Микробиологический источник энергии для питания потребителя

010384 Настоящее изобретение относится к микробиологическому источнику энергии для питания потребителя, например, электрического двигателя. В области очистки сточных вод, предпринимаются попытки преобразования биологических процессов самоочистки в объеме воды в естественных условиях, в ограниченные в пространстве и времени реакции в установках для обработки сточных водах, с тем, чтобы процесс очистки мог осуществляться значительно быстрее, чем естественным путем, и с использованием реактора, настолько малого, насколько это возможно. Одним из основных аспектов является использование и концентрация микроорганизмов, которые применяются для разложения и деструкции нежелательных составляющих компонентов сточных вод. В заявке на патент Германии DE 10062812 от автора настоящей заявки предлагается микробиологическая смешанная культура для обработки загрязненных сточных вод, где содержатся некоторая часть фотосинтезирующих активных микроорганизмов и некоторая часть светящихся бактерий. Хотя эта смешанная культура уже успешно введена в использование, проблемой является то, что светящиеся бактерии в определенной минимальной пропорции должны присутствовать для инициации взаимодействия между фотосинтетически активными микроорганизмами и светящимися бактериями, описываемыми в этой заявке. Для улучшения роста микроорганизмов в дополнительной, опубликованной позднее заявке на патент Германии DE 10118839 предлагается прикладывать колебания высокой частоты к микроорганизмам,предназначенным для очистки сточных вод, загруженных в биологический реактор. Эти колебания находятся в ультразвуковом диапазоне, и можно отметить, что даже при частотах находящихся в диапазоне 40 кГц, может наблюдаться стимуляция роста микроорганизмов, протекающих через биологический реактор. В известном решении, в биологическом реакторе используется материал из объемного заполнителя, при этом объемный материал состоит из заполняющих тел, состоящих из постоянных магнитов и пьезоэлектриков, предпочтительно изготовленных из керамических материалов. В частности, в технологии обработки сточных вод предпринимались попытки для преобразования продуктов, получаемых при очистке сточных вод, как источника энергии, для сведения общих потребностей установки в энергии к минимуму. Таким образом, например, биологический газ, производимый при микробиологическом преобразовании твердых продуктов, получаемых при очистке сточных вод, используется для поддержки энергоемких процессов как источник энергии, таких как горение, так что может подводиться настолько малое количество внешней энергии, насколько это возможно. В противоположность этому настоящее изобретение основывается на задаче использования взаимодействий между продуктом, который должен разлагаться или конвертироваться, и микроорганизмами,находящимися в биологических сточных водах или в обрабатываемых отходах с точки зрения энергии. Эта цель достигается посредством микробиологического источника энергии, имеющего признаки,указанные в п.1 формулы изобретения. В соответствии с настоящим изобретением, источник энергии имеет биологический реактор, который снабжен по меньшей мере одним заполняющим телом, имеющим пьезоэлектрический или подобный ему эффект, и содержит смесь анионных и катионных микроорганизмов, приобретающих при протекании сквозь биологический реактор и при осуществляемом в результате микробиологическом разложении на заполняющем теле положительный и отрицательный электрические полюса, с которых может извлекаться ток для приведения в действие потребителя электрической энергии. Этот потребитель электрической энергии может представлять собой, например, приводной механизм для рабочего инструмента, необходимого при обработке сточных вод. Анионные и катионные микроорганизмы в настоящее время понимаются как микроорганизмы, которые присутствуют в определенных пределах потенциала, устанавливающегося благодаря физикохимическим реакциям в ходе метаболизма, и, таким образом, собираются в областях отрицательных и положительных полюсов. Напряжение, генерируемое вокруг заполняющего тела, может затем использоваться для передачи потребителю электрической энергии. В соответствии с настоящим изобретением является предпочтительным, если объемный материал из заполняющих тел принимается в биологическом реакторе, при этом соответствующий положительный и отрицательный полюс формируются затем на заполняющих телах благодаря соответствующей ориентации микроорганизмов, и эти отдельные "диполи" затем выстраиваются таким образом, что вокруг биологического реактора генерируется направленное магнитное поле. В особенно преимущественном варианте каждому из заполняющих тел, образующих "диполь",придается сферическая форма, и они снабжаются керамическим покрытием, которое прерывается на двух полюсах, в положениях, находящихся друг напротив друга. В этом варианте является предпочтительным, если покрытие состоит из оксида титана. В дополнение к объемному материалу, образующему"диполи", кроме того, в биологическом реакторе может дополнительно предусматриваться объемный материал из постоянных магнитов. Эти постоянные магниты генерируют магнитное поле, которое стимулирует рост конкретных микроорганизмов, таких, например, как одноклеточные организмы, жгутиковые и тому подобное, чтобы улучшить, таким образом, биологическое преобразование. В предпочтительном воплощении таким постоянным магнитам придается цилиндрическая форма с-1 010384 тем, чтобы повышалась турбулентность среды, протекающей в биологическом реакторе, такой как сточные воды, загруженные органическим материалом. Заполняющие тела, образующие "диполь", и заполняющие тела с постоянными магнитами предпочтительно не рассматриваются в биологическом реакторе как твердый объемный материал, но набивка осуществляется таким образом, что индивидуальные заполняющие тела являются подвижными по отношению друг к другу. Предполагается, что такая относительная подвижность заполняющих тел делает возможным выстраивание "диполей". Эффективность микробиологического источника энергии может дополнительно повышаться, если к микробиологической смеси подмешиваются производящие водород микроорганизмы, например бактерии, так что в процессе биологического разложения или преобразования органического материала генерируется водород, который может извлекаться из реактора и использоваться как источник энергии. Здесь является предпочтительным, если водород может переноситься сквозь мембрану, формирующую секцию стенки биологического реактора. Дополнительные преимущественные разработки являются предметами дополнительных зависимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительное воплощение настоящего изобретения объясняется ниже более подробно со ссылками на схематические чертежи, где фиг. 1 представляет собой схематический вид биологического реактора в соответствии с настоящим изобретением, для формирования микробиологического источника энергии; фиг. 2 изображает заполняющее тело биологического реактора на фиг. 1 и фиг. 3 представляет собой вид в разрезе головной части биологического реактора на фиг. 1. Фиг. 1 изображает биологический реактор 1, содержащий сточные воды, нагруженные органическим материалом, которые протекают через него. Это сточные воды поступают через вход 2 в биологический реактор 1, имеющий, например, форму цилиндрической колонны, и покидают его через центральный выход 4. Кроме того, биологический реактор 1 содержит головную часть 6 и нижнюю часть 8,при этом в нем имеется цилиндр 12 биологического реактора 1, заключающий в себе объемный материал 10, закрытый с одной стороны и имеющий вход 2 и выход 4. В биологическом реакторе 1 дополнительно присутствуют определенные микроорганизмы, которые будут обсуждаться далее. В воплощении, представленном на фиг. 1, объемный материал 12 состоит из верхней части объемного материала с пьезоэлектрическими заполняющими телами 14 и другой части, расположенной ниже и сформированной из постоянных магнитов 16, имеющих, например, цилиндрическую форму. Два объемных материала из заполняющих тел 14 и постоянных магнитов 16, тем не менее не имеют формы слоя набивки, но структурируются таким образом, что является возможной определенная относительная подвижность заполняющих тел 14 и постоянных магнитов 16 в соответствующей части. Другими словами,объемный материал имеет очень свободную упаковку. Фиг. 2 представляет увеличенное изображение пьезоэлектрического заполняющего тела 14, находящегося в области X. Соответственно, заполняющее тело 14 является примерно сферическим по форме и имеет сердцевину 18 из керамического материала, имеющего пьезоэлектрические свойства. В случае деформации матрицы сердцевины под действием механической силы (давления, вытягивания, скручивания), на поверхности этого материала образуются электрические заряды, или, наоборот, при приложении электрического напряжения, отмечаются механические деформации керамического материала, которые могут использоваться, например, в микротехнологии, для управления компонентами или в технологии струйных принтеров для выброса краски. Это сердцевина 18 из пьезокерамики имеет покрытие 20 из оксида титана (TiO2), нанесенное на него. Толщина слоя предпочтительно находится в пределах между 200 и 1000 нм - другие значения толщины слоя, разумеется, также являются приемлемыми. Это покрытие 20 действует в качестве защитной оболочки, с тем, чтобы токсичные составляющие компоненты пьезокерамики, такие, например, как свинец, не могли взаимодействовать со сточными водами. Кроме того, как показано на фиг. 2, после нанесения покрытия 20, заполняющее тело 14 имеет точки в двух диаметрально противоположно расположенных областяхдругими словами, в этих областях 22, 24 создаются разрывы покрытия в форме точек, так что в этих областях, в форме точек, сердцевина 8 вступает в контакт со сточными водами. Эти области контактов, однако, делаются очень малыми, для предотвращения возникновения взаимодействий с пьезокерамикой, которые могут загрязнять сточные воды. Фиг. 3 изображает деталь Y головной части 6, представленной на фиг. 1. Соответственно, эта головная часть содержит наружный кожух 26, охватывающий мембрану 28. Последняя деталь может изготавливаться, например, из керамического материала и имеет активную ширину пор, допускающую извлечение водорода (H2) из биологического реактора 1 через мембрану 28, сквозь выходные отверстия 30. С другой стороны, ширина пор в мембране 28 является слишком малой для того, чтобы дать возможность сточным водам или другим составляющим компонентам сточных вод или микроорганизмам выйти через выходные отверстия 30.-2 010384 Благодаря этой конструкции биологического реактора 1 создается возможность для извлечения сточных вод через выход 4, в то время как водород, генерируемый во время биологического преобразования, что будет описываться более подробно ниже, может подаваться для другого использования через мембрану 28. Как уже обсуждалось вначале, биологический реактор 1 или поступающие сточные воды содержат биологическую смешанную культуру, имеющую заданный состав. Подробности этой биологической смешанной культуры описываются в заявке на патент Германии DE 10062812, который тем самым включается сюда в качестве ссылки. Для большей ясности будут описаны только основные компоненты смешанной культуры. Она содержит долю фотосинтетически активных микроорганизмов и долю светящихся бактерий или испускающих свет микроорганизмов, имеющих подобную активность, которые диспергируются в биологическом растворе широкого спектра и добавляются к сточным водам. Взаимодействие между фотосинтетически активными микроорганизмами и светящимися бактериями, как описано в указанной выше заявке на патент, имеет тот результат, что фотосинтетически активные бактерии стимулируются к фотосинтезу под действием светящихся бактерий. Микроорганизмы приводятся в состояние фотосинтеза с выделением сероводорода и воды, и высвобождают серу или кислород. Кроме того, они могут связывать азот и фосфат и разлагать органический и неорганический материал. Смесь, кроме того, содержит дополнительные микроорганизмы, генерирующие во время микробиологического преобразования водород. Фотосинтетически активные микроорганизмы, которые необязательно могут быть и фототропными,являются предпочтительными в подаваемой микробиологической композиции. "Необязательно фототропные" обозначает, что эти микроорганизмы могут расти как в анаэробных условиях на свету, так и при аэробных условиях в темноте. Среди фотосинтетических бактерий имеются грамотрицательные аэробные бактерии в форме палочек и круглые и грамположительные круглые бактерии. Они могут включать в себя эндоспоры или споры могут отсутствовать. Среди них имеются, например, также грамположительные актиномицеты и родственные им бактерии. В этом контексте можно также назвать азотфиксирующие организмы. В их числе, например, водоросли, такие как Anabena Nostoc в симбиозе с Azola. Кроме них, можно назвать актиномицеты, напримерFrankia, в симбиозе с ольхой, и бактерии, такие как Rhizobium, в симбиозе с бобовыми. Кроме того, можно также использовать аэробные водоросли, азотобактер, метанокисляющие бактерии и серные бактерии. Среди них имеются также зеленые серные бактерии и коричнево-зеленые фотосинтетические бактерии. Здесь модно также назвать непурпурные серные бактерии и пурпурные серные бактерии. Является предпочтительным, если в качестве необязательно фототропных микроорганизмов в микробиологической композиции в соответствии с настоящим изобретением содержатся прохлорофиты,цианобактерии, зеленые серные бактерии, пурпурные бактерии, формы типа chloroflexus и формы типаheliobacterium и heliobacillus. Указанные выше необязательно фототропные микроорганизмы могут также присутствовать в качестве смесей двух или более из них. В совершенно особенном воплощении все шесть из указанных выше микроорганизмов присутствуют в виде смеси. Свет, который снабжает энергией фотосинтез, происходит от светящихся бактерий, содержащихся в микробиологической композиции по настоящему изобретению в качестве второго главного компонента. Эти светящиеся бактерии способны излучать свет, то есть они способны испускать фотоны. Это система работает ферментативно. В качестве примера можно назвать систему люциферин/люцифераза. В одном из предпочтительных воплощений Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera или Beneckea содержатся в смеси в качестве светящихся бактерий. Также возможно выбрать смесь по меньшей мере из двух из них. Для оптимизации микробиологической композиции по настоящему изобретению в ней могут содержаться дополнительные составляющие компоненты. Предпочтительно такие вторичные составляющие компоненты представляют собой экстракты растений, ферменты, микроэлементы, полисахариды,альгиновые производные, другие микроорганизмы, как описано выше. Вторичные составляющие компоненты могут присутствовать в микробиологической композиции по настоящему изобретению либо по одному, либо в сочетании. Экстракты растений могут включать в себя, например, подорожник, хмель и тому подобное. Необязательное добавление молочно-кислых бактерий служит для подавления патогенных микроорганизмов и понижения уровня значения рН. В качестве питательного раствора для микробиологической композиции по настоящему изобретению, как правило, используется раствор, который вносит вклад в создание благоприятных условий жизни составляющих компонентов, содержащихся в нем, в частности для микроорганизмов. Особенно критичным является предоставление возможности для полного взаимодействия между фотосинтетическими бактериями и светящимися бактериями. Обнаружено, что биологический питательный раствор, содержащий мелласы, в частности мелласы из нерафинированного сахара или мелласы из сахарной свеклы,является пригодным для использования в качестве главного ингредиента.-3 010384 Фотосинтетически активные микроорганизмы и светящиеся бактерии, как правило, присутствуют в микробиологической композиции по настоящему изобретению при отношении от 1:10 до 1:500. Предпочтительное отношение равно 1:100. При протекании через биологический реактор 1 вместе со сточными водами, содержащими органический материал, микроорганизмы осаждаются предпочтительно на поверхности пьезоэлектрических заполняющих тел 14. Обнаружено, что предпочтительно, благодаря излучению, испускаемому светящимися бактериями, покрытие из оксида титана активируется таким образом, что поверхностное натяжение вещества, окружающего пьезоэлектрическое заполняющее тело 6, понижается, и эти вещества равномерно распределяются по поверхности заполняющих тел. Формируется некоторый вид биологической пленки, окружающей заполняющие тела 6 и по существу состоящей из межклеточного полимерного вещества (EPS) типа слизи, в котором погружены микроорганизмы. Это EPS предотвращает проникновение токсичных веществ из сточных вод (таких как тяжелые металлы) внутрь клеток микроорганизмов. Кроме того, EPS действует в качестве диффузионного барьера, предотвращая диффузию наружу веществ, требуемых для биологического преобразования, таких как экзоферменты. EPS действует подобно полупроницаемой мембране, которая поддерживает разложение органического материала, растворенного в сточных водах. В зависимости от вида микроорганизмов, они осаждаются предпочтительным образом в пределах областей 22 или 24. Кроме того, бактерии, живущие в симбиозе с другими используемыми бактериями, используют EPS в качестве средства для того, чтобы иметь физическую возможность оставаться вблизи этих бактерий. Благодаря пониженному поверхностному натяжению этой биологической пленки для примесей, содержащихся в сточных водах, является практически невозможным осаждение на поверхности заполняющих тел, поскольку они разрушаются под действием биологической пленки, а последняя осаждена на слое оксида титана с высокой прочностью адгезии. При использовании смешанной культуры, разработанной заявителем, светящиеся бактерии и фотосинтетически активные бактерии аккумулируются в биологической пленке, что приводит к созданию некоторого вида "светящейся пленки", которая окружает заполняющие тела 6 из пьезокерамики. Обнаружено, что в области 22 аккумулируются предпочтительно микроорганизмы, которые получают электроны от восстановительных эквивалентов их субстратов, передавая их другим реципиентам, в то время как в другой области 24 предпочтительно аккумулируются микроорганизмы, которые восстанавливают составляющие компоненты сточных вод, например, молекулярный водород, в качестве источника электронов для метаболизма. Другими словами, отрицательный и положительный полюса формируются в областях 22 и 24, в зависимости от вида аккумулируемых микроорганизмов, так что практически каждое пьезоэлектрическое заполняющее тело 14, само по себе, представляет собой некоторый вид"диполя". Линии магнитного потока 32 этой микросистемы изображены на фиг. 2, при этом облако вокруг областей 22, 24 представляет собой микроорганизмы. Неожиданно обнаружено, что, когда объемный материал 10 набивается соответствующим образом,отдельные пьезоэлектрические заполняющие тела 14 будут выстраиваться, когда сточные воды протекают вокруг них, так что линии магнитного потока простираются, по существу, параллельно друг другу. Магнитное поле, в соответствии с фиг. 1, образует линии магнитного потока 34, имеющие приблизительную форму, представленную на фиг. 1. Соответственно, положительный полюс и отрицательный полюс формируются вдоль биологического реактора 1 благодаря ориентации заполняющих тел 14, так что может отбираться напряжение. В соответствии с измерениями, выполненными заявителем, формируемое магнитное поле имеет достаточную напряженность для создания мощности, достаточной для приведения в действие электрического двигателя. Это означает, что магнитное поле, сформированное во время биологического преобразования органического материала сточных вод в биологическом реакторе 1, может использоваться для приведения в действие потребителя электрической энергии, например,электрического двигателя. В установках счистки сточных вод особенно преимущественным является,когда эта энергия используется для приведения в действие средств для перемешивания, фильтрации,транспортирования или других устройств установки для очистки сточных вод. Постоянные магниты 16, установленные в нижней или в верхней части объемного материала, с одной стороны, обеспечивают создание турбулентного потока внутри биологического реактора 1 благодаря их остроугольной конфигурации, а, кроме того, этим постоянным магнитным полем дополнительно стимулируется рост определенных микроорганизмов. Как уже рассматривалось выше, используются некоторые микроорганизмы, которые вырабатывают газообразный водород в качестве промежуточного или конечного продукта. Такой водород образуется,например, во время фотокатализа, когда восстанавливается сульфат (SO42-), и высвобождаются водород и сера. Этот газообразный водород может выходить через мембрану 28 и выходные отверстия 30 из биологического реактора 1 и высвобождаться через соответствующие средства для выпуска с целью использования для получения энергии. Таким образом, является возможным, например, использование этого водорода, получаемого в биологическом реакторе 1, в качестве источника энергии в топливном элементе. Описанный выше биологический реактор, таким образом, может иметь двойное назначение, когда образующиеся газы, а также получаемое силовое поле, используются для генерирования электрической-4 010384 или механической энергии. Описание раскрывает микробиологический источник энергии для питания электрического или механического потребителя, где по меньшей мере одно заполняющее тело, имеющее пьезоэлектрический или подобный эффект, используется в биологическом реакторе. Этот биологический реактор включает сточные воды, протекающие сквозь него, и содержит смесь микроорганизмов, которые в результате микробиологического разложения органического материала, содержащегося в сточных водах, образуют положительный полюс и отрицательный полюс источника энергии. Обозначения на фигурах: 1 - биологический реактор; 2 - вход; 4 - выход; 6 - головная часть; 8 - нижняя часть; 10 - объемный материал; 12 - цилиндр; 14 - пьезоэлектрическое заполняющее тело; 16 - постоянный магнит; 18 - сердцевина; 20 - покрытие; 22 - область в виде точки; 24 - область в виде точки; 26 - наружный кожух; 28 - мембрана; 30 - выходное отверстие; 32 - линии магнитного потока. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Микробиологический источник энергии для передачи потребителю, предпочтительно электрическому двигателю, отличающийся тем, что он включает биологический реактор (1), содержащий по меньшей мере одно заполняющее тело, имеющее пьезоэлектрический или подобный ему эффект, где указанное заполняющее тело (14) из-за деформации, вызываемой давлением протекающего через биологический реактор (1) потока сточных вод, формирует электрический диполь, и указанный биологический реактор (1) содержит смесь анионных и катионных микроорганизмов, которые благодаря микробиологическому разложению органического материала, содержащегося в сточных водах, аккумулируются на полюсах диполей и создают разность потенциала, так что напряжение может отбираться для приведения в действие рабочего инструмента. 2. Источник энергии по п.2, отличающийся тем, что объемный материал из заполняющих тел (14) включен в указанный биологический реактор (1). 3. Источник энергии по п.2, отличающийся тем, что каждое заполняющее тело (14) имеет сферическую форму и снабжено покрытием (20), которое имеет разрывы в двух расположенных напротив друг друга областях (22, 24). 4. Источник энергии по п.3, отличающийся тем, что указанное покрытие (20) содержит оксид титана. 5. Источник энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в указанный биологический реактор (1) включен объемный материал из постоянных магнитов (16). 6. Источник энергии по п.5, отличающийся тем, что указанные постоянные магниты (16) имеют цилиндрическую форму. 7. Источник энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанные заполняющие тела (14) располагаются таким образом, чтобы они могли перемещаться относительно друг друга. 8. Источник энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что источник энергии содержит средства для удаления водорода, формирующегося во время биологического преобразования. 9. Источник энергии по п.8, отличающийся тем, что водород может извлекаться через мембрану(28), образующую секцию стенки указанного биологического реактора (1). 10. Источник энергии по п.8 или 9, отличающийся тем, что источник энергии содержит микроорганизмы, которые при биологическом преобразовании органического материала сточных вод выделяют водород в качестве промежуточного или конечного продукта.