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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6687227
(24)【登録日】2020年4月6日
(45)【発行日】2020年4月22日
(54)【発明の名称】生化学エネルギー変換セル
(51)【国際特許分類】
H01M 8/16 20060101AFI20200413BHJP
H01G 9/20 20060101ALI20200413BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20200413BHJP
H01M 8/22 20060101ALI20200413BHJP
【ＦＩ】
H01M8/16
H01G9/20 101
H01M8/02
H01M8/22
【請求項の数】23
【全頁数】57
(21)【出願番号】特願2018-43654(P2018-43654)
(22)【出願日】2018年3月9日
(62)【分割の表示】特願2015-563182(P2015-563182)の分割
【原出願日】2014年6月25日
(65)【公開番号】特開2018-152337(P2018-152337A)
(43)【公開日】2018年9月27日
【審査請求日】2018年4月4日
(31)【優先権主張番号】61/957,147
(32)【優先日】2013年6月25日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/879,612
(32)【優先日】2013年9月18日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】61/991,335
(32)【優先日】2014年5月9日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】515348448
【氏名又は名称】バグジー ソーラー エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】シュタイン、エミリー エー．
【審査官】
井原 純
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２０１０／０２２４２４６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１１／１１３１５４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１０−２１８６９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
辻村 清也，加納 健司，酵素バイオ電池の最近の展開，ＧＳ Ｙｕａｓａ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，２００８年１２月２５日，第５巻，第２号，第１−６頁
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ８／１６
Ｈ０１Ｇ ９／２０
Ｈ０１Ｍ ８／０２
Ｈ０１Ｍ ８／２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
（ａ）（ｉ）第１微生物種を有する電子供与体集団、及び、（ｉｉ）電子サイフォンの集団と共にイオン伝導性媒体を有する緩衝材であって、
各電子サイフォンは、（１）前記第１微生物種から電子を捉えるための電子受容コンポーネントと、（２）電子を伝導させるための電子伝導素子であって、動作中に電子受容コンポーネントからアノードへ電子を伝導するように構成される電子伝導素子とを含み、
前記電子サイフォンの集団の各電子サイフォンは、ナノ粒子、ナノパウダー、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノファイバ、量子ドット、デンドリマー、ナノクラスタ、ナノ結晶、及びナノコンポジットからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有する緩衝材と、
（ｂ）前記緩衝材の前記電子供与体集団、及び、前記電子サイフォンの集団を少なくとも部分的に有する容器と、
（ｃ）電子を外部回路または負荷に与えるように構成された前記アノードと、
（ｄ）カソードと、
を備えるボルタセル。
各電子サイフォンは、（１）前記第１微生物種から電子を捉えるための電子受容コンポーネントと、（２）電子を伝導させるための電子伝導素子であって、動作中に電子受容コンポーネントからアノードへ電子を伝導するように構成される電子伝導素子とを含み、
前記電子サイフォンの集団の各電子サイフォンは、ナノ粒子、ナノパウダー、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノファイバ、量子ドット、デンドリマー、ナノクラスタ、ナノ結晶、及びナノコンポジットからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有する緩衝材と、
（ｂ）前記緩衝材の前記電子供与体集団、及び、前記電子サイフォンの集団を少なくとも部分的に有する容器と、
（ｃ）電子を外部回路または負荷に与えるように構成された前記アノードと、
（ｄ）カソードと、
を備えるボルタセル。
【請求項2】
イオン透過性および電子供与体不浸透性の障壁であって、前記緩衝材をアノードコンパートメントおよびカソードコンパートメントへと分離し、これにより前記電子供与体集団が前記カソードに接触することを予防する、障壁をさらに備える、請求項１に記載のボルタセル。
【請求項3】
前記イオン透過性および電子供与体不浸透性の障壁は、電気的に伝導性である、請求項２に記載のボルタセル。
【請求項4】
前記イオン透過性および電子供与体不浸透性の障壁は前記アノードに接触する、請求項２に記載のボルタセル。
【請求項5】
前記第１微生物種は、集光アンテナを有する請求項１に記載のボルタセル。
【請求項6】
前記第１微生物種は、第１バンドにおいて電磁放射によって励起され、前記緩衝材の少なくとも１つの他の種の微生物は、第２バンドにおいて電磁放射によって励起され、前記第１バンドおよび前記第２バンドはオーバーラップしない、
請求項５に記載のボルタセル。
請求項５に記載のボルタセル。
【請求項7】
前記第１微生物種は、光栄養または化学栄養の微生物を有する、請求項１に記載のボルタセル。
【請求項8】
前記第１微生物種は、線毛、小線毛、鞭毛、および／またはフィラメント状の形状を有する、請求項１に記載のボルタセル。
【請求項9】
前記電子サイフォンの集団は、前記緩衝材内において集合体を形成し、前記集合体は、前記電子供与体集団から電子を前記アノードへ伝導させるように構成される、請求項１に記載のボルタセル。
【請求項10】
前記第１微生物種は、細胞呼吸に加わる第１主要代謝経路を有する、
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項11】
動作中、前記電子供与体集団によって生成される電子は、前記電子供与体集団から前記構造までの前記電子の移動イベントを通して、１又は複数の前記電子サイフォンによって吸い上げられる
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項12】
前記電子サイフォンの集団の少なくとも一部の電子サイフォンは、前記電子供与体から該ボルタセルの電流コレクタまでの電子伝導経路において、ノードまたは経路要素として機能するように構成される
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項13】
前記電子サイフォンの集団の１又は複数の電子サイフォンにおける前記電子伝導素子は、炭素を含む、
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項14】
前記電子サイフォンの集団は、薄板、膜、メッシュ、プレート、ファイバ、チューブ、ワイヤ、ドット、又は、粒子として組織される、
請求項１３に記載のボルタセル。
請求項１３に記載のボルタセル。
【請求項15】
光透過に最適化されたガラストッププレートを有する光変換システムと、
前記ガラストッププレートの周りに漏れ防止密封材を生成する１又は複数の耐紫外線（ＵＶ）ガスケットと、
光吸収するように配置された集光アンテナコンポーネントの集団と、
を更に備え、
前記集光アンテナは、伝導性ナノ材料の層と並列される
請求項１に記載のボルタセル。
前記ガラストッププレートの周りに漏れ防止密封材を生成する１又は複数の耐紫外線（ＵＶ）ガスケットと、
光吸収するように配置された集光アンテナコンポーネントの集団と、
を更に備え、
前記集光アンテナは、伝導性ナノ材料の層と並列される
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項16】
前記電子伝導素子は、グラフェン、炭素、金属、半金属、複合物、又はコロイドからなる群から選択される材料を有する、
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項17】
各電子サイフォンは、前記第１微生物種とドッキングするが、当該微生物の細胞を溶解しないドッキング部分を有する、
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項18】
前記アノード及び前記カソードの少なくとも一方は金属を含む、
請求項１に記載のボルタセル。
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項19】
前記第１微生物種は第１主要代謝経路を有し、
前記電子供与体集団は、第２主要代謝経路を有する第２微生物種を更に有し、
前記第１主要代謝経路は、前記第２主要代謝経路の基質として機能する代謝廃棄物を生成し、いずれの主要代謝経路も主にグルコース発酵性でない、
請求項１に記載のボルタセル。
前記電子供与体集団は、第２主要代謝経路を有する第２微生物種を更に有し、
前記第１主要代謝経路は、前記第２主要代謝経路の基質として機能する代謝廃棄物を生成し、いずれの主要代謝経路も主にグルコース発酵性でない、
請求項１に記載のボルタセル。
【請求項20】
前記第１微生物種は化学栄養性であり、前記第２微生物種は光栄養性である、
請求項１９に記載のボルタセル。
請求項１９に記載のボルタセル。
【請求項21】
ボルタセルのための緩衝材であって、
電子供与体集団を含むイオン伝導性媒体と、
電子サイフォンの集団と、
を備え、
前記電子供与体集団は第１微生物種を有し、
各電子サイフォンは、
（１）前記第１微生物種から電子を捉えるための電子受容コンポーネントと、
（２）電子を伝導させるための電子伝導素子であって、動作中に電子受容コンポーネントからアノードへ電子を伝導するように構成される電子伝導素子と、を含み、
前記電子サイフォンの集団の各電子サイフォンは、ナノ粒子、ナノパウダー、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノファイバ、量子ドット、デンドリマー、ナノクラスタ、ナノ結晶、及びナノコンポジットからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有する、
緩衝材。
電子供与体集団を含むイオン伝導性媒体と、
電子サイフォンの集団と、
を備え、
前記電子供与体集団は第１微生物種を有し、
各電子サイフォンは、
（１）前記第１微生物種から電子を捉えるための電子受容コンポーネントと、
（２）電子を伝導させるための電子伝導素子であって、動作中に電子受容コンポーネントからアノードへ電子を伝導するように構成される電子伝導素子と、を含み、
前記電子サイフォンの集団の各電子サイフォンは、ナノ粒子、ナノパウダー、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノファイバ、量子ドット、デンドリマー、ナノクラスタ、ナノ結晶、及びナノコンポジットからなる群から選択される少なくとも１つの構造を有する、
緩衝材。
【請求項22】
（ａ）電子供与体集団が内部に与えられるイオン伝導性媒体を有する緩衝材であって、前記電子供与体集団は、第１主要代謝経路を有する第１微生物種及び第２主要代謝経路を有する第２微生物種を含み、前記第１主要代謝経路は前記第２主要代謝経路の基質として機能する代謝廃棄物を生成する緩衝材と、
（ｂ）前記緩衝材の前記電子供与体集団を少なくとも部分的に有する容器と、
（ｃ）前記電子供与体集団から電子を受け取り、電子を外部回路または負荷に与えるように構成されたアノードと、
（ｄ）カソードと、
を備え、
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つは金属を含む、
ボルタセル。
（ｂ）前記緩衝材の前記電子供与体集団を少なくとも部分的に有する容器と、
（ｃ）前記電子供与体集団から電子を受け取り、電子を外部回路または負荷に与えるように構成されたアノードと、
（ｄ）カソードと、
を備え、
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つは金属を含む、
ボルタセル。
【請求項23】
前記アノード及び前記カソードの少なくとも１つは銅を含む、
請求項２２に記載のボルタセル。
請求項２２に記載のボルタセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
複数の関連出願の相互参照 本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもとで、２０１３年６月２５日に出願された「ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ ＣＥＬＬＳ ＡＮＤ ＰＡＮＥＬＳ」という名称の米国特許仮出願第６１／９５７，１４７号、２０１３年９月１８日に出願された「生化学エネルギー変換セル」という名称の米国特許仮出願第６１／８７９，６１２号、および２０１４年５月９日に出願された「生化学的ボルタセル」という名称の米国特許仮出願第６１／９９１，３３５号の優先権の利益を主張する。それらの全体が、全目的のために本明細書に組み込まれている。
【背景技術】
【0002】
現在のボルタセルおよびソーラーパネルシステムは、限られた効率性を有し、複雑な物質を必要とし、結果としてかなりの関連コストを生じる。多くのソーラーパネルは、複数のウェハに基づくケイ素結晶セルまたはカドミウムもしくはケイ素に基づく複数の薄膜セルを使用する。これらのセルは脆弱であり、複数の保護層の追加を介して水分から保護されなければいけない。パネルは、増加する電圧のために直列でおよび／または増加する電流のために並列で配備される。パネルは、伝導性金属ワイヤを介して相互接続されている。一般的なシステムの固有の問題は、パネルの一部分が日陰になっており、そのパネルの別の部分が直接太陽光にさらされている場合に、逆方向の電流が流れることに起因する過熱に対するセルの感受性である。他の固有の問題は、ソーラーセルがより高い温度で効率がより低くなることであり、それは、電気への光変換の地理的有効性を限定する。配列されたレンズおよびミラー等の改善は、光のフォーカスを改善し効率を増加させるが、さらなる製造の複雑性およびより高い関連コストを有する。
【0003】
色素増感ソーラーセル（ＤＳＳＣ）は、感光性アノードと電解質との間に置かれた半導体物質に基づくソーラーセル技術である。ＤＳＳＣの製造は、コスト効率が良くなく、白金およびルテニウム等の高費用の物質を必要とする。さらに、液体電解質の気候関連の感度が存在することから、ＤＳＳＣの安定性が懸念の対象である。
【0004】
量子ドットソーラーセル（ＱＤＳＣ）技術は、色素増感ソーラーセルに基づくが、量子ドットとしてもまた知られる低バンドギャップ半導体ナノ粒子を利用し、それらは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｓｂ２Ｓ３、ＰｂＳおよび他の半金属塩類を光吸収体として含む。量子ドットの利点は、バンドギャップの優先傾向は粒子サイズに向けられ、それらが高い減衰係数を提供することである。ＱＤＳＣの効率は、依然として低く、５％より多くが液体接合およびソリッドステートセルのタイプの両方に対して実証され、製造コストは依然として法外に高い。
【0005】
ポリマ（およびコポリマ）ソーラーセルは、ポリフェニレンビニレンおよび銅フタロシアニン等の有機半導体ポリマの複数の薄膜から作成されている。これらのセルは、正孔から電子を分離するべく、内蔵のＰＮ接合の電界を必要としないことから、前述の無機ソーラーセルとは異なる。代わりに、有機セルは、電子供与体および電子受容体を含む。高分子ソーラーセルにおいて、電子供与体は、光子によって励起され、そのエネルギーは電子および正孔の対に変換される。その対は、供与体‐受容体接触面において拡散され、それによって電子および正孔は離され、電流が生成される。
【0006】
既存の光起電性パネルは、光の波長範囲から電気を生成するが、（これらの効率が３−４％と低くはあるが高分子およびコポリマの複数のソーラーパネルに関する最近の概念的調査を除いては）紫外線および赤外線の範囲の波長を利用することはできない。利用可能なパネルはまた、微光または散光からはほとんど電気を生成しない。設計的概念におけるさらなる努力は、複数の単色波長へと光を分割し、これらの波長に具体的に調整されており、効率を５０％まで増加させると予測されている異なるソーラーセルに、これらの波長を向けるが、かなりの技術的進化を必要とし、非常にコストが高い。
【0007】
ソーラーパネル技術を含む現場実験は、摂氏４２−４４度の閾値温度を超えるあらゆる摂氏の増加に対してピーク出力の１．１％の低下が生じることを露わにする。これは、高温で晴れ日にはパネル面の温度が摂氏９０度を超え、パネル内において局所的熱の蓄積をしばしば発生させ、現在の複数のソーラーパネルに必要とされる反射層の配置に起因し複数のスポットを摂氏８００度まで高くすることから、解決し難い。寒く晴れている環境は、現在のソーラーパネルの最大効率に対する最適な条件である。
【0008】
太陽光パネルは、太陽光の電気への変換のために１９５０年代から用いられており、何十年もの技術的進化は、ただ単に効率を１２−２８．８％増加させている。最近、かなりのナノテクノロジーの進化が成されており、効率を１０％からほぼ２９％まで増加させているが、設計的複雑性および製造コストは増加している。
【発明の概要】
【0009】
本開示の複数の特定の態様は、以下の特徴、（ａ）電子供与体集団が中に与えられているイオン伝導性媒体を含む緩衝材、（ｂ）電子供与体集団を含む緩衝材を少なくとも部分的に含んでいる容器、（ｃ）電子供与体集団から電子を受け取り、電子を外部回路または負荷に与えるためのアノード、および（ｄ）電子を例えば緩衝材においてある種に供与するためのカソード、によって特徴付けられるボルタセルに関連する。特定の実施形態において、電子供与体集団は、第１主要代謝経路を有する第１微生物種および第１主要代謝経路に相補的である第２主要代謝経路を有する第２微生物種によってさらに特徴付けられる。いくつかの実装において、主要代謝経路はどれも主にグルコース発酵性でない。
【0010】
特定の実施形態において、ボルタセルは、さらに、緩衝材をアノードコンパートメントおよびカソードコンパートメントへと分離するイオン透過性であり電子供与体不浸透性の障壁を含み、これにより電子供与体集団がカソードに接触することを予防する。いくつかの実装において、障壁は、電子的に伝導性である。いくつかの実装において、障壁はアノードに接触する。いくつかのボルタセルは、アノードと電気的通信にある電流コレクタを含む。
【0011】
いくつかの実装において、第１微生物種および／または第２微生物種は、集光アンテナを含む。例として、第１微生物種は、電磁放射によって第１バンドにおいて励起され、緩衝材における少なくとも１つの他の種の微生物は、第２バンドにおいて電磁放射によって励起される。第１バンドおよび第２バンドは、実質的には重複しない。
【0012】
特定の実施形態において、第１微生物種は、光栄養または化学栄養の微生物である。特定の実施形態において、第１微生物種は化学合成生物であり、第２微生物種は光栄養生物である。特定の実施形態において、第１微生物種は、複数の線毛、小線毛、小線維、鞭毛、および／またはフィラメント形状を有する。
【0013】
いくつかの実装において、第１主要代謝経路は、炭素、窒素、リン、または硫黄を含む化合物を酸化し、第２主要代謝経路は、第１主要代謝経路によって生成された酸化化合物を還元する。いくつかの実装において、第１微生物種は、複数の代謝経路を有する。いくつかの実施形態において、第１主要代謝経路および第２主要代謝経路は、それぞれ、細胞呼吸に加わる。いくつかの実装において、第１微生物種は、自然に発生する微生物種である。
【0014】
特定の実施形態において、ボルタセルは、電子サイフォンの集団をさらに含み、それぞれの電子サイフォンは、電子供与体集団から電子を受け取るための電子受容コンポーネントを含み、電子受容コンポーネントから電子をアノードに直接または間接的に伝導させるための電子伝導素子を含む。場合によっては、複数の電子サイフォンは、最大およそ５００マイクロメートルの中央値の主要寸法を有する。特定の実施形態において、電子サイフォンは、緩衝材内で集合体を共に形成し、その集合体は、電子供与体集団から電子をアノードに伝導させるように構成されている。
【0015】
本開示の別の態様は、本セクションの上部に示される特性の任意の組み合わせを有するボルタセルを動作させることによって化学的および／または光エネルギーを電気的エネルギーに変換する方法に関する。
【0016】
本開示の別の態様は、ボルタセルのための緩衝材に関連する。そのような緩衝材は以下のコンポーネント、（ａ）イオン伝導性培地、および（ｂ）イオン伝導性培地に与えられた電子供与体集団、によって特徴付けられる。特定の実施形態において、電子供与体集団は、（ｉ）第１主要代謝経路を有する第１微生物種、（ｉｉ）第１主要代謝経路に相補的な第２主要代謝経路を有する第２微生物種を含み、いずれの主要代謝経路も主にグルコース発酵性でない。
【0017】
特定の実施形態において、第１微生物種および／または第２微生物種は、集光アンテナである。例として、第１種の微生物は、第１バンドにおいて電磁放射によって励起され、緩衝材において少なくとも１つの他の種の微生物は、第２バンドにおいて電磁放射によって励起される。この例において、第１バンドおよび第２バンドは、実質的に重複しない。
【0018】
特定の実施形態において、緩衝材において第１微生物種は、光栄養または化学栄養の微生物である。例において、第１微生物種は化学合成生物であり、第２微生物種は、光栄養生物である。
【0019】
緩衝材の特定の実施形態において、第１主要代謝経路は、炭素、窒素、リン、または硫黄を含む化合物を酸化し、第２主要代謝経路は、第１主要代謝経路によって生成された酸化化合物を還元する。緩衝材のいくつかの例において、第１主要代謝経路および第２主要代謝経路は、それぞれ、細胞呼吸に加わる。いくつかの緩衝材において、第１または第２微生物種は、複数の代謝経路を有する。いくつかの緩衝材の例において、第１主要代謝経路および第２主要代謝経路は、それぞれ、細胞呼吸に加わる。
【0020】
いくつかの緩衝材において、第１微生物種は、線毛、小線毛、鞭毛、および／またはフィラメント状の形状を有する。いくつかの緩衝材において、第１微生物種は、自然に発生する微生物種である。
【0021】
特定の実施形態において、緩衝材はさらに、電子サイフォンの集団を含み、各電子サイフォンは、電子供与体集団から電子を受け取るための電子受容コンポーネント、および電子受容コンポーネントから電子を直接または間接的にアノードへ伝導させるための電子伝導素子を含む。場合によっては、複数の電子サイフォンは、最大およそ５００マイクロメートルの中央値の主要寸法を有する。いくつかの例において、サイフォンは、緩衝材内において集合体を集合的に形成し、集合体は、電子供与体集団から電子をアノードに伝導させるように構成されている。
【0022】
本開示の別の態様は、以下の特徴、（ａ）（ｉ）中に与えられている電子供与体集団、および（ｉｉ）中に与えられている電子サイフォン集団を持つイオン伝導性媒体を含む緩衝材、（ｂ）電子供与体集団の緩衝材を少なくとも部分的に含む容器、（ｃ）電子供与体集団から電子を受け取り、外部回路または負荷に電子を提供するためのアノード、および（ｄ）電子を、例えば緩衝材においてある種へ供与するためのカソードによって特徴付けられる複数のボルタセルに関連する。特定の実施形態において、各電子サイフォンは、電子供与体集団から電子を受け取るための電子受容コンポーネント、および電子受容コンポーネントから電子を直接または間接的にアノードへ伝導させるための電子伝導素子を含む。
【0023】
いくつかの実装において、電子サイフォンは、中央値が最大でおよそ５００マイクロメートルとなる主要寸法を有する。いくつかの実装において、電子サイフォンは、緩衝材内において集合体を共に形成し、集合体は、電子供与体集団から電子をアノードに伝導させるように構成されている。いくつかの実装において、電子サイフォンは、電子供与体集団とドッキングするが、電子供与体集団を含む複数の細胞は溶解しないドッキング部分を含む。
【0024】
特定の実施形態において、ボルタセルはさらに、緩衝材をアノードコンパートメントおよびカソードコンパートメントへと分離するイオン透過性であり電子供与体不浸透性の障壁を含み、これにより、電子供与体集団がカソードに接触することを予防する。特定の実施形態において、ボルタセルは、アノードと電気的通信にある電流コレクタをさらに含む。
【0025】
本開示の別の態様は、ボルタセルのための緩衝材に関連し、緩衝材は、（ｉ）電子供与体集団、および（ｉｉ）電子サイフォン集団を含むイオン伝導性培地によって特徴付けられ得る。特定の実施形態において、各電子サイフォンは、電子供与体集団から電子を受け取るための電子受容コンポーネント、および電子受容コンポーネントから電子を直接または間接的にアノードへと伝導させるための電子伝導素子を含む。特定の実施形態において、電子サイフォンは、最大およそ５００マイクロメートルの平均主要寸法を有する。特定の実施形態において、電子サイフォンは、緩衝材内で集合体を集合的に形成し、集合体は、電子供与体集団から電子をアノードへ伝導させるように構成されている。特定の実施形態において、電子サイフォンは、電子供与体集団をドッキングするためであるが、電子供与体集団を含む細胞を溶解しないためのドッキング部分を含む。開示される実施形態のこれらおよび他の特徴は、関連する複数の図面に関して以下に説明されるであろう。
【0026】
本開示のこれらおよび他の特徴は、複数の図面を参照して以下にさらに説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1A】エネルギー変換セルを概略的に表現する。
【0028】
【0029】
【図2】浸水可能な開放システムボルタセルの例を提示する。
【0030】
【図3】電子サイフォンを用いる光変換システムを表現する。
【図4】複数の電子サイフォンを用いる光変換システムを表現する。
【0031】
【図5】電子サイフォンに結合された光化学系を表現する。
【0032】
【図6】複数の電子サイフォンおよび電子供与体集団配置の概略図を提示する。
【0033】
【図7】複数の電子サイフォンおよび微生物細胞集団の第２配置の概略図を提示する。
【0034】
【図8】は、いくつかの電子サイフォンの例を提示する。
【0035】
【図9】電子サイフォンの変更されたアレイの概略図を提示する。
【0036】
【図10】代謝プロセスで生成される電子を捉えるための電子サイフォンの使用を示す。
【0037】
【図11】リポソームから生成された電子を捉えるための電子サイフォンの使用を示す。
【0038】
【図12】ボルタセルの側面図を提示する。
【0039】
【図13】ボルタチューブの概略図を提示する。
【0040】
【図14】複数のボルタセルピラーの概略図を提示する。
【0041】
【図15】ボルタセルにおいての回路接続の配置を提示する。
【0042】
【図16】電子サイフォン上の電子供与体の並列様式の配置を提示する。
【0043】
【図17】複数のボルタセルの直列の配置の概略図を提示する。
【0044】
【図18】ボルタパネルおよびバッテリーの概略図を提示する。
【0045】
【図19】特定の実施形態に従って構築されたボルタセルに対する継時的な出力のプロットである。
【図20】特定の実施形態に従って構築されたボルタセルに対する継時的な出力のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【0046】
［定義］他に定義されていない限り、本明細書で用いられる全ての技術的および科学的な用語は、当業者によって共通して理解されるものと同じ意味を有している。本明細書に含まれる複数の用語を含む様々な科学的辞書が、当業者には周知であり、利用可能である。説明される含有量と同様または同等の任意の方法および物質は、開示される実施形態の実施に役立つ。
【0047】
直ぐ下に定義される複数の用語は、本明細書を参照することによってより十分に理解される。定義は、特定の実施形態のみを説明し、本明細書において説明される複雑な概念を理解することにおいての援助をするべく与えられる。それらは、本開示の全範囲を限定するように意図されていない。具体的に、特定の組成、システム、設計、手法、プロトコル、および／または説明される試薬は、これらが当業者によって用いられる条件に依存して変動し得ることから、本開示は、それらに限定されないことは理解されるべきである。
【0048】
本明細書および添付の複数の請求項において用いられるように、「１つの」および「当該」等の単数形態は、内容および文脈が他に指図しない限り、複数の指示対象を含む。例えば、「１つのセル」と呼ぶことは、２または３以上のようなセルの組み合わせを含む。他に示されない限り、「または」という接続詞は、ブール論理演算子としてそれの正しい意味で用いられ、代替においての複数の特性の選択（ＡまたはＢであって、Ａの選択はＢとは相互排他的である）および接続詞においての複数の特性の選択（ＡまたはＢであって、ＡおよびＢの両方が選択される）の両方を同時に包含する。
【0049】
「集光アンテナ」は、光エネルギーによって励起されることが可能である生化学的または化学的構造である。対象となる、光はアンテナを、これらが電気または電気化学的エネルギーを生成することを可能にする状態に励起し得る。場合により、光合成微生物は集光アンテナを含む。
【0050】
「電子供与体」は、放射線（例えば、光）からのエネルギーの変換を含むプロセス、化学コンポーネント、機械的操作、または他のプロセスの一部として電子を供与するコンポーネントである。本開示において、電子供与体の例は、光合成および非光合成微生物、集光アンテナ、および色素を含む。
【0051】
「光合成微生物」は、増殖および代謝プロセスのために光エネルギーを使用する微生物細胞である。そのような微生物は、通常、光エネルギーおよび電子伝達コンポーネントを利用することが可能な複数の集光アンテナを含み、それらは細胞膜および／または膜陥入および／または膜小胞および／または細胞器官に埋め込まれてよい。
【0052】
「色素」は、通常波長選択的吸収を介して光エネルギーによって励起されることが可能である任意の組成である。色素は、１つの集光アンテナまたはそのコンポーネントである。色素は、合成的または生物学的に生成され得る。
【0053】
「非光合成微生物」は、光エネルギーを増殖および代謝プロセスのために必要としない微生物細胞である。そのような微生物は、電子伝達コンポーネントを含んでよく、これらは、細胞膜および／または膜陥入および／または膜小胞および／または細胞器官において埋め込まれてよい。
【0054】
「電子サイフォン」は、集光アンテナから電子を取り除き、電子をボルタセルの電流コレクタ（場合により電極としての役割を果たす）へ直接または間接的に伝達するように構成された小構造である。特定の実施形態において、サイフォンは、電子伝達構造（例えば、その面）に取り付けられた１または複数の電子受容素子（例えば、電子配位部分）を含む。電子伝達構造は、単一の原子の厚さ（例えば、グラフェン基質）であってよく、または複数の原子の厚さであってよい。
【0055】
「電子サイフォン基質」は、互いにかなり重複し得る複数の電子サイフォンの集積物である。いくつかの実施形態において、電子サイフォン基質は、複数の個々の電子サイフォンに及ぶ伝導性経路を提供する。いくつかの実施形態において、基質は、ボルタセルの電流コレクタから基質が複数の生物学的ベースの電子生成構造に接触する緩衝材へとかなり延びる伝導性経路を提供する。いくつかの実装において、電子サイフォン基質は、電子サイフォンの配列構成である。
【0056】
「電子伝導性材料」は、電子伝導性材料の電子の１つの位置から他の位置への移動を可能にする材料である。電子伝導性材料は、電子的に伝導性または半導性であってよい。それは、正孔を伝導させ得る。いくつかの実施形態において、電子サイフォンの電子伝達構造は、電子伝導性材料を含む。
【0057】
前書きおよび背景 光合成微生物および植物は、およそ４０―８０％の光吸収で光エネルギーをエネルギーの他の利用可能な形態へと変換することにおいて依然として最も効率的である。光合成生物によるエネルギー受信の平均割合は、全体的に１３０テラワットであり、それは人類文明の現在の電力消費能力よりもおよそ６倍大きいと推定される（Ｎｅａｌｓｏｎ、１９９９；Ｗｈｉｔｍａｒｓｈ １９９９、Ｓｔｅｇｅｒ ２００５、エネルギー情報局、２００６）。光合成微生物は、集光性色素およびアンテナシステムまたは反応中心をそれらの膜に含み、光子によって供給されるエネルギーを利用する。電子キャリアは、電子伝達鎖を介して励起電子を連続的に渡し、同時に、膜の全域のプロトン分離の組織的な取り組みを促し、電位エネルギーを生成する。
【0058】
非酸素型および酸素型の２種類の光合成がある。非酸素発生型光合成は、歴史的に酸素発生型光合成に先立ち、酸素を生成しないと考えられている。酸素発生型光合成は、植物およびシアノバクテリアに生じ、Ｈ２Ｏを光合成栄養のために電子供与体として使用する。非酸素発生型光合成は、水素、硫黄および複数の特定の化合物を光合成栄養のための電子供与体として利用し得る。
【0059】
最大の光利用の実証された能力は、海面の下ほぼ１マイルで、これらの微生物に最小限の光が到達する複数の深海熱通気孔に存在する緑色硫黄細菌において特定されている。これらの微生物は、非酸素発生型光合成において残留光のほぼ１００％を利用できる。
【0060】
利用可能なエネルギーを生成するための光合成微生物の使用は、主に、バイオ燃料生成に焦点を合わせてきている。
【0061】
本明細書で開示されているのは、微生物に基づく電気を生成する、より低いエネルギー製造プロセスを有するセルであって、光から電気への高い変換レートを生成し、レギュレータを有し、現在の太陽セル技術に比べてより少ない地理的制限を有する。セルは、地形、気候、季節、構造的な必要性等の条件に対応するようにカスタマイズ可能であってよい。特定の実施形態において、セルは、１または複数の集光アンテナ集団を有し、以下の特徴、すなわち電子伝導特性を有する電子サイフォン、光結合システム、および感知および調節フィードバック特性を有するレギュレータのうち１または複数をオプションで含む。いくつかの設計において、セルは、光の存在なしでの電気生成能力を有する。いくつかの実装において、セルは、ソーラーパネルに配備される。
【0062】
１つの形態において、ボルタセルは、緩衝系、微生物細胞集団、伝導性電子サイフォン集団および電流コレクタ（例えば、ワイヤ）を含む容器を含む。
【0063】
特定の実施形態において、ボルタセルは、緩衝系、微生物細胞集団、電子サイフォン集団および電流コレクタを含む容器を含有する。他の実施形態において、ボルタセルは、緩衝系、微生物細胞集団、伝導性電子サイフォン基質、およびワイヤ（電流コレクタの例）を含む容器を含有する。他の実施形態において、ボルタセルは、緩衝系、微生物細胞集団、伝導性電子サイフォン基質、および電流コレクタを含む容器を含有する。いくつかの態様において、ボルタセルは、集光アンテナ集団、緩衝系、電子サイフォン集団、伝導性電子サイフォン基質、ミラーシステムおよびレギュレータシステムを含む容器を含有する。電子サイフォン集団および電子サイフォン基質は、物理的に異なる構造であってよく、その集団は、電子供与体とのドッキングを容易にする機能グループおよびその集団から電子を電極まで伝達するように設計された基質を含んでいる。集団のサイフォンは、微生物と共に動き回ってよい一方で、母材のサイフォンが固定された位置を有してよい。いくつかの態様において、ボルタセルは、集光アンテナ集団、緩衝系、配列された電子サイフォン集団、電子伝導性材料、ミラーシステムおよびレギュレータシステムを含む容器を含有してよい。さらなる他の態様において、ボルタセルは、微生物集団、緩衝系、電子サイフォン集団、レギュレータシステムおよび電荷貯蔵デバイスを含む容器を含有してよい。
【0064】
図１Ａは、１または複数の微生物集団が存在する流体をそれの内部１０９に維持する格納容器１０７を有するエネルギー変換セル１０５を概略的に表現する。セル１０５は、また、容器１０７の上部に嵌め合わせられた覆う要素１３１を含む。要素１３１は、微生物集団が応答する波長範囲においての放射に透明である。オプションで、セル１０５は、領域１０９の微生物および／または他の電子供与体が透水性障壁１１１の反対側のコンパートメント１１３へと通過することを防ぐべく、容器１０７内に配置されているイオン透水性障壁１１１を含む。透水性障壁１１１はオプションであって、場合により、単一の溶液だけが容器１０７内に与えられることは理解されるべきである。
【0065】
セル１０５は、コンパートメント１０９において、および存在する場合、オプションでコンパートメント１１３においてイオン伝導性の流体によって、電子的に互いに離されているアノード１１５およびカソード１１７を含む。動作の間、コンパートメント１０９において（複数の）微生物集団は、アノード１１５で収集される電子を生成する。これらの電子は、回路結合カソード１１７およびアノード１１５において負荷１１９を通って流れることによって機能する。コンパートメント１１３が用いられる場合、それは個別の微生物集団を含んでよい。いくつかの実装において、コンパートメント１１３の複数の微生物は、カソード１１７にプロトンまたは他の正荷電種を供与する。流体１０９および１１３の微生物は、異なるメカニズムによってエネルギーを変換する。様々な実施形態において、少なくともコンパートメント１０９内の微生物は、光栄養性である。
【0066】
特定の実施形態において、流体工学システム１２１は、容器１０７に結合されており、オプションでコンパートメント１０９および１１３のための複数の個別のポートを有する。流体工学システム１２１は、複数のコンパートメント１０９および／または１１３に対して補給用の流体を維持するための貯留層、１または複数のポンプ、１または複数の圧力ゲージ、複数の質量流量メーター、複数のバッフル、および同様のもの等、様々な要素を含んでよい。流体工学システム１２１は、新規の緩衝溶液および／または微生物をセル１０５に対して与えてよい。それは、また、様々な制御化学物質の１または複数をこれらの流体に供給してよい。そのような制御化学物質は、酸、塩基、塩類、栄養物、染料および同様のものを含んでよい。
【0067】
セル１０５は、また、流体システム１２１を制御するコントローラ１２５と連動してよい。コントローラ１２５は、１または複数の他の機能を有してよい。例えば、それは、回路結合アノード１１５、カソード１１７、流体工学システム１２１、および／またはコンパートメント１０９および１１３に夫々与えられているセンサ１２７および１２９等の様々なコンポーネントシステムからの入力を受信してよい。複数のセンサは、セル１０５のための関連する動作パラメータの１または複数のいずれを監視してもよい。そのような複数のパラメータの例は、温度、化学特性（例えば、コンポーネント濃度およびｐＨ）、光学特性（例えば、不透明性）、電気特性（例えば、イオン伝導性）、および同様のものを含む。
【0068】
図１Ｂは、セル１０５の変化形を表現する。具体的に、図は、アノードプレート１３７、カソードプレート１３９、およびプレート１３７とプレート１３９との間スペーサ１４３によって定義されているコンパートメント１４１を有する代替のセル１３５を描写する。コンパートメント１４１内にはイオン伝導性媒体がある。アノードプレート１３７は、プレートの２つの側の間でのイオン伝送を許容する半透性材を含むかまたはそれから形成されているが、微生物または微生物コンポーネントの通過は可能にしない。アノードプレート１３７の上部に与えられているのは、集光アンテナを含む光栄養微生物の集団１４５である。
【0069】
図１Ｃは、セル１０５の他の変化形を描写する。具体的に、図は、第３コンパートメント１５１によって第２のコンパートメント１４９に接続されている第１コンパートメント１４７を表現する。コンパートメント１４７内にあるのは、電子的伝導性であり、イオン伝導性であってよい第１電極１５３である。有機感光性電子発生器１４５の層は、電極１５３の上部に配置されている。電子発生器は、集光アンテナ、および、場合によっては電子サイフォンも同様に含んでよい。層１４５は、光栄養微生物の集団、微生物膜結合型の光化学系、光化学系を含んでいる小胞、および／または他の感光性有機電子発生器を含んでよい。コンパートメント１４９内にあるのは、電極１５３の逆極性を有し、電子的伝導性であってオプションでイオン伝導性である第２の電極１５５である。コンパートメント１５１は、コンパートメント１４７とコンパートメント１４９との間のイオン伝送を許容するが、層１４５に存在する光栄養微生物、微生物膜コンポーネント等がコンパートメント１４７からコンパートメント１４９へ拡散することを可能にしない半透性材を含んでよい。微生物集団１４５から採取された電子は、コンパートメント１４７の電極１５３に移動させられ、それは次に、接続された導電素子１５７（例えば、ワイヤ）を通過する。第２導電素子１５９は、電極１５５に接続される。
【0070】
図１Ｄは、セル１０５の変化形を表現する。具体的に、図は、光栄養微生物および／または集光アンテナを含んでいる微生物膜コンポーネント集団を含む層１４５と直接接触する図１Ｃの実施形態に関して説明された第１電極１５３を含む分けられたコンパートメント１６１を表現する。コンパートメント１６１は、また、図１Ｃの実施形態において説明されているように、そのセル全体にわたってイオン交換を可能にするが、集光アンテナ１４５が電極１５５を囲む空間へと拡散することを抑制する半透性障壁１６３によって隔てられている逆極性の第２の電極１５５を含む。電子は、第１電極１５３へ流れ、次に導電素子１５７を通って回路へと流れる。複ロトンまたは正孔等の正荷電種は、導電素子１５９によって第２の電極１５５の中を通って流れてよい。同じ効果を有するので、電子は、第１電極１５３に電気的に接続されている負荷から電極１５５へと流れてよい。
【0071】
光変換システムは、電子サイフォンに直接隣接して配置されているアノードを含み、サイフォンから電子を収集し、アノードおよびカソードを含む回路において電流を生成してよい。回路は、配電網または他のシステムのための変換モジュールに結合されてよい。
【0072】
１つの形態において、開示される微生物エネルギー変換セルは、緩衝系、集光アンテナ集団、および伝導性電子サイフォン集団を含有する容器を含む。現在の開示のいくつかの態様において、セルは、集光アンテナ集団、緩衝材、伝導性電子サイフォン集団、ミラーシステムおよびレギュレータシステムを含有する容器を含み得る。
【0073】
いくつかの実施形態において、光変換システムは、集光アンテナコンポーネント集団および抑制された複雑性とコストでの電気への光変換の効率改善のために、改良された伝導性電子サイフォンを有する。
【0074】
複数の特定の実施形態において、光変換システムは、微生物由来集光アンテナ集団を囲む緩衝電解質溶液を含み、集団は、複数の集光アンテナをコンポーネント毎に有し、コンポーネント集団は、紫外線および遠赤色光を含む幅広い波長範囲に及んで光を採取する能力を有し、散光を含み、複数の強度の範囲に及んで光を採取できる。集団は、光合成および非光合成微生物の混合物を含む１または複数の微生物種、微生物由来の膜コンポーネント、あるいは集光アンテナコンポーネントおよび電子キャリアコンポーネントを含有する小胞を含み得る。
【0075】
いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、集光性色素または電子キャリア分子および反応中心を含む光化学系を含有する。これらの要素は、以下、図５に関してさらに説明される。いくつかの実装において、集光アンテナ集団は、様々な異なる集光性色素および光化学系を含有し、同様の電子キャリア分子を有してよい。開示される実施形態の集光アンテナ集団の個別のコンポーネントの例は、表１および２に提示されている。
【0076】
光変換システムは、電子スカベンジ作用および伝導性および／または半導体の特性を幅広い温度範囲で有する複数の電子サイフォンを含んでよい。電子サイフォンは、伝導性および半導体に本質的に改良されてよく、電子伝導特性を維持する様式で改良される。以下においてより十分に説明されるように、電子サイフォンは、個別のまたは多重ナノロッド、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ粒子、ナノネットワーク、ナノファイバ、量子ドット、デンドリマー、ナノクラスタ、ナノ結晶、またはナノコンポジットであり得、炭素、ケイ素、金属、合金またはコロイドを含有し得る。さらに、開示される実施形態の個別の電子サイフォンは、１から９００ｎｍまでの長さに及び、マルチマーは、０．９から４μｍまでの長さに及ぶ。いくつかの実施形態において、微生物自体は、過剰電子を放出ための天然のメカニズムを与えるべく電子サイフォンを生成した。
【0077】
図５は、使用されている電子サイフォンの例を表現する。この例において、単一壁を持つカーボンナノチューブ５０５は、生物学的に対応する電子サイフォンを生成するべく、ＨＣｌによって活性化され、洗浄され化学的架橋によってエルアルギニンを用いて改良された。改良されたカーボンナノチューブ５０５は、集光性色素および電子キャリアコンポーネントをそれらの膜に含有する微生物集団と混合された。
【0078】
光化学系は、図５に示されるように動作してよい。いくつかの実施形態において、光化学系は、生体の細胞膜において存在する。いくつかの実施形態において、光化学系は、生体由来の膜において存在するが、もはやその生物の一部ではない。他の実施形態において、光化学系は、合成ミセル構造に組み込まれる。そのような複数の構造は、溶媒の油または脂質を界面活性剤とともに超音波分解する等、当該分野において周知の複数の技術によって作成され得る。結果として生じるミセル構造は、光化学系の要求されるコンポーネントでスパイクされ得る。そのようなコンポーネントは、通常、分子クロロフィルａ、集光性色素、及び電子間輸送分子等の反応中心を含む。特定の色素分子は、集光性色素および電子間輸送分子の両方として機能してよい。
【0079】
光が微生物膜において集光性色素に当たると、励起電子は、膜において電子キャリアコンポーネント（図５の複数のアンテナアクセサリ色素）電子をこの場合は改良されたカーボンナノチューブである端子電子受容体に渡す電子輸送コンポーネントの方向に渡される。結果として微生物膜から電子サイフォンへの電子流が生じる。電子流は、次に、微生物の集団からの電流の流れを最大化するべく金属プレートまたはワイヤ等の隣接するアノードによって利用され得る。（１つの電極で）セルの一部分の正味の電子は、セルの別の部分（異なる電極で）とは著しく異なる場合、電流が生成され得る。
【0080】
電子は、光化学系からアノードへ様々な手段によって流れてよい。場合により、微生物は、アノードに直接皮膜または他の付随的な構造として取り付けられる。そのようの場合において、光化学系によって生成される電子は、直接光化学系からアノードへ移動する。他の場合において、光化学系は、溶液中のおよび電子サイフォンからの電子流と結びついておらず、電子は、溶液の媒体物によって捕捉され輸送され得る。同様の実施形態において、電子は、伝導性ネットワークに供給され、アノードを微生物または溶液に複数の要素を含有する他の光化学系にリンクさせる。そのようなシステムは、例えば電子サイフォンからアノードまでのリンケージを維持するべく、ナノ構造ネットワーク経路または他の配置であってよい。特定の実施形態において、光化学系は、集光アンテナに相当する。
【0081】
光化学系は、開示される実施形態に関し電子の源として頻繁に説明される一方、電子を生成する非光合成型生化学的プロセスが、光化学系の代わりに、またはそれに加えて用いられてもよい。従って、適切な場合、光化学系および類似する用語の参照は、エネルギー変換セルにおいてアノードへの供与が可能な電子を生成する代謝および他の生化学的システムを含むと見なされてよい。
【0082】
ボルタセルのための容器および関連するハードウェア。それの基本的な実施形態において、ボルタセルの重要な機能は、光合成微生物および光合成微生物膜の集団を用いて電流を生成するべく、光子を採取し、セル内に含まれる励起電子を利用することである。セルは、微生物エネルギー変換セル培地および微生物集団のための漏れ防止容器またはハウジングを含んでよい。いくつかの実施形態において、微生物エネルギー変換セルは、さらに、電極、センサ、半透性障壁、イオン性伝導性材料、ワイヤおよび同様のものを含む。
【0083】
通常、セルは、外部の放射を受け入れ、その中のエネルギーを微生物膜の集光アンテナの励起電子に変換し、且つ微生物の各膜内の電子伝達鎖によって生成されて生じた高エネルギー電子の利用のための伝導性材料を与えるように設計されるべきである。
【0084】
開示される実施形態の微生物エネルギー変換セルは、環境に対して完全なアクセスを有し、摂氏−２０度から摂氏６５度までに及ぶ温度、および完全な晴れから、曇りまたは霧で覆われるに及ぶ天気においての光子変換を可能にする様式で構築され得る。開示される実施形態の微生物エネルギー変換セルは、また、ポータブルであり得、ユーザによって決定されるように、環境に対して変化し得るアクセスを有し得る。
【0085】
特定の実施形態において、容器は、高温（例えば、およそ５０Ｃまたはそれより高い）およびおよそ５０Ｐａからおよそ１０ｋＰａ、およそ５００Ｐａからおよそ３ｋＰａ、およそ８００Ｐａからおよそ１．５ｋＰａの内部圧力（大気圧を越える）に耐えることができる。いくつかの実施形態は、自然の生息環境が深海通気孔等の高圧環境である微生物を利用することに留意されたい。
【0086】
いくつかの実施形態において、セルは、未使用の緩衝材または他の溶液のシステムへの流れがなく、大気気体交換への露出がないクローズドシステムである。複数の他の実施形態において、それは、例えば、管類、複数のバルブおよび複数のポートのシステムを含有する半クローズドシステムであって、未使用の緩衝材、制御要素、新規の微生物アンテナ集団および／または大気気体をそのシステムの中へ許可する。ポートは、大気微生物汚染物質による上記システムの汚染を防ぐべく、０．２２ｕｍフィルタを含む。他の態様において、ポートは、より大きな大気微生物汚染物質による上記システムの汚染を防ぐべく、０．４５ｕｍフィルタを含む。
【0087】
さらに他の実施形態において、セルは、環境に対して完全なアクセスを持つオープンシステムである。場合によっては、オープンシステムは、池、湖、川、貯水池、ストリームまたは他の開水域等の水域である。オープンシステムは、また、管類、バルブおよびポートのシステムを含有し、内在する新規の微生物アンテナ集団の循環をオープンシステム微生物エネルギー変換セルの中へ許容する。
【0088】
図２は、浸水可能な開放システムの例を提示する。要素８０７および８１１は、アノードおよびカソードである。要素８１３はイオン性伝導を可能にするが、微生物の伝達をブロックする半透性障壁である。要素８１３は、抗菌性コーティング（例えば、銀）であり得る。８０５および８０９は、アノードおよびカソードからの伝導性の導線である。要素８０１は、回路の一部、機械的支持構造の一部、またはその両方である。
【0089】
ボルタセルと隣接する容器は、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリウレタン等のポリマ、ガラス、金属、またはそれらの組み合わせを例として含む多数の物質のいずれかで形成されてよい。様々な実施形態において、容器材料は、気体および液体不浸透性材料である。
【0090】
容器は、最も外側の層および１または複数の内側層を含有する多層ユニットを含んでよい。外側の層は、環境に対する保護を提供するべく、クリアなプラスチック、ガラス、金属または他の材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、容器は、電磁放射の様々なスペクトル波長の通路を可能にする最も外側の層を有する。いくつかの実施形態において、最も外側の層は、光エネルギーのほとんどのスペクトル波長に対して浸透可能であってよい。いくつかの実施形態において、容器の一部分は、光エネルギーのほとんどのスペクトル波長に不浸透性であってよい最も外側の層を含有し、容器の第２の部分は、光エネルギーのほとんどのスペクトル波長に対して浸透可能であってよい最も外側の層を含有する。
【0091】
いくつかの実施形態において、微生物エネルギー変換セルの外側境界を定義する容器は固い。固い筐体は、およそ１．３ＧＰａ超の剛性を持つガラスまたはポリマを含有し得、立方体、直方体、球体、柱体、円筒、円錐、錐台、ピラミッドまたはプリズムに似た形状を有する。筐体の壁の厚みは、およそ１ｍｍから２０ｃｍまでの範囲にわたり得る。壁の厚みがおよそ５ｍｍから２５ｍｍまでに及ぶ筐体が好ましい。
【0092】
容器体積、形状、および寸法は、容器が存在するエネルギー変換システムの全体構造を補完するべく選択されてよい。いくつかの実施形態において、容器体積は、およそ０．００００００１ｍ３からおよそ３ｍ３、およそ０．０００００１ｍ３からおよそ２ｍ３、およそ０．０００１ｍ３からおよそ１．５ｍ３、およそ０．０１ｍ３からおよそ１ｍ３、またはおよそ０．１ｍ３からおよそ０．５ｍ３までの範囲であってよい。
【0093】
容器は、部品成型、射出成型、押出、レーザエッチング、粘着、半田付け、コーキング、および他の適切な技術を含む標準方法で製造されてよい。
【0094】
いくつかの実施形態において、微生物エネルギー変換セルの外側境界を定義する容器は、電気的絶縁特性を有するフレームである。本開示のいくつかの態様において、フレームに入れられた筐体は、熱絶縁特性を有し、泡状物質で充填されている。開示される実施形態のフレームは、ファイバーガラス、アルミニウム、ステンレス鋼、グラファイト、ポリカーボネート、カーボンファイバ、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、メタアラミド重合体、またはコポリアミドを含む。
【0095】
他の実施形態において、微生物エネルギー変換セルの外側境界を定義する筐体は、フレキシブルである。フレキシブルな筐体の複数の例は、剛性がおよそ１．２ＧＰａ未満であって非結晶形状を有し、または立方体、直方体、球体、柱体、円筒、円錐、錐台、ピラミッドまたはプリズムに似た形状を有する１または複数のクリアなポリマを含む。適切なポリマの例は、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、メタアラミド重合体、またはコポリアミドを含む。筐体の壁の厚みは、例えば、およそ０．５ｍｍから２５ｍｍまでの範囲にわたり得る。いくつかの実施形態において、筐体は、およそ１ｍｍから１０ｍｍに及ぶ壁の厚みを有する。
【0096】
いくつかの実施形態において、ウィンドウは、エネルギー変換セルへの光子エネルギー浸透のための微生物エネルギー変換セルに含まれている。ウィンドウは、およそ１００ｎｍと１０６０ｎｍとの間における範囲の光に対して透過性であってよく、ガラス、結晶複合材料および、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリ（スチレンスルホン酸塩）、ポリ（４，４−ジオクチルシクロペンタジチオフェンまたは他の透明なポリマ等のポリマを含み得る。特定の実施形態において、ウィンドウは、およそ１ｍｍから３０ｃｍの厚さであり得る。場合によっては、ウィンドウは、およそ５ｍｍから２５ｍｍの厚さに及ぶ。
【0097】
いくつかの実施形態において、ガスケットまたは密封材は、微生物エネルギー変換セルに含まれ、セルのフレームとウィンドウとの間およびセルの筐体とポートまたは管類との間の漏れ防止密封を提供するように用いられ得る。適切なガスケットまたは密封は、耐ＵＶのシリコーン、キュア・イン・プレイス（cure in place）の樹脂、エチレン‐プロピレンジエン、閉じられたセルニトリル、または他の耐ＵＶガスケットもしくは密封材を含んでよい。
【0098】
一例において、含有チャンバは、近接する射出成形重合体の側壁およびバッキングユニットに嵌め合わせられている耐ＵＶガスケットに並列して置かれているガラスパネルを含む。近接する射出成形重合体の側壁およびバッキングユニットは、流体のための流入口および／または流出口および／または０．２２ｕｍフィルタ気体交換ポート、およびソーラーパネルの交流変換器への直流の集中的な流れのために電気配線に接続されている、嵌合された電子流導管プレートを有する。
【0099】
別の例において、容器形状は、中空ポリマチューブである。いくつかの実施形態において、容器は、円筒、長方形、正方系、球体、柱状物体、または面状物体として加工されている。いくつかの実施形態において、容器は、発酵槽、増殖チャンバまたは他のセル培養装置として設計されている。
【0100】
特定の実施形態において、セルシステムは、ハウジングフレーム、光変換システムアダプタ、ＡＣアダプタおよび電気コードを含む。いくつかの実施形態において、システムは、光変換システムのアレイを収容できる。他の実施形態において、ソーラーパネルは、ハウジングフレームが光変換システムの除去および置き換えを可能にすることができるような様式で製造され得る。本明細書で開示されるようなセルは、機能的役割を果たすことができ、専用の外部電気負荷（例えば、グリッド）へ電流を提供するべくソーラーパネルにおいて用いられ得る一方、本開示の複数の他の態様は、デバイスに電流を提供するべくポータブルな光セルを使用する。
【0101】
いくつかの実施形態において、セルハウジングは、固いシステムであって、放射エネルギー受け入れ役割に加えて構造的役割を提供する。
【0102】
特定の実施形態において、ボルタセルは、構造的および機能的役割において用いられ得、自動車および航空機において、フード、天盤、サンルーフ、ムーンルーフ、トランク、フレーム、ウィング、ウィンドウまたはその他として用いられ得る。さらに、セルは、建物において壁、壁カーテン、天盤、ウィンドウ、ドア、歩道、テラス、車路、デッキ、フェンスまたはその他として用いられ得る。
【0103】
他の実施形態において、セルハウジングは、エネルギー変換役割に加えて物理的役割を提供してよいフレキシブルなシステムである。フレキシブルな微生物エネルギー変換セルに対する使用の例は、オーニング、帆、カバー、タープ、クローク、ケープ等の格納式要素、およびブランケット、バイザー、傘、パラソル、ファンおよび衣類等の折畳み式要素である。
【0104】
半透性障壁本開示のいくつかの態様において、いくつかまたは全ての微生物細胞集団は、容器内の半透性障壁によって遮られる。いくつかの実施形態において、いくつかまたは全ての集光アンテナ集団は、半透性障壁によって少なくとも部分的に定義されるコンパートメントに含まれる。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団および別個の集光アンテナ集団の混合物が、半透性障壁によって定義されるコンパートメントに含まれてもよい。いくつかの実施形態において、電子サイフォン集団および微生物細胞集団の混合物が、半透性障壁によって定義されるコンパートメントに含まれてもよい。いくつかの実施形態において、電子サイフォン集団、微生物細胞集団および別個の集光アンテナ集団の混合物が、半透性障壁によって含まれている。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子的に伝導性である。いくつかの例において、半透性障壁は、半透性障壁に含まれる電子伝導性材料を含有する。いくつかの実施形態において、電子サイフォン集団、微生物細胞集団、および別個の集光アンテナ集団の混合物は、第１半透性障壁に含まれ、電子伝導性材料は、第２半透性障壁に含まれている。
【0105】
障壁が電子的に伝導性である特定の実施形態において、それは、ボルタセルの電極（アノードまたはカソード）に電気接触する。いくつかの実装において、接触は、複数の電子サイフォンのネットワークを介して成される。
【0106】
いくつかの実施形態において、半透性障壁は、容器の一部分にあってよい。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、容器の複数の部分において存在してよい。半透性障壁は、ボルタセルコンポーネントの含有、分離（例えば、ボルタセルのアノードおよびカソードコンパートメント）、容器内の極性等を与えてよい。
【0107】
容器内の含有は、ボルタセルのコンポーネントと境界を取ることによって達成され得る。いくつかの実施形態において、容器内の含有は、また、ボルタセルのコンポーネントの混合物と境界を取ることによって達成され得る。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子採取集団、ボルタセルの複数の電子供与体等を含有してよい。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、１または複数の電子受容体、電子伝導性材料、またはボルタセルの他のコンポーネントを含有してよい。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子採取集団および電子サイフォン集団を含有するように用いられる。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子供与体集団を含有するように用いられる。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子供与体集団および電子サイフォン集団を含有するように用いられる。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子受容体集団を含有するように用いられる。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、電子供与体集団を含有するように用いられ、第２半透性障壁は、電子受容体集団を含有するように用いられる。
【0108】
ボルタセル内の複数のコンポーネントの分離は、専門の機能の複数のサブコンパートメントを生成するべく１または２以上の半透性障壁を用いることによって達成され得る。１つのコンパートメント‐電子供与体コンパートメント‐において、ボルタセルの離されたコンポーネントは、光エネルギーまたは化学エネルギーを自由電子へと変換してよい。他のコンパートメントにおいて、ボルタセルの離されたコンポーネントは、電子供与体コンパートメントからの電流の電子をボルタセルのための電流コレクタへ伝導させてよい。
【0109】
容器内の分離は、電気的、化学的、浸透性、化学浸透性、化学電気的、または他のメカニズムによってなされてよい。２以上の半透性障壁は、強められた極性を持つ容器を生成するべく各容器において用いられてよい。容器内の２以上の半透性障壁の配置は、並列または直列にあってよく、その分離は、容器の一部分において、あるいは容器の一面においてセットアップされてよい。いくつかの実施形態において、電子生成集団を含有する複数の半透性障壁の並列配置が生成されてよい。いくつかの実施形態において、電子受取体集団を含有する複数の半透性障壁の並列配置が生成されてよい。いくつかの実施形態において、電子供与体集団を含有する半透性障壁の配置は、電子受取体集団を含有する半透性障壁と直列に接続されてよい。いくつかの設計において、単極または双極構成の複数のマルチ電極型ボルタセルが用いられてよい。バイポーラ型ボルタセルにおいて、セルは、サンドイッチ構造において積み重ねられていることから、１つのセルの負のプレートは次のセルの正のプレートになる。電極は、２つの直列結合された電気化学的セルによって、電極の一方側が１つのセルのアノードとして動作し、他の側が次のセルのカソードとして動作するような方法で共有されている。共通電極のアノードおよびカソード部分は、セル間のイオンの流れを許可せず、区画および直列接続の両方として機能する電子伝導プレートまたは膜によって離される。
【0110】
電子受取体微生物の複数の例は、ロドソイドモナス属、ジオバクター属、アシディチオバチルス属、シュワネラ属、およびタイプＩＶの複数の線毛を持つ他の複数の微生物または複数の電子受容外膜コンポーネントを含み（Ｒｅｇｕｅｒａ他（２００６年）、Ｌｅａｎｇ他（２０１０年）、Ｒｉｃｈｔｅｒ他（２０１２年））、それの全体が本明細書に参照として組み込まれている。複数の電子供与微生物の複数の例は、デスルフォバクター属、デスルフォビブリオ属、シントロフォバクター属、デスルフォトマクルム属、デスルフォスポロミュサ属、デスルフォスポロシヌス属、サーモデスルホビブリオ属、サーモデスルフォバクテリア門、サーモデスルフォビウム属、カルディヴィルガ属、プロテウス属、シュードモナス属、サルモネラ属、スルフロスピリラム種、バチルス属、デスルフォミクロビウム属、パイロバキュラム属、クリシオゲネス門等を含む。
【0111】
複数の半透性障壁は、単一層を有してよい材料を含有してよく、または積層板等の２以上の層を有してよい。いくつかの実施形態において、半透性障壁は、微細孔を含む。一定の実装において、半透性障壁の微細孔は、およそ０．４５ｕｍ未満、およそ０．２２ｕｍ未満、およそ０．１ｕｍ未満、またはおよそ０．５ｎｍ未満の細孔径サイズを有してよい。半透性障壁は、膜、フィルタ、フィルム、こし器、サイズ排除基質、またはそのようなものを含有してよい。半透性障壁は、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ニトロセルロース、ナイロンまたは他等だがそれらに限定されない合成ポリマや、リグニン、ボール紙、紙、シリカナノ粒子等の天然ポリマから成されてよい。電子伝導性材料を含有する半透性障壁は、ボルタセルに用いられてよく、その場合、障壁は、電流コレクタとして機能してよく、またはそうでない場合は、アノードまたはカソードを補ってよい。いくつかの実施形態において、半透性障壁は非伝導性である。いくつかの実施形態において、緩衝材は、障壁が拡散を許可し、場合によってはイオンの伝導を許可する箇所で、その障壁を湿らす。半透性障壁は、また、リグニン、ポリ塩化ビニル、ＰＶＤＦ、ニトロセルロースまたは他を含有してよい。障壁は、用途に適切な厚さを有してよい。それは、ボルタセル内で高いイオン伝導性を維持するべきであり、セルの内部体積の大部分を占有するべきでない。いくつかの例において、障壁は、およそ２．５ｍｍもしくはそれ未満、およそ２００ｕｍもしくはそれ未満、およそ５０ｕｍもしくはそれ未満、またはおよそ７５０ｎｍもしくはそれ未満、またはおよそ２００ｎｍもしくはそれ未満の厚さを有する。場合により、障壁の厚さは、およそ１ｎｍからおよそ０．３５ｎｍまで薄くてもよい。
【0112】
電流コレクタのための電子伝導性材料 電子伝導性材料は、金属、半金属、コロイド、複合物、ケイ素、または伝導性または半伝導性の特性を有する他の材料の複数のタイプを含んでよい。電子伝導性材料は、平面形態、メッシュ形態、剛毛形態、ウェブ形態、層状形態、小さな斑点で覆われた形態、メッシュ形態、または改善された電子伝導に対して増加した表面積を有する他の形態を含んでよい。
【0113】
いくつかの実施形態において、ボルタセルは、２以上のタイプの電子伝導性材料を含有してよい。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、複数のタイプの電子伝導性材料を含んでよく、各材料のタイプは、異なる電子受容ポテンシャルを有する。異なる電極は、生物学的または生化学エネルギー変換を容易にし得る内在的に異なる電気化学ポテンシャルを有してよい。陽性電位での電極は、微生物の特定のタイプの電子供与活性度を強化してよい。
【0114】
電子伝導性材料は、半透性障壁に含まれていてよい。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、半透性障壁に含まれている電子伝導性材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、複数の電子伝導性材料を含有してよく、各電子伝導性材料は、半透性障壁に含まれている。
【0115】
電子伝導性材料は、ボルタセルにおける電流コレクタとして機能してよい。いくつかの実施形態において、電流コレクタは、ボルタセルのコンパートメントへと延びているワイヤまたは複数のワイヤが相互接続されたグループとして実装される。いくつかの実施形態において、電流コレクタは、少なくともおよそ０．２、または少なくともおよそ０．５、または少なくともおよそ０．７、または少なくともおよそ０．９の多孔性を有する多孔質材である。いくつかの実施形態において、電流コレクタは、ボルタセルにおいてチャンバ（例えば、半透性膜によってカソードから離されたアノードチャンバ）のかなりの部分を占有する。例として、電流コレクタは、チャンバ体積の少なくともおよそ２０％、またはチャンバ体積の少なくともおよそ５０％、または少なくともチャンバ体積のおよそ７０％、または少なくともチャンバ体積のおよそ９０％を占有してよい。
【0116】
ボルタセルの実例構築ボルタセルの設計。
本実施形態において、ボルタセルは、容器、電流コレクタまたは電気端子（例えば、ワイヤの形態においての）、第１電極、第２の電極、微生物、および緩衝系を含む。１つの実装において、容器はガラスから作成され、電流コレクタは銅ワイヤを含有し、第１電極は、酸化物（例えば、酸化銅または二酸化ケイ素）等のコーティングを含有し、修飾電極は金属を含有する。例として、改良は、伝導性金属メッシュおよび／または量子ドットの追加であってよい。微生物は、水性微生物の不均一集団であってよく、その大部分は、光合成が可能であってよい。緩衝系は、塩類、無機物、糖類、アミノ酸、アンモニウム塩類、および水を含有する。
【0117】
フレキシブルなボルタセルの設計ボルタセルは、フレキシブル容器を含んでよく、並びにワイヤ、電極、修飾電極、微生物および緩衝材等の他のコンポーネントも含んでよい。容器は、フレキシブルプラスチック管類で作成され、通常動作の間、両方の端部で閉鎖される。例として、ワイヤは銅ワイヤであってよい。電極は、動作において、標準の水素電極に対しておよそ＋０．８からおよそ＋１．５Ｖまでに及ぶ特性電位を有する金属線を含んでよい。他に記述がない限り、本明細書において列挙されている全ての電極電圧は、標準の水素電極に対する。金属線は、直径およそ０．２ｕｍの細孔径を有する半透性膜の薄い円周コーティングを有する。修飾電極は、およそ−３．３からおよそ＋０．５５Ｖまでに及ぶ特性電位を有する金属線を含み、改良は伝導性ナノワイヤおよび／または量子ドットである。微生物は、複数の水性微生物の不均一集団であって、その大部分は光合成が可能であってよい。緩衝材は、塩類、無機物、糖類、アミノ酸、アンモニウム塩類、および水を含む。
【0118】
高表面積ボルタセルの設計。ボルタセルは、容器、ワイヤ、電極、修飾電極、微生物および緩衝系を含んでよい。一例において、容器はガラスで成され、およそ１フィートの長さ×およそ１フィートの幅広さ×およそ０．３４フィートの高さの寸法を有する。ワイヤは銅ワイヤである。電極は、二酸化ケイ素を含む。修飾電極は、メッシュ金属で成され、改良は、伝導性ナノチューブおよび／または量子ドットである。微生物は、複数の水性微生物の不均一集団であって、その大部分は光合成が可能である。緩衝系は、塩類、無機物、糖類、アミノ酸、アンモニウム塩類、および水を含有する。
【0119】
移動する水域において固定されたボルタセルの設計。浸水可能なボルタセルは、容器、ワイヤ、電極、修飾電極、微生物および緩衝系を含んでよい。容器は、浸水可能なセルによって生成された電気的エネルギーに対するストレージを提供し得る、および／または浸水可能なセルの微生物または他の特性を活性化し得るバッテリーを収容する金属ボックスで作成されている。ワイヤは、銅ワイヤである。電極は金属で作成されている。修飾電極は、グラファイトを含有する。改良は、伝導性ナノチューブおよび量子ドットであって、複数の色素の混合物で事前に被覆されている。微生物は、複数の水性微生物の不均一集団を含み、その精密な組成は地形および水深さに依存している。緩衝系は海水である。ボルタセルの水域に浸されている部分は、電極、修飾電極、およびワイヤを含む。ボルタセルの地上にある部分は、容器、ワイヤ、およびオプションのバッテリーを含む。
【0120】
集光アンテナ。いくつかの実施形態において、集光アンテナコンポーネント集団は、（ｉ）光子吸収能力を持つ１または複数の分子を有し、（ｉｉ）光の存在下で光吸収分子または隣接する分子の１または複数の電子の励起をもたらすことができ、（ｉｉｉ）励起電子は移動され得、または（ｉｖ）励起電子からのエネルギーが移動され得る、複数のコンポーネントの集団として特徴付けられてよい。以下により十分に説明されるように、集光アンテナコンポーネントの集団は以下、光合成微生物、光合成微生物から得られる膜、光合成微生物から得られる膜小胞、脂質および複数の集光アンテナの高分子複合体、リポソーム複合型の組換え集光タンパク質、ミセル、逆ミセル、単一層またはリポソーム、ミセル、逆ミセル、単一層または他で複合された光合成微生物から得られる他の複数の集光アンテナのうち１または複数を含んでよい。
【0121】
集光アンテナ集団は、電子供与体おして機能してよく、および／または光エネルギーを吸収することが可能な生化学的および化学的種を含有してよい。集光アンテナ集団は、合成および／または自然に発生する色素、集光性複合体、光化学系、光合成反応中心、カロチノイド、クロロフィル、クロロゾーム、ポルフィリン、クロリン、バクテリオクロリンおよびその他であってよく、またはそれらを含んでよい。集光アンテナ集団は、組換えタンパク質、光合成生物からの膜標本、光合成生物からのエキソソーム標本、破砕および凍結乾燥された光合成生物、集光アンテナ集団を含有するリポソームの複合体およびその他を含有してよい。
【0122】
いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、同種集団を含有する。いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、不均一集団を含有する。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、複数の集光アンテナの不均一集団を含有する。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、複数の集光アンテナの同種集団を含有する。
【0123】
ボルタセルにおける集光アンテナ集団の配置は、使用に基づいて変動してよい。例として、アンテナ集団は、溶液、堆積層、２以上の層、例えば電流コレクタ上のコーティングにおいて配置されてよく、電子サイフォンの表面と共役し、電子伝導性材料の表面と共役し、ワイヤネットワークまたはその他等の電流コレクタと共役してよい。アンテナ集団は、電子伝導サイフォンと電子伝導性材料との間に（例えば、伝導経路におけるリンクとして）配置されてよく、電子伝導サイフォンを持つ交互の層において配置されてよく、電子伝導性材料を持つ交互の層において配置されてよく、電子伝導サイフォンおよび電子伝導性材料を持つ交互の層において配置されてよい。いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、容器の最も外側の表面の近辺に配置されてよい。他の実施形態において、集光アンテナ集団は、容器の一部分内に含まれてよい。本開示のいくつかの態様において、集光アンテナ集団は、およそ０．４５ｕｍ未満、およそ０．２２ｕｍ未満、およそ０．１ｕｍ未満、またはおよそ０．５ｎｍ未満の細孔径を持つ半透性障壁に含まれてよい。いくつかの実施形態において、半透性膜は、電子伝導性材料を含有してよい。いくつかの実施形態において、半透性膜は、緩衝材に完全にまたは部分的に浸される。
【0124】
例として、集光アンテナ集団は、ｍｇ：ｍｇ湿重量比率（集光アンテナ集団ｍｇ：微生物細胞集団ｍｇ）で微生物細胞集団と混合されてよく、およそ０．００００００１：１、およそ０．０００００１：１、およそ０．００００１：１、およそ０．０００１：１、およびこれらの例のうちいずれか２つの間の全ての範囲で混合されてよい。
【0125】
集光アンテナは光子を受け入れ、そうすることで、電子を、それらを伝達するまたはそれらのエネルギーを伝達するのに利用可能である状態または複数の状態に励起する。場合により、移動は、酸化還元媒体物または他の電子トランスポーターへの供与によって生じる。集光アンテナは、それらの放射エネルギーを電気的エネルギーに変換することにおいての効率によって特徴付けられる。効率は、波長、温度等の関数である。
【0126】
集光アンテナは、光変換システムが用いられる環境状況を表す温度で、最適集光効率を有するように選択され得る。好ましい発明の有機体は、摂氏−２０から１００度までに及ぶ温度（表２）で集光性能力を有する。
【0127】
アンテナ集団は、光の異なる波長で複数の集光効率を有し得る。特定の実施形態において、集光アンテナコンポーネント集団は、紫外線、可視光および遠赤色光を同時に採取できる。いくつかの実施形態において、異なる集団は、励起波長の複数の異なるバンドを有する。特定の設計において、ボルタセルは、２つの異なる集団を含有し、各々は、はっきりと異なる励起バンドを持ち、バンドは実質的に重複しない。言い換えれば、各バンドの波長の大部分は、重複しない。
【0128】
集光アンテナは、上記の機能を有する化合物を含む。それらはさらに、そのような化合物を維持する媒体を含有する。そのような媒体の例は、複合体、超分子集合体、小胞、細胞器官、微生物等を含む。
【0129】
通常、集光アンテナ化合物は、有機物質であるか、またはそれらを含有する。多くの実施形態において、それらの分子構造は、１または複数の金属イオンがその中に組み込まれた、環状有機物である。金属イオンは、亜鉛、カドミウム、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、マンガン、マグネシウム、鉄、白金、銅、ロジウム、オスミウム、イリジウムおよび同様のものを含む。
【0130】
集光アンテナコンポーネント集団は、集光性リポソームと混合して、複数の光合成微生物から調製された複数の集光膜を含有してよい。
【0131】
集光アンテナは、光合成微生物、光合成微生物から得られる膜、光合成微生物から得られる膜小胞、脂質および集光アンテナの高分子複合体、リポソームで複合された組換え集光タンパク質、ミセル、逆ミセル、単一層またはその他に含まれてよく、集光アンテナは、リポソームと複合された光合成微生物、ミセル、逆ミセル、単一層等から得られる。
【0132】
集光アンテナの適合された組成は、気候に対応する光セルを生成するべく、はっきりと異なる波長励起スペクトルおよび複数の増殖条件を有する異なる集光アンテナの複数の混合比によって生成され得る。集光アンテナの集団を生成するための選択基準は、波長励起スペクトル、好熱性、好塩性、嫌気性プロファイル、栄養要求条件、および異なる集光アンテナとの互換性を含む。集光アンテナの対応する分類の例は、例えばジオバクター属、クロロビウム種、シュワネラ属等の対応する栄養および増殖条件、例えばチタンホワイト、酸化チタン（ナノチューブ、ナノリボン等）、マンガンバイオレット、クロムグリーン等の単量体および高分子金属ベースの複数の色素、例えばイエローオーカー、ローシェンナ、ウルトラマリン等の無機色素、および、例えばクロロフィル、カロチノイド、アントシアニン、ベタライン等の複数の生物色素の発散波長励起スペクトルを持つ光合成微生物を含む。
【0133】
ボルタセルに用いる微生物の選択は、セルの電力、耐久性および容器の必要条件を前提とする。いくつか例において、複数の微生物は、ユニットからの電流のボーラス（ｂｏｌｕｓ）を周期的に提供するそれらの能力に関して選択されてよい。そのように、これらの微生物は、電子をそれらの細胞コンポーネントにおいて保存する能力を最適に有し、従って複数の電子シンク特性を有するであろう。これらの微生物は、普通は、線毛、小線維、鞭毛等の付属器官を有し、あるいはまた、形状がフィラメント状であってもよい。複数の線毛、複数の小線毛、複数の鞭毛および複数の同様の構造等の複数の付属器官を持つ複数の適切な微生物の複数の例は、ナイセリア属、エシェリキア属、エイケネラ属、コリネバクテリウム属、ロドスピリルム属、ロドバクター属、アクワスピリルム属、シュードモナス属、ピレルラ属、ネンジュモ属、ヘリコバクター属、ジオバクター属、エンテロバクター属、フォトバクテリウム属、ブルセラ属、ボレリア属、アゾアルカス属、双鞭藻類、ゾーザンテラ属、アゾトバクター属、パラバサリア属、エロモナス属、テルモコックス属、メタノピュルス属、テルモプラズマ属、パイロコッカス属、メタノコッカス属、デスルフロコッカス属、メタノクレウス属、アーケオグロブス属、チオバチルス属、シネココッカス属、スピリルム属、スフェロチルス属、ルミノバクター属、ロゼオバクター属等を含む。フィラメント状微生物の例は、デスルフロコッカス属、ストレプトミセス属、スピルリナ類、ボルティセラ種、スフェロチルス種、黄緑藻類、プロピオニバクテリウム属、ネンジュモ属、レプトスリックス属、フランキア属、プレウロカプサ属、クロロフレクサス属、ベギアトア属、アナベナ属、ウスチラゴ属、マグネトスピリルム属等である。
【0134】
微生物は、上記複数の微生物が、保存された電子のボルタセルが仲介する取り出しの次に生存可能であるように選択される。微生物細胞において解放された電子貯蔵コンポーネントは、電流の次のボーラスがボルタセルによって要求されるまで時間と共に再度追加される。強固な電子貯蔵容量を適切に有する微生物の例は、ロドシュードモナス・パルストリス、ムーレラ・サーモアセチカおよび同様のものである。周期性の時間枠は、一日に一度、３日に一度、７日に一度、２週間に一度、１カ月に一度またはその他であってよい。選択された微生物の新陳代謝率は、電流がボルタセルによって引き出され得る周波数を決定するであろう。
【0135】
他の例において、微生物は、ボルタセルから相当に一定のレベルの電流を提供する能力に対して選択されてよい。そのような微生物の例は、ナイセリア属、エシェリキア属、ロドスピリルム属、ロドバクター属、アクワスピリルム属、ロドソイドモナス属、ピレルラ属、ネンジュモ属、ジオバクター属、エンテロバクター属、フォトバクテリウム属、アゾアルカス属、パラバサリア類、ズーザンテラ属、アゾトバクター属、エロモナス属、テルモコックス属、メタノピュルス種、テルモプラズマ属、パイロコッカス属、メタノコッカス属、デスルフロコッカス属、メタノクレウス属、アーケオグロブス属、チオバチルス属、シネココッカス属、スピリルム属、スフェロチルス種、ルミノバクター属、ロゼオバクター属、デスルフロコッカス属、スピルリナ類、ボルティセラ種、スフェロチルス種、黄緑藻類、プロピオニバクテリウム属、ネンジュモ属、レプトスリックス属、フランキア属、プレウロカプサ、クロロフレクサスアナベナ属、ウスチラゴ属、マグネトスピリルム属類、および同様のものを含む。そのように、これらの微生物は、多様な代謝経路レパトリーを最適に有し、それらが、化学的および／または光源の多様なセットから自由電子を生成することを可能にするであろう。さらに、微生物は、自由電子が生成される比較的一定の割合（他の殆どの微生物と比べて）を有するであろう。微生物は、それらがボルタセルによる継続的な電流の取り出しに続いて生存可能であるように選択される。そのような微生物の複数の例は、いくつかの光合成従属栄養生物およびいくつかの化学合成従属栄養生物を含む。
【0136】
他の例において、微生物は、それらの耐久性に対して選択されてよい。そのような微生物の複数の例は、ロドスピリルム属、ロドバクター属、アクワスピリルム属、ロドソイドモナス属、ネンジュモ属、ジオバクター属、エンテロバクター属、メタノコッカス属、デスルフロコッカス属、チオバチルス属、シネココッカス属、スピリルム属、ロゼオバクター属、デスルフロコッカス属、スピルリナ類、アナベナ属および同様のものを含む。耐久性のある微生物は、持続される様式において、ボルタセルでの複数の条件に耐える能力を有するとして定義される。耐久性のある微生物の選択を考慮に入れる複数のバリアブル（variables）は、代謝ロバスト性（例えば、２又は３以上の代謝経路を有する）、遺伝子ロバスト性（環境ストレスの間に突然変異する能力、すなわちＤＮＡポリメラーゼまたはＲＮＡポリメラーゼにおける非校正／非編集能力）、環境ロバスト性（複数の変動する環境状況、すなわち温度、光、圧力等のもとで時間と共に代謝的に活性化する能力、）および集団ロバスト性（他の微生物種と共にコミュニティにおいて、栄養物等に関して負かされずに共存する能力）を含む。
【0137】
いくつかの例において、微生物集団の１または複数のサブセットのレベルを維持するべく、栄養物の急増が必要であってよい。周期的に要求される栄養物の複数の例は、リン酸塩、硫黄、硫化水素、硫酸塩、硝酸塩、酢酸、ＣＯ２、Ｏ２、アンモニア、Ｈ２、Ｆｅ２＋、Ｍｇ２＋、Ｍｎ２＋、Ｃｏ２＋、およびそれらの塩類またはその他を含む。他の例において、微生物集団の１または複数のサブセットのレベルを維持するべく、廃棄物中和の急上昇が必要であってよい。周期的に要求される廃棄物中和コンポーネントの複数の例は、ＨＣｌ、ＮａＯＨ、重炭酸水素ナトリウム、重炭酸カルシウム、キレート剤、ＣＯ２、Ｏ２またはその他を含む。
【0138】
ボルタセルにおいて自立している微生物集団に関し、微生物がそれらの好ましい代謝基質使用またはそれらの好ましい代謝廃棄物に基づいて選択されてよい。複数の選択された微生物の対合は、相補的代謝に基づいてよい。いくつかの例において、１つのタイプの優勢代謝を有する微生物は、優勢代謝の第２のタイプを有する他の微生物に対する基質として機能する代謝廃棄物を生成（またはそうでない場合はいくつかの栄養要求条件を満たす）してよいことから、１つの微生物サブセットは第２の微生物サブセットと共生すると言える。複数の微生物種のそのような対は、場合により、相補的であると言える。他の例において、ボルタセルは、代謝の２または３以上のサブセットがその他と共生的な態様で相互作用している微生物の多様な集団を含有できる。微生物集団の代謝バランスは、自立したボルタセルを提供するように設計されまたは調整され得る。
【0139】
しばしば、緩衝材において２より多くの微生物は、それらの複数の主要代謝経路によって特徴付けられ得、それは、微生物が、複数の代謝経路を有してよいという事実の主な原因となるが、複数の経路のうち１つは、時間のいかなる時点においても、他の経路よりも代謝の割合を占める。主要代謝経路にフォーカスし、特定の実施形態においては、相補的な微生物が、ある程度、互いに逆である主要代謝経路を有する。例えば、１つの生物は、特定のＮ、Ｃ、Ｓ、またはＰ含有化合物を主に酸化してよく、相補的な生物は、第１生物によって生成された酸化されたＮ、Ｃ、Ｓ，またはＰ含有化合物を主に還元する。勿論、どの生物も、もっぱら酸化のみを、または還元のみをするのではなく、むしろいくつかの化合物を酸化し、その他複数を還元する。相補的な微生物の対合は、主要代謝経路の基質および廃棄物にフォーカスする。理想的には、ある生物の廃棄物は、酸化されたＮ、Ｃ、Ｓ、またはＰ含有化合物であって、それは、別の生物の基質である。代わりに、第２生物が、酸化化合物を還元し、第１生物の基質を生成する。特定の実施形態において、緩衝材の相補的な微生物は、共に、緩衝材の微生物含有量の少なくともおよそ５０％、または緩衝材の微生物含有量の少なくともおよそ７０％、または緩衝材の微生物含有量の少なくともおよそ９０％を形成する。特定の実施形態において、相補的な微生物の主要代謝経路は、呼吸経路である。上記の議論は、２つの相補的な微生物にフォーカスする一方、その概念は、必然的に３または４以上の相補的な微生物にまで広がる。場合によっては、２または３以上の微生物は、同じ主要代謝経路を共有するか、または同様の主要代謝経路を有する。他の場合において、緩衝材の３または４以上の相補的な微生物の各々は、異なる主要代謝経路を有するが、集合的に基質の純消費または廃棄物の生成をほとんどしないか、または全くしない。例えば、第１の微生物は、化合物Ａを消費し、化合物Ｂを生成する一方、第２の微生物は化合物Ｂを消費し、化合物Ｃを生成するし、第３の微生物は、化合物Ｃを消費し化合物Ａを生成する。
【0140】
自立した集団がボルタセルにおいて一度確立されると、複数の環境状況（日光、温度等）ボルタセルによる電子流の取り出しのタイミングおよびレート並びに微生物細胞密度入力は、共生を維持するべく制御され得る。微生物の選択は、代謝回転がほとんどなく持続される「恒常的な」集団を生成することを支援するが、様々な入力および出力の制御もまた、調整を必要とするであろう。バランスを維持することを支援するべく、ボルタセルにおいてのセンサおよびのフィードバックループの使用によってそのような調整が使用されてよい。
【0141】
微生物がまた、それらの在来の環境に基づいて選択され得る。海水域およびそれらの下層の堆積物は、生物圏の最大部分を構成する。それらは我々の惑星において生物地球化学的に循環するための鍵であって、海洋型微生物コミュニティの組成、それらの代謝ポテンシャルおよび活性度ならびにそれらの環境との相互作用は、十分に理解されていない。古典的な培養に基づくアプローチを補う分子およびゲノミクスに基づく方法によって、真光層に生息するプランクトンのコミュニティを調査するための相当な努力が充てられている。実際に、種の多様性およびゲノム多様性を年代順に記録するべく、表層海水域が、リボソームＲＮＡ遺伝子の小さなサブユニット（ＳＳＵ ｒＲＮＡ）の増幅、クローニングおよび配列決定に基づく微生物多様性の先駆的な調査に対して環境の選択となっている。しかしながら、異なる水塊は、異なる物理化学的特性に恵まれている。そのような差は、近場の海岸において特に重要であり、沿岸の入力および局地的特性によってはるかにより影響を受ける。例えば、地中海の水域は、開放された海洋水域とは非常に異なっており、これは、メタゲノムのレベルで反射されるようである。地理的位置は、従って、特定の地理的環境において用いるためのボルタセルに対して微生物を選択するための選択的基準として用いられ得る。例えば、地熱性通気孔、溝、半塩水流域、半塩水堆積物、池、塩水池、氷河水、海洋性堆積物、イエローストーン酸プール等である。
【0142】
文献に堤示されている実験の微生物燃料セルにおいて、炭素源は、持続システムを生成することにおいてコストのハードルを提示する。例えば、糖発酵生物を微生物燃料セルおよび／または発酵システムに対して使用することは、結局法外なコストをもたらし、スケールアップのために現実的でない。従って、特定の実施形態において、ボルタセルおよび関連する緩衝材は、酵母等の発酵性生物と実質的に含んでいない。いくつかの実施形態において、複数のボルタセルには、複数のグルコース発酵性生物等の複数の糖発酵性生物は実質的にない。
【0143】
化学合成微生物と組み合わされた集光性光栄養微生物の選択および使用は、ボルタセルにおいて長続きする電流の生成のためのより持続する集団を与える。多くの光栄養生物において、光の１光子は、１―３個（微生物種による）の自由電子を生成し、廃棄物は、ＣＯ２、Ｏ２、他の気体類、無機分子、有機炭素源および廃棄物としての他の分子である。これらの廃棄物は、化学合成微生物によって複数のエネルギー源として用いられ得る。
【0144】
化学合成生物の間にはかなりの多様性があり、何百もの化合物において確認されたエネルギー源は、気体類から金属類、無機化合物、有機化合物までに及ぶ。これらの化学作用からの結合エネルギーのブレークダウンおよび異化作用プロセスの間の自由電子の生成は、変動する。範囲の複数の例は、開始する分子毎に１から６より多い自由電子を含み、代謝廃棄物は、ＣＯ２、Ｏ２、他の気体類、有機炭素化合物、無機分子、および廃棄物としての他の分子である。これらの廃棄物は、集団において他の化学合成生物によって用いられ得、または集団においていくつかの光合成従属栄養生物によって用いられ得る。
【0145】
電子供与体としての発酵性基質、発酵産物および複雑有機質との鉄イオン還元に対する可能性が調査されている。例えば、淡水および半塩水部位からの水堆積物においてさえ、微生物は電子流能力を実証しており、特に、以下のグルコースおよびヘマタイトとの濃縮を実証している。これらの例において、鉄還元は、ボルタセルにおいて化学合成生物によって用いられてよい、電子流および累積された発酵産物のための小規模な経路であった。グルコース濃縮物においてヘマタイトに対する無定形の鉄のオキシ水酸化物の置換は、発酵産物がまた、化学合成生物による付随の鉄還元と共に代謝され得ることから、鉄還元を５０倍増加させることがさらに示されている。酢酸塩、水素、プロピオン酸塩、ブチラート、エタノール、メタノール、およびトリメチルアミンは、また、堆積物で植菌された濃縮物において無定形の鉄のオキシ水酸化物の還元を刺激することが示されているが、複数の実験室条件のもとにおいて植菌または熱殺菌された対照実験では示されていない。第二鉄の追加は、堆積物におけるメタン生成を抑制し得る。第二鉄の様々な形態によるメタン生成の抑制の度合は、酢酸塩の化学合成生物的代謝に対する電子受容体としてのこれらの鉄化合物の有効性に関して示されている。酢酸塩または水素の集団への追加は、第二鉄によるメタン生成の抑制を軽減し得る。無定形の鉄のオキシ水酸化物で補助される堆積物のメタンへと進む等価電子の減少は、第一鉄において等価電子の対応する増加によって補われ得る。従って、鉄還元は、堆積有機質に対するメタン生成食物連鎖に勝ることができる。従って、無定形の鉄のオキシ水酸化物が嫌気性堆積物において利用可能である場合、および／またはボルタセルに用いにおいての使用に選択される場合、有機質から電子の第二鉄への移動は、有機質の分解のための主要な経路であり得、電子サイフォンまたは他の最終電子受容体ひいてはボルタセルに対する電子流生成の源によって遮られ得る。
【0146】
別の例において、気体または冷水湧出帯は、メタンで濃縮されており、堆積物から出てくるバブルとして直接見られ得る。または、それは、微生物による硫酸還元が表面のすぐ下で生じる強い酸化還元活性度の領域を露わにする複数の暗い斑点の存在によって間接的に検出され得る。これらの斑点は、しばしば、共生細菌および硫化物酸化をする細菌の複数のマット（mat）に関連する可能性がある複数のシボグリヌム科多毛類および双殻類によってコロニーが作られる。ボルタセルは、硫酸還元およびメタン生成淡水堆積緩衝系を均衡化する複数の共生微生物の集団を有し得る。硫酸塩還元細菌の複数の例は、デスルフォバクター属、デスルフォコッカス属、デスルフォビブリオ属、エリスロバクター属、サーモトガ属、パイロバキュラム属、ロゼオバクター属、ロドフェラックス属、ペロバクター属、カルボキシドサーマス属、ローソニア属、メタノコッカス属、サーモデスルフォバクテリウム属、デスルフロモナス属、およびその他を含む。メタン細菌の複数の例は、メタノコッカス属、メタノクレウス属、メタノフォリス属、メタノピュルス種、メタノサルチナ属、メタノスファエラ属、メタノサーモバクター属、および同様のものを含む。
【0147】
さらに別の例において、細菌多様性の高い堆積物において最も豊富な複数のグループであるガンマ‐プロテオバクテリアは、Ｉグループのクレンアーキオータ門／タウムアーキオータ門を含有する古細菌のプランクトンの部分と混合され得、Ｉグループ（例えば、ドゥボスケリダ（Duboscquellida）からのユリアーキオータ門およびＩＩグループ（例えば、シンディニウム目）アルベオラータおよびラジオゾア門が支配するプランクトン、並びにオピストコンタ属および複数のアルベオラータ、堆積緩衝系と混合され得る。
【0148】
望ましい代謝、細胞生理学、遺伝子、増殖条件、新陳代謝率および互換性が選択され得る多くの他の例が存在し得る。
【0149】
実験室に基づく微生物燃料セルの多くの研究は、グリセロール冷凍ストックから栽培化した菌株（domesticated strains）を有する純粋な微生物培養を使用する一方、そのような菌株は、本明細書で開示されるようないくつかのボルタセルに対して適切でなくてよい。特定の実施形態において、ボルタセルは、それらの自然状態において存在する環境微生物を使用する。標準の微生物学的技法を用いて隔離され培養される微生物は、「適応性」を失っていることが示されており、すなわち、それらは、実験室条件のもとでそれらがもはや必要としない複数の遺伝子を失う。本明細書に用いられるように、「自然状態」という用語は、微生物が実験室または工場の微生物となる前にそれらの自然環境において見出されるような複数の遺伝子型を有する微生物を指す。そのように、自然状態の微生物は、それらの実験室または工場の同等物より適応性を有する傾向がある。例として、環境堆積物はボルタセルに置かれる。いくつかの例において、環境堆積物は、ボルタセルにおいて配置される前に第２環境試料と混合される。この方法の目標は、最適な電流生成のためにボルタセルの自然状態微生物適切性を最大化するべく可能な限り多くの天然に見られる遺伝子を維持することである。自然状態の微生物を実験室で培養された微生物よりも好んで用いることの第２の利点は、それらの外部のストレス要因に耐える能力、および実験室で培養された微生物に比べてより高いストレス耐久性である。より高い遺伝子個体数および増加した遺伝子レパトリーを持つ開始集団を有することの利点は、良好な自立した集団がボルタセルにおいて生成されるより多くのチャンスを可能にすることである。それは、実験室で培養された微生物にとってより小さなゲノムから新たな遺伝子を自発的に生成することは、既存の遺伝子においての多少なりとも有益な突然変異を選択するよりもはるかに難しいからである。
【0150】
ボルタセルに用いられる環境分離株および環境集団に対し、環境試料実験が、生化学的および／または代謝経路に関与することが知られている望ましい化学作用および／または望ましい遺伝子の存在を識別するべく、スペクトロスコピー、質量分光解析、遺伝子配列決定および他の複数の方法等、従来の方法を用いて実行され得る。
【0151】
例えば、特定の酵素経路に関して特徴的であると見なされる特定の遺伝子およびそれらのそれぞれのタンパク質生産物を探すことができ、その結果特定の代謝能力を探すことができる。これらは、アンモニアモノキシゲナーゼＡｍｏＡ、ＡｍｏＢおよびＡｍｏＣサブユニット（硝化）、４−ヒドロキシブチリル・デヒドラターゼ（３−ヒドロキシプロピオン酸／４−ヒドロキシブチラート経路によるＣＯ２固化）、異化的亜硫酸還元酵素ＤｓｒＡおよびＤｓｒＢサブユニット（硫酸塩呼吸）、異化的亜硝酸塩還元酵素サブユニットＮｉｒＫおよびＮｉｒＳ（硝酸塩呼吸）、ニトロゲナーゼサブユニットＮｉｆＨおよびＮｉｆＤ（窒素固定）、一酸化炭素脱水素酵素ＣｏｘＬＭＳサブユニット（ＣＯ酸化）、ＲｕＢｉｓＣＯ（ＣＯ２固化）、スルファターゼ（スルホン酸化したヘテロ多糖類の劣化）、ヒドロキシルアミン・オキシドレダクターゼＨＡＯ（アナモックス）、メチルコエンザイムＡ還元酵素（メタンの嫌気性酸化）およびＣ−Ｐリアーゼ（ホスホン酸塩利用）を含んだ。所望される遺伝子に関すの環境試料の選択的分析は、ボルタセルに用いるための集団において複数の微生物の望ましい組成を判断するための一方法である。
【0152】
複数の古細菌ａｍｏ遺伝子は、プランクトンに豊富であり、マルマラプランクトンのタウムアーキオータ門がアンモニア酸化細菌であることを示唆する。硫酸還元、一酸化炭素酸化、アナモックスおよびスルファターゼに含まれる複数の遺伝子が、堆積物において大きな比率を示していた。ゲノム漸増分析は、アルテロモナスマクレオディイの「表面生態型」、ペラジバクター・ユビークおよびニトロソプミルス・マリティムスは、１０００ｍの深さのプランクトンでより高く表されたことを示した。
【0153】
無酸素堆積物において、硫酸還元は、より深い堆積層におけるメタン生成古細菌の活性度に概ね伴う。マルマラ海の局在的な領域において存在しているもの等、冷水湧出帯環境において、いくつかの硫酸還元細菌は、嫌気性メタン酸化を実行している古細菌に共生的に関連している。メタン代謝の古細菌の特性である、メタン生成の最終段階に触媒作用を及ぼし、逆メタン生成においてもまた役割を有すると思われるメチル補酵素Ｍ還元酵素の存在を探すことができる。メタノサルチナ属バーケリ（ＭｃｒＡＢＣＤＧ）からメチル補酵素Ｍの複数のサブユニットをコードし、培養されていない古細菌からメタンの嫌気性酸化（ＭｃｒＡＢＧ）に含まれるニッケルタンパク質のそれらをコードする遺伝子は、選択されたメタゲノムに対するシードとして用いられてきた。しかしながら、対象物は検出されなかった。これは、Ｍａ２９は冷水湧出帯活性度によって強く影響を受けない「通常の」底部堆積物に対応するという事実、およびそれが堆積コア、従ってメタン生成層の上部の表面から収集されたという事実の両方に一致する。
【0154】
プランクトミケスは、堆積物において比較的豊富であり、アナモックス反応の鍵酵素の１つである、ヒドロキシルアミン・オキシドレダクターゼをコードするＫｕｅｎｅｎｉａ ｓｔｕｔｔｇａｒｔｅｎｓｉｓ遺伝子のアナモックス活性が生じていることを示す遺伝子の存在を決定することができる。このマーカおよび他の同様のマーカが、多数の酸化還元酵素を含有する試料を、ボルタセルにおいて電子サイフォンによってアクセスされることが可能であって良い電子キャリア源として識別するべく用いられ得る。
【0155】
スルファターゼは、Ｒ.ｂａｌｔｉｃａのゲノムにおいて豊富であり、一般に、海洋型プランクトミケス門は、多数のこれらの酵素を有し、海洋型プランクトミケス門はそれらの酵素を、硫酸化ヘテロ多糖類の初期の分解のために用いられ得たことから、これらの豊富な海洋性化合物を再利用することにおいて、重要な役割を有する。これらのマーカは、生物学的に役立つ硫黄源をボルタセルにおいて他のサブセットに対して生成するための手段を与え得る、硫酸リサイクラーを決定するべく用いられ得る。
【0156】
ホスホン酸塩化合物の使用は、最近、Ｐ欠乏面海水域において、並びにＰがより豊富の深水域においても同様に、リンの重要な源として提案されている。既知の遺伝子ではあるがまた、ホスホン酸塩利用に関して新規な経路でもあるものは、複数の機能的スクリーニングから導かれるような複数のメタゲノムのピコプランクトン・ライブラリーにおいて豊富である。これらのマーカは、試料の微生物によるホスホン酸塩の使用を決定するべく用いられ得、それは、生物学的に役立つリン酸塩源をボルタセルにおいて他のサブセットに対して生成するための手段を与え得る。
【0157】
ＣＯのＣＯ２への酸化は、かなり万能性が高く豊富なロゼオバクタークレードの複数のメンバーをとりわけ含む多くの海洋型細菌において、代替または補助的なエネルギー源として広がっている。一酸化炭素デヒドロゲナーゼ遺伝子は、地中海の深水域において高い相対的個体数で検出され、それは、深海微生物が、ＣＯを酸化することによって表面バクテリオプランクトンによって示されるものに類似した無機従属栄養性（lithoheterotrophy）の形態を実行してよいことを示唆した。深水域においてＣＯ酸化の可能な役割は、ＣＯ源がその深さでは不明であって、且つ一酸化炭素脱水素酵素もまた中央炭素代謝のいくつかの経路において、例えば酢酸生成メタン細菌において含まれることから、批判されている。しかしながら、地中海において実際のところかなり広範囲である海嶺および海底火山領域にまで関連する熱水活動は、むしろ深海においてＣＯ源を構成する可能性が非常に高い。さらに、一酸化炭素デヒドロゲナーゼ遺伝子を含有するメタゲノムのフォスミドの配列決定は、それらがＣＯ酸化細菌の典型的な構造を有するクラスタにおいて編成されていることを示している。その結果、ＣＯ酸化に基づく無機従属栄養性は、実際は深海においてもまた自由エネルギーを取得するのに役立つ戦略であってよい。これは、ボルタセルにおいて利用され得、ＣＯ酸化を用いる選択された微生物が電子サイフォンを還元し得る。
【0158】
アンモニウムモノキシゲナーゼは、硝化の第１段階においての鍵酵素である。タウムアーキオータ門は、古細菌のａｍｏＡ遺伝子が細菌のａｍｏＡ遺伝子に対し優性を示すことによって示唆されるように、土および海域でアンモニアを亜硝酸塩へ酸化することにおける主要な要因である。しかしながら、全ての深海のタウムアーキオータ門が、ＡｍｏＡを有しているわけではなく、それは、多くの深海古細菌が化学独立栄養性アンモニア酸化菌ではないことを示唆する。Ａｍｏ遺伝子は、従って、酸化微生物のマーカとして用いられ得、それは、ボルタセルの相乗作用を駆動するべく、そのボルタセルのサブコンパートメントにおいて用いられてよい。
【0159】
さらに、Ｍａ１０１タウムアーキオータ門は、Ｉグループの古細菌において独立栄養性ＣＯ２固化のための３−ヒドロキシプロピオン酸／４−ヒドロキシブチラート経路の鍵酵素である、４−ヒドロキシブチリル・デヒドラターゼのための遺伝子を有し得ることから、化学独立栄養性であると思われる。このＣ固化経路に加えて、試料の多数の微生物がＲｕＢｉｓＣＯの大きなサブユニット（ｒｂｃＬ）を含有し、ＣＯ２固化のためのより従来型のカルヴィン回路の存在を示してよい。これらの微生物は、ボルタセルにおいて付加的な微生物サブセットのための栄養物を生成するべくボルタセルにおいて用いられ得る。
【0160】
別の例において、ゲノミクスおよび遺伝子配列決定は、ボルタセルに用いるための複数の対応する微生物を識別し得る。環境分離株から作成された遺伝子ライブラリからの複数のリボソームＤＮＡ（ｒＤＮＡ）配列の系統発生学的分析を利用する数多くの研究から、多くのデルタ・プロテオバクテリアは硫酸還元脱スルホン・バクテリア科の系統に属するが、培養微生物を持たないいくつかの系統にも属し、それは、それらのいくつかが硫酸塩還元菌でもあることを示唆する。プランクトンのデルタ‐プロテオバクテリアの複数のｒＤＮＡ配列の中で、いくつかが、培養されていないグループＳＡＲ３２４から識別されている。同じ試料における硫酸還元のための複数の遺伝子の共起は、ＳＡＲ３２４が硫酸塩を還元することが可能であることを示唆する。実際に、メタゲノムのクローンでの特定の代謝遺伝子の存在および酸素欠乏水域においてこのグループの相対存在量は、ＳＡＲ３２４が嫌気性または微好気性生物に対応し得ることを示唆した。本明細書で詳細に記述される情報および方法を用いることに対する利点は、電流生成のためのボルタセルにおいてのデスルフォバクター科およびＳＡＲ３２４微生物の選択および使用を包含する。
【0161】
複数の微生物例。特定の実施形態において、集光アンテナコンポーネント集団は、光合成微生物の集団であって、光合成微生物は、非酸素発生型光合成を実行し得る。特定の実施形態において、集光アンテナコンポーネント集団は、酸素発生型光合成微生物の集団である。さらに他の実施形態において、集光アンテナコンポーネント集団は酸素および非酸素発生型光合成微生物の混合物である。光合成微生物は、１つの種であってよいが、また多種であってもよい。開示される実施形態と共に使用するための、そのような微生物および集光アンテナの例は、表１に列挙されている。
【0162】
微生物細胞集団は、電子供与体として機能してよい。微生物細胞集団は、生存能力のある、または生存能力の無い光合成微生物、非光合成微生物、または光合成微生物と非光合成微生物との組み合わせを含んでよい。微生物細胞集団は、光合成微生物を０―１００％含んでもよい。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団は、光合成微生物をおよそ３５―８０％含んでもよい。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団は、非光合成微生物をほぼおよそ１００％含んでもよい。光合成微生物は、用いられる場合、異種の種および／または菌株の集団であってよい。他の実施形態において、光合成微生物集団は、均一種または均一菌株を含んでよい。非光合成微生物は、存在する場合、不均一の種および／または菌株の集団を含んでよい。他の実施形態において、非光合成微生物は、均一種または均一菌株を含んでよい。
【0163】
いくつかの実施形態において、微生物細胞集団の組成は、異なる微生物種、異なる環境分離株、異なる環境試料、または他の、各種、分離株、環境試料がはっきりと異なる（複数の）スペクトル波長吸光度と所望される気候と最適に対応し得る増殖条件とを有するものの混合比によって生成されてよい。微生物の集団を生成するための複数の選択基準は、波長励起スペクトル、好熱性、好塩性、嫌気性プロファイル、栄養要求条件、互換性およびその他を含む。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、これらの基準のいずれか１または複数に関して互いに補完する複数の異なる微生物種または菌株を含む。例えば、２つの種が、同様の好熱性および好塩性を有してもよいが、複数の異なる栄養要求性を有してもよい。
【0164】
光エネルギーを電気的エネルギーに変換するべく用いられるボルタセルは、光合成微生物および非光合成微生物の組み合わせを含む微生物細胞集団を含んでよく、組み合わせにおいて、光合成微生物は、非光合成微生物よりも、およそ１．５：１の比率で数が多く、光合成微生物は、非光合成微生物よりも、およそ３：１の比率で数が多く、光合成微生物は、非光合成微生物よりも、およそ５：１の比率で数が多く、光合成微生物は、非光合成微生物よりもおよそ５００：１の比率で数が多く、光合成微生物は、非光合成微生物よりも、およそ５，０００，０００：１の比率で数が多く、または、上記の複数の値のうちいずれか２つの間で変動する。いくつかの実装において、光合成微生物は、非光合成微生物よりもおよそ１．５：１からおよそ１００：１までの比率で数が多い。ボルタセルは、細胞エネルギーを電気的エネルギーに変換するのに用いられてよく、複数の非光合成微生物の組み合わせを含む微生物細胞集団を含んでもよい。ボルタセルは、柔軟な様式で光エネルギーを電気的エネルギーに時々変換する、および細胞エネルギーを電気的エネルギーに時々変換するのに用いられてよく、複数の非光合成微生物および複数の光合成微生物の組み合わせを含んでいる微生物細胞集団を含む。
【0165】
ボルタセルにおいて、微生物細胞集団の配置は、使用に基づいて変動してよい。微生物細胞は、溶液において、堆積層において、２以上の層において、コーティングにおいて、電子サイフォンの表面に共役で、電子伝導性材料の表面に共役で、ワイヤまたは他の電流コレクタに共役で、あるいはその他において、配置されてよい。微生物細胞は、電子伝導サイフォンと他の電子伝導性材料（サイフォンの一部であってよい）との間に配置されてよく、電子伝導サイフォンがある交互の層において配置されてもよく、電子伝導性材料がある交互の層において配置されてもよく、電子伝導サイフォンおよび電子伝導性材料がある交互の層において配置されてもよい。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団は、容器の最も外側の表面の近くに配置されてよい。他の実施形態において、微生物細胞集団は、容器の一部内に含まれてよい。
【0166】
本開示のいくつかの態様において、微生物細胞集団は、ボルタセルの複数の層において配置されてよく、複数の層は、複数の同様の光吸収波長範囲選択性を有する複数の微生物を含んでよい。いくつかの例において、最も外側の容器の層に関して複数の層の順序は、赤外線吸収の微生物、次に赤色光吸収微生物、次にオレンジ光吸収微生物、次に黄色光吸収微生物、次に緑色光吸収微生物、次に、青色光吸収微生物、次にインディゴ光吸収微生物、次に紫の光吸収微生物、次に紫外線吸収微生物であってよく、または電磁スペクトルに沿っている他の周波数進行であってよい。より一般的に、他のカスケードする波長配置が、集光アンテナ、微生物、および緩衝材の放射吸収特性に対して使用されてもよい。
【0167】
微生物の多様性は、電子を電極に供与することができ、または電極から電子を受け入れることができ、本明細書にそれの全体が参照として組み込まれる。場合によっては、人工的な電子移動の促進は必要でない。シェワネラ・オネイデンシスは、主に、可溶性電子シャトルとして機能するフラビンを介して電極と相互作用する。ゲオバクター・スルフレドゥセンスは、電気的に電極と外側面のＣ型シトクロムを介して接触する。Ｇサルフレドゥセンスは、また、合成伝導性ポリマにおいて以前説明されたものと同様の金属のような伝導性を有する微生物ナノワイヤとして知られる線毛に沿った長距離の電子伝達も可能である。線毛ネットワークは、Ｇサルフレドゥセンス・バイオフィルムに伝導性を授与し、それは、スーパーキャパシタおよびトランジスタ機能性を持って伝導性ポリマとして機能する。ジオバクター・サルフレドゥセンスが電子を比較的厚い（＞５０ミクロン）バイオフィルムを通って、唯一の電子受容体としての機能を果たす電極へ移動させるメカニズムが、最近調査されている。電子受容体としてグラファイト電極を持つ流入システム、または同じグラファイト面であるが唯一の電子受容体としてフマル酸エステルを持つ面上のいずれかにおいて増殖されるジオバクター・サルフレドゥセンスのバイオフィルムは、電流を生成することが実証されている。伝導性微生物および／またはそれらのナノワイヤは、いくつかの潜在的な実際的応用を有するが、付加的な基本的研究が合理的な最適化に必要であるだろう。微生物と電極との間のより効率的な電子移動のための複数の電子サイフォンデバイスが説明される。また、ボルタセルのための複数の電子サイフォンデバイスが説明される。最後に、水用のボルタセルが説明される。
【0168】
リポソームの例。集光アンテナ分子（表２のもの等）を有する集光性リポソームの集団。
【0169】
リポソームのコンポーネントの例は、ホスファチジルコリンのステアロイルおよびジステアロイルのタイプ、ホスファチジルコリン、ホスファチジルグリセロールおよびコレステロールのパルミトイルおよびジパルミトイルの複数のタイプを含む。ホスファチジルグリセロールおよび／またはコレステロールは、強化された温度安定性を与えるべくリポソームに加えられ得る。
【0170】
集団は、複数の集光アンテナリポソームの混合物、ジステアロイル・ホスファチジルコリン：ジステアロイル・ホスファチジルグリセロール：コレステロールを１０：８：２の比率で含有するリポソーム、バクテリオクロロフィルａ、バクテリオクロロフィルｂ、バクテリオクロロフィルｃ、バクテリオクロロフィルｄ、スピリロキサンチン類、プロテオロドプシン、クロロフィルａおよびクロロフィルｂの混合物を含有する集光アンテナを含む。
【0171】
集団は、１：１の比率の複数の調製された膜およびリポソームを含有し得る。最も好ましくは、集団は、１：１０の比率の調製された膜およびリポソームを含む。
【0172】
集光性リポソームで混合された光合成微生物の集団において、光合成微生物が、酸素および／または非酸素発生型光合成を実行することができる。
【0173】
集光アンテナ‐様々な例。例示的な生物およびそれらのそれぞれの集光アンテナが表１において列挙されている。
［表１］ 微生物由来の集光アンテナコンポーネントの例。
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【0174】
［集光アンテナの源］。自然発生源。
集光アンテナコンポーネント集団は、天然または人工の池、従来の実験室条件のもとで培養媒体を持つ大規模な増殖カラム体、スケーリングアップされた製造条件、および太陽光パネルベッドから培養され採取され得る。
【0175】
開示される実施形態の微生物および微生物誘導体は、定義された複数の培地での培養、自然環境においての培養、およびソーラーパネルファームにおいての培養を含む標準の微生物学的方法によって、１または複数の地理的位置および１または複数の気候から隔離され得る。
【0176】
エネルギー変換セルの調製。集光アンテナコンポーネント集団は、光合成微生物から得られる集光アンテナを持つ膜を含んでよい。膜は、超音波処理、油圧押圧、圧力押圧、酵素、低張バスまたは他の従来の機械的または化学機械的な方法によって微生物から調製され得る。膜は、複数の開示される実施形態の電解質の緩衝液に加える前に、非イオン性界面活性剤等の緩衝化された溶媒および酸化防止剤混合物と混合され得る。膜は、酸素および／または非酸素発生型光合成が可能な１または光合成微生物種から調製され得る。膜は、複数の特定の光合成微生物から別々に調製され得、集光能力を光の波長範囲に及んで可能にするべく所望される比率で混合され得る。
【0177】
複数の自然に発生源の複数の変異型開示される複数の実施形態と共に使用するための微生物および微生物誘導体は、また、１または複数の微生物変異型を、強められた集光に対して増加された集光アンテナレベルおよび増加された集光能力で生成するべく、遺伝子工学によって生成され得る。
【0178】
集光アンテナコンポーネントは、さらに、単位面積膜毎の集光アンテナコンポーネントの数が増加された１または複数の遺伝子学的に調節された光合成微生物種を含む。遺伝子学的に調節された微生物は、微生物の集団において集光アンテナの生成を増加させるべく、遺伝子発現を高めるように誘導され得る。増加された遺伝子発現を誘導するための複数の方法は、トランスポゾンによる遺伝子ノックイン、プラスミドＤＮＡによる導入遺伝子のＤＮＡ組み換え、マイクロＲＮＡ、遺伝子活性化ＲＮＡ、共役およびファージ形質導入を促進するための供与体セルとの共培養を含むがそれらに限定されない。
【0179】
集光アンテナ‐緩衝材のための培地 緩衝系は、液体、ゲルまたはペースト形態にあってよく、特定の実施形態では、塩類、緩衝剤、栄養物、増粘剤および１または複数の他のコンポーネントを含有してよい。いくつかの実施形態において、緩衝系は、また、色素または同様に単純な複光アンテナを含んでよい。複数の特定の実施形態において、緩衝材は、電子供与体、還元剤、塩、アミノ酸、ｐＨ緩衝剤、炭素源、窒素源、硫黄源、酸素源、複数の微量金属、ビタミン補因子、または前述の２または３以上のいずれかの組み合わせを含む。一般に、緩衝材組成は時間と共に、集光アンテナ集団の維持を支持する。さらに、緩衝材は、１または複数の気候においてクローズドシステムの集光アンテナ集団の維持を支持してよい。
【0180】
塩類は、およそ１０ピコグラム／Ｌからおよそ３０グラム／Ｌ、およそ１０マイクログラム／Ｌからおよそ５００ミリグラム／Ｌ、およそ５０マイクログラム／Ｌからおよそ５０ミリグラム／Ｌ、およそ１５マイクログラム／Ｌからおよそ５ミリグラム／Ｌまでに及ぶ複数の濃度において存在してよい。いくつかの実施形態において、塩類は、例えばイオン伝導性レベル、栄養物レベル等の所望される電解質特性を促進する複数の濃度で存在する。いくつかの実施形態において、塩類は、それらの高いイオン伝導性に対して選択される。
【0181】
用いられてよい塩類の複数の例は、塩化アルミニウム、フッ化アルミニウム、アンモニア、重炭酸アンモニウム、クロム酸アンモニウム、塩化アンモニウム、重クロム酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、硝酸アンモニウム、硫化アンモニウム、亜硫酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、過硫酸アンモニウム、過塩素酸アンモニウム、ホウ酸、五フッ化臭素、塩化カドミウム、硝酸カドミウム、セレン化カドミウム、硫酸カドミウム、硫化カドミウム、塩化カルシウム、クロム酸カルシウム、カルシウムシアナミド、フッ化カルシウム、炭酸、塩化クロム、硫酸クロム、塩化クロム、酸化クロム、硫酸クロム、炭酸コバルト、塩化コバルト、硫酸コバルト、塩化銅、酸化銅、硫化銅、炭酸銅、硝酸銅、塩化水素、フッ化水素、硫化水素、ヨウ酸、塩化鉄、酸化鉄、硝酸鉄、チオシアン酸鉄、炭酸マグネシウム、塩化マグネシウム、酸化マグネシウム、リン酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、リン酸マグネシウム、酸化マンガン、硫酸マンガン、塩化マンガン、フッ化マンガン、リン酸マンガン、炭酸ニッケル、塩化ニッケル、硝酸ニッケル、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、硝酸、過塩素酸、五臭化リン、五フッ化リン、五硫化二リン、三臭化リン、三フッ化リン、三ヨウ化リン、塩化白金、フッ化カリウムアルミニウム、ホウ酸カリウム、臭化カリウム、塩化カリウムカルシウム、硝酸カリウム、過塩素酸カリウム、過マンガン酸カリウム、硫酸カリウム、硫化カリウム、硝酸カリウム、クロム酸銀、硝酸銀、酸化銀、硫酸銀、硫化銀、アルミン酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、臭素酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化ナトリウム、重炭酸水素ナトリウム、水硫化ナトリウム、水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム、亜マンガン酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウム、過ヨウ素酸ナトリウム、過硫酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫化ナトリウム、チオシアン酸ナトリウム、二酸化硫黄、硫酸、塩化スズ、塩化チタン、炭酸ウラニル、臭化亜鉛、炭酸亜鉛、塩化亜鉛、フッ化亜鉛、ヨウ化亜鉛、酸化亜鉛、硫酸亜鉛、硫化亜鉛等を含む。
【0182】
緩衝材の栄養物は、生産状態において微生物集団を維持するように選択される。複数の例として、栄養コンポーネントは、硝酸塩類、亜硝酸塩類、アンモニア、硫酸、亜硫酸、リン酸、炭酸、アミノ酸類、糖類、ビタミン類、無機物、金属類および微生物増殖および代謝を支持する他のコンポーネントの全てまたはいくつかを含んでよい。栄養濃度は、およそ３０ピコグラム／Ｌからおよそ３００グラム／Ｌ、およそ１マイクログラム／Ｌからおよそ５００ミリグラム／Ｌ、およそ５０マイクログラム／Ｌからおよそ３０ミリグラム／Ｌ、および１５マイクログラム／Ｌからおよそ５ミリグラム／Ｌまでに及んでよい。
【0183】
色素は、用いられる場合、電子供与体であってよく、および／または他の役割を与えてよい。それらは、波長特有の光を吸収し、吸収されていない波長で光を反射または伝達する。色素は、光エネルギー受信を高めてよく、容器内において周囲環境に光を反射させてよく、隣接する集光アンテナに光を反射させてよく、隣接する微生物に光を反射させてよく、容器内の周囲環境に光を送信してよく、隣接する集光アンテナに光を送信してよく、隣接する微生物に光を送信してよく、光の１または複数の波長範囲を差し引いて（フィルタリング）よく、および／または他の役割を果たしてよい。例として、色素は、例えばカドミウム、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、チタン、亜鉛、銅を含有する色素等、例えばカーボンブラック、アイボリーブラック等の炭素ベースの色素等、クレイアース色素、ウルトラマリン色素、例えばインディゴ、インディアンレッド、チリアンパープル等の生物学的有機色素、および他の生物学的および合成色素等の金属色素であってよい。いくつかの実施形態において、色素は、緩衝系には存在しなくてもよい。いくつかの実施形態において、色素は、緩衝系のおよそ５％からおよそ９０％重量／体積（ｗ／ｖ）、およそ１５％からおよそ７０％（ｗ／ｖ）、およそ２５％からおよそ６０％（ｗ／ｖ）、およそ３５＄からおよそ５０％（ｗ／ｖ）に及ぶ複数の濃度において存在してよい。
【0184】
緩衝材は、栄養物を含んでよく、そうでない場合は廃棄物として扱われてよい。一つのそのような例は、廃水である。廃水において炭素を含有する化合物は、複子を生成するべく微生物に用いられてよい。
【0185】
電子サイフォン。電子サイフォンは、他の要素から電子を受け入れ、そのような電子を伝導および／または半導体の構造によって伝達する電子受容部分を含んでよい。電子サイフォンは、１または複数のそのような電子受容部分を有してよく、１または複数の電子を同時に受容することが可能であってよい。複数の特定の実施形態において、電子サイフォンは、膜を含有する電子供与体から電子を効率的に吸い上げるための膜ドッキング部位を含み、それは、自由なエンティティ、または、例えば集光アンテナ、微生物、電子キャリアタンパク質、および微生物、膜コンポーネント、小胞、葉緑体、ミトコンドリアまたは他の膜においてまたはそれに近接して並べられた他の部分等、別の構造の一部であってよい。より一般的に、電子サイフォンは、任意の形態の電子供与体にドッキングするかまたは単純接触することを容易にする部分を含んでよい。
【0186】
複数の電子サイフォンの複数のコンポーネントは、１または複数の電子キャリアタンパク質、ポリマ、複合物、炭素の合金および混合物、炭素、ケイ素、金属類、コロイド、セラミック、銅、亜鉛、グラファイト、ステンレス鋼、酸化チタン、色素、集光アンテナ、葉緑体類、ミトコンドリア、電子キャリア分子、他の電子受取体分子、およびこれらの任意の組み合わせを含む材料で作成されてよい。いくつかの背景において、電子サイフォンは、電子受容体および電子供与体の両方として見られてよい。それらは、緩衝材において供与体から電子をボルタセルの電流コレクタの方向に向ける。いくつかの実施形態において、電子サイフォンは、初期の電子供与体と電流コレクタとの間の電子リレーシステムとして機能する。電子サイフォン構造物質の例は、炭素、電子キャリアタンパク質、ポリマ、複合物、炭素の合金および混合物、シリカ、金属類、色素、銅、亜鉛、ステンレス鋼、酸化チタンおよび同様のものを含む。
【0187】
電子サイフォンは、非結晶、結晶、または部分的に結晶である複数の構造を含んでよい。構造は、単一の原子の厚さまたは複数の原子の厚さを有してよい。いくつかの実施形態において、電子サイフォンは、単一の形態を有する一方、他の実施形態において、それらは組み合わされ、場合によりそれらは複合体へと組み合される。電子サイフォンは、チューブ、ワイヤ、スパイラル、剛毛、プレート、削りくず、ドット、粒子、球体、薄板、膜、メッシュ、ウェブ、ネットワークおよび同様のもののような形状にあってよい。電子サイフォンフォーマットは、これらの２または３以上が混合された集団を含んでよい。さらに、各電子サイフォンは、１または複数のワイヤ、糸状のもの、ファイバ、チューブ、ドット、プレート、粒子または１または複数のカーボンポリマ、金属、半金属、コロイドまたは電子伝達が可能な他の構造体を含有する他の要素を含んでよい。電子サイフォンの集団は、チューブ、ワイヤ、粒子、ドット、ファイバ、プレート、ネットワークまたは他の集団を含んでよい。
【0188】
電子サイフォンは、例えばアレイ、基質、懸濁液、１または複数の層、ポリマ等の上部構造においてグループ化されてよい。ボルタセルの例えば緩衝材等の他の要素を持ち、サイフォンは、例えばゲル、コポリマ、ペースト、半固体、および任意の他の規則正しいまたはランダム配置等の多くのタイプの構造を想定してよい。
【0189】
電子サイフォンは、それらの役割（例えば、電子をセルにおいて伝導させる、および／または供与体から電子を受容する）に適切なサイズを有する。場合により、それらは、電子供与体と接触面するように形成される。いくつかの実施形態において、サイフォンは、細胞サイズの単位であり、または例えば数十ミクロンからナノメートルのスケールまで等、より小さい。いくつかの実装において、サイフォンは、およそ１―２０ｎｍ（例えば、およそ４―５ｎｍ）の平均直径、およびおよそ１０―５０μｍ（例えば、およそ３０μｍ）の平均の長さを有する。このサイズのサイフォンは、微生物の外部面において配置され得る。合成サイフォンを用いる一定の実装において、サイフォンは、およそ２―１０ｎｍの直径を有してよい。そのようなサイフォンの集合体は、およそ５０―１００ｎｍの寸法を有してよい。合成サイフォンの複数の例は、４―５ｎｍの直径および３０−８０μｍの長さを有する組換えｐｉｌＡポリマを含む。合成サイフォンの複数の他の例は、量子ドット、量子ワイヤ、量子井戸、ナノチューブ、ナノワイヤ、および同様のものを含む。電子サイフォンは、通常、ナノメートル単位の寸法を有するが、例えばマイクロメートルおよびミリメートル等の他のサイズスケールが使用されてもよい。
【0190】
電子伝導ナノ構造に用いられ得る例示的構造は、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノファイバ、量子ドット、デンドリマー、ナノクラスタ、ナノ結晶、およびナノコンポジットを含む。構造は、電子キャリアタンパク質、ポリマ、複合体、炭素（例えば、フラーレン）、ケイ素、金属（例えば、銅）合金（例えば、ステンレス鋼）、セラミック、酸化チタン等を含む様々な物質のいずれからも作成され得る。
【0191】
電子サイフォンは、均一または不均一な組成を有してよい。純粋に均一な実施形態において、電子搬送コンポーネントおよび電子受容要素は、サイフォンを介して密に混合される。不均一な電子サイフォンの例として、構造は、伝導性ロッドを支持基質として含み、電子受容部分およびドッキング部分で均一に被覆されている。別の例において、ドッキングおよび／または電子受容部分は、伝導性基質の一方の側または領域において局在化されてよい。そのようなサイフォン構造は、例えば強磁性ロッドを電子受容部分および／またはドッキング部分を加える間に共通の方向において（サイフォン支持構造のコレクション）を整列させるプロセス等、方向特定の処理メカニズムによって生成されてよい。
【0192】
電子サイフォンは、１または複数のコンポーネントサブユニットを含んでよく、これによってコンポーネントサブユニットが電子供与体と組み合わされる。いくつかの実施形態において、電子サイフォンサブユニットは、電子供与体に接続される。いくつかの実施形態において、電子サイフォンサブユニットは、基質または他の集合体へと接続され、電子供与体に接続される。いくつかの実施形態において、電子サイフォンサブユニットは、電子供与体に個々に接続され、それらの組み合わせは、次に、他の電子サイフォンに接続されてよい。説明されたように、電子サイフォンは、サイフォンの別の構造で受け入れられるかまた配位される電子を伝達するための伝導性または半伝導性材料を含んでよい。電子サイフォンは、電子供与体の存在のもとで、１または複数の電子を同時に受け入れ、配位してよい。電子サイフォンは、電子受容体の存在のもとで、１または複数の電子を供与してよい。
【0193】
電子サイフォンが１または複数の電子を受け入れ配位させる傾向は、部分的には、供与体から電子を受け取るための複数の電子受容部分または配位部分に要求される電位エネルギーによって決定され得る。電子サイフォンの電子適合部分は、電子供与体より小さい全体的な陰性を有してよい。電子サイフォンは、電子供与体より小さい全体的な陰性を含んでよく、電子受容体より大きい全体的な陰性を含んでよい。電子適合部分の複数の例は、アルギニン、リジン、ポリアルギニン、ポリリジン、アンモニウム、テトラブチルアンモニウム、キノン類、ユビキノン類、ビフェニル類、２，２´‐ビピリジン類、アゾ基グループ、アミングループ、ＮＯ２グループ、ＣＮグループ、ナフタルイミド、（６０）フラーレン類、ポリチオフェン類、テルピリジン、イミドグループ、ポリイミドグループ、それらの誘導体または他を含む。
【0194】
電子適合部分は、電子サイフォンの他のコンポーネントと様々な結合化学作用によって共役であり、電子サイフォンと電子適合部分との間において共有結合を与えてよい。
【0195】
電子サイフォンは、微生物またはそれらが接触面を取る膜にドッキングするが、穴を開けない（またはそうでない場合、溶解させない）ように設計されてよい。サイフォンは、代謝的にまたは光合成で生成される電子を吸い上げる良性の付属器官として動作してよい。電子サイフォンは、結合部分を含んでよい。結合部分は、電子供与体または電子供与体を含有する種に対して親和性を有してよい。結合部分の複数の例は、複数の抗体およびそれらのコンポーネント（例えば、Ｆ（ａｂ）およびＦ（ａｂ´）２フラグメント）、タンパク質ドメイン、コレステロール、ホスホイノシチド、リン脂質類、脂質Ａ、リポ多糖体、リポアラビノマンナン、リポタイコ酸、ピリン、ＰｉｌＡおよび同様のものを含む。特定の実施形態において、結合部分は、共有結合の形成を可能にするべく、１または複数の表面残基で電子サイフォンに共役である。
【0196】
特定の実施形態において、膜とドッキングするべく、サイフォンは、疎水性部分を有してよい。しかしながら、全体のサイフォン構造は、この構造が膜に穴を開けさせることから、疎水性であるべきでない。従って、特定の実施形態において、サイフォン構造の一部分は疎水性であって、別の部分は疎水性でない。いくつかの実装において、サイフォン構造の非疎水性部分は、正または負のいずれかに荷電される。正電荷は、膜における電子伝達コンポーネントから電子をサイフォンへ引き付けるべく使用されてよい。
【0197】
基部サイフォン構造が親水性（例えば、金属サイフォン構造）である場合、正の電荷にされる必要ない。その代わりに、膜ドッキングを容易にするべく、一部分が疎水性にされてもよい。基部サイフォン構造が疎水性（例えば、炭素サイフォン構造）である場合、それを疎水性にするための処理は必要ない。その代わりに、それは、一部分を正で荷電するように処理されてもよい。
【0198】
特定の実施形態において、電子サイフォン基部構造は、中性緩衝材において全体に正の電荷を与えるように処理される。これは、サイフォンが疎水性である場合に適切であり得る。疎水性サイフォン物質の複数の例は、炭素（例えば、炭素ナノ構造）、疎水性アクリル、アミド類、イミド類、炭酸塩類、ジエン類、エステル類、エーテル類、フッ化炭素類、オレフィン類、スチレン類、ビニルアセタール類、塩化ビニル類、塩化ビニリデン類、ビニルエステル類、ビニルエーテル類、ケトン類、ビニルピリジンポリマ類、およびビニルピロリドンポリマ類を含む。電子サイフォン物質は、ＡＣタイプのシトクロム、アルギニン、ポリアルギニン、リシン、ポリリシン、プロタミン類、ヒストン類、鉄（ＩＩＩ）、鉄硫黄クラスタおよび同様のものに共有結合して共役であってよく、電子サイフォン物質において、それらの表面は、例えばカドミウム、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、マンガン、マグネシウム、鉄、白金、銅、ロジウム、オスミウム、イリジウムおよび同様のもの等の複数の金属部分を持ってよい。さらに、電子サイフォン物質において、それらの表面は、（ｉ）全体に正の電荷、（ｉｉ）電子結合能力、および（ｉｉｉ）従来型の合成伝導性材料（例えば、カーボンナノチューブ）の毒性効果を中和する能力を有する他の電子結合コンポーネントで改良されてよい。合成電子伝導性材料の改良は、伝導性材料と正電荷電子結合部分との間の求核攻撃および共有結合形成を伴うクリック化学および化学的架橋を含む複数の従来の化学共役技法によって実行され得る。他の方法は、光架橋としてもまた知られる、伝導性材料と正で荷電された電子結合部分との間に形成される共有結合を生成するための求核剤の活性化を誘導するべく、ＵＶ照射の使用を含み得る。一般的に、改良は、サイフォン構造の一部分のみ（例えば、それの端部の部分だけ）をカバーする。
【0199】
すでに述べたように、電子サイフォンは、電子キャリアコンポーネントを含有する微生物、微生物膜、小胞、または他の膜誘導体と相互作用することを容易にするべく、疎水性部分を有し得る。基部素材が疎水性でない場合、改良が、疎水性部分を生成しなければいけない。そのような疎水性部分は、例えばコレステロール、グリセロール‐エーテル脂質類を含有するイソプレン鎖、シクロプロパン類およびシクロヘキサン類または、例えば脂質Ａ等のグリセロール‐エステル脂質類、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルイノシトール、スフィンゴミエリンおよびホスファチジルグリセロール等のステロール類の共有結合の共役によって生成され得る。疎水性処理を必要としてよい物質の複数の例は、金属ナノ構造、半金属、コロイド、複数の複合体、ナノ構造、例えば多糖類等の親水性ポリマ、ポリアミン類、プロテオグリカン類、抗体および同様のものを含む。
【0200】
一例において、１または複数の電子供与体に対して電子サイフォン活性および／または接続性を可能にする生物学的および生化学的部分の結合は、酸活性化を介して達成され、カルボジイミド、アミド化、１−エチル‐３‐（３−ジメチルアミノプロピル）塩酸カルボジイミド、Ｎ‐ヒドロキシスクシンイミドまたは他の追加がそれに続く。
【0201】
いくつかの態様において、微生物細胞集団は、電子サイフォン集団と混合される。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団は、およそ１：１の比率、およそ１：２の比率、およそ１：３の比率、およそ１：４の比率、およそ１：５の比率、およそ１：６の比率、およそ１：７の比率、１：１０の比率、およびおよそ１：３０の比率で電子サイフォン集団と混合されてよい。
【0202】
いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、電子サイフォン集団と混合されてよい。いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、およそ１：０．５の比率、およそ１：１の比率、およそ１：２の比率、およそ１：３の比率、およそ１：４の比率で電子サイフォン集団と混合されてよい。
【0203】
いくつかの実施形態において、電子サイフォン集団は、微生物細胞集団と混合されてよく、集光アンテナ集団と混合されてもよい。集光アンテナ集団は、微生物細胞集団の吸収パターンを補完する波長範囲の光を吸収する人工的および／または自然に発生するアンテナを含んでよい。いくつかの実施形態において、電子サイフォン集団は、微生物細胞集団と混合されてよく、集光アンテナ集団と、およそ０．５：１：１の比率、およそ１：１：１の比率、およそ２：１：１の比率、およそ３：１：１の比率、およそ４：１：１の比率、およそ５：１：１の比率、およそ６：１：１の比率、およそ１０：１：１の比率、およそ１５：１：１の比率、およそ３０：１：１の比率、およそ４０：１：１の比率、およそ０．５：１：２の比率、およそ１：１：２の比率、およそ２：１：２の比率、およそ３：１：２の比率、およそ４：１：２の比率、およそ５：１：２の比率、およそ６：１：２の比率、およそ１０：１：２の比率、およそ１５：１：２の比率、およそ３０：１：２の比率、およそ４０：１：２の比率、およそ０．５：１：３の比率、およそ１：１：３の比率、およそ２：１：３の比率、およそ３：１：３の比率、およそ４：１：３の比率、およそ５：１：３の比率、およそ６：１：３の比率、およそ１０：１：３の比率、およそ１５：１：３の比率、およそ３０：１：３の比率、およそ４０：１：３の比率、およそ０．５：１：４の比率、およそ１：１：４の比率、およそ２：１：４の比率、およそ３：１：４の比率、およそ４：１：４の比率、およそ５：１：４の比率、およそ６：１：４の比率、およそ１０：１：４の比率、およそ１５：１：４の比率、およそ３０：１：４の比率、およそ４０：１：４の比率、およそ０．５：１：５の比率、およそ１：１：５の比率、およそ２：１：５の比率、およそ３：１：５の比率、およそ４：１：５の比率、およそ５：１：５の比率、およそ６：１：５の比率、およそ１０：１：５の比率、およそ１５：１：５の比率、およそ３０：１：５の比率、およそ４０：１：５の比率、およそ１：１：６の比率、およそ２：１：６の比率、およそ３：１：６の比率、およそ４：１：６の比率、およそ５：１：６の比率、およそ６：１：６の比率、およそ１０：１：６の比率、およそ１５：１：６の比率、およそ３０：１：６の比率、およそ４０：１：６の比率、およそ２：１：７の比率、およそ３：１：７の比率、およそ４：１：７の比率、およそ５：１：７の比率、およそ６：１：７の比率、およそ１０：１：７の比率、およそ１５：１：７の比率、およそ３０：１：７の比率、およそ４０：１：７の比率、およそ２：１：８の比率、およそ３：１：８の比率、およそ４：１：８の比率、およそ５：１：８の比率、およそ６：１：８の比率、およそ１０：１：８の比率、およそ１５：１：８の比率、およそ３０：１：８の比率、およそ４０：１：８の比率、およそ２：１：９の比率、およそ３：１：９の比率、およそ４：１：９の比率、およそ５：１：９の比率、およそ６：１：９の比率、およそ１０：１：９の比率、およそ１５：１：９の比率、およそ３０：１：９の比率、およそ４０：１：９の比率、およそ２：１：１０の比率、およそ３：１：１０の比率、およそ４：１：１０の比率、およそ５：１：１０の比率、およそ６：１：１０の比率、およそ１０：１：１０の比率、およそ１５：１：１０の比率、およそ３０：１：１０の比率、およそ４０：１：１０の比率、およびおよそ４０：１：２０までの比率で混合されてよい。
【0204】
電子サイフォンは、開示される実施形態の集光アンテナコンポーネントに直接隣接して配置されてよい。さらに、開示される実施形態の電子サイフォンは、集光アンテナコンポーネント集団の光子介在励起によって生成される自由電子のスカベンジ作用のために、電子キャリアコンポーネントに直接隣接して配置され得る。電子サイフォンは、微生物の表面、微生物由来の膜コンポーネントまたは小胞に沿って、埋め込まれた集光アンテナコンポーネントと共に配置され得る。
【0205】
上記の処理は、電子サイフォンを、直接隣接して配置される場合（すなわち、ドッキングされている、埋められているまたは固定されている（例えば、抗体‐抗原免疫複合体）またはその他）、微生物または微生物由来の膜コンポーネントの感光性を維持する様式で改良する。さらに、微生物の代謝活性および微生物膜においての電子キャリアコンポーネントの電子伝達能力が、そのような複数の電子サイフォンがドッキングされる場合に保存されてもよい。
【0206】
さらに、ナノスケールのユニットを渡る方向性のある電子流を可能にするべく、集光アンテナコンポーネントから直接、電子スカベンジ作用のためにバイオセーフに改良されたナノ構造ユニットが開示される。さらに、改良されたナノスケールコンポーネントの集団を渡る方向性のある電子流を可能にするべく、集光アンテナコンポーネント集団から直接、電子スカベンジ作用のためにバイオセーフに改良されたナノスケールのユニットの集団が開示される。
【0207】
いくつかの実施形態において、電子サイフォンは、１または複数の集光アンテナを有する微生物膜に接触することが可能な、正電荷を持つ電子受容体分子に（例えば、共有結合で）結合された電気的に伝導性または半導体の物質を含んでよい。開示される実施形態の正電荷を持つ電子受容体分子は、アルギニン、リジン、ポリアルギニン、ポリリジン、熱的に安定な電子キャリアタンパク質またはそれらの誘導体、または他を含んでよい。
【0208】
容器は、改良された伝導性ナノスケールコンポーネントの層と並列され、電子流導管プレートと並列され、絶縁射出成形重合体の側壁およびバッキングユニットと並列されたガラスパネルと並列された集光アンテナコンポーネント集団の層を生成する様式において製造され得る。改良された伝導性ナノスケールコンポーネントは、散布、ローリングおよび印刷することによって、電子流導管プレートに加えることができる。いくつかの実施形態において、事前に混合された溶液の添加は、集光アンテナコンポーネント集団および改良された伝導性ナノスケールコンポーネントを含み、ここで、溶液は、光変換システムの電子流導管プレートに直接向けられる開示される実施形態のｐＨ緩衝化された電解質溶液である。
【0209】
実施形態の光変換システムは、大きな温度範囲に耐えるように構築され、最小の屈折特性での光浸透性が最適化された強化ガラストッププレート（図３、１００２）と、ガラストップの周りに漏れ防止密封材を生成し電解質の緩衝液（１００４）の損失を防ぐための１または複数の耐ＵＶガスケット（１００３）と、光吸収効率を最大化するようにある方向における集光アンテナコンポーネント集団（１００５）であって、光子励起される電子のスカベンジ作用および集光アンテナ集団から離れて伝導性バックプレート（例えば、電流コレクタ）の方向への注ぎ込みを最大化するように伝導性ナノ材料（１００６）の層と並列されており、伝導性バックプレートは次に、電流を外部回路（１００７）へ向ける、集光アンテナコンポーネント集団、とを含む。表わされる実施形態において、光変換システムの大部分は、電解質緩衝溶液、絶縁壁内に含まれる集光アンテナコンポーネント集団および伝導性ナノスケールコンポーネントへのアクセスを可能にするための１または複数のアクセスポートを含む、射出成形重合体絶縁の側壁およびバッキングフレーム（１００８）の筐体を有する。
【0210】
さらに、本明細書において提示されるのは、集光アンテナ分子においての光媒介の電子励起から、ナノスケールコンポーネントの集光アンテナコンポーネント集団（２００３）に対する直接的な接触を通して生成される励起電子をスカベンジ（scavenge）するための複数のバイオセーフに改良されたナノスケールコンポーネント（図４、２００２）の使用である。
【0211】
いくつかの実施形態において、微生物は、過剰電子（光合成でまたは代謝的に生成される）を除くべく、電子伝導ナノ構造を有するように選択されるか、またはそれらの形成するように誘導されてよい。そのような構造は、微生物の解剖学的拡張である。そのような構造は、小線毛、線毛、分泌システム（タイプＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、およびＩＶ）ならびにエキソソーム類であり得る。そのような構造の組成は、タンパク質、プロテオグリカン、リポソーム、リポ多糖体を含み得る。特定の実施形態において、そのような微生物ナノ構造は、電子的に伝導性のアノードまたはアノードに取り付けられた伝導性ネットワークに直接結合する。構造は、光への露出（レンズを通して、増加された強度）、栄養物への露出または遺伝子工学的アプローチを通して解剖学的な伸展を生成することに含まれる遺伝子産物をコードする遺伝子の上方調節を追加することによって誘導され得る。
【0212】
電子サイフォン母材。いくつかの実施形態において、ボルタセルは、１または複数の電子サイフォン母材を含んでよい。母材は、ネットワークまたはポリマの中に配置された電子サイフォンサブユニットのアレイを含んでよい。ネットワークまたは高分子母材は、複数のサブユニットの共有結合を通して、およびサブユニットの静電相互作用を通して製造されてよい。
【0213】
いくつかの実施形態において、微生物細胞集団は、電子サイフォン母材と直接共役している。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団は、電子サイフォン母材へと直接吸収される。いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、電子サイフォン母材と直接共役している。いくつかの実施形態において、集光アンテナ集団は、直接電子サイフォン母材に吸収される。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団および集光アンテナ集団は、電子サイフォン母材に直接共役している。いくつかの実施形態において、微生物細胞集団および集光アンテナ集団は、電子サイフォン母材に吸収される。
【0214】
いくつかの実施形態において、付加的な電子伝導性材料は、電子サイフォン母材に直接共役している。いくつかの実施形態において、電子伝導性材料は、電子サイフォン母材に直接吸収される。いくつかの実施形態において、電子伝導性材料は、半透性障壁によって電子サイフォン母材から離される。
【0215】
電子サイフォンおよびボルタセル配置。配置１．電子サイフォンおよび電子供与体集団配置。
いくつか例において、ボルタセルにおいて電子供与体集団のメンバーから生じる電子は、ボルタセルへの光子エネルギー通過によってより高いエネルギー状態へと励起されてよい。いくつかの例において、ボルタセルにおいて電子供与体集団のメンバーから生じるの電子は、生化学的反応における共有結合エネルギーの加水分解によって生成されてよい。いくつかの例において、電子供与体集団は、複数の集光アンテナを含んでよい。いくつかの例において、電子供与体集団は、複数の色素を含んでよい。いくつかの例において、電子供与体集団は、複数の微生物細胞を含んでよい。電子供与体集団のメンバー（図６、６０１から６１１）から生じる（複数の）電子が、電子サイフォン集団（図６、６１２）のメンバーによって捕捉されてよい。電子サイフォン集団は、電子をボルタセルの電流コレクタまたは電子的に伝導性の部分の方向に向かわせ、それは、電子を外部負荷に提供する。電子供与体集団から捕捉される電子は、ある方向に流れる（図６、６１３）。電流としてもまた呼ばれる電子流の方向は、ボルタセル内で自発的に生成される電位差によって、ボルタセル内で確立されてよく、任意に、ボルタセル内に極性を確立する外部のデバイスによって促進化されてよい。電流の方向は、部分的には、ボルタセルにおいて電子サイフォン集団の配置によって生成されてよい。電流の方向は、ボルタセルを渡って加えられる電位によってさらに影響を受けてよい。電子サイフォンは、様々な電子サイフォンが第２電子サイフォンに直接的に接続してよく、第１電子サイフォンが電子供与体から電子を受け入れてよく、第２電子サイフォンが第２電子サイフォンに接続されてよい様式において配置されてよい。
【0216】
配置２．電子サイフォンおよび微生物細胞集団の第２配置。いくつかの例において、複数の電子サイフォンの混合物（図７、７０６）および電子供与体集団の複数のメンバーの混合物（図７、７０１から７０５）の単純な配置は、ボルタセルにおいて置かれてよい。電子供与体集団の電子供与体は、微生物、色素、集光アンテナまたは他を含んでよい。電子サイフォン集団の電子サイフォンは、伝導性ナノ粒子、伝導性ナノワイヤ、伝導性ナノチューブ、伝導性メッシュ、伝導性プレートおよび／または他の要素を含んでよい。電子供与体によって生成される電子は、電子の供与体からサイフォンまでの（また中間電子受取体もあってよい）移動イベントを通して、電子サイフォンによって吸い上げられてよい。電子サイフォンは、様々な電子サイフォンが１または複数の電子供与体と並列して配置されてよい様式において配置されてよい。電子サイフォンは、１または複数の電子サイフォンが、１または複数の電子供与体に直接接続し、電子供与体から電子を受け入れてよい様式で配置されてよい。１または複数の電子供与体は、供与体からボルタセルの電流コレクタまでの電子伝導経路において、ノードまたは経路要素として機能する。
【0217】
配置３．いくつかの電子サイフォンの配置。いくつかの例において、炭素のポリマ（図８（Ａ‐Ｃ））は、電子サイフォンにおいての伝導性材料であってよい。炭素ポリマのこの形態は、薄板、膜、メッシュ、プレート、ファイバ、チューブ、ワイヤ、ドット、粒子または他を含んでよい。いくつかの例において、電子サイフォンは、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノファイバ、ナノ粒子または他を含んでよい（図８（Ａ）、８０２）。いくつかの例において、電子サイフォンは、中空チューブ、ワイヤ、小線毛、ファイバ、編組または他を含んでよい（図８（Ｂ））。いくつかの例において、電子サイフォンは、ドット、ナノ粒子、ミクロ粒子、球、楕円体、多面体、中空多面体または他を含んでよい（図８のＣ）。電子サイフォンの改良は、例えば酸活性化等の従来の活性化技法を用いて成されてよく、それは、電子サイフォンの１または複数の残留物において反応性化学部分を生成し得る。付加的な改良が、ＮＨＳ、スルホ‐ＮＨＳ、ＥＤＣ、ＢＭＰＨまたは他のリンカーの存在のもとで生成されてよい。
【0218】
配置４．電子サイフォンの変更されたアレイ。電子サイフォンは、本質において伝導性または半伝導性であってよく、アレイの一端部から他端部までの電子の進行を促進する様式で配置されてよい。電子サイフォンの配置は、例えばファンデルワールス力等の自然の特性によって操作されてよく、あるいは、例えば電子サイフォンのアレイへの共有結合等の合成手段によって操作されてもよい。一例において、電子サイフォンの均質のコレクション（図９（Ａ）、９０３）が配列されてよく、ここで、電子サイフォン（９０１）は、アレイ（９０３）の第２電子サイフォンと接触してもよい。特定の実施形態において、電子サイフォンは、アレイにおいて隣接する電子サイフォンの間でのリンケージを促進し、電子の伝達を促進し、電子供与体のドッキングを促進し、電子伝導性材料または他のためのドッキング部位として機能するための改良（９０２）を含む。場合により、リンケージは、およそ０から２オングストロームの単位である。別の例において、電子サイフォンの不均一のアレイ（図９（Ｂ）、９０５）は、不均一な電子供与体集団から電子の有効な受け入れおよび移動を促進する電子サイフォンのアレイを生成するべく、はっきりと異なる電子サイフォン特性を有する電子サイフォンタイプ（９０１）が、異なる電子サイフォン特性を有する第２電子サイフォンタイプ（９０４）と組み合わされてよい様式において配列されてよい。複数のアレイのこれらのタイプは、様々な機能を果たし、様々な改良の存在に依存してよい。いくつかの例において、改良は、例えば正に荷電されたアミノ酸、カチオン性脂質、カチオンまたは他等であるがそれらに限定されない正電荷部分と例えば、疎水性化学物質、両性イオンまたは他等であるがそれらに限定されない中性の荷電部分と、例えばニトロン、１，２‐双極子、１，３‐双極子、アミン、酸化物類または他等の双極性分子と、例えば抗体、レセプター、リガンド、ＮＡＤ＋、ＮＡＤＰ＋、ＦＡＤ、ＦＭＮ、ＦｅＳクラスタ、ヘム、補酵素Ｑまたは他等の結合分子と、例えば酸素展開の複合体、酸化還元酵素または他等の酵素との直接的な共役を含んでよい。
【0219】
配置５．代謝プロセスから生成される電子を捉えるための電子サイフォンの使用。イオンの膜を渡る動きは、（ｉ）イオンを含む化学種の確立された濃度勾配によって引生じる拡散力、および（ｉｉ）カチオン（例えば、プロトン（Ｈ＋））は、電位を拡散させ、アニオン（例えば、ＯＨ−）は反対方向に拡散する傾向がある電位勾配によって生じる静電力の２つの要因に依存する。これらの２つの勾配をまとめて、電気化学的勾配として表わしてよい。生体セルおよびリポソームにおいて、脂質層は、イオン通路に対する障壁として動作してよい。電位エネルギーは、脂質層を渡って電気化学的差の蓄積の結果として生じてよく、このエネルギーは使用のため保存されてよい。生体細胞膜において、プロトンは、アクティブな伝達様式で流れ、膜を渡ってｐＨおよび電荷差をセットアップする。それは、膜を隔てたプロトンおよび電圧勾配の組み合わせとして保存される電位エネルギー（プロトン濃度および電位の差）の測定として説明され得る。電気勾配は、（プロトンＨ＋が、塩化物Ｃｌ−等の対イオン無しで移動する場合）膜を隔てた電荷分離の結果である。生体システムにおいて、電気化学的勾配は、しばしば、プロトン駆動力（ＰＭＦ）として機能する。
【0220】
いくつかの例において、電子供与体は、微生物細胞である。普通微生物細胞である、ＰＭＦは、微生物細胞膜において電子伝達鎖によって生成され（図５）、それは、プロトンポンプとして動作し、酸化電子キャリア（図１０のＡ、１００４）を生成する還元電子キャリアの酸化イベントから電子のエネルギーを用いて（図５）プロトン（水素イオン、図１０のＡ、１００６）を、膜を横断して周囲環境に汲み出し（図１０のＡ、環境電子、１００９、環境、１００７）、エネルギー反応のセル（１００２）の中に微生物細胞（１００８）に再び入ってよい別個の電子（１００５）を生成するべく膜を隔てて電荷を分離する。
【0221】
いくつかの例において、電子供与体はミトコンドリアであり、電子伝達鎖によってリリースさえるエネルギーは、ミトコンドリアマトリックスからのプロトンをミトコンドリアの膜間の空間に移動させるべく用いられる。プロトンをミトコンドリアから移すことにより、正荷電のプロトンのより低い濃度をその内側に形成し、膜の内側においてわずかに負の電荷を結果として生じる。電位勾配はおよそ−１７０ｍＶである。ミトコンドリアにおいて、ＰＭＦは、ほぼ完全に、電気コンポーネントから成っているが、葉緑体類において、ＰＭＦは、プロトンＨ＋の電荷がＣｌ−および他のアニオンの動きによって中性化されることから、ほとんどｐＨ勾配で成る。いずれの場合においても、ＰＭＦは、ＡＴＰを形成するためのＡＴＰ合成酵素に対しておよそ５０ｋＪ／ｍｏｌでなければいけない。
【0222】
一例において、電子サイフォン（図１０のＢ、１０１０）は、電子伝達鎖をホストする膜（図１０のＢ、１００１）の外面と接触してよい。電子伝達鎖は、生化学的および／または光化学的反応から電子およびプロトンが、還元電子キャリア（図１０のＢ、１００３）によって供給され、それらは、膜の電子伝達鎖のメンバーによって酸化（１００４）されてよい。電子（１００５）のプロトン（１００６）からの分離は、膜内の様式で生じてよい。プロトンは、従来の様式で環境（１００７）へと放出される（１００９）。電子（１０１１）は、電子サイフォン（１０１０）が膜（１００１）の隣にあり得るか、それに接触し得るか、それに共有結合によって結合され得るか、または膜内に埋め込まれ得る場合、電子サイフォンによって捕捉され得る。
【0223】
配置６．リポソームから生成される電子を捉えるための電子サイフォンの使用。色素、集光アンテナ、および夫々（図１１のＡ、１１０３および１１０４）リポソームの内側およびリポソーム膜（図１１のＡ、１１０１）における電子伝達鎖の複数のコンポーネントにある複数の還元および酸化電子キャリア等の複数の集光化学物質を含有する集光性リポソームは、電子供与体として機能してよい。光エネルギーの捕捉および後に続く高エネルギー電子の形態へのエネルギー転換は、電子が電子キャリアによって捕捉されることを可能にしてよく（図１１のＡ、１１０３）、それは、次に、その電子を電子伝達鎖へ移動し（図１１のＡ、１１０１）、酸化電子キャリアを再生成する（図１１のＡ、１１０４）。電子伝達鎖の化学物質は、プロトン（図１１のＡ、１１０６）および電子（図１１のＡ、１１０５）を分離することが可能であってよい。これらの条件のもとで、リポソームは、電子を環境に伝送しなくてよく（図１１のＡ、１１０８）、電子は小胞内に向けられるであろう。電子サイフォンの存在のもとで（図１１のＢ、１１１０）、電子伝達鎖を含むリポソーム膜の外面と接触してよい（図１１のＢ、１１０１）。電子サイフォンは、電子伝達鎖において電子の経路を方向転換するのに用いられてよく、電子の捕捉を促進してよい（図１１のＢ、１１１１）。
【0224】
配置７．ボルタセルの側面図。この例において、ボルタセルは、容器の１または複数の表面において電子伝導性材料（１２０２）を含む容器（図１２、１２０１）を含む。容器は、さらに、電子伝導性材料（１２０２）と１または複数の電子供与体（１２０６）に接触することが可能な異なる電子伝導性材料との間の判別可能な障壁として機能するための半透性膜（１２０３）を含む。２オングストロームから５０ｃｍまでに及ぶ空間（１２０７）は、半透性膜（１２０２）と電流コレクタ（１２０４）との間に存在してよい。電子的に伝導性の特性は、膜（１２０２）から電流コレクタ（１２０４）への電子の伝導を可能にするべく、空間（１２０７）へと入り込む。緩衝材または他のイオン伝導性培地が空間に存在してもよい。容器は、さらに、電子供与体と接触してもよく、緩衝系（１２０８）と接触してもよい電子サイフォン（１２０５）の配置を含む。
【0225】
配置８．ボルタセルチューブ。一例において、フレキシブルな透明チューブ（図１３、１３０１）は、膜を隔てて化学電気ポテンシャルを生成するべく、電子供与体集団（１３０５）から半透性膜（１３０３）によって離されてもよい電子伝導性材料（１３０４）を含有するボルタセル（１３０２）を含んでよい。この実施形態において、チューブは、ボルタセル容器として機能し、流れる緩衝溶液のための導管として機能する。管状容器は、覆われてよく、またはそうでない場合はボルタセルに関連する棒の形状または他の構造に適合されてよい。
【0226】
配置９．ボルタセルピラー。この例において、複数のボルタセル（図１４、１４０２）は、電子伝導ベース（１４０１）において配置される。ボルタセルは、各々、透明容器を含み、各容器はピラーまたは他の鉛直構造にある。各容器は、電子伝導性材料（１４０３）を囲む電子サイフォン配置（１４０５）と混合される電子供与体集団（１４０６）を含んでよい。膜を隔てて化学電気ポテンシャルを促進するべく、電子伝導性材料（１４０３）を囲んで半透性膜（１４０４）があってよい。
【0227】
配置１０．ボルタセルにおける回路接続の配置。一例において、ボルタセルは、電子伝導性材料（またカソードとしても呼ばれる）（図１５、１５０３）を含んでよい。カソードは、電子伝導ワイヤリード（１５０７）に接続されてよい。カソードは、第２電子伝導性材料（アノードとして呼ばれる）（１５０１）の間に電荷分離を生成するべく、半透性膜（１５０２）によって被覆されてよい。この例において、電子サイフォン集団（１５０５）は、アノード（１５０１）に接触するように配置されてよく、供与体集団から電子を採取し、アノードへ電子を伝送するべく、電子供与体集団（１５０４）との接触面として機能してよい。電子は次に、第２伝導性ワイヤ（１５０６）へと、最終的にグリッドへと進行してよい。
【0228】
配置１１．平行な様式においての電子サイフォンにおける電子供与体の配置。一例において、電子供与体（図１６、１６０５）は、電子サイフォン配置（１６０１）でドッキング（１６０６）されてよい。ドッキングは、共有結合形成、親和性媒介の相互作用（例えば、抗体‐リガンド駆動の親和性、疎水性‐疎水性相互作用、または他）、または他を含んでよい。電子供与体（１６０５）からの電子流は、供与体から電子サイフォン（１６０１）へ、ボルタセルの伝導性電子材料の方向へと進んでよい。
【0229】
一例において、２以上の電子供与体（１６０５および１６０７）は、電子サイフォン配置（１６０２）にドッキングされてよい。ドッキングは、１または複数の様式（１６０６および１６０５）によって媒介されてよい。電子流は、各電子供与体から電子サイフォン配置（１６０２）へと、ボルタセルの伝導性電子材料の方向に生じてよい。
【0230】
一例において、２以上のドッキング部位（１６１０）が、電子供与体（１６０９）と電子サイフォン配置（１６０３）との間に存在してよい。電子流は、電子供与体から２以上のドッキング部位を介して電子サイフォン配置へ生じてよい。
【0231】
一例において、２以上の電子供与体は、電子サイフォン配置（１６０４）でドッキングされてよい。この例において、電子供与体（１６１１および１６１２）は、２以上の方法によってドッキングされてよく、電子を同時に並行する様式で同じ電子サイフォン配置に移動してよく、電子流は、電子サイフォン配置において一方向（１６１３）にある。
【0232】
電子サイフォン配置の表面に沿って２以上の地点で電子供与体のドッキングされた配置は、増加した電子採取を可能し、増加した電子流（また電流として知られる）を生じさせ得る。この例は、増加した電流を生成するための回路において用いられる並列要素の設計を説明する。
【0233】
配置１２．複数のボルタセルの直列配置。複数のボルタセルの直列配置は、電圧および電流を不釣り合いに増加させ得る。この配置において、パネル（図１７、１７０１）は、様々なボルタセル（１７０２）を含んでよく、各々はカソードワイヤ（１７０６）およびアノードワイヤ（１７０５）を有し、それをカソード（１７０４）およびアノード（１７０３）のグリッドに夫々接続する。パネルは、カソードおよびアノードのアレイを含んでよく、マスタカソードワイヤ（１７０７）およびマスタアノードワイヤ（１７０８）に夫々接続されてよい。
【0234】
配置１３．ボルタパネルおよびバッテリー。この配置において、ボルタパネル（図１８、１８０１）は、グリッド（１８０４）に接続されてよく、ワイヤ（１８０３）を通ってバッテリー（１８０２）にもまた接続されてよい。いくつかの例において、バッテリーは、外部の極性生成媒体としての役割を果たし、ボルタパネルの極性は、ボルタパネルへと通じるバッテリーの正および負の電極によって決定されてよい。加えられたポテンシャルは、特定の微生物、集光アンテナまたはボルタセルの他のコンポーネントの活性度を活性化または強化してよい。いくつかの例において、ボルタパネルから生成される過度な出力は、バッテリーに保存されてよい。
【0235】
配置１４‐浸水可能なボルタセル。水由来の電気に対する浸水可能なボルタデバイスは、負荷を介して接続された２つの電極を含んでよく、浸される場合、異なる電気化学ポテンシャルを有する。いくつかの例において、デバイスは、水体において完全に浸されてよい。複数の他の例において、デバイスの一部分が、水体に浸されてよい。複数の水体の例は、プール、池、湖、ストリーム、川、港、海洋または人工の水路を含んでよい。
【0236】
いくつかの実施形態において、水体においての発電のためのボルタセルは２つの電極を含み、１つの電極は、微生物が電極に接触することを防ぐが、イオンが通ることを許容するべく、電極を囲んで半透性膜を有する。膜は、全体で中性またはわずかな電荷を有してよく、電子および／または周囲の培地の複数のアニオンを１つの電極から反発してよい。膜は、また、およそ０．２２ｕｍより小さいまたはそれに等しい孔直径も有してよい。膜材料の例は、ポリプロピレン、ナイロン、シリカ、または他を含む。膜は、電極の表面に直接取り付けられてよく、または電極を囲むケージにあってもよい。
【0237】
電極は、固体または半固体の形態を含んでよく、プレート、メッシュ、格子、剛毛、泡状物質、クラスタ、乳剤類または他として構造化されてよい。電極表面は、平坦であってよく、小さな斑点で覆われていてよく、曲線的であってよく、円周であってよく、非対称またはその他であってよい。
【0238】
いくつかの実施形態において、電極は、およそ１０オングストロームからおよそ１０ｍｍの距離を複数の電極間で有する、空間的に離される様式で、配置されてよい。他の実施形態において、電極は、およそ１０ｍｍからおよそ０．５ｍの空間を複数の電極間で有する、空間的に離される様式で配置されてよい。さらに他の実施形態において、電極は、およそ０．５ｍからおよそ２ｍまで空間的に離されてよい。いくつかの実施形態において、電極は、静止面に固定されてよい。他の実施形態において、電極は、ワイヤまたは他の伝導性材料によって繋がれてよく、水性の環境において可動であってよい。
【0239】
他の形態において、１つの電極は、電子サイフォンの集団に接触する。場合により、複数の電子サイフォンは、共有結合性、静電のまたは他の力によって電極に取り付けられる。電子サイフォンは、電極表面に取り付けられる、または表面上に直接配置される前に集合で配置されてよい。いくつかの実施形態において、電子サイフォンは、電極表面上に被覆されてよい。コーティングは、一定間隔でまたは一定でない間隔で堆積されてよい。複数の電子サイフォンコーティングは、連続的に加えられてよく、電子サイフォンの第１層が加えられ、異なる電子サイフォンの第２層が加えられてよい。いくつかの実施形態において、電極表面は改良される。いくつかの実施形態において、電極表面は改良される。電極は、電子サイフォン取り付け前に、最初に処理されてよい。処理は、酸処理、熱処理、酸化化学処理または他を含んでよい。いくつかの実施形態において、電極表面は、およそ１―５００ｍM ＨＣｌ、過塩素酸、ギ酸、酢酸または他で処理されてよい。いくつかの実施形態において、電極表面は、熱で処理されてよい。他の実施形態において、電極表面は、過酸化水素、超酸化物、水酸化塩基類、および他の電極表面の酸化が可能な化学物質で処理されてよい。所望される処理は、電極の電気的伝導能力を中断しない。
【0240】
電極表面処理の一つの目的は、電子サイフォンの取り付けのための反応基を生成することである。電子サイフォンの取り付けに対応し得る電極表面においての反応基の例は、−ＯＨ、−ＳＨ、−Ｓ＝Ｏ、エポキシド類、−ＣＯＯＨ、Ｃ＝Ｏ、−Ｈ、−ＮＨ、−ＮＨＳ、−ＮＨ２、−ＮＨ３、アジド類、フルオロベンゼン類、イミド類等を含む。いくつかの実施形態において、電子サイフォンの処理された電極表面への取り付けは、ファンデルワールス力、静電力または共有結合を通して生じてよい。いくつかの他の実施形態において、取り付けは、結合および複数の力の組み合わせによって円滑化されてよい。電極表面の以下の処理、電極表面の第２処理が実行され、必要に応じて複数の共有結合部分を生成してよく、共有結合によって電子サイフォン付着をさらに容易にしてよい。
【0241】
電子サイフォンは、芳香族アミノ酸類、ベンゼン類、正電荷のアミノ酸類、フェノール化合物、芳香族化合物、鉄硫黄クラスタ、カロチノイド類、色素、タンパク質類、タンパク質フィラメント等を含んでよい。電子サイフォンは、また、ｇｒａｐｈｅｍｅ、炭素、金属、半金属、複合物、コロイドまたは他を含む構造化された配置も含んでよい。いくつかの例において、複数の電子サイフォンは、改良されてよい。電子サイフォンの改良は、１または複数の追加の電子サイフォンの取り付けを含んでよい。いくつかの例において、電子サイフォンに対する改良は、ボルタセルにおいてそれらを配置する前に生じてよい。他の例において、電子サイフォン改良は、ボルタセルにおけるそれらの配置に続いて生じてよい。
【0242】
一例において、電子サイフォンの事前の配置の一部分は、芳香族アミノ酸類、フェニルアラニン、トリプトファン、チロシンまたは他で活性化され改良されてよい。別の例において、電子サイフォンの事前の配置の一部分は、色素で活性化され改良されてよい。別の例において、電子サイフォンの事前の配置の一部分は、ＰｉｌＡ、Ｃ型シトクロム、ＯｍｃＺ等で活性化され改良されてよい。
【0243】
電子サイフォンで改良された電極は、複数の微生物を含有する水体から電子を採取してよい。複数の電極の水中への出現は、測定可能な電流を生成し得る。増加した電流は、電子サイフォンで改良された電極と共に生成されてよい。電子サイフォンの使用は、（ｉ）それらは電極の表面積を増加させてよく、（ｉｉ）それらは、水体において微生物に接触する部位を提供してよく、（ｉｉｉ）それらは、電子採取の部位を提供してよく、（ｉｖ）それらは、動的流体と接触面を取る三次元の面を提供してよく、（ｖ）それらは、機械的な力が加えられる場合に衝撃の固体表面として機能してよい、または他等、複数の目的を果たす。
【0244】
微生物を含む動く水体は、微生物表面と電極との間で衝突頻度を増加させてよい。電子サイフォンを含む電極は、さらに、表面積を増やしてよいことから、微生物と電極との間で生じ得る衝突の数を増加させる。電極における電子サイフォンの最適な数、配置および組成は、水性微生物の膜から電極の面への電子移動をさらに増加させてよい。移動する水体の例は、海洋域、湖、池、ストリーム、および川、ならびにダム、高架橋、送水路、運河または他等の人工水路を含む。
【0245】
一例において、ボルタセルは、２つの電極を含み、そのうち１つは半透性膜で被覆されており、その膜は、（微生物が電極に接触することを避けるべく）およそ０．２μｍの排除限界を有する。他の電極は、電子サイフォンで被覆されてよい。電極を含むボルタセルの一部分は、水性の環境に浸される。水性微生物の電極との相互作用は、受動的であるか、または円滑化されてよい。微生物膜から電極への電子移動は、波の作用等の外部の物理的力が加えられる場合に増加され得るレートで生じてよい。微生物表面に加えられる力は、電極における電子サイフォンによって捕捉されてよい追加の電子を取り除いてよい。一例において、ボルタセルは、複数の電極を含み、それのサブセットは、半透性膜で被覆される。それの他のサブセットは、電子サイフォンで改良されてよい。
【0246】
外部の放射を方向付けるための光コンポーネント。ミラー、レンズ、フィルタ、屈折素子、または他の幾何的光学コンポーネントが、ボルタセルの容器において配置されてよく、またはその容器の外部に配置されて光エネルギーを容器へと反射させるかまたは集中させてよい。いくつかの実施形態において、ミラーは、光合成微生物細胞集団を含有するボルタセルに用いられてよい。ミラーは、光を反射させるかまたは集中させることが可能な反射面を含んでよい。光起電特性を持つボルタセルは、最大の光受容能力のために光を方向付け、光をフォーカスするための２以上のミラーおよび２以上のレンズを含んでよい。
【0247】
レギュレータ。ボルタセルは、ボルタセルの１または複数の特徴に影響を与えるべく制御コンポーネントを含むレギュレータサブシステムを含んでよい。いくつかの実施形態において、レギュレータサブシステムは、以下の複数の特徴、電子伝導速度、イオン伝導速度、光偏光、還元剤濃度、酸化剤濃度、炭素源濃度、窒素濃度、リン濃度、硫黄濃度、痕跡ミネラル濃度、補因子濃度、キレート剤濃度、ｐＨ、電子サイフォン、集光アンテナ濃度、および／または他のボルタセルパラメータの１または複数に影響を及ぼすように用いられる。レギュレータサブシステムは、また、１または複数の特徴を定期的または周期的ベースで、ボルタセルへ／から解放するか、または結合させてよい。レギュレータは、感知された条件に応答して、１または複数の特徴をボルタセルへ／から解放するか、または結合させ、ボルタセル内の１または複数の条件に対する１または複数のフィードバック応答として機能してよい。結合させるまたは解放するための特徴の複数の例は、酸または水素イオン、塩基またはヒドロキシルイオン、または微生物代謝を抑制または強化する他の種を含む。いくつかの実施形態において、レギュレータは、例えば、数分、数時間、数日、または数週間の周期的なベースにおいて、１または複数の種を放出またはスカベンジする。
【0248】
いくつかの実施形態において、レギュレータサブシステムは、１または複数のレギュレータコンポーネントを含んでよい。レギュレータコンポーネントは、以下の、センサ、ポンプ、インジェクタ、容器、またはフィードバックシステムにおける他のコンポーネントの１または複数を含んでよい。レギュレータは、電力、電流、電圧、抵抗、ｐＨ、還元電位、酸化電位、栄養物濃度、廃棄物濃度、光学密度、屈折率、吸光度、光度、温度、粘性、イオン性強度、および同様のものを含むがそれらに限定されないボルタセルの１または複数の特徴を監視してよい。
【0249】
いくつかの実施形態において、レギュレータサブシステムは、１または複数のセンサを含んでよい。センサは、緩衝材、微生物集団の生産物、集光アンテナ集団の生産物、および／またはボルタセルの伝導性端子電子受容体集団の生産物の条件を監視してよい。センサが実行し得る感知の例は、ｐＨ、還元剤濃度、酸化剤濃度、酸化還元電位、電圧、電流、抵抗、電力出力、電流、粘性、混濁度、気体濃度、圧力、温度、アミノ酸濃度、ミネラル濃度、炭素濃度、気体濃度または他を含んでよいがそれらに限定されなくてよい。いくつかの実装において、レギュレータサブシステムは、ボルタセルにおいて複数のパラメータを自動的に調節するフィードバックシステムとして実装されるであろう。いくつかの実装において、レギュレータシステムは、セルパラメータが感知された場合、通知またはアラームを提供する。そのような通知またはアラームは、プロセス管理者またはボルタセルの動作を監視する、および／または補正する責任のある他の人による観察のための計算システムにおいて示されてよい。
【0250】
例例１
光変換システムは、好熱性光合成混合微生物集団を集光アンテナコンポーネント集団として含む。
【0251】
混合微生物集団が、光変換システムに用いるための集光アンテナコンポーネント集団として、本明細書において提示される。混合微生物集団は、光変換システムにおいて最適なシナジーを有する、クロマチウム属を一部分、クロロフレクサス属を一部分、ロゼイフレクサス属を一部分、およびポルフィロバクター属を一部分だけ含む。複数の微生物は、標準の技法を用いて別々に培養され、次に緩衝電解質溶液においての希釈の前に複数のストック濃度へと混合され、それは、調製された光変換システムに試料インレットポートを介して投与する準備が整っている。
【0252】
クロマチウム属は、光合成細菌属クロマチウムに属し、それは、複数の環境に生息し得る。クロマチウムテピダムの種は、高いＧ‐Ｃグラム陰性の棒形状の光合成好熱性細菌である。この生物は、摂氏４８−５０度の最適な温度で、光独立栄養で成長し、硫化物を電子供与体として使用する。上記細菌は、生物の膜部分に位置しているバクテリオクロロフィルａｐおよびカロチノイドロドビブリンおよびスピリロキサンチン類を合成する。
【0253】
クロロフレクサス属は、緑色非硫黄性細菌の複数のメンバーである。クロロフレクサスオーランティアカスは、摂氏５４−５７度の最適な成長温度を持つフィラメント状の好熱性酸素非発生型の光従属栄養細菌であるが、摂氏７０度越える複数の温度で成長し得る。さらに、Ｃ．オーランティアカスは、必要な場合、酸素の存在のもとで生き残ることができ、無機炭素を固定させることができる。Ｃ．オーランティアカスは、生物の膜部分に位置しているバクテリオクロロフィルａおよびバクテリオクロロフィルｃを合成する。
【0254】
ロゼイフレクサス属は、光合成緑色非硫黄性の細菌の複数のメンバーである。ロゼイフレクサス属は、非分岐の多細胞フィラメント状好熱細菌であり、最適な成長温度は、摂氏４５―５５度に及ぶ範囲にある。多くのロゼイフレクサス属は、バクテリオロドプシン類およびバクテリオクロロフィルａ、ガンマカロチン誘導体を光色素として、それらの膜部分において合成する。
【0255】
ポルフィロバクターテピダリウス（ｐｏｒｐｈｙｒｏｂａｃｔｅｒ ｔｅｐｉｄａｒｉｕｓ）は、適度に好熱性好気性従属栄養性であり、摂氏４０から４８度の最適な成長温度を有し、複数の有機炭素源を成長に使用する光合成細菌である。上記細菌は、ＯＨベータカロテン硫酸誘導体、ノストキサンチン（ｎｏｓｔｏｚａｎｔｈｉｎ）およびバクテリオルビキサンチナールを光吸収色素として合成する。
【0256】
例２集光アンテナコンポーネント集団として緑色硫黄細菌から隔離されたＦｅｎｎａ−Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｏｌｓｏｎ色素タンパク質複合体を含む膜を含む光変換システム
【0257】
光合成微生物は、それらの膜において構造的タンパク質と並列された複数の色素のネットワークを使用し、供与体分子から電子を生成し採取するべく光エネルギーを使用する。殆どの微生物において、電子が色素タンパク質複合体を通って移動することからエネルギーが失われる。緑色硫黄細菌において、システム（Ｆｅｎｎａ−Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｏｌｓｏｎ複合体と称される）を介した電子通路の効率は高く、電子移動プロセスにおいてエネルギーはほとんど失われない。
【0258】
標準方法（Ｗａｈｌｕｎｄ，１９９１ Ｂｕｔｔｎｅｒ， １９９２）によって嫌気性条件のもとで培養された緑色硫黄細菌から調製された膜を含む光変換システムが、本明細書において提示される。膜は、次に、無酸素条件のもとで加圧型細胞破壊装置（Ｆｒｅｎｃｈ ｐｒｅｓｓ）によって調製され、膜に関連する色素および構造的タンパク質複合体の集光性の性質を保持する。復元された膜含有量は、次に、緩衝電解質溶液と混合され、次に、調製された光変換システムに試料インレットポートを介して投与される。
【0259】
例３改良された単一壁のカーボンナノチューブを伝導性ナノスケールコンポーネントとして含む光変換システム
【0260】
シトクロム複合体（Ｃｙｔ ｃ）は、シトクロムｃタンパク質ファミリーに属する小さいヘムタンパク質（１００−１０４アミノ酸）である。シトクロムｃは、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）において良好に過剰に発現させられており、従来の精製方法（Ｊｅｎｇ，２００２）によって精製された非常に溶けやすいタンパク質である。シトクロムｃは、普通、哺乳類のミトコンドリア膜、植物および多くの微生物の重要なコンポーネントである。シトクロムｃは、電子伝達鎖の本質的なコンポーネントであることから、かなりの酸化還元ポテンシャル（０．２４６ボルト）および電子伝達能力を有する。
【0261】
本明細書において、集光アンテナコンポーネント集団からの電子スカベンジ作用のためのバイオセーフな接触面を生成するべく、組換えシトクロムｃと非対称に官能化（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ）された複数の単一壁のカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を含む光変換システムが、提示される。複数のＳＷＮＴは、ジアゾニウム塩類をＳＷＮＴの一部分に散布し、カルボン酸部分を生成することによって、官能化のために調製される。ＥＤＣは、次に、ＳＷＮＴに加えられ、−ＣＯＯＨ部分を活性化し、スルホ‐ＮＨＳの存在において安定化する。スルホ‐ＮＨＳは、次に、シトクロムｃの面リジン残基における主要なアミンによって、消滅の前に（Ｌｅｒｎｅｒ，２０１３からの方法に基づいて）置き換えられる。ＳＷＮＴのシトクロムｃ官能化のための最大の電子スカベンジ作用活性度に対する条件は、ＳＷＮＴ特有の活性部位とシトクロムｃの１−２リジン残基との間で共有結合を生成し、残りのリジン残基を電子結合特性を調整するように保持することにある。
【0262】
シトクロムｃ官能化されたＳＷＮＴのむき出しの端部は、ＳＷＮＴのシトクロムｃが濃縮された端部が集光アンテナコンポーネント集団と直接相互作用することを可能にするべく、シトクロムｃが濃縮された端部が外側に面している方向を有することを可能にする様式において、バックプレートに直接加えられる。
【0263】
例４電流を通すために用いられる合成の伝導性および／または半導電性材料は、生体細胞に好ましくなくてもよい。図１９の例において、汽水性の水源から隔離された光合成および非光合成微生物の集団は、イオン緩衝システムと混合されて、次に、取り外し可能な蓋があるクリアなポリエチレン容器の中へ導入された。容器の内側に置かれていたのは、伝導性銅プレートおよび熱処理された伝導性酸化銅プレートであって、各プレートの面は互いに平行であり、微生物集団／緩衝系に関して鉛直に配置されていた。両方の伝導性金属プレートの複数の部分が、微生物集団／緩衝系（０．２５インチ）において浸され、残りの部分は空気に露出された。微生物集団の容器への導入の直後のセルによって生成された電圧および電流の測定値は、時間０で０であった。セルは、次に、一定の白色光に露出され、電圧および電流の量は、１時間まで一定間隔で測定され、電圧計および電流計によって１５分毎に測定された。１時間で、改良されていない合成カーボンナノチューブが変換セルに加えられ、電流および電圧においての低下が、変換セルの緩衝材の面上の溶解微生物破片屑の発生と同時に測定された。この例は、改良されたナノチューブが生物学的に安全な電子サイフォンを供給するために必要であることを示唆する。
【0264】
例５さらに、図２０において、汽水性の水源から隔離された光合成および非光合成微生物の集団が、イオン緩衝システムと混合され、次に、取り外し可能な蓋があるクリアなポリエチレン容器の中へ導入された。容器の内側に置かれたのは、伝導性銅プレートおよび熱処理された伝導性酸化銅プレートであって、各プレートの面は、互いに平行であり、微生物集団／緩衝系に関して鉛直に配置された。両方の伝導性金属プレートの複数の部分が微生物集団／緩衝系に浸され（０．２５インチ）、残りの部分は空気に露出された。微生物集団の容器への導入の直後にセルによって生成された電圧および電流の測定が、時間０で表される。セルは、次に、一定の白色光に露出され、電圧および電流の量が一定間隔で測定された。４時間で、生物学的に対応するエルアルギニン改良の複数の単一壁のカーボンナノチューブは、エネルギー変換セルにおいて微生物集団に導入され（７０１）、検出可能な電圧および電流の顕著な増加をもたらした。５時間で、光が消され（７０３）、結果として変換セルによって生成される電力が減少したが、夜間の数時間を過ぎて基準レベルに戻らず、エネルギー変換セルが非光合成微生物代謝から電力を生成したことを示唆した。
【0265】
前述のものは、理解を容易にするべくいくらか詳細に説明されたが、複数の説明された実施形態は、例示的であると見なされるが、限定しているとはみなされない。特定の変更および改良が、添付の請求項の範囲内で実施され得ることは、当業者にとって明らかであるだろう。