(57)【要約】  本発明は、液体媒体と、かつ酸化剤を含む流体媒体と、接触させることを意図したバイオ燃料リザーバを有するバイオセル（１）に関する。当該バイオセルは、バイオ燃料の酸化を触媒することができる第１の酵素を含むアノード（５）と、−酸化剤の還元を触媒することができる第２の酵素を含むカソード（７）と、−アノード（５）とカソード（７）との間に載置された、電気的に絶縁され、当該液体媒体に対して透過性である分離多孔質膜（３）と、を有する、第１の電気化学セルを含む。当該バイオセル（１）は、バイオ燃料（３）を貯蔵するため、かつ液体媒体をアノード（５）に提供するための手段を含むことを特徴とし、当該手段は、当該アノード（５）と接触し、５００〜９００ｇ／ｍ２の単位面積当たりの質量を有する親水性多孔質材料を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオ燃料リザーバを有するバイオセル（１、１０、２０）であって、前記バイオセル（１、１０、２０）が、液体媒体と接触させることを意図され、前記液体媒体が、任意選択的にバイオ燃料と、酸化性物質を含む流体媒体と、を含み、前記バイオセルが、第１の電気化学セルを含み、前記第１の電気化学セルが、
−前記バイオ燃料の酸化を触媒することができる第１の酵素と混合された導電性材料を含む固体凝集体で作製されたアノード（５、１５、２５、３５、４５、５５）と、
−前記酸化剤の還元を触媒することができる第２の酵素と混合された導電性材料を含む固体凝集体で作製されたカソード（７、１７、２７、３７、４７、５７）と、
−前記アノード（５、１５、２５、３５、４５、５５）と前記カソード（７、１７、２７、３７、４７、５７）との間に載置された、電気的に絶縁され、前記液体媒体に対して透過性である分離多孔質膜（３、３’、１３、２３）と、を含み、
−前記バイオセルが、当該バイオセルを電気的に電気受信機に切り替えるための手段（９、９’、１９、１９’、２９、２９’、２９”、３９、３９’）をさらに含み、電気回路における切り替えのための前記手段が、電流が前記カソード（７、１７、２７、３７、４７、５７）から前記アノード（５、１５、２５、３５、４５、５５）に流れることを可能にし、
前記バイオセル（１、１０、２０）が、前記バイオ燃料を貯蔵するため、かつ前記アノード（５、１５、２５、３５、４５、および５５）に前記液体媒体を提供するための手段を含むことを特徴とし、前記手段が、前記アノード（５、１５、２５、３５、４５、および５５）と接触し、５００〜９００ｇ／ｍ２の単位面積当たりの質量を有する親水性多孔質材料を含む、バイオセル（１、１０、２０）。
【請求項２】
前記分離多孔質膜（３、３’、１３、２３）が、１ｃｍ〜０．１ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項３】
前記親水性多孔質材料が、セルロースベースである、請求項１または請求項２に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項４】
バイオ燃料を貯蔵し、前記液体媒体を提供するための前記手段がまた、前記分離多孔質膜（１３および２３）であり、かつ多孔質、電気絶縁性、および液体媒体に対して透過性である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項５】
前記電気受信機をオンに切り替えるための前記手段が、熱分解グラファイトのタブを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項６】
前記アノード（５、１５、２５、３５、４５、および５５）が、ペレットの形態である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項７】
前記アノードが、フレーム内に保持され、前記フレームが、前記バイオ燃料を貯蔵し、前記液体媒体を提供するための前記手段（３、３’、１３、および２３）、またはＰＴＦＥなどの電気絶縁材料のいずれかである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項８】
または前記バイオセルが、前記アノードの液体または前記カソードのガスへのアクセスを可能にするように位置決めおよび寸法決めされた開口部を含む、好ましくは可撓性および絶縁性の外側カバーを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項９】
水性液体媒体をさらに含み、前記水性液体媒体が、任意選択的にバイオ燃料を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のバイオセル（１、１０、３０）。
【請求項１０】
電流を生成するための、請求項１〜９のいずれか１項に記載のバイオセルの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酵素燃料セル、またはバイオセル、グルコースなどのバイオ燃料の検出または酸化のためのその使用、それを含むキット、ならびに当該バイオセルを組み込んだ電気または電子デバイスに関する。本発明はまた、このバイオセルを製造する方法、ならびに本発明による少なくとも２つのバイオセルを含むアセンブリに関する。
【０００２】
従来技術
燃料セル技術は、化学エネルギーを電子エネルギーに変換することに基づいている。グルコースなどの有機分子は、多くの生物にとって最も重要なエネルギー源の１つであり、安全で取り扱いが簡単で、消費可能であるため、生分解性のバイオ燃料とみなすことができる。
【０００３】
バイオ燃料酵素セル（バイオセルとも呼ばれる）は、酵素を使用して、酸素、メタノール、グルコース、デンプンなどの生物学的基質からエネルギーまたは電力を生成する。バイオセルは、電力を生成する酵素化合物の存在下でバイオ燃料を変換する。グルコースの酸化（ＧＢＦＣ）によって機能する最もよく知られているバイオセルは、アノードでの酸化によってグルコースを変換してそれに組み込まれた酵素を使用して電力を生成し、反応の触媒機能を有するセルである。カソードの機能は、一般に酸素を還元することであり、この反応を触媒する酵素を含む場合、または含まない場合がある。
【０００４】
酵素は、それらのほとんどが中性ｐＨおよび室温で動作し、他の金属ベースの触媒の場合とは異なり、毒性をほとんどまたはまったく提供しないため、貴金属触媒の有望な代替品である。したがって、そのようなバイオ燃料バイオセルは、非常に簡単にリサイクルでき、特に使い捨てデバイス用の電流発生器として環境に優しい代替手段を提示することができる。
【０００５】
本発明は、より具体的には、「ボタン」型バイオセル、すなわち、小型であり、金属ベースのボタンセルと同等の電気を提供することができ、任意選択的に環境へのリスクなしに廃棄することができる、バイオセルの製造に関する。これは、今日のボタンセルおよびアルカリバッテリには当てはまらない。このグリーンテクノロジーは、日常的に使用される亜鉛、リチウム、またはマンガンベースのバッテリのリサイクルに関連する問題に対する独自の解決策を提供し得る。金属が存在しない場合、本発明によるデバイスは、金属探知機には見えない携帯型エネルギー源についても説明している。
【０００６】
代替的または付加的に、本発明によるデバイスは、他の従来のエネルギー源（風力、太陽光など）が利用可能ではない場合に、特定の必要性のための電気エネルギーの生成を可能にすることを目的とする。実際に、酵素は、液体、活性剤および／または燃料としての砂糖（グルコース）、甘い飲み物、生理液（唾液、血液、尿）、動物または野菜由来（フルーツジュースなど）の特に様々な生体体液の使用を可能にする複雑な媒体での電力の生成を可能にする独自の選択性を有する。この文脈では、「燃料」および「バイオ燃料」という用語は、交換可能である。
【０００７】
これらの点で、そのようなバイオ燃料セルを商業用途に投入する前に、重要な課題を克服する必要がある。
【０００８】
特に、それらは、好ましくは、サイズが小さい（面積が１〜５ｃｍ２）か、非常に小さく（面積が０．５ｃｍ２未満）あるべきであり、使い捨てデバイスで頻繁に使用される「ボタン」型のバッテリに交換することができるように設計する必要がある。それらは、有利には、容易にリサイクル可能であり、好ましくは安価であるべきである。
【０００９】
したがって、本発明は、特に、バイオ燃料セルを提供する問題、特に安価（ボタンセル型）であるか、単回使用のために設計されており、好ましくは小さな寸法であり、電気化学セルへの燃料と酸化剤の最適なアクセスを有利に可能にして、最大量のエネルギーを生成する使い捨てデバイスでの使用を可能にする設計の問題を解決することを目的とする。さらに、このバイオ燃料セルは、いくつかのバイオ燃料バイオセルまたは電気化学セルのアセンブリで使用して、持続可能で更新されたエネルギーを生成できることが有利である。
【００１０】
したがって、一般に、本発明は、バイオセルの容易かつ低コストの製造、および生成される電流密度が前記デバイスを操作するのに十分に高く、多かれ少なかれ洗練された電気回路へのそれらを組み込むという問題を解決することを目的とする。有利には、供給される電圧は、デバイスを確実に動作させるのに十分である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
一実施形態では、本発明は、バイオ燃料リザーバを有し、液体媒体と接触させることを意図され、当該液体媒体が、任意選択的にバイオ燃料と、酸化剤を含む流媒体と、を含み、当該バイオセルが、第１の電気化学セルを含み、当該第１の電気化学セルであって、
−バイオ燃料の酸化を触媒することができる第１の酵素と混合された導電性材料を含む固体凝集体で作製されたアノードと、
−酸化剤の還元を触媒することができる第２の酵素と混合された導電性材料を含む固体凝集体からなるカソードと、
−アノードとカソードとの間に載置された、電気的に絶縁され、当該液体媒体に対して透過性である分離多孔質膜と、を含む。
前記バイオセルが、電気受信機を有する当該バイオセルの電気的にオンに切り替えるための手段をさらに含み、当該電気的切り替え手段が、電流がカソードとアノードとの間に流れることを可能にする。バイオセルは、バイオ燃料を貯蔵し、液体媒体をアノードに提供するための手段を含むことを特徴とし、当該手段は、当該アノードと接触し、５００〜９００ｇ／ｍ２の単位面積当たりの質量を有する親水性多孔質材料を含む。
【００１２】
したがって、貯蔵手段は、バイオ燃料および／またはそれを含む液体のための貯蔵器として機能することができる。好ましくは、貯蔵手段は、十分に吸収性であるように、６５０〜７５０ｇ／ｍ２の範囲であり得る単位面積当たりの質量（または秤量）を有する。有利には、その単位面積当たりの質量は、７０３ｇ／ｍ２であり、任意選択的に±２０％である。特に、６５５、６６０、６６５、６７０、６７５、６８０、６８５、６９０、６９５、６９６、６９７、６９８、６９９、７００、７０１、７０２、７０３、７０４、７０５、７０７、７０８、７０９、７１０、７１１、７１２、７１３、７１４、７１５、７２０、７２５、７３０、７３５、７４０、７４５、７５０、７５５、および７６０ｇ／ｍ２からなる値の群から選択することができる。したがって、貯蔵手段は非常に多孔質の材料である。
【００１３】
貯蔵手段は、多孔質パッド、パッド、または英語では「ｐａｄ」の形態であり得る。貯蔵手段を構成する材料は、好ましくは電気絶縁体である。この材料は、織物繊維、または不織布繊維（フェルト）を含むか、またはそれらで構成することができる。これらの繊維は、好ましくは天然および／または生分解性繊維であり、例えば、それらは、セルロース、特に綿を含むか、または本質的にそれからなるか、あるいはそれに基づく材料であり得る。それはまた、天然ポリマー（セルロース、綿、スポンジ、キトサンなど）または合成（ポリアクリルフォーム、ポリビニルアルコールなど）であり得る。「Ｘに基づく」という表現は、成分Ｘの全質量に対して９０質量％以上、好ましくは９５質量％以上、さらには９８質量％以上からなる材料を指すと解釈することができる。したがって、貯蔵手段は、好ましくは一枚の紙、好ましくは吸い取り紙型、例えば超厚質吸い取り紙を有利に含むか、または本質的に構成することができる。また、このパッドおよび／または紙のシートには添加物がないことが好ましい。秤量は、標準ＮＦ  ＥＮ  ＩＳＯ  ５３６  ２０１２年１１月に従って測定することができる。
【００１４】
貯蔵手段の厚さは、小型化された使用を可能にするために可能な限り薄いものが有利である。しかしながら、他の用途では、この厚さはより実質的で、１センチメートルまたは０．５センチメートルになり得る。したがって、この厚さは、１ｃｍ〜０．１ｍｍ、好ましくは８〜２ｍｍ、より具体的には約２．６ｍｍ、任意選択的に±２０％であり得る。特に、１、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．６、２．７、２．８、２．９、３、３．１、３．２、３．３、３．４、３．５、３．６、３．７、３．８、３．９および４ｍｍからなる群から選択される厚さとして選択することができる。
【００１５】
有利には、貯蔵手段は、２．６ｍｍ±０．２ｍｍの厚さを有する一枚の吸い取り紙である。その多孔性は、燃料（例えば、水、尿、甘い飲み物、血液など）、特に砂糖を含む液体の良好な吸収を可能にしなければならない。本発明の好ましい変形によれば、それは、バイオアノードまたはバイオカソードの埋め込みまたは維持のために十分に剛性でなければならない。
【００１６】
有利には、貯蔵手段は、ハーズバーグ法（１００ｍｍの水柱を使用）に従って測定して、１００〜１４０秒／ｍｌ、好ましくは１１０〜１３０秒／ｍｌ、有利には約１２０秒／１００ｍｌ、任意選択的に±２０％の範囲であり得る液体濾過時間を有する。
【００１７】
本発明によるバイオセルに含まれる電気化学セルは、アノードおよびカソードを含む。これらの電極は、そのベースに、好ましくは多孔質導電性材料と、触媒される半反応の少なくとも１つの酵素と、を含む固体凝集体の形態である。この多孔質材料は、カーボンフェルト、微孔性カーボン、カーボンナノチューブ、活性炭、カーボンブラック、導電性ポリマーなどの任意のリサイクル可能な多孔質導電性材料であり得る。例では、単層またはより有利には多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）またはカーボンブラックに基づくペレットは、優れた導電性に関連する優れた多孔性を提供する。「カーボンナノチューブ」とは、少なくとも１つの寸法が１５００ｎｍ未満であるカーボンナノチューブを意味する。好ましくは、カーボンナノチューブは、１００〜５０００のＬ／直径で示される長さ（Ｌ）／直径比を有する。好ましくは、カーボンナノチューブは、およそ１．５ｐｍおよび例えばおよそ１０ｎｍの直径の長さを有する。
【００１８】
本出願の本発明の例示的な実施形態では、選択されるバイオ燃料は、この化合物の利用可能性が高く、環境への影響が少ないため、グルコースである。しかしながら、本発明によるバイオセルの構造は、関連する酵素化合物も好適である限り、グルコース以外の基質に適応することができる。
グルコース／Ｏ２酵素バイオセルの理論的な反応バランスは次のとおりである。
アノード：グルコース→グルコノラクトン＋２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
バイオセル：２グルコース＋Ｏ２→２グルコノラクトン＋２Ｈ２Ｏ
【００１９】
したがって、本発明の好ましい態様によれば、アノードで使用される酵素系は、少なくとも１つのグルコースオキシダーゼを含むことができる。グルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）は、ＥＣ１．１．３．４型（２０１８年４月分類）のオキシドレダクターゼ酵素であり、グルコース、特にβ−Ｄ−グルコース（またはデキストロース）の過酸化水素とＤ−グルコノ−δ−ラクトンへの酸化を触媒し、その後、それはグルコン酸に加水分解する。グルコースオキシダーゼは、β−Ｄ−グルコピラノース（ヘミアセタール型のグルコース）に特異的に結合し、α−Ｄ−グルコースには作用しない。しかしながら、溶液中でグルコースは主にその環状形態を採用するため、それらはそのエナンチオメトリック形態でグルコースに作用することができる（ｐＨ７で：３６．４％α−Ｄ−グルコースおよび６３．６％β−Ｄ−グルコース、線形形態で０．５％）。さらに、β型の酸化と消費により、α−Ｄ−グルコース／β−Ｄ−グルコースのバランスがこの型にシフトする。ＧＯｘという用語は、天然タンパク質とその誘導体、変異体、ならびに／または機能的同等物にまで及ぶ。この用語は、特に、構造および／または酵素活性が実質的に異ならないタンパク質にまで及ぶ。
グルコースオキシダーゼには、触媒作用を可能にする補因子が含まれ、必要である。この補因子は、細胞内の主要な酸化還元成分であるフラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ）である。ＦＡＤは最初の電子受容体として機能し、ＦＡＤＨ２に還元され、分子状酸素（Ｏ２はＦＡＤよりも還元性が高い）によってＦＡＤに再酸化（再生）される。Ｏ２は、最終的に過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）に還元される。補因子は市販のＧＯｘ酵素に含まれており、ＧＯｘとＦＡＤ−ＧＯＸという用語は同等である。
最も広く使用されているグルコースオキシダーゼは、アスペルギルスニガーから抽出されたものである。しかしながら、他の供給源からのＧＯｘを使用することもできる。例えば、Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ種またはＡｓｐｅｒｇｉｌｉｕｓ  ｔｅｒｒｅｕｓ種の特定の種などである。
Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ  ｎｉｇｅｒのグルコースオキシダーゼは、各々分子量８０ｋＤａの２つの等しいサブユニットで構成される二量体である（ゲル濾過による）。各サブユニットには、フラビンアデニンジヌクレオチドと鉄原子が含まれている。この糖タンパク質には、およそ１６％の中性糖と２％のアミノ糖が含まれている。また、３つのシステイン残基と８つのＮ−グリコシル化の可能性のある部位が含まれている。
ＧＯｘの比活性は、好ましくは、１００，０００ユニット／ｇ固体（Ｏ２の添加なし）以上である。１ユニットは、３５℃、ｐＨ５．１で、１分あたり１．０μモルのβ−Ｄ−グルコースのＤ−グルコノラクトンおよびＨ２Ｏ２への酸化能力として定義される。（Ｋｍ＝３３〜１１０ｍＭ；２５℃；ｐＨ５．５〜５．６）。
ＧＯｘの使用が過酸化水素の生成を伴う限り、カタラーゼを酵素系に加えることができる。
カタラーゼは、反応を触媒する四量体酵素である：２Ｈ２Ｏ２→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ。各サブユニットには、プロトヘムＩＸ型グループに結合した鉄が含まれている。各サブユニットは同等であり、およそ５００アミノ酸のポリペプチド鎖を含む。各サブユニットの分子量は、一般に６０ｋＤａ（ゲル濾過）である。カタラーゼは、ＮＡＤＰおよびＮＡＤＰに強く結合することができ、ヘムグループは、互いに１３．７Åの位置に位置決めされる。メチルペルオキシドまたはエチルペルオキシドなどの他の水素化アルキルペルオキシドと反応する可能性がある。カタラーゼの活性は、一般的に４〜８．５のｐＨ範囲で一定である。その比活性は、好ましくは、２０００ユニット／ｍｇより大きく、特に３０００ユニット／ｍｇより大きく、例えば、タンパク質のおよそ５０００ユニット／ｍｇである。１ユニットは、２５℃、ｐＨ７．０で１分あたり１．０マイクロモルの過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を分解する能力として定義され、Ｈ２Ｏ２濃度は１０．３から９．２ミリモルに低下することが好ましい。カタラーゼという用語は、天然タンパク質およびそれらの誘導体、変異体、ならびに／または機能的同等物にまで及ぶ。この用語は、特に、構造および／または酵素活性が実質的に異ならないタンパク質にまで及ぶ。使用されるカタラーゼは、好ましくはウシ由来のものである。
グルコースを変換する他の酵素、特に少なくとも１つのデヒドロゲナーゼを使用することも可能である。実際、この酵素が触媒する反応では過酸化水素は生成されないので有利である。デヒドロゲナーゼは、ＦＡＤと組み合わせて機能する（上記を参照）。特に好ましいデヒドロゲナーゼは、フラビンアデニンジヌクレオチド−グルコースデヒドロゲナーゼ（ＦＡＤ−ＧＤＨ）（ＥＣ１．１．５．９）である。ＦＡＤ−ＧＤＨという用語は、天然タンパク質とその誘導体、変異体、および／または機能的同等物にまで及ぶ。この用語は、特に、構造および／または酵素活性が実質的に異ならないタンパク質にまで及ぶ。したがって、本発明によるバイオセルの電気化学セルのアノードを製造するために、補因子と組み合わせて、データベース（例えば、ＳＷＩＳＳ  ＰＲＯＴ）にリストされているＧＤＨ配列と少なくとも７５％、好ましくは９５％、さらにより好ましくは９９％の同一性を有するアミノ酸配列を有するＧＤＨ酵素タンパク質を使用することができる。アスペルギルス種のＦＡＤ−ＧＤＨが特に好ましく、効果的であるが、Ｇｌｏｍｅｒｅｌｌａ  ｃｉｎｇｕｌａｔａ（ＧｃＧＤＨ）からの他のＦＡＤ−ＧＤＨ、またはＰｉｃｈｉａ  ｐａｓｔｏｒｉｓ（ｒＧｃＧＤＨ）で発現される組換え型も使用することができる。例示的な実施形態で使用されるＦＡＤ−ＧＤＨは、以下の特徴を有するアスペルギルス種（ＳＥＫＩＳＵＩ  ＤＩＡＧＮＯＳＴＩＣＳ，Ｌｅｘｉｎｇｔｏｎ，ＭＡ，Ｎｏ．Ｃａｔａｌｏｇ  ＧＬＤＥ−７０−１１９２）からのＦＡＤ−ＧＤＨであり、以下の特徴を有する：
外観：凍結乾燥した黄色の粉末。
活性：＞９００Ｕ／ｍｇ粉末３７℃。
溶解度：１０ｍｇ／ｍＬの濃度で水に容易に溶解する。
活性の１ユニット：３７℃で１分間に１マイクロモルのグルコースを変換する酵素の量。
分子量（ゲル濾過）１３０ｋＤａ
分子量（ＳＤＳページ）：グリコシル化タンパク質を示す拡散９７ｋＤａバンド。
等電点：４．４。
Ｋｍ値：５．１０￣２Ｍ（Ｄ−グルコース）。
多孔質導電性材料はまた、電子交換を改善するために、１，４−ナフトキノンなどのレドックスメディエーターとして作用する芳香族分子を含むことができる。９，１０−フェナントロリン、１，１０−フェナントロリン−５，６−ジオン、９，１０−アントラキノン、フェナントレン、１，１０−フェナントロリン、５−メチル−１，１０−フェナントロリンによって形成される群から選択される他の分子、ピレン、１−アミノピレン、ピレン−１−酪酸、およびこれらの２つ以上の混合物も考慮することができる。そのような化合物の使用は、ＦＡＤ−ＧＤＨまたはＧＯｘを含む酵素系の場合に特に有利であることが証明されている。
バイオ燃料セルの酸化剤は、有利には、分子状酸素、特に空気中に含有される酸素であり得る。
酸化剤が分子状酸素Ｏ２である場合、カソードで使用することができる酵素系は、有利には、ビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を含むことができる。ＢＯＤは、次の反応を触媒するオキシドレダクターゼ酵素（ＥＣ分類１．３．３．５、ＣＡＳ番号８０６１９−０１−８、２０１８年４月）である：
２ビリルビン＋Ｏ（２）＜＝＞２ビリベルジン＋２Ｈ（２）Ｏ。
【００２０】
最も広く使用されているビリルビンオキシダーゼは、Ｍｙｒｏｔｈｅｃｉｕｍ  ｖｅｒｒｕｃａｒｉａから抽出されたものである。しかしながら、他の供給源からのＢＯＤの使用が検討され得る。ＢＯＤの活性は、有利には、１５ユニット／ｍｇタンパク質よりも大きく、好ましくは５０ユニット／ｍｇより大きく、例えば、約６５ユニット／ｍｇタンパク質である。１ユニットは、３７℃でｐＨ８．４で毎分１．０マイクロモルのビリルビンを酸化する能力として定義される。ＢＯＤという用語は、天然タンパク質およびそれらの誘導体、変異体、ならびに／または機能的同等物にまで及ぶ。この用語は、特に、構造および／または酵素活性が実質的に異ならないタンパク質にまで及ぶ。
【００２１】
プロトポルフィリンＩＸ（ＣＡＳ番号５５３−１２−８；２０１８年４月）は、粗式Ｃ３４Ｈ３４Ｎ４Ｏ４のポルフィリンユニットを持つ化合物である。これは、多孔質導電性材料、特にナノチューブを機能化し、ＢＯＤなどの酵素の配向を改善するために使用される。したがって、それは、カソードを構成する材料に有利に含まれる。
【００２２】
多孔質導電性材料と少なくとも１つの酵素および／または１つの酵素系とを組み合わせる固体凝集体は、好ましくは、要素の混合物を圧縮することによって有利に得られるブロックまたはペレット、例えば円形の形態である。凝集体は、圧縮によって容易に得ることができ、所望の特定の形状をとることができる。特に、本発明によるバイオアノードおよび／またはバイオカソードは、小さい（直径１〜２ｃｍ）、または非常に小さい（直径０．５ｃｍ未満）ペレット、例えば円形または多角形の形態をとることができる。そのようなペレットは、３．５ｍｍから０．２ｍｍまで変化する厚さ、例えば、０．２５ｍｍを有することができる。結果として、本発明によるバイオセルは、様々な形状および小さなサイズのものであり得る。特に、それは２ｃｍ３以下、好ましくは１ｃｍ３以下、あるいは０．７５ｃｍ３以下の体積のみを占めることができる。特に、「ボタン型」のバッテリを交換することができるように設計され得る。
【００２３】
したがって、本発明の特に好ましい態様によれば、アノードは、好ましくはカタラーゼと組み合わされたＧＯｘ酵素、またはＦＡＤ−ＧＤＨ酵素を含む。したがって、この場合、バイオ燃料はグルコースである。どちらの場合も、バイオアノードは、グルコース酸化メディエーター、例えば、１，４−ナフトキノン化合物も含む。好ましくは、バイオカソードは、酸素を還元する酵素、より具体的にはＢＯＤを含み、プロトポルフィリンＩＸと有利に組み合わされる。バイオカソードおよびバイオアノードという用語は、それらの構造における生物学的物質、例えば酵素の存在を指す。本発明のバイオ燃料セルの文脈において、それらは、カソードおよびアノードと同等の方法で使用されるべきである。
【００２４】
本発明によるデバイスは、アノードとカソードとの間に載置された、電気的に絶縁され、液体媒体に対して透過性である分離多孔質膜を含む。この膜は、特にアノードとカソードとの間のイオン種の通過を可能にする。
【００２５】
本発明の特定の変形によれば、この膜は、紙の薄いシート（厚さ２００μｍ未満）であり得、これは、低い単位面積当たりの質量（例えば、１５０ｇ／ｍ２以下）を有する。特に、そのような膜は、１５０μｍ未満、好ましくは１００μｍ未満、好ましくは７５μｍ未満の紙の厚さを有し、これは有利に生分解性である。この選択肢は、バイオ燃料を貯蔵し、液体媒体をアノードが取り囲み、バイオアノードおよび／またはアノードペレット、および任意選択的にバイオセルのバイオカソード（複数可）を支持するための手段を提供する場合に特に好ましい。
【００２６】
本発明の別の好ましい変形によれば、電気的に絶縁され、液体媒体に対して透過性である分離多孔質膜もまた、バイオ燃料を貯蔵し、液体を利用可能にするための手段である。有利には、この貯蔵手段は上記のとおりである。
【００２７】
本発明によるバイオセルはまた、一般に導電性材料を組み込む切り替え手段を含む。これらの手段は、層、タング、または糸の形をとることができる。そのような層、タングまたはワイヤは、有利には、厚みが薄く、熱伝導率および／または電気伝導率が高く、高配向性グラファイトを含むか、または（実質的に）高配向グラファイトで構成されてもよい。したがって、熱分解黒鉛のシートまたはタブを使用することが可能である（熱分解黒鉛シート）。その厚さは、１０〜５００μｍ、好ましくは１７〜３００μｍ、そして有利には４０〜１００μｍの範囲として選択することができる。１０、１７、２５、４０、５０、７０、および１００μｍの厚さからなる群から選択することができる。その熱伝導率（シートの長手方向平面内）は、５００〜２０００Ｗ／（ｍＫ）、好ましくは７００〜１９５０Ｗ／（ｍＫ）、そして有利には９００〜１３５０Ｗ／（ｍＫ）であり得る。７００、１０００、１３００、１３５０、１６００、１８５０、および１９５０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率値からなる群から選択することができる。この層はまた、５，０００Ｓ／ｃｍを超える、好ましくは８０００Ｓ／ｃｍ以上、例えば約１０，０００Ｓ／ｃｍの導電率を有し得る。しかしながら、特に層の厚さが４０μｍ未満である場合、それはより高い導電率、例えば約２０，０００Ｓ／ｃｍを有する可能性がある。この層はまた、耐熱性、例えば、２００℃を超える温度、有利には３００℃を超える、例えば約４００℃の温度に対する耐性を有することができる。
【００２８】
本発明によるデバイスは、有利には、デバイスの電気化学セル（複数可）を部分的に覆う保護層またはフィルムであり得る外部コーティングを含む。これは、好ましくは、可撓性であり、接着性で、毒性がなく、化学的に安定で、電気絶縁性であり、放射線に鈍感であり、および／または広い動作温度範囲（例えば、−１５０℃〜２００℃、または約２６０℃の温度でさえ）を有する。このコーティング、または外側の保護フィルムは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）型の過フッ素化ポリマー材料またはシリコーンベースの材料などの比較的不活性な材料を含浸させたガラス繊維布を含むか、または（実質的に）作製することができる。ＰＴＦＥは、Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  ＮｅｍｏｕｒｓのＴｅｆｌｏｎ（登録商標）、Ａｓａｈｉ  ＧｌａｓｓのＦｌｕｏｎ（登録商標）、ＤｙｎｅｏｎのＨｏｓｔａｆｌｏｎ（登録商標）である。フィルムまたはコーティングは、好ましくは、５０重量％を超える当該材料、有利には、フィルムの全重量に対して５０〜７０％、好ましくは５７〜６４％で含浸される。その厚さは、１０分の数ミリまたは１００分の１ミリメートルでさえある。例えば、それは、０．０３〜０．５０ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．３０ｍｍ、より好ましくは０．０６〜０．１４ｍｍの範囲から選択することができ、例えば、０．０７ｍｍである（ＮＦ  ＥＮ  ＩＳＯ  ２２８６−２０１６年１２月３日）。本発明の好ましい態様によれば、コーティングまたは保護フィルムは、接着剤層、好ましくは耐水性を含み、本発明によるバイオセルの電気化学セルの外面に接着することを可能にする。１つの特定の態様によれば、このフィルムは、アノードおよび／またはカソードの１つの面に直接、または回路手段の一部に直接貼り付けることができる。別の好ましい態様によれば、好ましくは可撓性かつ絶縁性であるこの外側カバーは、アノードおよび／またはカソードで液体および／またはガスのアクセスを可能にするように位置決めおよび寸法決めされた１つ以上の開口部を含む。この開口部は、コーティングに事前にカットすることができ、例えば、バイオカソードの反対側に位置決めされた一連の小さな円形の開口部の形をとることができる。付加的または代替的に、この開口部は、コーティングが電気化学セル（複数可）および貯蔵手段を含むバイオセルを完全に取り囲んでいないが、開口部にこれらの要素へのアクセスを与える続けるという事実によって形成することができる。したがって、ほぼ平面形状のデバイスの場合、デバイスのエッジに開口部を残すことができる。
【００２９】
本発明の有利な態様によれば、バイオアノードおよび／またはバイオカソード（ペレットまたはボタンの形をしている場合がある）がフレーム内に保持されている場合、当該フレームは、バイオ燃料を貯蔵し、液体媒体、すなわち、ＰＴＦＥなどの電気的絶縁材料の処分を更新するための当該手段のいずれかである。
【００３０】
したがって、第１の実施形態によれば、アノードは、貯蔵手段に挿入され、貯蔵手段は、例えば、上記のような吸収性材料のシートであり得る。したがって、この貯蔵手段は、フレームとしても機能し、および／またはバイオアノードおよび場合によってはバイオカソードを所定の位置に支持および維持し、一般に後者と直接接触し、液体媒体および内部に含有されるバイオ燃料と接触し続ける。本発明のこの変形例によれば、デバイスは、本出願に記載されている種類のいくつかの電気化学セルを含むことができ、当該電気化学セルは、直列に接続されている。したがって、そのようなデバイスは、電気化学セルのスタックで構成され、セルの数は一般に１０を超えない。例えば、３つまたは４つの個別のセルを積み重ねることができる。
【００３１】
上記の別の実施形態によれば、貯蔵手段はまた、バイオセルの膜である。この場合、アノード（および場合によってはカソード）は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの絶縁材料で構成されるフレームまたはジグに挿入することができる。このフレームは、好ましくは、生体電極（複数可）を受け入れ、電極（アノードまたはカソード）を保持および／または位置決めすることを可能にするサイズの開口部を有する。実際、本発明のこの変形によれば、フレームは、アノードまたはカソード型であり得るいくつかの電極を含み得る。フレームは、２つのフレームが互いに向かい合って載置されている場合に、アノードとカソードを互いに向かい合わせに置いて、複数の電気化学セルを作成できるように寸法決めされている。次に、切り替え手段は、これらの電気化学セルを直列に接続するように有利に位置決めされる。
【００３２】
本発明の目的はまた、本出願に記載されるようなバイオセルを製造する方法である。この方法は、記載されているように外部コーティングシートを使用することを含み、外部コーティングの内面、好ましくは接着剤、当該切り替え手段に面する少なくとも１つの電極（バイオアノードまたはバイオカソード）をオンに切り替えるための手段、貯蔵手段、および場合によっては膜上に位置決めするステップを含む。外側のカバーシートは、バイオ燃料セルの要素が接着面に位置決めされると、これらの要素の周囲に自由表面が存在するように寸法決めされている。この自由表面は、これらの要素が一緒に結合され、バイオセルを構成できるように位置決めおよびサイズ化されている。
【００３３】
本発明による方法の変形によれば、切り替え手段は、最初にコーティングの内面に位置決めされ、次にフレーム（またはテンプレート）が重ね合わされる。第二に、本発明によるアノードまたはカソードを構成する粉末またはペーストの形態の混合物をフレームの開口部の内側に位置決めし、このアセンブリをその場で圧縮して、アノードまたはカソードを構成する固体凝集体を得る。このステップを繰り返して、失われた（ｍｉｓｓｉｎｇ）電極（カソードまたはアノード）を形成し、貯蔵手段がこれらの層間に位置決めされると、２つのコーティングが組み立てられて、本発明によるバイオセルを形成することができる。これらの２つの部分は、外部コーティングの内部部分上の接着剤の存在によって有利に結合される。
【００３４】
本発明はまた、本出願に記載され、水性液体をさらに含み、当該液体が任意選択的にバイオ燃料を含むバイオセルに関する。実際、バイオ燃料は、乾燥および／または固体および／または非可溶化形態でデバイスにすでに存在し、および／または酵素部位に移動することができる可能性がある。例えば、それは、燃料貯蔵手段に組み込まれるか、またはその近くに位置決めされ得る。水（純粋であろうとなかろうと）が加えられると、こうして存在するバイオ燃料（例えば砂糖）が媒体に溶解し、電気化学的交換が起こる。代替的または付加的に、追加された液体は、バイオ燃料を含む。これは、例えば、血液、尿、唾液などの生理学的液体、またはアルコール飲料またはグルコース飲料であり得る。
【００３５】
本発明の目的はまた、液体、好ましくは、任意選択的にグルコース、デンプンまたはエタノールなどのバイオ燃料を含む水性液体の存在下で本出願に記載されるように本発明によるバイオセルを載置することを含むバイオセルを得るためのプロセスである。
【００３６】
本発明の別の目的は、本発明によるバイオセルと、電気受信機（すなわち、電流を使用（受信）する装置）とを含む装置であり、当該バイオセルは、当該電気受信機に電気的に接続されている。そのような装置は、検査、特に生体液の検査、例えば妊娠検査または血糖検査であり得る。代替的又は付加的に、本発明によるバイオセル（および／またはデバイス）は、電子ディスプレイおよび／または発光を有する電子デバイスに組み込むことができる。より一般的には、本発明によるデバイスは、金属誘導体を使用するボタン型セルで動作する種類のものである。本発明によるそのような装置は、有利には、使い捨ておよび／または生分解性であり得る。
【００３７】
本発明の別の主題は、本出願に記載のバイオセルを製造するためのキットであり、使用説明書に関連する本出願に記載のバイオセルと、場合によっては上記の水性液体を含む容器とを含む。
【００３８】
本発明の別の目的は、バイオセルの製造またはバイオセル、好ましくは本発明によるバイオセルを得るためのデバイスの製造のための上記のような厚い吸い取り紙の使用である。好ましくは、ブロッティングまたは吸収紙は２．６ｍｍ±０．２ｍｍの厚さである。
【００３９】
本発明の別の目的は、電流を生成するための本発明によるバイオセルの使用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１に記載されている本発明によるデバイスの部分分解図である。
【図２】実施例１のデバイスおよび５ｍＭのグルコース溶液を使用して生成された、実施例１によるＧＯｘ／ＢＯＤバイオセルの分極および電力曲線を表す。
【図３】図１の発明によるデバイスおよび５ｍＭのグルコースの溶液から生成された、実施例１によるＦＡＤ−ＧＤＨ／ＢＯＤバイオセルの偏光および電力曲線を表す。
【図４】実施例２の実施形態によるＧＯｘ／ＢＯＤバイオセルの分極曲線および電力曲線を表し、燃料は５ｍＭのグルコースの溶液である。
【図５】実施例２の実施形態によるＧＯｘ／ＢＯＤバイオセルの分極曲線および電力曲線を表し、燃料は、１５０ｍＭのグルコースの溶液である。
【図６】実施例３に従って生成されたＶｕｌｃａｎ（登録商標）炭素上のＦＡＤ−ＧＤＨ／ＢＯＤバイオセルの分極曲線および電力曲線を表し、燃料は、１５０ｍＭのグルコースの溶液である。
【図７】実施例１に従って生成されたＭＷＣＮＴ上のＦＡＤ−ＧＤＨ／ＢＯＤバイオセルの分極曲線および電力曲線を表し、燃料は、１５０ｍＭのグルコースの溶液である。
【図８】実施例３のバイオセルの５ｍＭおよび１５０ｍＭのグルコースに浸漬されたパッドに関する、時間（分）および全グルコース消費量に対する、μＷ．ｈ単位の６ｋΩでの連続放電によるエネルギー生成を示す。
【図９】実施例３（カーボンブラック）および実施例１のＭＷＣＮＴ上のＦＡＤ−ＧＤＨ／ＢＯＤのバイオセルの１５０ｍＭグルコースに浸漬されたパッドに関する、時間（分）および全グルコース消費量に対する、μＷｈ単位の６ｋΩでの連続放電によるエネルギー生成を示す。
【図１０】実施例４に示されるバイオセル１０の構造の部分分解図およびその正面図、ならびに左側に断面図を含む。
【図１１】実施例５に示されるバイオセル２０の構造の部分分解図とその正面図、および左側に断面図を含む。
【図１２】１５０ｍＭのグルコース溶液について、ｔ＝０、ｔ＝７日およびｔ＝１ヶ月での実施例４によるバイオセルの分極および電力曲線を表す。
【図１３】μＷｈ単位で対時間（分）での６ｋΩでの連続放電によるエネルギー生成、および実施例４のバイオセルの１５０ｍＭグルコース溶液について全グルコース消費量を示す。
【図１４】１５０ｍＭのグルコース溶液について、実施例５および図１１に記載されているバイオセルの分極および電力曲線を表す。
【図１５】１５０ｍＭのグルコース溶液について実施例６に記載されたバイオセルの分極および電力曲線を表す。
【実施例】
【００４１】
試薬：
Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ  Ｎｉｇｅｒのグルコースオキシダーゼ型ＶＩＩ（ＧＯｘ）（２０１８年４月：Ｎｏ．ＥＣ：１．１．３．４、Ｎｏ．ＣＡＳ：９００１−３７−０、分子量：１６０ｋＤａ（ゲル濾過）＞１００，０００ユニット／ｇ）は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社（製品コードＧ２１３３）から入手。
ウシ肝臓由来のカタラーゼ（２０１８年４月：Ｎｏ．ＥＣ：１．１１．１．６、Ｎｏ．ＣＡＳ：９００１−０５−２、分子量２５０ｋＤａ、２０００〜５０００ユニット／ｍｇ）もＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｏ．（製品コードＣ１３４５）から入手。
Ｍｙｒｏｔｈｅｃｉｕｍ  Ｖｅｒｒｕｃａｒｉａのビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）（２０１８年４月ＥＣ  Ｎｏ．１．３．３．５、ＣＡＳ  Ｎｏ：８０６１９−０１−８、１５−６５ユニット／ｍｇ）はＳｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ（製品コードＢ０３９０）から入手した。
９５％純粋なプロトポルフィリンＩＸもＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｏ．（製品コードＰ８２９３）から入手することができる。
アスペルギルス種（２０１８年４月：ＥＣ  Ｎｏ．１．１．５．９）のフラビンアデニンジヌクレオチド依存性グルコースデヒドロゲナーゼ（ＦＡＤ−ＧＤＨ、１１５８０ユニット／ｍｇ固体（活性の１ユニット：３７℃で１分あたり１マイクロモルのグルコース（β−デキストロース）を変換する酵素の量））はＳＥＫＩＳＵＩ社から入手。
多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）は、Ｎａｎｏｃｙｌ社から購入した（純度＞９５％、直径１０ｎｍ、長さ１．５μｍ）。
ＶＵＬＣＡＮ（登録商標）ブランドのカーボンブラックＸＣ７２Ｒは、ＣＡＢＯＴ社から購入した。
集電微孔質ガス拡散（ＧＤＬ）層は、Ｐａｘｉｔｅｃｈから購入した。それは、カーボンフェルトの形の炭素繊維の狭いメッシュで構成され、２１０μｍの厚さ、８ｍΩｃｍ２の貫通抵抗率、および７０秒の空気透過性を有する。
パッドとして使用される多孔質紙は、ＶＷＲリファレンス７３２−０６０４から購入した超厚吸い取り紙（グレード７０７）である。超純水を使用した、無添加の綿１００％吸い取り紙である。そのテクスチャは、滑らかで規則的であり、その構造は均質である。その単位面積当たりの質量は、２．６ｍｍの厚さについて、７０３ｇ／ｍ２である。その与えられた技術的特徴は、１２０秒／１００ｍｌ（１００ｍｍの水柱で）の濾過時間（Ｈｅｒｚｂｅｒｇによる）と、Ｋｌｅｍｍ試験（毛細管浸透率）による９６秒で７５ｍｍの上昇である。
使用される厚さ１４０μｍのセルロースシートは、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ（ｒｅｆ  ＷＨＡ１０３３４８８５）によって配布されているＷｈａｔｍａｎ型（技術用の定性濾紙、グレード０９０３）である。
保護フィルムは、厚さ７０μｍでＰＴＦＥ含浸率が６１重量％のＰＴＦＥ（ＴＩＳＯＦＬＯＮ  ３  ＡＤ、ＩＳＯＦＬＯＮ社）を含浸させた布またはガラスフィルムの接着シートである。このフィルムの接着面は、保護用ＰＴＦＥ（テフロン（商標））シートで覆われている。このフィルムは、本発明によるバイオアノードおよび／またはバイオカソードペレットの保持フレームまたはテンプレートとして機能できる保護テフロンシートで覆われている。
酵素は、−２０℃で貯蔵した。蒸留水は、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ  Ｕｌｔｒａｐｕｒｅ（商標）システムを使用して１５ＭΩ×ｃｍの抵抗率まで水を精製することによって得られた。高純度の酸素とアルゴンは、ＭＥＳＳＥＲ社から供給されている。グルコース溶液は、使用前に一晩β−Ｄ−グルコースに変換するために放置された。１，４−ナフトキノンを含む他のすべての試薬は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｉｎｃから提供されている。
バイオ燃料セルの電気化学的特性評価では、アノードを作用電極として定義し、カソードを参照電極として接続した。すべての実験は、ｐＨ７のＭｃｌｌｖａｉｎｅまたはリン酸緩衝液中の５（特定の体液の濃度に近い）または１５０ミリモルＬ−１のグルコース溶液を使用して実行された。溶液は、少なくとも絶縁コーティングで完全には覆われていないリザーバの端に滴下された。バイオセルは、ＥＣ−ｌａｂ  １０．３９ソフトウェアを実行するＢｉｏｌｏｇｉｅ（登録商標）ＶＭＰ３マルチチャネルポテンシオスタットに接続された。分極曲線と電力曲線は、３０秒の放電後に記録された。すべての実験は、室温（およそ２０℃）で実施された。
以下に例示するバイオカソードおよびバイオアノードは、圧縮されたディスクに成形された固体である。
【００４２】
実施例１（多孔質シートに挿入されたペレット）
バイオカソードの場合、カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）をＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）の存在下でプロトポルフィリンＩＸと混合し、８０℃でおよそ１２時間加熱した。プロトポルフィリンＩＸは、ナノチューブと比較して酵素タンパク質の配向を促進する。このように機能化されたナノチューブを、蒸留水で数回すすぎ、濾過した。プロトポルフィリンＩＸで官能化された３５ｍｇのＭＷＣＮＴを、１５ｍｇのＢＯＤと１００μｌの蒸留水の存在下で粉砕した。
【００４３】
バイオアノードの場合、３５ｍｇのＭＷＣＮＴ、１５ｍｇのＧＯｘ、１０ｍｇのウシ肝臓由来のカタラーゼ、および５ｍｇの１，４−ナフトキノンを１００μＬの蒸留水で粉砕した。ＦＡＤ−ＧＤＨに基づく別のバイオアノードでは、３５ｍｇの官能化ＭＷＣＮＴ、１５ｍｇのＦＡＤ−ＧＤＨ、および５ｍｇの１，４−ナフトキノンを１００μＬの蒸留水で粉砕した。
【００４４】
次に、各均質ペーストを油圧プレスを使用して電気接点ＧＤＬタブでそれぞれ圧縮し、直径１ｃｍ、厚さ２ｍｍのペレットを取得する。この場合、このＧＤＬ９またはＧＤＬ９’のＧＤＬタングは、集電装置としても、カーボンペーストを圧縮するためのサポートとしても機能する。
【００４５】
アノードペレットとカソードペレットに対応する寸法と形状の穴を、厚さ２．６ｍｍ、サイズ２５ｍｍ×２５ｍｍのパッド（吸い取り紙のシート）に作製する。各パッド、または「パッド」は、ペレットのフレームとして機能する。次に、バイオセルデバイスが組み立てられる：生成されたペレット／タブの関連付けの各々は、ＧＤＬタブを外側に位置決めし、それらのそれぞれのパッドに対して突き出るように、パッドの背面からパッドの開口部の内側に位置決めされる。このようにして、バイオアノードおよびバイオカソードが形成される。電気絶縁体として機能するワットマンセルロースの薄いシートが、バイオアノードとバイオカソードとの間に載置されている。このアセンブリは、電気化学セルの基礎を形成する。図１は、そのようなデバイスの半分解図である。ＧＯｘまたはＦＡＤ−ＧＤＨを含む酵素ペレット５、またはバイオアノードは、燃料タンク３、後部から突出するＧＤＬタブ９に位置決めされる。対称的に、ＢＯＤを含む酵素ペレット７またはバイオカソードが３’パッドに位置決めされ、９’ＧＤＬタブもその背面から突き出ている。電気絶縁体８の多孔質シートは、バイオアノード５とバイオカソード７と、それらのそれぞれのフレーム３および３’との間に載置されている。
【００４６】
次に、このデバイスは、２つの電極の背面を覆うガラス布と厚さ７０μｍのＰＴＦＥ（図示せず）の接着保護フィルムで覆われて包まれている。突き出ているＧＤＬタブ部分は、この保護フィルムで実質的に覆われていない。さらに、保護フィルムに開けられた直径２ｍｍの４つの穴がバイオカソードの背面に位置決めされ、デバイス内の空気からの酸素の拡散とバイオカソード７への供給を可能にする。
【００４７】
図２および図３は、ＧＯｘ  Ｂｉｏｐｉｉｅｓ（図２）とＦＡＤ−ＧＤＨ（図３）の偏光曲線と電力曲線を表す。ＦＡＤ−ＧＤＨの場合に得られる電力（０．３８ｍＷ）は、ＧＯｘの場合に得られる電力（０．２７ｍＷ）よりも大きくなる。これは、ＦＡＤ−ＧＤＨがＧＯｘよりもアクティブであり、副産物としてＨ２Ｏ２を生成しないという事実による。実際、Ｈ２Ｏ２は細胞の不安定性を高め、カソードでのＢＯＤ酵素の活性を阻害する可能性がある。
【００４８】
実施例２：スタッキング
図３および図４に、ＦＡＤ−ＧＯＸ／ＢＯＤバイオカソード／アノードを有する３つのセルのスタックを概略的に示す（ＧＤＬタブは図示せず）。このスタッキングは、回路を閉じるために外側のタブだけを突き出させたままにすることによって生成された。セルが並置されると、スタックは、実施例１のデバイスと同じ方法で、ガラス繊維およびＰＴＦＥ布で作製された接着フィルムで覆われた。
【００４９】
この例は、これらのバッテリのスタッキングの容易さを示し、単一のバッテリの０．２７ｍＷと０．６２Ｖのｆｅｍから、５ｍＭのグルコース溶液に浸漬されたパッドを有する３つのバッテリのスタックの０．８２ｍＷと１．７Ｖのｆｅｍに移る（図４）。濃縮グルコース溶液（１５０ｍＭ）は、２．２ｍＷの高出力が得られる（図５）。図４および図５は、得られた性能に対するこれら２つの異なるグルコース濃度の影響を示している。
【００５０】
実施例３：カーボンブラックサポートを使用したＦＡＤ−ＧＤＨ／ＢＯＤバイオセル
市販のサンプルへのアクセスまたは毒性の疑いに関してカーボンナノチューブに関連する可能性のある問題を克服するために、ＭＷＣＮＴはすでに多くの市販製品で使用されているカーボンブラックに置き換えられた。
【００５１】
酵素ペレットは、実施例１と同じプロセスを使用して得られるが、ＭＷＣＮＴをカーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ（登録商標））に置き換える。次に、実施例１の方法も使用して、Ａ−１セルバイオセルが生成される。図６は、１５０ｍＭのグルコース溶液の存在下に載置されたときに得られた、Ｖｕｌｃａｎ（登録商標）カーボン上のこのＦＡＤ−ＧＤＨバイオセルの分極および電力曲線を表す。
【００５２】
図７は、同じ濃度（１５０ｍＭ）のグルコース溶液と一緒にされたときの、実施例１のＭＷＣＮＴ上のＦＡＤ−ＧＤＨバイオセルの分極および電力曲線を表す。ＭＷＣＮＴおよびＶｕｌｃａｎカーボン（カーボンブラック）をベースにしたバッテリによって供給される電力は、１５０ｍＭ（およそ０．５ｍＬ）のグルコース再充電でそれぞれ１．３ｍＷおよび１．２ｍＷである。２つの材料は同様の電力へのアクセスを提供するため、これらのバッテリの製造に必要な技術的および環境的制約に応じて両方を使用することができる。
【００５３】
図８は、実施例３（カーボンブラック）のバイオセルの５ｍＭおよび１５０ｍＭのグルコースに浸漬されたパッドに関する、時間（分）および全グルコース消費量に対する、μＷ．ｈ単位の６ｋΩでの連続放電によるエネルギー生成を示す。図９は、実施例３（カーボンブラック）および実施例１のＭＷＣＮＴ上のＦＡＤ−ＧＤＨ／ＢＯＤのバイオセルの１５０ｍＭグルコースに浸漬されたパッドに関する、時間（分）および全グルコース消費量に対する、μＷｈ単位の６ｋΩでの連続放電によるエネルギー生成およびを示す。
【００５４】
ＭＷＣＮＴに基づくセルで最高の性能が得られ、１５０ｍＭの利用可能なグルコースをすべて消費する連続放電後に４００μＷｈを生成することが可能になる。
【００５５】
実施例４：単一リザーババイオセル
図１０は、この特定の例によるバイオセル１０の構造の図を含む。
【００５６】
バイオカソードの場合、実施例１に記載のプロトポルフィリンＩＸで官能化された８．７５ｍｇのＭＷＣＮＴを、３．７５ｍｇのＢＯＤおよび２５μｌの蒸留水の存在下で粉砕した。バイオアノードの場合、８．７５ｍｇのＭＷＣＮＴ、３．７５ｍｇのＧＯｘ、２．５ｍｇのウシ肝臓由来のカタラーゼ、および１．２５ｍｇの１，４−ナフトキノンを２５μＬの蒸留水で粉砕した。
【００５７】
各ペレット１５および１７は、厚さ０．２５ｍｍのＰＴＦＥシート１２または１２’を含み、直径１ｃｍの円形の穴が貫通したフレーム上にその場で形成される。このテンプレートは、ガラス繊維の接着シート、および厚さ７０μｍのＰＴＦＥ１１または１１’で構成されるサポート上に載置される。ＧＤＬタブ１９または１９’は、ＰＴＦＥシート１２または１２’の円形穴に対して、円形穴と接着シート１１または１１’との間に位置決めされる。このシート１１および１１’は、分解図には表示されていない。十分な量のバイオアノードまたはバイオカソードの各均質ペースト（ペレットあたり約１２ｍｇの量でテンプレートを充填することが可能）を穴に位置決めし、プレスによってサポート上で直接圧縮する。これにより、直径１ｃｍ、厚さ０．２５ｍｍのペレットを得ることができる。その場で形成されたサポート上のこれらのペレットは、バイオアノードおよびバイオカソードとして使用することができる。
【００５８】
バイオカソードの接着シート１１’には、空気からバイオカソードへの酸素の拡散を可能にするために、直径２ｍｍの４つの穴１４が貫通している。図１０の分解図には、接着剤被覆シート１１または１１’は示されていないが、図１０に示すように、穴がとる位置がその内部に示されている。１２または１２’のフレームとして機能するＰＴＦＥシートの寸法はおよそ２０ｍｍ×２０ｍｍである。保護として機能する外側の支持シート１１および１１’は、より大きな寸法であり、それらの対向する接着面の接触によって、デバイスの要素を固定または結合することを可能にする。それらの接着面は向かい合っており、それらは互いに結合され、その側面のいくつかでバイオセルを固定することができる。この変種の例は、図１０に示されている写真の被写体である。穴１４が貫通し、左右から横方向に延在して、互いに重なり合うシート１１の対称部分を覆い、接着する可撓性の外側シート１１’が見られる。１０ユーロセントのコインで、得られたバイオセルのサイズを視覚化している。
【００５９】
次に、フレームとして機能するＰＴＦＥシートと実質的に同じサイズの厚い吸い取りシート１３（前の実施例で使用される）が、バイオアノード１５とバイオカソード１７との間に載置される。ＧＤＬタブ１９および１９’は、集電装置およびパッド１５または１７のサポートの両方として機能する。
【００６０】
したがって、ＧＤＬタブ１９は、アノードパッド１５に面して位置決めされ、ＧＤＬタブ１９’もまた、カソードパッド１７に面して位置決めされる。これらの２つのタブ１９および１９’は、それぞれのサポート１２および１２’から突出している。それらは、ＰＴＦＥフレーム１２または１２’と外側サポートシート１１または１１’の間に位置決めされる。これらのタブ１９および１９’は、集電装置としても、それらに関連付けられているパッドのサポートとしても機能し、デバイスを電気レシーバーに接続することを可能にする。バイオセル１０の正面図では、タブ１９および１９’は、本発明によるデバイスの反対側から突出しているが、分解図では、これらのタブ１９および１９’は、同じ側から突出していることが示されている。どちらの配置も可能である。
本発明によるバイオセルの最終的な特定の形状が何であれ、それは、パッド１３へのグルコースベースの燃料のアクセスを可能にする通路を含む。ここでは、注射器を使用してグルコース溶液を注入することにより、グルコース溶液を加える。
図１２は、バイオセルが１週間後でも１か月後でも、その性能を維持していることを示している。図１３は、バイオセルの放電を試験することにより、１週間後または１か月後に開始されたかどうかにかかわらず、１００％のパフォーマンスを維持していることを確認できたことを示している。これは、性能を損なうことなく、製造後少なくとも１か月でデバイスに電力を供給するバイオセルの能力を検証するものである。
【００６１】
実施例５  連続ペレットバイオセル
図１１は、この特定の例によるバイオセル２０の構造の図を含む。
【００６２】
使用されるアノードおよびカソードペレットは、実施例４のデバイスに使用されるものと同じ種類である。
【００６３】
４つのペレット、２つのアノード２５および３５、および２つのカソード２７および３７が、ガラス繊維およびＰＴＦＥ３１の第１の接着シートの接着面、および寸法３５ｍｍ×３５ｍｍのＰＴＦＥ３２のフレームの４つの円形開口部内に載置される。これらのシートは、実施例４で説明したものと同じ材料と厚さである。４つのパッドは四辺形のパターンで位置決めされ、各アノードパッド２５および３５は、カソードパッド２７および３７と同様に、互いに対角線上に配設される。
【００６４】
ＰＴＦＥ３２’のフレーム内の４つのペレットの別のセットは、繊維とＰＴＦＥ３１’の第２のシートに配設される。第２のフレーム３２’上で、４つのペレットが対称配置で交互に配置されている：２つのアノードペレット４５および５５、ならびに２つのカソードセル４７および５７は、それぞれ互いに対角線上にある。
【００６５】
電気化学セルは、接着剤外側シート３１とＰＴＦＥフレーム３２との間に配置されたＧＤＬタブ２９、２９’、および２９”、ならびに接着性外側シート３１’とＰＴＦＥフレーム３２’の間に位置決めされたタブ３９および３９’を使用することによって連続的にセットアップされる。図１１の分解図では、ＰＴＦＥフレーム３２上のタブの位置が透明性によって見られていることに留意されたい：タブは実際には、示されているフレームの面の後ろに位置決めされている。これは、タブのそれぞれの位置決めを理解できるようにするために行われる。それらの相対位置は、関連する断面図でよりよく説明されている。ＰＴＦＥフレーム３２’上で、ペレット４５と５７との間に水平に位置決めされたタブ３９は、アノード４５とカソード２７からなる電気化学セルを、アノード３５とカソード５７からなる電気化学セルに接続することを可能にする。同様に、ペレット３５と３７との間に垂直に位置決めされたタブ２９”は、アノード３５とカソード５７からなるセルを、アノード５５とカソード３７からなるセルに接続することを可能にする。ペレット５５と４７との間に水平に位置決めされたタブ３９’は、アノード５５とカソード３７からなるセルを、アノード２５とカソード４７からなるセルに接続することを可能にする。カソード２７およびアノード２５とそれぞれ接触しているタング２９および２９’は、回路の外側に反対方向に突き出ており、デバイスを電気受信機（図示せず）に接続することを可能にする。
【００６６】
実施例４のように、ペレットは、フレーム３２または３２’に予め形成された直径１０ｍｍの円形の穴にある量のペーストを添加することにより、その場で圧縮することによって形成される。タブ２９、２９’、２９”、３９および３９’は、ガラス繊維のシートと、サポートとして機能するＰＴＦＥ３１および３１’と、ＰＴＦＥフレーム３２および３２’との間に事前に位置決めされている。
【００６７】
直径２ｍｍの４つの穴２４のセットが、４つのバイオカソード２７、３７、４７および５７（および対応するＧＤＬタブの部分）の各々の背面のガラス繊維およびＰＴＦＥ支持シート３１および３１’に作製され、空気からバイオカソードへの酸素の拡散を可能にする。これらの一連の開口部２４の位置は、デバイス２０の部分分解図にも示されているが、開口部は、部分分解図には示されていないシート３１および３１’に作製されている。
【００６８】
ＰＴＦＥフレーム３１および３１’、ペレット２７、３５、３７、２５、４５、５７、５５、４７を担持し、タブ２９、２９’、２９”を担持する２枚のシートの間に、厚さ３ｍｍで、ＰＴＦＥフレーム３２および３２’のものと実質的に同じサイズまたはわずかに小さいリザーバまたはパッドが挿入される。このパッド２３は、パッド２７、３５、３７、２５、４５、５７、５５および４７の片側と直接接触している。このパッドは、実施例４で前述したものと同じ種類の厚い吸い取り紙で作製されている。
【００６９】
保護および支持として機能する外側カバーシート３１および３１’は、ＰＴＦＥフレームよりも大きな寸法であり、したがって、これらのフレーム３２および３２’を超えて突き出ている。したがって、これらのシート３１および３１’は、それらの反対の接着面と接触することによって、デバイスの要素を固定または結合することを可能にする。それらの接着面は向かい合っており、それらは互いに結合され、その側面のいくつかでバイオセルを固定することができる。この変種の例は、図２０に示されている写真の被写体である。一連の穴１４が貫通した可撓性の外側シート３１’を見ることができ、その縁は、シート３１の対称部分を互いに重ねることによって覆い、接着するために、左右に横方向に延在する。
【００７０】
フレーム３２および３２’は、第１のシート３２上に載置された各アノードパッチ２５、３５が、他のＰＴＦＥシート３２上に載置されたカソードパッチ４７および５７の反対側にあるように対面して載置されている。同様に、第１のＰＴＦＥシート３２上に載置された各アノードパッチ２７、３７は、他のＰＴＦＥシート３２’上に載置されたカソードパッチ４５および５５の反対側にある。次に、ＰＴＦＥシート３２および３２’と同じサイズの厚い吸い取りシートで作製されたリザーバ２３が、それらの間に載置される。次に、デバイス３０は、外側被覆シート３１および３１’を互いに接触させることによって得られる。
【００７１】
実施例６：前の実施例のシリアルペレットバイオセルと単一ペレットの比較
本発明によるバイオセル４０は、実施例５に記載のシリアルデバイスの効率を、同じ種類であるが、シリアルに取り付けられた４ではなく一対のペレットのみを含み、材料の量が等しいバイオセルと比較するために製造された。直径を除いてすべての点で実施例５と同一である、一対の円形のバイオアノードおよびバイオカソードペレットを含むバイオセルが生成された。ペレットの直径は、２０ｍｍである。
【００７２】
図１４は、２０ｍｍペレットバイオセルの偏光および電力曲線を示す。この図は、ペレットのサイズを２倍にすると、およそ２倍の累乗積が得られることを示す。図１５は、実施例５で説明したバイオセルの偏光および電力曲線を示す。これは、２つのバイオ燃料セルを同じデバイスに直列に載置すると、ｅｍｆおよびバッテリ電力が増加することを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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