WO2017168027A1 - Dispositivo y procedimiento para la generación de energía eléctrica - Google Patents
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Abstract
El dispositivo comprende materia orgánica (1, 2) rodeada por un ánodo (4) y un cátodo(3); y un canal de entrada (10) de oxígeno para proporcionar oxígeno al cátodo(3), en el que dicha materia orgánica (1, 2) comprende una primera porción que forma un sustrato biodegradable (2) para estimular la generación de energía eléctrica y una segunda porción que forma un biocatalizador electrogénico (1) que oxida el sustrato biodegradable (2). El procedimiento comprende plantar una planta provista de raíces sobre el dispositivo;regar dicha planta, arrastrando sustancias orgánicas de los exudados de las raíces de la planta y/u otras sustancias orgánicas de dicha tierra donde está plantada la planta;romper los enlaces moleculares de las sustancias orgánicas mediante microorganismos que se alimentan de estas sustancias, produciendo electrones libres;dirigir los electrones al ánodo (4); y crear una corriente de electrones entre el cátodo (4) y el ánodo (3).
Description
DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA
DESCRIPCIÓN
La presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para la generación de energía eléctrica, produciéndose la energía eléctrica a partir de la fotosíntesis de las plantas de una manera sostenible.
Antecedentes de la invención
En la actualidad las energías renovables son cada vez más importantes para conseguir energía eléctrica de manera sostenible. Ejemplos de estas energías renovables son la energía solar o eólica.
Se conocen las denominadas celdas de combustible biológicas, en las que se obtiene energía eléctrica a partir de materia orgánica mediante acción bacteriana.
Estas celdas de combustible biológicas comprenden materia orgánica, por ejemplo glucosa o acetato, a partir de la cual se obtiene la energía eléctrica y un ánodo y un cátodo para el flujo de electrones.
Aunque estas celdas de combustible biológicas o microbianas pueden proporcionar una alta eficiencia de conversión energética, esta tecnología se encuentra todavía en su etapa de desarrollo experimental y las potencias obtenidas son aún bajas, no habiendo actualmente aplicaciones comerciales disponibles.
Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo y un procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de la fotosíntesis de las plantas que proporcione una eficiencia optimizada, que permita su aplicación comercial.
Descripción de la invención
Con el dispositivo y procedimiento para la generación de energía eléctrica de la invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras ventajas que se describirán a continuación. De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo para la generación de energía eléctrica, que comprende:
- materia orgánica rodeada por un ánodo y un cátodo; y
- un canal de entrada de oxígeno para proporcionar oxígeno al cátodo,
en el que dicha materia orgánica comprende una primera porción que forma un sustrato biodegradable para estimular la generación de energía eléctrica y una segunda porción que forma un biocatalizador electrogénico que oxida el sustrato biodegradable.
Preferentemente, el sustrato biodegradable es un fluido y/o un lodo, dispuesto en una cámara, estando la cámara dispuesta en contacto con el ánodo.
Ventajosamente, la materia orgánica del sustrato biodegradable son carbohidratos, ácidos orgánicos, lípidos, proteínas, efluentes municipales, agrícolas o industriales y/o polímeros naturales o sintéticos, por ejemplo, quitina, triptona y/o extracto de levadura.
Por su parte, la materia orgánica del biocatalizador comprende preferentemente al menos una bacteria electroseleccionada y/o electroestimulada, en forma de concentrado bacteriano o liofilizada, por ejemplo, la materia orgánica del biocatalizador comprende colectivos microbianos telúricos donde las bacterias son seleccionadas y pertenecen a las familias Aeromonadaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae, Comamonadaceae, Desulfuromonaceae, Enterobacteriaceae, Geobacteraceae, Pasturellaceae y Pseudomonadaceae. Además, la materia orgánica del biocatalizador también puede comprender una comunidad microbiana biocatalizadora, tal como Geobacter y/o Shewanella.
Por ejemplo, la primera porción comprende una solución sólida de levadura y/o triptona y/o quitina y geobacterias y la segunda porción que comprende fertilizantes.
Ventajosamente, dicha segunda porción rodea completamente dicha primera porción excepto en su parte superior.
De acuerdo con una realización preferida, el dispositivo de acuerdo con la presente invención comprende una estructura de rejilla que define una cámara para agua y conductividad bacteriana entre dicha materia orgánica, el ánodo y el cátodo.
Preferentemente, dicha estructura de rejilla comprende una rejilla intermedia dispuesta entre dos rejillas exteriores, siendo la rejilla intermedia más gruesa que las rejillas exteriores.
Debe indicarse que dicha estructura de rejilla es un sistema de separación permeable, que puede comprender más o menos rejillas, y que divide la parte líquida de la sólida para mejorar el sellado en parte superior (parte sólida) y prevenir la entrada de aire, y mejorar la conducción en la parte inferior, siendo un sistema más acuoso. Sirve además para crear un diseño modular en el que no penetren las raíces en la parte inferior del dispositivo, con fácil mantenimiento, más aguante, mayor resistencia y mejor reparación (ya que es fácil distinguir la parte inferior del dispositivo de la parte superior y puede extraerse y reponerse sin dañarlo).
Además, el ánodo y el cátodo están conectados ventajosamente entre sí a través de una resistencia para generar una diferencia de potencial entre ambos, y dicho canal de entrada de oxígeno proporciona oxígeno a una cavidad aeróbica adyacente a dicho cátodo.
De acuerdo con una posible realización, dicho cátodo y dicho ánodo están dispuestos inclinados entre sí, definiendo una sección troncocónica, y dicha materia orgánica puede definir una forma toroidal.
El dispositivo para la generación de energía eléctrica puede comprender una caja de conexión al ánodo y al cátodo, y un conector eléctrico exterior conectado a dicha caja de conexión, por ejemplo un conector USB.
Según un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento
para la generación de energía eléctrica mediante el dispositivo citado anteriormente, que comprende las siguientes etapas:
- plantar una planta provista de raíces en una tierra colocada en un módulo separado sobre el dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores;
- regar dicha planta, arrastrando sustancias orgánicas de los exudados de las raíces de la planta y/u otras sustancias orgánicas de dicha tierra donde está plantada la planta;
- romper los enlaces moleculares de las sustancias orgánicas mediante microorganismos que se alimentan de estas sustancias, produciendo electrones libres;
- dirigir los electrones al ánodo; y
- crear una corriente de electrones entre el cátodo y el ánodo.
Ventajosamente, el cátodo se pone en contacto con oxígeno y genera agua a partir del traspaso de átomos de hidrógeno.
Además, el sustrato biodegradable se alimenta de forma continua o discontinua, mediante irrigación y/o adición directa a la cámara.
El procedimiento de acuerdo con la presente invención también puede comprender ventajosamente la formación de cepas mediante las geobacterias en la cámara para agua y conductividad bacteriana, y la etapa de crear un flujo lineal de electrones mediante dichas cepas.
Además, el procedimiento puede comprender la etapa de electrocutar los microorganismos de la materia orgánica con una frecuencia de tiempo diferente y diferentes tensiones antes de regar dicha planta.
Con el dispositivo y el procedimiento para la generación de energía eléctrica de la presente invención se puede optimizar su eficiencia, proporcionando una corriente más fiable y constante, de manera que se general electrones libres por parte de las moléculas más fuertes en la porción sólida, al igual que las moléculas más débiles
en la porción líquida, y se redirigen automáticamente al ánodo mediante las cepas de las bacterias de la porción líquida.
Además, permite obtener sorprendentemente un principio activo mediante el cual, al polarizar el dispositivo y aislar solo las bacterias hábiles para la conducción eléctrica se mantiene una tensión constante y no alterada, a diferencia de la tensión con constantes cambios y alteraciones que suele darse con una célula de combustible microbiana común.
Debe indicarse que el dispositivo está dividido en dos partes: una parte inferior que está lista para funcionar desde el día cero, y una segunda parte que la adición de fertilizantes y/o raíces y/o sustancias orgánicas en la parte superior para nutrir el dispositivo sin llegar a hacer sólido el interior de la cámara y evitar el contacto de las raíces con los electrodos.
Breve descripción de los dibujos
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
La figura 1 es una vista en alzado en sección de un módulo del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, según una primera realización;
La figura 2 es una vista en alzado en sección del dispositivo representado en la figura 1 , donde se muestran las etapas del procedimiento para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención;
La figura 3 es una vista en alzado en sección del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, según una segunda realización;
La figura 4 es una vista en planta en sección del dispositivo para la generación de
energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, según dicha segunda realización;
La figura 5 es una vista en planta en sección del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, según una tercera realización;
La figura 6 es una vista en planta en sección del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, según una cuarta realización; y
Las figuras 7 y 8 son vistas en alzado y en planta en sección, respectiva, del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, según una quinta realización.
Descripción de una realización preferida
En la figura 1 se muestra una primera realización de un módulo del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, que puede estar formado por una pluralidad de módulos o por un solo módulo.
El dispositivo comprende los siguientes componentes, identificados por las correspondientes referencias numéricas:
1. Primera porción de materia orgánica, también llamada biocatalizador. Comprende preferentemente al menos una bacteria electroseleccionada y/o electroestimulada, en forma de concentrado bacteriano o liofilizada, por ejemplo, la materia orgánica del biocatalizador comprende colectivos microbianos telúricos donde las bacterias son seleccionadas y pertenecen a las familias Aeromonadaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae, Comamonadaceae, Desulfuromonaceae, Enterobacteriaceae, Geobacteraceae, Pasturellaceae y Pseudomonadaceae. Puede comprender una comunidad microbiana biocatalizadora, tal como Geobacter y/o Shewanella. También puede ser una solución sólida de levadura y/o triptona y/o quitina. Unos microorganismos
anaerobios geobacterias se colocan preferentemente en la parte superior a través de una solución líquida.
2. Segunda porción de materia orgánica, también llamada sustrato biodegradable, que puede estar formada por fertilizantes, en forma de una capa sólida. También puede es un fluido y/o un lodo, dispuesto en una cámara, estando la cámara dispuesta en contacto con el ánodo. La materia orgánica del sustrato biodegradable puede ser carbohidratos, ácidos orgánicos, lípidos, proteínas, efluentes municipales, agrícolas o industriales y/o polímeros naturales o sintéticos, por ejemplo, quitina, triptona y/o extracto de levadura.
3. Cátodo, formado preferentemente por un conductor de 0, 1 mm a 3 mm de diámetro, por ejemplo, de grafito o cobre.
4. Ánodo, formado preferentemente por un conductor de 0,1 mm a 3 mm de diámetro, por ejemplo, de grafito o cobre.
5. Cámara para el almacenamiento de agua y conductividad bacteriana. Cuando el agua llena esta cámara, los microorganismos de la materia orgánica se extienden formando filamentos bacterianos lineales entre el ánodo y el cátodo.
6. Rejilla interior metálica fina, por ejemplo, de 2 mm.
7. Rejilla exterior metálica final, por ejemplo, de 1 mm.
8. Rejilla intermedia metálica gruesa, por ejemplo, formada por mallas metálicas de 5 x 5 x 5cm). Esta rejilla se utiliza para colocación de tierra y la plantación de plantas (no representadas) sobre la misma. Además, forma una estructura semi- hermética para el ánodo y el cátodo. Junto un con las rejillas exteriores forma una estructura de rejilla.
9. Cavidad aeróbica vacía adyacente y en contacto con el cátodo (3) y cerrada. El oxígeno llega a esta cavidad a través de su parte inferior.
10. Canal de entrada de oxígeno. El oxígeno pasa a través para llenar la cavidad aeróbica.
1 1. Estructura de base, por ejemplo, de plástico de 5 mm de espesor.
12. Aire. El aire pasa a través de la parte inferior de la estructura de base 11 para entrar por el canal de entrada 10.
13. Pilar, por ejemplo, de plástico de 5 mm de espesor. Está conectado a la estructura de base 11 y se utiliza para soportar la estructura de rejilla.
14. Pilar, por ejemplo, de plástico de 5 mm de espesor. Está conectado a la estructura de base 11 y se utiliza para soportar la estructura de rejilla.
En la figura 2 se han representado las etapas del procedimiento para la producción de energía eléctrica, que es el siguiente. Como se ha indicado anteriormente, los microorganismos se colocan en la parte superior a través de una solución líquida la primera porción 1 de materia orgánica, o biocatalizador electrogénico. Aunque no es imprescindible, es preferible que estos microorganismos hayan pasado por un proceso de electrocución, por el que los microorganismos son electrocutados con una frecuencia de tiempo diferente y diferentes tensiones (por ejemplo, en un proceso único de electrocutación de una semana, se haría con una tensión de 0, 1 a 0,5 voltios en los días 1 y 2, aumentando hasta llegar a 1 ,0 y 1 ,5 en el día 7). Con este proceso, sólo los microorganismos más resistentes y conductores se mantendrán y se reproducirán, generando mejores resultados.
A continuación se añade agua a una planta (no representada) que se ha plantado en una tierra dispuesta sobre la estructura de rejilla 6, 7, 8, de manera que las sustancias orgánicas producidas por las raíces en el proceso de la fotosíntesis son arrastradas, arrastrándose también otros líquidos orgánicos de la tierra.
Cuando el agua cae y llena toda la cámara 5, las sustancias de la segunda porción 2 o sustrato biodegradable y de la planta se mezclan. Los microorganismos de la primera porción 1 de materia orgánica se activan con la adición de esta agua y comienzan a extenderse. De esta manera, se crea un sistema binario con un sólido y una capa de líquido, siendo ambos responsables de las distintas tareas químicas y biológicas en el procedimiento.
Esos microorganismos que son capaces de nutrirse a partir de moléculas orgánicas más grandes se desplazarán a las partes más bajas y sólidas del dispositivo, mientras que el resto se quedará en las zonas líquidas superiores. Esos microorganismos (geobacterias) en las partes líquidas tienden a ser los más conductores, con mayor resistencia a campos eléctricos.
Cuando estos microorganismos descomponen las moléculas orgánicas, se liberan
electrones. Para redirigir una corriente constante sin permitir que los electrones se reconduzcan a cualquier otra molécula, las moléculas rotas se conducen al cátodo 3 atrayéndose mediante las moléculas de oxígeno en la cavidad aeróbica 9, para que los electrones se conserven en el interior del dispositivo mediante atracciones químicas simples. El propio dispositivo genera moléculas de hidróxido, agua y oxígeno.
Después de establecer la corriente eléctrica, las geobacterias, que preferentemente han pasado por la etapa de electrocución crean cepas nanométricas, uniéndose en la cámara 5, desplazándose desde el cátodo 3 al ánodo 4.
Estas cepas atraen los electrones en el líquido, creando un flujo lineal que permite una corriente más fiable y constante. Al mismo tiempo, la pérdida de electrones en las partes más bajas del dispositivo se redirigen al ánodo 4.
El uso de este sistema binario (líquido-sólido) permite que las moléculas más resistentes y más grandes se asienten en la parte sólida y las más ligeras en la cámara del líquido. El sistema optimiza la eficiencia mediante el aprovechamiento de todos los tipos de microorganismos y moléculas.
En las figuras 3 y 4 se representa una segunda realización del dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención. Por motivos de simplicidad, en esta realización se utilizan las mismas referencias numéricas que en la realización anterior para indicar los mismos elementos.
La principal diferencia de esta segunda realización es la disposición del ánodo 4 y del cátodo 3, que este caso están dispuestos inclinados entre sí definiendo una forma troncocónica, tal como se puede apreciar en la figura 3, y estando definida la cavidad aeróbica 9 en la parte central del dispositivo.
Además, el dispositivo comprende una caja de conexión 17 eléctrica, que está conectada a un conector externo 18, por ejemplo de tipo USB, para poder conectar aparatos alimentados eléctricamente.
En las figuras 5 y 6 se han representado una tercera y cuarta realizaciones del dispositivo de generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención, que están especialmente diseñados para su montaje modular, de manera que una pluralidad de dispositivos se pueden unir entre sí, formando un módulo. Como anteriormente, también en este caso se han utilizado las mismas referencias numéricas para identificar los mismos elementos, por motivos de simplicidad.
Una de las diferencias respecto a las realizaciones anteriores en que todos los cátodos 3 y ánodos 4 del módulo están conectados entre sí mediante cables. Además, los ánodos 4 y los cátodos 4 están unidos con una resistencia 16.
También debe indicarse que en la realización representada en la figura 5, la cavidad anaeróbica 9 está compartida entre varios dispositivos del módulo mediante tubos, permitiendo un flujo constante de oxígeno.
En las figuras 7 y 8 se ha representado una quinta realización del dispositivo de generación de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención. Como anteriormente, también en este caso se han utilizado las mismas referencias numéricas para identificar los mismos elementos, por motivos de simplicidad.
Como se puede apreciar en estas figuras, en esta realización, el ánodo 4 está dispuesto en dos lados del dispositivo, mientras que el cátodo 3 está dispuesto transversalmente entre el ánodo definiendo una pluralidad de alojamientos para la colocación de la materia orgánica, es decir, la primera porción 1 o biocatalizador y la segunda porción 2 o sustrato biodegradable.
Debe indicarse que en estas realizaciones adicionales, el procedimiento para la producción de energía eléctrica es el mismo que el descrito anteriormente.
A pesar de que se ha hecho referencia a una realización concreta de la invención, es evidente para un experto en la materia que el dispositivo y el procedimiento descritos son susceptibles de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser sustituidos por otros técnicamente
equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.
Claims
1. Dispositivo para la generación de energía eléctrica, que comprende:
- materia orgánica (1 , 2) rodeada por un ánodo (4) y un cátodo (3); y
- un canal de entrada (10) de oxígeno para proporcionar oxígeno al cátodo (3), caracterizado porque dicha materia orgánica (1 , 2) comprende una primera porción que forma un sustrato biodegradable (2) para estimular la generación de energía eléctrica y una segunda porción que forma un biocatalizador electrogénico (1) que oxida el sustrato biodegradable (2).
2. Dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo a la reivindicación 1 , en el que el sustrato biodegradable (2) es un fluido y/o un lodo, dispuesto en una cámara (5), estando la cámara (5) dispuesta en contacto con el ánodo (4).
3. Dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo a la reivindicación 1 , en el que la materia orgánica del sustrato biodegradable (2) son carbohidratos, ácidos orgánicos, lípidos, proteínas, efluentes municipales, agrícolas o industriales y/o polímeros naturales o sintéticos.
4. Dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo a la reivindicación 1 o 3, en el que la materia orgánica del sustrato biodegradable (2) es quitina, triptona y/o extracto de levadura.
5. Dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo a la reivindicación 1 , en el que la materia orgánica del biocatalizador (1) comprende al menos una bacteria electroseleccionada y/o electroestimulada, en forma de concentrado bacteriano o liofilizada.
6. Dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo a la reivindicación 1 o 5, en el que la materia orgánica del biocatalizador (1) comprende colectivos microbianos telúricos donde las bacterias son seleccionadas y pertenecen a las familias Aeromonadaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae, Comamonadaceae, Desulfuromonaceae, Enterobacteriaceae, Geobacteraceae, Pasturellaceae y Pseudomonadaceae.
7. Dispositivo para la generación de energía eléctrica de acuerdo a la reivindicación 1 , 5 o 6, en el que la materia orgánica del biocatalizador (1) comprende una comunidad microbiana biocatalizadora, tal como Geobacter y/o Shewanella.
8. Procedimiento para la generación de energía eléctrica mediante el dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- plantar una planta provista de raíces en una tierra colocada en un módulo separado sobre el dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores;
- regar dicha planta, arrastrando sustancias orgánicas de los exudados de las raíces de la planta y/u otras sustancias orgánicas de dicha tierra donde está plantada la planta;
- romper los enlaces moleculares de las sustancias orgánicas mediante microorganismos que se alimentan de estas sustancias, produciendo electrones libres;
- dirigir los electrones al ánodo (4); y
- crear una corriente de electrones entre el cátodo (4) y el ánodo (3).
9. Procedimiento para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el cátodo (3) se pone en contacto con oxígeno y genera agua a partir del traspaso de átomos de hidrógeno.
10. Procedimiento para la generación de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el sustrato biodegradable (2) se alimenta de forma continua o discontinua, mediante irrigación y/o adición directa a la cámara (5).
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