WO2014049181A1 - Dispositivo termoeléctrico microbiano y método asociado a dicho dispositivo - Google Patents

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WO2014049181A1
WO2014049181A1 PCT/ES2013/000212 ES2013000212W WO2014049181A1 WO 2014049181 A1 WO2014049181 A1 WO 2014049181A1 ES 2013000212 W ES2013000212 W ES 2013000212W WO 2014049181 A1 WO2014049181 A1 WO 2014049181A1
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reactor
temperature
culture
microbiological culture
thermal
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PCT/ES2013/000212
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel PORCAR MIRALLES
Raúl RODRÍGUEZ BARREIRO
Cristina VILANOVA SERRADOR
Christian ABENDROTH
Andrés MOYA SIMARRO
José Joaquín ALCAINA ACOSTA
Original Assignee
Universitat De Valencia
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention refers to a device and a method, intended for the generation of electrical energy produced from microbiological cultures. More specifically, the invention relates to a device and a method, intended to obtain electrical energy from the thermoelectric conversion of thermal energy produced in metabolic reactions.
  • biomass has been suggested as one of the most relevant sources of renewable energy.
  • the biomass of the crops urban, industrial or agricultural waste;
  • the crops of green algae, cyanobacteria or other microbial crops are renewable organic resources, suitable for the production of energy such as biofuels (mainly, but not limited to, bioethanol and biodiesel) and electricity.
  • MFC's microbial fuel cells
  • MFC's from the "Microbial Fuel Cell”
  • the energy efficiency in MFC's technology has increased dramatically in recent years, mainly by increasing the ratio between the electrode area and reactor volume, currently reaching the best yields up to 2-7 W / m 2 .
  • microorganisms used in MFC's technologies it is known that many bacterial species have electroactive properties, including members of common genera, such as Clostridium, Pseudomonas, Geobacter or Shewanella. Some eukaryotic microorganisms have also been tested for the production of electrical energy in CFM. For example, it has been shown that Saccharomyces cerevisisae yeast is capable of transferring electrons to an anode in an MFC, obtaining "net" voltage values of approximately 0.33 V for 1 liter volume devices.
  • CFMs remain the only direct method to convert biomass into electricity in a microbiological way.
  • the present invention is oriented to satisfy said need.
  • an object of the present invention relates to obtaining complementary or alternative technological solutions to those of MFC devices as a means of power generation.
  • One of the energy sources typically associated with metabolic reactions is the heat that is produced as a result of microbial growth (this being an exothermic process).
  • heat is a byproduct that usually goes unnoticed in laboratory-scale crops, but with a vast influence on the design and behavior of microbial fermentations on an industrial scale.
  • metabolic heat it is known that almost 90% of the heat produced in a microbial fermentation is metabolic heat; and almost all of this heat has to be eliminated, industrially, through forced heat exchange, to maintain the growth temperature and fermentation of microorganisms within optimal ranges for their microbiological activity and, therefore, vital.
  • the object of the present invention is to obtain technological alternatives to CFMs, based on the use of metabolic heat produced in microbiological reactors for obtaining electrical energy.
  • the transformation of electrical energy (through voltage differences) into thermal energy (temperature differences) is known as the Peltier effect.
  • the inverse process, that is, the conversion of thermal energy into electrical energy is known as the Seebeck effect, generically referred to as "thermoelectric effect”.
  • the present invention is based on the coupling of exothermic microbiological cultures with endothermic processes or, alternatively, heat sinks, to produce electric current through a thermoelectric device or cell (for the context of the present
  • the term "exothermic microbiological culture” is to be interpreted as a culture of microorganisms whose metabolism is exothermic, that is, where the metabolic activity of the microbiological culture releases energy in heat "). Said conversion of thermal energy from microbial cultures. Exothermic in electricity, it allows to design and couple devices producing electric energy to microbial reactors existing in different applications, such as alcoholic fermentations, biorecovery, waste treatment, autotrophic aerobic thermal digestion, etc., also providing a means of production.
  • thermoelectric energy of small size, inoculated with starting cultures, thermophiles or hyperthermophiles, suitable for providing electrical power to small electrical devices.
  • MTC's microbial thermoelectric cell technology
  • thermoelectric device for producing electrical energy comprising:
  • a reactor configured to house a microbiological culture
  • thermally insulating medium arranged as a reactor coating
  • thermal transfer means configured to transfer heat produced inside the reactor to the outside thereof
  • thermoelectric conversion means coupled to the thermal transfer means, or at least in thermal contact therewith, and configured to convert the transferable thermal energy by the thermal transfer means into electrical energy.
  • thermoelectric conversion means comprises a thermocoupler.
  • thermocollector also referred to by the English term “thermo-harvester”
  • thermo-harvester is generically interpreted as a thermoelectric device configured for the substantial or majority transformation of thermal energy into electrical energy, said substantial transformation being understood or a majority such as that capable of providing sufficient electricity for the storage of said energy and / or for the supply of electrical systems.
  • Other thermoelectric devices such as those used for the measurement of thermal activity through the registration of an electrical signal (for example, a thermocouple), are outside the definition of thermocouple in said context of the invention.
  • the thermal transfer means also comprises a thermally insulating cover.
  • a thermally insulating cover In another preferred embodiment of the invention, the thermal transfer means also comprises a thermally insulating cover.
  • the thermally insulating medium and the insulating cover comprise an EPS and / or polyurethane coating.
  • the thermal transfer means preferably comprises a metallic element (being, for example, a copper bar).
  • the reactor comprises an opening to which the thermal transfer medium is coupled, thus providing an exit path to the heat generated in the culture.
  • heat exchange can be carried out through a membrane or a partition of the reactor, attachable to the thermal transfer medium.
  • the reactor comprises a vacuum flask and, more preferably, comprises a volume of between 1.5 and 40 liters, with the possibility of also incorporating a magnetic stirrer, in order to easily stir the culture without the need for internal manipulation of the reactor.
  • volumetric proportion of microbial fermenters is a factor that affects the loss of heat in the environment and, therefore, the internal temperature of the crop.
  • Conventional microbial cultures on a laboratory scale produce heat, but most of it is lost in the environment due to the high surface-to-volume ratio, causing the absence of appreciable increases in internal temperature.
  • large-scale bioreactors have been thermodynamically characterized, on a production scale, and have been shown to function almost adiabatically due to the much lower surface-to-volume ratio compared to non-isolated laboratory-scale bioreactors.
  • the reactor-host culture is a microbiological culture of yeast, thus providing a means of generating energy as a result of highly exothermic metabolic processes.
  • the culture comprises a diploid strain of S. cerevisiae, or a genetic modification thereof, for example one or more of the following strains of S. cerevisiae: EC1 18, L2056, 3aS2A, T73, D170, and TTRX2 .
  • it is also possible to house in the reactor for example, a microbiological culture of mesophilic and / or thermophilic and / or hyperthermophilic bacteria.
  • the device comprises a microbiological refrigeration system with endothermic properties (for example, a culture of methanogenic archeobacteria).
  • endothermic properties for example, a culture of methanogenic archeobacteria.
  • endothermic metabolic reactions thermally coupled to the thermocoupler (preferably to its cold plate), allows a greater temperature differential between the two plates: heat it in contact with the exothermic culture. (for example, yeast) and cold in contact with the endothermic culture (for example, a culture with bacteria producing methane).
  • the thermal transfer means comprise at least one outlet line arranged and configured for the transfer of at least part of the microbiological culture from the reactor to the outside, and, preferably, also as minimum one input drive arranged and configured for the introduction of fresh medium inside the reactor, so that the implementation of a continuous fermentation process is possible.
  • the thermal transfer is carried out by physically transferring the microbiological culture, and with it to all the inherent properties thereof, including the thermal ones.
  • the thermocoupler comprises at least one (advantageously several) Peltier / Seebeck cell with one of its plates in thermal contact with said outlet conduit or with a first conduit connected thereto by an end disposed in The outside of the reactor.
  • said plate is a hot plate of said Peltier / Seebeck cell, and a cold plate thereof is arranged in thermal contact with said inlet conduit or with a second conduit connected thereto by an end disposed outside of the reactor.
  • at least the tubular portions with which said hot and cold plates are arranged in thermal contact are metallic.
  • the device of the present invention comprises a thermoelectric heat exchanger that includes said first and second conduits, which are metallic and arranged to transfer heat to each other.
  • the thermal transfer means comprise a first pumping device configured and arranged to pump the microbiological culture from the reactor to the outside and a second pumping device configured and arranged to pump the fresh medium from a fresh medium tank into the reactor.
  • the device proposed by the present invention comprises, according to an example of embodiment, temperature sensors arranged at least inside the reactor and at, or near, the inputs and outputs of the first and second conduits of the thermoelectric heat exchanger, as well as control means in connection with the temperature sensors and with the pumping devices to control the latter at least according to the temperature values detected by the temperature sensors.
  • Another object of the present invention relates to a method of producing electrical energy from thermal energy comprising the cultivation of microorganisms housed in a reactor, by an exothermic process, and the conversion of thermal energy generated in said process into energy. electrical, through thermoelectric conversion, preferably through the use of a device according to the embodiments described herein.
  • the method comprises coating the reactor with a thermally insulating medium, which allows a greater energy use in the device, by increasing the temperature inside the reactor.
  • the method also includes the transfer of thermal energy generated in the culture to the outside of the reactor, by means of a thermal transfer medium.
  • the thermal energy that is transferred to the thermal transfer medium and that dissipates in the thermoelectric conversion medium, added to that lost by the surface of the device through the thermally insulating medium is substantially equal to the heat produced by the culture microbiological, which allows to produce electricity and keep the crop at a constant temperature.
  • the present invention comprises using the control means of the device of the invention, for the embodiment described above in which it comprises said pumping devices, to control the activation / deactivation of the pumping devices as well as, when activated, the circulating flow through them, that is the output flow of the microbiological culture of the reactor and the input flow of the fresh medium into the reactor.
  • said control of the pumping devices for the production of electricity and the regulation of the temperature of the microbiological culture is carried out, following a continuous fermentation process.
  • valve devices and / or extracting / introducing, respectively, the microbiological culture and the fresh medium to / from the reactor can be used less preferably by other means, for example by gravity.
  • it comprises initiating the outflows of microbiological culture and fresh medium inlet when the temperature of the microbiological culture reaches a certain value.
  • Figure 1 shows a diagram of a preferred embodiment of the device microbial thermoelectric of the invention.
  • Figures 2a-2c show graphical representations of the temperatures (in ° C) reached by: (2a) hot water with a TE-Power Probé thermocoupler; (2b) hot water without heat collector; (2c) heat with yeast without thermocollector; represented against the culture time (in hours), in the characterization of a preferred embodiment of the invention.
  • Figures 3a and 3b show graphical representations of: (3a) internal, ambient and Peltier plate temperatures; production of electric energy from yeast culture with the MTC implemented without load resistance; and (3b) a similar test in the presence of a load resistor, for an embodiment of the device of the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of the device of the present invention for another embodiment that also allows the temperature of the microbiological culture to be regulated.
  • FIG. 5 shows the evolution of the ambient temperature (upper graph) and the culture temperature (lower graph) in a thermogeneration experiment with the device of Figure 4.
  • the arrows indicate the period of time in which the heat exchanger Thermoelectric heat (ICT) was in operation.
  • Figure 6 shows the evolution of the temperature of the hot and cold media at the entrance and exit of the ICT (upper graph) and evolution of the voltage and power generated (lower graph), in the device of Figure 4.
  • Figure 7 illustrates the results of a typical thermogeneration experiment with the device of Figure 4.
  • A Evolution of the culture temperature.
  • B Voltage and power generated during the operation of the ICT.
  • C Evolution of the temperature and the optical density of the yeast culture in the air conditioner as from the launch of the ICT.
  • the arrows indicate the starting and stopping points of the ICT.
  • Figure 8 is a simplified representation of the device or system to be modeled, ie that of Figure 4, in which the flow rates and temperatures considered are indicated.
  • Figure 9 are graphical paths showing the loss of temperature in the fluids conducted by the pipes of the device of Figure 4.
  • Figure 10 shows the temperature loss in the fluids that cross the ICT of the device of Figure 4.
  • Figure 1 1 is a schematic representation of the temperature evolution of two fluids that cross the ICT in the device of Figure 4.
  • Figure 12 shows, by means of two graphs, the evolution of the temperature of the fluids that cross the ICT (A) and the voltage and power generated in it (B), in the device of Figure 4.
  • Figure 13 shows the relationship between the logarithmic temperature difference in the ICT fluids and the power generated in the Peltier cells for the device of Figure 4.
  • the devices of the present invention comprise the implementation of electric power generators from thermal energy produced in metabolic reactions of microbiological cultures.
  • the preferred embodiments of said invention relate mainly to microbiological reactors capable of (i) maintaining the microbial growth of the cultures; (ii) remain thermally isolated on most of its surface; and (iii) efficiently transfer heat produced by the crops through a relatively small area to a thermoelectric generator.
  • microbial thermoelectric cells or MTC's
  • Figure 1 of the present document shows a schematic of the structure of an MTC, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the reactor (1) shows an interior region formed by a reactor (1), intended to house the microbiological cultures used to generate thermal energy.
  • the reactor (1) can be formed, for example, by a commercial vacuum vessel or flask made of glass, with a volume preferably between 1.5-2.5 liters and, more preferably, being substantially 2 liters.
  • the vessel or flask is housed in an insulating medium (2) surrounding said reactor.
  • the container is housed inside a first expanded polystyrene (EPS) box, filling the space between them with a powdered polyurethane foam (Silicex Fischer, Fisher Iberian, Tarragona, Spain) and inserting the first box in a second isolation box, also made of EPS.
  • EPS expanded polystyrene
  • the reactor (1) of the MTC device of the invention preferably comprises an opening (3) to which a thermal transfer means (4) is coupled, designed to transfer heat produced inside the reactor (1).
  • said thermal transfer means (4) is a metallic element and, more preferably, a copper element (for example, a copper bar between 15-25 mm in diameter, coupled in the opening (3) from the flask).
  • the thermal transfer means (4) is connected to a thermoelectric conversion means (5) intended to convert the accumulated thermal energy in the thermal transfer medium (4) into electrical energy, by generating of a potential difference.
  • a possible example of the thermoelectric conversion medium (5) of the invention is a TE-Power Probé thermocoupler (manufactured by the company MicroPeIt, Germany), coupled to the thermal transfer medium (4).
  • the TE-Power Probé is a prototype of an integrated proximity thermocoupler, designed to replace battery batteries in wireless systems that work in work mode mode.
  • the essential technical element of the thermoelectric conversion means (5) for the embodiments of the present invention is to produce a substantial amount of electricity from a temperature gradient.
  • the heat in the TE-Power Probé is dissipated through an aluminum heat sink, and the resulting temperature gradient allows the production of electrical energy by means of the MPG-D751 type thermogenerator.
  • the insulation layer or layers of the insulating medium (2) are preferably mounted so as to fit the surface of the reactor (1).
  • the thermal transfer medium (4) is also thermally insulated from the outside, by means of an insulating cover (6) (made, for example, of EPS).
  • the device comprises a magnetic stirrer (for example, a magnet is added inside the reactor (1), and Place the device on a conventional laboratory magnetic stirrer, set at low speed, then the culture is added, and finally the thermal transfer medium (4) connected to the thermoelectric conversion medium (5) is installed.
  • the device is connected to a computer to record the internal and external temperatures and the output current provided by a TE-Power Probé thermal collector.
  • the internal temperature of the device is measured by a thermocouple inserted into the microbial culture and connected to the computer through a data logger. They are also installed two other thermocouples to record the temperature of the heatsink and the ambient temperature.
  • the thermocouples are connected to a capture card inserted in the data logger, which is connected by a GPIB-type cable to the computer, configured with software for temperature data capture.
  • the output of the TE-Power Probé is also connected to the computer, obtaining the temperature records of the cold region and the hot region of the thermogenerator, as well as the output voltage of the same.
  • the connections between the thermocouples and the data logger are made on ice inside an EPS box.
  • a thermocouple is inserted into the box containing the ice to verify that the temperature of the connections between the data logger and that the thermocouples is maintained at 0 ° C. In this way, any wrong voltage induced by the metallic connections between the thermocouples and the measuring equipment is corrected by software.
  • YPD is preheated with 18% sucrose, at approximately 29 ° C, inoculated with a yeast preculture of a 1: 50 night, and subjected to low speed agitation during approximately 120 h. Temperature records are taken (and, when the TE-Power Test, also of electrical power is connected) every 6 minutes throughout the experiment.
  • the metabolic heat produced by strain D170 under the conditions of isolation of the reactor of the device is partially transformed into electricity, through the TE-Power Probé heat collector.
  • the TE-Power Probe is mounted on the MTC of yeast culture in open circuit conditions, the internal temperature of the culture increases to approximately 35 ° C, being higher than 32 ° C for approximately 54 h (as shown in Figure 3rd of this document).
  • the electrical voltage produced is approximately 250 mV (net value) over a period of two days, with significant peaks of approximately 350-600 mV net associated with a lower ambient temperature (as shown in Figure 3a).
  • thermoelectric devices integrated by thermally insulated fermenters and equipped with heat exchange surfaces on which a thermoelectric thermogenerator is mounted
  • the thermogenerator chosen is optimized for relatively high efficiencies in electrical production at low ⁇ values, such as those between an isolated yeast culture (41 ° C, under the conditions described) and the ambient temperatures With a medium-sized MTC device (less of two liters), it is typically possible to obtain 150-600 mV.
  • MFC devices produce electricity from direct electronic transfer, mediated microbially from the oxidation of organic matter in an anode, while MTC devices partially transform metabolic thermal energy into electricity through the Seebeck effect.
  • MTC type cells can be combined with other microbial processes.
  • yeast S. cerevisiae has been used in the preceding example, because of its well-known exothermic growth in a variety of different conditions, it would also be possible to couple any other microbial culture that caused significant heat production, such as fermentation Etanolic (beer, bread, wine, biofuels), aerobic autothermal digestion (ATAD) or biorecovery and bioaugmentation of soils contaminated by hydrocarbons, with the MTC in a single device, with the production of electricity as a valuable byproduct of the main biotechnological purpose.
  • Etanolic beer, bread, wine, biofuels
  • ATD aerobic autothermal digestion
  • biorecovery and bioaugmentation of soils contaminated by hydrocarbons biorecovery and bioaugmentation of soils contaminated by hydrocarbons
  • thermophilic and hyperthermophilic bacteria of natural origin such as Bacillus coagulans, Bacillus licheniformis or many strains of Geobacillus spp., Many of which can be isolated from extreme environments such as deep oil wells and whose optimum growth temperature is 50-60 ° C.
  • these bacteria are capable of heating their own culture to 50-55 ° C.
  • any microbiological culture that meets the following criteria: (i) heat resistance; (ii) exothermic capacity; (iii) easy and fast growth; and (iv) ability to grow and degrade high concentrations of carbon sources.
  • a microbiological cooling system to optimize electrical performance (increasing the temperature difference ⁇ ), instead of generating heat loss due to convection.
  • a microbiological cooling system to optimize electrical performance (increasing the temperature difference ⁇ ), instead of generating heat loss due to convection.
  • microbiological systems that exhibit endothermic growth, such as, for example, methanogenic archeobacteria. These microorganisms can be combined with those that produce heat (exothermic), through a thermoelectric element to increase the production of electricity. Said archaebacteria have optimal growth at temperatures of approximately 37 ° C, and This implies that the complete system must be adjusted to regulate the heat transfer through the thermoelectric element, allowing both optimal microbial growth, and maintaining a ⁇ as high as possible.
  • the microbial thermoelectric devices of the invention make it possible to convert metabolic energy into electricity efficiently, and provide a significant technological improvement for the development of microbial thermoelectric cells.
  • the results described here show that, even small volumes of culture broth, are capable of showing significant autothermal behavior and producing electricity when properly insulated and configured in a way that heat exchange is minimized across the entire surface, except in the area in which the heat collector is mounted.
  • the electrical energy values obtained contribute to the approach of new strategies to collect excess heat in the biotechnology industry, and to take advantage of it in high-efficiency thermoelectric devices.
  • Figure 4 illustrates another embodiment of the device proposed by the present invention that allows the temperature regulation of the microbiological culture in a continuous fermentation process.
  • the rest of the figures ( Figures 5 to 13) refer to the example of embodiment of said figure 4.
  • the main components of the device illustrated in Figure 4 are the thermally isolated reactor or thermostat (a) where the microbial culture is under agitation (by means of the stirrer V), peristaltic pumps (b, c) that control the inlet flow and outlet of the medium to the fermenter (a), and the thermoelectric heat exchanger (d), in this case of parallel flow in countercurrent, where Peltier cells are connected in series (with their respective hot plates (pe) and cold plates ( pf) in thermal contact with the first conduit (Z1) and the second conduit (Z2), respectively; all these elements having been illustrated with dashed lines because they are hidden by an ICT thermal insulating envelope).
  • the scheme also depicts an ice bath (e) used as a thermal reference for the measurement of thermocouples (T1-T7), fresh medium deposits (f) and purge (g), and control means that include a data collection system (h) connected (dashed lines) to the thermocouples (T1-T7) and to the output cables (tr) of the Peltier cells and, connected to it, a pump control system (i) peristaltic (b, c).
  • the thermal transfer means comprise an outlet conduit (C1) arranged with one end (C1a) disposed inside the reactor and another end (C1b) connected to an inlet end of the first conduit (Z1) of the ICT (d), whose outlet end is connected to a conduit (C1 ') that directs the extracted liquid culture to the purge tank (g).
  • the fresh (cold) medium is extracted from the tank (f) through the pipes (C2 ') and (C2) and the section of the interconnected ICT between them.
  • the second conduit (Z2) where the conduit (C2) has a first end (C2b) connected to the second conduit (Z2) and a second end (C2a) introduced into the fermenter (a) by which the fresh medium is dispensed inside it.
  • the ICT and the whole device illustrated in Figure 4 in general, is the first device of this type specifically designed for the production of electricity and temperature regulation of microbial liquid cultures in continuous fermentation.
  • the characterization of the ICT was carried out in the laboratory with the configuration of the device represented schematically in Figure 4.
  • a 35L culture of the Saccharomyces cerevisiae yeast was used in YPD medium supplemented with 18% sucrose as a source of heat, given its high sugar fermentation capacity and its tolerance to relatively high temperatures.
  • the fermentation was carried out in a 40 L capacity tank thermally insulated by a vacuum layer (Dewar flask, Scharlab, s.l.), to which an anchor stirring blade was attached.
  • a vacuum layer (Dewar flask, Scharlab, s.l.), to which an anchor stirring blade was attached.
  • two conduits for the introduction of fresh medium and the extraction of culture were included (in this last one a small cylinder with holes in the upper part was fitted to allow the exit of the gas produced in the fermentation and the correct extraction of the liquid medium ).
  • HIFLOW peristaltic pumps (Lambda CZ, s.r.o.), controlled by Labview software, were used to introduce and remove fermenter media using 5 mm caliber silicone pipes.
  • the ICT was built with two square-section aluminum pipes, which were assembled in "sandwich” in a thermally insulated assembly using poliexpan and reflective foam. The Seebeck effect plates were placed in thermal contact between both conduits and connected in series.
  • thermogeneration experiments have been carried out, with the device of Figure 4, in which a 35 L culture of Saccharomyces cerevisiae yeast was used in YPD medium supplemented with 18% sugar.
  • the ICT was put into operation from the second day of cultivation, when it has already reached a temperature of about 35 ° C.
  • fresh medium cold
  • extract medium from the fermenter
  • the temperature of each of the 4 exchanger inputs was also measured to really know what was the real temperature difference between the two metallic conduits of the ICT.
  • the flow of the pumps was 1400 mL / h (700 digital input) on average.
  • the mathematical modeling of the device of Figure 5 aimed to predict the electrical power produced by the device knowing only the temperature of the fresh medium and the yeast culture. For this, it was necessary to calculate different parameters that characterize the operation of the device from the model equations and the data collected in the laboratory, as explained below. For clarity, the model is presented divided into three parts, which correspond to the main components of the device: the fermenter (a), the ICT (b), and the Peltier cells located in it (c). The Nomenclature used is collected at the end of this description.
  • c p is the specific heat of the culture medium
  • Rg is the overall thermal resistance of the fermenter
  • Equation 1 Equation 1 is simplified as follows shape:
  • the objective of this part of the modeling is to predict the temperature of the two flows of Exit of the exchanger (Tes, temperature of the medium from the fermenter that has passed through the exchanger, and Tfs, temperature of the medium that leaves the exchanger and enters the fermenter) knowing the temperature of the inlet fluids (Tfe, temperature of the fresh medium that enters the exchanger, and Tce, temperature of the medium leaving the fermenter). In this way, the heat that passes from one side of the exchanger to the other through the Peltier cells can be known.
  • Peltier cells in series generate a voltage proportional to the temperature difference in their faces.
  • the plates are in an exchanger in which the temperature is not equal at all points could be considered a logarithmic mean as previously done (LMDT).
  • LMDT logarithmic mean
  • V s N - a - LMDT (7)
  • Tce Tfe Tes Tfs Tenv Hot temperature input, cold temperature input, hot temperature output, cold temperature ICT output, ambient temperature (K)

Abstract

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados a la generación de energía eléctrica a partir de cultivos microbiológicos. Más concretamente, la invención se refiere a un dispositivo y a un método asociado al mismo, destinados a la obtención de energía eléctrica a partir de la energía térmica producida en reacciones metabólicas, donde dicho dispositivo comprende un reactor configurado para alojar un cultivo microbiológico; un medio térmicamente aislante dispuesto como recubrimiento del reactor; y un medio de conversión termoeléctrica. La invención también permite regular la temperatura del cultivo microbiológico en un proceso de fermentación continuo.

Description

DISPOSITIVO TERMOELÉCTRICO MICROBIANO Y MÉTODO ASOCIADO A DICHO DISPOSITIVO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método, destinados a la generación de energía eléctrica producida a partir de cultivos microbiológicos. Más concretamente, la invención se refiere a un dispositivo y a un método, destinados a la obtención de energía eléctrica a partir de la conversión termoeléctrica de la energía térmica producida en reacciones metabólicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, uno de los principales problemas a los que se enfrenta la sociedad es el del gran crecimiento a escala mundial de la demanda energética. Teniendo en cuenta la naturaleza limitada de las reservas de petróleo, carbón y gas, la satisfacción de dicha demanda puede conducir, en un futuro, a una gran escasez de los combustibles convencionales (fósiles). La ausencia de sostenibilidad de las actuales estrategias energéticas centradas en los combustibles fósiles y nucleares, así como las graves consecuencias para la población y el medio ambiente de los accidentes ligados al transporte de productos petrolíferos y a la liberación accidental de isótopos radiactivos, han hecho aumentar las preocupaciones sobre las consecuencias económicas y medioambientales de depender de estos combustibles, lo que ha provocado un cambio drástico en las políticas energéticas de los países. Está ampliamente aceptado que el consumo masivo de combustibles fósiles, que provoca la producción de nueve billones de toneladas métricas de carbono atmosférico al año es, al menos, parcialmente responsable de la actual crisis de calentamiento global. Por lo tanto, las tecnologías alternativas no fósiles y no nucleares se ven como fuentes energéticas prometedoras, aunque todavía no completamente competitivas. Entre éstas, se ha sugerido la biomasa como una de las fuentes más relevantes de energía renovable. La biomasa de los cultivos; los residuos urbanos, industriales o agrícolas; los cultivos de algas verdes, cianobacterias u otros cultivos microbianos, son recursos orgánicos renovables, adecuados para la producción de energía como biocombustibles (principalmente, aunque sin limitación, bioetanol y biodiesel) y electricidad.
Más allá de la producción de energía eléctrica basada en la combustión lignocelulósica, es conocida la existencia de sistemas microbiológicos que permiten la conversión directa de biomasa en electricidad. Por ejemplo, es posible la oxidación de una amplia gama de sustancias orgánicas mediante bacterias electrogénicas, que transfieren electrones a un ánodo, en los dispositivos conocidos como celdas de combustible microbianas (denominadas genéricamente como MFC's, del inglés "Microbial Fuel Cell"), pudiendo generarse, en el cátodo, otros productos útiles como hidrógeno, metano o peróxido de hidrógeno. El rendimiento energético en la tecnología de MFC's ha aumentado drásticamente en los últimos años, principalmente mediante el aumento de la proporción entre el área de los electrodos y volumen del reactor, alcanzando, actualmente, los mejores rendimientos hasta 2-7 W/m2. Si bien los resultados más eficaces obtenidos en dichas tecnologías se han producido a pequeña escala (en dispositivos de volúmenes inferiores a 1 litro), el aumento de escala en volúmenes superiores presenta aún importantes retos, por lo que se hace necesario, en este campo técnico, el desarrollo de mejoras tecnológicas que permitan aumentar, o al menos mantener, los rendimientos conseguidos en volúmenes reducidos también en los dispositivos de mayor tamaño.
Con relación a los microorganismos empleados en las tecnologías de MFC's, es conocido que muchas especies bacterianas presentan propiedades electroactivas, incluyendo miembros de géneros comunes, tales como Clostridium, Pseudomonas, Geobacter o Shewanella. Se han ensayado también algunos microorganismos eucariotas para la producción de energía eléctrica en MFC. Por ejemplo, se ha demostrado que la levadura Saccharomyces cerevisisae es capaz de transferir electrones a un ánodo en una MFC obteniéndose valores de tensión "netos" de aproximadamente 0,33 V para dispositivos de 1 litro de volumen.
Hasta la fecha, las MFC siguen siendo el único método directo para convertir la biomasa en electricidad de forma microbiológica. No obstante, dada la necesidad de obtención de nuevas y mejores fuentes de energía en nuestra sociedad, es necesario también plantear, dentro del campo perteneciente a la producción de energía basada en sistemas microbiológicos, soluciones tecnológicas complementarias o alternativas a las de las MFC's, que permitan obtener mayores rendimientos energéticos que los obtenidos en los dispositivos conocidos. La presente invención está orientada a satisfacer dicha necesidad.
Referencias
Rodríguez-Barreiro R, Abendroth C, Vilanova C, Moya A, Porcar M (2013) Towards a Microbial Thermoelectric Cell. PLoS ONE 8(2): e56358. doi:10.1371/journal. pone.0056358. DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
Tal y como se ha descrito en párrafos precedentes, un objeto de la presente invención se refiere a la obtención de soluciones tecnológicas complementarias o alternativas a las de los dispositivos MFC como medio de generación de energía.
Una de las fuentes de energía típicamente asociadas a las reacciones metabólicas es el calor que se produce como consecuencia del crecimiento microbiano (siendo éste un proceso exotérmico). Dicho calor es un subproducto que habitualmente pasa inadvertido en cultivos a escala de laboratorio, pero con una vasta influencia en el diseño y comportamiento de las fermentaciones microbianas a escala industrial. Por ejemplo, es conocido que casi el 90% del calor producido en una fermentación microbiana es calor metabolico; y casi todo este calor ha de ser eliminado, industrialmente, a través de intercambio forzado de calor, para mantener la temperatura de crecimiento y fermentación de los microorganismos dentro de rangos óptimos para su actividad microbiológica y, por ende, vital.
Así pues, el objeto de la presente invención es la obtención de alternativas tecnológicas a las MFC's, basadas en el aprovechamiento del calor metabolico producido en reactores microbiologicos para la obtención de energía eléctrica. Físicamente, la transformación de energía eléctrica (a través de diferencias de voltaje) en energía térmica (diferencias de temperatura) se conoce con el nombre efecto Peltier. Asimismo, el proceso inverso, esto es, la conversión de energía térmica en energía eléctrica, se conoce con el nombre de efecto Seebeck, denominándose a ambos efectos, genéricamente, como "efecto termoeléctrico".
Para la consecución del objeto antes descrito, la presente invención se basa en el acoplamiento de cultivos microbiologicos exotérmicos con procesos endotérmicos o, como alternativa, disipadores térmicos, para producir corriente eléctrica a través de un dispositivo o celda termoeléctrica (para el contexto de la presente invención, el término "cultivo microbiológico exotérmico" ha de interpretarse como un cultivo de microorganismos cuyo metabolismo es exotérmico, es decir, donde la actividad metabólica del cultivo microbiológico libera energía en forma calor"). Dicha conversión de la energía térmica procedente de cultivos microbianos exotérmicos en electricidad, permite diseñar y acoplar dispositivos productores de energía eléctrica a reactores microbianos existentes en diferentes aplicaciones, tales como fermentaciones alcohólicas, biorrecuperación, tratamiento de residuos, digestión aerobia térmica autotrófica, etc., proporcionando además un medio de producción energética que puede incorporarse en el desarrollo futuro de instalaciones eléctricas celulares, basadas en microbiología, que podrían ser útiles para la producción local de electricidad y el reciclado de calor a partir de una amplía gama de procesos microbiológicos. Asimismo, es posible concebir medios de producción de energía termoeléctrica microbiana de pequeño tamaño, inoculados con cultivos de partida, termófilos o hipertermófilos, adecuados para proporcionar energía eléctrica a dispositivos eléctricos pequeños. De este modo, como alternativa o complemento a la tecnología de MFC's, las celdas de la presente invención suponen una nueva línea de investigación tecnológica, a la que denominaremos, en adelante a lo largo del presente documento, como tecnología de celdas termoeléctricas microbianas (o MTC's, del inglés "Microbial Thermoelectric Cell").
Más concretamente, la presente invención se refiere, preferentemente, a un dispositivo termoeléctrico microbiano para producir energía eléctrica que comprende:
- un reactor configurado para alojar un cultivo microbiológico;
- un medio térmicamente aislante dispuesto como recubrimiento del reactor; - un medio de transferencia térmica, configurado para transferir calor producido en el interior del reactor al exterior del mismo;
y donde dicho dispositivo comprende un medio de conversión termoeléctrica acoplado al medio de transferencia térmica, o al menos en contacto térmico con el mismo, y configurado para convertir la energía térmica transferible por el medio de transferencia térmica en energía eléctrica.
Se consigue con ello una alternativa energética a la tecnología de MFC's, basada en el aprovechamiento de los procesos exotérmicos en cultivos microbiológicos y capaz de generar tasas de producción de energía eléctrica comparables o superiores a las de las celdas MFC conocidas, en las que, generalmente, el calor metabólico se contempla como un subproducto indeseable de fermentaciones microbianas, y para las que se necesitan medios de refrigeración para mantener una temperatura óptima de los cultivos. La conversión de este calor en electricidad, por medio de la presente invención, ayuda a controlar las temperaturas internas en los procesos microbiológicos, y también contribuye a ahorrar energía en forma de co- generación.
En una realización preferente de la invención, el medio de conversión termoeléctrica comprende un termocolector. En el contexto de la presente invención, el término termocolector (designado también por el término inglés "thermo-harvester") es interpretado genéricamente como un dispositivo termoeléctrico configurado para la transformación sustancial o mayoritaria de la energía térmica en energía eléctrica, entendida dicha transformación sustancial o mayoritaria como aquella capaz de proporcionar electricidad suficiente para el almacenamiento de dicha energía y/o para la alimentación de sistemas eléctricos. Otros dispositivos termoeléctricos, como por ejemplo los utilizados para la medición de actividad térmica a través del registro de una señal eléctrica (por ejemplo, un termopar), quedan fuera de la definición de termocolector en el citado contexto de la invención.
En otra realización preferente de la invención, el medio de transferencia térmica comprende también una cubierta térmicamente aislante. Con ello, en conjunción con el medio aislante del reactor, se garantiza la conservación de la energía producida en el interior del reactor, para su posterior aprovechamiento energético en forma de electricidad. Más preferentemente, el medio térmicamente aislante y la cubierta aislante comprenden un recubrimiento de EPS y/o de poliuretano. El medio de transferencia térmica comprende, preferentemente, un elemento metálico (siendo, por ejemplo, una barra de cobre).
En otra realización de la invención, el reactor comprende una abertura a la que se acopla el medio de transferencia térmica, proporcionándose así una vía de salida al calor generado en el cultivo. En otras realizaciones de la invención, el intercambio de calor se puede llevar a cabo a través de una membrana o un tabique del reactor, acoplable al medio de transferencia térmica. Preferentemente, el reactor comprende un matraz de vacío y, más preferentemente, comprende un volumen de entre 1 ,5 y 40 litros, con la posibilidad de incorporar también un agitador magnético, para poder agitar de forma sencilla el cultivo sin necesidad de manipulación interior del reactor.
Tradicionalmente, la proporción volumétrica de los fermentadores microbianos es un factor que afecta a la pérdida de calor en el entorno y, por tanto, a la temperatura interna del cultivo. Los cultivos microbianos convencionales a escala de laboratorio producen calor, pero la mayor parte del mismo se pierde en el entorno debido a la alta proporción superficie a volumen, provocando la ausencia de aumentos apreciables en la temperatura interna. Sin embargo, se han caracterizado termodinámicamente biorreactores grandes, a escala de producción, y se ha demostrado que funcionan casi adiabáticamente debido a la proporción superficie a volumen muy inferior en comparación con los biorreactores no aislados a escala de laboratorio. Los resultados que aquí se presentan demuestran que cultivos relativamente pequeños (con volúmenes comprendidos entre 1 y 2 litros) también pueden funcionar adiabáticamente, si se establece un aislamiento apropiado y si dichos cultivos poseen capacidad de crecimiento autotérmico significativo. Esto implica que pueden concebirse celdas termoeléctricas microbianas portátiles para la producción de electricidad, ya que la mayor parte del calor metabólico del crecimiento microbiano puede mantenerse en el interior del reactor.
Preferentemente, el cultivo alojable en el reactor es un cultivo microbiológico de levadura, proporcionando así un medio de generación de energía como consecuencia de procesos metabólicos altamente exotérmicos. Más preferentemente, el cultivo comprende una cepa diploide de S. cerevisiae, o una modificación genética de la misma, siendo por ejemplo una o más de las siguientes cepas de S. cerevisiae: EC1 18, L2056, 3aS2A, T73, D170, y TTRX2. Alternativamente, también es posible alojar en el reactor, por ejemplo, un cultivo microbiológico de bacterias mesófilas y/o termófilas y/o hipertermófilas. En una realización preferente adicional de la invención, el dispositivo comprende un sistema de refrigeración microbiológico con propiedades endotérmicas (por ejemplo, un cultivo de arqueobacterias metanogénicas). Se consigue con ello un medio microbiológico de refrigeración por medio de reacciones metabólicas endotérmicas, el cual, acoplado térmicamente al termocolector (preferentemente a su placa fría), permite un mayor diferencial de temperatura entre las dos placas: la caliente en contacto con el cultivo exotérmico (por ejemplo, de levadura) y la fría en contacto con el cultivo endotérmico (por ejemplo, un cultivo con bacterias productoras de metano).
Según otro ejemplo de realización del dispositivo de la presente invención, los medios de transferencia térmica comprenden como mínimo una conducción de salida dispuesta y configurada para la transferencia de al menos parte del cultivo microbiológico desde el reactor hasta el exterior, y, preferentemente, también como mínimo una conducción de entrada dispuesta y configurada para la introducción de medio fresco en el interior del reactor, de manera que se posibilite la implementación de un proceso de fermentación continua. En este caso la transferencia térmica se realiza transfiriendo físicamente al cultivo microbiológico, y con él a todas las propiedades inherentes al mismo, incluyendo las térmicas.
Según una variante de dicho ejemplo de realización, el termocolector comprende como mínimo una (ventajosamente varias) célula Peltier/Seebeck con una de sus placas en contacto térmico con dicha conducción de salida o con un primer conducto conectado a la misma por un extremo dispuesto en el exterior del reactor. Con preferencia, dicha placa es una placa caliente de dicha célula Peltier/Seebeck, y una placa fría de la misma se encuentra dispuesta en contacto térmico con dicha conducción de entrada o con un segundo conducto conectado a la misma por un extremo dispuesto en el exterior del reactor. En general, como mínimo las porciones tubulares con las que se encuentran dispuestas en contacto térmico las citadas placas caliente y fría son metálicas.
De acuerdo con un ejemplo de realización, el dispositivo de la presente invención comprende un intercambiador de calor termoeléctrico que incluye a dichos primer y segundo conductos, los cuales son metálicos y están dispuestos para transferirse calor entre sí.
De acuerdo a un ejemplo de realización preferido, los medios de transferencia térmica comprenden un primer dispositivo de bombeo configurado y dispuesto para bombear el cultivo microbiológico desde el reactor hasta el exterior y un segundo dispositivo de bombeo configurado y dispuesto para bombear el medio fresco desde un depósito de medio fresco hacia el interior del reactor.
El dispositivo propuesto por la presente invención comprende, según un ejemplo de realización, unos sensores de temperatura dispuestos como mínimo en el interior del reactor y en, o próximos a, las entradas y salidas de los primer y segundo conductos del intercambiador de calor termoeléctrico, así como unos medios de control en conexión con los sensores de temperatura y con los dispositivos de bombeo para controlar a estos últimos al menos en función de los valores de temperatura detectados mediante los sensores de temperatura.
Otro objeto de la presente invención se refiere a un método de producción de energía eléctrica a partir de energía térmica que comprende el cultivo de microorganismos alojados en un reactor, mediante un proceso exotérmico, y la conversión de la energía térmica generada en dicho proceso en energía eléctrica, a través de conversión termoeléctrica, preferentemente mediante el uso de un dispositivo según las realizaciones descritas en el presente documento.
De este modo, en distintas realizaciones de la invención, el método comprende el recubrimiento del reactor con un medio térmicamente aislante, lo que permite un mayor aprovechamiento energético en el dispositivo, mediante el aumento de la temperatura en el interior del reactor. Por otra parte, con el objetivo de que dicha temperatura no aumente en exceso, y que pueda impedir el crecimiento microbiológico del cultivo (o incluso producir su muerte), el método comprende también la transferencia de energía térmica generada en el cultivo al exterior del reactor, mediante un medio de transferencia térmica. Preferentemente, la energía térmica que se transfiere al medio de transferencia térmica y que se disipa en el medio de conversión termoeléctrica, sumado al que se pierde por la superficie del dispositivo a través del medio térmicamente aislante, es sustancialmente igual al calor producido por el cultivo microbiológico, lo cual permite producir electricidad y mantener el cultivo a una temperatura constante. De esta forma, es posible ajustar el comportamiento del dispositivo, manteniendo el cultivo a la temperatura óptima para su crecimiento, y extrayendo a la vez energía térmica del reactor para su conversión en electricidad. Con ello, se facilita la actividad metabólica microbiana del cultivo (que puede estar generando energía térmica de forma indefinida a temperatura óptima sin peligro para su integridad, mientras cuente con un medio de cultivo suficiente para prolongar su actividad) y, al mismo tiempo, la producción de electricidad a partir de la energía térmica evacuada del reactor al exterior.
De acuerdo con un ejemplo de realización del método propuesto por la presente invención, éste comprende utilizar los medios de control del dispositivo de la invención, para el ejemplo de realización anteriormente descrito en el que éste comprende los citados dispositivos de bombeo, para controlar la activación/desactivación de los dispositivos de bombeo así como, cuando están activados, el flujo circulante por los mismos, es decir el flujo de salida del cultivo microbiológico del reactor y el flujo de entrada del medio fresco en el reactor.
De acuerdo concierne a un ejemplo de realización preferido del método propuesto por la presente invención, se lleva a cabo dicho control de los dispositivos de bombeo para la producción de electricidad y la regulación de la temperatura del cultivo microbiológico, siguiendo un proceso de fermentación continua.
Alternativamente a los dispositivos de bombeo, pueden utilizarse, de manera menos preferida, otra clase de dispositivos reguladores de paso de fluido, tales como dispositivos valvulares y/o extraer/introducir, respectivamente, el cultivo microbiológico y el medio fresco de/hacia el reactor por otros medios, por ejemplo por gravedad.
Según un ejemplo de realización del método propuesto por la invención, éste comprende iniciar los flujos de salida de cultivo microbiológico y de entrada de medio fresco cuando la temperatura del cultivo microbiológico alcanza un valor determinado.
En general, tanto el cultivo microbiológico como el medio fresco están en forma líquida. Adicionalmente a las ya planteadas, otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción que sigue, así como de las figuras que acompañan al presente documento.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra un esquema de una realización preferente del dispositivo termoeléctrico microbiano de la invención.
Las Figuras 2a-2c muestran representaciones gráficas de las temperaturas (en °C) alcanzadas por: (2a) agua caliente con un termocolector TE-Power Probé; (2b) agua caliente sin termocolector; (2c) calor con levadura sin termocolector; representadas frente al tiempo de cultivo (en horas), en la caracterización de una realización preferente de la invención.
Las Figuras 3a y 3b muestran representaciones gráficas de: (3a) temperaturas interna, ambiente y de placas Peltier; producción de energía eléctrica de cultivo de levadura con la MTC implementada sin resistencia de carga; y (3b) un ensayo similar en presencia de una resistencia de carga, para una realización del dispositivo de la invención.
La Figura 4 es una representación esquemática del dispositivo de la presente invención para otro ejemplo de realización que permite también regular la temperatura del cultivo microbiológico.
La Figura 5 muestra la evolución de la temperatura ambiente (gráfica superior) y de la temperatura del cultivo (gráfica inferior) en un experimento de termogeneración con el dispositivo de la Figura 4. Las flechas indican el período de tiempo en el que el intercambiador de calor termoeléctrico (ICT) estuvo en funcionamiento.
La Figura 6 muestra la evolución de la temperatura de los medios caliente y frío a la entrada y la salida del ICT (gráfica superior) y evolución de la tensión y potencia generadas (gráfica inferior), en el dispositivo de la Figura 4.
La Figura 7 ilustra los resultados de un experimento típico de termogeneración con el dispositivo de la Figura 4. (A) Evolución de la temperatura del cultivo. (B) Voltaje y potencia generados durante el funcionamiento del ICT. (C) Evolución de la temperatura y la de densidad óptica del cultivo de levadura en el termentador a partir de la puesta en marcha del ICT. Las flechas indican los puntos de puesta en funcionamiento y parada del ICT.
La Figura 8 es una representación simplificada del dispositivo o sistema a modelar, es decir el de la Figura 4, en el que se indican los caudales y temperaturas consideradas.
La Figura 9 son sendas gráficas que muestran la pérdida de temperatura en los fluidos conducidos por las tuberías del dispositivo de la Figura 4.
La Figura 10 muestra la pérdida de temperatura en los fluidos que atraviesan el ICT del dispositivo de la Figura 4.
La Figura 1 1 es una representación esquemática de la evolución de la temperatura de dos fluidos que atraviesan el ICT en el dispositivo de la Figura 4.
La Figura 12 mustra, mediante dos gráficas, la evolución de la temperatura de los fluidos que atraviesan el ICT (A) y de la tensión y potencia generados en el mismo (B), en el dispositivo de la Figura 4.
La Figura 13 muestra la relación entre la diferencia de temperatura logarítmica en los fluidos del ICT y la potencia generada en las células Peltier para el dispositivo de la Figura 4. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Según lo descrito en apartados anteriores, los dispositivos de la presente invención comprenden la implementación de generadores de energía eléctrica a partir de la energía térmica producida en reacciones metabólicas de cultivos microbiológicos. Para ello, las realizaciones preferentes de dicha invención se refieren principalmente a reactores microbiológicos capaces de (i) mantener el crecimiento microbiano de los cultivos; (ii) permanecer térmicamente aislados en la mayor parte de su superficie; y (iii) transferir de forma eficaz calor producido por los cultivos a través de un área relativamente pequeña a un generador termoeléctrico. Denominamos genéricamente a estos dispositivos como celdas termoeléctricas microbianas (o MTC's), para la producción de energía eléctrica a partir de un cultivo microbiano mediante el efecto Peltier-Seebeck. La Figura 1 del presente documento muestra un esquema de la estructura de una MTC, según una realización preferente de la invención. En ella, se muestra una región interior formada por un reactor (1 ), destinado a alojar los cultivos microbiológicos empleados para generar energía térmica. El reactor (1 ) puede estar formado, por ejemplo, por un recipiente o matraz de vacío comercial hecho de vidrio, con un volumen comprendido preferentemente entre 1 ,5-2,5 litros y, más preferentemente, siendo sustancialmente de 2 litros. Con el objetivo de aislar térmicamente el reactor (1 ) en el dispositivo, el recipiente o matraz se aloja en un medio aislante (2) que rodea dicho reactor. En una realización preferente de la invención, el recipiente se aloja en el interior de una primera caja de poliestireno expandido (EPS), rellenando el espacio comprendido entre ambos con una espuma de poliuretano pulverizada (Silicex Fischer, Fisher Ibérica, Tarragona, España) e insertándose la primera caja en una segunda caja de aislamiento, hecha también de EPS.
El reactor (1 ) del dispositivo MTC de la invención comprende, preferentemente, una abertura (3) a la que se acopla un medio de transferencia térmica (4), destinado a transferir calor producido en el interior del reactor (1 ). En una realización preferente de la invención, dicho medio de transferencia térmica (4) es un elemento metálico y, más preferentemente, un elemento de cobre (por ejemplo, una barra de cobre de entre 15-25 mm de diámetro, acoplada en la abertura (3) del matraz).
En una realización preferente de la invención, el medio de transferencia térmica (4) está conectado a un medio de conversión termoeléctrica (5) destinado a convertir la energía térmica acumulada en el medio de transferencia térmica (4) en energía eléctrica, mediante la generación de una diferencia de potencial. Un ejemplo posible del medio de conversión termoeléctrica (5) de la invención es un termocolector TE-Power Probé (fabricado por la empresa MicroPeIt, Alemania), acoplado al medio de transferencia térmica (4). El TE-Power Probé es un prototipo de un termocolector de proximidad integrado, diseñado para remplazar las baterías de pilas en sistemas inalámbricos que funcionan en modo de régimen de trabajo. El elemento técnico esencial del medio de conversión termoeléctrica (5) para las realizaciones de la presente invención es el de producir una cantidad sustancial de electricidad a partir de un gradiente de temperatura. En el ejemplo anterior, el calor en el TE-Power Probé se disipa a través de un disipador térmico de aluminio, y el gradiente de temperatura resultante permite la producción de energía eléctrica mediante el termogenerador de tipo MPG-D751.
Con relación al montaje del dispositivo, la capa o capas de aislamiento del medio aislante (2) (capas de EPS en el ejemplo descrito) se montan, preferentemente, de modo que se ajusten a la superficie del reactor (1 ). Asimismo, el medio de transferencia térmica (4) se aisla también térmicamente del exterior, mediante una cubierta aislante (6) (hecha, por ejemplo, de EPS). Con el objetivo de permitir la agitación de los cultivos microbiológicos en el interior del reactor, en una realización preferente de la invención, el dispositivo comprende un agitador magnético (por ejemplo, se añade un imán en el interior del reactor (1 ), y se sitúa el dispositivo sobre un agitador magnético de laboratorio convencional, configurado a baja velocidad; posteriormente se añade el cultivo, y finalmente se instala el medio de transferencia térmica (4) conectado al medio de conversión termoeléctrica (5)).
EJEMPLO DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN:
Con relación a los cultivos microbiológicos utilizables en la presente invención y a los resultados de transferencia energética obtenidos, se incluye a continuación un ejemplo no limitativo de una realización preferente del dispositivo aquí descrito, referido al cultivo de cepas de levadura:
- Cepas empleadas: Se usan, a modo de prueba de concepto del funcionamiento de la invención, las siguientes seis cepas diploides de S. cerevisiae, empleadas en la industria vinícola, o modificaciones genéticas de las mismas, como: EC1 18, L2056, 3aS2A, T73, D170, y TTRX2. No obstante, en general cualquier microrganismo capaz de ser cultivado y de generar calor durante su cultivo, puede ser utilizado en la presente invención. Para evaluar las capacidades exotérmicas de las cepas, se establecen cultivos independientes en YPD (20 g/l de peptona, 10 g/l de extracto de levadura, con azúcar al 18%) esterilizado por filtración, y se mide de forma continua la temperatura interna de los cultivos (cultivados durante una noche en matraces de tipo Erlenmeyer no aislados). La termotolerancia se evalúa cultivando las cepas a 30, 37 y 41 °C. Después de incubación durante una noche con agitación a baja velocidad, se miden las densidades ópticas a 600 nm (D060o) de los seis cultivos de una noche.
- Caracterización del dispositivo termoeléctrico microbiano y registro de la producción de energía eléctrica: El dispositivo se conecta a un ordenador para registrar las temperaturas interna y externa y la corriente de salida proporcionada por un termocolector TE-Power Probé. La temperatura interna del dispositivo se mide mediante un termopar insertado en el cultivo microbiano y conectado al ordenador a través de un registrador de datos. También se instalan otros dos termopares para registrar la temperatura del disipador térmico y la temperatura ambiental. Los termopares se conectan a una tarjeta de captura insertada en el registrador de datos, que está conectada mediante un cable de tipo GPIB al ordenador, configurado con un software para la captura de datos de temperatura. La salida del TE-Power Probé también se conecta al ordenador, obteniéndose los registros de temperatura de la región fría y de la región caliente del termogenerador, así como la tensión de salida del mismo. Para tener en cuenta la tensión eléctrica de fondo debida a la unión de metales diferentes en la conexión termopar- registrador de datos, las conexiones entre los termopares y el registrador de datos se realizan en hielo en el interior de una caja de EPS. Finalmente, se inserta un termopar en la caja que contiene el hielo para verificar que la temperatura de las conexiones entre el registrador de datos y que los termopares se mantiene a 0°C. De este modo, se corrige mediante software cualquier tensión errónea inducida por las conexiones metálicas entre los termopares y el equipo de medida.
- Caracterización del dispositivo: Como prueba de referencia para su caracterización, el dispositivo MTC se carga con agua caliente (70°C) y se somete a agitación a baja velocidad, registrándose la evolución de su temperatura interna durante 72 h, en condiciones de laboratorio con el montaje de termopares descrito anteriormente. Este registro se realiza con y sin el TE-Power Probé (Figuras 2a y 2b del presente documento, respectivamente). Los gráficos resultantes muestran curvas de enfriamiento típicas con una baja pendiente. Cuando se instala el TE-Probe, se necesitan 8 h para que el agua caliente dentro del dispositivo MTC se enfríe de 55°C a 45°C; 12 h para enfriarse de 45°C a 35°C y aproximadamente dos días para enfriarse de 35°C a 25°C (Figura 2a). Cuando se ajusta el dispositivo MTC con el TE- Probe, el patrón es similar pero muestra menor aislamiento térmico, particularmente a temperaturas muy altas, como consecuencia de la pérdida de calor a través de la barra de cobre y el disipador térmico del TE-Power Probé (Figura 2b).
Con relación a la caracterización del dispositivo con cultivos de levadura, se precalienta YPD con sacarosa al 18%, a aproximadamente 29°C, se inocula con un precultivo de levadura de una noche 1 :50, y se somete a agitación a baja velocidad durante aproximadamente 120 h. Se toman registros de temperatura (y, cuando está conectado el TE-Power Probé, también de energía eléctrica) cada 6 minutos durante todo el experimento.
- Resultados obtenidos: Todas las cepas de levadura muestran comportamientos similares en términos de potencial exotérmico y resistencia a altas temperaturas, presentando la cepa D170 una termorresistencia ligeramente más elevada seleccionando, por tanto, dicha cepa como cultivo de ensayo para el estudio de resultados de transferencia energética del dispositivo. Cuando se inocula la cepa de levadura D170 en un medio YPD con sacarosa al 18% precalentado y se cultiva en una MTC con la barra de cobre y el TE-Power Probé instalado, la temperatura interna baja lentamente (aproximadamente 1°C), se estabiliza y finalmente empieza a subir después de 6-7 h. La temperatura llega a su nivel más alto después de aproximadamente 24 h, alcanzando 41 °C. La Figura 2c del presente documento muestra los resultados (de temperatura frente a tiempo de cultivo) en un experimento típico en el que la temperatura máxima es aproximadamente 12 grados más elevada que la temperatura inicial del cultivo. Después de alcanzar el nivel máximo, la temperatura de los cultivos de levadura empieza a bajar, llegando a la temperatura inicial después de aproximadamente 70-90 h. A pesar de los cambios (22°C-27°C) en la temperatura ambiente, la evolución de la temperatura interna del cultivo de levadura se ve afectada sólo levemente.
Con relación a los resultados de producción de electricidad con el dispositivo MTC de la invención, el calor metabólico producido por la cepa D170 en las condiciones de aislamiento del reactor del dispositivo se transforma parcialmente en electricidad, a través del termocolector TE-Power Probé. Cuando se monta el TE-Power Probé en la MTC de cultivo de levaduras en condiciones de circuito abierto, la temperatura interna del cultivo aumenta hasta aproximadamente 35°C, siendo superior a 32°C durante aproximadamente 54 h (tal y como muestra la Figura 3a del presente documento). En estas condiciones, la tensión eléctrica producida es de aproximadamente 250 mV (valor neto) durante un periodo de dos días, con picos significativos de aproximadamente 350-600 mV netos asociados a una temperatura ambiente inferior (como se muestra en la Figura 3a). Se realiza el mismo experimento en condiciones de resistencia de carga (330 Ω, la misma que la del termogenerador MPG-D751 ), produciéndose un pico de temperatura interna de aproximadamente 32°C, permaneciendo el cultivo por encima de la temperatura ambiente (que se mantiene constante en el experimento) durante aproximadamente 1 10 h (Figura 3b). En estas condiciones, se obtiene un máximo de 290 mV en la carga, lo que correspondería con alrededor de 580 mV en la célula Peltier. La máxima potencia eléctrica obtenida, correspondiente a los valores de diferencia de temperatura ΔΤ máxima, alcanza aproximadamente 255 μ (valor neto), y es superior a 100 μ durante aproximadamente 40h (Figura 3b).
Los resultados presentados para la realización de la invención descrita en los párrafos precedentes, muestran que la naturaleza exotérmica del cultivo microbiano puede transformarse parcialmente en una tensión eléctrica significativa, plenamente aprovechable como fuente de energía. Ello supone que el desarrollo tecnológico de dispositivos termoeléctricos microbianos (integrados por fermentadores térmicamente aislados y equipados con superficies de intercambio de calor sobre las cuales se monta un termogenerador termoeléctrico) constituye una mejora relevante en la obtención de nuevas fuentes energéticas. En el ejemplo de realización preferente descrito anteriormente, el termogenerador elegido está optimizado para eficiencias relativamente elevadas en la producción eléctrica a bajos valores de ΔΤ, tales como los existentes entre un cultivo de levadura aislado (41 °C, en las condiciones descritas) y las temperaturas ambientales. Con un dispositivo MTC de tamaño medio (menos de dos litros), típicamente es posible obtener 150-600 mV. Estos valores son comparables o superiores a los obtenidos con tecnologías MFC basadas en levaduras, que presentan valores de tensión neta de aproximadamente 300 mV para reactores de 1 litro. Debe apreciarse, sin embargo, que los dispositivos MFC y MTC funcionan según fundamentos técnicos diferentes, aunque compatibles. Ello permitiría, también, combinar ambos tipos de tecnologías para un mayor aprovechamiento energético, lo que constituye una ventaja adicional de la invención. Los dispositivos MFC producen electricidad de la transferencia electrónica directa, mediada de forma microbiana a partir de la oxidación de materia orgánica en un ánodo, mientras que los dispositivos MTC transforman parcialmente la energía térmica metabólica en electricidad mediante el efecto Seebeck.
Como en el caso de las celdas MFC, las celdas de tipo MTC pueden combinarse con otros procesos microbianos. Si bien en el ejemplo precedente se ha utilizado la levadura S. cerevisiae, a causa de su crecimiento exotérmico bien conocido en una diversidad de condiciones diferentes, sería también posible acoplar cualquier otro cultivo microbiano que provocara una importante producción de calor, tal como la fermentación etanólica (cerveza, pan, vino, biocombustibles), la digestión aerobia autotérmica (ATAD) o la biorrecuperación y bioaumentación de suelos contaminados por hidrocarburos, con las MTC en un único dispositivo, con la producción de electricidad como subproducto valioso del propósito biotecnológico principal.
Además de las levaduras, otros cultivos podrían ser adecuados como productores de calor en una MTC. Por ejemplo, las bacterias termófilas e hipertermófilas de origen natural tales como Bacillus coagulans, Bacillus licheniformis o muchas cepas de Geobacillus spp., muchas de las cuales pueden aislarse de entornos extremos tales como pozos petrolíferos profundos y cuya temperatura óptima de crecimiento es 50-60°C. Además, se ha informado de que estas bacterias son capaces de calentar su propio cultivo hasta 50-55°C. En distintas realizaciones preferentes de la invención, es posible emplear cualquier cultivo microbiológico que cumpla los siguientes criterios: (i) termorresistencia; (ii) capacidad exotérmica; (iii) crecimiento fácil y rápido; y (iv) capacidad de crecer y de degradar altas concentraciones de fuentes de carbono.
Como alternativa a los ejemplos descritos, donde la región fría del dispositivo se fija a un disipador térmico, también es posible, en otra realización preferente de la invención, implementar un sistema de refrigeración microbiológico para optimizar el rendimiento eléctrico (aumentando la diferencia de temperatura ΔΤ), en lugar de generar la pérdida de calor a causa de la convección. Por ejemplo, es posible emplear sistemas microbiológicos que presenten crecimiento endotérmico, tales como, por ejemplo, las arqueobacterias metanogénicas. Estos microorganismos pueden combinarse con aquellos que producen calor (exotérmicos), a través de un elemento termoeléctrico para aumentar la producción de electricidad. Dichas arqueobacterias tienen un crecimiento óptimo a temperaturas de aproximadamente 37°C, y esto implica que el sistema completo debe ajustarse para regular la transferencia de calor a través del elemento termoeléctrico, permitiendo tanto el crecimiento microbiano óptimo, como el mantenimiento de un ΔΤ lo más elevado posible.
En conclusión, los dispositivos termoeléctricos microbianos de la invención permiten convertir la energía metabólica en electricidad de forma eficiente, y proporcionan una importante mejora tecnológica para el desarrollo de celdas termoeléctricas microbianas. Los resultados aquí descritos muestran que, incluso pequeños volúmenes de caldo de cultivo, son capaces de mostrar un comportamiento autotérmico significativo y de producir electricidad cuando están apropiadamente aislados y configurados de un modo que el intercambio de calor se minimiza en toda la superficie, excepto en el área en la que se monta el termocolector. Los valores de energía eléctrica obtenidos contribuyen al planteamiento de nuevas estrategias para recoger el calor excedente en la industria biotecnológica, y de aprovecharlo en dispositivos termoeléctricos de alta eficiencia.
En la Figura 4 se ilustra otro ejemplo de realización del dispositivo propuesto por la presente invención que permite la regulación de a temperatura del cultivo microbiológico en un proceso de fermentación continua. El resto de figuras (Figuras 5 a 13) hacen referencia al ejemplo de realización de dicha figura 4.
Los principales componentes del dispositivo ilustrado en la Figura 4 son el reactor o termentador aislado térmicamente (a) donde se encuentra el cultivo microbiano en agitación (mediante el agitador V), unas bombas peristálticas (b, c) que controlan el flujo de entrada y salida de medio al fermentador (a), y el intercambiador de calor termoeléctrico (d), en este caso de flujo paralelo en contracorriente, donde se encuentran unas células Peltier conectadas en serie (con sus respectivas placas calientes (pe) y placas frías (pf) en contacto térmico con el primer conducto (Z1 ) y el segundo conducto (Z2), respectivamente; habiéndose ilustrado todos estos elementos con líneas discontinuas por hallarse ocultos por una envolvente aislante térmica del ICT). En el esquema se representa además un baño de hielo (e) utilizado como referencia térmica para la medida de los termopares (T1 -T7), unos depósitos de medio fresco (f) y purga (g), y unos medios de control que incluyen un sistema de recogida de datos (h) conectado (líneas discontinuas) a los termopares (T1-T7) y a los cables de salida (tr) de las células Peltier y, conectado al mismo, un sistema de control (i) de las bombas peristálticas (b, c).
En la Figura 4, los medios de transferencia térmica comprenden una conducción de salida (C1 ) dispuesta con un extremo (C1a) dispuesto en el interior del reactor y otro extremo (C1 b) conectado a un extremo de entrada del primer conducto (Z1 ) del ICT (d), cuyo extremo de salida se encuentra conectado a un conducto (C1') que dirige el cultivo líquido extraído hasta el depósito de purga (g). Por su parte, el medio fresco (frío) se extrae del depósito (f) a través de las conducciones (C2') y (C2) y del tramo del ICT interconectado entre ambas, es decir el segundo conducto (Z2), donde la conducción (C2) tiene un primer extremo (C2b) conectado al segundo conducto (Z2) y un segundo extremo (C2a) introducido en el fermentador (a) por el que se dispensa el medio fresco al interior del mismo.
El ICT, y todo el dispositivo ilustrado en la Figura 4 en general, es el primer dispositivo de este tipo específicamente diseñado para la producción de electricidad y la regulación de la temperatura de cultivos líquidos microbianos en fermentación continua. La caracterización del ICT fue llevada a cabo en el laboratorio con la configuración del dispositivo representado esquemáticamente en la Figura 4. Se utilizó un cultivo de 35L de la levadura Saccharomyces cerevisiae en medio YPD suplementado con un 18% de sacarosa como fuente de calor, dada su alta capacidad de fermentación de azúcares y su tolerancia a temperaturas relativamente altas.
La fermentación se llevó a cabo en un tanque de 40 L de capacidad aislado térmicamente por una capa de vacío (Dewar flask, Scharlab, s.l.), al que se acopló una pala de agitación de tipo áncora. Asimismo, se incluyeron dos conducciones para la introducción de medio de fresco y la extracción de cultivo (en esta última se acopló un pequeño cilindro con orificios en la parte superior para permitir la salida del gas producido en la fermentación y la correcta extracción del medio líquido). Se utilizaron bombas peristálticas HIFLOW (Lambda CZ, s.r.o.), controladas mediante el software Labview, para introducir y extraer medio del fermentador mediante tuberías de silicona de 5 mm de calibre. El ICT se construyó con dos conducciones de aluminio de sección cuadrada, que se ensamblaron en "sándwich" en un conjunto aislado térmicamente mediante poliexpán y espuma reflectora. Las placas de efecto Seebeck se situaron en contacto térmico entre ambas conducciones y se conectaron en serie.
Termogeneración con cultivo de levadura:
Se han llevado a cabo una serie de experimentos de termogeneración, con el dispositivo de la Figura 4, en los cuales, se utilizó un cultivo de 35 L de la levadura Saccharomyces cerevisiae en medio YPD suplementado con un 18% de azúcar. Durante 5 días, se midió la temperatura del cultivo (situado en el fermentador aislado térmicamente) y la temperatura ambiente. El ICT se puso en funcionamiento a partir del segundo día de cultivo, cuando éste ya ha alcanzado por sí solo temperatura de unos 35 °C. Así, se empezó a añadir medio fresco (frío) y a extraer medio del fermentador (caliente), haciendo pasar ambos por el intercambiador y midiendo la potencia producida con el tiempo. Para ello, se midió también la temperatura de cada una de las 4 entradas del intercambiador (mediante los termopares T2 a T5) para saber realmente cuál fue la diferencia de temperatura real entre las dos conducciones metálicas del ICT. El flujo de las bombas fue de 1400 mL/h (700 de entrada digital) de media.
Una vez mantenido el cultivo a una temperatura constante durante varias horas gracias al control de los flujos de entrada y salida de medio, se pararon estos flujos para verificar la evolución del cultivo sin termogeneración. Las gráficas de la Figura 5 muestra la evolución de la temperatura ambiente y la temperatura del cultivo en un experimento típico. Como se observa en las gráficas, la temperatura del medio de cultivo se mantuvo relativamente estable por efecto de los flujos de entrada y salida al reactor (aplicados entre 20 y 30 horas tras el inicio del cultivo). Una vez parado el dispositivo, el cultivo continuó calentándose hasta más de 40 °C, descendiendo su temperatura a partir de ahí. Estos resultados indican que es posible estabilizar la temperatura del cultivo mediante el ICT y que éste no ve mermada su capacidad de fermentación por esta regulación térmica, ya que la evolución de la fermentación, tal y como se deduce de la temperatura del cultivo, evoluciona normalmente tras la regulación por el ICT. El resto de medidas de temperatura, así como la producción eléctrica del ICT, se recogen en la Figura 6.
En cuanto a la tensión y a la potencia eléctrica generadas en el ICT, se observó una producción relativamente constante de aproximadamente 1 ,2 V y 10 mW durante 6 h, período en el que se mantuvo constante la temperatura del cultivo. Cabe destacar que este prototipo, donde el volumen de cultivo es 20 veces superior al del prototipo del dispositivo ilustrado en la Figura 1 , es capaz de producir 40 veces más potencia eléctrica.
Por otra parte, se quiso comprobar experimentalmente si la población de levaduras se mantenía constante o no en el fermentador mientras éste estaba conectado al ICT, período en el que la temperatura del cultivo permanecía constante. Para ello, una vez puesto en marcha el ICT, se tomaron muestras del interior del fermentador cada 15 min por triplicado, y se midió la densidad óptica (OD) a 600 nm con un espectrofotómetro. La Figura 7 muestra otro experimento típico de termogeneración. En la sub-figura 7C se representa la evolución de la OD600 del cultivo en un rango de tiempos concreto.
Las medidas de densidad óptica indicaron que la población de levaduras se mantiene en un valor prácticamente constante mientras la temperatura en el fermentador se mantiene estable por efecto del ICT. Una vez se detiene el funcionamiento de éste, la temperatura del medio comienza a aumentar y la densidad óptica vuelve a crecer lentamente durante las horas siguientes. Modelado del dispositivo:
El modelado matemático del dispositivo de la Figura 5 tuvo como objetivo predecir la potencia eléctrica producida por el dispositivo conociendo únicamente la temperatura del medio fresco y del cultivo de levaduras. Para ello, fue necesario calcular distintos parámetros que caracterizan el funcionamiento del dispositivo a partir de las ecuaciones modelo y de los datos recogidos en el laboratorio, como se explica a continuación. Para mayor claridad, el modelo se presenta dividido en tres partes, que corresponden a los principales componentes del dispositivo: el fermentador (a), el ICT (b), y las células Peltier situadas en el mismo (c). La nomenclatura utilizada se recoge al final de la presente descripción.
a) Fermentador
Para el modelado del cultivo de levadura se tuvo en cuenta tanto la energía almacenada en el dispositivo (por encontrarse una masa de líquido a una determinada temperatura) como los procesos que provocan variaciones en dicha temperatura. Estos procesos son:
- Flujo de líquido entrante proveniente de la salida fría del intercambiador con temperatura Tfs
- Flujo de líquido saliente hacia la entrada caliente del intercambiador con temperatura Tce (coincide con la temperatura del medio de cultivo)
- Potencia producida por el metabolismo microbiano (Pe)
- Pérdidas del tanque de cultivo al ambiente (a una temperatura Tenv)
Asimismo, se asumió una masa del cultivo (m) constante en el tiempo (mismos caudales de entrada y salida, Q, y misma densidad del medio que entra o sale al fermentador, p). En todos los experimentos se trabajó con un volumen de cultivo de 35 L. La densidad del medio YPD, determinada experímentalmente en el laboratorio, fue de 1041 kg/m3.
La siguiente ecuación describe el balance de energía en el fermentador:
dTce ~ Tce-Tenv
m - cp -— = Q■ p - cp - (Tfs - Tce) + Pe —— ( 1 )
Donde cp es el calor específico del medio de cultivo, y Rg es la resistencia térmica global del fermentador.
El valor de cp fue considerado el mismo al calculado previamente en el laboratorio para el primer prototipo de MTC (3954.44 J/kg- K, Rodríguez-Barreiro et al., 2013), ya que este parámetro depende principalmente del medio de cultivo utilizado, que fue el mismo que en el primer prototipo. Por su parte, el valor de Rg fue estimado en el laboratorio realizando un experimento sin entrada ni salida de medio de cultivo (Q=0) y sin inoculo microbiano (Pc=0), por lo que la Ecuación 1 queda simplificada de la siguiente forma:
dTce Tce-Tenv
m■ cn = (2)
P llt Rg
El experimento partió de medio de cultivo previamente calentado a 54 °C, y consistió en dejar enfriar dicho medio de forma espontánea (por las pérdidas de calor del fermentador al ambiente, dependientes de Rg) mientras se monitoriza la temperatura del mismo en el tiempo. Dado que cp es conocido, Rg es la única incógnita del dispositivo y puede estimarse por minimización de errores con respecto a simulaciones llevadas a cabo con varios valores hipotéticos de Rg. De esta forma, se halló que el valor de Rg en el dispositivo era de 5,92 K/W. b) Intercambiador
El objetivo de esta parte del modelado es predecir la temperatura de los dos flujos de salida del intercambiador (Tes, temperatura del medio proveniente del fermentador que ha pasado por el intercambiador, y Tfs, temperatura del medio que sale del intercambiador y entra al fermentador) conociendo la temperatura de los fluidos de entrada (Tfe, temperatura del medio fresco que entra al intercambiador, y Tce, temperatura del medio que sale del fermentador). De esta forma, puede conocerse el calor que pasa de una cara a otra del intercambiador atravesando las células Peltier.
Dado que el aislamiento de las tuberías que conectan el intercambiador y el fermentador no es perfecto, se midió experimentalmente la pérdida de calor que tiene lugar en éstas por unidad de longitud (Figura 9) y se obtuvo la ecuación que permite calcular estas pérdidas (L) a partir de la temperatura del fluido (Tf) y la temperatura ambiente (Tenv) (Ecuación 3).
L = 0.003 (7/ - Tenv)2 + 0.080(7/ - Tenv) - 0.066 (3)
Conocer las pérdidas de calor en las tuberías permitió, por una parte, introducir en el modelo que se presentará a continuación las temperaturas reales de entrada y salida al intercambiador y, por otra parte, diferenciar estas pérdidas de calor de aquéllas que se producen en el intercambiador. Estas últimas fueron calculadas en experimentos sencillos, consistentes en mantener la entrada fría (Tfe) a una temperatura constante e ir modificando la temperatura de la entrada caliente (Tce) para obtener puntos estacionarios y ver el calor transferido de la cara caliente a la cara fría del intercambiador (Figura 10).
En esta figura se observa que en los puntos estacionarios la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de flujo caliente (Tce-Tcs) no coincide exactamente con la diferencia de temperatura entre la salida y la entrada de flujo frío ( Tfs-Tfe), por lo que una parte del calor del flujo caliente se está perdiendo al ambiente a través de las paredes del intercambiador. Si bien las pérdidas de calor en el intercambiador son detectables, son cada vez menores a medida que la diferencia entre la temperatura del fluido y la temperatura ambiental disminuye. Para las temperaturas en las que se realizaron los experimentos reales de termogeneración, las pérdidas de calor en el intercambiador son muy bajas, por lo que se consideraron nulas en el modelado del intercambiador por el método LMDT. De forma breve, este modelo tiene en cuenta los cambios graduales que sufre la temperatura de los fluidos a medida que atraviesan el intercambiador (Figura 1 1 ), por lo que la temperatura considerada para cada fluido es en realidad una diferencia media de temperatura logarítmica (LMDT) (Ecuación 4).
LMDT = ATln = iTee- £¿e :T'e) (4)
La ecuación general de transmisión de calor de la cara caliente a la cara fría (q) en el intercambiador es la siguiente: q = U · A · F · LMDT (5)
Donde U es el coeficiente global de transmisión de calor, A es el área de intercambio, F es el factor de corrección y LMDT la diferencia media de temperaturas logarítmica. Dado que el intercambiador utilizado es de un solo paso, se consideró F=1 .
Para determinar la constante U-A, considerando que las pérdidas en el intercambiador son nulas, se utilizó la siguiente ecuación para calcular q a partir de la capacidad calorífica de los fluidos (m-Cp) y las temperaturas de entrada y salida en uno de los fluidos que atraviesa el intercambiador (Tce y Tes, o Tfs y Tfe):
q = m > cp · (Tce - Tes) = m · cp · (Tfs - Tfe) (6) Utilizando el rango de temperaturas real de los experimentos de termogeneración, se obtuvo que la constante U-A del ICT construido en el laboratorio era de 1 .039 W/K.
c) Célula Peltier
Las células Peltier en serie generan una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas en sus caras. Como en este caso las placas están en un intercambiador en el que la temperatura no es igual en todos los puntos podría considerarse una media logarítmica como se ha hecho anteriormente (LMDT). Así, la ecuación que describe la tensión generada (Vs) es la siguiente:
Vs = N - a - LMDT (7)
Siendo a el coeficiente Seebeck y N el número de células Peltier conectadas en serie. La variación de la tensión generada en el tiempo de acuerdo con las variaciones en la temperatura de los fluidos de entrada al intercambiador fue medida experimentalmente, como se representa en la Figura 12.
En el laboratorio, se determinó experimentalmente la potencia producida (al conectar una resistencia de 120 Ω) para diferentes LMDT, obteniendo una ecuación (Ecuación 8, Figura 13) que describe la potencia generada en el intercambiador (P0) a partir de las temperaturas de los fluidos de entrada y salida al mismo:
P0 = 0.0985351Δ¾ - 0.3160862ΔΓ,η + 0.4086008 (8)
Finalmente, una vez descrita la presente invención y algunas de sus realizaciones preferentes, junto con sus principales ventajas sobre el estado de la técnica, cabe resaltar, de nuevo, que su aplicación no ha de ser entendida como limitada necesariamente a una configuración determinada de los componentes descritos, ni a las realizaciones referidas en los ejemplos de la invención, sino que resulta aplicable también a otro tipo de configuraciones y procedimientos, mediante las adecuadas variaciones en sus elementos, siempre que dichas variaciones no alteren la esencia de la invención, así como el objeto de la misma. Nomenclatura:
Tce Tfe Tes Tfs Tenv Temperatura caliente entrada, temperatura fría entrada, temperatura caliente salida, temperatura fría salida del ICT, temperatura ambiente (K)
p Densidad (Kg/m3)
V Volumen del cultivo (m3) m Masa (Kg)
cp Calor Específico (J/Kg K) m-cp=Cp Capacidad calorífica (J/K) Q Caudal (m3/s)
Pe Potencia de calor generada por el cultivo (W)
Rg Resistencia térmica del bidón {K/W)
Pj Potencia de entrada (W) q Calor transferido por unidad de tiempo de la cara caliente a la fría del ICT (W/s)
U Coeficiente global de transmisión de calor (W/m2K)
A Área de intercambio (m2)
LMDT o ΔΤΙη Diferencia media de temperaturas logarítmica (K)
F Factor de corrección (Adimensional)
Vs Tensión de salida (V)
N Número de células peltiers conectadas en serie (Adimensional) a Coeficiente de Seebeck (V/K)
PO Potencia generada por las células peltier (W)

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo termoeléctrico microbiano para producir energía eléctrica que comprende:
- un reactor (1 , a) configurado para alojar un cultivo microbiologico;
- un medio térmicamente aislante (2) dispuesto como recubrimiento del reactor (1 , a);
- un medio de transferencia térmica (4), configurado para transferir calor producido en el interior del reactor (1 , a) al exterior del mismo;
caracterizado dicho dispositivo porque comprende un medio de conversión termoeléctrica (5) acoplado, o al menos en contacto térmico, con el medio de transferencia térmica (4), y donde dicho medio de conversión termoeléctrica (5) comprende un termocolector configurado para convertir la energía térmica transferible por el medio de transferencia térmica (4) en energía eléctrica.
2. - Dispositivo según la reivindicación anterior, donde el medio de transferencia térmica (4) comprende una cubierta térmicamente aislante (6).
3. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el reactor (1 ) comprende una abertura (3) a la que se acopla al medio de transferencia térmica (4).
4. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, donde el reactor (1 ) comprende una membrana o un tabique acoplable al medio de transferencia térmica (4).
5.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el medio de transferencia térmica (4) comprende un elemento metálico.
6. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el cultivo microbiologico es exotérmico.
7. - Dispositivo según la reivindicación anterior, donde el cultivo microbiologico se selecciona entre un cultivo de levadura, un cultivo microbiologico de bacterias mesófilas, termófilas o un cultivo microbiologico de bacterias hipertermófilas.
8. - Dispositivo según la reivindicación anterior, donde el cultivo microbiologico comprende un cultivo de levadura de una cepa diploide de S. cerevisiae, o una modificación genética de la misma.
9.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de refrigeración acoplado al termocolector.
10. - Dispositivo según la reivindicación anterior, donde el sistema de refrigeración comprende un cultivo microbiológico con propiedades endotérmicas.
11. - Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichos medios de transferencia térmica (4) comprenden al menos una conducción de salida (C1 ) dispuesta y configurada para la transferencia de al menos parte del cultivo microbiológico desde el reactor (a) hasta el exterior.
12. - Dispositivo según ia reivindicación 11 , donde ios medios de transferencia térmica (4) comprenden al menos una conducción de entrada (C2) dispuesta y configurada para la introducción de medio fresco en el interior del reactor (a).
13. - Dispositivo según la reivindicación 11 ó 12, donde dicho termocolector comprende ai menos una célula Peltier/Seebeck con una de sus placas en contacto térmico con dicha conducción de salida (C1 ) o con un primer conducto (Z1 ) conectado a la misma por un extremo (Cl ) dispuesto en el exterior del reactor (a).
14. - Dispositivo según la reivindicación 13 cuando depende de la 12, donde dicha placa es una placa caliente de dicha célula Peltier/Seebeck, y donde una placa fría de la misma se encuentra dispuesta en contacto térmico con dicha conducción de entrada (C2) o con un segundo conducto (Z2) conectado a la misma por un extremo (C2b) dispuesto en el exterior del reactor (a).
15. - Dispositivo según la reivindicación 14, que comprende un intercambiador de calor termoeléctrico (d) que incluye a dichos primer (Z1) y segundo (Z) conductos, los cuales son metálicos y están dispuestos para transferirse calor entre sí.
16. - Dispositivo según la reivindicación 12, donde los medios de transferencia térmica (4) comprenden un primer dispositivo de bombeo (b) configurado y dispuesto para bombear el cultivo microbiológico desde el reactor (a) hasta el exterior y un segundo dispositivo de bombeo (c) configurado y dispuesto para bombear el medio fresco desde un depósito de medio fresco (f) hacia el interior del reactor (a).
17. - Dispositivo según la reivindicación 16, que comprende unos sensores de temperatura (T1 -T7) dispuestos al menos en el interior del reactor (a) y en, o próximos a, las entradas y salidas de dichos primer (Z1 ) y segundo (Z2) conductos del intercambiador de calor termoeléctrico (d), y unos medios de control (h, i) en conexión con dichos sensores de temperatura (T1-T7) y con dichos dispositivos de bombeo (b, c) para controlar a estos últimos al menos en función de los valores de temperatura detectados mediante dichos sensores de temperatura (T1 -T7).
18. - Método de producción de energía eléctrica a partir de energía térmica, que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 -17.
19.- Método según la reivindicación 18, donde:
- se realiza un cultivo microbiológico exotérmico de microorganismos alojados en el reactor (1) del dispositivo, y donde
- la energía térmica que se transfiere desde dicho reactor (1 ) al medio de transferencia térmica (4) y que se disipa en el medio de conversión termoeléctrica (5), sumado al que se pierde por la superficie del dispositivo a través del medio térmicamente aislante (2), es sustancialmente igual al calor producido en el cuítivo microbiológico.
20.- Método según la reivindicación 18, que comprende utilizar los medios de control del dispositivo según la reivindicación 17 para controlar la activación/desactivación de los dispositivos de bombeo (b, c) así como, cuando están activados, el flujo circulante por los mismos o flujo de salida del cultivo microbiológico del reactor (a) y flujo de entrada del medio fresco en el reactor (a).
21.- Método según la reivindicación 20, donde se lleva a cabo dicho control para la producción de electricidad y la regulación de la temperatura del cultivo microbiológico, siguiendo un proceso de fermentación continua.
22.- Método según la reivindicación 21 , que comprende iniciar dichos flujos de salida de cultivo microbiológico y de entrada de medio fresco cuando la temperatura del cultivo microbiológico alcanza un valor determinado.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080138663A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-12 Canon Kabushiki Kaisha Microbial electrode and fuel cell and sensor using the same
WO2010089741A1 (en) * 2009-02-04 2010-08-12 Ben-Gurion University Of The Negev Research And Development Authority Systems and methods for bio-electricity production
WO2010117844A2 (en) * 2009-03-31 2010-10-14 University Of Maryland Biotechnology Institute Generating electrical power by coupling aerobic microbial photosynthesis to an electron-harvesting system
US20110300411A1 (en) * 2010-05-31 2011-12-08 Carbonitum Energy Corporation Photoelectromethanogenic microbial fuel cell for co-generation of electricity and methane from carbon dioxide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080138663A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-12 Canon Kabushiki Kaisha Microbial electrode and fuel cell and sensor using the same
WO2010089741A1 (en) * 2009-02-04 2010-08-12 Ben-Gurion University Of The Negev Research And Development Authority Systems and methods for bio-electricity production
WO2010117844A2 (en) * 2009-03-31 2010-10-14 University Of Maryland Biotechnology Institute Generating electrical power by coupling aerobic microbial photosynthesis to an electron-harvesting system
US20110300411A1 (en) * 2010-05-31 2011-12-08 Carbonitum Energy Corporation Photoelectromethanogenic microbial fuel cell for co-generation of electricity and methane from carbon dioxide

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