión con la aplicación de voltaje de recarga.

15.- El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque por lo menos una porción del transporte enzimático en el modo de recarga se logra mediante una enzima distinta de una enzima que cataliza la mayor parte del transporte de protones en un modo que produce energía.

16.- Una batería que comprende: un primer compartimento; un segundo compartimento; una barrera que separa el primer compartimento del segundo compartimento; un primer electrodo; un segundo electrodo; una enzima redox en el primer compartimento en comunicación con el primer electrodo para recibir electrones del mismo, la enzima redox incorporada en una composición lipídica; un portador de electrones en el primer compartimento en comunicación química con la enzima redox; y una composición receptora de electrones en el segundo compartimento en comunicación química con el segundo electrodo, en donde, en operación, una corriente eléctrica fluye a lo largo de una trayectoria conductora formada entre el primer electrodo y el segundo electrodo.

17.- El método de operación de una batería con un primer compartimento y un segundo compartimento, caracterizado además porque comprende: oxidar enzimáticamente, con una enzima incorporada en una composición de lípido, un portador de electrones y suministrar los electrones hacia un primer electrodo en comunicación química con el primer compartimento; y reducir con electrodos una molécula receptora de electrones transportados a través de un circuito del primer electrodo hacia un segundo electrodo localizado en el segundo compartimento.