PIS
Desarrollo de Celdas de Combustible Biológico
utilizando material a bajo costo
García,
N., Benavides A. V., Rodríguez, L. V., Ducuara K.
Resumen
En los últimos años el estudio la investigación
y diseño de celdas de combustible microbianas (CCM) ha despertado el interés
como sistemas bioelectroquímico debido en parte por la necesidad mundial de
producir energías renovables, además por su capacidad para degradar materia
orgánica y biorremediar sustratos antes de su descarga al medio ambiente.
Debido a las factibles condiciones de operación y la posibilidad de usar
materiales y sustratos económicos como combustible, que darían un ambiente para
determinados microorganismo, se tiene como objetivo diseñar una CCM que pueda
ser fabricada en casa. Con esto se espera obtener una corriente correspondiente
a los posibles microorganismos y su metabolismo, por lo que se requiere
compresión de la ecología microbiana presente.
Introducción
Las reacciones químicas llevadas a cabo
durante el funcionamiento de la CCM, son muy complejas dado que en el lodo o
las aguas residuales hay muchas bacterias o componentes juntos, el oxígeno e
iones positivos en el ánodo participan en la siguiente reacción para formar
agua que se propaga a través de la membrana permeable a los iones en el cátodo
junto con la asistencia de catalizadores. (Rojas & Angelats, 2018). A
continuación se representan las reacciones básicas:
𝐻2−> 2𝐻 + + 2𝑒 −
𝑂2 + 4𝐻 + + 4𝑒 −−> 2𝐻2𝑂
La concentración y las especies en
el oxidante (aceptor de electrones), la disponibilidad de protones, el
rendimiento del catalizador, la estructura del electrodo y su capacidad
catalítica afectan el rendimiento de reacción del cátodo.
Metodología
Para la construcción de la celda, se
recomienda probar el voltaje de la biomasa. Comenzar por ensamblar un codo de
PVC a cada extremo del tubo.
A continuación, poner Agar
Agar dentro de ellos, seguido, se perfora cada botella en un costado de forma
que entre el codo del ensamble realizado.
Seis de las botellas
se perforan en la parte baja de modo que pase la manguera que suministra
oxigeno por todas ellas, para asegurar y evitar fugas, sellar todo con
silicona.
Luego, se perforan las tapas
con ayuda del alambre de cobre, seis de ellas con un agujero y otras seis con
dos agujeros. Con el alambre y las placas se deben realizar los electrodos,
perforando las placas de aluminio de forma para que pase el alambre.
Por último, doblar la placa cubriendo el
alambre de forma que entre por el pico de la botella. Hay que recordar que va
un electrodo por botella. Cortar la biomasa de forma que entre por la botella y
proceder a llenarlas, teniendo en cuenta que las botellas que llevan la
manguera para oxigenar se llenan con suero, las otras seis botellas, llevaran
la biomasa y la tapa con dos orificios. Se llenan hasta el borde del codo de
PVC. Como es un prototipo no funcional, no se llenan las botellas, pero si se
quiere hacer funcional, es necesario tener esto en cuenta.
Para concluir, conectar la manguera a un motor de
pecera, conectar los alambres de cobre de las celdas entre si y realizar
conexiones a un lector de voltaje.
Resultados y discusión
Al ser un prototipo no funcional, no se obtuvieron los
voltajes necesarios para hacer una comparación, pero según la literatura
científica consultada, estos valores pueden variar según el sustrato utilizado
y su concentración, debido a que cada uno puede presentar distintas comunidades
de microorganismo, además que mediante durante el proceso metabólico la
potencia sería máxima cuando tengamos un crecimiento y contemos con suficiente
materia orgánica. Esto se ve reflejado en la investigación
“Microbial fuel cells for wastewater treatment”, que nos dice que un CCM
teóricamente (con una eficiencia del 100 % durante el metabolismo) puede
entregar 3 Kwh por cada kilogramo de materia orgánica (peso seco) y que durante
la conversión de sustrato en CCM, casi ninguna energía se libera en forma de
calor externo, y que toda la energía bioquímica en los residuos puede
convertirse potencialmente en electricidad. Las intensidades de corriente y
potencia también disminuyen, siendo sus valores más altos para el lodo puro
(100 %). (P. Aelterman, 2006)
Conclusiones
·
En este experimento,
se diseñó y construyó una celda de combustible microbiana con electrodos a bajo
costo (aluminio). Para demostrar que la construcción es posible con materiales
económicos que se encuentran en casa.
·
En este trabajo se
puede concluir que, aunque es un prototipo no funcional y a raíz de ello no se
obtuvo algún resultado esperado, sin embargo, es un proyecto amigable con el
medio ambiente porque ayuda a biodegradar materia orgánica antes de ser
descargada en la naturaleza.
·
En los últimos años
el estudio en cuanto al diseño a celdas de combustible microbiana ha despertado
el interés en el campo de la investigación dando un paso muy grande e
importante en la ayuda con el medio
ambiente.
Bibliografía
P. Aelterman, K.
Rabaey, P. Clauwaert, and W. Verstraete, Water Science and Technology 54 (2006)
9–15.
Rojas Flores,
S. J., & Angelats Silva, L. M. (2018). Influencia de la disminución de Iodo
para la obtención de voltaje a partir de Celdas de Combustible Microbianas de
bajo costo. Revista ECIPeru, 15(2), 90-96. Recuperado de
https://revistaeciperu.com/wp-content/uploads/2018/12/20180014-1.pdf
Prototipo no funcional, diseñado por Valentina, Nicolas, Vanessa y Fernanda
Desarrollo de Celdas de Combustible Biológico utilizando material a bajo costo Florián, F., Gracia, D., Gomez, J., Ospina, M., Silva, L
RESUMEN
Es
importante realizar el prototipo de diseño de la Celda de Combustión Microbiana
ya que mediante este proceso o actividad se puede determinar la funcionabilidad
o fallas que se puedan presentar desde el principio y así corregirlas, de igual
manera, identificar cada una de las fases que se presentan y cómo interactúan
los microrganismos a la hora de realizar este proceso. Cabe resaltar que la
obtención de energía mediante esta actividad que desarrollamos nos permite
primero elaborar mecanismos más fáciles, eficientes y económicos que en cada
hogar puede ser fácil su diseño y que está al alcance de todos, además
determinar y conocer el comportamiento de los electrones en el agua,
permitiendo así obtener energía debido a la degradación de materia orgánica que
se presenta y comprobar mediante un voltímetro que nos determine la cantidad de
energía presente en dicho experimento y el aumento o disminución que se pueda
presentar durante los siguientes días que se mantenga la celda de combustión.
INTRODUCCIÓN
Una celda de combustión
microbiana es un dispositivo que convierte un sustrato biodegradable
directamente a electricidad mediante microorganismos que mediante su
metabolismo trasfieren electrones desde un donador (Buitrón & Pérez, 2020) los combustibles
pueden ser tal como la glucosa, acetato,
lactosa, empleados siempre y cuando tengan un factor biodegradable aprovechable
por los microorganismos, además esta trasferencia que se da de un electrón
donador a un aceptor de electrones puede ocurrir de varias formas, bien sea a
través de la membrana celular o a partir de un mediador soluble, y los
electrones fluyen por un circuito externo, cuando los electrones fluyen por
este circuito externo es cuando pueden ser captados y convertidos a energía
eléctrica (Hincapie, 2020)
Este proceso contribuye a degradar la materia orgánica representada como
sustrato o combustible y ha sido estudiado ampliamente en las celdas de
combustión microbiana de cátodo abiótico con la generación de energía eléctrica
a pequeña escala.
PROCEDIMIENTO
Para dar inicio al
montaje de la celda se unieron los dos codos con el tubo para dejar ensamblado
el puente de las celdas, se procedió a abrir un agujero en cada botella con el
diámetro suficiente para permitir el ingreso del puente de conexión, y se
introdujo los extremos del puente en el interior de cada botella, se sellaron
para evitar que el contenido de las celdas se filtrara, obteniendo de esta
forma la estructura de las celdas de forma completa.
Luego se agregaron los
materiales correspondientes a cada celda; en la celda del ánodo se agregó 500 g
de cascarilla de arroz, 15 g de NaCl y 1000 ml de agua estancada, en la celda
cátodo 20 g de NaCl y 1000 ml de agua estancada, por último, se agregó los
cables de cobre al interior de cada celda, se esperaron 2 días para poder
verificar su funcionamiento y su corriente eléctrica.
Bibliografía
Figura 1. Botellas con los respectivos cortes y la construcción del ánodo y el cátodo.
Figura 2. Ensamblaje del ánodo y cátodo a sus respectivas cámaras.
Objetivo General
RESULTADOS Y DISCUSION
Los resultados serán
expresados mediante un multímetro que nos proporcionara de manera específica la
cantidad de energía producida a partir de los sustratos puestos en las cámaras
del ánodo y cátodo.
la celda de combustión luego de ser montada
tuvo una duración de 2 días para su respectivo funcionamiento y la generación
de energía la cual arrojo 0,58 V lo que quiere decir que este fue el resultado
de biodegradación de los sustratos o biomasa a partir de que los
microorganismos realizaran su metabolismo de las sustancias mismas.
CONCLUSIONES
La celda de combustión
microbiana constituye la oportunidad de profundizar en el estudio de las
complejas interacciones entre una comunidad microbiana y un sustrato
involucrado en los procesos de transferencia de electrones, aspecto que
contribuye la eliminación de los contaminantes
Las celdas de combustión microbiana son una
tecnología reciente para propósitos de generación alternativa de energía,
remoción de materia orgánica y biorremediación; sin embargo, para aplicaciones
prácticas es necesario mejorar la eficiencia en los procesos bio
electroquímicos y en el desempeño eléctrico, por lo que se requiere investigar
más aspectos como el diseño y las comunidades microbianas
PREGUNTAS ORIENTADORAS
¿Se podrá
obtener energía a partir de aguar residuales y microorganismos en CCB?
Las aguas residuales contienen una gran
cantidad de energía química almacenada en la materia orgánica, la cual es
degradada durante la producción de electricidad en la CCM. Los microorganismos en las CCB juegan un
papel importante en la transferencia de electrones, un proceso que ocurre en la
célula misma, de la célula hacia el electrodo y del electrodo a la célula; por
lo tanto, estudiar sus interacciones, identificarlos y establecer su función en
este proceso, aporta al conocimiento básico y al futuro mejoramiento del
desempeño de estos sistemas.
¿Cómo se
aplican las leyes de la termodinámica en los CCB?
Se aplica la primera ley de la
termodinámica, que establece que el cambio en la energía total de un sistema
cerrado, ΔE, viene dado por la suma del trabajo realizado sobre o por el
sistema y la transferencia neta de calor hacia o desde el sistema. Si no hay
transferencia de calor en absoluto, entonces ΔQ = 0, y ΔE = W.
¿Cuál es el
mecanismo mediante el cual los microorganismos utilizan el electrodo como
aceptor final de electrones?
Una CCM típicamente está compuesta por
dos cámaras, una anaeróbica y otra aeróbica en medio de las cuales hay un
separador. La cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que, al oxidarse
por acción de los microorganismos, generan electrones, protones y CO2. En cada
una de las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la cámara anaeróbica y
el cátodo en la cámara aeróbica una vez los electrones se liberan en la cámara
anódica, éstos son captados por el ánodo y posteriormente transferidos hacia el
cátodo mediante un circuito externo. Simultáneamente, en la cámara anódica se
generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del separador,
donde se combinan con el oxígeno del aire para reducirse a agua con los
electrones que captan directamente del cátodo, debido a que esta reacción no
está catalizada por microorganismos el cátodo se refiere como abiótico.
Bibliografía
Buitrón, G.,
& Pérez, J. (Marzo de 2020). scielo.org. Obtenido de scielo.org:
http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-888X2011000100001
Hincapie, J. D. (2020). Desarrollo de una celdad de
combustible microbiano para la aplicación en tratamiento de aguas residuales.
México : cideteq.
Imagen1.
Diseño de la CCM
como se muestra en la (figura
6 y 7) las láminas de aluminio se doblan para crear una resistencia
con el alambre de cobre que nos ayuda a la transferencia de
electrones, este l va ir
introducido en las celdas de combustión, ánodo y cátodo.
Luego realizamos un pequeño orificio en la tapa de la botella como
se ilustra en la (figura 8 y 9)
para poder introducir el electrodo en las celdas y así poder generar conductividad con el alambre de cobre.
Desarrollo de una celda de combustible
microbiano con materiales de bajo costo
Resumen
En el presente informe se evidencia el diseño y elaboración
de una celda de combustible microbiana con materiales de bajo costo, la cual
sirve para producir energía a partir de agua residual, allí es aprovechado el
proceso de degradación de materia orgánica realizada por microorganismos, en
donde se da una liberación de electrones, los cuales son conducidos por un
flujo continuo a través de un aceptor de electrones y finalmente se produce la energía eléctrica,
este diseño consta de dos cámaras, cara uno o cámara anaeróbica y cámara dos o
cámara aeróbica, electrodos (ánodo y cátodo) y una membrada que los separa.
Introducción
Las CCM (celdas de combustible microbiano)
son una tecnología emergente que podrían contribuir a solucionar dos de los
problemas más críticos que afronta la sociedad actual: la crisis energética y
la disponibilidad de agua no contaminada, consiste en un dispositivo que
utiliza microorganismos para convertir la energía química presente en un
sustrato en energía eléctrica, esto es posible cuando bajo ciertas condiciones
algunos microorganismos transfieren los electrones producidos en su actividad
metabólica a un electrodo (ánodo) en lugar de a un aceptor natural de
electrones (como oxígeno) Las CCMs se distinguen de otros sistemas de generación
de energía porque: operan eficientemente a temperatura ambiente e incluso a muy
bajas temperaturas; producen menor cantidad de CO2 que cualquier otra
tecnología actual que utilice combustibles fósiles para generar energía, por lo
que las pocas emisiones de este gas no requieren ningún tipo de tratamiento,
además no necesitan aporte de energía siempre que el cátodo abiótico sea
aireado pasivamente, y son una tecnología emergente que podrían contribuir a
solucionar dos de los problemas más críticos que afronta la sociedad actual: la
crisis energética y la disponibilidad de agua no contaminada (Dolly M. Revelo, 2013)
El ánodo por su parte es el electrodo que
pierde electrones en una reacción de oxidación. Normalmente se vincula al polo
positivo del tránsito de la corriente eléctrica, pero no siempre es así. Por
otro lado el cátodo es el electrodo con carga negativa, que en la reacción
química sufre una reacción de reducción, donde su estado de oxidación se reduce
cuando recibe electrones. (Academia.edu, 2019)
Las aguas residuales pueden definirse como
las aguas que provienen del sistema de abastecimiento de agua de una población,
después de haber sido modificadas por diversos usos en actividades domésticas,
industriales y comunitarias, de acuerdo a su origen resultan de la combinación
de líquidos y residuos sólidos transportados por el agua proveniente de residencias,
oficinas, establecimientos comerciales e instituciones, industrias, de
actividades agrícolas, aguas superficiales, subterráneas y de precipitación. (Martha,
2013)
Metodología
Para realizar la celda de combustible
microbiano se utilizaron materiales como: tubo de pvc, codos, dos botellas
plásticas con sus respectivas tapas, cable de cobre y una lata de gaseosa. En
primera instancia se le quito a la lata de gaseosa la parte superior e inferior
para quedar solo con la lámina de aluminio, está en la zona que tenía la
pintura de su diseño original fue lijada para que queda completamente aluminio,
después fue cortada a lo ancho en dos partes iguales que fueron dobladas a la
mitad. Por otro lado se marcó el tamaño del codo en la parte inferior de la
botella y con ayuda de un bisturí se realizó un orificio para poder introducir
la mitad del codo en esta, este paso se repitió con la otra botella, después a
cada tapa se le abrió un orificio de tal tamaño que pueda pasar el cable de
cobre, la cámara del ánodo quedo con un orificio exacto porque esta es
anaeróbica mientras que a la cámara del cátodo el orificio se realizó dejando
una pequeña entrada de aire, posteriormente cada tira del cable de cobre fue
puesto en la mitad de la lámina de aluminio, se introdujeron las láminas a las
botellas, se taparon y finalmente para unir las dos botellas se acoplo el tubo
de pvc a cada codo.
Resultados y
discusión
Como resultado podemos observar el diseño final de la celda de
combustible microbiano, el cual cuenta con dos cámaras separa por una membrana
iónica, encontramos la cámara anaeróbica donde esta el ánodo y la cámara
aeróbica donde esta el cátodo. En la cámara del ánodo es donde se vierten las
aguas residuales y está la materia prima para que las bacterias a través de su
metabolismo la descompongan y se pueda cumplir el proceso de transferencia de
electrones desde un donante (materia orgánica del agua residual) a un aceptor
de electrones (electrodo), estos electrones fluyen del ánodo al cátodo por
medio del cable de cobre cuando es unido y generan de esta forma un flujo de
corriente.
Electrodos: Los electrodos en este caso
son las láminas metálicas, allí se producen las
semi-reacciones de oxidación y de reducción. Para escoger los electrodos se
debe tener en cuenta, su material, este debe ser buen conductor, con buena
estabilidad química, alta resistencia al esfuerzo mecánico y preferiblemente de
bajo costo.
En la cámara 1 está el ánodo que es el electrodo en el que tiene lugar la oxidación.
En la cámara 2 está el cátodo que es el electrodo en el que tiene lugar la reducción.
Ánodo: en el ánodo es
donde las bacterias catalizan la oxidación del sustrato y liberan electrones
como resultado de la respiración. La cámara 1 o sea la cámara anaerobia es
donde se encuentra este electrodo no debe contar con la presencia de oxígeno
para evitar o minimizar la inhibición de generación d energía eléctrica, esto
se dice porque el oxígeno actuaría como aceptor final de electrones antes que
el electrodo, resultando en una inhibición de menor energía eléctrica generada.
Cátodo: los electrones
que salen del ánodo pasan al cátodo y estos se combinan con los protones que se
difunden desde el ánodo a través de la membrana y también se combinan con el
oxígeno que hay en la cámara 2 o sea la cámara aerobia.
Membrana: esta membrana se
utiliza para separar la cámara 1 donde los microorganismos crecen de la cámara
2 donde los electrones reacciones además cumplen la función de evitar que el
oxígeno o cualquier otro agente oxidante compita con el ánodo como aceptor
final de electrones.
Microorganismos: en la celdas de
combustible microbiano se emplean microorganismos que son cultivados para
producir electricidad según (Dolly M. Revelo, 2013) estos microrganismos
son bacterias que se auto reproducen, haciendo que el catalizador para la
oxidación de la materia orgánica sea auto-sostenible, además se menciona que
las reacciones bacterianas pueden ser llevadas a cabo en un rango amplio de
temperaturas, temperaturas moderadas (15-35ºC), temperaturas altas (50-60ºC) y
temperaturas bajas (<15ºC).
Conclusiones
La celda de combustible microbiano es una tecnología para la generación
alternativa de energía, que no necesita para su elaboración gran variedad de elementos sino calidad de
estos para que sea más eficiente, y en cuanto al sustrato se encuentra de forma
abundante y por ende es de fácil acceso.
La celda de combustible microbiano podría contribuir a solucionar
problemas como la crisis energética y la disponibilidad de agua no contaminada.
Al sobrevivir las bacterias en un rango de temperaturas tan amplio, las
celdas se pueden implementar en gran variedad de zonas.
Bibliografía
Revelo, D., Hurtado, N. y Ruiz, J. (2013). Celdas de
combustible microbianas (ccms): un reto para la remoción de materia orgánica y
la generación de energía. Recuperado: eléctricahttps://scielo.conicyt.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-07642013000600004
Gonzales, R. (2019). Ánodo y Cátodo.
Recuperado de: https://www.academia.edu/40484777/Qu%C3%A9_son_el_%C3%81nodo_y_el_C%C3%A1todo
Lizarazo, J. y Orjuela, M. (2013). Sistemas de
plantas de tratamiento de aguas residuales en Colombia. Recuperado de: http://bdigital.unal.edu.co/11112/1/marthaisabelorjuela2013.pdf
López, J. (2014). Desarrollo de una celda de
combustible microbiana. Recuperado de: https://cideteq.repositorioinstitucional.mx/jspui/bitstream/1021/144/1/Desarrollo%20de%20una%20celda%20de%20combustible%20microbiana%20%28CCM%29%20para%20la%20aplicaci%C3%B3n%20en%20el%20tratamiento%20de%20aguas%20residuales%20%28Protegida%29..pdf
CELDA DE COMBUSTIÓN MICROBIANA
Resumen
La búsqueda de
nuevas alternativas para la producción de energía son uno de los retos
biotecnológicos más grandes, se estudia la manera de producir energía a partir
de sustratos biodegradables con las Celdas de Combustión Microbiana (CCM) son
dispositivo que utiliza microorganismos para convertir la energía química
presente en el sustrato biodegradable directamente a electricidad, a través de su metabolismo transfiere
electrones desde un donador, tal como la glucosa a un aceptor de electrones
llamado (electrodo), una (CCM) no transfiere directamente los electrones
producidos a su aceptor final, si no que estos son desviados hacia el electrodo
denominado (Ánodo), esta transferencia ocurre por una membrana, esto hace que
los electrones fluyan y puedan ser captados y convertidos en electricidad, Metodología Para realizar la celda de
combustión microbiana se utilizaron los siguientes materiales reutilizables y
herramientas de trabajo, Resultados se
utilizó un tubérculo (Solanum tuberosum) comúnmente conocido como papa
pastusa ya que estos cuenta con una gran cantidad de carbohidratos,
siendo estos sustancias ricas energéticamente
las cuales son utilizados por los microorganismos para realizar su
metabolismo, considerando que el sustrato es una fuente de carbono orgánica uno
de los posibles microorganismos presentes en la CCM según Lovely (2008)
son las Geobacter Sulfurreducens y en el cual la concentración
sel sustrato acelera la velocidad de
reacción, lo que conduce a una mayor generación de energía; sin embargo,
efectos contrarios a estos son Dos posibles razones que explican, primero, un
incremento de los productos de fermentación que ocasionan una disminución del
pH en el sistema, lo cual inhibe la actividad enzimática o segundo, algunos
compuestos del sustrato orgánico son utilizados para el crecimiento bacteriano
y no para la generación de electricidad (Revelo, 2013), conclusión
Dentro del análisis expuesto
las CCM son una herramienta biotecnológica desarrollada como alternativa para
producción de energías limpias, en suma a este la CCM brinda como oportunidad
la profundización en el reconocimiento las interacciones entre una comunidad
microbiana y un sustrato involucradas en los procesos.
Introducción
La
electricidad generada en el mundo proviene principalmente de los combustibles
fósiles . Sin embargo, su uso viene siendo muy discutido principalmente por la
generación de dióxido de carbono (CO2), el cual es el principal contribuyente
de los gases de efecto invernadero (GEI), los cuales son los principales
generadores del cambio climático (Minambiente,2017).Por ende la actual problemática energética-medioambiental
motiva la búsqueda de nuevas fuentes de energía con menor impacto, así como el
diseño de procesos industriales más eficientes en el uso de los recursos. En
Colombia, la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), ha estimado una
proyección de demanda de energía eléctrica de 92.403 GWH para el año 2025 a
diferencia del año 2017 la cual obtuvo una proyección de demanda de 72.945 GWH.
Según el ministerio de ambiente las hidroeléctricas es la energía sostenible
más usada en el país obteniendo un porcentaje de participación del 70%.
Teniendo
en cuenta lo anterior una alternativa para la generación de energía eléctrica
es la implementación de celdas de combustibles microbianas (CCMs) estas son una
tecnología que podría contribuir a la ejecución de energías limpias, un (CCMs)
es un dispositivo que utiliza microorganismos para convertir la energía química
presente en el sustrato biodegradable directamente a electricidad, esto es
posible a ciertas condiciones algunos microorganismos a través de su
metabolismo transfiere electrones desde un donador, tal como la glucosa a un
aceptor de electrones llamado (electrodo), una (CCM) no transfiere directamente
los electrones producidos a su aceptor final, si no que estos son desviados
hacia el electrodo denominado (Ánodo), esta transferencia ocurre por una
membrana, esto hace que los electrones fluyan y puedan ser captados y
convertidos en electricidad. Según Buitrón y Pérez (2011), cuanto mayor sea la
diferencia de potencial entre el donador y el aceptor, mayor será la ganancia
energética para la bacteria y, generalmente, mayor será su tasa de
reproducción. Adicionalmente, uno de los beneficios de implementar CCM capaces
de usar no solamente oxígeno sino también otros contaminantes como posibles
aceptores de electrones, es la remoción de nutrientes y la biorremediación
conjuntamente con la generación de electricidad (Saavedra, 2012).
Metodología
Para realizar la celda de combustión microbiana se
utilizaron los siguientes materiales:
botellas pet, codos de pvc, tubos de pvc, láminas de aluminio, alambre
de cobre, silicona, pegamento pvc, y regla.
Como se muestra en la (figura
3) se realiza un perforación en
las dos celdas (botellas pet) para
que podamos introducir el codo de pvc ilustrado en la (figura 4 y 5), luego cubrimos los
orificios con silicona evitando el derrame de las sustancias.
Por último cuando ya tenemos
las celdas realizadas como se muestra el la (figura 10) se procede a
introducir el sustrato papa pastusa (Solanum
tuberosum), al ánodo lo cual son los desechos orgánicos y en la
otra celda la cual es el cátodo la solución salina como se ilustra en la (figura 11).
Resultados y discusión
Cómo se logra observar en la fig 12 se necesitó
de un sustrato para la elaboración de la celda, en este caso se utilizó un
tubérculo (Solanum
tuberosum) comúnmente conocido como papa
pastusa ya que estos cuenta con una gran cantidad de carbohidratos, siendo
estos sustancias ricas energéticamente
las cuales son utilizados por los microorganismos para realizar su
metabolismo, como lo afirma López (2014)
cuando los organismos vivos metabolizan el alimento para proveerse de energía,
están aprovechando la energía de la oxidación de sustancias abundantes en
electrones como lo son los carbohidrato. Teniendo en cuenta esto, según Pérez y
Buitrón (2011) el catabolismo microbiano en sustratos como los carbohidratos se
oxidan inicialmente en ausencia de oxígeno cuando sus electrones son liberados
por reacciones enzimáticas. Estos electrones son conservados por un mediador
redox, que entra en la capa externa de la membrana celular, se reduce, y sale
nuevamente en su estado reducido. Este mediador luego cede los electrones a
robados a un electrodo (cargado negativamente) ; el ánodo, y posteriormente
esto fluyen por un circuito externo generando corriente, de allí se requiere un
segundo electrodo (cargado negativamente), que haría el papel de aceptor de
electrones; pero que a diferencia del oxígeno, sería el aceptor externo al
sistema biológico, el cátodo.
Considerando que el sustrato es una fuente de
carbono orgánica uno de los posibles microorganismos presentes en la CCM según
Lovely (2008) son las Geobacter Sulfurreducens, ya que se ha investigado sobre el mecanismo de la transferencia
de electrones al ánodo y su capacidad de oxidar completamente un compuesto
orgánico para así contribuir efectivamente a la producción de energía;
ejemplo, esta bacteria es dominante
cuando se utiliza lactato, acetato, formato, glucosa, entre otros sustratos.
Una vez se instalado el sistema y se reconoció los
posibles microorganismos presentes en el
dispositivo es necesario tener en cuenta
las condiciones necesarias para el mantenimiento de este, como lo es el pH y
la temperatura, López (2014) considera
que el valor pH es fundamental para el buen desempeño de un celda de combustión
microbiana deberá tener en cuenta la actividad biológica llevada en el ánodo,
es decir, un valor de pH en el rango de 6 a 9, en el ánodo, será un valor que
respete las condiciones naturales de biocatalizador, además, los gradientes de pH se producen
por la acidificación en la cámara anódica y la alcalinización en la cámara
catódica, esto se presenta debido a que en las reacciones anódicas se producen
protones y en las reacciones del cátodo se consumen protones. Cuando en la
cámara anódica la difusión y la migración de los protones a través de la
membrana es lenta, se produce una disminución del pH ocasionando una
disminución drástica de la actividad bacteriana y por consiguiente se afecta la
transferencia de protones hacia la cámara catódica. De otro lado, el flujo de
protones y de otros cationes alcalinos (Na+) hacia el compartimiento
catódico reduce el oxígeno y genera un incremento de pH. La disponibilidad de
protones en el cátodo es un factor clave que determina la eficiencia de
reducción del oxígeno, así que, un aumento del pH en la cámara catódica puede
disminuir significativamente la generación de corriente de la CCM. Igualmente
afirma que las reacciones microbianas pueden llevar a cabo en diferentes
temperaturas, dependiendo la tolerancia de las bacterias, variando temperatura ambiente (15-35 °C).
Según Liliana
Alzate (2008) “Una CCM convierte un sustrato biodegradable directamente a
electricidad. Esto se consigue cuando las bacterias, a través de su
metabolismo” , el sustrato es uno de los aspectos mas importantes para la
producción de energía en las CCM ya que constituye el combustible apartir del
cual se genera energía, como se observar en la figura (13) identificando la
producción de energía con el multímetro
arrogo un resultado de (0.00) dando como resultado la no producción de energía
según Dolly M. Revelo (2013)
“ Dos posibles razones , primero, un incremento de los productos de
fermentación que ocasionan una disminución del pH en el sistema, lo cual inhibe
la actividad enzimática; segundo, algunos compuestos del sustrato orgánico son
utilizados para el crecimiento bacteriano y no para la generación de
electricidad”, por razones ya expuestas la produccion de energia es nula.
Beneficios de las celdas de combustión
microbianas.
Las celdas de combustión microbiana son una
alternativa de generación de energía amigable con el ambiente, ya que su
sistema funciona de manera eficaz sin emitir gases de efecto invernadero como
el CO², adicionalmente, mediante el uso de las CCM se contribuye con la
disminución de aguas residuales domésticas e industriales.
Las CCMs se distinguen de otros sistemas de
generación de energía porque: operan eficientemente a temperatura ambiente e
incluso a muy bajas temperaturas; producen menor cantidad de CO2 que cualquier
otra tecnología actual que utilice combustibles fósiles para generar energía,
por lo que las pocas emisiones de este gas no requieren ningún tipo de
tratamiento; no necesitan aporte de energía siempre que el cátodo abiótico sea
aireado pasivamente o sea un biocátodo; en el futuro podrían ser utilizadas en
lugares remotos donde haya demanda de consumos básicos de energía eléctrica. El
potencial de estos dispositivos es enorme, en diversos trabajos se ha
demostrado su efectividad (Rabaey et al., 2003, Du et al., 2007, Pant et
al.,2010)
Conclusiones
Dentro del análisis expuesto las CCM son una herramienta
biotecnológica desarrollada como alternativa para producción de energías
limpias, contribuyendo a una mejora continua para el ambiente, sin embargo para
aplicación de esta práctica es necesario la búsqueda en la eficiencia en los
procesos microbiano,la posibilidad de implementar diversos sustratos que se encuentren de forma abundante y fácil
acceso. En el cual la concentración y los factores de dilución deben ser
estandarizados para una óptima producción de energía, en suma a este la CCM
brinda como oportunidad la profundización en el reconocimiento las
interacciones entre una comunidad microbiana y un sustrato involucradas en los
procesos.
Bibliografía
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Alimentando microbios con electricidad: transferencia directa de electrones de
electrodos a microbios, Environmental Microbiology Reports: 3 (1), 27-35 (2011)
CELDA DE COMBUSTIBLE
MICROBIANA CASERA
Camargo A, D.
Larios, S. Cárdenas, E, D. Ramírez D,
H. Torres B, S.
Resumen
Nuestra
sociedad moderna está ligada fuertemente a la explotación directa de
combustibles fósiles, generando una dependencia desmesurada a este servicio,
provocando un evidente perjuicio al ambiente, a raíz de este problema surgen
diversas ideas para desarrollar distintos procesos donde se pueda generar
energía, como las celdas de combustible microbiana.
En el siguiente trabajo se explora el concepto de una celda de combustible
microbiana con un enfoque en la relación directa del mismo con conceptos
microbiológicos, termodinámicos y en aplicaciones en química ambiental,
abordando temas que van desde la fabricación casera de un prototipo no
funcional, hasta las ventajas proporcionadas de su uso en la sociedad
contemporánea.
Introducción
Todas las bacterias a través de su metabolismo obtienen energía usando
sustratos orgánicos e inorgánicos, con el transporte de electrones en sus membranas celulares, que
luego estos podrían transportarse por medio de conductores externos generando
energía eléctrica en su trayecto. Este tipo de bioelectricidad es un tipo de
bioenergía que se genera por acción microbiana cuando éstos actúan sobre materiales
orgánicos en celdas llamadas celdas de combustible microbiana (CCM).
Una CCM
convierte un sustrato biodegradable directamente a electricidad. Esta
transferencia puede ocurrir de varias formas, bien sea a través de la membrana
celular o a partir de un mediador soluble, mientras que los electrones fluyen a
través de un circuito externo. (Rabaey et al., 2003).
Las membranas para aplicarlas en las celdas de combustible tienen que
cumplir con ciertas características, como los son: la Capacidad de intercambio
de protones elevada, la alta conductividad protónica, estabilidad química,
térmica y resistencia mecánica. Además, deben presentar baja permeabilidad al
combustible empleado, para evitar reacciones secundarias en el cátodo
(Domínguez et al. 2013, p.528).
Las
CCM pueden ser monitoreadas a través de parámetros electroquímicos tales como
densidad de potencia, corriente eléctrica generada y voltaje. (Rabaey et al.,
2003).
Objetivos generales
● Comprender
el sistema y la utilidad de la producción de energía a partir de las celdas de
combustible microbiana (CCM) Realizando una investigación meticulosa de sus
componentes y respectivamente la fabricación de un prototipo casero no
funcional.
Objetivos específicos
● Comprender
el desarrollo de un CCM y el potencial energético que producen
per se.
● Evidenciar
y conocer la relativa simplicidad del proceso de la construcción de
un prototipo casero.
● Conocer
los beneficios y las ventajas que se obtienen con la implementación de
las CCM en la actualidad.
Metodología
Materiales
● Papel
aluminio
● Alambre
de Cobre
● Alicates
● Tubo
plástico de 10 cm aproximadamente
Procedimiento
A continuación, se presenta la construcción casera de un prototipo no funcional
de celda de combustión microbiana (CCM). La cual cuenta con materiales e
insumos caseros, o con mucha facilidad de conseguir. El proceso de la creación
empieza con un corte circular en la mitad de las dos, creando un hoyo o
abertura en su costado para que así puedan ser conectadas, en estos agujeros
introducimos el tubo de PVC el cual en su interior tendrá el puente salino,
este de poca longitud y de poco diámetro para que sea posible que se encaje en
nuestras dos botellas, este tubo desempeña el cargo de puente entre las
soluciones que se van a agregar a la CCM, donde va la membrana que realiza el
intercambio de protones. Luego tenemos nuestro ánodo (botella izquierda) y
cátodo (botella derecha) que son los que cumplen con la función de transporte
de energía entre la celda.
A este prototipo de CCM simulada se le agrega aguas residuales en su
zona izquierda; en la parte del ánodo y en la parte derecha donde tenemos
nuestro cátodo se agrega agua con NaCL (SAL). El cátodo y ánodo se obtiene, al
perforar las tapas de la botella con el alambre de cobre y sus extremos son
recubiertos con aluminio. Cabe resaltar que estos deberán tener contacto con el ambiente,
como se puede ver en la figura 1 y en la figura 2.
Figura 1. Botellas con los respectivos cortes y la construcción del ánodo y el cátodo.
Figura 2. Ensamblaje del ánodo y cátodo a sus respectivas cámaras.
Resultados y discusión
Generalmente, una
CCM está conformada por una cámara anódica y una cámara catódica, separadas por
una película o membrana sintética que contiene grupos funcionales ionizables,
es decir, una membrana de intercambio protónico. Los microorganismos en el
ánodo oxidan la materia orgánica generando protones (e+) y electrones (e−).
El esquema del funcionamiento general de una CCM se ilustra en la Figura
3. En una CCM, los microorganismos transfieren los electrones hacia un ánodo,
luego los electrones pasan a través de una resistencia u otra carga hacia un
cátodo, por lo que los electrones generados en la reacción serán aprovechados
para ser convertidos directamente en energía eléctrica. Finalmente, los
protones migran hacia el cátodo en aerobiosis donde se combinan con el oxígeno
y se forma agua.
Figura 3. Prototipo
finalizado de la CCM con el respectivo sustrato en el ánodo y agua con sal en el
cátodo.
La conservación de energía de los
microorganismos que utilizan sustancias químicas (orgánicas e inorgánicas) como
donadores de electrones en el metabolismo energético, se puede obtener por
medio de dos métodos cuyo resultado final será la síntesis de ATP; en primer
lugar, está la fermentación en la cual el proceso de óxido-reducción ocurre en
ausencia de aceptores finales de electrones. La producción de ATP en el método
de fermentación se puede dar por fosforilación a nivel sustrato, en donde la
generación de ATP se da por el catabolismo de la sustancia orgánica y por
fosforilación oxidativa que produce ATP. El segundo método para conservar
energía es la respiración que a diferencia de la fermentación si requiere de un
aceptor final de electrones, la respiración puede ser aerobia en la cual el
aceptor final de electrones es el oxígeno molecular (O2) o la respiración
anaerobia donde el aceptor final generalmente son sustancias inorgánicas como
por ejemplo nitritos, sulfatos y carbonatos.
Una reacción típica con glucosa como sustrato
es:
Ánodo: C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Cátodo: 6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Conclusiones
Es un método
económico y práctico para la generación de energía, a pesar de que realizamos
un prototipo no funcional, se tuvo en cuenta lo que funcionaba dentro de la
celda de combustión microbiana, se utilizaron herramientas que
encontramos en casa.
Las celdas
de combustión microbiana tienen ventajas sobre otras tecnologías usadas para la
generación de energía a partir de materia orgánica. en ello se tiene en cuenta
la conversión directa de sustrato a electricidad, las cuales funcionan
eficientemente a temperatura ambiente, incluidas bajas temperaturas. también
puede ser aireado pasivamente, y, puede ser una opción más de
energía renovable para los requerimientos de energía a nivel mundial. A partir
de la biomasa orgánica presente en residuos sólidos y líquidos se puede obtener
una variedad de biocombustibles y subproductos, siendo la glucosa la principal
fuente de carbono.
Este método de generar
energía está cambiando la forma de ver la relación tan estrecha que tienen los
microorganismos con nuestros ecosistemas, lo cual nos permite sacar provecho y
obtener buenos resultados sin generar tanta contaminación como la que
actualmente amenaza con la vida del ser humano en la tierra.
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Anexos
Preguntas orientadoras PIS
Semestre
¿Se podrá obtener energía a
partir de aguas residuales y microorganismos en CCB?
Sí, las aguas
residuales cumplen con el rol de ser el sustrato para los microorganismos a
través de distintas rutas metabólica, tanto las aguas residuales como los microorganismos
trabajan en sinergia, para en última instancia obtener un flujo de corriente
eléctrica.
¿Cómo se aplican las leyes
de la termodinámica en los CCB?
La primera
Ley de la termodinámica tiene una implicación muy importante, donde se enuncia
“la conservación de la energía en el contexto
de la termodinámica” y la podemos denotar específicamente en la
conservación de energía a través de distintos marcos de referencia en la CCM,
interactuando con el sustrato, después con los microorganismos y por ultimo
teniendo un voltaje cuantificable.
¿Qué reacciones químicas se
presentan en los CCB?
Las reacciones más
específicas dependen en gran medida de la composición del sustrato y el
microorganismo presente en la CCM.
No obstante, se
puede resaltar en particular las reacciones estequiométricas principales del
metabolismo fermentativo microbiológico (Alzate, Fuentes, Álvarez, &
Sebastian, 2008)
C6H12O6 → 2C2H5OH+2CO2 (bioetanol)
C6H12O6 → 3CH4+3CO2 (biogás)
C6H12O6+6H2O → 12H2+6CO2 (hidrógeno gaseoso)
C6H12O6+6O2 → 6H2O+6CO2 (CCM)
¿Cuál es el mecanismo
mediante el cual los microorganismos utilizan el electrodo como aceptor final
de electrones?
Los microorganismos capaces de aceptar electrones directamente a partir
de electrodos se han denominado coloquialmente electrodo-oxidantes (Rittmann,
2006) o más formalmente electrótrofos (Lovley, 2011); en este caso, los
electrones que reciben del cátodo son transferidos selectivamente a aceptores
finales con altos potenciales redox (E0) que captan del medio
(Mook et al., 2013), tales como protones, CO2, nitrato, fumarato, Cr
(VI), U (VI), solventes clorinados, entre otros (Lovley, 2011). El mecanismo
mencionado anteriormente permite visualizar un amplio rango de aplicaciones
principalmente en biorremediación, debido a que muchos de los aceptores finales
en su estado reducido pueden ser más amigables para el ambiente, por ejemplo,
la reducción del nitrato contribuye a la remoción de compuestos nitrogenados o
la reducción del Cr (IV) proveniente de aguas residuales de la industria del
cuero hasta su forma menos tóxica Cr (III) (Huang et al, 2011). Además, en el
sistema de biocátodo se pueden producir biocombustibles (H2,
butanol, CO2reducido, entre otros) u otros compuestos químicos de
interés (Lovley, 2011).
¿Cómo interviene la
termodinámica en la elaboración de una celda de combustible
microbiana?
El desempeño eléctrico de una CCM se estudia a partir de las
mediciones de voltaje que se realizan en la resistencia externa conectada entre
el ánodo y el cátodo y los respectivos cálculos que se derivan de ellas. Los
parámetros que se analizan para evaluar el comportamiento eléctrico de este
tipo de dispositivos son: la densidad de potencia (DP), la eficiencia
coulómbica (EC) (Rismani-Yazdy et al., 2011) y la resistencia interna (RI)
(Borole, et al., 2009). Se tiene una estrategia
basada en la termodinámica de los procesos irreversibles, en la cual partiendo
de la primera y segunda ley de la termodinámica se busca establecer los flujos
y fuerzas que existen teóricamente bajo este esquema, dando
explicación al observable elegido, es decir, cuales leyes fenomenológicas
predominan en el electrodo donde se aglutinan los microorganismos.
La evolución de cualquier sistema hacia el equilibrio debe satisfacer
la segunda ley de la termodinámica, esto implica que la entropía del sistema no
se conserva y que su ecuación de balance y su velocidad de variación contiene
un término positivo describe la producción de entropía debido a los procesos de
transporte (irreversibles), es claro en este punto que una condición necesaria
para la vida es que existan flujos de entrada (alimento) y salida (desechos),
en una bacteria por ejemplo estos procesos se enmarcan en el metabolismo, en el
cual se produce energía en forma de ATP (catabolismo) y se gasta parte de esta
en la producción de sustancias necesarias para el sustento de las capacidades
biológicas, en el caso señalado la duplicación del material genético y síntesis
de proteínas principalmente, de allí que sea evidente la irreversibilidad del
fenómeno.
Proyecto
Integrado Semestral “Celda de Combustible Microbiana”
Oscar Andrés Montañez Martínez
Xiomara Quintero Alejandra Quintero
Leidy Katherine Cubillos Urrego
Ing. Ambiental
Proyecto final 402T
Universidad De Cundinamarca
Girardot 2020
Resumen
La elaboración de las celdas de combustible microbiano nos
dan la oportunidad de darle un valor agregado a los compuestos orgánicos
producidos en casa, haciendo que por medio de estos se genere electricidad con
ayuda de algunos microorganismos.
Para la elaboración de nuestra celda de combustible
microbiano nos enfatizamos en ser muy recursivos a la hora de conseguir los
materiales ya que procuramos utilizar las cosas que tuviéramos a la mano en
nuestro hogar, como por ejemplo botellas plásticas, desechos orgánicos como
residuos de frutas, entre otro que serán descritos a continuación, todo esto
con el fin de hacer más llamativo y menos costoso su elaboración.
Al llevar a cabo la elaboración de la celda utilizamos como
sustrato residuos de fruta, ya que se tuvo muy en cuenta que el sustrato es
determinante junto con los microorganismos en la intervención del proceso de
aprovechamiento de distintas rutas metabólicas capaces de transportar iones y
así lograr generar energía, convirtiendo este tipo de proyectos en una
alternativa de fuente de energía sustentable y viable.
Objetivo General
Desarrollar un prototipo de celda de combustible
biológico con materiales a bajo costo
Objetivos
específicos
Aplicar los diferentes principios biológicos, químicos,
termodinámicos, energéticos y
ecosistémicos que operan en las celdas de combustible biológicas
Construir prototipos de celdas de combustible
biológico con diferentes materiales a bajo costo
Comparar y evaluar las eficiencias de cada prototipo
INTRODUCCIÓN
Las celdas de combustible microbiano al pasar de los años se
han convertido en una opción prometedora para la generación de energía
renovable que se pueda emplear como electricidad, (Logan & Regan, 2006).
Las pilas microbianas convierten un sustrato biodegradable
directamente a electricidad, esto se consigue cuando las bacterias transfieren
electrones desde un donador, tal como la glucosa, a un aceptor de electrones
(Madigan, 2009).
La estructura básica de una celda de combustible microbiano
consta principalmente de dos cámaras, una catódica y una anódica, separadas por
una membrana de intercambio de protones (MIP) y con un electrolito, que es el
medio de transporte iónico. En la cámara anódica (electrodo positivo), los
microorganismos oxidan los compuestos orgánicos generando electrones y
protones, los últimos atraviesan la MIP y se difunden hacia el cátodo a través
del electrolito. (Fig. 1). Una vez en la
cámara catódica, ocurre la reducción del oxígeno por su combinación con los
electrones y protones producidos en el ánodo. Además, los protones se unen con
el oxígeno, para formar agua (Logan y col., 2006).
Imagen materiales
Bibliografía
METODOLOGÍA
Para la elaboración de la celda de combustible
microbiano necesitaremos los siguientes materiales: dos recipientes en este caso
dos botellas de plástico las cuales harán de ánodo y cátodo, dos trozos de
alambre de cobre, sustrato (materia organica fermentada) donde se encontrarán
los microorganismos protagonistas de este proceso, papel de filtro, sal y agua.
Imagen materiales
Para elaborar la celda tendremos en cuenta los
siguientes pasos:
Primero dejamos por varios días agua con desechos
orgánicos puede ser cáscaras de frutas en un recipiente sellado muy bien con
vinipel, aseguarandos que no halla una fuga o entrada de oxígeno.
Segundo paso llenamos la otra botella con agua y sin
taparla para que en el momento de realizar nuestra celda el flujo de oxigeno se
realize en el catado, mientras que nuestra celda anodica permanezca anaerobia
donde permanecen los microorganismos.
Tercer paso tomo el papel filtro y lo impregno en la
mezcla saturada de agua y sal en este caso se conoce como puente salino que me
sirve como membrana de intercambio de protones.
por último
introducimos el alambre de cobre en cada
celda unidos por uno más fino haciendo de resistencia entre las celdas y se
pueda transferir los electrones del ánodo al cátodo con el objetivo de generar
energía y ya finalmente podremos medir la energía que genera nuestra celda con
el voltimetro.
ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Después de tener nuestro prototipo no funcional de
celda de combustible microbiano, procedemos a medir la energía liberada con
ayuda del voltimetro como parte de nuestra simulación, se hacen dos mediciones
en la primera da 00,5 voltios y en la segunda 00,2 voltios, es normal que nos
arroje un valor relativamente pequeño tratándose de un prototipo no funcional,
pero podemos justificar que el bajo rendimiento de energía se puede deber a que
quizás no se contó con suficiente sustrato en la celda que a su vez limitó el
debido desarrollo de microorganismos en la misma generando así bajos niveles de
energía.
Medición de energía del prototipo:
CONCLUSIONES
La elaboración de celdas de combustible microbiano
empleada como herramienta biotecnológica permite mitigar a gran escala la
contaminación ambiental causada por el uso de combustibles fósiles
sustituyendolos por una energía Renovable eficiente y de muy bajo costo.
Las celdas de combustión microbiana son una tecnología
reciente para propósitos de generación alternativa de energía, remoción de
materia orgánica y biorremediación; sin embargo, para aplicaciones prácticas es
necesario mejorar la eficiencia en los procesos bio electroquímicos y en el
desempeño eléctrico, por lo que se requiere investigar más aspectos como el
diseño y las comunidades microbianas
La celda combustible microbiana realizada podria
denominarse no funcional ya que su voltaje era minimo probablemente porque no
se contaba con suficiente sustrato en las celdas para la produccion de energia,
sin embargo se pudo generar 00,5 voltios.
Bibliografía
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Anexos
Preguntas orientadoras PIS Semestre
¿Se podrá obtener energía a partir de aguas
residuales y microorganismos en CCB?
Sí,
las aguas residuales contienen una gran cantidad de energía química almacenada
en la materia orgánica contaminante y puede ser aprovechada por los
microorganismos para obtener energía cumplen para en última instancia obtener
un flujo de corriente eléctrica.
¿Cómo se aplican las leyes de la termodinámica en
los CCB?
La
primera Ley de la termodinámica tiene una implicación muy importante, donde se
enuncia “la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica”
y la podemos denotar específicamente en la conservación de energía a través de
distintos marcos de referencia en la CCM, interactuando con el sustrato,
después con los microorganismos y por ultimo teniendo un voltaje cuantificable.
¿Qué reacciones químicas se presentan en los CCB?
C6H12O6 → 2C2H5OH+2CO2 (bioetanol)
C6H12O6 → 3CH4+3CO2 (biogás)
C6H12O6+6H2O → 12H2+6CO2 (hidrógeno gaseoso)
C6H12O6+6O2 → 6H2O+6CO2 (CCM)
¿Cuál es el mecanismo mediante el cual los
microorganismos utilizan el electrodo como aceptor final de electrones?
Los
microorganismos capaces de aceptar electrones directamente a partir de
electrodos se han denominado coloquialmente electrodo-oxidantes (Rittmann,
2006) o más formalmente electrótrofos (Lovley, 2011); en este caso, los
electrones que reciben del cátodo son transferidos selectivamente a aceptores
finales con altos potenciales redox (E0) que captan del medio
(Mook et al., 2013), tales como protones, CO2, nitrato, fumarato, Cr
(VI), U (VI), solventes clorinados, entre otros (Lovley, 2011). El mecanismo
mencionado anteriormente permite visualizar un amplio rango de aplicaciones
principalmente en biorremediación, debido a que muchos de los aceptores finales
en su estado reducido pueden ser más amigables para el ambiente, por ejemplo,
la reducción del nitrato contribuye a la remoción de compuestos nitrogenados o
la reducción del Cr (IV) proveniente de aguas residuales de la industria del
cuero hasta su forma menos tóxica Cr (III) (Huang et al, 2011). Además, en el
sistema de biocátodo se pueden producir biocombustibles (H2,
butanol, CO2reducido, entre otros) u otros compuestos químicos de
interés (Lovley, 2011).
Link video de la construcción:
DESARROLLO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE BIOLÓGICO UTILIZANDO MATERIAL A BAJO COSTO
García, N. Larios J. S. Micán M. L. Nieto, A. Reyes, C.
RESUMEN
En los últimos años el estudio, investigación y diseño de las celdas de combustible microbianas (CCM) ha despertado el interés como sistemas bio-electroquímico debido a la necesidad mundial de producir energías renovables principalmente a causa del cambio climático, además por su capacidad para degradar materia orgánica y bio-remediar sustratos antes de su descarga al medio ambiente. En virtud de las factibles condiciones de operación que dan la posibilidad de usar materiales y sustratos económicos, para generar un ambiente para determinados microorganismo, en especial la especie Pseudomonas aeruginosa esto según la literatura científica consultada. Se tiene como objetivo diseñar una CCM que pueda ser fabricada en casa con materiales de bajo costo, para obtener una corriente eléctrica correspondiente a los posibles microorganismos presentes y su metabolismo, por lo que se requiere compresión de la ecología microbiana.
INTRODUCCIÓN
Debido al avance científico en busca de tecnologías amigables con el medioambiente se han desarrollado recientemente las células de combustible microbiano (CCM). Esto con el fin de solventar dos grandes problemas: la generación de energía limpia y la depuración de aguas residuales domesticas e industriales (aquellas que contengan materia orgánica biodegradable). Lo anterior debido a que los actuales procesos para generar electricidad emplean combustibles fósiles, los cuales son responsables de las emisiones de CO2. Puesto que la demanda de energía ha venido en aumento en los últimos años, debido a la influencia directa de la expansión demográfica, económica, el desarrollo tecnológico, y hábitos de consumo a nivel mundial (Jibaja 2018). Es necesario explorar nuevas alternativas (en materia energética y de tratamiento de aguas residuales) a las actuales para evitar una crisis energética y ambiental, en miras de alcanzar la sostenibilidad.
La CCM es un dispositivo, construido típicamente de vidro o acrílico que consta de 2 cámaras separadas por una membrana o un puente salino que impide el paso de electrones entre las cámaras, permitiendo el paso de protones solamente. Utiliza microorganismos, los cuales mediante reacciones químicas de su metabolismo transforman la energía química presente en el sustrato a energía eléctrica. Esto lo realizan bajo ciertas condiciones algunos microorganismos en la oxidación del sustrato, transfiriendo electrones (producidos en su actividad metabólica) a un electrodo (ánodo), y produciendo además protones y CO2, en la cámara anaerobia donde se forma una biopelícula que recubre el ánodo, a diferencia de un aceptor final de electrones (ej. el oxígeno); y un electrodo negativo (cátodo) en la cámara aeróbica, los dos se encuentran separados y sumergidos en un medio, aunque solo conectado a través una membrana o puente de protones; contribuyendo a la degradación de materia orgánica (sustrato o combustible) (Revelo, 2013) .
En el ánodo, el sustrato sufre una oxidación bio-degradativa, liberando CO2, protones y electrones, generando la siguiente reacción redox:
Cátodo: 
𝑂2 (𝑔)+ 4𝐻+ + 4𝑒 → 2𝐻2O
𝑂2 (𝑔)+ 4𝐻+ + 4𝑒 → 2𝐻2O
Total: 𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2O +energía eléctrica + calor
𝑂2 → 𝐻2O +energía eléctrica + calor
Figura 1. Reacciones básicas en una CCM.
La membrana sirve como puente para los protones que se transportan hacia el cátodo, mientras que los electrones recorren un circuito externo hasta que llegan al cátodo generando la corriente eléctrica (ver imagen 1). Con el objetivo de acelerar la producción de protones y electrones, se adicionan sustancias catalizadoras, normalmente metales nobles, tanto en el ánodo como en el cátodo, en esta revisión bibliográfica se contempla la producción de una enzima de la Pseudomonas aeruginosa como biocatalizador
El anterior proceso es catalizado por los microorganismos en la CCM, por lo cual el proceso es económicamente rentable (Mejía, J. 2009), pues, no se usan metales nobles como catalizadores, con la adición de que el proceso ocurre a temperatura ambiente y pH neutro. A estos microorganismos que no necesitan de mediadores para liberar electrones se les denomina anodofílicos. Gracias a esto se obtiene la ventaja de que realizan la completa oxidación de la materia orgánica (MO) a CO2, reflejándose esto en alta eficiencia coulómbica en el proceso (De León, S.L. 2016).
Imagen 1. Componentes de una CCM. Tomada de (Revelo, 2013) .
Los electrodos comúnmente usados son de materiales como el zinc, platino que pueden ser costosos por la necesidad de catalizadores químicos y de grafito que es de bajo costo, puesto que se pude obtener de pilas en desuso contribuyendo a la reducción de la contaminación ambiental.
El material del cual está hecho el separador (la membrana) es importante, puesto que impide el paso de electrones entre las dos cámaras. Algunas membranas tienen la limitación de transferencia de protones y fuga de oxígeno, lo que aumenta la resistencia interna y limita a su vez la eficiencia de las CCM (Li, 2011). Pueden ser de varios tipos: membrana de intercambio de cationes (MIC), membrana de intercambio de aniones, membrana bipolar, membrana de microfiltración, membrana de ultrafiltración, puente salino, fibra de vidrio, membranas porosas y otros materiales para filtrado (Revelo, 2013) . La más usada por su alta permeabilidad a los protones es la MIC, hecha de Nafion un material con alta permeabilidad selectiva de protones, pero costoso (Behera 2009).
Recientemente se han implementado 3 diseños de CCM, con diferentes eficiencias. Las de tipo A, en las que se emplean mediadores redox agregados en la solución, que penetran las células bacterianas en la cámara anaeróbica, permitiendo que los electrones producidos durante los procesos metabólicos sean transportados al ánodo. Estas tienen densidades de corriente muy buenas, pero necesitan de mediadores mencionados (son sintéticos) que no son recuperables. Las de tipo B usan como biocatalizadores a bacterias reductoras de metales (ej. De los géneros Geobacteraceae y Shewanellaceae) que exhiben parcialmente citocromos especiales capaces de trasportar electrones directamente al electrodo, en lugar de Fe (III) o Mg (III/IV). Poseen la ventaja de operar en ambientes naturales (ej. Sedimentos); con todo esto, las tasas de crecimiento bacteriano y, por ende, la densidad de corriente generadas es baja. Y las de tipo C, oxidan productos de la fermentación como el etanol y el hidrógeno, en electrodos electrocatalíticos (modificados químicamente para oxidar eficientemente estos metabolitos). Aunque producen densidad de corriente más altas y funcionamiento con microorganismos simples y de fácil disponibilidad (E. Coli), los electrodos mencionados anteriormente necesitan modificaciones de superficie costosas que dificultan la implementación práctica (Rojas Flores 2018).
Entre la CCM de bajo costo se encuentra una variante de la CCM comúnmente diseñadas; la CCM de una sola cámara. Esta se obtiene eliminando la cámara catódica, dejando en cátodo expuesto al aire directamente. La ventaja de este nuevo diseño es que hace un sistema más sencillo y de bajo costo. Además, puede prescindir o no de una MIP (Revelo, 2013) . Otros estudios han investigado el uso de membranas de bajo costo que sustituyan el Nafion; este es el polipropileno de tela no tejida (PP80) que exhibió un voltaje máximo de 0.477 V (con 1000 Ω), que era similar al de Nafion (0.481 V), y resultó en la densidad de potencia más alta de 121 mW / m2 (Nafion; 118 mW / m2) (Kondaveeti, 2014).
Imagen 2. Partes principales de una CCM de un solo compartimiento. Tomada de: De León 2016.
Los rendimientos de las CCM están relacionados a el potencial del cátodo. Los biocátodos o cátodos microbianos anaeróbicos que usan diferentes compuestos como aceptores finales de electrones, por ejemplo: nitrato, sulfato, CO2, selenato, Mn(IV), Fe(III), arsenato, fumarato, H+ entre otros son reconocidos por su bajo costo, capacidad auto regenerativa, sostenibilidad y por su contribución al potencial de cátodo (Huang 2011). Investigaciones como Behera 2009 han mostrado que usando membranas de barro de bajo costo son eficaces como MIP en donde el potencial de trabajo del ánodo aumentó de 0.531 a 0.465 V, como otras CCM, pero con la limitación del bajo potencial del cátodo.
El objetivo del presente proyecto es estudiar el diseño de un prototipo funcional de una CCM para la generación de electricidad y depuración de aguas residuales usando materiales de bajo costo, basándose para su construcción en recolección de información bibliográfica acerca de estudios recientes de CCM, usando un consorcio microbiano proveniente de lodos anaerobios como biocatalizador.
METODOLOGÍA
Para obtener barro para su pila de combustible microbiana se puede recoger un poco de suelo superficial del bosque o ir al estanque más cercano y cavar un poco de barro del fondo del lago, en nuestro caso tomamos el lodo de la rivera de un caño contaminado con aguas residuales.
Una vez recogido el lodo todo está listo para instalar la pila de combustible microbiana. Para ello necesitamos un recipiente de vidrio con su respectiva tapa, pilas recicladas, cable de cobre, cinta aislante.
para nuestro prototipo procedimos a pelar totalmente nuestra pila y exponer el carbón que esta tiene dentro ; se unió el ánodo de la pila (carbón) con el cable rojo, y envolvimos la pila con cinta aislante, en la tapa del recipiente hicimos un agujero justo a la medida de la pila para introducirla por allí dejando el cátodo expuesto al aire de esta manera la oxidación de este sea mucho más rápida, llenamos nuestro envase con el lodo obtenido y sellamos muy bien para de esta forma crear un ambiente anaerobio donde nuestras bacterias se puedan desarrollar y esperamos aproximadamente 6 días para medir los resultados .
RESULTADOS
Se determinará el rendimiento de la CCM con lodo como inóculo y sustrato de aguas residuales. Los resultados se expresarán en términos de desempeño eléctrico a partir de mediciones de voltaje que se realizarán en la resistencia eléctrica externa conectada entre en ánodo y el cátodo expuesto al aire.
Los parámetros electroquímicos que se medirán para evaluar el rendimiento eléctrico serán los siguientes: la densidad de potencia (DP); calculada como la potencia por unidad de área del electrodo anódico o la potencia por unidad de volumen del sustrato, la eficiencia coulómbica (EC); la cantidad de materia orgánica que se recupera como electricidad, y la resistencia interna (RI). En parámetros biológicos se medirá la concentración del sustrato expresada en kg•m-3•d-1
De acuerdo al diseño empleado (de un solo compartimento) y la carga de materia orgánica se espera que la densidad de potencia sea alta.
De acuerdo al diseño empleado (de un solo compartimento) y la carga de materia orgánica se espera que la densidad de potencia sea alta.
Se medirán los parámetros anteriormente mencionados con la ayuda de un voltímetro para medir el voltaje (mV) y, se expresarán tablas de voltaje versus tiempo, tabla de voltaje promedio (Vp), corriente promedio (Ip) y potencia promedio de la CCM.
Se espera que desde del día 0 la celda se aclimate, y el consorcio bacteriano empiece la degradación, pero ligeramente probablemente hasta el día 6, la concentración de DQO; conforme los microorganismos metabolizan el sustrato. (De León, 2016). Se empezarán a medir cada 3 días DQO, generación de energía, temperatura y pH esto con el fin de tener una mayor exactitud y precisión, para así ver en qué momento los microorganismos tuvieron el medio ideal y produjeron gran cantidad de energía, esto con el fin de en un futuro en la aplicación de estas celdas se cuente con una temperatura y pH específico.
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