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articulos cientificos sobre celdas migrobianas
Tipo: Apuntes
1 / 87
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¡No te pierdas las partes importantes!
Índice de figuras..................................................................................................................................... I
Índice de tablas ................................................................................................................................... IV
Glosario................................................................................................................................................ V
Resumen............................................................................................................................................. VI
Introducción ....................................................................................................................................... VII
Objetivo general ................................................................................................................................ VIII
II
Figura 3.20 Diagrama final de medición de voltaje 42
Figura 3.21 Diagrama del circuito final de la CMB utilizando el amplificador
de instrumentación 43
Figura 3.22 Fotografías de los circuitos de medición 43
Figura 3.23 Circuito para la medición de corriente generada en la CMB 44
Figura 4.1 Diferencia de potencial generada durante el tiempo de operación
de la celda, en el experimento 1 47
Figura 4.2 Comportamiento de la generación de energía con respecto al tiempo
en el experimento 1 48
Figura 4.3 Comportamiento de la generación de energía con respecto a la
concentración SVT en el experimento 1 48
Figura 4.4 Comportamiento de la generación de energía con respecto al
tiempo durante el experimento 2 49
Figura 4.5 Comportamiento de los sólidos con respecto al tiempo en el experimento 2 49
Figura 4.6 Comportamiento de la generación de energía y materia orgánica
presente durante el experimento 2 50
Figura 4.7 Comportamiento de la generación de energía producida con
respecto al tiempo experimento 3 51
Figura 4.8 Comportamiento de la generación de energía producida con
respeto al tiempo experimento 4 51
Figura 4.9 Comportamiento de los sólidos presentes en la celda con respecto
al tiempo durante el experimento 4 52
Figura 4.10 Comportamiento de la generación de energía con respecto a la
concentración de sólidos volátiles presentes en el experimento 4 53
Figura 4.11 Comportamiento de la generación de energía con el arduino y multímetro,
con respecto al tiempo y los sólidos presentes durante el experimento 4 53
Figura 4.12 Comportamiento de la generación de energía utilizando un amplificador
AD620 durante el experimento 5 54
III
Figura 4.13 Comportamiento de la concentración de los sólidos totales,
fijos y volátiles, durante el experimento 5 55
Figura 4.14 Comportamiento de energía producida con respecto a la
concentración de sólidos volátiles totales, durante el experimento 5 55
Figura 4.15 Comportamiento de la energía registrada con el arduino y multímetro
con respecto al tiempo durante el experimento 5 56
Figura 4.16 Comportamiento de la energía registrada con el arduino con respecto
al tiempo en el experimento 6 57
Figura 4.17 Comportamiento de la concentración de sólidos en la celda durante
el experimento 6 57
Figura 4.18 Comportamiento de la producción de energía con respecto a la
concentración de los sólidos en la celda durante el experimento 6 58
Figura 4.19 Comportamiento de la producción de energía medida por el arduino
y multímetro en la celda durante el experimento 6 58
Figura 4.20 Producción de corriente eléctrica en el experimento número 6 60
V
CMB Celda microbiana de biocombustible
REDOX reacción de reducción-oxidación
ST Solidos totales
STV Solidos volátiles totales
STF Solidos fijos totales
EPDM Caucho de etileno propileno dieno
VI
En este trabajo se realizó el diseño, construcción y operación de una celda microbiana de
biocombustibles (CMB) de una sola cámara. Los volúmenes se variaron de 40 ml y otra de 125 ml.
Utilizando un cultivo mixto como sustrato compuesto de extracto de levadura, peptona y dextrosa,
alimentándolas con diferentes concentraciones de levadura Saccharomyces cerevisiae. Se llevó un
registro de la producción de electricidad utilizando un microcontrolador arduino UNO y un multímetro
digital y en donde la señal arrogada por la celda era demasiado tenue se utilizó un amplificador de
instrumentación AD620 con una ganancia de 100, además con este instrumento se redujo el ruido y
las interferencias en la señal. Para evaluar la eficiencia se varió la cantidad de sustrato y la
concentración de levadura en cada experimento. Se observó que la producción de electricidad fue
mayor cuando se usó aireación en la celda, teniendo como máximo una corriente de I=4.723 mA y un
voltaje de 0.1417 V. Finalmente se pretende determinar si es factible utilizarla las CMB como medio
de producción de energía y comprobar si es una forma limpia y segura de generar electricidad.
VIII
Diseñar, una celda microbiana de biocombustible (CMB), se utilizarán levaduras para la producción de alcohol, evaluando sí esta forma de generación de electricidad es eficiente y hasta donde sería viable utilizarla, comprobando si es una forma limpia y segura para generarla.
Objetivos específicos
Conocer el uso y aplicación de las celdas microbianas de biocombustible, investigando su historia evolución y aplicaciones. Conocer el funcionamiento de una CMB experimentando por medio de su operación. Registrar la producción de electricidad de la CMB, utilizando sistemas electrónicos. Evaluar la eficiencia de operación de una CMB analizando los resultados arrojados. Establecer si es factible la utilización de la CMB como medio de producción de electricidad determinando esto por medio de los resultados obtenidos. Comprobar si una CMB es una forma limpia y segura de generar electricidad observando los resultados.
1
1.1 Antecedentes
La primera evidencia experimental de la bioelectricidad data de finales del siglo XVIII por el médico Luigi Galvani, que accidentalmente, mientras disecaba una rana, observó la respuesta eléctrica en una de las patas de la rana al contraerse, descubrió un fenómeno eléctrico al que llamó “electricidad animal” (Villar-Lázaro, y col., 2014).
Posteriormente, se tiene conocimiento que los primeros experimentos de la celda microbiana de biocombustible fueron hace más de cien años; que profundizando aún más el potencial de la bioelectricidad, Michael Cresse Potter, profesor de botánica de la universidad de Durham en 1911 publicó en la revista Proceedings de la Royal Society un artículo denominado “Efectos eléctricos que acompañan a la descomposición de compuestos orgánicos” (Potter, 1911).
En la que informó y concluyó que el material orgánico produce cierta cantidad de electricidad que se genera al descomponerse la materia orgánica, también realizó otros experimentos con celdas galvánicas, hidrólisis y algunas encimas. Potter logró generar electricidad a partir de la bacteria Escherichia coli demostrando un flujo de corriente entre dos electrodos en un medio estéril, sin embargo el trabajo no recibió ningún tipo de cobertura importante.
Más adelante en 1931 Barnett Cohen apoyándose en los conocimientos previos del tema construyó las primeras celdas medias microbianas (haciendo referencia a la cámara anódica), que conectadas en serie fueron capaces de generar un voltaje de 35V con una corriente muy pequeña de apenas 2mA (Cohen, 1931).
Alrededor de los años 1950 y 1960 al mismo tiempo que se desarrollaba el primer proyecto de una celda de combustible de hidrógeno, algunos programas espaciales patrocinados por los Estados Unidos dieron cabida a una fase de desarrollo de las celdas microbianas de biocombustible, como un posible sistema de gestión de residuos orgánicos en lanzamientos espaciales. Contemporáneo a estas investigaciones la creación de sistemas de abastecimiento energético para marcapasos utilizando un sistema de biopilas de combustible, que utilizaban enzimas aisladas, se iniciaron trabajos de investigación (Bullen y col., 2006)
El primer prototipo de la celda microbiana de biocombustible semejante al de la actualidad fue instaurado por S. Suzuki en la década de 1970 se sabe poco acerca del trabajo que realizó, pero a finales de la década se realizó el primer modelo computacional de la celda de combustible biológico (Di Salvo y Videla., 1979a; Di Salvo y col., 1979b)
La idea fue retomada por y estudiada a detalle por MJ Allen y más tarde por H. Peter Bennetto ambos del King's College London, durante esta época en los años de 1980 el interés creció significativamente y se vió la celda de combustible como un posible método para la generación de energía eléctrica para países en desarrollo. Su trabajo contribuyó para la comprensión del funcionamiento de las celdas de combustible (Allen y Bennetto, 1993).
3
optimización ya que es una alternativa que promete mucho y da solución a los problemas relacionados con los combustibles fósiles y al tratamiento de las aguas residuales.
1.2.2 Combustible y proceso
La transformación de energía química en energía eléctrica es posible gracias a una reacción química de catálisis de los microorganismos, los catalizadores pueden ser enzimas que se encuentran en las aguas residuales o se le pueden agregar al sistema. Otro tipo de reacción es la de oxidación de materia orgánica en el ánodo, que debido a la micro flora que se encuentra ahí actúa como donador de electrones para el sistema, y la reducción de un oxidante en el cátodo por ejemplo el oxígeno produce la circulación de electrones en la celda (Adachi y col., 2008; Li y col., 2011; Qiao y col., 2008). Durante la oxidación en el ánodo se producen tanto co 2 como electrones y protones los electrones, los electrones son transferidos al cátodo por medio de un circuito eléctrico externo, mientras que los protones se transfieren por medio de la membrana si es el caso que sea utilice dicha membrana o una biopelícula que se forma dentro de la celda, es por ello que tanto los protones como los electrones son consumidos en el cátodo que en combinación con el oxígeno forman agua.
Las celdas microbianas de biocombustible se pueden clasificar de acuerdo al tipo de sistema bioelectroquímico basándose en el tipo de combustible y en el resultado o producto que se obtiene, con cada tipo de celda (Harnisch y Schröder, 2010; Torres y col., 2009). La tabla 1.1 muestra algunos ejemplos importantes de celdas y sus combustibles y producto.
1.2.3 Método de transferencia de electrones entre el sitio de reacción y el electrodo
La celda microbiana de biocombustible cuando convierte los sustratos o combustible biodegradable genera la electricidad (Lovley, 2008). Este método es posible debido que las bacterias por la naturaleza de su metabolismo transfieren electrones desde un donador a un aceptor y como no es posible que las bacterias transfieren directamente los electrones que producen a la terminal son desviados al ánodo y a través de una membrana o un mediador soluble fluyendo a través de un circuito externo hacia el cátodo como se puede observar en la Figura 1.1.
Los electrones que se generan se transfieren hacia el electrodo negativo, el ánodo. Esta transferencia pude ocurrir de dos maneras, a través de proteínas conductoras de la membrana celular o bien a través de mediadores. Los mediadores también se conocen como lanzadores de electrones y son sustancias con propiedades redox que actúan como intermediarios ente la membrana celular y el ánodo. Pueden ser añadidos externamente o bien ser excretados como resultado del propio metabolismo microbiano (Lovley y Nevin., 2008). De aquí los electrones pasan por el circuito externo antes mencionado hacia el electrodo positivo, el cátodo, donde son transferidos hacia un aceptor de alto potencial como puede ser oxigeno una vez que es reducido el oxígeno, se combina con protones procedentes del compartimento anódico a través de la membrana semipermeable, formando agua.
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Tabla 1.1 Clasificación de las CMB y tipo de combustible (Wang y Ren, 2013)
Tipos de Celdas Compuestos en el ánodo donador donde se realiza la oxidación y ocurre la donación de electrones y en el cátodo reductor ocurre la reducción este es el aceptor de electrones
Producto Referencia
Celdas microbianas de biocombustible en gral.
Ánodo: es necesario que haya cualquier material biodegradable; cátodo: se pueden encontrar oxigeno ferrocianuro de potasio u otros oxidantes
Electricidad Kim y col., 1999 , Tanaka y col,.
Celda microbiana tubular (tubular CMB)
Ánodo: acetona, glucosa, aguas residuales domésticas, aguas residuales de hospitales, efluentes de digestores o plantas de procesamiento; cátodo: ferrocianuro de potasio
Electricidad Rabaey y col., 2005b
Celda microbiana de flujo ascendente
Ánodo: sacarosa; cátodo: ferrocianuro de potasio y oxígeno
Electricidad He y col., 2005, 2006 , Feng y col., 2010 Celda microbiana de sedimentos
Ánodo: ácido acético y otros productos de la fermentación en el sedimento; cátodo: oxigeno
Electricidad Lovley 2006
Celda de combustible foto- microbiana
Ánodo: agua; cátodo: ferrocianuro de potasio
Electricidad Thorne y col., 2011 celda solar microbiana foto electroquímica
Ánodo: sedimentos marinos; cátodo: oxigeno
Electricidad glucosa y oxigeno
Malik y col., 2009
Celda de combustible fotoelectroquímica
Ánodo: ácidos orgánicos y alcoholes; cátodo: ferrocianuro de potasio
Electricidad e hidrogeno
Rosenbaum y col., 2005 Celda de fotosíntesis electroquímica
Ánodo: agua y glucosa; cátodo: ferrocianuro de potasio
Electricidad Yagishita y col., 2005 Snorkel electroquímico microbiano
Ánodo: aguas residuales; cátodo: oxigeno
Tratamiento de aguas residuales
Erable y col., 2011
Celda microbiana de electrodiálisis reversible
Ánodo: Acetato de sodio; cátodo: oxigeno
Electricidad Cusick col., 2012 , Kim y Logan 2011b Celda microbiana solar motorizada de electrolisis
Ánodo: ácido acético; cátodo: protones
Hidrogeno Chae y col., 2009 Celda microbiana de electrodiálisis reversible y electrolisis
Ánodo: ácido acético; cátodo: protones
Hidrogeno Kim y Logan 2011a
Celda microbiana de captura de carbón
Ánodo: glucosa; cátodo: dióxido de carbono
Algas de biomasa y electricidad
Wang col., 2010
Celda microbiana de desalinización
Ánodo: acetato de sodio; cátodo: oxigeno, protones
Agua desalinizada hidrogeno y electricidad
Lou col., 2011
Celda microbiana de electrosíntesis
Ánodo: materia orgánica, sulfuro de hidrogeno, agua; cátodo: oxigeno ferrocianuro de potasio y dióxido de carbono
Electricidad etanol acetatos
Wang col., 2008 Rabaey col., 2011
Celda microbiana de desalinización y des nitrificación
Ánodo: acetato de sodio; cátodo: nitratos
Electricidad y nitrógeno
Zhang y Angelidaki 2013
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Al existir dos maneras de transferencia de los electrones una por un sistema en el cual se utiliza combustible secundario para el electrodo generado por reacciones biológicas en una celda de biocombustible de transferencia indirecta. El siguiente utiliza mediadores reversibles de disparo de electrones y de transferencia directa con concordancia con el componente biológico y el electrodo (Aston y Turner., 1984). Entonces una celda que incluye componentes de difusión de mediadores reversibles es indirecta y una que incluye mediadores no difusos es directa. Estas a su vez se clasifican en tres subcategorías; las de tipo de producto en donde las enzimas convierten los componentes inactivos en componentes elctroquímicamente activos; los de tipo regenerativo aquí los organismos regeneran compuestos redox y realizan la reacción electroquímica; y finalmente del tipo depoarizador puesto que los organismos actúan como catalizadores de reacciones electroquímicas en el electrodo transfiriendo los electrones directamente (Higgins y Hill., 1985).
1.3 Celdas de combustible
Las celdas o pilas de combustible son un dispositivo electroquímico en el que se permite restablecer continuamente el combustible que se consume produciendo electricidad de fuentes externas como combustible y oxígeno, también cuentan con los electrodos que son catalíticos y relativamente estables.
Las celdas de combustible al igual que las CMB funcionan a partir de reacciones químicas de oxidación “Puesto que en un proceso de oxidación se liberan electrones que se consumen en el proceso de reducción, una pila ha de consistir en un circuito eléctrico formado en parte por los conductores metálicos para la aparición, consumo y flujo de electrones y en parte conductores electrolíticos para el doble flujo iones” (Elías y Jurado, 2012),
Entonces el proceso básico de las celdas de combustible se sustenta primordialmente en la propiedad electroquímica de los materiales al oxidarse o reducirse.
La celda de Daniell creada por John Frederic Daniell en 1836 fue una de las primeras y de las más representativas y supuso una mejora sobre la celda voltaica que fue la primera celda galvánica que se desarrolló. Al ser una de las primeras celdas y que con el tiempo se ha modificado, sufriendo cambios para mejorar su eficiencia y rendimiento sigue siendo funcional ya que se le han agregado componentes, en la siguiente figura se muestra el esquema de una celda de combustible de daniell (Figura 1.2).
Electrodos. Son dos terminales de materiales distintos sumergidos en disoluciones salinas, estos se oxidan y reducen generando un flujo de electrones permitiendo la producción de electricidad, usualmente se llama semicelda para ubicar el conjunto del electrodo más el electrolito.
Ánodo. En este se produce la reacción de oxidación que libera electrones que fluyen por un material conductor (cable), hacia el cátodo el ánodo puede ser de Zn. Con la liberación de los electrones los átomos de Zn se cargan positivamente por esto el electrodo se va gastando mientras la celda está en funcionamiento.
7
Figura 1.2 Celda de Daniell inventada por John Frederic Daniell en 1836 (Elías y Jurado, 2012)
Cátodo. En este electrodo ocurre la reacción de reducción y es el que acepta los electrones que provienen del ánodo. El cátodo puede ser de Cu y los electrones le dan una carga negativa al cátodo que atrae los cationes de Cu que se encuentran en la disolución en donde se encuentra el electrodo.
Electrolito. Es la disolución que baña los electrodos, en el ánodo es una disolución de zinc (ZnSO 4 ) y en el cátodo la disolución presente es de (CuSo 4 ).
Puente salino. Es donde se lleva a cabo la neutralización de cargas, puesto que permite el paso de aniones hacia el cátodo. El puente salino es un tubo que une los dos recipientes sin dejar circular o mezclarse las dos disoluciones. Puede estar formado por KCl, NH 4 NO 3 , KNO 3 , etc.
