ELECTRODO BACTERIANO AEROBICO PARA ANODO DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE SIN MEDIADORES REDOX NI MEMBRANA INTERCAMBIADORA DE PROTONES.

Electrodo bacteriano aeróbico para ánodo de una pila de combustible sin mediadores redox ni membrana intercambiadora de protones.

La presente invención proporciona nuevos electrodos biológicos para pilas de combustible microbianas que no requieran membrana transportadora de protones para separar el cátodo del ánodo, ni el uso de mediadores redox en disolución para asegurar la comunicación electrónica eficaz entre células bacterianas y el ánodo. En la presente invención se describe por primera vez la adsorción de células bacterianas del género Acidiphilium spp. sobre un electrodo de un material conductor de electricidad. Las células adsorbidas son capaces de oxidar compuestos orgánicos cediendo directamente los electrones de la reacción al electrodo sin necesidad del uso de mediadores redox en disolución y no viéndose afectado el proceso por la presencia de oxígeno molecular en el medio

Electrodo bacteriano aeróbico para ánodo de una pila de combustible sin mediadores redox ni membrana intercambiadora de protones.

Campo técnico

La presente invención se relaciona con electrodos microbianos para pilas de combustible en las cuales el combustible es materia orgánica. Por tanto, se relaciona con la biotecnología y más concretamente con el uso de células bacterianas como biocatalizadores y más en particular como biocatalizadores redox y más en particular con la biotecnología de la producción directa de energía eléctrica a partir de biomasa.

Antecedentes de la invención

La actual situación energética hace necesaria una apuesta clara por la implantación de las Pilas de Combustible como uno de los medios más seguros, limpios y eficaces de convertir la energía contenida en diversos combustibles en electricidad (M.S. Dreseselhaus and I.L. Thomas, Alternative energy technologies. Nature, 414, 332- 337, 2001). En este contexto cabe resaltar el hecho de que en los últimos años se ha asistido a una intensa investigación en Biopilas de Combustible llamadas así porque en los electrodos de la pila interviene elementos biológicos, enzimas redox o células microbianas en ánodos y en cátodos (G. Tayhas, R. Palmore, and G.M. Whitesides, Microbial and Enzymatic Biofuel Cells in Enzymatic conversion of biomass for fuel production, M.E. Himmel, J.O. Baker and R.P. Overend, eds., American Chemical Society Symposium series, nº 566, ACS, Washington, DC., 271-290, 1994). La utilización de células microbianas como biocatalizadores permite utilizar como combustible de la pila materia orgánica (glucosa, lactato, etanol, sucrosa, celulosa, etc.), por tanto es posible obtener energía eléctrica a partir de biomasa procedente de aguas residuales, deshechos agrícolas o deshechos industriales. De este modo, la pila no solo serviría para generar energía eléctrica sino también para eliminación de residuos (F. Scholz and U. Schroder, Bacterial Batteries. Nat. Biotechnol., 21, 1151-1152, 2003; L. T. Angenent, K. Karim, M. H. Al-Dahhan, B. A. Wrenn and R. Domínguez-Espinosa, Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends Biotechnol., 22, 477-485, 2004). Generalmente, el uso de biocatalizadores microbianos en pilas de combustible requiere la presencia de mediadores redox en disolución para conseguir la comunicación electrónica entre el microorganismo y el electrodo (A. K. Shukla, P. Suresh, S. Berchmans and A. Rajendran, Biological fuel cells and their applications. Curr. Sci., 87, 455-468, 2004), pero en los últimos años se ha descubierto que algunas bacterias reductoras de metales son capaces de ceder electrones directamente al electrodo (H. J. Kim, H. S. Park, M. S. Jun, I. S. Chang, M. Kim, B. H. Kim, A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Enzyme Microbiol. Technol., 30, 145-152, 2002; D. R. Bond, D. R. Lovley, Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. Appl. Environ. Microbiol., 69, 1548-1555, 2003; S. Chaudhuri, D. R. Lovley, Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells. Nat. Biotechnol., 21, 1229-1232, 2003). En todos los casos descritos en la literatura estos microorganismos solo funcionan en condiciones estrictamente anaeróbicas, por lo tanto su utilización en ánodos de biopilas de combustible obliga a emplear una membrana intercambiadora de protones que separe ánodo y cátodo (Patentes WO0104061, WO2005001981, DE10315792, US2004241528 y JP10233226). Esto tiene el inconveniente de que estas membranas intercambiadoras de protones son caras y pueden limitar cinéticamente el funcionamiento de la pila de combustible (B. Min, S. Cheng, B. E. Logan, Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells, Water Res. 39, 1675-1686, 2005; J. L. Cohen, D. A. Westly, A. Pechenik, H. D. Abruña, Fabrication and preliminary testing of a planar membraneless microchannel fuel cell, J. Power Sources 139, 96-105, 2005). Muy recientemente, se ha publicado una patente de una pila de combustible microbiana sin mediadores redox y sin membrana intercambiadora de protones pero sigue requiriendo condiciones anaeróbicas para el funcionamiento de las bacterias que actúan como biocatalizadores, por lo cual las aguas residuales que proporcionan el combustible deben tratarse anaeróbicamente y el compartimiento catódico debe estar separado del compartimiento anódico por lana de vidrio y cuentas de vidrio para evitar la difusión de O₂ desde el compartimiento catódico (patente US2005208343).

Descripción de la invención

La presente invención proporciona nuevos electrodos biológicos para pilas de combustible microbianas que no requieran membrana transportadora de protones para separar el cátodo del ánodo, ni el uso de mediadores rédox en disolución para asegurar la comunicación electrónica eficaz entre células bacterianas y el ánodo. En la presente invención se describe por primera vez la adsorción de células bacterianas del género Acidiphilium spp. sobre un electrodo de un material conductor de electricidad. Las células adsorbidas son capaces de oxidar compuestos orgánicos cediendo directamente los electrones de la reacción al electrodo sin necesidad del uso de mediadores redox en disolución y no viéndose afectado el proceso por la presencia de oxígeno molecular en el medio.

Por lo tanto, un primer aspecto de la presente invención lo constituye un electrodo biológico, en adelante electrodo biológico de la presente invención, basado en la utilización de células del género bacteriano Acidiphilium spp. adsorbidas sobre un electrodo conductor para producción de electricidad a partir de materia orgánica de diferentes orígenes, al menos en condiciones aeróbicas, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homologa al polinucleótido que se muestra en la figura 8 (SEQ ID Nº 1), correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear, de al menos un 80% de identidad, preferentemente de al menos un 90% de identidad más preferentemente de al menos un 95% de identidad y, en una realización aún más preferente de la invención, de al menos un 99% de identidad con el polinucleótido mostrado en dicha figura (SEQ ID Nº 1)

La información que se proporciona en esta memoria, es suficiente para permitir a un taxónomo molecular identificar a otras cepas que estén dentro de este género.

El género Acidiphilium fue descrito por Harrison en 1981 (Harrison 1981, Int. J. Syst. Bacteriol., 1981, 31, 327-332.). empleando Acidiphilium cryptum Harrison 1981 como especie tipo. Posteriormente se han añadido otras especies al género, un total de 9.

Acidiphilium acidophilum (Harrison 1983) Hiraishi et al. 1998.

Acidiphilium aminilyticum corrig. Kishimoto et al. 1994, actualmente.

Acidocella aminolytica (Kishimoto et al. 1994) Kishimoto et al. 1996.

Acidiphilium angustum Wichlacz et al. 1986.

Acidiphilium facile corrig. Wichlacz et al. 1986.

Acidiphilium multivorum Wakao et al. 1995.

Acidiphilium organovorum Lobos et al. 1986.

Acidiphilium rubrum Wichlacz et al. 1986.

Acidiphilium symbioticum Battacharyya et al. 1991.

De estas 9 especies, una ha surgido como una nueva combinación de Thiobacillus acidophilus (ex Guay and Silver 1975) Harrison 1983, y dos de ella han sido transferidas posteriormente a un nuevo género, Acidocella, como Acidocella aminolytica (Kishimoto et al. 1994) Kishimoto et al. 1996 y Acidocella facilis (Wichlacz et al. 1986) Kishimoto et al. 1996.

Por las especiales características de estos organismos, que aún no se han estudiado en profundidad, y por las dificultades que supone su descripción, esta será más fácil y fiable si su delimitación taxonómica se basa en métodos de biología molecular (filogenia molecular).

Tanto Acidiphilium como Acidocella pertenecen al Phylum Proteobacteria, a la Clase Alphaproteobacterias del orden Rhodospirillales, de la Familia Acetobacteraceae....

1. Electrodo biológico caracterizado porque comprende células del género bacteriano Acidiphilium sp. adsorbidas sobre la superficie de un electrodo conductor en condiciones aeróbicas, donde dichas células se caracterizan porque presentan una región homologa de al menos un 80% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID Nº 1.

2. Electrodo biológico según la reivindicación 1, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homóloga, de al menos un 90% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID Nº 1, correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear.

3. Electrodo biológico según la reivindicación 1, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homóloga de al menos un 95% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID Nº 1, correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear.

4. Electrodo biológico según la reivindicación 1, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homologa de al menos un 99% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID Nº 1, correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear.

5. Electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque las células del género bacteriano Acidiphilium sp. se han modificado genéticamente para mejorar su adherencia a electrodos y conectividad eléctrica.

6. Electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-8 caracterizado porque el electrodo conductor utilizado es de material carbonáceo.

7. Electrodo biológico según la reivindicación anterior caracterizado porque el material carbonáceo es grafito, tela de carbono o hilo de carbono.

8. Electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque el material del electrodo conductor está modificado con iones metálicos o con grupos funcionales en su superficie.

9. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 que comprende el crecimiento de las células bacterianas del género Acidiphilium spp. en disolución aeróbica y a pH ácido, en presencia del electrodo conductor y de un nutriente.

10. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según la reivindicación anterior caracterizado porque la disolución aeróbica está entre pH 2,0 y pH 4,0.

11. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10 caracterizado porque el nutriente es glucosa.

12. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 9-11 caracterizado porque el material del electrodo conductor es carbonáceo.

13. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según la reivindicación 9 caracterizado porque la disolución aeróbica está a pH 2,5 y contiene 2 g/l de (NH₄)₂SO₄, 0,1 g/l de KCl, 0,25 g/l de K₂HPO₄, 0,25 g/l de MgSO₄•7H₂O, 0,01 g/l Ca(NO₃)₂, la temperatura es 30ºC y el material del electrodo conductor es tela de carbón.

14. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 9-13, caracterizado porque las células bacterianas adsorbidas sobre el electrodo se estabilizan por entrecruzamiento o encapsulación con polímeros funcionales.

15. Uso del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-8 como ánodo de una pila de combustible.

16. Pila de combustible caracterizada porque comprende un electrodo biológico según las reivindicaciones 1-8.