Un reactor bioelectroquímico es un tipo de biorreactor donde se utilizan procesos bioelectroquímicos para degradar / producir materiales orgánicos utilizando microorganismos. [1] Este biorreactor se divide en dos partes: el ánodo , donde tiene lugar la reacción de oxidación ; Y el cátodo , donde se produce la reducción . En estos sitios, los electrones pasan hacia y desde los microbios para reducir la potencia de los protones, descomponer los desechos orgánicos u otros procesos deseados. [2] Se utilizan en electrosíntesis microbiana , remediación ambiental yconversión de energía electroquímica . Ejemplos de reactores bioelectrochemical incluyen células microbianas de electrólisis , células de combustible microbianas , células de biocombustible enzimáticos , electrólisis células, células electrosíntesis microbianas , y biobatteries . [3] [4]
Principios
La corriente de electrones es inherente al metabolismo microbiano. Los microorganismos transfieren electrones de un donante de electrones (especies de menor potencial) a un aceptor de electrones (especies de mayor potencial). Si el aceptor de electrones es un ion o una molécula externos, el proceso se llama respiración. Si el proceso es interno, la transferencia de electrones se llama fermentación. El microorganismo intenta maximizar su ganancia de energía seleccionando el aceptor de electrones con el mayor potencial disponible. En la naturaleza, se reducen principalmente los minerales que contienen óxidos de hierro o manganeso. A menudo, los aceptores de electrones solubles se agotan en el entorno microbiano. El microorganismo también puede maximizar su energía seleccionando un buen donante de electrones que se pueda metabolizar fácilmente. Estos procesos se realizan mediante transferencia de electrones extracelulares (EET). [5] La ganancia de energía teórica ΔG para los microorganismos se relaciona directamente con la diferencia de potencial entre el aceptor de electrones y el donante. Sin embargo, ineficiencias como la resistencia interna disminuirán esta ganancia de energía. [6] La ventaja de estos dispositivos es su alta selectividad en procesos de alta velocidad limitados por factores cinéticos.
Las especies más estudiadas son Shewanella oneidensis y Geobacter sulfurreducens . [7] [8] Sin embargo, se han estudiado más especies en los últimos años. [9]
El 25 de marzo de 2013, los científicos de la Universidad de East Anglia pudieron transferir carga eléctrica al permitir que las bacterias toquen una superficie de metal o mineral. La investigación muestra que es posible "atar" las bacterias directamente a los electrodos. [10]
Historia
En 1911, M. Potter describió cómo las conversiones microbianas podían crear energía reductora y, por lo tanto, corriente eléctrica. Veinte años después, Cohen (1931) investigó la capacidad de las bacterias para producir un flujo eléctrico y señaló que la principal limitación es la pequeña capacidad de generación de corriente en los microorganismos. Berk y Canfield (1964) no construyeron la primera pila de combustible microbiana (MFC) hasta los años 60.
Actualmente, la investigación de reactores bioelectroquímicos está aumentando. Estos dispositivos tienen aplicaciones reales en campos como el tratamiento de agua, [11] producción y almacenamiento de energía, producción, reciclaje y recuperación de recursos.
Aplicaciones
Tratamiento de aguas
Los reactores bioelectroquímicos están encontrando una aplicación en entornos de tratamiento de aguas residuales. Los procesos actuales de lodos activados son ineficaces en cuanto a energía y costes debido al mantenimiento de los lodos, las necesidades de aireación y las necesidades energéticas. Mediante el uso de un reactor bioelectroquímico que utiliza el concepto de filtrado por goteo , se pueden abordar estas ineficiencias. [12] Mientras se procesan las aguas residuales con este reactor, la nitrificación, desnitrificación y eliminación de materia orgánica tienen lugar simultáneamente en condiciones aeróbicas y anaeróbicas utilizando múltiples microbios diferentes ubicados en el ánodo del sistema. Aunque los parámetros de procesamiento del reactor afectan la composición general de cada microbio, el género Geobacter y el género Desulfuromonas se encuentran con frecuencia en estas aplicaciones. [12]
En la cultura popular
- En Final Fantasy: The Spirits Within , los soldados usan mochilas eléctricas basadas en bacterias.
Ver también
Referencias
- ^ Krieg, Thomas; Madjarov, Joana (13 de abril de 2018). "Reactores para electrobiotecnología microbiana" (PDF) . Adv Biochem Eng Biotechnol . 167 : 231-272.
- ^ Krieg T, Sydow A, Schröder U, Schrader J, Holtmann D (diciembre de 2014). "Conceptos de reactores para síntesis bioelectroquímica y conversión de energía". Tendencias en biotecnología . 32 (12): 645–55. doi : 10.1016 / j.tibtech.2014.10.004 . PMID 25457389 .
- ^ Rabaey K, Angenent L, Schroder U, Keller J, eds. (2010). Sistemas bioelectroquímicos: de la transferencia de electrones extracelulares a la aplicación biotecnológica . Londres: IWA Publishing. ISBN 978-1-84339-233-0.
- ^ Kuntke P, Smiech KM, Bruning H, Zeeman G, Saakes M, Sleutels TH, et al. (Mayo de 2012). "Recuperación de amonio y producción de energía a partir de la orina mediante una pila de combustible microbiana". Investigación del agua . 46 (8): 2627–36. doi : 10.1016 / j.watres.2012.02.025 . PMID 22406284 .
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- ^ Heijnen JJ; Flickinger MC; Dibujó SW (1999). Tecnología de bioprocesos: fermentación, biocatálisis y bioseparación . Nueva York: JohnWiley & Sons, Inc. págs. 267–291. ISBN 978-0-471-13822-8.
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- ^ ¿ Limpiar la electricidad de las bacterias? Los investigadores logran un gran avance en la carrera para crear 'bio-baterías' Sciencedaily , 25 de marzo de 2013
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enlaces externos
- Sasaki K, Morita M, Sasaki D, Hirano S, Matsumoto N, Ohmura N, Igarashi Y (enero de 2011). "Comunidades metanogénicas sobre los electrodos de reactores bioelectroquímicos sin membranas". Revista de Biociencia y Bioingeniería . 111 (1): 47–9. doi : 10.1016 / j.jbiosc.2010.08.010 . PMID 20840887 .
- Ghafari S, Hasan M, Aroua MK (2009). "Remediación de nitratos en un nuevo reactor bio-electroquímico de flujo ascendente (UBER) utilizando carbón activado de cáscara de palma como material de cátodo". Electrochimica Acta . 54 (17): 4164–71. doi : 10.1016 / j.electacta.2009.02.062 .
- Goel RK, Flora JR (2005). "Nitrificación secuencial y desnitrificación en un reactor bioelectroquímico de crecimiento unido a células divididas". Ciencias de la Ingeniería Ambiental . 22 (4): 440–9. doi : 10.1089 / ees.2005.22.440 .
- Watanabe T, Jin HW, Cho KJ, Kuroda M (2004). "Aplicación de un proceso de reactor bioelectroquímico al tratamiento directo de aguas residuales de decapado de metales que contienen metales pesados y nitrato de alta resistencia". Ciencia y Tecnología del Agua . 50 (8): 111–8. doi : 10.2166 / wst.2004.0501 . PMID 15566194 .