La pila de combustible microbiana ( MFC ) es un tipo de sistema de pila de combustible bioelectroquímica [1] que genera corriente eléctrica al desviar los electrones producidos por la oxidación microbiana de compuestos reducidos (también conocidos como combustible o donador de electrones ) en el ánodo a compuestos oxidados (también conocidos como agente oxidante o aceptor de electrones ) en el cátodo a través de un circuito eléctrico externo . Los MFC se pueden agrupar en dos categorías generales: mediadas y no mediadas. Los primeros MFC, demostrados a principios del siglo XX.siglo, utilizó un mediador: una sustancia química que transfiere electrones de las bacterias en la célula al ánodo. Los MFC sin mediación surgieron en la década de 1970; en este tipo de MFC, las bacterias suelen tener proteínas redox electroquímicamente activas , como citocromos, en su membrana externa que pueden transferir electrones directamente al ánodo. [2] [3] En los 21 st MFC siglo han comenzado a encontrar su uso comercial en el tratamiento de aguas residuales. [4]
Historia
La idea de utilizar microbios para producir electricidad se concibió a principios del siglo XX. Michael Cressé Potter inició el tema en 1911. [5] Potter logró generar electricidad a partir de Saccharomyces cerevisiae , pero el trabajo recibió poca cobertura. En 1931, Barnett Cohen creó medias celdas de combustible microbianas que, cuando se conectaban en serie, eran capaces de producir más de 35 voltios con solo una corriente de 2 miliamperios . [6]
Un estudio de DelDuca et al. utilizó hidrógeno producido por la fermentación de glucosa por Clostridium butyricum como reactivo en el ánodo de una pila de combustible de hidrógeno y aire. Aunque la célula funcionaba, no era confiable debido a la naturaleza inestable de la producción de hidrógeno por parte de los microorganismos. [7] Este problema fue resuelto por Suzuki et al. en 1976, [8] quien produjo un exitoso diseño de MFC un año después. [9]
A finales de la década de 1970, se sabía poco sobre cómo funcionaban las pilas de combustible microbianas. El concepto fue estudiado por Robin M. Allen y más tarde por H. Peter Bennetto. La gente vio la pila de combustible como un posible método para la generación de electricidad para los países en desarrollo. El trabajo de Bennetto, que comenzó a principios de la década de 1980, ayudó a comprender cómo funcionan las celdas de combustible y fue visto por muchos [ ¿quién? ] como la máxima autoridad del tema.
En mayo de 2007, la Universidad de Queensland , Australia, completó un prototipo de MFC como un esfuerzo cooperativo con Foster's Brewing . El prototipo, un diseño de 10 L, convirtió las aguas residuales de la cervecería en dióxido de carbono, agua limpia y electricidad. El grupo tenía planes de crear un modelo a escala piloto para una próxima conferencia internacional de bioenergía. [10]
Definición
Una célula de combustible microbiana (MFC) es un dispositivo que convierte la energía química a energía eléctrica por la acción de microorganismos . [11] Estas celdas electroquímicas se construyen utilizando un bioanodo y / o un biocátodo. La mayoría de los MFC contienen una membrana para separar los compartimentos del ánodo (donde tiene lugar la oxidación) y el cátodo (donde tiene lugar la reducción). Los electrones producidos durante la oxidación se transfieren directamente a un electrodo oa una especie mediadora redox . El flujo de electrones se traslada al cátodo. El equilibrio de carga del sistema se mantiene mediante el movimiento iónico dentro de la célula, generalmente a través de una membrana iónica. La mayoría de los MFC utilizan un donante de electrones orgánico que se oxida para producir CO 2 , protones y electrones. Se han reportado otros donantes de electrones, como compuestos de azufre o hidrógeno. [12] La reacción del cátodo utiliza una variedad de aceptores de electrones, con mayor frecuencia oxígeno (O 2 ). Otros aceptores de electrones estudiados incluyen la recuperación de metales por reducción, [13] agua a hidrógeno, [14] reducción de nitratos, [15] [16] y reducción de sulfatos.
Aplicaciones
Generación de energía
Los MFC son atractivos para aplicaciones de generación de energía que solo requieren poca energía, pero donde reemplazar las baterías puede ser poco práctico, como las redes de sensores inalámbricos. [17] [18] [19] Los sensores inalámbricos, alimentados por pilas de combustible microbianas, se pueden utilizar, por ejemplo, para el control remoto (conservación). [20]
Prácticamente cualquier material orgánico podría usarse para alimentar la celda de combustible, incluidas las celdas de acoplamiento a las plantas de tratamiento de aguas residuales . Las aguas residuales de procesos químicos [21] [22] y las aguas residuales sintéticas [23] [24] se han utilizado para producir bioelectricidad en MFC (electrodos de grafito sin recubrimiento) sin mediador de cámara doble y única.
Se observó una mayor producción de energía con un ánodo de grafito cubierto con biopelícula . [25] [26] Las emisiones de las pilas de combustible están muy por debajo de los límites reglamentarios. [27] Los MFC convierten la energía de manera más eficiente que los motores de combustión interna estándar , que están limitados por la eficiencia de Carnot . En teoría, un MFC es capaz de lograr una eficiencia energética muy superior al 50%. [28] Rozendal obtuvo una conversión de energía en hidrógeno 8 veces mayor que la de las tecnologías convencionales de producción de hidrógeno.
Sin embargo, los MFC también pueden funcionar a menor escala. En algunos casos, los electrodos solo necesitan tener un grosor de 7 μm por 2 cm de largo, [29] de modo que un MFC pueda reemplazar una batería. Proporciona una forma de energía renovable y no necesita recargarse.
Los MFC funcionan bien en condiciones suaves, de 20 ° C a 40 ° C y también a un pH de alrededor de 7. [30] Carecen de la estabilidad necesaria para aplicaciones médicas a largo plazo, como los marcapasos .
Las centrales eléctricas pueden basarse en plantas acuáticas como las algas. Si se ubica junto a un sistema de energía existente, el sistema MFC puede compartir sus líneas eléctricas. [31]
Educación
Las pilas de combustible microbianas basadas en el suelo sirven como herramientas educativas, ya que abarcan múltiples disciplinas científicas (microbiología, geoquímica, ingeniería eléctrica, etc.) y se pueden fabricar utilizando materiales comúnmente disponibles, como suelos y elementos del refrigerador. Hay disponibles kits para proyectos de ciencias en el hogar y aulas. [32] Un ejemplo de las pilas de combustible microbianas que se utilizan en el aula es el plan de estudios IBET (Biología Integrada, Inglés y Tecnología) de la Escuela Secundaria de Ciencia y Tecnología Thomas Jefferson . También se encuentran disponibles varios videos y artículos educativos sobre la Sociedad Internacional de Electroquímica y Tecnología Microbianas (Sociedad ISMET) " [33] ".
Biosensor
La corriente generada a partir de una pila de combustible microbiana es directamente proporcional al contenido de materia orgánica de las aguas residuales utilizadas como combustible. Los MFC pueden medir la concentración de soluto de las aguas residuales (es decir, como biosensor ). [34]
Las aguas residuales se evalúan comúnmente por sus valores de demanda bioquímica de oxígeno (DBO). [se necesita aclaración ] Los valores de DBO se determinan incubando muestras durante 5 días con una fuente adecuada de microbios, generalmente lodos activados recolectados de plantas de aguas residuales.
Un sensor de DBO de tipo MFC puede proporcionar valores de DBO en tiempo real. El oxígeno y el nitrato interfieren con los aceptores de electrones preferidos sobre el ánodo, lo que reduce la generación de corriente de un MFC. Los sensores de DBO de MFC subestiman los valores de DBO en presencia de estos aceptores de electrones. Esto se puede evitar inhibiendo la respiración aeróbica y de nitratos en el MFC usando inhibidores de oxidasa terminal como cianuro y azida . [35] Estos sensores de DBO están disponibles comercialmente.
La Marina de los Estados Unidos está considerando celdas de combustible microbianas para sensores ambientales. El uso de pilas de combustible microbianas para alimentar sensores ambientales podría proporcionar energía durante períodos más largos y permitir la recopilación y recuperación de datos submarinos sin una infraestructura cableada. La energía creada por estas pilas de combustible es suficiente para sostener los sensores después de un tiempo de arranque inicial. [36] Debido a las condiciones submarinas (altas concentraciones de sal, temperaturas fluctuantes y suministro limitado de nutrientes), la Marina puede desplegar MFC con una mezcla de microorganismos tolerantes a la sal. Una mezcla permitiría una utilización más completa de los nutrientes disponibles. Shewanella oneidensis es su principal candidata, pero puede incluir otras Shewanella spp tolerantes al calor y al frío . [37]
Se ha desarrollado un primer biosensor DBO / DQO autoalimentado y autónomo que permite detectar contaminantes orgánicos en agua dulce. El sensor depende solo de la energía producida por los MFC y funciona continuamente sin mantenimiento. El biosensor enciende la alarma para informar sobre el nivel de contaminación: la frecuencia aumentada de la señal advierte sobre un nivel de contaminación más alto, mientras que una frecuencia baja informa sobre un nivel de contaminación bajo. [38]
Biorrecuperación
En 2010, A. ter Heijne et al. [39] construyó un dispositivo capaz de producir electricidad y reducir los iones Cu 2+ a cobre metálico.
Se ha demostrado que las células de electrólisis microbiana producen hidrógeno. [40]
Tratamiento de aguas residuales
Los MFC se utilizan en el tratamiento del agua para recolectar energía mediante la digestión anaeróbica . El proceso también puede reducir los patógenos. Sin embargo, requiere temperaturas superiores a los 30 grados C y requiere un paso adicional para convertir el biogás en electricidad. Los espaciadores en espiral se pueden utilizar para aumentar la generación de electricidad creando un flujo helicoidal en el MFC. Escalar los MFC es un desafío debido a los desafíos de salida de energía de una superficie más grande. [41]
Tipos
Mediado
La mayoría de las células microbianas son electroquímicamente inactivas. La transferencia de electrones desde las células microbianas al electrodo es facilitada por mediadores como tionina , metil viológeno , azul de metilo , ácido húmico y rojo neutro . [42] [43] La mayoría de los mediadores disponibles son costosos y tóxicos.
Sin mediadores
Las celdas de combustible microbianas libres de mediadores utilizan bacterias electroquímicamente activas para transferir electrones al electrodo (los electrones se transportan directamente desde la enzima respiratoria bacteriana al electrodo). Entre las bacterias electroquímicamente activas se encuentran Shewanella putrefaciens , [44] Aeromonas hydrophila [45] y otras. Algunas bacterias pueden transferir su producción de electrones a través de los pili en su membrana externa. Los MFC sin mediadores están menos caracterizados, como la cepa de bacterias utilizada en el sistema, el tipo de membrana de intercambio iónico y las condiciones del sistema (temperatura, pH, etc.)
Las pilas de combustible microbianas libres de mediadores pueden funcionar con aguas residuales y obtener energía directamente de ciertas plantas y O 2 . Esta configuración se conoce como pila de combustible microbiana vegetal. Posibles plantas incluyen caña sweetgrass , cordgrass , arroz, tomates, altramuces y algas . [46] [47] [48] Dado que la energía se deriva de plantas vivas ( producción de energía in situ ), esta variante puede proporcionar ventajas ecológicas.
Electrólisis microbiana
Una variación del MFC sin mediador es la celda de electrólisis microbiana (MEC). Mientras que los MFC producen corriente eléctrica mediante la descomposición bacteriana de compuestos orgánicos en el agua, los MEC invierten parcialmente el proceso para generar hidrógeno o metano aplicando un voltaje a las bacterias. Esto complementa el voltaje generado por la descomposición microbiana de los orgánicos, lo que lleva a la electrólisis del agua o la producción de metano. [49] [50] Una inversión completa del principio MFC se encuentra en la electrosíntesis microbiana , en la que las bacterias reducen el dióxido de carbono mediante una corriente eléctrica externa para formar compuestos orgánicos de múltiples carbonos. [51]
A base de suelo
Las células de combustible microbianas basadas en el suelo se adhieren a los principios básicos de MFC, por lo que el suelo actúa como medio anódico rico en nutrientes, el inóculo y la membrana de intercambio de protones (PEM). El ánodo se coloca a una profundidad particular dentro del suelo, mientras que el cátodo descansa sobre el suelo y se expone al aire.
Los suelos están naturalmente repletos de diversos microbios , incluidas las bacterias electrogénicas necesarias para los MFC, y están llenos de azúcares complejos y otros nutrientes que se han acumulado a partir de la descomposición del material vegetal y animal. Además, los microbios aeróbicos (consumidores de oxígeno) presentes en el suelo actúan como un filtro de oxígeno, al igual que los costosos materiales PEM utilizados en los sistemas MFC de laboratorio, que hacen que el potencial redox del suelo disminuya con una mayor profundidad. Los MFC basados en el suelo se están convirtiendo en herramientas educativas populares para las aulas de ciencias. [32]
Se han aplicado pilas de combustible microbianas de sedimentos (SMFC) para el tratamiento de aguas residuales . Los SMFC simples pueden generar energía mientras descontaminan las aguas residuales . La mayoría de estos SMFC contienen plantas que imitan los humedales artificiales. En 2015, las pruebas de SMFC habían alcanzado más de 150 L. [52]
En 2015, los investigadores anunciaron una aplicación SMFC que extrae energía y carga una batería . Las sales se disocian en iones cargados positiva y negativamente en el agua y se mueven y adhieren a los respectivos electrodos negativo y positivo, cargando la batería y permitiendo eliminar la sal que efectúa la desalinización capacitiva microbiana . Los microbios producen más energía de la necesaria para el proceso de desalinización. [53] En 2020, un proyecto de investigación europeo logró el tratamiento de agua de mar en agua dulce para consumo humano con un consumo de energía en torno a 0,5 kWh / m3, lo que representa una reducción del 85% en el consumo actual de energía con respecto a las tecnologías de desalinización más avanzadas. Además, el proceso biológico del que se obtiene la energía depura simultáneamente las aguas residuales para su vertido en el medio ambiente o su reutilización en usos agrícolas / industriales. Esto se ha conseguido en el centro de innovación en desalación que Aqualia ha abierto en Denia, España, a principios de 2020. [54]
Biopelícula fototrófica
Los MFC de biopelícula fototrófica (ner) utilizan un ánodo de biopelícula fototrófica que contiene microorganismos fotosintéticos como la clorofita y la candyanophyta . Realizan la fotosíntesis y, por lo tanto, producen metabolitos orgánicos y donan electrones. [55]
Un estudio encontró que los PBMFC muestran una densidad de potencia suficiente para aplicaciones prácticas. [56]
La subcategoría de MFC fototróficos que utilizan material fotosintético puramente oxigenado en el ánodo a veces se denomina sistemas fotovoltaicos biológicos . [57]
Membrana nanoporosa
El Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos desarrolló celdas de combustible microbianas de membrana nanoporosa que utilizan un material no PEM para generar difusión pasiva dentro de la celda. [58] La membrana es un filtro de polímero no poroso ( nailon , celulosa o policarbonato ). Ofrece densidades de potencia comparables a Nafion (un PEM bien conocido) con mayor durabilidad. Las membranas porosas permiten la difusión pasiva reduciendo así la energía necesaria suministrada al MFC para mantener el PEM activo y aumentando la producción total de energía. [59]
Los MFC que no utilizan una membrana pueden desplegar bacterias anaeróbicas en entornos aeróbicos. Sin embargo, los MFC sin membrana experimentan la contaminación del cátodo por las bacterias autóctonas y el microbio que suministra energía. La nueva difusión pasiva de membranas nanoporosas puede lograr los beneficios de un MFC sin membrana sin preocuparse por la contaminación del cátodo.
Las membranas nanoporosas también son once veces más baratas que Nafion (Nafion-117, $ 0,22 / cm 2 frente a policarbonato, <$ 0,02 / cm 2 ). [60]
Membrana de cerámica
Las membranas PEM se pueden reemplazar con materiales cerámicos. Los costos de las membranas cerámicas pueden ser tan bajos como $ 5.66 / m 2 . La estructura macroporosa de las membranas cerámicas permite un buen transporte de especies iónicas. [61]
Los materiales que se han empleado con éxito en los MFC cerámicos son loza de barro , alúmina , mullita , pirofilita y terracota . [61] [62] [63]
Proceso de generación
Cuando los microorganismos consumen una sustancia como el azúcar en condiciones aeróbicas, producen dióxido de carbono y agua . Sin embargo, cuando no hay oxígeno , producen dióxido de carbono, hidrones ( iones de hidrógeno ) y electrones , como se describe a continuación: [64]
- C 12 H 22 O 11 + 13H 2 O → 12CO 2 + 48H + + 48e -
( Ecuación 1 )
Las pilas de combustible microbianas utilizan mediadores inorgánicos para aprovechar la cadena de transporte de electrones de las células y canalizar los electrones producidos. El mediador atraviesa las membranas lipídicas de las células externas y la membrana externa bacteriana ; luego, comienza a liberar electrones de la cadena de transporte de electrones que normalmente serían absorbidos por el oxígeno u otros intermediarios.
El mediador ahora reducido sale de la celda cargado de electrones que transfiere a un electrodo; este electrodo se convierte en el ánodo. La liberación de los electrones recicla el mediador a su estado oxidado original, listo para repetir el proceso. Esto puede suceder solo en condiciones anaeróbicas ; si hay oxígeno presente, recogerá los electrones, ya que tiene mayor electronegatividad .
En la operación MFC, el ánodo es el aceptor de electrones terminal reconocido por las bacterias en la cámara anódica. Por tanto, la actividad microbiana depende en gran medida del potencial redox del ánodo. Se obtuvo una curva de Michaelis-Menten entre el potencial anódico y la salida de potencia de un MFC impulsado por acetato . Un potencial anódico crítico parece proporcionar la máxima potencia de salida. [sesenta y cinco]
Los mediadores potenciales incluyen rojo natural, azul de metileno, tionina y resorufina. [66]
Los organismos capaces de producir una corriente eléctrica se denominan exoelectrógenos . Para convertir esta corriente en electricidad utilizable, los exoelectrógenos deben alojarse en una celda de combustible.
El mediador y un microorganismo como la levadura se mezclan en una solución a la que se añade un sustrato como la glucosa . Esta mezcla se coloca en una cámara sellada para detener la entrada de oxígeno, lo que obliga al microorganismo a realizar una respiración anaeróbica . Se coloca un electrodo en la solución para que actúe como ánodo.
En la segunda cámara del MFC hay otra solución y el cátodo cargado positivamente. Es el equivalente al sumidero de oxígeno al final de la cadena de transporte de electrones, externo a la célula biológica. La solución es un agente oxidante que recoge los electrones en el cátodo. Al igual que con la cadena de electrones en la célula de levadura, esta podría ser una variedad de moléculas como el oxígeno, aunque una opción más conveniente es un agente oxidante sólido, que requiere menos volumen. El O 2 [67] o el agente oxidante sólido proporciona la mayor parte de la energía química que alimenta la celda.
La conexión de los dos electrodos es un cable (u otro camino conductor de electricidad). Completando el circuito y conectando las dos cámaras hay un puente de sal o membrana de intercambio iónico. Esta última característica permite que los protones producidos, como se describe en Eqt. 1 , para pasar de la cámara del ánodo a la cámara del cátodo.
El mediador reducido transporta electrones desde la celda hasta el electrodo. Aquí el mediador se oxida al depositar los electrones. Estos luego fluyen a través del cable hasta el segundo electrodo, que actúa como sumidero de electrones. De aquí pasan a un material oxidante. Además, los iones / protones de hidrógeno se mueven desde el ánodo al cátodo a través de una membrana de intercambio de protones como Nafion . Se moverán hacia el gradiente de concentración más bajo y se combinarán con el oxígeno, pero para hacer esto necesitan un electrón. Esto genera corriente y el hidrógeno se utiliza para mantener el gradiente de concentración.
Se ha observado que la biomasa de algas proporciona alta energía cuando se utiliza como sustratos en pilas de combustible microbianas. [68]
Ver también
- Biobatería
- Bacterias del cable
- Fermentación oscura
- Electrohidrogénesis
- Electrometanogénesis
- Producción de hidrógeno fermentativo
- Glosario de términos de pilas de combustible
- Hipótesis del hidrógeno
- Tecnologías de hidrógeno
- Fotofermentación
- Nanocables bacterianos
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Otras lecturas
- Rabaey, Korneel; Rodríguez, Jorge; Blackall, Linda L ; Keller, Jurg; Gross, Pamela; Batstone, Damien; Verstraete, Willy; Nealson, Kenneth H (2007). "La ecología microbiana se encuentra con la electroquímica: comunidades impulsoras y impulsadas por la electricidad" . El diario ISME . 1 (1): 9–18. doi : 10.1038 / ismej.2007.4 . PMID 18043609 .
- Pant, Deepak; Van Bogaert, Gilbert; Diels, Ludo; Vanbroekhoven, Karolien (2010). "Una revisión de los sustratos utilizados en las pilas de combustible microbianas (MFC) para la producción de energía sostenible". Tecnología de Bioresource . 101 (6): 1533–43. doi : 10.1016 / j.biortech.2009.10.017 . PMID 19892549 .
enlaces externos
- Kit de bricolaje MFC
- Biocombustible de microalgas
- Producción sostenible y eficiente de biohidrógeno mediante electrohidrogénesis - noviembre de 2007
- Blog de pila de combustible microbiana Un blog de tipo investigación sobre técnicas comunes utilizadas en la investigación de MFC.
- Pilas de combustible microbianas Este sitio web proviene de algunos de los grupos de investigación actualmente activos en el dominio de investigación de MFC.
- Pilas de combustible microbianas de Rhodopherax Ferrireducens Una descripción general de Science Creative Quarterly.
- Construcción de una celda de combustible microbiana de dos cámaras
- Grupo de debate sobre pilas de combustible microbianas
- Empresa de innovación que desarrolla tecnología MFC