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Celda de combustible microbiana

La celda de combustible microbiana ( MFC ) es un tipo de sistema de celda de combustible bioelectroquímica [ 1 ] también conocida como microcelda de combustible que genera corri...

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La celda de combustible microbiana ( MFC ) es un tipo de sistema de celda de combustible bioelectroquímica [ 1 ] también conocida como microcelda de combustible que genera corriente eléctrica desviando electrones producidos por la oxidación microbiana de compuestos reducidos (también conocidos como combustible o donador de electrones ) en el ánodo hacia compuestos oxidados como el oxígeno (también conocido como agente oxidante o aceptor de electrones ) en el cátodo a través de un circuito eléctrico externo . Las MFC producen electricidad utilizando los electrones derivados de reacciones bioquímicas catalizadas por bacterias. [ 2 ] Las MFC se pueden agrupar en dos categorías generales: mediadas y no mediadas. Las primeras MFC, demostradas a principios del siglo XX, utilizaban un mediador: una sustancia química que transfiere electrones de las bacterias en la celda al ánodo. Las MFC no mediadas 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. [ 3 ] [ 4 ] En el siglo XXI, las MFC han comenzado a encontrar uso comercial en el tratamiento de aguas residuales. [ 5 ]

Historia

La idea de utilizar microbios para producir electricidad surgió a principios del siglo XX. Michael Cressé Potter inició el tema en 1911. [ 6 ] Potter logró generar electricidad a partir de Saccharomyces cerevisiae , pero su trabajo tuvo poca repercusión. En 1931, Barnett Cohen creó semiceldas de combustible microbianas que , al conectarse en serie, eran capaces de producir más de 35 voltios con una corriente de tan solo 2 miliamperios . [ 7 ]

Un estudio de DelDuca et al. utilizó hidrógeno producido por la fermentación de glucosa por Clostridium butyricum como reactivo en el ánodo de una celda de combustible de hidrógeno y aire. Aunque la celda funcionó, no fue confiable debido a la naturaleza inestable de la producción de hidrógeno por los microorganismos. [ 8 ] Este problema fue resuelto por Suzuki et al. en 1976, [ 9 ] quienes produjeron un diseño exitoso de MFC un año después. [ 10 ]

A finales de la década de 1970, se sabía poco sobre el funcionamiento de las pilas de combustible microbianas. El concepto fue estudiado por Robin M. Allen y, posteriormente, por H. Peter Bennetto. Se consideraba que la pila de combustible era un método viable para la generación de electricidad en países en desarrollo. El trabajo de Bennetto, que comenzó a principios de la década de 1980, contribuyó a comprender mejor el funcionamiento de las pilas de combustible, y algunos lo consideraban la máxima autoridad en la materia.

En mayo de 2007, la Universidad de Queensland , Australia, completó un prototipo de celda de combustible microbiana (MFC) en colaboración con Foster's Brewing . El prototipo, con un diseño de 10 litros, convertía las aguas residuales de la cervecería en dióxido de carbono, agua limpia y electricidad. El grupo tenía previsto crear un modelo a escala piloto para una próxima conferencia internacional sobre bioenergía. [ 11 ]

Definición

Una celda de combustible microbiana (MFC) es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica mediante la acción de microorganismos . [ 12 ] Estas celdas electroquímicas se construyen utilizando un bioánodo y/o un biocátodo. La mayoría de las 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 o a una especie mediadora redox . El flujo de electrones se mueve hacia el cátodo. El equilibrio de carga del sistema se mantiene mediante el movimiento iónico dentro de la celda, generalmente a través de una membrana iónica. La mayoría de las MFC utilizan un donador de electrones orgánico que se oxida para producir CO 2 , protones y electrones. Se han reportado otros donadores de electrones, como compuestos de azufre o hidrógeno. [ 13 ] 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, [ 14 ] agua a hidrógeno, [ 15 ] reducción de nitrato, [ 16 ] [ 17 ] y reducción de sulfato.

Aplicaciones

Generación de energía

Las MFC son atractivas para aplicaciones de generación de energía que requieren poca potencia, pero donde reemplazar las baterías puede ser poco práctico, como las redes de sensores inalámbricos . [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Los sensores inalámbricos alimentados por celdas de combustible microbianas pueden utilizarse, por ejemplo, para el monitoreo remoto (conservación). [ 21 ]

Prácticamente cualquier material orgánico podría usarse para alimentar la celda de combustible, incluyendo celdas de acoplamiento a plantas de tratamiento de aguas residuales . Las aguas residuales de procesos químicos [ 22 ] [ 23 ] y las aguas residuales sintéticas [ 24 ] [ 25 ] se han utilizado para producir bioelectricidad en MFC sin mediador de doble y simple cámara (electrodos de grafito sin recubrimiento).

Se observó una mayor producción de energía con un ánodo de grafito cubierto con biopelícula . [ 26 ] [ 27 ] Las emisiones de las celdas de combustible están muy por debajo de los límites reglamentarios. [ 28 ] Las 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, una MFC es capaz de una eficiencia energética muy superior al 50%. [ 29 ] Rozendal produjo hidrógeno con 8 veces menos entrada de energía que las tecnologías convencionales de producción de hidrógeno.

Además, las MFC también pueden funcionar a menor escala. En algunos casos, los electrodos solo necesitan tener 7 μm de espesor por 2  cm de longitud, [ 30 ] de modo que una MFC puede reemplazar una batería. Proporciona una forma de energía renovable y no necesita recargarse.

Las MFC funcionan bien en condiciones suaves, de 20  °C a 40  °C y a un pH de alrededor de 7 [ 31 ] pero carecen de la estabilidad requerida para aplicaciones médicas a largo plazo, como en marcapasos .

Las centrales eléctricas pueden basarse en plantas acuáticas como las algas. Si se ubica junto a un sistema eléctrico existente, el sistema MFC puede compartir sus líneas eléctricas. [ 32 ]

Educación

Las pilas de combustible microbianas basadas en suelo sirven como herramientas educativas, ya que abarcan múltiples disciplinas científicas (microbiología, geoquímica, ingeniería eléctrica, etc.) y pueden fabricarse con materiales comunes, como suelos y artículos del refrigerador. Hay kits disponibles para proyectos científicos domésticos y aulas. [ 33 ] Un ejemplo del uso de pilas de combustible microbianas en el aula se encuentra en el plan de estudios IBET (Biología, Inglés y Tecnología Integrados) de la Escuela Secundaria Thomas Jefferson de Ciencia y Tecnología . Varios videos y artículos educativos también están disponibles en la Sociedad Internacional de Electroquímica y Tecnología Microbiana (Sociedad ISMET) [ 34 ] .

Biosensor

La corriente generada por una celda de combustible microbiana es directamente proporcional al contenido de materia orgánica de las aguas residuales utilizadas como combustible. Las MFC pueden medir la concentración de solutos de las aguas residuales (es decir, como un biosensor ). [ 35 ]

Las aguas residuales se analizan habitualmente para determinar su demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Los valores de DBO se obtienen incubando muestras durante 5 días con una fuente adecuada de microorganismos, generalmente lodos activados procedentes de plantas de tratamiento de aguas residuales.

Un sensor de DBO tipo MFC puede proporcionar valores de DBO en tiempo real. El oxígeno y el nitrato son aceptores de electrones preferidos que interfieren en el ánodo, lo que reduce la generación de corriente de una MFC. Por lo tanto, 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 nitrato en la MFC mediante inhibidores de la oxidasa terminal, como el cianuro y la azida . [ 36 ] Estos sensores de DBO están disponibles comercialmente.

La Armada de los Estados Unidos está considerando el uso de celdas de combustible microbianas para sensores ambientales. Estas celdas podrían proporcionar energía durante períodos más prolongados y permitir la recopilación y recuperación de datos submarinos sin necesidad de una infraestructura cableada. La energía generada por estas celdas es suficiente para mantener los sensores en funcionamiento tras un período de arranque inicial. [ 37 ] Debido a las condiciones submarinas (altas concentraciones de sal, temperaturas fluctuantes y suministro limitado de nutrientes), la Armada podría desplegar celdas de combustible microbianas con una mezcla de microorganismos tolerantes a la sal que permitirían un aprovechamiento más completo de los nutrientes disponibles. Shewanella oneidensis es su principal candidata, pero también podrían incluirse otras especies de Shewanella tolerantes al calor y al frío . [ 38 ]

Se ha desarrollado un primer biosensor de DBO/DQO autoalimentado y autónomo que permite la detección de contaminantes orgánicos en agua dulce. El sensor se alimenta únicamente de la energía producida por las celdas de combustible microbianas (MFC) y funciona de forma continua sin necesidad de mantenimiento. Activa una alarma para informar sobre el nivel de contaminación: una mayor frecuencia de la señal advierte sobre un nivel de contaminación elevado, mientras que una baja frecuencia indica un nivel de contaminación bajo. [ 39 ]

Biorrecuperación

En 2010, A. ter Heijne et al. [ 40 ] construyeron un dispositivo capaz de producir electricidad y reducir iones Cu 2+ a cobre metálico.

Se ha demostrado que las celdas de electrólisis microbiana producen hidrógeno. [ 41 ]

Tratamiento de aguas residuales

MFCs are used in water treatment to harvest energy utilizing anaerobic digestion. The process can also reduce pathogens. However, it requires temperatures upwards of 30 degrees C and requires an extra step in order to convert biogas to electricity. Spiral spacers may be used to increase electricity generation by creating a helical flow in the MFC. Scaling MFCs is a challenge because of the power output challenges of a larger surface area.[42]

Types

Mediated

Most microbial cells are electrochemically inactive. Electron transfer from microbial cells to the electrode is facilitated by mediators such as thionine, pyocyanin,[43]methyl viologen, methyl blue, humic acid, and neutral red.[44][45] Most available mediators are expensive and toxic.

Mediator-free

A plant microbial fuel cell (PMFC)

Mediator-free microbial fuel cells use electrochemically active bacteria such as Shewanella putrefaciens[46] and Aeromonas hydrophila[47] to transfer electrons directly from the bacterial respiratory enzyme to the electrode. Some bacteria are able to transfer their electron production via the pili on their external membrane. Mediator-free MFCs are less well characterized, such as the strain of bacteria used in the system, type of ion-exchange membrane and system conditions (temperature, pH, etc.)

Mediator-free microbial fuel cells can run on wastewater and derive energy directly from certain plants and O2. This configuration is known as a plant microbial fuel cell. Possible plants include reed sweetgrass, cordgrass, rice, tomatoes, lupines and algae.[48][49][50] Given that the power is obtained using living plants (in situ-energy production), this variant can provide ecological advantages.

Microbial electrolysis

Una variante de la MFC sin mediador es la celda de electrólisis microbiana (MEC). Mientras que las MFC producen corriente eléctrica mediante la descomposición bacteriana de compuestos orgánicos en agua, las 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 compuestos orgánicos, lo que conduce a la electrólisis del agua o a la producción de metano. [ 51 ] [ 52 ] Una inversión completa del principio de la MFC se encuentra en la electrosíntesis microbiana , en la que el dióxido de carbono es reducido por bacterias utilizando una corriente eléctrica externa para formar compuestos orgánicos de múltiples carbonos. [ 53 ]

A base de suelo

Una celda de combustible microbiana basada en suelo

Las celdas de combustible microbianas basadas en suelo se adhieren a los principios básicos de las MFC, donde el suelo actúa como medio anódico rico en nutrientes, inóculo y membrana de intercambio de protones (PEM). El ánodo se coloca a una profundidad determinada dentro del suelo, mientras que el cátodo descansa sobre la superficie del suelo y está expuesto al aire.

Los suelos rebosan naturalmente de diversos microbios , incluidas bacterias electrogénicas necesarias para las MFC, y están llenos de azúcares complejos y otros nutrientes que se han acumulado a partir de la descomposición de materia vegetal y animal. Además, los microbios aerobios (que consumen oxígeno) presentes en el suelo actúan como un filtro de oxígeno, de forma similar a los costosos materiales PEM utilizados en los sistemas MFC de laboratorio, que provocan que el potencial redox del suelo disminuya con la profundidad. Las MFC basadas en suelo se están convirtiendo en herramientas educativas populares para las aulas de ciencias. [ 33 ]

Las celdas de combustible microbianas de sedimentos (SMFC) se han aplicado para el tratamiento de aguas residuales . Las SMFC simples pueden generar energía mientras descontaminan las aguas residuales . La mayoría de estas SMFC contienen plantas para imitar los humedales artificiales. Para 2015, las pruebas de SMFC habían alcanzado más de 150 L. [ 54 ]

En 2015, investigadores anunciaron una aplicación de SMFC que extrae energía y carga una batería . Las sales se disocian en iones con carga positiva y negativa en el agua y se mueven y adhieren a los electrodos negativos y positivos respectivos, cargando la batería y permitiendo la eliminación de la sal, lo que produce una desalinización capacitiva microbiana . Los microbios producen más energía de la necesaria para el proceso de desalinización. [ 55 ] En 2020, un proyecto de investigación europeo logró el tratamiento de agua de mar para convertirla en agua dulce para consumo humano con un consumo energético de alrededor de 0,5 kWh/m3, lo que representa una reducción del 85 % en el consumo energético actual con respecto a las tecnologías de desalinización más avanzadas. Además, el proceso biológico del que se obtiene la energía purifica simultáneamente el agua residual para su vertido al medio ambiente o su reutilización en usos agrícolas/industriales. Esto se logró en el centro de innovación en desalinización que Aqualia inauguró en Denia, España, a principios de 2020. [ 56 ]

biopelícula fototrófica

Las MFC de biopelícula fototrófica (ner) utilizan un ánodo de biopelícula fototrófica que contiene microorganismos fotosintéticos como clorofitas y candenofitas . Estos realizan la fotosíntesis y, por lo tanto, producen metabolitos orgánicos y donan electrones. [ 57 ]

Un estudio encontró que las PBMFC muestran una densidad de potencia suficiente para aplicaciones prácticas. [ 58 ]

La subcategoría de MFC fototróficas que utilizan material fotosintético puramente oxigénico en el ánodo se denomina a veces sistemas fotovoltaicos biológicos . [ 59 ]

Membrana nanoporosa

El Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos desarrolló celdas de combustible microbianas con membrana nanoporosa que utilizan una membrana no PEM para generar difusión pasiva dentro de la celda. [ 60 ] La membrana es un filtro de polímero no poroso ( nylon , celulosa o policarbonato ). Ofrece densidades de potencia comparables a las de Nafion (una PEM bien conocida) con mayor durabilidad. Las membranas porosas permiten la difusión pasiva, reduciendo así la potencia necesaria suministrada a la MFC para mantener activa la PEM y aumentando la producción total de energía. [ 61 ]

MFCs that do not use a membrane can deploy anaerobic bacteria in aerobic environments. However, membrane-less MFCs experience cathode contamination by the indigenous bacteria and the power-supplying microbe. The novel passive diffusion of nanoporous membranes can achieve the benefits of a membrane-less MFC without worry of cathode contamination.Nanoporous membranes are also 11 times cheaper than Nafion (Nafion-117, $0.22/cm2 vs. polycarbonate, <$0.02/cm2).[62]

Ceramic membrane

PEM membranes can be replaced with ceramic materials. Ceramic membrane costs can be as low as $5.66/m2. The macroporous structure of ceramic membranes allows for good transport of ionic species.[63]

The materials that have been successfully employed in ceramic MFCs are earthenware, alumina, mullite, pyrophyllite, and terracotta.[63][64][65]

Generation process

When microorganisms consume a substance such as sugar in aerobic conditions, they produce carbon dioxide and water. However, when oxygen is not present, they may produce carbon dioxide, hydrons (hydrogen ions), and electrons, as described below for sucrose:[66]

Microbial fuel cells use inorganic mediators to tap into the electron transport chain of cells and channel electrons produced. The mediator crosses the outer cell lipid membranes and bacterial outer membrane; then, it begins to liberate electrons from the electron transport chain that normally would be taken up by oxygen or other intermediates.

The now-reduced mediator exits the cell laden with electrons that it transfers to an electrode; this electrode becomes the anode. The release of the electrons recycles the mediator to its original oxidized state, ready to repeat the process. This can happen only under anaerobic conditions; if oxygen is present, it will collect the electrons, as it has more free energy to release.

Ciertas bacterias pueden eludir el uso de mediadores inorgánicos mediante vías especiales de transporte de electrones conocidas colectivamente como transferencia de electrones extracelular (EET) . Las vías EET permiten al microorganismo reducir directamente compuestos fuera de la célula y pueden utilizarse para establecer una comunicación electroquímica directa con el ánodo. [ 67 ]

En el funcionamiento de una celda de combustible microbiana (MFC), el ánodo es el aceptor de electrones terminal reconocido por las bacterias en la cámara anódica. Por lo 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 potencia de salida de una MFC alimentada con acetato . Un potencial anódico crítico parece proporcionar la máxima potencia de salida. [ 68 ]

Entre los posibles mediadores se incluyen el rojo natural, el azul de metileno, la tionina y la resorufina. [ 69 ]

Los organismos capaces de producir corriente eléctrica se denominan exoelectrógenos . Para convertir esta corriente en electricidad utilizable, los exoelectrógenos deben alojarse en una pila 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 evitar la entrada de oxígeno, lo que obliga al microorganismo a realizar respiración anaeróbica . Se coloca un electrodo en la solución para que actúe como ánodo.

En la segunda cámara de la celda de combustible microbiana se encuentra otra solución y el cátodo con carga positiva. Este equivale al sumidero de oxígeno al final de la cadena de transporte de electrones, fuera de la célula biológica. La solución es un agente oxidante que capta los electrones en el cátodo. Al igual que en la cadena de transporte de electrones de la célula de levadura, este agente puede ser una variedad de moléculas, como el oxígeno, aunque una opción más conveniente es un agente oxidante sólido, que requiere menor volumen.

Un cable (u otro conductor eléctrico) conecta los dos electrodos. Un puente salino o una membrana de intercambio iónico completa el circuito y conecta las dos cámaras. Esta última permite que los protones producidos, como se describe en la ecuación 1 , pasen de la cámara del ánodo a la del cátodo.

El mediador reducido transporta electrones desde la célula hasta el electrodo. Allí, el mediador se oxida al depositar los electrones. Estos fluyen a través del cable hasta el segundo electrodo, que actúa como sumidero de electrones. Desde allí, pasan a un material oxidante. Además, los iones de hidrógeno/protones se mueven del ánodo al cátodo a través de una membrana de intercambio de protones, como Nafion . Se desplazan hacia el gradiente de concentración más bajo y se combinan con el oxígeno, pero para ello 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 sustrato en celdas de combustible microbianas. [ 70 ]

Aplicaciones en la remediación ambiental

Las celdas de combustible microbianas (MFC) han surgido como herramientas prometedoras para la remediación ambiental debido a su capacidad única de utilizar las actividades metabólicas de los microorganismos tanto para la generación de electricidad como para la degradación de contaminantes. [ 71 ] Las MFC encuentran aplicaciones en diversos contextos de remediación ambiental. Una aplicación principal es la biorremediación, donde los microorganismos electroactivos en el ánodo de la MFC participan activamente en la descomposición de contaminantes orgánicos, proporcionando un método sostenible y eficiente para la eliminación de contaminantes. Además, las MFC desempeñan un papel importante en el tratamiento de aguas residuales al generar electricidad y mejorar simultáneamente la calidad del agua a través de la degradación microbiana de contaminantes. Estas celdas de combustible pueden implementarse in situ, lo que permite la remediación continua y autónoma en sitios contaminados. Además, su versatilidad se extiende a las celdas de combustible microbianas de sedimentos (SMFC), que son capaces de eliminar metales pesados ​​y nutrientes de los sedimentos. [ 72 ] Al integrar las MFC con sensores, permiten el monitoreo ambiental remoto en lugares de difícil acceso. Las aplicaciones de las pilas de combustible microbianas en la remediación ambiental ponen de manifiesto su potencial para convertir los contaminantes en una fuente de energía renovable, al tiempo que contribuyen activamente a la restauración y preservación de los ecosistemas.

Desafíos y avances

Microbial fuel cells (MFCs) offer significant potential as sustainable and innovative technologies, but they are not without their challenges. One major obstacle lies in the optimization of MFC performance, which remains a complex task due to various factors including microbial diversity, electrode materials, and reactor design.[73] The development of cost-effective and long-lasting electrode materials presents another hurdle, as it directly affects the economic viability of MFCs on a larger scale. Furthermore, the scaling up of MFCs for practical applications poses engineering and logistical challenges. Nonetheless, ongoing research in microbial fuel cell technology continues to address these obstacles. Scientists are actively exploring new electrode materials, enhancing microbial communities to improve efficiency, and optimizing reactor configurations. Moreover, advancements in synthetic biology and genetic engineering have opened up possibilities for designing custom microbes with enhanced electron transfer capabilities, pushing the boundaries of MFC performance.[74] Collaborative efforts between multidisciplinary fields are also contributing to a deeper understanding of MFC mechanisms and expanding their potential applications in areas such as wastewater treatment, environmental remediation, and sustainable energy production.

See also

References

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Lecturas adicionales

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  • Kit MFC para armar
  • Biocombustible a partir de microalgas
  • Producción sostenible y eficiente de biohidrógeno mediante electrohidrogénesis – Noviembre de 2007
  • Blog sobre pilas de combustible microbianas: Un blog de investigación sobre las técnicas comunes utilizadas en la investigación de pilas de combustible microbianas.
  • Celdas de combustible microbianas. Este sitio web es un proyecto de algunos de los grupos de investigación que actualmente trabajan en el campo de las celdas de combustible microbianas.
  • Celdas 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 discusión sobre pilas de combustible microbianas
  • Empresa innovadora que desarrolla tecnología MFC.