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5/11/2018 Informe Celdas Electroquimicas as - slidepdf.com

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CELDAS ELECTROQUÍMICASMICROBIANAS

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Ingeniería Química – Introducción a los BioprocesosCeldas Electroquímicas Microbianas

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 12. DESARROLLO 2

2.1. CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA 22.2. FUNCIONAMIENTO 32.3. METODOLOGÍA 5

2.3.1. Microorganismos y sustrato 52.3.2. Celda de combustible microbiana 5

2.4. ANÁLISIS 62.4.1. Aclimatación de la celda 62.4.2. Efecto de la concentración del sustrato 62.4.3. Generación de electricidad 72.4.4. Influencia del pH 72.4.5. Efecto de la temperatura en el rendimiento de la MFC 8

2.5. USOS Y APLICACIONES 8

2.6. CELDA DE ELECTRÓLISIS MICROBIANA 92.6.1. Microorganismos 102.6.2. Materiales 112.6.3. Materias primas 112.6.4. Efecto de la resistencia interna en una MEC 112.6.5. Efecto de la temperatura en una MEC 12

2.7. USOS Y APLICACIONES 123. CONCLUSIÓN 134. BIBLIOGRAFÍA 14

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1. INTRODUCCIÓN

El descubrimiento de bacterias capaces de convertir energía

química en eléctrica representa la aparición de una nueva forma deenergía verde, cuya explotación supone un importante retobiotecnológico en los próximos años. Esto permite reducir el impactoambiental del uso desmedido de los combustibles fósiles prontos aagotarse. Además, el uso de estas bacterias permite purificar suelos yaguas.

Esta metodología es una innovación de la microbiología ambiental,que siempre se dirigió a optimizar la producción de hidrógeno,aprovechar el metano generado en los tratamientos de aguas residuales,o generar biocombustibles como el etanol o el biodiesel.

La conversión de energía química en eléctrica es posible en ciertosdispositivos electroquímicos denominados celdas o pilas de combustible(Microbial Fuel Cells, MFC).En las MFC se utilizan microorganismos para oxidar combustible, materiaorgánica, y transferir los electrones a un electrodo (ánodo), que estáconectado a un cátodo a través de un material conductor.

Las celdas microbianas pueden ser utilizadas para producir tantoelectricidad como hidrógeno. La promesa de hidrógeno como fuente deenergía ha llevado a las principales marcas automotrices como BMW,Daimler Chrysler, Ford y Toyota a desarrollar autos de prueba quefuncionen a partir de este combustible, generando como único desechovapor de agua.

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2. DESARROLLO

2.1. CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

En una MFC, las bacterias oxidan la materia orgánica liberandodióxido de carbono y protones dentro de la disolución y electrones en elánodo. Los electrones fluyen desde el ánodo a través de un circuitoeléctrico al cátodo donde se utilizan para la reducción del oxígeno.Cuando el oxígeno está presente en el cátodo, se produce una corriente,pero si no hay oxígeno, la generación de corriente no es espontánea. Sinembargo, esta corriente puede generarse si se aplica un pequeño voltaje(mayor a 0.2 V) entre el ánodo y el cátodo, produciéndose hidrógeno enel cátodo a partir de la reducción de los protones. El sistema basado eneste proceso se denomina celda de electrólisis microbiana (Microbial

Electrolysis Cells, MEC)

El primer ejemplo de actividad eléctrica con microorganismos fuemostrada por Potter en 1910; en sus experimentos recurrió a cultivos deE. Coli y electrodos de platino para generar corrientes eléctricas que porsu pequeña magnitud pasaron desapercibidas para la comunidadcientífica. Sin embargo, esta experiencia constituye el primerantecedente de este nuevo concepto: emplear microorganismos comocatalizadores de celdas de combustible microbianas. Este tipo deprocesos no despertó el interés hasta los años 70 y 80, con la utilización

de mediadores redox solubles que aumentaban la producción decorriente eléctrica y la potencia de estos sistemas. Los mediadores redoxson compuestos solubles que actúan transportando los electrones desdela bacteria hasta el electrodo, reoxidándose y quedando disponiblesnuevamente para ser reducidos por los microorganismos. Normalmenteson de naturaleza metalorgánica o colorantes. Estos compuestospresentan cierta toxicidad por lo que su aplicación en MFC se ve limitadapor cuestiones ambientales.

La gran revolución en el campo de las MFC se produjo con eldescubrimiento de microorganismos electrogénicos que son capaces de

transferir los electrones al ánodo en ausencia de mediadores redoxartificiales. De esta manera se eliminan los problemas de toxicidad en losdispositivos electroquímicos y los medios utilizados quedan restringidosal combustible orgánico que se desee utilizar y al microorganismo queactúe como catalizador biológico. Podemos distinguir dos tipos debacterias electrogénicas, aquellas que producen sus propios mediadoresredox, que son secretados al medio y reaccionan con el electrodo, yaquellas que interaccionan de forma directa con el electrodo sinmediador soluble alguno. El principal grupo de bacterias reductoras deFe(III) pertenecen a un grupo de bacterias reductoras del géneroShewanella. Este grupo de bacterias secreta riboflavinas que actúancomo mediadores redox entre la bacteria y el electrodo. En el segundo

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grupo, el de la transferencia directa por contacto bacteria-electrodo seencuentran las bacterias del género Geobacter .Otras bacterias con probada actividad electrogénica son Rhodoferax ferrireducens, Aeromonas hidrophila, Clostridium butyricum yEnterococcus gallinarum, aunque no existe información sobre la formaen que transfieren los electrones al electrodo.

El grupo Geobacter habita de forma natural en el subsuelo ydurante millones de años han utilizados los óxidos de hierro insolublescomo aceptores de electrones para la oxidación de la materia orgánica.La bacteria tiene varios aspectos sobresalientes, como su capacidad paraproducir magnetita en los ambientes sedimentarios terrestres,respiración de uranio, biodegradación anaerobia de compuestosaromáticos derivados del petróleo, entre otros. La transferencia deelectrones fuera de la célula está relacionado con la presencia decitocromos C (transportadores de electrones). Estos transportadores que

se distribuyen entre la membrana interna, periplasma y membranaexterna, permiten transferir electrones desde el citoplasma hasta elexterior de la célula para respirar sustratos extracelulares como el Fe(III)(aceptor final de electrones). Las Geobacter tienen alrededor de ciendistintos citocromos, cuando en general otros grupos poseen sólo cinco oseis.Estructuras muy finas, denominadas pilis, funcionan como nanocablesque están conectados directamente a la membrana celular y por mediode ellos se puede lograr transferir los electrones hacia el ánodo (Figura1). Estos filamentos están formados de una proteína llamada pilina yalcanzan hasta cinco micrómetros de largo.

Figura 1. La bacteria puede transferir electrones directamente al electrodo

La red de citocromos C puede albergar hasta veinte millones deelectrones por célula, lo que permite mantener el gradiente protón-motriz y por tanto la capacidad para producir ATP o hacer rotar el flagelo.La presencia del flagelo es imprescindible para la respiración de óxidosFe(III), para desplazarse de una partícula sólida a otra, una vez agotadoel óxido respirable.

2.2. FUNCIONAMIENTO

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Una MFC convierte un sustrato biodegradable directamente aelectricidad. Esto se consigue cuando las bacterias, a través de sumetabolismo, transfieren electrones desde un donador, tal como laglucosa, a un aceptor de electrones. En una MFC (Figura 2) las bacteriasno transfieren directamente los electrones producidos a su aceptorterminal, sino que éstos son desviados hacia el ánodo. Los electronesfluyen a través de un circuito externo. En estas celdas es fundamental un

proceso anaerobio donde la bacteria crece en ausencia de oxígeno,formando un biofilm sobre el ánodo.

Figura 2. Diagrama de una MFC

Se pueden obtener dos tipos de celdas microbianas. Unas llamadasceldas de sedimento (Figura 3.b) que emplean el lodo donde habitan losmicroorganismos; allí se produce energía simplemente conectando unelectrodo en la parte donde, a cierta profundidad, no hay oxígeno, con

otro electrodo que se encuentra en presencia de oxígeno. Puedenfuncionar por un año. Otras celdas, de laboratorio (Figura 3.a), requierencolocar las bacterias en el medio adecuado y suministrarles compuestosorgánicos que se encuentran normalmente en el subsuelo, como elacetato, para que crezcan y se reproduzcan.

Las MFC tienen ventajas sobre otras tecnologías usadas para lageneración de energía a partir de materia orgánica:

• La conversión directa de sustrato a electricidad permite altaseficiencias de conversión;

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• Operan eficientemente a temperatura ambiente, incluidas bajastemperaturas;

• No requieren del tratamiento del biogas generado en la celda;• No requieren de energía extra para airear el cátodo;• Tienen aplicación potencial en lugares alejados con ausencia de

infraestructura eléctrica, convirtiéndose en una opción más deenergía renovable para los requerimientos de energía nivelmundial;

• Reducción del costo al sustituir el catalizador de platino por laGeobacter , en el ánodo;

• El sustrato no necesita estar limpio, puede estar compuesto porsuciedad o compuestos de desecho debido a la naturaleza de lasbacterias;

• La materia orgánica es fácil de almacenar comparado con laobtención de energía mediante otros métodos como los panelesfotovoltaicos.

Figura 3. a) Celda de laboratorio; b) Celda de sedimento.

A partir de la biomasa orgánica presente en residuos sólidos ylíquidos se puede tener una variedad de biocombustibles y subproductos,siendo la glucosa la principal fuente de carbono. La reacción general deuna MFC es la siguiente:

C6H12O6 + 6O2 6H2O + CO2

A continuación se utiliza un ejemplo con el objetivo de analizar lasdiferentes condiciones de operación y sus efectos.

2.3. METODOLOGÍA

2.3.1. Microorganismos y sustrato

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Los biocatalizadores empleados en la generación de energía seobtienen a partir de un inóculo mixto entérico previamente estabilizadoen un reactor anaerobio de manto de lodos anaerobio. La fuente desustrato es agua residual sintética cuya fuente de carbono es glucosa.

2.3.2. Celda de combustible microbiana

El compartimiento del ánodo se burbujea con N2 para desplazar elO2 presente, previo al cierre del ánodo (condición anóxica). El electrodoempleado es papel carbón.

La celda consta de dos compartimientos, uno del ánodo y otro delcátodo, unidos por una membrana intercambiadora de protones. Laestructura molecular de

la membrana posibilita que absorba agua y una vez húmeda, conduce

selectivamente iones de carga positiva, bloqueándolos de carganegativa.

En el compartimiento del cátodo se emplea un catolito conburbujeo de aire para la utilización de oxígeno y como electrodo papelcarbón sin tratar con platino, mientras que en el ánodo se utiliza elinóculo ya descripto. A este último electrodo no se le aplica ningúncatalizador, ya que esa función la llevan a cabo los microorganismoscontenidos en el inóculo.

El arranque de la MFC consiste en colonizar el electrodo con losmicroorganismos presentes en el inóculo, con el propósito de formar unbiofilm, es decir, una comunidad compleja de microorganismos que seadhieren al electrodo y producen un polímero celular como recubrimientoque les ayuda a retener el alimento y a protegerse de agentes tóxicos,para finalmente producir electricidad.

Los experimentos se efectúan a temperaturas mesofílicas. Loscambios que ocurren en la comunidad microbiana en el tiempo sonmonitoreados mediante seguimientos electroquímicos, a partir de

mediciones de densidad de potencia generadas por la MFC.

2.4. ANÁLISIS

2.4.1. Aclimatación de la celda

La MFC presenta una fase de latencia seguida de un rápidoincremento en el voltaje. Posteriormente el voltaje disminuyegradualmente a medida que la materia orgánica se consume. Una vezque el sustrato se consume totalmente cesa el crecimiento y ocurre

muerte celular, viéndose afectada la generación de voltaje.

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2.4.2. Efecto de la concentración del sustrato

La producción de voltaje en la MFC (Figura 4) sigue una cinética desaturación; el voltaje se incrementa a medida que la concentración deglucosa aumenta, manteniéndose constante a partir de unaconcentración determinada.

A su vez, la eficiencia de la celda se ve afectada por el tipo desustrato empleado. Los mejores resultados se obtienen utilizandoglucosa.

Figura 4. Voltaje máximo obtenido a partir de la concentración deglucosa

2.4.3. Generación de electricidad

Se comprueba que con resistencias menores se registra la mayorcorriente esto se debe a que con bajas resistencias, los electrones semueven más fácilmente a través del circuito.

La resistencia interna se reconoce como un parámetrodeterminante en el rendimiento de una celda de combustible microbiana.Esta resistencia es el resultado de las limitaciones óhmicas (resistencia

de los electrolitos), cinéticas (resistencia a la transferencia de carga), yde transporte. Se trata de reducir la resistencia interna mediante la

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optimización de la configuración del reactor, por ejemplo, disminuyendola separación de los electrodos.

Se observa también que las comunidades microbianas generanmayor densidad de potencia que los cultivos puros.

2.4.4. Influencia del pH

Un parámetro importante en el desempeño de la MFC es el pH delcompartimiento anódico. Las más altas densidades de potencia ocurrenen valores de pH entre 5.5 y 6 por lo que este es el rango más adecuadopara la operación de la MFC.

Las condiciones de pH son un factor clave en el crecimiento de losmicroorganismos. La mayoría de las bacterias entéricas no toleranniveles de pH arriba de 7.5 o debajo de 4. Además valores de pH por

debajo de 6.8 inhiben la actividad metanogénica.

Para este proceso se requiere que durante el metabolismo defermentación anaerobio se inhiben algunos microorganismos, como loshomoacetogénicos que requieren H2 para la producción de acetato y losmetanogénicos que utilizan el H2 para la producción de metano. Es poresto que la operación de los sistemas se realiza a bajos niveles de pH.

2.4.5. Efecto de la temperatura en el rendimiento de la MFC

Se comprueba que el máximo rendimiento de la celda se obtienecuando esta opera a temperaturas mesofílicas.

A continuación se muestra una tabla que compara el desempeñode diferentes configuraciones en celdas de combustible microbianas.

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2.5. USOS Y APLICACIONES

• Alimentar sensores enterrados en el océano para detectarterremotos y submarinos;

• Purificar desechos cloacales;• Sensores y detectores de la calidad del agua. Si las bacterias están

en un medio contaminado, la producción de energía eléctrica esmenor;

• Remover contaminantes de altos índices orgánicos operando laMFC a bajas resistencias;

• En plantas de tratamientos de aguas, las comunidades demicroorganismos generan energía a la vez que se limpia el líquido,lo que lo hace atractivo para tratamientos in situ o para lamodificación de las actuales plantas de tratamientoconvencionales;

• Tres celdas microbianas de combustible de lodo pueden producir elequivalente a dos pilas “doble A”, es decir, energía suficiente para

activar una calculadora o un artefacto pequeño;• Las bacterias del fondo marino generan la potencia suficiente para

hacer funcionar los instrumentos que miden parámetros como latemperatura y el pH del mar, monitoreo constante que con otrotipo de dispositivos sería de alto costo.

• Biorremediación de suelos contaminados con metales pesados,que son reducidos, volviéndose menos tóxicos.

• Producir hidrógeno y electricidad para no depender de la energíaproveniente de combustibles fósiles.

2.6. CELDA DE ELECTRÓLISIS MICROBIANA

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Hasta ahora, la producción de H2 gaseoso susceptible de serempleado como energía es una tarea compleja. No hay fuentes naturalesde este gas y hay que extraerlo del agua mediante el proceso deelectrólisis en condiciones especiales de presión y temperatura.

El hallazgo de la producción de H2 por medio de microorganismospuede abrir las puertas para su producción a escala industrial.

Teóricamente se puede utilizar celulosa vegetal producida por plantas dealto rendimiento (o hierbas de crecimiento rápido) para así obtener H2.De hecho, con este sistema se puede utilizar cualquier tipo dedesperdicio orgánico para producir H2.

En el dispositivo (Figura 5) se sitúan las bacterias en una de lascámaras de un recipiente que consta de dos cámaras separadas por unamembrana, y en la que se vierte una disolución acuosa que puede ser de

vinagre, glucosa y celulosa entre otros. Los microorganismos situados enel electrodo positivo de esa cámara rompen las moléculas orgánicasproduciendo protones y electrones. Los protones se difunden hacia elelectrodo negativo de la segunda cámara a través de la membrana,mientras que los electrones viajan por fuera a través de un cable de unelectrodo a otro ayudados por una fuente de voltaje externa. Una vezque se recombinan en la segunda cámara, se desprende el H2 gaseosode la misma.Un factor muy importante es la membrana separadora que es capaz depermitir el flujo de protones.

El rendimiento conseguido en estas electrólisis es muy alto,consiguiéndose un máximo del 91% con la utilización de vinagre. El H2

obtenido finalmente proporciona más energía como combustible que laelectricidad necesaria para hacer funcionar el reactor.

Debe recalcarse que el H2 procede de la sustancia orgánicaempleada y no del agua de la disolución.

Este proceso vuelve prácticamente obsoletos a los métodos paraextraer el H2 del agua utilizando electricidad con las técnicas de laelectrólisis, inclusive el empleo de energía eólica.

Se cree que perfeccionando el entorno para las bacterias, estenuevo método puede ser de tres a diez veces más eficaz que laelectrólisis normal.

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Figura 5. Celda de electrólisis microbiana

Los sistemas MEC se basan en una serie de componentes:

2.6.1. Microorganismos

Se sabe poco acerca de la composición de las comunidadesmicrobianas en los sistemas MEC. El único estudio de una comunidadmicrobiana en un sistema MEC encontró que la Pseudomonas y laShewanella están presentes en el ánodo.

Una cuestión a resolver es que las altas concentraciones de H2

favorecen el crecimiento de metanógenas, reduciendo la producción deH2 y contaminando el producto con metano.

2.6.2. Materiales

El material del ánodo en un MEC puede ser el mismo que en unaMFC (carbono, grafito, grafito granulado, etc.). La producción de H2 en unsistema MEC tiene lugar en el cátodo. Debido a que la evolución de H2

desde los electrodos de carbono es muy lenta, se requiere un altosobrepotencial para impulsar la producción de H2. Para reducir el

sobrepotencial, generalmente se suele utilizar el platino comocatalizador. Algunos inconvenientes de su uso son el alto costo y el

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negativo impacto medioambiental ocasionados durante su extracción.Por este motivo se están estudiando los biocátodos.

2.6.3. Materias primas

Entre las posibles fuentes de materias primas para los sistemasMEC están las aguas residuales y la biomasa celulósica.

2.6.4. Efecto de la resistencia interna en una MEC

Dado que el objetivo principal es una mayor producción dehidrógeno, se requiere un aumento en la intensidad de corrienteproducida y en la generación y difusividad de protones. Este propósito espropiciado por la reducción de la resistencia interna de la celda.

Los estudios efectuados para la medición de la resistencia interna

se hicieron en base a tres tipos de inóculo: sulfato reductor (SR),metanogénico (M) y aerobio(A); mostrando los siguientes resultados:

Así se concluye que distintos inóculos generan diferentesresistencias internas. En este caso, el inóculo que presenta la menorresistencia interna fue el sulfato reductor.

2.6.5. Efecto de la temperatura en una MEC

En la operación de las celdas de producción de hidrógeno, lavariación de la temperatura es una limitación por el hecho de tratarse demicroorganismos vivos cuya actividad metabólica mantiene una relaciónestrecha con la temperatura.

Sin embargo, en los casos en que la temperatura se puede reducirsin alterar el metabolismo óptimo de los microorganismos, es deseable

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que se reduzca con objeto de disminuir la energía empleada en lacalefacción de la celda.

2.7. USOS Y APLICACIONES

Las MEC pueden contribuir de manera significativa a las demandasde hidrógeno mediante su producción en grandes cantidades a partir defuentes renovables como la biomasa y las aguas residuales. Por ejemplo:

• El hidrógeno se utiliza para la síntesis de productos químicosindustriales como el amoníaco y el etanol. Otras industrias queconsumen grandes cantidades de hidrógeno incluyen la industriaalimenticia (para saturación de grasas y aceites) y la industria delmetal (como agente reductor de metales).

• Debido al cambio climático y a la situación de inestabilidad en el

mercado de los combustibles fósiles, existe un gran interés en elhidrógeno como combustible para los medios de transporte.

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3. CONCLUSIÓN

A partir de lo investigado podemos concluir que las celdas norequieren procesos complejos industriales, y sugieren una nueva

alternativa de energía sustentable, renovable y amigable con el medioambiente para reemplazar los combustibles fósiles.

Pero el mayor problema en la actualidad, en esta clase de pilas,radica en la dificultad en el transporte de electrones desde losmicroorganismos al electrodo; no producen lo suficiente como para fineso aplicaciones prácticas; y su operación y aplicación en sitios contemperaturas extremas desestabiliza el inóculo.

Sin embargo, el estudio de las aplicaciones de las celdas estátodavía en sus inicios. Las MFC son en realidad biorreactores, que

permiten la oxidación de un compuesto orgánico (que van desdeazúcares, a excedentes industriales como el glicerol o la sacarosa, ocompuestos contaminantes como el fenol o el tolueno) catalizada pormicroorganismos. La cantidad de energía producida aún es baja, aunquedesde que se inició el diseño de la MFC hasta hoy se ha conseguidoaumentar su potencia en cientos de veces. El desarrollo de estatecnología está en crecimiento, por lo que el diseño de dispositivos conmenor resistencia interna, el ensayo de nuevos materiales conductores yel empleo de cepas bacterianas electrogénicas óptimas llevará a lacreación de la MFC de mayor potencia para ofrecer resultados

competitivos.Se requiere más investigación básica sobre la estructura y

dinámica de las comunidades microbianas que intervienen en losdiversos procesos biológicos, ya que éstas cambian de acuerdo a lascondiciones de operación de los bioprocesos. A partir de esto,eventualmente, se puede manipular genéticamente las especies a fin demejorar sus capacidades de producción.

Utilizar microorganismos con fines energéticos debe convertirse enun desafío científico que muestre el compromiso de la ciencia en general

y de la microbiología en particular por intentar resolver la crisisenergética global presente y futura.

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4. BIBLIOGRAFÍA

• “Energías renovables biológicas – Hidrógeno – Pilas decombustible”. Elvira Ríos-Leal, Omar Solorza-Feria, Héctor M.Poggi-Varaldo

• “Bacterias productoras de electricidad”. Abraham Esteve-Nuñez.Revista Actualidad SEM. Junio 2008.

• “Generación de electricidad a partir de una celda de combustiblemicrobiana tipo PEM”. Revista INTERCIENCIA. Julio 2008. Vol. 33 Nº7.

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