WO2015157834A1 - System emitting a modulated electric current for induction, control and suppression of biological growth in the form of biofouling and plankton cells - Google Patents
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Abstract
System emitting a modulated electric current for induction, control and suppression of biological growth in the form of biofouling and plankton cells composed of equipment for regulating frequency, electric potential and current intensity powered by the mains supply, a battery or another source, which equipment is connected to an electrode, counter-electrode and reference electrode immersed in water or another fluid where the biological effect is required.
Description
"Sistema de Emissão de Corrente Elétrica Modulada para Indução, Controle e Supressão de Crescimento Biológico na Forma de Biofouling e Células Planctônicas" "Modulated Electric Current Emission System for Biofouling and Planktonic Cell Induction, Control and Suppression"
A presente invenção refere-se a um sistema composto por um equipamento que emite pulso elétrico modulado de corrente contínua ou alternada em alta frequência conectado a eletrodos que gerem campo eletro- magnético em fluido como água ou outro fluido onde exista a necessidade de indução, controle ou supressão de crescimento biológico na forma de biofouling ou células planctônicas. Se por um lado a indução e controle de crescimento biológico é desejado por exemplo para se obter produtos biotecnológicos, induzir biorremediação, produção de biomassa, etc, por outro, a totalidade dos prejuízos relacionados à contaminação biológica e seu controle é de difícil de avaliação do ponto de vista financeiro uma vez que os custos são compostos por uma gama de fatores como: a interrupção do processo produtivo, a diminuição do tempo de vida dos equipamentos, a diminuição da performance do processo produtivo, o decréscimo de qualidade e quantidade de produto fabricado, a utilização de biocidas e sanitizantes, o gasto de energia, a mão de obra envolvida e ainda reflexos ambientais negativos relacionados à contaminação química de efluentes pelo próprio tratamento utilizado. The present invention relates to a system composed of equipment which emits high frequency direct or alternating current modulated electric pulse connected to electrodes that generate electromagnetic field in fluid such as water or other fluid where there is a need for induction, control or suppression of biological growth in the form of biofouling or planktonic cells. While on the one hand the induction and control of biological growth is desired for example to obtain biotechnological products, induce bioremediation, biomass production, etc., on the other, all the losses related to biological contamination and its control is difficult to evaluate. from a financial point of view since costs are compounded by a range of factors such as: interruption of the production process, shortening of equipment life, decreased performance of the production process, decreased quality and quantity of manufactured product , the use of biocides and sanitizers, the energy expenditure, the labor involved and negative environmental impacts related to the chemical contamination of effluents by the treatment itself.
O sistema de emissão de corrente elétrica modulada para indução, controle e supressão de crescimento biológico regula a disponibilização de meio propício para a colonização biológica em superfícies (biofouling) e na solução (células planctônicas) sem a geração de contaminantes químicos para os efluentes. The modulated electric current emission system for the induction, control and suppression of biological growth regulates the availability of a favorable medium for biological colonization on surfaces (biofouling) and solution (planktonic cells) without the generation of chemical contaminants for effluents.
A indução, controle e supressão do crescimento biológico atualmente é largamente baseado no emprego de componentes químicos. Por exemplo, agentes indutores de crescimento como micro e macro-nutrientes em oposição a agentes biocidas como antibióticos e íons metálicos são adicionados
exatamente para a indução, controle e supressão de crescimento biológico, sendo a contaminação dos efluentes inerentes ao processo. The induction, control and suppression of biological growth today is largely based on the use of chemical components. For example, growth inducing agents such as micro and macro nutrients as opposed to biocidal agents such as antibiotics and metal ions are added. exactly for the induction, control and suppression of biological growth, being the contamination of the effluents inherent to the process.
A tecnologia de indução e controle de crescimento biológico por emissão de corrente elétrica ainda não tem par dentre as patentes. Tecnologias utilizando campos elétricos apenas para o controle de contaminação estão sendo desenvolvidas para substituírem ou auxiliarem os métodos tradicionais. Existem patentes voltadas ao controle de contaminação para diversos setores da sociedade. The technology of induction and control of biological growth by emission of electric current still has no patents. Technologies using electrical fields only for contamination control are being developed to replace or assist traditional methods. There are patents for contamination control for various sectors of society.
As patentes US 61/499,066 e US 61/232,580 falam sobre o uso de pulso elétrico em conjunto com antibiótico para a erradicação de biofilme em equipamentos e próteses para uso cirúrgico in vitro ou in vivo. US 61 / 499,066 and US 61 / 232,580 teach the use of an electrical pulse in conjunction with an antibiotic for biofilm eradication in in vitro or in vivo surgical equipment and prostheses.
Já as patentes PCT/GB86/00725, US 60/330,679 e PCT/NO2009/000413 falam sobre a prevenção de bioincrustração com ou sem prevenção de corrosão de superfícies imersas em água bruta como cascos de navios ou plantas produtivas por meio de corrente elétrica. PCT / GB86 / 00725, US 60 / 330,679, and PCT / NO2009 / 000413 speak of preventing bioincrustation with or without corrosion prevention of surfaces immersed in raw water such as ship hulls or productive plants by means of electric current.
Os autores tentam explicar os resultados de seus sistemas alegando a formação de radicais livres por ação da corrente aplicada ou paralisia muscular e nervosa nos animais que provocam biofouiing ou fenómenos semelhantes ao da eletroporação que as membranas celulares perdem a propriedade de conter moléculas carregadas ou ainda mencionando "efeito bioelétrico" de suas tecnologias. O controle e supressão do crescimento biológico do sistema aqui apresentado não intenciona entrar no mérito de formular teorias nessa área emergente da biologia, apenas baseia-se em evidências experimentais com resultados de utilidade biotecnológicas aplicáveis. Porém, para a compreensão do sistema o autor considera apenas a natureza óxido-redutora dos processos biológicos, induzindo o crescimento por prover um meio de natureza redutora (disponibilização de elétrons) para os organismos com metabolismo predominantemente oxidativo ou prover um meio de natureza oxidante (sequestro de elétrons) para os organismos com metabolismo predominantemente redutor. Para a supressão do crescimento biológico, a alternância de disponibilização e sequestro de elétrons em alta frequência seria
o fator inibitório sendo um meio onde nem o metabolismo predominantemente oxidativo nem o predominantemente redutor têm tempo suficiente para adaptarem-se ao meio, bloqueando seus processos bioquímicos. The authors try to explain the results of their systems by claiming the formation of free radicals by action of the applied current or muscle and nerve paralysis in animals that cause biofouiing or electroporation-like phenomena that cell membranes lose the property of containing charged molecules or even mentioning "bioelectric effect" of their technologies. The control and suppression of the biological growth of the system presented here is not intended to merit theory in this emerging area of biology, but is based only on experimental evidence with applicable biotechnological utility results. However, for the understanding of the system the author considers only the oxide-reducing nature of biological processes, inducing growth by providing a means of reducing nature (electron availability) to organisms with predominantly oxidative metabolism or providing a means of oxidizing nature ( sequestration) for organisms with predominantly reducing metabolism. For the suppression of biological growth, alternation of high frequency electron availability and sequestration would be the inhibitory factor being a medium in which neither predominantly oxidative nor predominantly reducing metabolism has sufficient time to adapt to the medium, blocking its biochemical processes.
Em nenhuma das tecnologias descritas utiliza-se a corrente alternada em alta frequência. Alternando a corrente em alta frequência previne-se que o organismo se adapte a corrente, tornando as superfícies repelentes ao biofouling e o meio inóspito à proliferação do organismo. None of the technologies described uses high frequency alternating current. Alternating the current at high frequency prevents the organism from adapting to the current, making the surfaces repellent to biofouling and the environment inhospitable to the proliferation of the organism.
A descrição que se segue e as figuras associadas, tudo dado a título de exemplo não limitativo, farão compreender bem a invenção. The following description and associated figures, all given by way of non-limiting example, will make the invention well understood.
O sistema é composto por equipamento de regulagem de frequência, potencial efétrico e intensidade de corrente que com o auxílio de eletrodo de referência, modulam a corrente elétrica em sua amplitude de potencial, amplitude de frequência, formato da curva de oscilação da corrente e intensidade de corrente elétrica aplicada num par eletrodo e contra-eletrodo imersos no meio em que se deseja o efeito de indução, controle ou supressão de crescimento biológico. The system is composed by frequency, ephenic potential and current intensity regulation equipment that, with the help of a reference electrode, modulates the electric current in its potential amplitude, frequency amplitude, current oscillation curve format and current intensity. electrical current applied to a pair of electrode and counter electrode immersed in the medium in which the effect of inducing, controlling or suppressing biological growth is desired.
Sendo o sistema baseado em diferença de potencial elétrico, o método dispensa a utilização de insumos químicos umas vez que o sistema está implantado e adicionalmente não gera componentes químicos. A independência do sistema de insumos químicos e a não geração de resíduos define a tecnologia como limpa por não contaminar os efluentes. Since the system is based on electric potential difference, the method does not require the use of chemical inputs once the system is in place and additionally does not generate chemical components. The independence of the chemical input system and the non-generation of waste defines the technology as clean because it does not contaminate the effluents.
O eletrodo de referência é composto por material com potencial elétrico conhecido. O eletrodo e o contra-eletrodo são compostos de material condutivo inorgânico ou orgânico não necessariamente iguais entre si e que passem corrente elétrica de um para o outro através do fluido em que estão imersos. The reference electrode is composed of material with known electrical potential. The electrode and counter electrode are composed of inorganic or organic conductive material not necessarily equal to one another and passing electrical current from one another through the fluid in which they are immersed.
A disposição e composição do conjunto de eletrodos dependem de sua aplicação biotecnológica, do layout de onde o fluido é contido, da natureza do fluido, da composição e extensão do consórcio biológico a ser controlado. Ainda, o próprio material que a água ou outro fluido entra em contato pode constituir o eletrodo ou contra-eletrodo, desde que tenha natureza condutiva. The arrangement and composition of the electrode array depends on its biotechnological application, the layout of where the fluid is contained, the nature of the fluid, the composition and extent of the biological pool to be controlled. In addition, the very material that water or other fluid comes into contact with may constitute the electrode or counter electrode, provided it is conductive in nature.
A figura 1 apresenta esquematicamente o sistema básico onde o equipamento 1 de regulagem de frequência, potencial elétrico e intensidade de
corrente tem conectado o conjunto 2 formado pelo eletrodo, contra-eietrodo e eletrodo de referência que estão imersos em água ou outro fluido representado em cinza contidos ou em contato com superfície 3. Figure 1 shows schematically the basic system where the frequency, electrical potential and intensity regulation equipment 1 The current has connected the set 2 formed by the electrode, counter electrode and reference electrode that are immersed in water or other fluid represented in contained gray or in contact with surface 3.
A figura 2 representa o sistema similar ao da figura 1 com a modificação que a superfície 3 é condutiva e serve como eletrodo, sendo ligada por fio condutor ao equipamento 1. Figure 2 represents the system similar to Figure 1 with the modification that the surface 3 is conductive and serves as an electrode, being connected by conductive wire to the equipment 1.
A figura 3 representa o sistema similar ao da figura 1 com a superfície 3 sendo de tubulação. Figure 3 represents the system similar to Figure 1 with surface 3 being piped.
A figura 4 representa o sistema aplicado a superfícies imersas em corpos de água ou outro fluido e a numeração segue o padrão da figura 1. Figure 4 represents the system applied to surfaces immersed in bodies of water or other fluid and the numbering follows the pattern of figure 1.
A figura 5 representa o sistema aplicado a múltiplas superfícies, coordenadamente utilizando apenas um equipamento 1 de regulagem de frequência, potencial elétrico e intensidade de corrente conectado a múltiplos conjuntos 2 formados pelo eletrodo, contra-eietrodo e eletrodo de referência que estão imersos em água ou outro fluido representado em cinza contidos ou em contato com superfícies separadas 3. Figure 5 represents the system applied to multiple surfaces, coordinated using only frequency, electrical potential and current intensity regulating equipment 1 connected to multiple sets 2 formed by the electrode, counterelectrode and reference electrode that are immersed in water or other fluid represented in contained gray or in contact with separate surfaces 3.
Os diversos layouts representados nas figuras de 1 a 5 formam as conformações básicas do sistema, sendo que o modelo a ser aplicado pode ser composto de um ou uma adaptação com elementos de mais de um layout. The various layouts represented in figures 1 to 5 form the basic conformations of the system, and the model to be applied can be composed of one or an adaptation with elements of more than one layout.
No modo de indução de crescimento biológico, o sistema apresentará as seguintes características de funcionamento: In biological growth induction mode, the system will have the following operating characteristics:
- O potencial aplicado pode variar de até 30 kV negativos a 0 (zero) para indução de crescimento majoritário de organismos autótrofos como os fotossintéticos ou de 0 (zero) até 30 kV positivos para indução de crecimento majoritário de organismos heterotróficos. O potencial pode ser ajustado fora do intervalo citado caso haja aplicação específica como por exemplo, mas não restrito a, a geração de energia. Ainda considera-se a prevenção de corrosão dos eletrodos na escolha do potencial a ser aplicado; - The applied potential can range from up to 30 kV negative to 0 (zero) for induction of majority growth of autotrophic organisms such as photosynthetic or from 0 (zero) up to 30 kV positive for induction of majority growth of heterotrophic organisms. The potential can be adjusted outside the range mentioned if there is specific application such as, but not limited to, power generation. It is also considered the prevention of corrosion of the electrodes in the choice of potential to be applied;
- A intensidade da corrente pode variar de 1 μΑ a 100 mA, assim como no potencial, a intensidade da corrente pode variar fora do intervalo acima citado dependendo da aplicação biotecnológica e segurança do sistema;
- A frequência é nula ou baixa < 1 MHz levando em consideração a economia de energia e finalidade biotecnológica; - Current intensity may vary from 1 μΑ to 100 mA, as well as potential, current intensity may vary outside the above range depending on the biotechnological application and safety of the system; - Frequency is zero or low <1 MHz taking into account energy saving and biotechnological purpose;
- O(s) organismo(s) podem ser ambientais ou adquiridos e/ou isolados, selvagem ou bioengenheirados que apresentem finalidades biotecnológicas como por exemplo, mas não restrito a, expressão proteica, geração de biomassa, sequestro de carbono e geração de energia; - The organism (s) may be environmental or acquired and / or isolated, wild or bioengineered for biotechnological purposes such as, but not limited to, protein expression, biomass generation, carbon sequestration and power generation;
- O(s) organismo(s) colonizará(ão) preferencialmente o eletrodo, podendo ou não haver acúmulo de material biológico no contra-eletrodo e em suspensão; - The organism (s) will preferentially colonize the electrode, with or without biological material accumulation in the counter electrode and in suspension;
- Sendo a tecnologia limpa, o efluente fica livre da contaminação por nutrientes, controladores e indutores de crescimento, por exemplo. - Being the technology clean, the effluent is free of contamination by nutrients, controllers and growth inducers, for example.
No modo de controle e supressão de crescimento biológico, o sistema apresentará as seguintes características de funcionamento: In biological growth suppression and control mode, the system will have the following operating characteristics:
- O potencial aplicado estará no intervalo de 30 kV negativos até 30 kV positivos. O potencial pode ser ajustado fora do intervalo citado caso haja necessidade específica de otimização da entrega de energia no fluido. Ainda considera-se a prevenção de corrosão dos eletrodos na escolha do potenciai a ser aplicado; - The applied potential will be in the range of 30 kV negative to 30 kV positive. Potential can be adjusted outside the range if there is a specific need for optimization of fluid energy delivery. It is also considered the prevention of corrosion of the electrodes in the choice of potential to be applied;
- A intensidade da corrente pode variar de 1 μΑ a 100 mA, assim como no potencial, a intensidade da corrente pode variar fora do intervalo acima citado dependendo da aplicação biotecnológica e segurança do sistema; - Current intensity may vary from 1 μΑ to 100 mA, as well as potential, current intensity may vary outside the above range depending on the biotechnological application and safety of the system;
- A frequência é alta e pode ser modulada ou não dentro do intervalo de 1 MHz a 42 MHz ajustado conforme o tipo e quantidade de carga biológica; - The frequency is high and may or may not be modulated within the range of 1 MHz to 42 MHz adjusted according to the type and amount of biological charge;
- O(s) organismo(s) a serem controlados e suprimidos podem ser, mas não restritos a, bactérias, microalgas, fungos e organismos superiores como moluscos, crustáceos e macroalgas relacionados a risco biológico, risco mecânico, diminuição dé eficiência de processos, aumento de arraste de cascos de navios, diminuição da vida útil dos materiais envolvidos, etc; - The organism (s) to be controlled and suppressed may be, but not restricted to, bacteria, microalgae, fungi and higher organisms such as molluscs, crustaceans and macroalgae related to biological risk, mechanical risk, decreased process efficiency, increased drag of ship hulls, decreased service life of the materials involved, etc .;
- Sendo a tecnologia limpa, o efluente fica livre da contaminação por sanitizantes, desinfetantes, antibióticos, detergentes, etc.
- Being the technology clean, the effluent is free of contamination by sanitizers, disinfectants, antibiotics, detergents, etc.
Claims
1. Sistema de emissão de corrente elétrica modulada caracterizada por induzir, controlar e suprimir crescimento biológico na forma de biofouling e células planctônicas composto por um equipamento de regulagem de frequência, potencial elétrico e intensidade de corrente energizado pela rede elétrica convencional, bateria ou outra fonte, equipamento esse conectado um ou mais conjuntos de eletrodo, contra-eletrodo e eletrodo de referência imersos em água ou outro fluido em compartimentos separados ou não onde se deseja o efeito biológico. 1. Modulated electric current emission system characterized by inducing, controlling and suppressing biological growth in the form of biofouling and planktonic cells composed of frequency, electric potential and intensity regulating equipment energized by conventional mains, battery or other source. , such equipment is connected to one or more electrode, counter electrode and reference electrode assemblies immersed in water or other fluid in separate compartments or not where the biological effect is desired.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a emissão de corrente elétrica seja emitida peio eletrodo e seja transmitida através da água ou outro fluido para o contra-eletrodo onde o conjunto dos eletrodos estão imersos e sem contato direto, sendo o ajuste do potencial elétrico entre os eletrodos calibrado com o auxílio do eletrodo de referência. System according to claim 1, characterized in that the emission of electric current is emitted by the electrode and is transmitted through water or other fluid to the counter electrode where the electrode assembly is immersed and without direct contact; being the electric potential adjustment between the electrodes calibrated with the aid of the reference electrode.
3. Sistema de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o equipamento de regulagem de frequência, potencial elétrico e intensidade de corrente possa controlar um ou mais conjuntos de eletrodos no mesmo ou diferentes meios fluidos onde se deseja a ação biológica. System according to claims 1 and 2, characterized in that the frequency, electrical potential and current intensity regulating equipment can control one or more electrode assemblies in the same or different fluid media where biological action is desired. .
4. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os eletrodos sejam constituídos de material condutor orgânico ou inorgânico, podendo um dos eletrodos ser constituído próprio material em contato com a água ou outro fluido onde o efeito do sistema é desejado. A system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the electrodes are made of organic or inorganic conductive material, one of the electrodes being material itself in contact with water or another fluid where the effect of the system is desired.
5. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o equipamento de regulagem de frequência, potencial elétrico e intensidade de corrente possa ser ajustado diretamente, remotamente ou ainda tenha o ajuste único de fabricação. System according to Claims 1 to 4, characterized in that the frequency, electrical potential and current intensity regulating equipment can be set directly, remotely or even with the unique manufacturing setting.
6. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 5, caracterizado por funcionar no modo de indução de crescimento biológico e no modo de controle e supressão de crescimento biológico conforme o ajuste do conjunto potencial elétrico, intensidade de corrente e frequência.
System according to claims 1 to 5, characterized in that it operates in the biological growth induction mode and the biological growth control and suppression mode according to the set of the electric potential set, current intensity and frequency.
7. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de dispensar ou minimizar grandemente a adição e formação de componentes químicos que possam contaminar os efluentes. System according to Claims 1 to 6, characterized in that it dispenses or greatly minimizes the addition and formation of chemical components that may contaminate the effluents.
8. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de o sistema possa fazer-se uso ou não de acessórios de hardware e software para otimização do controle e segurança do próprio sistema como, mas não restrito a, localizador GPS, câmera, sistema de comunicação remoto, programação de auto-teste, sistema de garantia de integridade. System according to Claims 1 to 7, characterized in that the system may or may not use hardware and software accessories for optimizing the control and security of the system itself, but not limited to GPS locator. , camera, remote communication system, self-test programming, integrity assurance system.
9. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que no modo de indução de crescimento: System according to Claims 1 to 8, characterized in that in the growth induction mode:
- O potencial elétrico aplicado varie de até 30 kV negativos a 0 (zero) ou de 0 (zero) até 30 kV positivo, podendo ser ajustado fora do intervalo citado caso haja necessidade técnica específica; - The applied electric potential varies from up to 30 kV negative to 0 (zero) or from 0 (zero) to 30 kV positive, and can be adjusted outside the range mentioned if there is a specific technical need;
- A intensidade da corrente varie de 1 μΑ a 100 mA, podendo ser ajustada fora do intervalo citado caso haja necessidade técnica específica ou para segurança do sistema; - The current intensity varies from 1 μΑ to 100 mA and can be adjusted outside the range mentioned if there is a specific technical need or for system safety;
- A frequência seja nula ou baixa < 1 MHz; - The frequency is zero or low <1 MHz;
- O(s) organismo(s) podem ser ambientais ou adquiridos e/ou isolados, selvagem ou bioengenheirados que apresentem finalidades biológicas ou biotecnológicas desejáveis; - The organism (s) may be environmental or acquired and / or isolated, wild or bioengineered for desirable biological or biotechnological purposes;
- O(s) organismo(s) será(ão) selecionados conforme o ajuste elétrico do sistema e colonizará(ão) preferencialmente o eletrodo, podendo ou não haver acúmulo de material biológico no contra-eletrodo e em suspensão. - The organism (s) will be selected according to the electrical adjustment of the system and will preferentially colonize the electrode, with or without biological material accumulation in the counter electrode and in suspension.
10. Sistema de acordo com as reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que no modo de controle e supressão de crescimento biológico: System according to claims 1 to 8, characterized in that in the mode of control and suppression of biological growth:
- O potencial aplicado fique no intervalo de 30 kV negativos até 30 kV positivos, podendo ser ajustado fora do intervalo citado caso haja necessidade técnica específica; - The applied potential is in the range of negative 30 kV up to 30 kV positive and can be adjusted outside the range mentioned if there is a specific technical need;
- A intensidade da corrente varie de 1 μΑ a 100 mA, podendo ser ajustada fora do intervalo citado caso haja necessidade técnica específica ou para segurança do sistema;
- A frequência seja alta e possa ou não ser modulada dentro do intervalo de 1 MHz a 42 MHz; - The current intensity varies from 1 μΑ to 100 mA and can be adjusted outside the range mentioned if there is a specific technical need or for system safety; - The frequency is high and may or may not be modulated within the range 1 MHz to 42 MHz;
- O(s) organismo(s) a serem controlados e suprimidos podem ser, mas não restritos a, ambientais, ambientais invasores ou contaminantes que se deseje(m) ser suprimido(s) parcial ou completamente da superfície do material em contato ou da própria água ou outro fluido onde os eletrodos estão imersos.
- The organism (s) to be controlled and suppressed may be, but not restricted to, environmental, environmental invaders or contaminants wishing to be partially or completely deleted from the surface of the contacting material or own water or other fluid where the electrodes are immersed.
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