ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ Российский патент 2018 года по МПК H01M8/06 C12Q1/54 H01G9/20 C13K1/00 

[0001]

Область техники, к которой относится изобретение

[0002] Изобретение относится к способам и системам для получения глюкозы. В частности, изобретение относится к получению глюкозы с помощью воды, диоксида углерода, электромагнитной энергии и меланина, предшественников меланина, производных меланина, аналогов меланина или разновидностей меланина.

Предпосылки создания изобретения

[0003] Глюкоза представляет собой простой сахар, имеющий общую химическую формулу C₆H₁₂O₆. Глюкоза является основной молекулой в пищевой цепочке и потребляется многими организмами как первичный источник энергии. Одним хорошо изученным процессом, который приводит к получению глюкозы, является фотосинтез растений.

[0004] Вообще, фотосинтез является процессом превращения энергии света в химическую энергию. Точнее, посредством процесса фотосинтеза растения используют энергию света для превращения диоксида углерода (CO₂) и воды (H₂O) в кислород (O₂) и глюкозу. Другим существенным элементом для этого процесса является пигмент, известный как хлорофилл. При поглощении энергии света или фотонов хлорофилл инициирует фотосинтез. На каждый поглощенный фотон хлорофилл теряет один электрон, создавая поток электронов, который в дальнейшем генерирует энергию, необходимую для катализирования разделения воды на ионы или протоны водорода (H⁺) и O₂. Получающийся протонный градиент используется для генерирования химической энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Эта химическая энергия затем используется для превращения диоксида углерода и воды в глюкозу.

[0005] Подобно хлорофиллу, меланин также классифицируется как пигмент. Меланин состоит из азота, кислорода, водорода и углерода, хотя точная структура полностью не конкретизирована. Меланин повсеместно распространен в природе, и в литературе известны также способы синтеза меланина. В течение многих лет меланин не имел приписываемой ему биологической или физиологической функции, помимо того, что его считали простым солнцезащитным экраном с низким фактором защиты, эквивалентным фактору защиты 2 %-ного раствора сульфата меди. Меланин также считался самой темной молекулой, поскольку он способен поглощать энергию почти любой длины волны, однако он, видимо, не испускает какую-либо энергию. Это было исключительным для меланина, а это противоречило термодинамическим законам, потому что другие соединения, способные к поглощению энергии, в частности, пигменты, излучают часть поглощенной энергии. Электронные свойства меланина были в фокусе внимания в течение некоторого времени. При этом меланин является одним из наиболее стабильных соединений, известных человеку, и в течение длительного времени, казалось, что меланин был неспособен катализировать какую-либо химическую реакцию.

[0006] Недавно открыли внутреннее свойство меланина поглощать энергию и использовать поглощенную энергию для разделения и преобразования в дальнейшем молекулы воды. Таким образом, меланин поглощает все длины волн электромагнитной энергии, включая энергию видимого и невидимого света, и рассеивает эту поглощенную энергию посредством диссоциации воды и ее последующего преобразования. Фотоэлектрохимический способ разделения воды на водород и кислород с использованием меланина и аналогов, предшественников, производных или разновидностей меланина описан в публикации заявки на патент США № US 2011/0244345.

[0007] Не желая быть связанными с какими-либо теориями, полагают, что реакция внутри меланина происходит согласно следующей схеме I:

(I)

При поглощении электромагнитной энергии, такой как энергия света (видимого или невидимого), меланин катализирует диссоциацию воды в двухатомный водород (H₂), двухатомный кислород (O₂) и электроны e^-. Хотя разделение воды на водород и кислород потребляет энергию, реакция обратима, и в обратном процессе восстановление атомов кислорода двухатомным водородом с повторным образованием молекул воды высвобождает энергию.

[0008] Таким образом, меланин способен превращать энергию света в химическую энергию, аналогично процессу, с помощью которого растения используют хлорофилл для превращения энергии света в химическую энергию во время фотосинтеза. Поэтому, по аналогии, мы обозначили этот процесс «человеческим фотосинтезом». Однако есть по меньшей мере два важных различия между реакцией разделения воды, осуществляемой с помощью меланина, и той, которая осуществляется с помощью хлорофилла. Первое заключается в том, что хлорофилл не может катализировать обратный процесс повторного образования молекулы воды. Второе заключается в том, что реакция разделения воды с помощью хлорофилла может происходить только в живой клетке и с помощью видимого света, имеющего длину волны в диапазоне 400 нм-700 нм. Таким образом, последующее получение глюкозы также может происходить внутри живой клетки. Напротив, меланин может разделять и преобразовывать молекулу воды вне живой клетки, используя любой вид электромагнитной энергии, в частности, с помощью энергии света (видимого или невидимого), имеющего длину волны в диапазоне 200 нм - 900 нм.

Краткое изложение сущности изобретения

[0009] Теперь обнаружили, что при поглощении электромагнитной энергии, такой как энергия невидимого и видимого света, меланин может разделять и повторно образовывать молекулу воды и в дальнейшем катализировать реакцию, которая превращает диоксид углерода (CO₂) и воду в глюкозу.

[0010] Изобретение относится к электрохимическим способам и системам, использующим меланин, предшественники меланина, производные меланина, аналоги меланина и разновидности меланина для получения глюкозы из диоксида углерода и воды. Согласно вариантам осуществления изобретения, для получения глюкозы из диоксида углерода и воды может использоваться меланин, дополнительно требуя только источник электромагнитной энергии, такой как энергия невидимого или видимого света, гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. В отличие от способности хлорофилла превращать энергию света в химическую энергию, которая в дальнейшем используется для получения глюкозы в живых клетках с помощью процесса фотосинтеза, меланин может использоваться для получения глюкозы посредством электрохимического процесса, который может осуществляться вне живой клетки. Таким образом, до сих пор такой способ получения глюкозы не воспроизводился в лаборатории.

[0011] В одном важном аспекте изобретение относится к электрохимическому способу получения глюкозы (C₆H₁₂O₆). Согласно вариантам осуществления изобретения электрохимический способ включает реагирование воды и растворенного в ней газообразного диоксида углерода в присутствии по меньшей мере одного меланинового материала и источника электромагнитной энергии. Упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал выбирают из меланина, предшественников меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина. Поскольку меланин способен поглощать электромагнитную энергию и превращать эту электромагнитную энергию в пригодную химическую энергию, то для получения глюкозы согласно электрохимическому способу по изобретению внешний электрический ток не требуется. Согласно предпочтительному варианту осуществления электрохимический способ по изобретению представляет собой фотоэлектрохимический процесс, а источником электромагнитной энергии является фотоэлектрическая энергия, выбранная из видимого и невидимого света, имеющего длину волны в диапазоне 200 нм – 900 нм.

[0012] В другом важном аспекте изобретение относится к электрохимическому способу получения соединений C_nH_2nO_n, где n представляет собой целое число. В предпочтительном варианте осуществления n представляет 1, 2, 3, 4, 5 или 6, так что соединения C_nH_2nO_n, полученные способом по изобретению, являются предшественником глюкозы или самой глюкозой. Согласно вариантам осуществления изобретения электрохимический способ включает реагирование воды и растворенного в ней газообразного диоксида углерода в присутствии по меньшей мере одного меланинового материала и источника электромагнитной энергии, предпочтительно фотоэлектрической энергии, выбранной из энергии видимого и невидимого света, имеющей длину волны в диапазоне 200 нм – 900 нм.

[0013] В еще одном важном аспекте изобретение относится к системам для получения глюкозы и соединений C_nH_2nO_n с помощью воды, диоксида углерода, меланина и источника электромагнитной энергии. Согласно вариантам осуществления изобретения система для получения глюкозы посредством электрохимического способа включает:

(i) реакционную ячейку для приема воды и растворенного в ней газообразного CO₂, и по меньшей мере одного меланинового материала, при этом упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал выбран из меланина, предшественников меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина; и

(ii) источник электромагнитной энергии, так что электромагнитная энергия передается внутрь реакционной ячейки и поглощается меланиновым материалом.

[0014] Система для получения глюкозы согласно вариантам осуществления изобретения не требует какой-либо усложненной эксплуатации или установки и, таким образом, требует только контейнер для приема воды и растворенного в ней газообразного CO₂ и по меньшей мере один меланиновый материал, а также источник электромагнитной энергии для обеспечения упомянутого по меньшей мере одного меланинового материала достаточными количествами энергии, чтобы катализировать разделение и преобразование молекулы воды и последующее образование глюкозы. Согласно предпочтительному варианту осуществления источник электромагнитной энергии передает энергию видимого и невидимого света, имеющую длину волны между 200 нм и 900 нм в реакционной ячейке.

[0015] Подробности одного или более вариантов осуществления изобретения изложены в описании ниже. Другие признаки и преимущества будут очевидны из последующего подробного описания и прилагаемой формулы изобретения.

Подробное описание изобретения

[0016] Все патенты и публикации, упомянутые здесь, включены в него посредством ссылки. До тех пор, пока не будет определено иначе, все технические и научные термины, используемые здесь, имеют то же самое значение, как обычно понятные среднему специалисту в области техники, к которой имеет отношение это изобретение. В других случаях определенные термины, использованные здесь, имеют значения как изложено в описании.

[0017] Следует отметить, что, как использовано здесь и в прилагаемой формуле изобретения, единственное число включает ссылки на множественное число до тех пор, пока контекст однозначно не диктует иное.

[0018] Использующийся здесь термин «электролиз воды» относится к процессу разделения молекул воды на кислород и водород. Использующийся здесь термин «электролизирующий воду материал» относится к веществу, которое способно подвергать молекулу воды диссоциации на кислород и водород. Согласно вариантам осуществления изобретения, меланиновые материалы, включая меланин (натуральный или синтетический), предшественники меланина, производные меланина, аналоги меланина и разновидности меланина, являются электролизирующими воду материалами.

[0019] Использующийся здесь термин «меланиновый материал» относится к меланину, предшественникам меланина, производным меланина, аналогам меланина и разновидностям меланина, включая натуральный и синтетический меланин, эумеланин, феомеланин, нейромеланин, полигидроксииндол, эумеланин, аломеланин, гуминовую кислоту, фуллерены, графит, полииндолхиноны, ацетиленовую сажу, пирроловую сажу, индоловую сажу, бензоловую сажу, тиофеновую сажу, анилиновую сажу, полихиноны в гидратированном виде, сепиомеланины, диоксифенилаланиновую сажу, диоксифениламиновую сажу, адреналиновую сажу, катехиновую сажу, 4-аминокатехиновую сажу, алифатических или ароматических углеводородах в простой линейной цепи; или их предшественникам, таким как фенолы, аминофенолы или дифенолы, индоловые полифенолы, хиноны, семихиноны или гидрохиноны, L-тирозин, L-допамин, морфолин, ортобензохинон, диморфолин, порфириновая сажа, птериновая сажа и оммохромовая сажа.

[0020] Согласно вариантам осуществления изобретения электрохимический способ получения глюкозы включает реагирование воды и растворенного в ней газообразного CO₂ в присутствии по меньшей мере одного меланинового материала и источника электромагнитной энергии. Виды электромагнитной энергии, подходящие для использования в электрохимическом способе по изобретению включают в себя видимый и невидимый свет, гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Согласно предпочтительному варианту осуществления электрохимический способ согласно изобретению представляет собой фотоэлектрохимический процесс, в котором источником электромагнитной энергии является фотоэлектрическая энергия, выбранная из видимого света или невидимого (ультрафиолетового или инфракрасного) света.

[0021] Согласно вариантам осуществления изобретения упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал выбирают из меланина, предшественников меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина. В предпочтительном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал выбирают из натурального меланина и синтетического меланина.

[0022] Согласно вариантам осуществления изобретения меланин может быть синтезирован из аминокислых предшественников меланина, такого как L-тирозин. Однако меланиновые материалы могут быть получены любым способом, известным в области техники в связи с настоящим раскрытием, включая химический синтез меланиновых материалов и выделение меланиновых материалов из природных источников, таких как растения и животные.

[0023] Согласно другому варианту осуществления изобретения электрохимический способ может осуществляться в присутствии по меньшей мере одного меланинового устройства. Меланиновое устройство состоит из подложки и по меньшей мере одного меланинового материала, так что меланиновый материал удерживается на или в подложке. Меланиновый материал может быть диспергирован во всей подложке или адсорбирован на подложке. Предпочтительно упомянутая подложка прозрачна, чтобы обеспечить повышенное пропускание электромагнитной энергии в виде энергии света и, тем самым, увеличенное получение глюкозы. Меланиновое устройство может включать в себя один тип меланинового материала или более одного типа меланинового материала. Например, меланиновое устройство для использования в изобретении может включать в себя меланин и эумеланин. Согласно другому варианту осуществления изобретения может использоваться более одного меланинового устройства, при этом каждое устройство включает меланиновый материал разного типа. Например, первое меланиновое устройство, включающее в себя меланин, и второе меланиновое устройство, включающее в себя эумеланин, могут оба использоваться в способе получения глюкозы согласно изобретению.

[0024] Целью использования меланинового устройства в электрохимическом способе по изобретению является предохранение меланинового материала от растворения в воде, диффундирования через воду или свободного плавания по всей воде. Меланиновое устройство гарантирует, что вода сохраняет свою прозрачность, а меланин не теряется во время восполнения воды или CO₂, или удаления глюкозы. Таким образом, меланиновое устройство обеспечивает меланиновому материалу возможность оставаться в контакте с водой без растворения в воде. Подложка меланинового устройства может быть любым инертным материалом, включая, но не ограничиваясь этим, диоксид кремния, пластик и стекло. Меланиновое устройство может быть, например, пластиной из меланина/диоксида кремния, которая может быть изготовлена путем комбинирования цементирующей смеси диоксида кремния с водным раствором меланина. Предпочтительно, для использования в изобретении меланиновое устройство представляет собой меланин, смешанный с диоксидом кремния.

[0025] Согласно вариантам осуществления изобретения меланиновое устройство может принимать любой размер или форму, включая, но не ограничиваясь этим, стержень (цилиндрический), пластину, сферу или форму куба. Может использоваться по меньшей мере одно меланиновое устройство, но число меланиновых устройств или размер или форма меланиновых устройств не ограничивается каким-либо образом. Скорость реакции будет управляться размером, формой, площадью поверхности, количеством меланинового материала и числом меланиновых устройств, используемых в реакции. Согласно предпочтительному варианту осуществления размер, форма и число меланиновых устройств выбирают на основе желательной скорости реакции электрохимического процесса. Например, к большей скорости получения глюкозы будет приводить использование большего числа меланиновых устройств. В качестве другого иллюстративного примера, к большей скорости получения глюкозы будет приводить большее количество меланинового материала в меланиновом устройстве.

[0026] Электрохимический способ согласно вариантам осуществления изобретения будет инициироваться, когда меланиновый материал поглощает электромагнитную энергию и катализирует электролиз воды на H₂ и O₂. Согласно одному варианту осуществления изобретения (периодический процесс), газообразный диоксид углерода растворяют в воде только единожды до инициирования фотоэлектрохимического процесса. Согласно другому варианту осуществления (непрерывный процесс), фотоэлектрохимический процесс дополнительно включает непрерывное растворение газообразного CO₂ в воде для непрерывного восполнения газообразного CO₂ по мере того, как он расходуется и превращается в глюкозу. Может использоваться любой подходящий способ для непрерывного растворения газообразного CO₂ в воде. Например, газообразный CO₂ может непрерывно инжектироваться в воду с помощью труб или трубок, присоединенных к газовому насосу. Трубы или трубки могут быть изготовлены из любого материала, который является инертным и по существу непроницаемым для газообразного CO₂, включая, но не ограничиваясь этим, полиэтилен.

[0027] Согласно частному варианту осуществления изобретения способ получения глюкозы представляет собой фотоэлектрохимический процесс, требующий источник фотоэлектрической энергии. Предпочтительно источником фотоэлектрической энергии является или видимый, или невидимый свет, имеющий длину волны, находящуюся в диапазоне от 200 нм до 900 нм. В более предпочтительном варианте осуществления источником фотоэлектрической энергии является естественный свет.

[0028] Согласно другому варианту осуществления изобретения электрохимический способ может выполняться при комнатной температуре (приблизительно 25°C), предпочтительно при температуре ниже комнатной температуры в диапазоне 0°C-25°C, а более предпочтительно при температуре, находящейся в диапазоне от 2°C до 8°C. Хотя более низкие температуры могут снизить интенсивность кругооборота по разделению и преобразованию молекул воды, инкубация при более низких температурах сохраняет пузырьки газообразного CO₂, введенного в начале процесса, и исключает необходимость в непрерывном инжектировании газообразного CO₂ в воду. Таким образом, использование пониженных температур имеет главное преимущество в проведении электрохимического способа, технически более простого по исполнению.

[0029] Электрохимический способ согласно изобретению может дополнительно включать в себя этап отделения глюкозы, полученной от реакции диоксида углерода, воды и упомянутого по меньшей мере одного меланинового материала. В качестве иллюстративного примера, глюкоза может быть отделена путем выпаривания водного реакционного раствора. Однако глюкоза без ее отделения может быть идентифицирована и измерена, например, с помощью спектрометрии.

[0030] Изобретение также относится к электрохимическому способу получения соединений C_nH_2nO_n, где n представляет целое число. Предпочтительно n равно 1, 2, 3, 4, 5 или 6, так что соединения C_nH_2nO_n являются предшественником глюкозы или самой глюкозой. Согласно вариантам осуществления изобретения электрохимический способ получения соединений C_nH_2nO_n может быть таким же, как используемый для получения глюкозы, и включает реагирование воды и растворенного в ней газообразного CO₂ в присутствии по меньшей мере одного меланинового материала и источника электромагнитной энергии. Предпочтительно электромагнитная энергия представляет собой фотоэлектрическую энергию, выбранную из видимого света и невидимого (ультрафиолетового и инфракрасного излучения) света. Другие варианты осуществления способа получения соединений C_nH_2nO_n согласно изобретению могут быть такими же, как описанные для электрохимического способа получения глюкозы согласно данному изобретению. Предпочтительно электрохимический способ получения соединений C_nH_2nO_n является фотоэлектрохимическим процессом.

[0031] Точный механизм, с помощью которого меланин способен использовать электромагнитную энергию для получения глюкозы, предшественников глюкозы и других соединений C_nH_2nO_n из CO₂ и воды в электрохимическом способе согласно вариантам осуществления изобретения полностью все еще не понятен. Не желая быть связанными какими-либо теориями, полагают, что меланин поглощает электромагнитную энергию, способствуя превращению низкоэнергетичных электронов в высокоэнергетичные электроны. Высокоэнергетичные электроны перемещаются подвижными электронными носителями внутри меланинового материала. Этот электронный перенос высвобождает энергию и устанавливает протонный градиент, достаточный для инициирования разделения воды на двухатомный водород (H₂) и двухатомный кислород (O₂) наряду с высвобождением четырех высокоэнергетичных электронов. Таким образом, меланин высвобождает молекулы H₂ и O₂, а также поток высокоэнергетичных электронов во всех направлениях, управляемый диффузией. Высвобожденные водород и высокоэнергетические электроны имеют различные типы энергии и, как полагают, оба типа энергии играют роль в превращении CO₂ и воды в глюкозу и другие соединения C_nH_2nO_n. Хотя разделение воды на H₂ и O₂ расходует энергию, реакция является обратимой, и восстановление O₂ с помощью H₂ с повторным образованием молекул воды освобождает энергию. Таким образом, после того, как молекула воды разделяется, молекула воды должна быть повторно образована для того, чтобы дать энергию реакции получения глюкозы, которая происходит от слияния CO₂ и воды.

[0032] На скорость и эффективность электрохимического способа получения глюкозы согласно вариантам осуществления изобретения будут влиять многие факторы. Эти факторы включают, но не ограничиваются этим, количество энергии, высвобождаемой при разделении и повторном образовании молекул воды, энтропию растворенного газообразного CO₂, количество растворенного газообразного CO₂, температуру, давление, длину волны электромагнитной энергии, подаваемой к реакции, и количество электромагнитной энергии, поглощаемой меланиновым материалом.

[0033] Согласно предпочтительному варианту осуществления электрохимический способ получения глюкозы выполняют в стерильных условиях, означающих, что в реакции по существу не присутствуют бактерии. Поскольку бактерии могут потреблять глюкозу, то присутствие бактерий может уменьшать количество глюкозы, получаемой электрохимическим способом согласно изобретению. Реакции могут быть стерилизованы любым известным методом в области техники в связи с настоящим раскрытием, включая, но не ограничиваясь этим, стерилизацию фильтрацией и горячую стерилизацию.

[0034] Диссоциация и повторное образование молекулы воды для получения энергии, которая в дальнейшем используется для получения глюкозы из диоксида углерода и воды, могут быть катализированы по меньшей мере одним меланиновым материалом, при этом упомянутым по меньшей мере одним меланиновым материалом является единственный электролизирующий воду материал, присутствующий в реакции. Таким образом, в частных вариантах осуществления изобретения упомянутым по меньшей мере одним меланиновым материалом является единственный электролизирующий воду материал, используемый в электрохимическом способе для получения глюкозы. Согласно предпочтительному варианту осуществления меланин (синтетический или натуральный) является единственным электролизирующим воду материалом, используемым в способе для получения глюкозы.

[0035] Другой аспект изобретения обеспечивает систему для получения глюкозы посредством электрохимического способа. Согласно вариантам осуществления изобретения система состоит из реакционной ячейки и источника электромагнитной энергии. Как используется здесь, термин «реакционная ячейка» относится к любому контейнеру, который может принимать и удерживать воду и растворенный в ней газообразный диоксид углерода. Реакционная ячейка может быть любой формы и может быть изготовлена из любого подходящего материала, включая, но не ограничиваясь этим, пластики, стекло и любые другие материалы, которые обеспечивают пропускание желательных длин волн электромагнитной энергии в реакционную ячейку, так что может происходить электрохимический процесс. Материал реакционной ячейки предпочтительно прозрачен, чтобы обеспечить пропускание видимого света. Материал реакционной ячейки также предпочтительно по существу непроницаем для диоксида углерода.

[0036] Согласно другому варианту осуществления реакционная ячейка представляет собой закрытую реакционную ячейку. Закрытая реакционная ячейка герметизирована для предохранения газообразного диоксида углерода от выхода наружу из реакционной ячейки и может быть изготовлена из любого подходящего материала, как обсуждено выше. Предпочтительно реакционная ячейка является закрытой. Реакционная ячейка принимает воду и растворенный в ней газообразный CO₂, и по меньшей мере один меланиновый материал. Упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал выбирают из меланина, предшественников меланина, производных меланина, аналогов меланина и разновидностей меланина, и является предпочтительно меланином (синтетическим или натуральным). В другом варианте осуществления изобретения система включает упомянутый по меньшей мере один меланиновый материал в качестве части по меньшей мере одного меланинового устройства, устройства, состоящего из подложки и меланинового материала, как обсуждено выше. Предпочтительно меланиновое устройство включает меланин (натуральный или синтетический) и диоксид кремния.

[0037] Система согласно изобретению предпочтительно является стерильной и исключается наличие любых бактерий. Система, включающая в себя одну или более ее составных частей (реакционную ячейку, трубопровод и т.д.) может быть стерилизована согласно любому известному в области техники методу, который устраняет или уничтожает бактерии, такому как применение тепла, химикатов, облучение, давление или фильтрации.

[0038] Согласно вариантам осуществления изобретения энергия, обеспеченная источником электромагнитной энергии к реакционной ячейке, пропускается через реакционную ячейку так, что она поглощается меланиновым материалом. В предпочтительном варианте осуществления источник электромагнитной энергии обеспечивает реакционную ячейку энергией невидимого и видимого света, имеющую длину волны между 200 нм и 900 нм.

[0039] Согласно другому варианту осуществления изобретения система может дополнительно включать в себя устройство для непрерывного инжектирования газообразного CO₂ в реакционную ячейку. Устройством может быть, например, газовый насос. Устройство может быть соединено с реакционной ячейкой трубками и трубами. Если реакционная ячейка закрыта, то устройство предпочтительно присоединяют таким способом, который обеспечивает закрытой реакционной ячейке возможность оставаться герметизированной для предотвращения газообразного CO₂ от выхода наружу. Таким образом, использование закрытой реакционной ячейки имеет преимущество исключения необходимости непрерывного инжектирования диоксида углерода в реакционную ячейку, при условии, что контейнер достаточно герметизирован для предотвращения газообразного диоксида углерода от выхода наружу.

[0040] Согласно вариантам осуществления изобретения система для получения глюкозы с помощью электрохимического способа может быть также использована для получения соединений C_nH_2nO_n. Предпочтительно соединения C_nH_2nO_n представляют собой предшественник глюкозы, где n представляет 1, 2, 3, 4 или 5.

[0041] Электрохимический способ и система для получения глюкозы согласно вариантам осуществления изобретения, кроме растворенного в воде газообразного CO₂, требует только присутствия меланинового материала и электромагнитной энергии, предпочтительно фотоэлектрической энергии, а более предпочтительно энергии света, и, таким образом, безвреден для окружающей среды, потому что не требуется никакого источника внешней энергии, отличного от присутствующего в природных условиях. Кроме того, не требуется никакой сложной установки или обслуживания. Единственным требуемым обслуживанием является замена воды и растворенного газообразного CO₂, поскольку CO₂ расходуется и превращается в глюкозу. Поскольку меланин является одной из наиболее стабильных молекул, известных человеку, имеющей время полураспада, оцениваемое порядком миллионов лет, то меланиновый материал или меланиновое устройство могут использоваться в течение десятков лет, прежде чем будет необходима замена.

[0042] В предпочтительном варианте осуществления упомянутым по меньшей мере одним меланиновым материалом в системе является меланин (натуральный или синтетический). В другом предпочтительном варианте осуществления меланин является единственным электролизирующим воду материалом, присутствующим в системе.

[0043] Электрохимический способ и система для получения глюкозы согласно вариантам осуществления изобретения имеют по меньшей мере два важных применения. Первым применением является получение глюкозы, как описано выше, которая является основной молекулой пищевой цепочки. Второе применение относится к управлению атмосферным CO₂. Согласно вариантам осуществления изобретения получение глюкозы требует потребления CO₂. Таким образом, изобретение дополнительно обеспечивает способ уменьшения уровней содержания атмосферного CO₂.

[0044] Диоксид углерода (CO₂) является основным парниковым газом, который является результатом человеческой деятельности, и концентрация атмосферного CO₂ повышается с увеличивающейся скоростью, внося вклад в глобальное потепление и изменение климата. Хотя верхний безопасный предел для атмосферного CO₂ установили в 350 миллионных частей (млн.^-1), уровни содержания атмосферного CO₂ остаются выше этого предела еще с начала 1988 года. Кроме того, палеоклиматические данные и продолжающееся изменение климата предполагают, что уровни содержания CO₂ необходимо уменьшать, чтобы сохранить планету в состоянии, в котором Земля приспособлена для жизни.

[0045] Кроме того, расчеты исследователей НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) показывают, что несмотря на необычайно низкую солнечную активность между 2005 и 2010 годами, Земля продолжала поглощать больше энергии, чем ее возвращалось в космос. Таким образом, стабилизация климата будет также требовать восстановления энергетического баланса Земли, а также снижения уровней содержания CO₂. Другими словами, Земле будет необходимо излучать столько энергии в космос, сколько она поглощает от солнца, чтобы замедлить глобальное потепление.

[0046] По этой причине очень необходимы новые способы управления уровнем содержания атмосферного CO₂ и расходования поглощенной солнечной энергии. В фотоэлектрохимическом способе согласно вариантам осуществления изобретения для превращения CO₂ и воды в глюкозу требуются только энергия света и по меньшей мере один меланиновый материал, такой как меланин (синтетический или натуральный), аналог меланина или предшественник меланина. Таким образом, при получении глюкозы фотоэлектрохимическим способом по изобретении расходуются и CO₂, и солнечная энергия, что будет вносить вклад в уменьшение уровней содержания CO₂ при одновременном использовании поглощенной солнечной энергии.

Примеры

Пример 1: Диссоциация и преобразование молекулы воды, катализированные меланином.

[0047] Два однолитровых контейнера (закрытые реакционные ячейки), изготовленные из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), формировали в стерильных условиях с содержанием в каждом 1 литра очищенной воды. Газообразный CO₂ растворяли в воде в каждом контейнере при начальном давлении 5 атм, а смешанный с диоксидом кремния меланин помещали в один из двух контейнеров. Контейнеры подвергали воздействию видимого света в течение 6 недель и инкубировали при температуре примерно 2°C-8°C (35,6°F-46,4°F).

[0048] Через 5 дней наблюдали деформацию пластиковой упаковки контейнера, содержащего смешанный с диоксидом кремния меланин. Напротив, после 6 недель воздействия видимого света, пластиковая упаковка контейнера, который не имел какого-либо смешанного с диоксидом кремния меланина, не показала видимой деформации.

[0049] Результаты эксперимента поддерживают заявление, что меланин имеет присущую ему способность подвергать диссоциации и преобразовывать молекулу воды в присутствии энергии света. Эта диссоциация и преобразование молекулы воды производили вакуум (разрежение), как показано деформацией пластиковой упаковки только того закрытого контейнера, который содержал меланин. Энергия, которая вырабатывалась от катализированных меланином разделения и повторного образования молекулы воды, может в дальнейшем быть использована для превращения диоксида углерода и воды в глюкозу.

Пример 2: Получение глюкозы из растворенного в воде CO₂, меланина и энергии света.

[0050] Десять герметизированных, трехлитровых закрытых контейнеров (закрытые реакционные ячейки), изготовленные из полиэтилена, формировали в стерильных условиях с содержанием в каждом 1800 мл очищенной воды. CO₂ растворяли в воде в каждом контейнере под давлением приблизительно 2,20 PSI (pound per square inch) (фунтов на квадратный дюйм) в достаточных количествах, так что легко наблюдались многочисленные пузырьки газообразного CO₂. Пять контейнеров служили в качестве контрольной группы и не содержали меланинового устройства, а другие пять контейнеров служили в качестве экспериментальной группы. Для экспериментальной группы пластины из смешанного с диоксидом кремния меланина помещали на дно каждого контейнера. Пластины меланин/диоксид кремния изготавливали путем комбинирования цементирующей смеси диоксида кремния с водным раствором меланина. Использованный меланин был химически синтезирован в лаборатории.

[0051] Контейнеры и контрольной, и экспериментальной групп помещали в холодильник и инкубировали при температуре, находящейся в диапазоне 2°C-8°C (35,6°F-46,4°F) в течение четырех недель. Целью охлаждения контейнеров было сохранение газообразного CO₂, изначально растворенного в воде. Это исключило необходимость непрерывного манипулирования контейнерами при необходимости растворять CO₂ в воде или непрерывно или несколько раз по ходу эксперимента. Поскольку холодильник состоял из металлических стенок, то источником энергии, подаваемой в контейнеры, был, главным образом, невидимый свет, присутствующий внутри холодильника. Контейнеры сохранялись герметичными по всему ходу эксперимента, а визуальное наблюдение пузырьков газообразного CO₂ в контейнерах контрольной группы на протяжении четырех недель инкубирования подтвердило, что контейнеры были в должной степени герметичны.

[0052] Пузырьки растворенного газообразного CO₂ наблюдали ежедневно. В конце первой недели пузырьки CO₂ во всех контейнерах контрольной группы еще присутствовали и не показывали изменения от начала эксперимента. С другой стороны, во всех контейнерах экспериментальной группы пузырьки растворенного CO₂ исчезли полностью за несколько часов. Это показало, что диоксид углерода расходовался, но только в присутствии меланина. Эксперимент продолжали в течение четырех недель, даже если пузырьки диоксида углерода в экспериментальных контейнерах исчезли за несколько часов, для определения, образовался ли любой другой продукт или осадок. В конце четвертой недели уплотнения каждого контейнера и в экспериментальной, и в контрольной группах были разрушены в стерильных условиях, и из каждого контейнера был отобран образец в 10 мл воды. Следует также отметить, что в конце четвертой недели диоксид углерода в контейнерах контрольной группы не показал изменения от начала эксперимента.

[0053] Образцы по 10 мл воды, отобранные из каждого из контейнеров контрольной группы и экспериментальной группы, как было отмечено, были и прозрачные, и без запаха. Для экспериментальной группы не наблюдалось никакого осадка в образцах из любой группы, указывая на то, что меланин не диспергировался из пластин меланин/диоксид кремния. В каждом образце измеряли дополнительные параметры, включая плотность, pH и концентрацию глюкозы.

[0054] Концентрацию глюкозы в каждом образце определяли спектрофотометрией, используя анализ на стандартизованную глюкозооксидазу (GOD). Вкратце, каждый образец обрабатывали глюкозооксидазой для окисления глюкозы с получением глюконата и пероксида водорода. Пероксид водорода затем окислительно соединяли с 4-амино-антипиреном (4-ААП) и фенолом в присутствии пероксидазы, получая красный краситель хинонимин. Поглощение хинонимина при 505 нм, которое прямо пропорционально концентрации глюкозы, затем измеряли и использовали для определения концентрации глюкозы в образце. Результаты перечислены ниже в таблице 1.

Таблица 1 Контрольная группа Экспериментальная группа Плотность (г/см³) 1,005 1,000 pH 7,5 6,5 Концентрация глюкозы (мг/мл) 0,0 0,1-0,12

[0055] Результаты вышеприведенного эксперимента демонстрируют, что из диоксида углерода и воды может быть получена глюкоза, требуя только меланин и электромагнитную энергию, такую как невидимый свет.

[0056] Специалистам в области техники будет очевидно, что в вышеописанных вариантах осуществления могут быть сделаны изменения без отступления от их широкого замысла. Следовательно, понятно, что это изобретение не ограничено частными раскрытыми вариантами осуществления, а оно предназначено для охвата модификаций внутри сущности и объема изобретения, которое определено прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к электрохимическому способу получения глюкозы и системе для его осуществления, которые могут быть применены в химической промышленности. Предложенный способ включает реагирование воды и растворенного в ней газообразного диоксида углерода в присутствии источника электромагнитной энергии и меланина, удерживаемого на подложке, так что получается глюкоза. Предложенная система для осуществления указанного способа включает реакционную ячейку и источник электромагнитной энергии, причем в ячейке содержится меланин на подложке, удерживающей его. Предложен новый эффективный способ получения глюкозы и система для его осуществления. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл.

1. Электрохимический способ получения глюкозы, включающий реагирование воды и растворенного в ней газообразного диоксида углерода в присутствии по меньшей мере одного меланинового устройства и источника электромагнитной энергии, при этом упомянутое по меньшей мере одно меланиновое устройство содержит меланин и подложку, при этом меланин удерживается в пределах подложки для предотвращения диспергирования меланина во всей воде, так что получается глюкоза.

2. Электрохимический способ по п.1, при этом электрохимический способ представляет собой фотоэлектрохимический процесс, а источником электромагнитной энергии является энергия видимого или невидимого света, имеющего длину волны между 200 и 900 нм.

3. Электрохимический способ по п.1, дополнительно включающий непрерывное растворение газообразного диоксида углерода в воде.

4. Электрохимический способ по п.1, в котором подложкой упомянутого по меньшей мере одного меланинового устройства является диоксид кремния, так что образуется смесь меланина и диоксида кремния.

5. Электрохимический способ по п.1, при этом способ осуществляют при температуре, находящейся в диапазоне от 0 до 25°C.

6. Электрохимический способ по п.1, в котором меланин выбран из натурального меланина и синтетического меланина.

7. Электрохимический способ по п.1, при этом меланин является единственным электролизирующим воду материалом, используемым в этом способе.

8. Система для получения глюкозы посредством электрохимического способа, включающая:

(i) реакционную ячейку для приема воды и растворенного в ней газообразного диоксида углерода и по меньшей мере одного меланинового устройства, содержащего меланин и подложку, при этом меланин удерживается в пределах подложки для предотвращения диспергирования меланина во всей воде; и

(ii) источник электромагнитной энергии, такой, что электромагнитная энергия передается в реакционную ячейку и поглощается меланином.

9. Система по п.8, в которой реакционная ячейка соединена с устройством для непрерывного инжектирования газообразного CO₂ в эту реакционную ячейку.

10. Система по п.8, в которой источником электромагнитной энергии является энергия невидимого или видимого света, имеющего длину волны между 200 и 900 нм.

11. Система по п.8, в которой реакционная ячейка представляет собой закрытую реакционную ячейку.

12. Система по п.8, в которой меланин выбран из натурального меланина и синтетического меланина.

13. Система по п.8, в которой меланин является единственным электролизирующим воду материалом, присутствующим в системе.