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Carátula de Trabajo

"Celda de combustible microbiana: Una alternativa de fuente deenergía" Título del trabajo Biolamparita Pseudónimo de integrantes

Biología Área Local Categoría Desarrollo Tecnológico Modalidad

8796282 Folio de Inscripción

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“CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA: UNA ALTERNATIVA DE

FUENTE DE ENERGÍA”

RESUMEN

Es de todos sabido que los combustibles fósiles más temprano que tarde se

agotaran y es deber de aquellos que deseamos contribuir al mejoramiento de nuestro

entorno a estar preparados. El conocimiento de nuevas técnicas que permitan

sustraer de la naturaleza diversas energías de forma amable, sin duda alguna

contribuirá a un ambiente sano y respetuoso con los habitantes.

Al emplear energías renovables poco a poco dejaremos de sustraer de la

naturaleza carburante que han afectado y modificado en nuestro medio ambiente.

Resulta evidente, que invertir en las energías renovables es importante debido a los

diversos beneficios que proporciona.

Provocando así la responsabilidad con la total administración eficiente y racional

de todos los recursos, de manera que sea posible mejorar el bienestar de la sociedad

actual sin comprometer a las generaciones futuras.

Es así como surge la idea de hacer un prototipo de celda de combustible

microbiana (CCM) que ofrecen la posibilidad de convertir eficientemente compuestos

orgánicos en electricidad mediante el uso de microorganismos del género Geobacter,

además de múltiples aplicaciones ambientales como en la biorremediación.

INTRODUCCIÓN

Las técnicas de cultivo de axénico de Koch establecieron una tendencia en

microbiología que ha tenido una profunda influencia en el método utilizado por los

microbiólogos: primero aislar un cultivo axénico y luego ver lo que hace la ecología

microbiana depende del desarrollo de métodos para comprender exactamente estas

interacciones1.

Las bacterias generadoras de electricidad tiene algunas dificultades al

transportar la electricidad, debido al defecto Frenkel que menciona que los iones se

disocian de sus posiciones originales y migran a zonas intersticiales o igual puede ser

al defecto Schotty que dice que los iones se encuentran ausentes en las posiciones

originales.

1 Atlas, R. M. y Bartha, R.(2002) Ecología microbiana y microbiología ambiental. España: Pearson.

2

La ecología microbiana es la ciencia que examina específicamente las

relaciones entre los organismos y sus ambientes bióticos y abióticos. Hasta principios

de la década de 1960 el término ecología microbiana no era frecuente. El desarrollo

de la ecología microbiana representó un enfoque global a la calidad ambiental que

reconocía la importancia de todos los organismos vivos, la importancia de todos los

organismos vivos, incluidos los microorganismos al mantenimiento del equilibrio

biológico2.

En la actualidad gracias al avance de la tecnología se han descubierto las

bacterias del género Geobacter que son habitantes de forma natural del subsuelo y

durante millones de años han utilizado los óxidos de hierro insolubles como aceptores

de electrones para oxidar la materia orgánica. Los mecanismos responsables de

establecer una comunicación redox entre la bacteria y la superficie de los óxidos de

hierro han contribuido a “dar forma” a la corteza terrestre, y comprenderlos constituye

uno de los retos de la microbiología medioambiental.

Además de eso puede hacer biorremediación3 en lugares contaminados por

causa del urbanismo, que gracias a su metabolismo de las bacterias del género

Geobacter tiene la capacidad de transferir electrones a moléculas como el Fe y Mn,

óxidos de nitrógeno, sustancias de alto peso molecular formadas por la degradación

química y biológica de restos de plantas y de animales.

Incluso permite la transferencia de electrones de forma directa a los electrodos,

generando pequeñas corrientes eléctricas, esta característica le permite a la especie

Geobacter jugar un papel importante en el ciclo natural de la materia orgánica y de

los metales en los sedimentos acuáticos y subsuelos.

MARCO TEÓRICO

En los últimos años la utilización descontrolada de los combustibles fósiles para

generar energía eléctrica, ha alterado de forma irremediable nuestro medio ambiente,

consecuencia de la emisión de grandes cantidades de dióxido de carbono, como

resultado de este problema se tiene la necesidad de buscar nuevas formas de generar

electricidad.

2 Atlas, R. M. y Bartha, R.(2002) ecología microbiana y microbiología ambiental.España: Pearson. 3 Biorremediación: el empleo de organismos vivos para eliminar o neutralizar contaminantes del suelo o del agua.

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Se ha descubierto la forma de obtener electricidad de las bacterias,

específicamente de las Geobacterias, microorganismos que producen corriente

eléctrica a partir de barro o aguas residuales. Estas bacterias son anaeróbicas y en

su hábitat natural emplean metales para respirar y obtener energía, el cual por cierto,

es un proceso muy importante para el reciclamiento de estos elementos en el

ambiente.

Las CCM se realizan a través de cultivos de bacterias, la bacteria Geobacter es

una de las bacterias más utilizadas en el estudio de la celda de combustible

microbiana por su alta eficiencia de conversión de energética, esta tecnología se

encuentra principalmente en etapa de desarrollo experimental en México4.

De igual manera que los humanos usan la glucosa para obtener energía al

respirar oxígeno, estas bacterias respiran de manera semejante y toman los

compuestos orgánicos que encuentran en el medio y lo metabolizan al hacerlo, liberan

electrones, solo que en lugar de transferirlos como los humanos, estas son capaces

de transferir los electrones a numerosos metales, también pueden transferir

electrodos y así almacenarlos en una pila, y así “cosechar” la electricidad para

constituir una celda microbiana o una batería microbiana.

Con la ventaja que este tipo de baterías no requieren de mantenimiento y

pueden durar hasta varios años funcionando lo cual resulta promisorio como una

estrategia para la producción de bioelectricidad, especialmente en lugares remotos,

donde por ejemplo incluso las celdas solares no podrían emplearse exitosamente.

Aunque todavía es difícil realizar inventarios detallados de especies,

cuantitativas y cualitativas, para la caracterización de las comunidades microbianas

naturales, está cada vez más claro que estas presentan una composición única y

propia, unas especies dominantes y una dinámica poblacional. Las poblaciones

microbianas activas y abundantes de la comunidad se seleccionan por su hábitat y

por las interacciones poblacionales de la comunidad.

Las bacterias del género geobacter pueden ser monitoreados dentro de la

CCM a través de parámetros electroquímicos tales como densidad de potencia,

4 Alzate-Gaviria, Liliana, Fuentes-Albarrán, Carmen, Álvarez-Gallegos, Alberto, Sebastian, P. J.,

Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo pem. Interciencia [en linea] 2008, 33 (julio) : [Fecha de consulta: 7 de marzo de 2019] Disponible en:<http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=33933706> ISSN 0378-1844

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corriente eléctrica generada y voltaje de igual forma, un parámetro biológico es la

carga orgánica del sustrato a emplear.

Objetivo general:

Conocer la degradación de materia y generación de corriente eléctrica en una

celda de combustible microbiana alimentada con agua residual para el sustento de

electricidad de una manera ecológica y eficiente.

Objetivos particulares

- Colecta de sedimentos para aislar bacterias Geobacter.

- Elaboración de medios de cultivo para el crecimiento de Geobacter.

- Construcción de una celda de combustible microbiana a través del proceso

metabólico metanogénesis, con dos cámaras “ánodo y cátodo” separadas por

una membrana iónica.

- Medir el voltaje que se genera en la celda de combustible microbiana con un

voltímetro.

Planteamiento de problema

Algunas bacterias son capaces de llevar a cabo procesos de biorremediación en

lugares altamente contaminados con metales pesados pero ¿Podríamos obtener

energía limpia a través de los procesos iónicos realizados por microorganismos

presentes en la naturaleza?

Hipótesis

Si las bacterias del género Geobacter utilizan la biocatálisis para llevar a cabo

las reacciones de oxidación y de reducción en electrodos en estado sólido puede ser

debido a la posibilidad de separar ambas; entonces se puede aprovechar para hacer

celdas de combustible microbianas las cuales permiten la generación de electricidad

asociada a los procesos de tratamiento de aguas residuales

DESARROLLO

COLECTA DE CAMPO

Primero se recolectaron muestras de suelos para encontrar bacterias

generadoras de energía en la localidad de Llano grande, Estado de México.

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1. En frascos de ½ litro de vidrio ya esterilizados, se introdujo

aproximadamente a la mitad suelo húmedo.

2. Después se colocaron cuidadosamente en cajas para que estas

muestras no chocaran entre sí y evitaremos perderlas.

3. Las muestras se pesaron y se clasificaron según sus colores.

4. Una vez terminado de pesar se llevaron a la cámara bacteriana

para empezar el proceso biofísico con bacterias.

CONSTRUCCIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANO

Materiales:

8 botellas de plástico reciclado de 1 litro Caimanes

Cuter Alambre de cobre

Tijeras Placas de aluminio

Papel filtro Sal

Parafilm Azúcar

Voltímetro Bomba de aire

Pegamento Cinta de aislar

La celda de combustible microbiana es un dispositivo en el cual la energía

química de un compuesto, típicamente glucosa, acetato u otras formas de materia

orgánica disuelta, se convierte a energía eléctrica mediante la acción bacteriana.

Consta principalmente de dos cámaras, una catódica y una anódica, separadas por

una membrana de intercambio de protones (MIP) y con un electrolito, que es el medio

de transporte iónico. En la cámara anódica (electrodo positivo), los microorganismos

oxidan los compuestos orgánicos generando electrones y protones, los últimos

atraviesan la MIP y se difunden hacia el cátodo a través del electrolito. Una vez en la

cámara catódica, ocurre la reducción del oxígeno por su combinación con los

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electrones y protones producidos en el ánodo. Además, los protones se unen con el

oxígeno, para formar agua 5

Electrodos (cátodo y ánodo)

Para los electrodos se utilizaron diferentes materiales como cobre, platino y

grafito.

Ánodo: En su caso específico, los materiales que lo forman deben ser

conductores, biocompatibles y estables. Por otra parte, el material de electrodos más

versátil es el carbón, en forma de láminas compactas de grafito, barras o gránulos,

como carbono vítreo y material fibroso (fieltro, tela, papel, fibras espuma). Igualmente

se empleó el cobre, al ser accesible y práctico.

Cátodo: El oxígeno es el más viable aceptor de electrones por su poder

oxidante, abundancia, disponibilidad, bajo costo, sustentabilidad y mínima cantidad

de desperdicios químicos generados puesto que el producto final es agua. Asimismo

es posible usar zinc, por su relativa estabilidad.

Membrana

La membrana como componente del sistema impide el paso de electrones de la

cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones. Puede ser de varios tipos:

membrana de intercambio de protones, membrana de ultrafiltración, puente salino y

otros materiales para filtrado. La membrana más ampliamente utilizada es la MIP.

CONSTRUCCIÓN DE LAS CELDAS

En dos botellas de plástico de 1L marcamos el contorno de un rectángulo de

5x3cm o bien un círculo en el centro. Una de las botellas fungió como cámara anódica

y la otra como cámara catódica. Empleando cúter y tijeras recortamos el contorno de

la figura previamente trazada, en caso del rectángulo no recortamos una de las bases,

5 Rodrigez, A.. (2016). Celdas de combustible microbiana: electricidad por desechos orgánico. Febreo 17, 2019, de Ciencias experimentales, UNAM Sitio web: https://feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria24/feria328_01_celdas_de_combustible_microbiana_electricidad_por_.pdf

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es decir sólo recortamos tres segmentos, con el objetivo de que no quede totalmente

descubierto ése espacio.

Como MIP utilizamos papel filtro de cafetera, y con un pedazo pequeño cubrimos

la superficie externa de la boquilla de las botellas, y antepusimos ambas boquillas.

Con ayuda de parafilm y cinta de aislar sujetamos ambas botellas cubriendo la

superficie externa de las boquillas.

Llenado de celdas

Con cuidado vaciamos el sustrato en una de las botellas; a la vez, en la otra

botella vertimos agua, de modo que quedaran al mismo nivel. Ambas debían

sobrepasar el sitio donde comenzaba el papel filtro para la apropiada conducción de

protones. Se dejara reposar de esta forma a las celdas durante tres días.

Evaluación de la producción de electricidad

Conectamos el electrodo de cobre a un caimán y lo colocamos en la cámara

anódica, es decir, donde se encontraba el sustrato con las bacterias. Se conectó el

electrodo de zinc a un caimán y lo colocamos en la cámara catódica, es decir, en la

botella donde se encontraba el agua. Conectamos la otra punta de los caimanes a las

puntas del multímetro y realizamos mediciones de voltaje a corriente directa en un

rango de 0 a 2 V cada 5 minutos, al menos dos veces, durante cuatro días.

Los sistemas bio electroquímicos son nuevas tecnologías que se basan en la

capacidad de algunos microorganismos para catalizar una reacción de oxidación en

el ánodo, o una de reducción en el cátodo. Dependiendo del modo de preparación del

reactor y del producto final que se forma, los Sistemas Bio Electroquímicos (SBE) se

emplean microorganismos como lo es la bacteria del género Geobacter para generar

electricidad a partir de varios sustratos. La diferencia principal entre estos SBE es que

en las Celdas de Electrólisis Microbiana (CEM) son empleadas para la producción de

hidrógeno, mientras que las Celdas de Desalinización Microbiana (CDM) se emplean

para la remoción de sal de aguas salobres.6

1.- Lo primero que tuvimos que hacer es reunir todos los materiales necesarios

y escoger el tipo de celda que se quiere realizar, ya que existen hasta 6 posibles CCM,

6 Cervantes Astorga, C.(2011) Biodegradación de aguas residuales y producción de electricidad en una celda de combustible microbiana. Ciudad de México: instituto de ingeniería de la UNAM.

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sin embargo decidimos hacer una de botellas de PET, por la facilidad de obtenerla y

de alguna manera reutilizar materiales con el fin de cuidar el ambiente.

2.- Después se hicieron unos pequeños agujeros en la parte lateral inferior de

cada botella para introducir una lámina de aluminio para que quede dentro de la

botella, y después introducir por otro agujero una manguera.

3.- Para introducir el agua caliente a las botellas, primero se tiene que calentar

una solución de agua con sal y después hacerla calentar introduciendo una mosca,

y esperar hasta que empiece a girar.

4.- El agua al estar sumamente caliente se debe introducir dentro de la botella

colocada horizontalmente hasta estar a la mitad sin dejar que haya fugas, y si es el

caso taparlas.

5.-Luego se debe vaciar una muestra de tierra agregando previamente azúcar

en un matraz Erlenmeyer y disolverlo sin dejar residuos, para después colocar la

muestra en la otra botella de la igual forma que se hizo con la anterior.

6.- Se necesita unir los dos botellas por la parte de la tapa, estando separadas

por un papel filtro, de tal forma que no haya fugas.

RESULTADOS

Imagen 1: Celda de combustible microbiana, cámara catódica y anódica

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Imagen 2: Conexión en serie de tres celdas con los cuatro sustratos

Imagen 3: Colocar las celdas en un ambiente apropiado, con las bombas de aire

encendidas.

Imagen 4: Medición de voltaje producido por la celda de combustible microbiana

conectadas en serie. (Este fue el voltaje que logramos capturar, pero el voltaje más

alto que se observo fue de 12.3)

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Imagen 5: Medición de voltaje por celda individual.

ANALISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

Recolectamos muestras de suelos ricos en bacterias para poder hacer este

proyecto, pues estos microorganismos nos ayudaron a producir energía a través la

celda de combustible microbiana produciendo un voltaje de 12.3 en un circuito en

serie, no solo ayudan a esto sino que también, una de sus funciones es la degradación

de los metales pesados.

El siguiente proceso fue escoger una de las 6 posibles celdas microbianas para

poder tener una cámara catódica y anódica con la finalidad lograr transferir la

electricidad en un circuito cerrado.

Con el bombeo de aire que está circulando gracias al circuito se están moviendo

las bacterias que ya consumieron la glucosa y el cloruro de sodio para así poder

excretar materia orgánica que contiene electrones suficientes para poder encender

un foco menor de 10 watts de modo que puedan lograr hacer contacto con el alambre

de cobre y la lámina de aluminio que tienen cada una de las CCM.

Las bacterias son microorganismos que se desarrollan, se reproducen y

respiran. Estas tres funciones de la célula son las funciones básicas que se lograra

este trabajo ya que la bacteria debe elaborar su propia materia, es decir, realizar la

síntesis de sustancias orgánicas.

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Los resultados son muy favorables porque fue lo que se tenía esperado desde

un inicio, se logró el objetivo principal de hacer un trabajo tecnológico e innovador

para la sociedad y llegar a no depender de los combustible fósiles, tenemos que

buscar nuevas soluciones para poder sobrevivir bajo condiciones adecuadas de

desarrollo tecnológico, este tipo de procesos podría no solamente a ser empleado a

gran escala para el tratamiento de las aguas residuales de una gran ciudad o industria,

si no también sería factible para ser instalado en pequeñas comunidades dispersas o

aisladas del país.

CONCLUSIONES

Podemos concluir que el beneficio de las celdas de combustible microbianas son

de gran importancia para el mejoramiento de la calidad del medio ambiente, ya que

utilizando dichos instrumentos se puede obtener energía eléctrica para suministrar a

una lámpara LED , además de tener una eficiencia de mayor calidad que una batería

común de Litio, de tal modo que una vez terminada su tiempo de uso se desecha y

puede llegar a contaminar los mares, afectando a muchos otros sistemas vivos, en

cambio con la utilización de bacterias Geobacter hacen todo lo contrario por que su

objetivo es degradar toda sustancia que no sea necesaria y apoya al tratamiento de

aguas residuales.

Resulta mucho más eficiente la utilización de estos microorganismos a

comparación de los recursos no renovables que, no falta mucho para que se agoten

y la humanidad necesita buscar nuevas alternativas para lograr sobrevivir, gracias a

investigaciones en microbiología se descubrió la gran utilidad de las bacterias

Geobacter con respecto a comer y degradar la electricidad. Otra cualidad muy

importante que tienen estos microorganismos es que son anaeróbicas convirtiendo

los compuestos orgánicos convirtiendo los derrames petroleros en dióxido de carbono

(CO2).

Al examinar el voltaje que produjo nuestra celda de combustible microbiana

pudimos darnos cuenta que produce 12.3V cantidad suficiente para encender dos

focos LED. Si se explotase a una mayor escala esta nueva fuente de energía sería

una buena idea para administrarla a una pequeña comunidad.

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FUENTES DE INFORMACIÓN

Alzate-Gaviria, Liliana, Fuentes-Albarrán, Carmen, Álvarez-Gallegos, Alberto,

Sebastian, P. J., Generación de electricidad a partir de una celda de combustible

microbiana tipo pem. Interciencia [en linea] 2008, 33 (julio) : [Fecha de consulta: 7 de

marzo de 2019] Disponible en:<http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=33933706>

ISSN 0378-1844

Atlas, R. M. y Bartha, R.(2002) Ecología microbiana y microbiología

ambiental.España: Pearson.

Cervantes Astorga, C.(2011) Biodegradación de aguas residuales y producción de

electricidad en una celda de combustible microbiana. Ciudad de México: instituto de

ingeniería de la UNAM.

Posada Velásquez, Y.,(2006). Fisica 2: Ondas, electromagnetismo y física

contemporánea. México: Progreso.

Rodrigez, A.. (2016). Celdas de combustible microbiana: electricidad por desechos

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Tanja R.. (2016). Microorganismos en el sustrato. MARZO 05, 2019, de CANNA Sitio

web: http://www.canna.es/microorganismos_en_el_sustrato

DISEÑO Y PROCEDIMIENTO DE LA FABRICACIÓN DE LA CELDA

MICROBIANA