PRACTICA N12 MICROBIOTA FUEL CELL

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PRÁCTICA N°12
MICROBIAL FUEL CELL
I. RESUMEN
Las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs), convierten la energía química en
energía eléctrica gracias a la reacción catalítica de los microorganismos. Como ya
sabemos una Microbial Fuel Cell tiene un ánodo y un cátodo separados por una
membrana de cationes.
Se realizó una comparación de dos tipos de Microbial Fuel Cell (MFC) que en este
caso fue pilas de combustible tubular y Stacked Microbial Fuel Cell evaluando la
eficacia y el rendimiento para el tratamiento de aguas residuales. En el siguiente
trabajo de investigación resultó ser más eficaz Stacked Microbial Fuel Cell ya que su
rendimiento es más óptimo.
II. INTRODUCCIÓN
Desde hace varios años se sabe que las bacterias pueden ser utilizadas para generar
electricidad. Entonces, es interesante, llevar a cabo la degradación de la materia
orgánica presente en las aguas residuales y al mismo tiempo generar electricidad. Esto
puede lograrse con las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs), la cual es una
tecnología que aún está en exploración y que promete ser el punto de partida de
muchas aplicaciones como la depuración de aguas.1
Las celdas de combustible biológicas son dispositivos bio-electroquímicos, donde
generalmente el ánodo (a veces el cátodo o ambos) contienen microorganismos que
son capaces de generar y mantener un gradiente electroquímico que se utiliza para
generar energía eléctrica. En otras palabras, son dispositivos que utilizan
microorganismos para convertir energía química en un sustrato de energía eléctrica,
llevándolo a ciertas condiciones, en la cual algunos microorganismos transfieren los
electrones producidos en su actividad metabólica a un electrodo (ánodo) en lugar de
un aceptor natural de electrones (oxígeno). Puesto que utilizan microorganismos que
transforman la energía química que se encuentra en compuestos orgánicos en energía
eléctrica, de forma directa, sin combustión. 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, ya que
convierte un sustrato biodegradable directamente a electricidad.2
Las partes de una Celda de Combustible Microbiana son:
- ÁNODO
Aquí las bacterias catalizan la oxidación del sustrato y liberan electrones como
resultado de la respiración. Este electrodo se ubica en la cámara anódica, la
cual se debe encontrar libre de presencia de oxígeno, puesto que, este último
actuaría como aceptor final de electrones de la respiración microbiana,
resultando una menor generación de energía.2
- CÁTODO
Es el lugar donde llegan los electrones que fueron transportados por el circuito
externo. Posteriormente, se unen con los protones, que se difunden a través de
la membrana de intercambio; y, con el oxígeno presente en la cámara, se da la
formación de agua.2
- MEMBRANA DE INTERCAMBIO
Se utiliza para evitar que el oxígeno (u otro agente oxidante) compita con el
ánodo como aceptor final de los electrones. Asimismo, separa físicamente la
cámara anódica, donde los organismos crecen y la cámara catódica, donde los
electrones reaccionan con el catolito.2
- SUSTRATOS
El uso de sustratos complejos en una CCM es de gran interés porque, además
de ser fuentes de energía, estos se pueden degradar 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.2
- MICROORGANISMOS
El empleo de microorganismos representa un método digno de ser estudiado
para la producción de bio-energía, puesto que las bacterias se auto reproducen,
haciendo que el catalizador para la oxidación de la materia orgánica sea auto
sostenible.2.
En el siguiente trabajo se tratará sobre dos tipos de CCMs o MFC (siglas en inglés):
MFC tubular y MFC apilado, en los que se analizará sus tipos de celda, sustratos,
microorganismos, electrodos, membrana y rendimiento, dándose una sugerencias al
final, de acuerdo a las desventajas de cada uno.
III. OBJETIVOS
❖ Describir y evaluar el funcionamiento, usos, componentes y rendimiento de
las pilas tubular MFC y stacked MFC.
❖ Comparar la eficacia e importancia de ambas pilas (tubular MFC y stacked
MFC).
IV. DESARROLLO
Tubular Microbial fuel cell -TMFC
1. SUSTRATO
Usualmente se emplean sustratos biodegradables como en cualquier tipo de
MFC, por ejemplo:
● Acetato, el cual genera un aumento de corriente, sin embargo, necesita
acumulación y adaptación de biomasa.
● Glucosa, que ocasiona una menor producción de energía. Interviene
como donador de electrones para que las bacterias puedan empezar a
transferir electrones.
Otros sustratos usados son las aguas residuales domésticas y aguas residuales
hospitalarias.3
Las aguas residuales domésticas son procedentes de zonas de vivienda
generadas por el metabolismo humano y las actividades domésticas.3
Las aguas hospitalarias contienen microorganismos patógenos y sustancias de
diversa toxicidad como fármacos, productos de higiene personal y
desinfectantes, por lo que su vertido sin un tratamiento adecuado constituye un
importante problema medioambiental.3
El objetivo que tienen los sustratos en una pila de combustible microbiana es
usarlo como combustible para la producción de energía eléctrica a partir de
energía química.4
2. MICROORGANISMOS
El Geobacter sulfurreducens es usado en los MFC por su presencia en la biota
de suelos como en sedimentos anaerobios. Se puede obtener electricidad de esta
bacteria a partir de su simple contacto con un ánodo.3
● Afluente: se utilizan afluentes sintéticos como plantas de procesamiento
donde se aumenta el contenido de sustratos para alcanzar altas tasas de
carga del reactor. Este se alimenta a gran velocidad al compartimiento del
ánodo. Se debe pre-filtrar las aguas residuales para eliminar sólidos
suspendidos antes de adicionarlo al reactor.3
● Efluentes: como efluente se usan aguas residuales, sin embargo, la
producción con estos efluentes es menor que la producción de afluentes
sintéticos. La Demanda Química de Oxígeno (DQO) se restringe porque se
hace uso de aceptores de electrones alternativos y consecuentemente hay
acumulación de biomasa en los reactores.3
3. ELECTRODOS
Para llevar y recibir energía se usarán dos electrodos donde tendrá lugar el paso
de electrones y ocurrirán los procesos de oxidación (ánodo) y reducción
(cátodo).3
A. Ánodo (grafito granular): Funciona como matriz de electrodos anódicos.
lo que produce una disminución de volumen del líquido del reactor.3
B. Cátodo (ferricianuro): Es el electrodo donde hay ganancia de
electrones.3 Como cátodos alternativos en la actualidad se han propuesto
catalizadores libres de metales nobles que utilizan hierro (II) pirolizado,
ftalocianina, porfirinas o espinelas. El cátodo debe ser debidamente
elegido ya que afecta en gran medida al rendimiento.3
Las bacterias transfieren los electrones obtenidos de su donante (glucosa) hacia
un ánodo, posteriormente, se conducen a través de una resistencia hacia un
cátodo donde se reduce el oxígeno.3
4. TIPO DE CELDA:
Figura 2. Configuración de un tubular MFC.3 Una celda de combustible
microbiana continua (MFC) tubular, de una sola cámara, que genera salidas de
alta potencia utilizando una matriz de grafito granular como ánodo y una
solución de ferricianuro como cátodo.
Células de combustible microbianas. Los reactores estaban compuestos por una
robusta membrana de intercambio catiónico (Ultrex CMI7000, Membranes
International, Inc.), que se plegó y selló mediante soldadura para proporcionar
una estructura cilíndrica. Se insertaron dos tapones de vidrio, cada uno con dos
entradas / salidas a ambos lados de este cilindro. Generalmente, el volumen
interior total del compartimento del ánodo (TAC) fue de 390 ml, con la
excepción de un reactor alimentado con acetato de larga duración que tiene un
volumen de560 ml. El reactor se llenó con gránulos de grafito, que funciona
como electrodematriz anódica. Los gránulos tienen una porosidad de 0,53. Esto
redujo el volumen de líquido del reactor (NAC) a 210 ml. El contacto externo se
proporcionó a través de una varilla de grafito (5 mm de diámetro). El
compartimento de ánodos se inoculó con un cultivo bacteriano obtenido de una
pila de combustible microbiana activa. Una recirculación de ánodo a 6 L h-1 se
aplicó mediante una bomba peristáltica. El cátodo constaba de un tapete de
grafito tejido de gran superficie estrechamente emparejado alrededor de la
membrana. El catolito goteo sobre el cátodo a una velocidad de 6 L h-1 y es
reemplazado antes o después del agotamiento.3
5. MEMBRANA:
Se utilizó una robusta membrana de intercambio catiónico (Ultrex CMI7000,
Membranes International, Inc.).3 La membrana de intercambio catiónico permite
el intercambio de gases con el compartimiento del cátodo.3
6. RENDIMIENTO:
Las potencias máximas obtenidas fueron 90 y 66 W/m3 compartimento anódico
neto (NAC) (48 y 38 W/m3 compartimento anódico total (TAC) para corrientes
de alimentación basadas en acetato y glucosa, respectivamente, y 59 y 48 W/m3
NAC para efluentes de digestor y aguas residuales domésticas,
respectivamente.3 Para el acetato y la glucosa, las eficiencias totales de
conversión de Coulombic fueron 75 (5%) y 59 (4%), respectivamente, a tasas de
carga de 1,1 kg de demanda química de oxígeno/m3, volumen NAC/Día .
Cuando se utilizaron aguas residuales, la materia orgánica se eliminó
eficazmente (es decir, 22% a una carga de 2 kg de materia orgánica/m3
NAC/Dia), hasta el 96% se convirtió en electricidad sobre una base Coulombic.3
7. MEJORAS SUGIEREN:
La menor eficiencia general de los reactores de tratamiento de aguas residuales
está relacionada con la presencia de compuestos orgánicos no fácilmente
biodegradables y la interferencia de aceptores de electrones alternativos como el
sulfato presente en las aguas residuales.3 Para mejorar aún más los MFC, se
debe centrar la atención en la conversión mejorada de material no rápidamente
biodegradable y en la mejor dirección del flujo del ánodo hacia el electrodo en
lugar de hacia aceptores de electrones alternativos. También el uso de
sostenibles, abiertos y los cátodos de aire son un tema crítico para la
implementación práctica.
Proporcionar catalizadores dentro de la matriz del electrodo puede disminuir el
sobrepotencial de activación, además, se sugiere no añadir al medio compuestos
móviles o transportadores producidos por bacterias ya que no será
económicamente viable.3
Electrodos sostenibles y eficientes. Aunque estable y robusto, el cátodo
utilizado en estos experimentos no fue sostenible. La K3Fe (CN)6 reoxida mal
con oxígeno y necesita ser reemplazado con regularidad. Catalizado al aire libre
es necesario desarrollar cátodos. Actualmente, el Pt se utiliza ampliamente
como catalizador en cátodos al aire libre. Sin embargo, este catalizador es un
topoisoning extremadamente sensible y caro. Se necesitan materiales
alternativos con alta estabilidad.3
Stacked Microbial fuel cell-SMFC
1. SUSTRATO
Para la Stacked Microbial fuel cells se utiliza generalmente lodo activado,5
pero también se pueden usar diferentes sustratos sintéticos, como por ejemplo,
para el ánodo se puede utilizar acetato y ferricianuro para el cátodo de acuerdo
al artículo donde se evaluó la eficiencia de electricidad y tratamiento de agua
residuales utilizando la SMFC.6 De igual forma, depende del enfoque que se le
da al sistema o en qué se está utilizando. En el caso del SMFC, el tratamiento
de aguas residuales es una de sus aplicaciones más comunes, por lo que el
agua residual o efluentes de diferentes industrias pueden ser usados como
sustrato, tal y como en el trabajo de Yuvraj y Aranganathan,7 donde se utilizó
el efluente de una cervecería para el funcionamiento de la SMFC.
2. MICROORGANISMOS
Por lo general para la SMFC se utiliza una comunidad microbiana de lodos.5
Por ejemplo, Yuvraj y Aranganathan 7 utilizaron la bacteria Klebsiella
pneumoniae proveniente de las aguas residuales que había recolectado, siendo
escogida debido a sus características como reductora de hierro y la cual
inoculó en la cámara del ánodo.
3. ELECTRODOS
Las cámaras de electrodos se fabricaron como estrechas y planas para reducir
las distancias de transferencia de electrones y poder apilarse fácilmente juntos
a una dimensión mayor. Tanto el cátodo como el ánodo utilizan como material
la tela de carbono.6
A. Ánodo
En este electrodo ocurre la oxidación, el ánodo tiene una característica
muy particular, esta es la formación de biofilm esto ocurre cuando el
material del ánodo tiene una gran compatibilidad con el
microorganismo.8 Lo anterior mencionado facilita el transporte de
electrones del circuito externo para posteriormente encontrarse con la
cámara catódica.8
B. Cátodo
En el cátodo ocurren la mayoría de reacciones (reducción de
compuestos orgánicos, la reducción de la demanda química de oxígeno
(DQO) la formación de biopelículas y la producción de hidrógeno.5 En
este electrodo también se utilizan organismos vivos.5
Por ejemplo, Shijia Wu et al.6 usó agua residual sintética como medio anódico
para asegurar una condición de trabajo estable en el sistema. Y, tanto en las
cámaras del ánodo como en el biocátodo, hechos con materiales de lecho,
fueron rellenados con gránulos de carbón activado para aumentar la superficie
disponible y proporcionar más sitios activos para la unión de biopelículas
(capa de bacterias o microbios que se adhieren a una superficie) de manera
que la biomasa aumentaría y junto a ella, el rendimiento cinético de los
electrodos.6
4. TIPO DE CELDA
La Stacked MFC o MFC apilado consiste en una combinación de MFC que
están acoplados como se observa en la figura 3 El MFC apilado (SMFC)
contiene cierto número de cámaras de ánodo y de cátodo, esto varía
dependiendo el experimento y la cantidad de potencia que se desea alcanzar u
obtener, ya que entre más cámaras de ánodo y cátodo contenga la pila, es
posible que haya más potencia.9 Está cantidad de cámaras puede variar de
acuerdo al objetivo específico que se quiere lograr en determinado
experimento como por ejemplo en el artículo donde se evaluó la eficiencia de
electricidad y tratamiento de agua residuales utilizando la SMFC (Wu, Li,
Zhou, Liang, Zhang, Jiang y Huang, 2016) se trabajó con tres cámaras de ánodo,
tres cámaras del cátodo y dos placas ciegas del mismo tamaño, todas ellas
hechas de cloruro de polivinilo y fijadas transversalmente entre sí mediante
pernos de acero inoxidable.6La SMFC se puede apilar de dos maneras, en
paralelo y en serie. Estas dos formas ayudan a mejorar la salida de potencia, ya
que al conectar varios MFC se multiplica la salida de potencia o salida de
corriente. Existen algunas condiciones que pueden ocasionar ciertas
variaciones al momento de generar una SMFC, estos diversos factores pueden
generar un cambio en el rendimiento general del SMFC algunos de estos
factores son: el pH, temperatura y velocidad de avance.9 Por otro lado, al
momento de apilar MFC puede existir una disminución de voltajes de las
celdas individuales y esto se debe a que al momento de apilar y conectar las
celdas, estas sufren una pérdida de voltaje. Según estudios se demostró que la
SMFC paralela es mucho más eficaz que la SMFC en serie, es decir que se
logra una mayor velocidad de reacción bioelectroquímica que en los SMFC
conectados en serie, lo que ocasiona que haya mayor producción de corriente
en la forma paralela, además esta forma es más eficaz al momento de realizar
el tratamiento de aguas residuales.9
5. MEMBRANA
La configuración de la pila debe poseer áreas de membrana de intercambio
iónico para facilitar la eficiencia del transporte de iones. La membrana es
específica dependiendo el uso o el objetivo que quieras alcanzar al momento
de aplicarla la SMFC, esta es fabricada y comercializada por distintas
empresas.6
6. RENDIMIENTO
Dentro de los desafíos y limitacionesde las MFC se encuentra el de la alta
resistencia interna, lo cual, genera que los electrodos requieran de voltaje para
realizar la transferencia de electrones a través del circuito.5 En este sentido,
las celdas de combustible microbial en forma apilada se presentan como una
buena opción para reducir esta resistencia y que a su vez, ayudará a mejorar la
potencia del sistema. Benedict et al.5 proponía que para reducir la resistencia
interna, se podría emplear el tipo apilado con menos distancia entre los
electrodos, lo cual, fue corroborado y tomado en cuenta en el trabajo de Shi Jia
Wu et al.6, quién se basó en esa idea para diseñar la Stacked MFC, usando
cámaras de electrodos estrechas y planas para reducir la distancia de la
transferencia de electrones y a su vez disminuir específicamente la resistencia
óhmica. Al final, logró obtener resultados satisfactorios de la densidad de
potencia, y además obtuvo un voltaje estable en el sistema durante cierto
tiempo 6, lo cual era una limitación en los microbial fuel cell comunes según
Benedict et al.5 Por otro lado, existen también otras ideas de mejora de
potencia para los SMFC, que de por sí, siempre tienen un mayor valor que uno
de cámara simple o doble cámara, sin embargo, se busca continuamente
mejorar esa característica para aplicaciones grandes industrialmente. Yuvraj y
Aranganathan 7 realizaron una comparación de SMFC conectadas en serie,
paralelo y serie-paralelo con respecto a la generación de energía y voltaje,
obteniendo que las MFC apiladas en una combinación de serie y paralelo
tienen un valor mínimo de resistencia interna y un valor alto de densidad de
potencia a comparación que los MFC apilado en serie y paralelo
individualmente. De igual forma, entre estos dos últimos sistemas, el que
arrojó resultados menores de resistencia interna y altos en la potencia fue el
SMFC apilado en paralelo. Además, se evaluó la eficiencia de estos tres
sistemas en el tratamiento de agua residuales de cervecería mediante la
eliminación de DQO en el efluente, donde, nuevamente, la configuración
serie-paralelo mostró una mayor eficiencia de reducción (81%) que la
conexión en serie y paralelo (56 y 69% respectivamente).7
7. MEJORAS SUGIEREN
Como se mencionó antes, Shijia Wu et al. 6 logró obtener inicialmente un
voltaje similar entre los cinco módulos MFC, pero luego de 2 meses de
funcionamiento tuvo una variación, es decir, que las diferencias de
rendimiento electroquímico entre los cinco módulos de MFC aumentaron con
el tiempo. En este caso, una sugerencia sería poder desarrollar sistemas de
SMFC enfocadas en el problema de la inestabilidad del voltaje entre las celdas
a largo plazo, ya que, según Benedict et al.5 La estabilidad del voltaje es
necesaria e importante para obtener una buena densidad de potencia. De lo
contrario, afectaría el rendimiento del sistema. Shijia Wu et al.6 menciona en
su trabajo que este problema genera también el fenómeno de corriente de
inversión y el aumento de la resistencia externa, aspectos desfavorables, para
la eficacia del sistema.
Asimismo, se podría realizar investigaciones enfocadas también en el diseño
de SMFC o métodos para estos, en función de evitar que ocurra el fenómeno
de inversión de voltaje, ya que eso también genera una gran disminución de la
densidad de potencia, tal y como se hizo en el trabajo de Yuvraj y
Aranganathan7 donde se emplearon condensadores para contrarrestar la
inversión de voltaje en los MFC apilados, manteniendo el voltaje estable y al
máximo.
De todos formas, cabe recalcar que esto también depende de los objetivos de
cada investigación y de la rentabilidad de materiales, puesto que unos sistemas
suelen ser más económicos que otros, lo que también fue analizado en otros
artículos.
CONCLUSIONES
● Las pilas de combustible microbianas tubular, alimentadas con acetato,
aumentó drásticamente la generación de corriente basada en acetato después
de una fase de retraso de 100 h, lo que demuestra la necesidad de acumulación
y adaptación de biomasa, mientras que en las pilas de combustible
microbianas alimentadas con glucosa, fue generalmente menor que la de los
reactores alimentados con acetato. Finalmente de las pilas de combustible
microbianas alimentadas con efluentes de aguas residuales y digestor, la
producción proporcionada por el TMFC alimentado con aguas residuales fue
generalmente menor que la producción de los afluentes sintéticos.
● Concluimos que la Stacked Microbial fuel cell presenta un buen rendimiento
en cuanto a la densidad de potencia y voltaje del sistema a comparación de
otras pilas, siendo el MFC apilado en serie-paralelo el diseño que tiene
posiblemente los mejores resultados entre las distintas configuraciones de
SMFC, y lo que permite que se presenten como una buena opción para el
tratamiento de agua residuales.
● Ambas pilas (tubular MFC y stacked MFC) son muy eficaces para el
tratamiento de aguas residuales, sin embargo, a parte de presentar diferencias
en la configuración de su diseño (membranas, electrodos, tipo de celda, etc)
difieren también en cuanto a ciertas características del rendimiento del
sistema, que son: la potencia de voltaje y la estabilidad del mismo, siendo el
stacked MFC el que presenta valores más óptimos con respecto a estos dos
aspectos.
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