celdas de combustible microbiana

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL TEMA: CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANO PARA LA PRODUCCION DE ELECTRICIDAD PRESENTADO POR: WENDY ZUÑIGA SARMIENTO DOCENTE: Dr. HEBERT HERNAN SOTO GONZALES CURSO: BIOTECNOLOGIA ILO-PERU

2. INDICE 1. INTRODUCCION ......................................................................................... 4 2. MARCO TEORICO ...................................................................................... 5 2.1. CELDAS DE COMBUSTIBLE ............................................................... 5 2.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCMs) ........................ 7 2.3. MICROORGANISMOS DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA (CCM) ...................................................................................... 9 2.3.1. Microorganismos electrogenicos .................................................. 10 2.3.2. Métodos de obtención de energía de los microorganismos .......... 10 2.3.3. Rutas metabólicas de los microorganismos ................................. 11 2.3.4. Transportadores de electrones. .................................................... 11 2.3.5. Métodos de conservación de energía ........................................... 12 2.3.6. Transferencia de electrones en microorganismos ........................ 13 2.3.7. Microorganismos en el tratamiento de aguas residuales .............. 13 2.4. ARQUITECTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS .................................................................. 14 2.5. DESEMPEÑO ELÉCTRICO DE LAS CCMS ....................................... 15 2.6. TRANSFERENCIA EXTRACELULAR DE ELECTRONES ................. 16 2.6.1. Transferencia de electrones desde el microorganismo al ánodo .. 16 2.6.2. Transferencia de electrones desde el cátodo al microorganismo . 17 2 Celdas de Combustible Microbiana

3. 2.7. MICROORGANISMOS EN LAS CCMs ............................................... 18 2.7.1. Microorganismos en la cámara anódica ....................................... 18 2.7.2. Microorganismos en la cámara catódica ...................................... 21 2.8. SUSTRATOS ...................................................................................... 22 2.9. PUENTE DE INTERCAMBIO IÓNICO ................................................ 25 2.9.1. Características del puente de intercambio iónico ......................... 26 3. OBJETIVOS ............................................................................................... 26 3.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................ 26 3.2. OBJETIVO ESPECIFICO .................................................................... 26 4. MATERIALES Y MÉTODOS ...................................................................... 26 5. RESULTADOS .......................................................................................... 29 6. CONCLUSIONES ...................................................................................... 33 7. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 33 3 Celdas de Combustible Microbiana

4. 1. INTRODUCCION El siglo XXI ha traído consigo un alza irreversible en el consumo de energía, debido en gran parte al proceso de industrialización, que ha dado lugar a la implementación de nuevas tecnologías, como base del crecimiento de los países; esté desarrollo ha venido de la mano de un mayor incremento de la población. En este orden de ideas el desarrollo industrial y el crecimiento de la población ocasionan un incremento en la demanda de energía. Por lo cual el aumento del estudio de las energías renovables ha jugado un papel fundamental en los últimos años. En el Perú, la electricidad es manejada por centrales térmicas alimentadas por combustibles fósiles pertenecientes al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional-SEIN y otras empresas que no pertenecen a este sistema. La demanda nacional de electricidad en las últimas décadas se viene incrementando de forma exponencial, influenciado principalmente por el crecimiento económico y demográfico, las decisiones políticas, el desarrollo tecnológico y los hábitos de consumo o estilos de vida, esperándose que en un futuro no muy lejano no se pueda cubrir la demanda por lo que es necesario la búsqueda de nuevas tecnologías para cubrirla (Para & El, 2018). De acuerdo al ministerio de ambiente las hidroeléctricas es la energía sostenible más usada en el país obteniendo un porcentaje de participación del 70%, sin embargo, este tipo de fuente de generación de energía se ha visto afectada por inminentes fenómenos climáticos, poniendo así en riesgo el suministro de energía en el país, por consiguiente surge la necesidad de investigar nuevas formas y fuentes de energía, entre las alternativas de las fuentes de energías renovables se encuentra la energía de biomasa la cual aprovecha la materia orgánica proveniente de desechos de seres vivos o actividades urbanas para producir energía, por lo tanto este tipo de fuente de energía son de amplio interés así como las celdas de combustible microbianas las cuales usan la materia orgánica presente en un sustrato para producir energía eléctrica. Por otra parte, el aumento de las actividades industriales o domesticas generan 4 Celdas de Combustible Microbiana

5. un incremento en el vertimiento de aguas residuales, afectando la seguridad y sostenibilidad ambiental, por tal razón es un tema de interés tratar estos efluentes para disminuir el impacto ambiental que ocasionan, para lo cual se realiza un proceso de tratamiento que comprende principalmente tres etapas, entre ellas la etapa de tratamiento biológico. Debido a la gran cantidad de materia orgánica que se encuentra presente en el agua residual y de acuerdo a las últimas investigaciones realizadas a escala laboratorio se consideran las aguas residuales una fuente para la generación de energía. En respuesta a la mencionada problemática el grupo de investigación de energías alternativas de la Fundación Universidad de América busca implementar una tecnología capaz de reducir o mitigar los problemas mencionados anteriormente, encontrando en las celdas de combustible microbianas una alternativa para la generación de energía eléctrica y reducción de la carga orgánica de aguas residuales, su función principal es convertir la energía química presente en un sustrato a energía eléctrica usando microorganismos, especialmente bacterias. Estos sistemas no se ha implementado a escala industrial por los bajos niveles de producción de energía eléctrica, por esta razón gran parte de los estudios realizados se han llevado a cabo a escala laboratorio (En et al., 2011). 2. MARCO TEORICO El funcionamiento de las celdas de combustible principalmente se rige por la electroquímica, en esta rama es donde se lleva a cabo el fenómeno que rodea las células de combustible microbianas. 2.1. CELDAS DE COMBUSTIBLE Una celda de combustible es una adaptación de la celda electroquímica de tipo galvánica descrita con anterioridad, es decir, son un tipo de celda generadora de energía en forma de electricidad y en algunos casos calor; sin embargo, en este tipo de tecnología los reactivos no son parte de la 5 Celdas de Combustible Microbiana

6. estructura de la celda, es decir, no se encuentran estáticos y son proporcionados por diferentes fuentes externas actuando bajo los principios de la electroquímica. Las celdas de combustible funcionan en general utilizando hidrógeno y oxígeno, a este tipo de celda se le conoce como celda hidrógeno/oxígeno, en este caso el hidrógeno es el agente reductor, es decir que se oxida en forma de agua. Como las celdas electroquímicas convencionales, este tipo de celda consta de dos electrodos (ánodo y cátodo) y diferentes tipos de electrolitos; la reacción química es de tipo REDOX y la precursora de la generación de energía eléctrica, el hidrógeno se encuentra en el ánodo mientras que el oxígeno en la parte del cátodo, en este caso es la membrana electrolítica la que separa las dos partes de la celda (Rica, 2018). Las reacciones químicas generales que se llevan a cabo en el interior de la celda de combustible hidrógeno/oxígeno se describen a continuación: Á????: 2?2(?) → 4?+ (??) + 4?− ?á????: ?2(?) + 4?+ (??) + 4?−→ 2?2?(?) En la celda de combustible, el hidrógeno se encuentra en forma de gas y el oxígeno es suministrado por el aire; En el ánodo es donde el hidrógeno es ionizado por medio de una oxidación, donde queda en forma de protón, al llevar a cabo este proceso se libera simultáneamente un electrón que viaja hacia el cátodo. El protón por otra parte, atraviesa el electrolito o puente salino hacia el cátodo, En el cátodo se lleva a cabo la reacción de reducción, es decir que el oxígeno gana el electrón perdido por el hidrógeno formando agua junto con el protón que ha atravesado el electrolito. Finalmente, en una celda de combustible se genera agua, energía y en la mayor parte de las ocasiones, calor en forma de energía térmica. Según dice Cano Ulises “en teoría, cada molécula de hidrógeno gas producirá dos electrones libres y junto con una átomo de oxígeno reducido se generará una molécula de agua” 6 Celdas de Combustible Microbiana

7. Ahora bien, las celdas de combustible tienen diferentes clasificaciones de acuerdo al material empleado tanto para los electrodos, electrolito, el combustible, la configuración, la temperatura, entre otros. 2.2. CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCMs) Las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) 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. Una CCM es 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 7 Celdas de Combustible Microbiana

8. natural de electrones (como oxígeno). Este proceso contribuye a degradar la materia orgánica representada como sustrato o combustible (Pant et al., 2010) y ha sido estudiado ampliamente en CCMs de cátodo abiótico con la generación de energía eléctrica a pequeña escala (Du et al., 2007). La perspectiva de disponer de agua limpia para liberar al ambiente se fortalece al considerar las CCMs de biocátodo recientemente exploradas (Lovley, 2011), las que además de los beneficios ya mencionados, pueden contribuir a la biorremediación de compuestos tales como xenobióticos o metales pesados, debido a que los microorganismos pueden aceptar electrones desde el electrodo (cátodo) y reducir diferentes compuestos, volviéndolos ambientalmente más amigables. 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, lo que ha creado grandes expectativas en la comunidad científica ya que es posible producir energía limpia mediante la explotación de la biomasa que existe en las aguas residuales domésticas e industriales. Al utilizar la materia orgánica de las aguas residuales como combustible simultáneamente con la producción de energía, se consigue una depuración de las aguas contaminadas. Adicionalmente, el estudio de biocátodos capaces de usar no solamente oxígeno sino también otros contaminantes como posibles aceptores de electrones, permite la remoción de nutrientes y la biorremediación conjuntamente con la generación de electricidad. En países desarrollados se sigue investigando en tecnologías como esta, potencialmente útil para procesos de remoción de materia orgánica, 8 Celdas de Combustible Microbiana

9. biorremediación y generación alternativa de energía. En entornos como el nuestro existe una gran diversidad de sustratos y microorganismos que podrían contribuir al desarrollo de CCMs, debido a que se han empleado diferentes sustratos como combustibles y microorganismos que se encuentran en forma natural y abundante, tales como lodos anaeróbicos provenientes de aguas residuales, material de desecho de rellenos sanitarios, sedimentos de ríos o sedimentos marinos y muchas otras fuentes. Además, se pueden desarrollar CCMs a mayor escala profundizando sobre la arquitectura misma. El enfoque global de este tipo de dispositivos logrado en esta revisión científica es un producto de un trabajo multidisciplinario de áreas de microbiología, química e ingeniería electrónica, lo que permite adelantar investigaciones básicas y aplicadas de esta fascinante área de investigación (Del et al., 2010). 2.3. MICROORGANISMOS DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA (CCM) Una vez se han determinado todos los componentes que conforman una CCM en cuanto a su estructura y configuración se estudia el proceso 9 Celdas de Combustible Microbiana

10. dentro de la celda, los microorganismos capaces de producir electricidad son la primera parte del proceso, estos microorganismos cumplen con ciertas características que les permiten llevar a cabo la generación de electrones que posteriormente se verá convertida en energía eléctrica (Bioelectricidad et al., 2016). 2.3.1. Microorganismos electrogenicos Anteriormente se sabía que los microorganismos con actividad eléctrica necesitaban el uso de mediadores redox, un mediador es un compuesto que entra a la célula acepta electrones de varios transportadores y sale de la célula en estado reducido logrando donar los electrones al ánodo, estos compuestos generalmente de naturaleza metal-orgánica o colorantes, por ejemplo rojo neutro, azul de metileno y tionina, se utilizaban para aumentar la corriente y potencia, sin embargo los microorganismos electrogénicos son aquellos capaces de transferir electrones al ánodo en ausencia de estos mediadores. Se distinguen dos tipos de bacterias electrogénicas, en primer lugar están las que pueden producir su propio mediador redox y posteriormente ser secretadas al medio reaccionando con el electrodo, y los que interaccionan de forma directa con el electrodo sin la presencia de mediadores solubles. 2.3.2. Métodos de obtención de energía de los microorganismos Los microorganismos desempeñan una función clave en el área energética; pueden obtener energía por dos métodos: por medio de compuestos químicos, ya sean orgánicos, inorgánicos o por energía proveniente de la luz. Los organismos que obtienen energía de compuestos orgánicos se denominan quimioorganotrofos y la energía es obtenida por la oxidación (pérdida de electrones) del compuesto, conservando esta 10 Celdas de Combustible Microbiana

11. energía en la célula en forma de ATP, estos organismos pueden obtener la energía en ausencia de oxígeno, anaerobios, o en presencia del mismo, aerobios, por otra parte los organismos que obtienen energía de compuestos inorgánicos se denominan quimiolitotróficos y finalmente los organismos que obtienen energía (ATP) por la luz solar se denominan microorganismos fototróficos. 2.3.3. Rutas metabólicas de los microorganismos El metabolismo se refiere a la totalidad de las reacciones químicas que se producen en un organismo vivo y este se puede dividir en dos clases de reacciones químicas: las que liberan energía y las que consumen energía. Las reacciones químicas que consumen energía se denominan anabólicas, estas reacciones dan lugar a la formación de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas simples, por otra parte las reacciones que liberan energía se denominan catabólicas, estas degradan compuestos orgánicos complejos en compuestos más simples, las reacciones catabólicas generalmente son exergónicas, producen más energía de la que consumen, por ende el transporte de electrones generado en una celda de combustible microbiana generalmente se realiza por rutas catabólicas 2.3.4. Transportadores de electrones. La transferencia de electrones en reacciones de óxido-reducción de la célula necesita de uno o más intermediarios para su funcionamiento, dichos intermediarios son los transportadores de electrones y consisten en una secuencia de moléculas transportadoras capaces de generar reacciones de oxidación y reducción; tras el paso de los electrones a lo largo de la cadena transportadora de electrones se produce una liberación gradual de 11 Celdas de Combustible Microbiana

12. energía que es utilizada para la generación de ATP. En las células procariotas la cadena transportadora está ubicada en la membrana plasmática. Los transportadores de electrones se dividen principalmente en dos clases, los que se difunden libremente y los que están unidos a enzimas y anclados a la membrana citoplasmática, la primera clase incluyen coenzimas nicotinamida adenín dinucleótido (NAD+) y NAD – fosfato (NADP+), estas coenzimas actúan como transportadoras de átomos de hidrógeno y transferencia de los mismos a la siguiente molécula de la cadena transportadora. 2.3.5. Métodos de conservación de energía 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 para ambos casos; 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 por medio de fuerzas motriz de protones. 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. 12 Celdas de Combustible Microbiana

13. 2.3.6. Transferencia de electrones en microorganismos Los microorganismos no tienen la capacidad de transportar electrones directamente al electrodo (ánodo), en su mayoría, debido a que la composición externa de la célula posee estructuras no conductoras que impide el paso de los electrones, además la cadena transportadora de electrones en bacterias puede ser distinta porque una misma bacteria puede poseer varios tipos de cadenas transportadoras, sin embargo, el objetivo central es el mismo, liberación de energía. La transferencia de electrones se basa en los siguientes aspectos: Las moléculas que representan el dador primario de electrones en la cadena de transporte son la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+), nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+) y flavin adenín dinucleótido (FAD, forma oxidada, y FADH2, forma reducida, cuando acepta dos átomos de hidrógeno cada uno con un par de electrones y protones) las cuales son provenientes del ciclo de Krebs o rutas análogas a este ciclo y se encuentran en forma reducida. 2.3.7. Microorganismos en el tratamiento de aguas residuales El aumento de la población mundial genera un aumento en el volumen de aguas residuales ya sean domésticas o industriales, las cuales contienen, excrementos humanos, agua de desecho, residuos industriales y aguas superficiales de arrastre, donde todos estos residuos comúnmente contienen sustancias orgánicas e inorgánicas y a su vez microorganismos patógenos. Los residuos mencionados anteriormente generalmente pueden ser tóxicos es por ello que se debe realizar un pre tratamiento de las aguas residuales siendo los microorganismos de gran importancia en este proceso debido a que los microorganismos pueden usar los contaminantes o sustancias orgánicas como fuente de energía y además son capaces de neutralizar, oxidar, precipitar o volatilizar los residuos tóxicos o infecciosos por medio de la producción de enzimas. 13 Celdas de Combustible Microbiana

14. 2.4. ARQUITECTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS 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. La celda se fabrica en acrílico o en vidrio, para los electrodos se pueden utilizar diferentes materiales como cobre, platino, grafito u otros. El separador, que es un importante componente del sistema porque es una membrana que impide el paso de electrones de la cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones, puede 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. El separador más ampliamente utilizado es la MIC que también se conoce como membrana de intercambio de protones (MIP) y entre ellas es muy común la Nafion, un producto de DuPont Inc., USA, que muestra una alta permeabilidad a los protones. Una variante de la CCM de doble cámara se obtiene eliminando la cámara catódica y exponiendo el cátodo directamente al aire, transformándose así en una CCM de una sola cámara; este hecho hace que sea un sistema mucho más sencillo y de menor costo. No obstante, es conocido que las CCMs de una sola cámara pueden tener un separador, como las diseñadas por Park y 14 Celdas de Combustible Microbiana

15. Zeikus (2003) y Liu y Logan (2004) que utilizan una MIP o también pueden prescindir de éste, como las utilizadas por Yang et al. (2009) para estudiar su desempeño eléctrico. En los últimos años se han desarrollado CCMs de biocátodo o de cátodo microbiano, en las que a diferencia de los cátodos abióticos los microorganismos son usados como biocatalizadores para aceptar electrones a partir del cátodo y así reemplazar el uso de catalizadores químicos costosos. Los biocátodos son de dos tipos:  Biocátodos aeróbicos que usan oxígeno como el oxidante y microorganismos que asisten la oxidación de compuestos metálicos de transición, tales como Mn(II) o Fe(II), para la entrega de electrones al oxígeno.  Biocátodos anaeróbicos que usan diferentes compuestos como aceptores terminales de electrones, tales como: nitrato, sulfato, Mn(IV), Fe(III), selenato, arsenato, fumarato, perclorato, cloroetenos, 2- clorofenol, ClO4 - , U(VI), Cr(VI), H+ , CO2, entre otros. Estos biocátodos son de gran interés por su bajo costo, capacidad auto- regenerativa y sostenibilidad y además porque pueden contribuir a disminuir los altos potenciales catódicos. 2.5. DESEMPEÑO ELÉCTRICO DE LAS CCMS 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) y la resistencia interna (RI). Con relación a la resistencia interna (RI) éste es un parámetro muy importante para caracterizar un generador de corriente como lo es una 15 Celdas de Combustible Microbiana

16. CCM. Se puede obtener a partir del análisis de las curvas de polarización que se derivan de las mediciones de voltaje en la resistencia externa, o por la técnica de espectroscopia de impedancias, que se fundamenta en la aplicación de una pequeña señal de voltaje a la celda electroquímica y posterior medición de la corriente a través de ella (Ramírez et al., 2009). La eficiencia coulómbica (EC) es un parámetro que permite obtener la fracción de energía eléctrica que se puede generar en la CCM a partir de un sustrato determinado. Su medición es importante porque posibilita comparar el desempeño de diferentes CCMs. La EC se calcula como la razón entre la carga generada y la carga teórica presente en el sustrato de la cámara anódica (No Title, 2018). 2.6. TRANSFERENCIA EXTRACELULAR DE ELECTRONES 2.6.1. Transferencia de electrones desde el microorganismo al ánodo En un bioánodo existen bacterias electroquímicamente activas que transfieren los electrones directamente al ánodo a través de proteínas de membrana como los citocromos tipo c, o de conductos proteicos denominados pili que sirven como nanoconductores; estudios genéticos han demostrado que la eficiente transferencia de electrones a través de una biopelícula de Geobacter sulfurreducens requiere de su presencia. Otras bacterias que no pueden hacerlo debido a la naturaleza no conductiva de su membrana celular, requieren de mediadores de electrones exógenos o endógenos. Estos mediadores se reducen durante la oxidación metabólica de materiales orgánicos y su forma reducida es luego re-oxidada al transportar los electrones hacia el ánodo, el cual se mantiene a un alto potencial eléctrico, este proceso cíclico permite una mayor velocidad de transferencia de electrones incrementando la salida de energía. 16 Celdas de Combustible Microbiana

17. Los buenos mediadores deberían poseer las siguientes características: atravesar la membrana celular fácilmente, tomar los electrones a partir de la cadena transportadora, poseer una alta velocidad de reacción con el electrodo, tener una buena solubilidad en el anolito, no biodegradables ni tóxicos para los microorganismos, de bajo costo y que tengan un potencial de reducción lo más cercano posible al del componente biológico para mantener una adecuada transferencia de electrones (Bullen et al., 2006). Es común usar mediadores exógenos sintéticos (tintes y metal orgánicos) tales como: rojo neutro, azul de metileno, tionina, azul de meldola, 2- hidroxi-1,4-naftoquinona, Fe(III) EDTA y otros compuestos hidrofílicos. Desafortunadamente, la inestabilidad de los mediadores sintéticos, su costo y su alta concentración, que llegaría a ser tóxica para el microorganismo, limita sus aplicaciones en las CCMs; por lo tanto, las CCMs sin mediadores son ventajosas en el tratamiento de aguas residuales y la generación de energía porque se elimina principalmente el costo del mediador. Cuando se utiliza una mezcla de microorganismos es común la presencia de mediadores endógenos, estos pueden ser metabolitos secundarios, como en el caso de Shewanella putrefaciens y Pseudomonas aeruginosa, o metabolitos primarios observados en Escherichia coli y en Sulfurospirillum deleyianum; los mediadores redox producidos por una bacteria pueden ser usados por otras para transferir los electrones al ánodo. 2.6.2. Transferencia de electrones desde el cátodo al microorganismo Los mecanismos de transferencia de electrones en los biocátodos son similares a los del bioánodo, en este proceso los microorganismos pueden llevar a cabo reacciones de transferencia directa con participación importante de citocromos tipo c e hidrogenasas, y reacciones de transferencia indirecta con 17 Celdas de Combustible Microbiana

18. mediadores redox naturales tales como PQQ (pirroloquinolinaquinona); sin embargo, estos procesos bioquímicos solo se están estudiando en los últimos años. Los microorganismos capaces de aceptar electrones directamente a partir de electrodos se han denominado coloquialmente electrodo- oxidantes o más formalmente electrótrofos; en este caso, los electrones que reciben del cátodo son transferidos selectivamente a aceptores finales con altos potenciales redox (E0) que captan del medio, tales como protones, CO2, nitrato, fumarato, Cr(VI), U(VI), solventes clorinados, entre otros. 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). Además, en el sistema de biocátodo se pueden producir biocombustibles (H2, butanol, CO2 reducido, entre otros) u otros compuestos químicos de interés. 2.7. MICROORGANISMOS EN LAS CCMs 2.7.1. Microorganismos en la cámara anódica Rabaey y Verstraete (2005) presentan una detallada revisión sobre la generación de electricidad bacteriana en la cámara anódica y señalan que los principales factores que influyen en la generación de energía son las vías metabólicas que gobiernan el flujo de electrones y protones, la influencia del sustrato y el potencial del ánodo. A altos potenciales anódicos, las bacterias pueden usar la cadena respiratoria en un metabolismo oxidativo y transferir electrones al ánodo, sin embargo, si el potencial del ánodo disminuye los 18 Celdas de Combustible Microbiana

19. electrones probablemente se depositan sobre aceptores de electrones alternativos (sulfato, nitrato, entre otros) y en su ausencia, ocurrirá la fermentación. Recientemente se ha demostrado en cultivos mixtos que los microorganismos fermentativos pueden tener poca o nula capacidad para transferir electrones al ánodo, sin embargo, su metabolismo contribuye a la generación de energía en la CCM ya que aportan subproductos que pueden ser utilizados como sustratos por otras poblaciones microbianas, permitiendo el establecimiento de interacciones sintróficas. Kiely et al. (2011) discuten diversas publicaciones que caracterizan la comunidad microbiana de los sistemas bioelectroquímicos, al destacar procesos sintróficos específicos que capacitan a una biopelícula para la generación de corriente eléctrica a partir de un sustrato; la sintrofía consiste en que ciertos microorganismos hidrolizan y fermentan compuestos orgánicos complejos y otros utilizan los subproductos para la generación de corriente, estableciéndose una estructura jerárquica con microorganismos dominantes dependiendo del sustrato empleado. Con base en lo anteriormente expuesto la formación de una biopelícula sobre el electrodo mejora la producción de energía, sin embargo, la microbiología de una biopelícula en la CCM y las implicaciones de la ecología microbiana sobre el funcionamiento del sistema han sido poco estudiados, por lo tanto, conocer los procesos de colonización, invasión y sucesión de las poblaciones microbianas que producen electricidad permitirá explorar nuevos métodos para la producción de energía sustentable y renovable, una investigación en este aspecto es presentada por Read et al. (2010). Como inóculo para las CCMs se pueden emplear cultivos de una especie microbiana o cultivos mixtos (consorcios). En el primer caso, 19 Celdas de Combustible Microbiana

20. existe la posibilidad de modificar genéticamente la especie microbiana e interpretar más fácilmente los estudios con respecto a genómica y proteómica. Para la especie G. sulfurreducens 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 más efectivamente a la producción de energía (Lovley, 2008); por ejemplo, esta bacteria es dominante cuando se utiliza lactato, acetato, formato, glucosa, entre otros sustratos. Mientras que para especies del género Shewanella los genes involucrados en la vía propuesta para la transferencia extracelular de electrones son altamente conservados (Fitzgerald et al., 2013). Cabe resaltar que también se han empleado en la cámara anódica arqueas y la levadura Saccharomyces cerevisiae. A nivel práctico es mejor emplear cultivos mixtos porque estos generan altos potenciales y su manejo es más económico y menos exigente, por lo que se utilizan lodos anaeróbicos y otras fuentes de comunidades microbianas. En los consorcios anódicos, las bacterias más comunes pertenecen a los géneros Shewanella, Geobacter, Proteobacter y Pseudomonas, se destacan las especies S. putrefaciens, P. aeruginosa, G. sulfurreducens y G. metallireducens. Diferentes estudios resaltan otras especies bacterianas que hacen transferencia directa o utilizan mediadores. En cuanto a aspectos puntuales sobre la electricidad generada por microorganismos, Debabov (2008) afirma que como resultado de los avances de los últimos 10 años, la densidad de potencia de las CCMs incrementó en diferentes órdenes de magnitud, de 0,1 mW/m2 a 4,3 W/m2. Du et al. (2007) discuten que los valores más altos se obtuvieron usando ferricianida en la cámara catódica, de esta manera las CCMs más eficientes no son operativas a escala comercial por la contaminación que podría ocasionar este mediador. 20 Celdas de Combustible Microbiana

21. Los máximos valores de densidad de potencia han sido producidos con cultivos mixtos o con la especie G. sulfureducens. Con el fin de aumentar estos valores otros investigadores han demostrado recientemente que se puede emplear la ingeniería metabólica para inhibir la síntesis de lactato, lo cual incrementó la liberación de electrones. 2.7.2. Microorganismos en la cámara catódica Entre los microorganismos electrótrofos que pueden aceptar electrones de la superficie del cátodo de manera directa o mediada, sobresalen especies como G. sulfurreducens y S. putrefaciens, la mayoría de las bacterias en biocátodos son Gram-negativas, pero algunas Gram-positivas tales como Micrococcus luteus, Bacillus subtilis y Staphylococcus carnosus, también hacen una transferencia directa de electrones, otras como Acinetobacter calcoaceticus excreta compuestos activos redox para transferir electrones al oxígeno catódico y Dechlorospirillum anomalous WD acepta electrones del cátodo para reducir perclorato. Actualmente se está explorando la eficacia de microorganismos que actúan sobre el cátodo y aunque en algunos casos, estos microorganismos requieren fuentes de energía adicionales para mantener su actividad biocatalítica, aún son desconocidos los mecanismos por los cuáles las células conservan energía y crecen como electrótrofos. En este sentido Lovley (2011) discute sobre los aspectos conocidos hasta el momento cuando se emplean bacterias; sin embargo, también se han empleado microalgas y ya se conoce un primer informe sobre la inoculación del hongo Coriolus versicolor en la cámara catódica que demostró que la producción de la enzima lacasa por el hongo mejoró la eficiencia de reducción de oxígeno a agua y esta CCM produjo más alta densidad de potencia que la CCM control. 21 Celdas de Combustible Microbiana

22. Los microorganismos en las CCMs 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. Además explorar consorcios eficaces para las funciones de generación de electricidad, remoción de materia orgánica y biorremediación, a partir de muestras ambientales sometidas a diferentes condiciones, puede permitir el desarrollo de novedosos bioánodos y/o biocátodos. 2.8. SUSTRATOS El sustrato es uno de los aspectos más importantes de la CCM porque constituye el combustible a partir del cual se genera la energía. En la literatura científica se encuentran diversos trabajos en los que se emplea una gran variedad de sustratos, desde compuestos puros hasta mezclas complejas. En los primeros años, sustratos simples como glucosa y acetato eran de uso general, pero en los últimos años las investigaciones se centran en la utilización de sustratos menos convencionales con el fin de 22 Celdas de Combustible Microbiana

23. utilizar la biomasa presente en aguas residuales de diverso tipo y adicionalmente depurarlas y generar energía. Los compuestos puros se pueden degradar de manera más simple lo que permite obtener mayor generación de energía e hidrógeno, además a nivel experimental es recomendable su uso porque se facilita la evaluación de condiciones operacionales de la CCM tales como, la eficiencia coulómbica, la densidad de potencia y la resistencia interna. Sin embargo, el uso de sustratos complejos en una CCM es de gran interés porque, además de ser fuentes de energía, estos se pueden degradar y/o biorremediar antes de su descarga al medio ambiente. A diferencia de los compuestos puros los sustratos complejos requieren para su degradación una comunidad microbiana diversa y electroquímicamente activa, cuyas poblaciones se van seleccionando dependiendo del tipo de sustrato. Como ejemplos de este tipo de sustratos se pueden explorar: aguas residuales provenientes del procesamiento de frutas y vegetales, suero de queso, melazas de destilerías, aguas residuales de biorrefinerías, aguas residuales de industrias farmacéuticas con contaminantes recalcitrantes, residuos agrícolas, entre otros. Además, se ha demostrado que las CCMs pueden utilizar como sustratos no sólo material orgánico degradable, sino también material resistente a la biodegradación. Son diversos los factores a tener en cuenta para seleccionar el sustrato a utilizar en la CCM, entre ellos el costo. Los sustratos puros resultan más costosos por las implicaciones de los procesos de obtención, en cambio, los sustratos complejos tales como los mencionados anteriormente son productos de desecho industrial o doméstico disponibles en forma abundante, de fácil consecución y por lo tanto económicos. Otro factor que normalmente incide sobre la generación de energía es la concentración del sustrato, esta dependencia es característica de las reacciones enzimáticas que ocurren en la CCM. Un incremento en la concentración del sustrato acelera la velocidad de reacción, lo que normalmente conduce a una mayor 23 Celdas de Combustible Microbiana

24. generación de energía; sin embargo, algunos autores han encontrado efectos contrarios y altas densidades de potencia a bajas concentraciones. Hay dos posibles razones que explican este comportamiento, 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. La eficiencia de la CCM igualmente está afectada por sus condiciones de operación, entre ellas el pH electrolítico. 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 MIP 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+, K+, NH4+, Ca2+, y Mg2+) 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. Termodinámicamente, un cambio en una unidad de pH causa en el electrodo una pérdida de potencial de 59 mV. Por lo tanto, para evitar los cambios de pH es necesario el uso de soluciones buffers de fosfato. Una vez identificados los factores que inciden sobre el desempeño de una CCM se puede plantear el diseño de un sistema para una futura aplicación práctica. He et al. (2013) consiguieron descontaminar aguas de un lago en China, usando eficientemente una CCM como pre-tratamiento para su biorremediación. Se logró que la materia orgánica soluble disminuyera significativamente y simultáneamente se generó una densidad de potencia 24 Celdas de Combustible Microbiana

25. de 164 mW/m3. Se encontró que el principal sustrato utilizado por la CCM fueron las proteínas presentes en las aguas del lago. En este contexto, es de gran interés dedicar esfuerzos en investigación de este campo, ya que con frecuencia muchos de los métodos de purificación de agua no sólo se realizan químicamente, sino que también son energética y operacionalmente costosos. Hay una urgente necesidad de investigar un método más robusto, seguro y sostenible para descontaminar aguas residuales. Las CCMs ofrecen una excelente alternativa para el tratamiento de aguas residuales porque simultáneamente podrían utilizarse para descontaminar desechos industriales y generar energía eléctrica. Y aunque esta tecnología es emergente hay interesantes aplicaciones para estudiar a futuro tales como la bioelectrosíntesis y la reducción biocatalítica del CO2 (Revelo & Hurtado, 2013). 2.9. PUENTE DE INTERCAMBIO IÓNICO La función del puente de intercambio iónico es separar las cámaras catódica y anódica, recordando que es en la cámara anódica donde se lleva a cabo el proceso de oxidación, el puente evita que cualquier otro agente oxidante interfiera en el proceso, permitiendo que en la cámara anódica donde se encuentra el ánodo se lleven a cabo los procesos necesarios para que el microorganismo posteriormente permita la transferencia de electrones, por otra parte, en la cámara catódica donde se encuentra el cátodo los electrones mencionados reaccionarían; La separación que permite el puente de intercambio protónico es física, y es la composición del puente lo que puede llegar a determinar la eficiencia de una CCM, ahora bien, la disposición del puente depende directamente de la configuración de las cámaras, cuando la CCM es de una sola cámara este intercambiador protónico no se presenta en forma de puente sino como una membrana, cuando se utiliza una membrana, se ha demostrado, que puede incrementar la difusión de oxígeno y sustrato a través del sistema, pero esto se traduce en una menor eficiencia y disminución de la actividad del microorganismo en el ánodo. 25 Celdas de Combustible Microbiana

26. 2.9.1. Características del puente de intercambio iónico Cuando se selecciona un puente de intercambio protónico se deben tener en cuenta características como la selectividad de protones, estabilidad y firmeza. Sin importar el tipo de configuración de la CCM, está claro que la selección de las dos cámaras anódica y catódica se basan en la correcta selección de la membrana, inicialmente se estudia la clasificación de las membranas. Las membranas se pueden clasificar según su naturaleza (natural y sintética), según su estructura (estructura microscópica y estructura macroscópica) y según el tipo de transporte (membranas porosas, membranas de intercambio iónico y membranas densas). 3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL Adquirir conocimientos sobre una celda de combustible microbiana para la generación de electricidad. 3.2. OBJETIVO ESPECIFICO  Realizar una maqueta de una celda de combustible microbiana con material reciclado.  Conocer los beneficios medio ambientales que nos proporciona esta tecnología. 4. MATERIALES Y MÉTODOS Para realizar la maqueta se utilizó materiales reciclados como los siguientes:  Cartón  Pinturas de colores  Cartulina negra y rosada 26 Celdas de Combustible Microbiana

27.  Lamina plastificada  Cañitas  Tijera  Silicona  Pistola de silicona  Lápiz o lapicera  Etiqueta de gaseosas Se menciona a la bacteria Geobacter sp, como una bacteria con potencial para la generación de electricidad. Este género tienen forma de varilla y son gramnegativos. Todas estas especies son capaces de oxidar el acetato reduciendo el Fe (III). Además, las diferentes especies de Geobacter son capaces de hacer contactos eléctricos con otros organismos y aceptores de electrones fuera de la célula. Las especies de Geobacter más estudiadas son G. metallireducens y G. sulfurreducens. Esta capacidad acompañada de respiración anaeróbica permite a Geobacter desempeñar un papel importante en una variedad de ambientes sedimentarios anaeróbicos. Estos ambientes incluyen ambientes subsuperficiales, sedimentos acuáticos, arrozales y humedales donde la reducción de Fe (III) como aceptor de electrones terminal es extremadamente importante. Debido a estas características, las especies de Geobacter tienen aplicaciones importantes en los campos de la biorremediacion y las pilas de combustible microbianas (Esteve-núñez, 2008). 27 Celdas de Combustible Microbiana

28. El Geobacter se puede encontrar en sedimentos de agua dulce, sedimentos marinos anóxicos, sedimentos de sal de pantano, ambientes subterráneos, y acuíferos. Estos ambientes se caracterizan principalmente por ser ricos en nitratos y sulfatos, pero al mismo tiempo deben ser espacios libres de oxígeno puro Geobacter produce densidades de corriente en las células de combustible microbianas que son más altas que cualquier organismo conocido. Recogen electricidad de sedimentos acuáticos y desechos orgánicos colonizando los electrodos. Las especies de Geobacter se pueden utilizar en aplicaciones a corto plazo en pilas de combustible microbianas en ubicaciones remotas, como el fondo del océano, para alimentar dispositivos eléctricos. Su alta eficiencia en la transferencia de electrones se atribuye a los pili a lo largo de su cuerpo que funcionan como "nanocables microbianos". Esta propiedad, junto con la capacidad de las biopelículas para funcionar como supercondensadores, puede contribuir a la bioelectrónica. Más específicamente, G. sulfurreducens forma biopelículas de múltiples capas en las células de combustible microbianas en la superficie del ánodo. Estos están muy estructurados para convertir el acetato en electricidad. Los pili de G. sulfurreducens estimulan un aumento en el número de células apiladas en el ánodo con el consecuente aumento en la producción de corriente. El Geobacter es capaz de transformar internamente energía química en energía eléctrica, trans- riendo los electrones derivados de la oxidación de compuestos orgánicos (acetato) a electrodos y así constituir una celda de combustible microbiana (Microbial Fuel Cell, MFC) (Bacterias, Fuente de Energía Para El Futuro, 2012). 28 Celdas de Combustible Microbiana

29. 5. RESULTADOS PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EMPLEANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANA Las bacterias del género Geobacter puede oxidar completamente compuestos sencillos como son: el acetato, la glucosa, soluciones con alto contenido de materia orgánica como los residuos vegetales o las aguas residuales. La bacteria por medio de su metabolismo adquiere electrones del combustible y los trans ere en un buen porcentaje hacia un electrodo, durante este proceso no requiere ningún tipo de mediador gracias a los nanocables “Pili” que se conectan directamente sobre el electrodo. Las principales variables de los estudios realizados hasta la fecha están consignadas en la Tabla. La electricidad que se obtiene en una celda de combustible microbiana por medio de bacterias es pequeña en comparación con otras fuentes de energía, no obstante hay que tener en cuenta que esta tecnología es relativamente nueva y a pesar de esto ha avanzado hasta mil veces la ciencia, ya que en la actualidad se produce una densidad de potencia por electrodo de W/m2 frente a los mW/m2 de las primeras experiencias. Conforme con los resultados se deduce que los electrodos han disminuido su tamaño hasta 800 veces, la densidad de corriente ha aumentado hasta 100 veces su producción en aproximadamente 10 años de investigación (Bacterias, Fuente de Energía Para El Futuro, 2012). 29 Celdas de Combustible Microbiana

30. APLICACIONES BÁSICAS DEL GEOBACTER De acuerdo con las características internas de las bacterias de la familia Geobacter. 30 Celdas de Combustible Microbiana

31. 31 Celdas de Combustible Microbiana

32. 32 Celdas de Combustible Microbiana

33. 6. CONCLUSIONES El género Geobacter tiene características que se pueden controlar fácilmente en celdas de combustible microbiana para su crecimiento, desarrollo y producción de electricidad, por lo tanto si se puede controlar la producción de bacterias controlamos la fuente energética, lo que nos permite evitar el uso de combustibles fósiles y nucleares y sus consecuencias en los aspectos ambientales y sociales. Aunque se debe resaltar que el desarrollo de esta tecnología está en sus inicios por lo que los diseños deben de ser estudiados y optimizados para ofrecer resultados competitivos. Con la estimación que se realizó sobre el sistema de celdas de combustible microbiana se determinó que el potencial de producción es el requerido para proveer de energía necesaria a una vivienda, en consecuencia, esta forma de generar energía se convierte en una solución para las zonas no interconectadas a la red eléctrica en cualquier otra región. Una tecnología basada en bacterias puede generar electricidad, depurar aguas residuales y a la vez producir hidrogeno lo que la hace bastante atractiva para tratamientos de biorremediación in situ, generación de energía eléctrica y combustibles. Además esta tecnología es autóctona, no produce dióxido de carbono, no afecta directamente al ser humano y lo más importante la fuente primaria son por lo general desperdicios orgánicos producidos por los seres vivos, que habitualmente solo alteran el medio ambiente. 7. BIBLIOGRAFÍA Bacterias, fuente de energía para el futuro. (2012). 32, 118–143. Bioelectricidad, G. D. E., Con, M., Vacuno, E. D. E. G., De, M. C., Espoch, T., Shawny, A., Ríos, C., Dra, T., & Echeverría, M. (2016). ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO COMBUSTIBLE MICROBIANO , ESTACIÓN EXPERIMENTAL. 33 Celdas de Combustible Microbiana

34. Del, E., Identificación, D. E., En, D. E. E., Tipos, D. O. S., Alzate-gaviria, L., González, K., Peraza, I., García, O., Domínguez-maldonado, J., Vázquez, J., & Canto-canché, M. T. B. (2010). CONFIGURACIÓN EN EL ÁNODO. En, D. E. E., Combustible, C. D. E., Utilizando, M., Residual, A., Entre, A., Efect, E., Dist, D. E. L. A., & Efecto, D. (2011). Germán Buitrón * y Jaime Pérez. 14(1), 5–11. Esteve-núñez, A. (2008). Bacterias productoras de electricidad. No Title. (2018). Para, T., & El, O. (2018). “ PRODUCCIÓN DE ELECT RICIDAD EN CELDAS DE COMBUSTIBLE TIOSULFATO UTILIZANDO CEPAS DE. Revelo, D. M., & Hurtado, N. H. (2013). Celdas de Combustible Microbianas ( CCMs ): Un Reto para la Remoción de Materia Orgánica y la Generación de Energía Eléctrica Microbial Fuel Cells ( MFCs ): A Challenge for the Removal of Organic Matter and Electricity Generation. 24(6), 17–28. https://doi.org/10.4067/S0718-07642013000600004 Rica, D. E. C. (2018). Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Escuela de Química Evaluación de la generación eléctrica de una celda de. 34 Celdas de Combustible Microbiana