Las células de combustible microbianas generanelectricidad a partir de residuos por JOE CASPERMEYER

03 de enero 2008

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Los investigadores en el Instituto Biodesign están utilizando los organismos más pequeños en el planeta-bacterias-como una opción viable para producir electricidad. En un nuevo estudio aparecido en la revista de Biotecnología y Bioingeniería, autor principal Andrew Kato Marcus y sus colegas Cà© sar Torres y Bruce Rittmann han adquirido conocimientos críticos que puedan dar lugar a la comercialización de una pila de combustible microbiana prometedora tecnología (MFC).

"Podemos usar cualquier tipo de residuos, tales como aguas residuales o el estiércol de cerdo, y la célula de combustible microbiana a generar energía eléctrica", dijo Marcus, Ingeniería Civil y Ambiental estudiante graduado y miembro del Instituto Centro de Biotecnología Ambiental. A diferencia convencional pilas de combustible que se basan en el gas de hidrógeno como fuente de combustible, la célula de combustible microbiana pueden manejar una variedad de combustibles orgánicos a base de agua.

"Hay una gran cantidad de biomasa por ahí que miramos simplemente como energía almacenada en el lugar equivocado", dijo Bruce Rittmann, director del centro. "Podemos tomar este tipo de residuos, manteniéndolo en su forma líquida normal, pero permitiendo que las bacterias para convertir el valor deenergía de forma más útil de nuestra sociedad, la electricidad. Reciben comida mientras obtenemos la electricidad."

Microbio de energía: La célula microbiana de

combustible (MFC), que se muestra en esta instalación de mesa, puede tomar las fuentes comunesde los residuos orgánicos, tales como los residuos humanos, desechos de animales, o la escorrentíaagrícola y los convierte en electricidad.

No pierda Las bacterias tienen una diversidad tan rica que los investigadores pueden encontrar una bacteria que puede manejar casi cualquier compuesto de residuos en su dieta diaria. Al vincular el metabolismo bacteriano directamente con la producción de electricidad, la MFC elimina los pasos adicionales necesarios en otras tecnologías de células de combustible. "Nos gusta trabajar con las bacterias, ya que las bacterias son una fuente barata de electricidad", dijo Marcus.

Hay muchos tipos de reactores de MFC y equipos de investigación de todo el mundo (http://microbialfuelcell.org ). Sin embargo, todos los reactores comparten los mismos principios de funcionamiento. Todos los MFC tienen un par de terminales de batería como: un ánodo y un electrodo de cátodo. Los electrodos están conectados por un circuito externo y una solución de electrólito para ayudar a conducir la electricidad. La diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo, junto con el flujo de electrones en el circuito, generar energía eléctrica.

En el primer paso del MFC, un ánodo que respiran la bacteria descompone los residuos orgánicos a dióxido de carbono y transfiere los electrones liberados en el ánodo. A continuación, los electrones viajan desde el ánodo, a través de un circuito externo para generar energía eléctrica. Por último, los electrones completan el circuito al viajar hacia el cátodo, donde son absorbidos por los iones de oxígeno e hidrógeno para formar agua.

¿Cuál es la matriz? "Sabíamos que el proceso de MFC es relativamente estable, pero una de las mayores preguntas es: ¿Cómo las bacterias penetran los electrones al ánodo" dijo Marcus.

Las bacterias dependen del ánodo para la vida. Las bacterias en el ánodo respiran el ánodo, al igual quelas personas respiran aire, mediante la transferencia de electrones al ánodo. Dado que las bacterias usanel ánodo en su metabolismo, que estratégicamente se posicionan en la superficie del ánodo para formar una comunidad bacteriana llamada un biofilm.

Las bacterias en la biopelícula producen una matriz de material de manera que se pegan al ánodo. La matriz del biofilm es rico en materiales que pueden potencialmente transportar electrones. La matriz de la biopelícula pegajosa se compone de un complejo de proteínas extracelulares, azúcares, y células bacterianas. La matriz también se ha demostrado que contienen diminutas nanocables conductoras que pueden ayudar a facilitar la conducción de electrones.

"Nuestro modelo numérico desarrolla y apoya la idea de que la matriz bacteriana es conductor", dijo Marcus. En electrónica, los conductores son los más comúnmente hechas de materiales como el cobre que hacen más fácil para una corriente fluya a través. "En una matriz conductora, el movimiento de electrones es impulsado por el cambio en el potencial eléctrico." Como una cascada, la caída de tensiónresultante en el potencial eléctrico empuja el flujo de electrones.

El tratamiento de la matriz del biofilm como un conductor permitió al equipo describir el transporte de electrones impulsados por el gradiente de potencial eléctrico. La relación entre la matriz de la biopelícula y el ánodo ahora podría ser descrita por una ecuación estándar para un circuito eléctrico, la ley de Ohm.

Dentro del MFC es un ecosistema complejo en el que las bacterias viven dentro de una matriz auto-generado que conduce los electrones. "Todo el biofilm está actuando como el ánodo en sí, un electrodo de vivir", dijo Marcus. "Es por eso que lo llamamos el à ¢ â, ¬ Ëœbiofilm ánodo. '"

La vida interior de un MFC: Las bacterias han evolucionado para utilizar casi cualquier producto químico como fuente de alimento. En el MFC, las bacterias forman una biopelícula, una comunidad viviente que está conectado al electrodo por un azúcar pegajosa y la matriz de la biopelícula de proteína recubierta. Cuando se cultiva en ausencia de oxígeno, los subproductos del metabolismo bacteriano de residuos incluyen dióxido de carbono, los electrones y los iones de hidrógeno. Los electrones producidos por las bacterias son transportados sobre el electrodo por la matriz de la biopelícula, la creación de un ecosistema floreciente llamada

La vida en el Jolt El concepto del "ánodo biofilm" permitió al equipo describir el transporte de electrones desde las bacterias hasta el electrodo y el gradiente de potencial eléctrico. La importancia de potencial eléctrico es bien conocido en una célula de combustible tradicional, pero su importancia para el metabolismo bacteriano ha sido menos clara. El siguiente concepto importante el equipo tuvo que desarrollar era entender la respuesta de las bacterias a la potencial eléctrico dentro de la matriz del biofilm.

Las bacterias crecen, siempre y cuando haya un suministro abundante de nutrientes. Jacques Monod, uno de los padres fundadores de la biología molecular, desarrolló una ecuación para describir esta relación. El equipo reconoció la importancia de la ecuación de Monod por bacterias bañadas en un caldo rico en nutrientes, el reto consistía en aplicar la ecuación de Monod al ánodo, un sólido.

Estudios anteriores han demostrado que la tasa de metabolismo bacteriano en el ánodo aumenta cuandoel potencial eléctrico del ánodo aumenta. Los investigadores ahora podrían pensar en el potencial eléctrico como el cumplimiento de la misma función que un caldo nutriente bacteriano. El equipo reconoció que el potencial eléctrico es equivalente a la concentración de electrones; y los electrones son precisamente lo que las bacterias transfieren al ánodo.

Equipado con esta idea clave, el equipo desarrolló un nuevo modelo, la ecuación de Nernst-Monod, para describir la velocidad del metabolismo bacteriano en respuesta a la "concentración de electrones" o el potencial eléctrico.

En su modelo, el equipo identificó tres variables fundamentales para el control de un MFC: la cantidad de material de desecho (combustible), la acumulación de biomasa en el ánodo y el potencial eléctrico en el ánodo biofilm. El tercer factor es un concepto totalmente novedoso en la investigación de MFC.

"Modelando el potencial en el ánodo biofilm, ahora tenemos una manija en cómo el MFC está trabajando y por qué. Podemos predecir la cantidad de tensión que obtenemos y cómo aprovechar al máximo la potencia de salida por ajustar los diferentes factores", dijo Marcus. Por ejemplo, el equipo ha demostrado que el biofilm produce más corriente cuando el grosor de la biopelícula se encuentra en un término medio, no demasiado grueso o fino.

"Si el biofilm es demasiado gruesa", dijo Marcus, "los electrones tienen que viajar muy lejos para llegaral ánodo. Por otro lado, si el biofilm es demasiado delgada, tiene muy pocas bacterias para extraer los electrones rápidamente de la combustible ".

Para cosechar los beneficios de MFC, el equipo de investigación está utilizando su modelo innovador para optimizar el rendimiento y la potencia de salida. El proyecto, que ha sido financiado por la NASA y socios industriales OpenCEL y NZLegacy , establece el marco para la investigación y el desarrollo para perseguir la comercialización de la tecnología de MFC.

Andrew Kato Marcus es un Ph.D. estudiante de Ingeniería Civil y Ambiental. Bruce Rittmann, Ph.D., es el director del Centro de Biotecnología Ambiental en el Instituto Biodesign de ASU. Rittmann es profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Ira A. Fulton Escuela de Ingeniería y miembro de la Academia Nacional de Ingeniería.

Este artículo apareció por primera vez en la página de noticias del Instituto Biodesign.

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