Dispositivo termoeléctrico microbiano y método asociado a dicho dispositivo.

Dispositivo termoeléctrico microbiano y método asociado a dicho dispositivo.

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.

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.

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 C/ostridium, 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.

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 metabólico; 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.

Asi pues, el objeto de la presente invención es la obtención de alternativas tecnológicas a las MFC's, basadas en el aprovechamiento del calor metabólico producido en reactores microbiológicos para la obtención de energia eléctrica. Físicamente, la transformación de energia 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 microbiológicos 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 amplia 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...

1. Dispositivo termoeléctrico microbiano para producir energía eléctrica que comprende:

-un reactor (1) configurado para alojar un cultivo microbiológico;

-un medio térmicamente aislante (2) dispuesto como recubrimiento del reactor (1) ;

-un medio de transferencia térmica (4) , configurado para transferir calor producido en el interior del reactor (1) al exterior del mismo;

caracterizado dicho dispositivo porque comprende un medio de conversión termoeléctrica (5) acoplado al 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 microbiológico es exotérmico.

7. Dispositivo según la reivindicación anterior, donde el cultivo microbiológico se selecciona entre un cultivo de levadura, un cultivo microbiológico de bacterias mesófilas, termófilas o un cultivo microbiológico de bacterias hipertermófilas.

8.. Dispositivo según la reivindicación anterior, donde el cultivo microbiológico 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. Método de producción de energía eléctrica a partir de energía térmica, que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10.

12. Método según la reivindicación anterior, 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 cultivo microbiológico.

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