ANA DEL PILAR PINEDA MARÍN MARTHA LIZETH ROSAS TAFUR
PROYECTO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERAS AMBIENTALES EN LA MODALIDAD DE MONOGRAFÍA
EXPLORATORIA
DIRIGIDO POR:
MARTHA CECILIA GUTIÉRREZ SARMIENTO LICENCIADA EN BIOLOGÍA
ESPECIALISTA EN EDUCACIÓN Y GESTIÓN AMBIENTAL MASTER EN DESARROLLO SUSTENTABLE Y GESTIÓN AMBIENTAL
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.
AGRADECIMIENTOS
Mi absoluta gratitud a Dios, porque Él hizo que todo fuese posible, gracias Señor por la capacidad intelectual, las ideas, la fuerza para perseverar en este sueño y por tu bendición en toda mi formación profesional y en la realización de este documento. Gracias a la docente Martha Gutiérrez, nuestra Directora del Trabajo de Grado. Gracias a mi familia. Gracias a toda la gente linda que conocí en la Universidad, gracias por todo su cariño, paciencia, consejos y apoyo. Gracias por todo Pili.
Martha Lizeth Rosas Tafur.
Agradezco a mi familia por su comprensión y paciencia, por las mismas razones agradezco a nuestra directora la profesora Martha Cecilia Gutiérrez Sarmiento además por sus consejos y sabiduría. Finalmente, a mi compañera Martha por tener fe por las dos.
“Las ideas emitidas por los autores son de su exclusiva responsabilidad y no expresan necesariamente opiniones de la Universidad”
Contenido
1. Introducción ... 13
2. Planteamiento del problema ... 15
3. Justificación ... 17
4. Objetivos ... 19
4.1 Objetivo general ... 19
4.2 Objetivos específicos... 19
5. Marco de referencia ... 20
5.1 Celdas de combustible ... 20
5.2 Celdas de combustible microbianas ... 24
6. Metodología ... 27
6.1 Recolección de información secundaria. ... 28
6.2 Sistematización y clasificación de la información secundaria. ... 28
6.3 Síntesis de la información contenida en los documentos obtenidos. ... 29
7. Resultados ... 32
7.1 Obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados. ... 32
7.2 Generación del inventario de los documentos consultados y definición de núcleos temáticos. ... 34
7.3 Construcción de fichas de consulta. ... 34
8. Análisis de Resultados ... 47
8.1 Análisis a la obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados. ... 47
8.2 Análisis del inventario de los documentos consultados y núcleos temáticos definidos. 49 8.3 Análisis y estado del arte. ... 50
8.3.1 Estructura. ... 51
8.3.1.1 Distancia entre electrodos. ... 51
8.3.1.1 Área Superficial... 52
8.3.1.2 Configuración. ... 54
8.3.1.2.1 Celdas de doble cámara. ... 55
8.3.1.2.2 Celdas de Combustible Microbianas Tipo H. ... 55
8.3.1.2.2.2 Celdas de combustible microbianas de placas planas. ... 58
8.3.1.2.2.3 Celdas de combustible microbianas tubulares. ... 59
8.3.1.2.2.4 Celdas de combustibles a micro-escala. ... 63
8.3.1.2.3 Celdas de cámara única. ... 64
8.3.1.2.4 Celdas de combustible apiladas. ... 69
8.3.1.2.5 Sistemas acoplados a las celdas de combustible microbianas. ... 72
8.3.1.2.5.1 Celdas para generación de energía y tratamiento de aguas. ... 73
8.3.1.2.5.2 Celdas acopladas a sistemas de generación de biogás. ... 74
8.3.1.2.5.3 Celdas de Combustible Microbianas Vegetales. ... 76
8.3.1.2.5.4 Celdas para generación de energía y recuperación de metales pesados. . 81
8.3.1.3 Material separador. ... 83
8.3.1.3.1 Membranas de intercambio Iónico (IEM). ... 84
8.3.1.3.1.1 Membranas de Intercambio Catiónico (CEM). ... 85
8.3.1.3.1.2 Membranas de intercambio Aniónico (AEM). ... 90
8.3.1.3.1.3 Membrana Bipolar (BPM). ... 95
8.3.1.3.2 Separadores de tamaño selectivo. ... 97
8.3.1.3.2.1 Membrana de filtración microporosa. ... 97
8.3.1.3.2.2 Filtros de poro ancho. ... 100
8.3.1.3.3 Puente Salino. ... 105
8.3.1.4 Material del Ánodo... 108
8.3.1.5 Materiales del Cátodo...115
8.3.2 Condiciones de operación. ... 120
8.3.2.1 Aireación forzada del cátodo y concentración de oxígeno disuelto. ... 120
8.3.2.2 Modo y Tiempo de Operación. ... 123
8.3.2.1 pH. ... 126
8.3.2.2 Tasa de alimentación y tiempos de retención hidráulica (THR). ... 128
8.3.2.3 Resistencia Externa. ... 130
8.3.2.4 Resistencia Interna. ... 132
8.3.2.5 Temperatura. ... 136
8.3.3 Desempeño del sustrato. ... 138
8.3.3.1 Sustratos de composición definida. ... 139
8.3.3.2 Sustratos de composición no definida. ... 142
8.3.4 Microorganismos exoelectrógenos. ... 144
8.3.5 Microorganismos Modificados Genéticamente en CCMs. ... 153
8.3.6 Mecanismos de Reacción. ... 154
8.3.6.1 Transferencia de Electrones Directa (TED) ... 155
8.3.6.2 Transferencia de Electrones Mediada (TEM). ... 158
8.3.6.2.1 TEM a través de mediadores redox exógenos y/o artificiales. ... 158
8.3.6.2.2 TEM a través de metabolitos secundarios. ... 161
8.3.6.2.3 TEM a través de metabolitos primarios. ... 163
8.3.7 Herramientas y metodologías de estudio. ... 164
8.3.7.1 Técnicas electroquímicas. ... 164
8.3.7.1.1 Curvas de polarización. ... 164
8.3.7.1.2 Voltametría Cíclica (CV). ... 166
8.3.7.2 Técnicas de Espectroscopia. ... 169
8.3.7.2.1 Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS). ... 169
8.3.7.2.2 Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). ... 171
8.3.7.2.3 Espectroscopia UV-visible. ... 172
8.3.7.2.5 Difracción de Rayos X. ... 172
8.3.7.3 Técnicas microbiológicas ... 173
8.3.7.3.1 Técnicas de microscopia. ... 173
8.3.7.3.1.1 Microscopia electrónica de barrido. ... 173
8.3.7.3.1.2 Microscopia electrónica de transmisión. ... 175
8.3.7.3.1.3 Microscopia de epifluorescencia ... 176
8.3.7.3.2 Técnicas moleculares. ... 177
8.3.7.3.2.1 Extracción de ADN, amplificación por PCR y obtención de perfiles de la Electroforesis en gel con Gradiente Desnaturalizante (DGGE). ... 180
8.3.7.3.2.2 Secuenciación y el análisis filogenético. ... 182
8.3.7.4 Técnicas de Cromatografía... 183
8.3.8 Aplicaciones. ... 185
9. Conclusiones ... 188
10. Recomendaciones ... 197
11. Bibliografía ... 199
Índice de Figuras
Figura 1. Esquema de funcionamiento de una celda de combustible ... 21
Figura 2. Principio de operación de una celda de combustible de hidrógeno. ... 23
Figura 3. Celda de Combustible Microbiana ... 24
Figura 4. Flujograma de la metodología empleada en la construcción del estado de arte. De izquierda a derecha, insumos empleados, pasos metodológicos y resultados ... 27
Figura 5. La Grafica que representa la cantidad y tipo de documentos obtenidos de Universidades Colombianas ... 47
Figura 6. Porcentaje correspondiente a los países involucrados en el total de los artículos científicos recopilados ... 48
Figura 7. Porcentaje del total de documentos obtenidos en relación a cada núcleo temático ... 50
Figura 8. Ensamble experimental para la CCM 1 y de la CCM 2 diseñadas y construidas por el grupo investigador Álzate-Gaviria et al (2010) ... 53
Figura 9. Celda de combustible microbiana de doble cámara tipo H ... 56
Figura 10. Celda de combustible microbiana con cámaras acopladas ... 58
Figura 11. Esquema básico de CCM de placa (A). Diseño con placas removibles (B) ... 59
Figura 12. Esquema de celda de combustible microbiana cilíndrica de flujo ascendente ... 60
Figura 13. Esquema de Celda de Combustible Microbiana (CCM) de flujo ascendente ... 60
Figura 14 Celda de combustible microbiana de flujo ascendente (CCM-FA) con la cámara catódica colocado dentro de la cámara del ánodo ... 62
Figura 15. Celda de combustible microbiana de cámara única. ... 64
Figura 16. CCM de cátodo al aire y flujo ascendente, propuesta por You y otros (2008) ... 65
Figura 17. Prototipo de CCM de una cámara diseñado, construido y evaluado por Triviño Cuellar (2006) ... 66
Figura 18. Prototipo de CCM propuesta por Capodaglio, y otros (2013) ... 67
Figura 19. Esquema del reactor biológico propuesto por Galindo Gómez (2005) ... 73
Figura 20. Prototipo de CCMs construidas por López Barrios (2010). ... 75
Figura 21. Celda de Combustible Microbiana Vegetal (CCM-V) vista del anodo (A), vista del catodo (B)... 77
Índice de Tablas
Tabla 1. Factores e indicadores de referencia para el análisis de documentos. ... 29
Tabla 2. Documentos encontrados durante la etapa de recolección de información secundaria. . 32
Tabla 3. Ejemplo de Ficha descriptiva. ... 35
Tabla 4. Ejemplo Ficha Sinóptica. ... 39
Tabla 5. Ejemplo de Ficha Bibliográfica. ... 41
Tabla 6. Ejemplo Ficha de Interpretación por Núcleo Temático. ... 43
Tabla 7. Ficha de compresión Teórica Global. ... 45
Tabla 8 Núcleos temáticos y sus temas relacionados. ... 49
Tabla 9. Clasificación y tipos de materiales separadores. ... 84
Tabla 10. Parámetros del desempeño electroquímico y de transferencia de masa para los separadores de MFM, UFM-1K, UFM-5K, UFM-10K y PEM. Coeficientes de transferencia de oxígeno (DO), coeficiente de transferencia de sustrato (DS). ... 100
Tabla 11. Parámetros de resistencia y capacitancia del ánodo en tres configuraciones de celdas de combustible microbianas. ... 135
Anexos
Anexo 1. Respuestas de Instituciones Educativas ...179
Anexo 2. Tabla materiales separadores evaluados en la literatura revisada ...183
Anexo 3. Inventario de documentos consultados en idioma español ...187
Anexo 4. Inventario de documentos consultados en idioma inglés ...187
Anexo 5. Fichas descriptivas, bibliográficas y sinópticas ...187
Anexo 6. Fichas de interpretación por núcleos temáticos ...187
1. Introducción
Hasta ahora, el siglo XXI ha sido caracterizado por los cambios considerables en la forma en que se entiende y usa la energía con respecto al inicio de la industrialización, la cual comenzó en los países referidos como “desarrollados”. Hoy, la población de estos países comprende el 20% de la población global y difícilmente crecerá más, mientras que en los países en desarrollo los índices de crecimiento de la población son considerablemente más altos. La migración de personas a los grandes centros urbanos conlleva a la aparición de megaciudades. Los desafíos de la construcción de infraestructura que coincida con las necesidades globales de energía, movilidad, vivienda y comida son enormes, y ninguno de estos desafíos puede ser satisfecho sin energía. Mientras que los recursos energéticos globales son abundantes y pueden satisfacer la creciente demanda energética en las décadas por venir, su distribución alrededor del mundo e implicaciones en los mercados energéticos exige un uso más eficiente de los recursos y los sistemas energéticos (World Energy Council, 2013).
En esa búsqueda de tecnologías más eficientes en la producción energética y que a su vez, generen menores impactos, que los causados por los sistemas tradicionales, se ha considerado el desarrollo de las celdas de combustible, recociéndose en general seis tipos: de Membrana de intercambio protónico (PEMFC), Alcalina (AFC), de Metanol Directo (DMFC), de Ácido Fosfórico (PAFC), de Carbonato fundido (MCFC) y de Óxido sólido (SOFC) (Rodríguez Varela, Solorza Feria, & Hernández Pacheco, 2010). Sin embargo, en los últimos años, un tipo adicional a las celdas convencionales ha atraído la atención de los investigadores en este campo, puesto que emplea microorganismos provenientes de sustratos tales como residuos sólidos orgánicos o agua residuales, como catalizadores de las reacciones internas de la celda, esta es la celda de combustible microbiana (CCM) o Microbial Fuel Cell (MFC).
sido enviadas vía correo electrónico por la Dirección de Bibliotecas de algunas universidades colombianas, para construir así el estado de arte de las CCM referente a la generación de bioenergía.
Para este fin, que partió de la búsqueda de información secundaria, se efectuó la sistematización y clasificación de los documentos encontrados y se analizó e interpretó la información sistematizada. Posteriormente, se elaboró este documento, que sintetiza los resultados obtenidos a partir de la ejecución de la metodología propuesta, consignándose la formalización del estado del arte, el cual abarca diversos aspectos tales como la arquitectura de las CCMs, las condiciones de operación del sistema, el efecto de los diferentes sustratos, los microorganismos empleados, los mecanismos de reacción que se llevan a cabo, las herramientas existente para el estudio de estos parámetros y finalmente, las aplicaciones potenciales de la tecnología. Todo esto a partir de la revisión de los avances a los que se ha llegado en los últimos años, reconociéndose los alcances y limitaciones de los mismos, y determinando lo que falta por hacer para que ésta, por medio de su producción a gran escala, genere un aporte significativo como alternativa a los mecanismos de producción de energía altamente contaminantes.
2. Planteamiento del problema
La necesidad del desarrollo de nuevas tecnologías para producción de energía radica en la crisis energética, ya ampliamente documentada y que en palabras de la International Energy Agency (2014), puede ser descrita de la siguiente manera:
Mundialmente, el aumento de la demanda de electricidad está adelantando al de todos los demás vectores de energía final, lo que crea la posibilidad de transformar radicalmente tanto el suministro como el uso final de la energía. Desde los años setenta, la proporción global de la electricidad en la demanda total de energética ha subido del 9 % a más del 17 %. De forma general en todos los escenarios, esta proporción alcanzará el 25 % en 2050 [...] La transición a la electrificación hará necesaria una reversión masiva de las últimas tendencias, que han demostrado depender continuamente de los combustibles fósiles sin CAC (Captura y Almacenamiento de Carbono) para generar energía.
La crisis energética actual constituye una situación bien documentada por organizaciones a nivel nacional e internacional cuyo origen puede enfocarse en dos aspectos: el carácter finito y agotable de las fuentes de energía fósil usadas comúnmente y los impactos que genera la implementación y uso de los mismos en los ámbitos social, económico y ambiental.
Por lo anterior, la investigación y desarrollo de tecnologías para generación de energía se ha constituido como una de las prioridades a nivel mundial y hasta la fecha, se ha logrado poner sobre la mesa distintas alternativas dentro de las que se encuentran la aplicación de celdas de combustible microbianas, que pueden considerarse como una tecnología con gran potencial, tanto para generación de energía como para el tratamiento de aguas residuales. Las CCMs se destacan de otros tipos de celdas, debido a que la principal fuente de energía son los electrones obtenidos en las reacciones químicas llevadas a cabo por microorganismos exoelectrógenos, a partir de una gran variedad de sustratos orgánicos a diferencia de otros tipos de otros tipos de celdas, lo cual reduce sus costos de operación sin generar emisiones o subproductos en significativa cantidad y toxicidad.
en que se encuentra esta tecnología y el tiempo estimado que requieren las investigaciones para poder aplicarla a gran escala.
3. Justificación
El mundo experimenta numerosas problemáticas ambientales, dentro de las cuales se podrían citar la contaminación atmosférica causada por el uso de combustibles fósiles en la generación de energía, contaminación de fuentes hídricas y del suelo por descargas de aguas residuales, residuos peligrosos, entre otros. Cada una de las anteriores problemáticas mencionadas y las demás por mencionar, derivan en otras que trascienden del impacto local inicial, a otras problemáticas de mayor escala y severidad. Por lo anterior, ya no basta tener un conjunto de soluciones por cada impacto o problemática generado, sino que se demandan propuestas de tipo integral que permitan controlar o eliminar más de una problemática y que de la misma forma procure no desencadenar otras situaciones o fenómenos negativos.
La tecnología de generación de energía a partir de Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) como alternativa al uso de combustibles convencionales, tiene un gran potencial ya que depende de actividad microbiana en función de un sustrato, obtenido mediante fuentes renovables como la biomasa o de vertimientos con elevado contenido de materia orgánica. Las investigaciones publicadas al respecto son muy recientes y cada una de estas genera un aporte al desarrollo de estas tecnologías como materiales, microorganismos, sustratos con potencial para ser empleados, así como su comportamiento en sistemas reales. Por lo tanto, es necesario condensar los diferentes aportes mediante la formalización del estado del arte de las investigaciones en celdas de combustible microbianas para generación de energía.
Jiménez Becerra (2004) afirma que
Cuando hablamos de estado del arte para el abordaje de un problema o un tema [...] estamos hablando de la necesidad hermenéutica de remitirnos a textos que a su vez son expresiones de desarrollos investigativos, dados desde diversas percepciones de las ciencias y escuelas de pensamiento, [...] tarea aprendida y cuyo objetivo final es el conocimiento y la aprobación de la realidad para disertarla y problematizarla (pág. 52).
4. Objetivos
4.1 Objetivo general
Establecer el estado del arte de los avances científicos en celdas de combustible microbianas para producción de bioenergía.
4.2 Objetivos específicos
1. Realizar la búsqueda de información secundaria en bases de datos de libre acceso, y mediante la solicitud por escrito en algunas universidades colombianas para acceder a trabajos de grado, referentes a las celdas de combustible microbianas.
2. Efectuar la sistematización y clasificación de la información encontrada relacionadas con celdas de combustible microbianas, mediante la generación de un inventario de documentos consultados y la definición de los núcleos temáticos que orientaran los análisis posteriores.
3. Sintetizar la información contenida en los documentos obtenidos, mediante el uso de fichas de consulta, en aras de facilitar el análisis de la misma en sus aspectos más relevantes.
5. Marco de referencia
5.1 Celdas de combustible
En el siglo XX, durante la década de los 60´s, las celdas de combustible fueron conocidas como dispositivos para la obtención de electricidad, a raíz de la demanda de un sistema energético eficiente para la industria espacial; sin embargo, su principio fundamental ya había sido reconocido por William Grove, quien en 1839 realizó algunos ensayos que demostraban la posibilidad de generar electricidad mediante la reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno (Livano García, 2012).
Grimes (2000) afirma que posterior al descubrimiento de Grove, desde 1839 hasta 1950, diversos científicos sentaron las bases para las nuevas investigaciones en celdas de combustible. Las principales contribuciones identificadas señalan a Antonio Becquerel quien diseño un tipo de batería usando una mezcla de nitrato de potasio y platino, Ludwing Mong y Carl Langer produjeron una batería alimentada con gas y la denominaron celda de combustible, el Dr. William W. Jacques implementó carbón como electrodo en celdas de combustible, W. Nerst introdujo el concepto de las reacciones REDOX en las celdas de combustible y Francois Bacon quien implementó sistemas alcalinos como catalizadores en celdas de combustible. Estos avances y muchos otros, permitieron que las aplicaciones de las celdas de combustible se extiendan desde el transporte, usos militares, almacenamiento y portabilidad de energía, hasta tratamiento de aguas residuales y demás.
Las celdas de combustible, al ser consideradas aún como una tecnología emergente, han sorprendido entre las tecnologías energéticas alternativas por sus fuertes ventajas, aunque también es de reconocer que presentan importantes desventajas, que están en proceso de ser superadas (Xu, y otros, 2012; Antonili, 2015; Leong, Wan Daud, Ghasemi, Liew, & Ismail, 2013).
“transforman directamente en electricidad la energía contenida en un combustible, mediante un proceso isotermo que aprovecha la entalpía libre interna del combustible a temperatura de operación” (Mayandía, 2009).
Otra gran ventaja de las celdas de combustible radica en su alta eficiencia durante la conversión energética que puede ser hasta del 95%, a diferencia de los motores de combustión donde la misma es de tan solo el 25%, ya que gran parte de la energía de estos se disipa en ruidos, vibraciones, calor y humo (Mosquera & Merino, 2006).
Un aspecto importante de las celdas de combustible, es que en la mayoría de los casos estas no generan emisión de carbono a la atmósfera —a excepción de las celdas de combustible fotosintéticas—. Los productos obtenidos en su implementación son agua, calor y electricidad, mediante la Figura 1, Rozo & Tibaquíra, (2007) esquematizan las entradas y salidas en general de una celda de combustible. En esta se expone como este dispositivo electroquímico convierte internamente la energía química producida en la reacción entre el hidrógeno (𝐻2) y el oxígeno (𝑂2), en electricidad y calor; la reacción también produce agua (𝐻2𝑂).
Figura 1. Esquema de funcionamiento de una celda de combustible. Fuente: Rozo & Tibaquíra (2007).
En contraste, la principal desventaja que poseen las celdas de combustible respecto a los motores de combustión convencionales, radica en que esta es aún una tecnología en estudio y experimentación, por lo cual, hoy en día presenta problemas relacionados con su funcionamiento, como lo son el excesivo peso de las celdas de combustible para los prototipos actuales y el elevado gasto energético para licuar el hidrógeno; también es muy costosa la construcción de los sistemas de almacenamiento y suministro de energía de las celdas. Lo anterior, ha causado que esta tecnología no se halla reproducido a gran escala para su comercialización y a su vez, que esta no haya logrado competir significativamente con los mecanismos energéticas tradicionales (Livano García, 2012).
El funcionamiento básico de una celda de combustible que permite generar las ventajas anteriormente mencionadas, radica en que está compuesta por dos electrodos: un ánodo, que proporciona los electrones al circuito externo y un cátodo, que absorbe electrones del circuito externo, separados por un electrolito que facilita la transferencia de iones.
Para describir el funcionamiento de las celdas de combustible, puede tomarse como referencia las celdas de hidrógeno, en las cuales ocurren las siguientes reacciones químicas:
Reacción anódica: H2 → 2H++ 2e− (1)
Reacción catódica: 1
2O2+ 2e
− + 2H+ → H 2O (2)
Reacción global: H2+ 1
2O2 → H2O (3)
conductores generando corriente eléctrica, la cual es regulada por una resistencia externa. En la cámara catódica se suministra el comburente —que es en este caso el oxígeno molecular—, el cual se reduce al tomar los electrones transmitidos a través del circuito externo (conductores y resistencia), que su vez, en presencia de los iones hidrógeno que pasan a través del electrolito reaccionan para formar agua, como lo indica la reacción (2).
Figura 2.Principio de operación de una celda de combustible de hidrógeno. Fuente: Rozo & Tibaquíra (2007).
Para estos sistemas, cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición, puede ser empleado en el funcionamiento de la celda, ejemplo de estos son el gas natural, carbón gasificado, gasóleo o metanol. La superficie de los electrodos y la separación entre ellos, la estructura íntima de los electrones, el electrolito empleado, las dimensiones geométricas, las condiciones termodinámicas de operación y las características de los reactantes, son factores que influyen en el voltaje de la celda y en la energía que esta produce (Livano García, 2012).
Los avances científicos en celdas de combustible han permitido generar distintos tipos de estas, distinguidas por el electrolito que emplean para su operación, algunas de estas se nombran a continuación:
● Celdas de membrana polimétrica (PEM). ● Celdas de ácido fosfórico (PAFC). ● Celdas de carbonato fundido (MCFC). ● Celdas de óxido sólido (SOFC).
● Celdas de combustible microbiana (CCM).
5.2 Celdas de combustible microbianas
Una Celda de combustible microbiana (CCM) o microbial fuel cell(MFC), es una celda de combustible de funcionamiento bio-electroquímico, ya que convierte la energía química almacenada en los enlaces químicos de la materia orgánica e inorgánica a electricidad, mediante reacciones catalíticas de microorganismos bajo condiciones anóxicas (Rodríguez Varela, Solorza Feria, & Hernández Pacheco, 2010).
Generalmente, una CCM está conformada por una cámara anódica y una cámara catódica, separadas por una película o membrana sintética que contiene grupos funcionales ionizables, es decir, una membrana de intercambio protónico. Los microorganismos en el ánodo oxidan la materia orgánica generando protones (𝐻+) y electrones (𝑒−).
El esquema del funcionamiento general de una CCM se ilustra en la Figura 3. En una CCM, los microorganismos transfieren los electrones hacia un ánodo, luego los electrones pasan a través de una resistencia u otra carga hacia un cátodo, por lo que los electrones generados en la reacción serán aprovechados para ser convertidos directamente en energía eléctrica. Finalmente, los protones migran hacia el cátodo en aerobiósis donde se combinan con el oxígeno y se forma agua (Buitrón & Pérez, 2011).
Una reacción típica con glucosa como sustrato es:
Figura 3. Celda de Combustible Microbiana.
Ánodo: C6H12O6+ 6H2O
microorganismos
→ 6CO2+ 24H
++ 24e−
Cátodo: 6O2+ 24H++ 24e− → 12H 2O
Las aplicaciones de este tipo de celdas de combustible, se han dado de modo experimental principalmente en el tratamiento de aguas residuales municipales, cuya materia orgánica es aprovechable por microorganismos electrogénicos, que son capaces de transferir los electrones al ánodo en ausencia de mediadores redox artificiales (Lovley, 2006).
Esta variedad de microorganismos agrupa a aquellos que tienen la habilidad de transferir electrones extracelularmente. Otros nombres que han recibido estos mismos microorganismos han sido los de bacterias electroquímicamente activas, bacterias con respiración anódica y electrógenas (Logan, 2009).
Se han identificado una gran variedad de géneros bacterianos asociados a las celdas de combustible microbiana, los cuales dependen de la naturaleza del inóculo, del combustible y del tipo de la CCM (Logan & Regan, 2006). Magallón, Gonzáles-Gutiérrez, & Alanís N (2012), determinaron que algunas de estas bacterias activas electroquímicamente (BAE) pertenecen a los géneros Shewanella, Geobacter y algunas especies de Pseudomonas.
La aplicación fundamental de las CCM es la generación de bioelectricidad, empleándose en su producción compuestos orgánicos fermentables y no fermentables como glucosa, acetatos y ácidos orgánicos, entre otros. También se ha empleado albúmina de suero bovino y peptona, e inclusive sustratos más complejos como agua residual municipal, industrial y extractos de sólidos gastados provenientes de la fermentación anaerobia hidrogenogénica de residuos orgánicos urbanos (Rodríguez Varela, Solorza Feria, & Hernández Pacheco, 2010).
bacteria, mayor será su tasa de reproducción y por lo tanto, aumentará la eliminación de la materia orgánica (Buitrón & Pérez, 2011). De igual forma también se ha demostrado su capacidad de remoción no solo de materia orgánica, sino de compuestos tóxicos recalcitrantes e incluso metales pesados.
6. Metodología
Dado que la tecnología de generación de bioelectricidad a partir de celdas de combustible microbianas se encuentra aún en etapa de desarrollo y experimentación, el documento se clasifica como una monografía de tipo exploratoria. Mediante recopilación, organización, compresión y análisis de diversos artículos científicos y trabajos de grado universitarios, se logró construir una aproximación al estado de arte actual de las celdas de combustible microbianas, en lo que a generación de bioenergía corresponde. A continuación, se presenta un flujograma que esquematiza la metodología y los resultados obtenidos con esta (Ver Figura 4), posteriormente se especifica los pasos metodológicos efectuados.
6.1 Recolección de información secundaria.
Se realizó la búsqueda de artículos publicados en revistas científicas disponibles en bases de datos de libre acceso tanto en español como en inglés, relacionados directamente con las celdas de combustible microbianas para generación de energía.
También se solicitó a 31 universidades colombianas con programas en ciencias básicas e ingeniería y que cuentan con un Índice de Impacto Normalizado mayor a 0.4, las memorias electrónicas de los trabajos de grado de sus egresados en programas de pregrado o posgrado, que contribuyeran a la investigación de las Celdas de Combustible Microbianas. Para este fin, se radicó una carta dirigida a la universidad, firmada por el docente coordinador del Proyecto Curricular de Ingeniería Ambiental y el docente director del presente trabajo y posteriormente, se envió la solicitud a las universidades respectivas vía correo electrónico. Se consideró un tiempo de espera dos semanas para las respuestas de estas instituciones, después del cual, solo se obtuvo respuesta de 12 universidades; la mayoría de estas, indicaron dirigirse vía internet al repositorio de la universidad o al catálogo público de la universidad y hacer personalmente la búsqueda, lo cual sugirió que procediendo de esta misma forma en los casos de las universidades que no remitieron respuesta, podría conllevar a encontrar algún documento útil para la construcción del estado del arte. El Anexo 1, presenta el listado de las universidades a las cuales se envió la solicitud, la respuesta otorgada y el resultado de la búsqueda en los repositorios o al catálogo público de dichas universidades.
6.2 Sistematización y clasificación de la información secundaria.
En total se recopilaron 26 documentos en español y 89 en inglés, con los cuales, inicialmente se realizó un registro en una tabla elaborada en el programa Excel que contuvo la siguiente información básica de las publicaciones:
Código asignado para identificar el archivo.
Título original.
Título en español (para publicaciones en inglés).
Digital Object Identifier (DOI).
Núcleo Temático.
Palabras Clave.
Institución a la que se vinculan los investigadores.
Ubicación.
Nombre de la revista/editorial. Volumen/Número de la revista.
Páginas.
Año de publicación.
Observaciones.
La lectura de los documentos se realizó en orden cronológico de publicación, de forma simultánea y para facilitar la cantidad de información disponible, se generó un archivo de Excel en donde se da la clasificación de los documentos considerados de acuerdo al núcleo temático al que fueron asignados. De igual manera, se realizó una evaluación periódica del contenido disponible para la evaluación de los núcleos temáticos identificados, posteriormente se realizó la selección de los artículos, considerando solo aquellos documentos que generan más aportes al núcleo temático o que aporten información para la creación de uno nuevo, generando el análisis condensado en las fichas descritas a continuación.
6.3 Síntesis de la información contenida en los documentos obtenidos.
Se realizó el diseño de los formatos de las fichas: descriptiva, sinóptica, bibliográfica, de interpretación por núcleo temático y de construcción teórica global (ver anexos 5, 6 y 7) de acuerdo a la metodología propuesta por Hoyos Botero (2000), la cual establece el contenido básico para las fichas, mostrado en la Tabla 1.
Tabla 1. Factores e indicadores de referencia para el análisis de documentos.
ASPECTOS A SEÑALAR APARTADOS
1.- Aspectos formales.
(Características del autor y del documento)
1.1.- Autor.
1.2.- Título del documento. 1.3.- Tipo de material. 2.- Asunto investigado.
(Objeto, fenómeno o proceso en estudio)
ASPECTOS A SEÑALAR APARTADOS
3.- Delimitación contextual.
(Parámetros relacionados con el contexto de la investigación)
3.1.-Delimitación Espacial. 3.2.-Delimitación Temporal. 3.3.- “Sujetos” Investigados. 4.- Propósito.
(Fin buscado por el autor con los resultados de su investigación)
4.1.- Objetivo General. 4.2.- Objetivos Específicos.
5.- Enfoque.
(Referente disciplinar y conceptual desde el cual se analiza el objeto de estudio)
5.1.- Disciplina.
5.2.- Referentes teóricos. 5.3.- Conceptos principales. 5.4.- Hipótesis.
5.5.- Tesis.
5.6.- Tipo de Investigación. 6.- Procedimiento.
(Conjunto de procedimientos y estrategias utilizadas para la formulación, el diseño y la ejecución del proceso de investigación)
6.1.- Tipo de Metodología 6.2.- Técnicas
7.- Análisis de datos obtenidos.
(Los señalados por el autor en el documento como producto de su investigación)
7.1.- Conclusiones. 7.2.- Recomendaciones.
8.- Observaciones.
(Las que hace quien efectuó el análisis del documento)
8.1.- Anexos 8.2.- Glosas 8.3.- Comentarios Fuente: Hoyos Botero (2000).
a. La síntesis de los datos básicos de las publicaciones consultadas, generación de información condesada de cada unidad de análisis —entiéndase unidad de análisis como el documento individual consultado—.
b. Definición de los núcleos temáticos encontrados en las unidades de análisis mediante la identificación del tema central del documento y los subtemas abarcados por los autores.
c. Planteamiento del análisis de las unidades agrupadas en los grupos temáticos establecidos.
7. Resultados
7.1 Obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados.
La búsqueda de información secundaria se realizó mediante el ingreso de las palabras clave en las bases de datos proporcionadas por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y otras bases de datos de libre acceso. La cantidad de artículos obtenidos en cada una de ellas se muestra en la Tabla 2 a continuación:
Tabla 2. Documentos encontrados durante la etapa de recolección de información secundaria.
Base de datos consultada Revistas/Publicaciones
# total de artículos encontrados Base de datos Dovepress Reports in Electrochemistry (1) 1
Directory of Open Access Journal (DOAJ) Makara Seri Tecknologi (1) 1
Base de datos del Institute of Electrical and Electronics Enigeering (IEEE)
Power Energy and Engineering Conference
(1) 2
Third International Conference on Measuring Technology and mechatronics Automation (1) Base de datos Scientific Research Advances in Bioscience and Biotechnology
(1) 1
Base de datos revista Energies Energies (2) 2
Open Academic Journal Index Iranica Journal of Energy & Environment (1) 1
Wiley Library Biofuels and Environmental Biotechnology Electroanalysis (1) 2 (1)
Springer Link Biotechnology for Biofuels (1) 2 Bioprocess and Biosynthesis Engineering (1)
EMBASE
BMC Microbiology (3)
13 Environmental Science & Technology (4)
Journal of Applied Sciences (1) American Journal of Biochemistry and
Biotechnology (2) Chemical Society Reviews (1) The Scientific World Journal (2) Base de datos del Journal of Biochemical
Technology Journal of Biochemical Technology (2) 2 Base de Datos de Red de Revistas
Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal.
Tip Revista Especializada en Ciencias
Químico-Biológicas (1) 2
Revista Química Viva (1) Repositorio Electrónico del Instituto
Politécnico Nacional (México) Trabajo de Grado Maestría en Ciencias en Bioprocesos 1 Repositorio Institucional de la Escuela
Base de datos consultada Revistas/Publicaciones # total de artículos encontrados
SciELO
Revista Interciencia (3)
5 Información Tecnológica (1)
Revista Mexicana de Ingeniería Química (1) Repositorio Académico Digital Universidad
Nuevo León
Trabajo de Grado de Doctorado en Ciencias
con orientación en Química de Materiales. 1
Archivo de publicaciones de " The fourth international symposium on environmental
biotechnology and engineering” Mexico- 2014.
Enviromental Biotechnology and Engineering 2
Publicaciones Sociedad Mexicana de
Biotecnología y Bioingeniería, A.C. BioTecnología 1
Dialnet
Jornadas de introducción a la investigación de
la UPCT (3) 4
Anuario de Jóvenes Investigadores (1)
ResearchGate
Microbes and Environments (1)
15 Environmental Science and Technology (4)
Bioresource Tecnology (1) Energy & Fuels (2) ChemSusChem (1)
International Journal of Hydrogen Energy (1) Energy & Environmental Science (1)
Journal of Power Sources (1) Applied and Environmental Microbiology (1)
Physical Chemistry Chemical Physics (1) Applied Microbiology and Biotechnology (1)
Science Direct
Biosensors and Bioelectronics (1)
44 Applied Energy (1)
International Journal of Hydrogen Energy (5) Journal of Power Sources (2) Bioresource Technology (12) Renewable and Sustainable Energy Reviews
(1)
Process Biochemistry (2) Biochemical Engineering Journal (1)
Biotechnology Advances (1) Biosensors and Bioelectronics (8) Arabian Journal of Chemestry (1)
Water Research (4)
Biochemical Engineering Journal (1) Chemical Engineering Journal (1)
Base de datos consultada Revistas/Publicaciones # total de artículos encontrados NCBI databases Applied and environmental microbiology 1 Repositorio de La Universidad de Toulouse
- OATA Energy y Environmental Science 1
Fuente: Autoras (2016).
De forma paralela se realizó la búsqueda y solicitud de información a 31 universidades colombianas, las respuestas obtenidas vía correo electrónico y los documentos obtenidos de la búsqueda en repositorios institucionales se condensa en el Anexo 1.
7.2 Generación del inventario de los documentos consultados y definición de núcleos temáticos.
La tabla con los documentos obtenidos y los ítems especificados en la metodología pueden ser consultados en los Anexo 3 y 4. Los núcleos temáticos fueron definidos luego de una revisión general de los temas principales de la literatura consultada, estos fueron:
Estructura.
Condiciones de Operación. Desempeño del sustrato.
Microorganismos exoelectrógenos. Mecanismos de Reacción.
Herramientas y metodologías de estudio.
7.3 Construcción de fichas de consulta.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA FICHA No 008-I-D
Título Original Continuous Electricity Generation at High Voltages and Currents Using Stacked Microbial Fuel Cells
Título Generación continua de energía a altos voltajes y corrientes usando celdas de combustible microbianas apiladas.
Autor(es) Aelterman, Peter; Rabaey, Korneel; Pham, The Hai; Boon, Nico; Verstraete, Willy.
1. Aspectos Formales
1.1 Tipo de Autor Colectivo X Individual Institucional
1.2 Tipo de
documento Artículo X Trabajo de Grado
2. Asunto Investigado
2.1 Tema Central Desempeño de conjuntos de Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) conectadas en serie, en paralelo o de forma individual e influencia de las microbianas en el desempeño del sistema.
2.2 Núcleos Temáticos
Estructura.
Herramientas y metodologías de estudio. Microorganismos.
2.3 Problemas
¿Cuál es el efecto que genera el desarrollo de la comunidad microbiana en un conjunto de Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) conectadas en serie o en paralelo?
¿Cuál es el desempeño que puede esperarse de las CCMs al ser conectadas en serie o en paralelo con respecto al desempeño individual de dichas celdas?
3. Delimitación Contextual 3.1 Espacial El colectivo investigador no establece una delimitación espacial
3.2 Temporal El colectivo investigador define el tiempo de operación del sistema en 204 días. 3.3 Sujetos
Investigados
Biopelícula del ánodo.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA (continuación) FICHA No 008-I-D
4. Propósito
4.1 Objetivo General 4.2 Objetivos Específicos
Evaluar de forma comparativa, el desempeño de un conjunto de seis celdas de combustible microbianas conectadas en serie y en paralelo con respecto al desempeño individual de las celdas, y la influencia de las comunidades microbianas en él.
Construcción de un conjunto de seis celdas de combustible microbianas para su operación en flujo continuo.
Evaluación del desempeño de las celdas para la producción de energía de forma individual, con conexión en serie y en paralelo.
Identificación de los grupos de microorganismos dominantes en el ánodo y su influencia en la resistencia interna del sistema y la generación de energía.
Explícito Implícito X
5. Enfoque
5.1 Disciplina*
“En esta investigación, una CCM apilada consistente en seis CCMs idénticas fue usado para […] monitorear la evolución entre la comunidad microbiana y las características electroquímicas de las CCMs individuales.” BIOLOGÍA: Microbiología.
“Extraordinariamente, los voltajes de algunas CCMs en la pila incluso invirtieron la polaridad. Este fenómeno es llamado inversión de la celda y también aplica a la membrana de intercambio de protones de las celdas de combustible.” QUÍMICA: Química Analítica.
“Para incrementar el voltaje o la corriente global de la pila, seis CCMs individuales (llamadas CCM1 a CCM6) fueron respectivamente conectados en serie o en paralelo.” FÍSICA: Electrónica.
5.2 Referentes Teóricos*
AUTORES DE REFERENCIA INFLUENCIA EN LA INVESTIGACIÓN
Madigan, M.T.; Martinko, J.M.; Parker, J. (2000)
“Los voltajes de las CCM permanecerán limitados; incluso dejando de lado las perdidas internas, el voltaje nunca excederá el voltaje a circuito abierto (OCV) teórico de 1.14 V como es determinado por los potenciales redox de NADH (-0.32 V) y el oxígeno puro (+0.82 V).” Moon, H.; Chang, I.S.; Jang, J.K.; Kim, B.H. (2005)
Liu, H.; Cheng, S.A.; Logan, B.E. (2005)
“Sin embargo, la producción de electricidad en una CCM, en un proceso microbiano y obediente a las condiciones externas.”
Taniguchi, A.; Akita, T.; Yasuda, K.; Miyazaki, Y. (2004)
“[…] un inadecuado suministro de combustible es la principal causa de la inversión de la celda y puede ocurrir durante un cambio súbito de la demanda de combustible tales como durante la puesta en marcha o un cambio de la carga.”
Larminie, J.; Dicks, A. (2000) Hoogers,G. (2003)
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA (Continuación) FICHA No 008-I-D
5.3 Conceptos Principales
Las potencias máximas de salida fueron inafectadas por la conexión en serie o en paralelo, a pesar de que las CCMs individuales pudieron producir una potencia de salida promedio más alta.
Las diferencias evidenciadas en la Eficiencia Coulómbica en la conexión en serie y en paralelo (12.4% y 77.8% respectivamente) fue debida a que la corriente generada por las primeras fue 6 veces menor a la generada en paralelo.
Las CCMs conectadas en serie o en paralelo trabajaron, respectivamente a una corriente y voltaje determinado por el rendimiento de las CCMs individuales. Por lo anterior, las CCMs en pilas no entregaran densidades de potencia más altas que las CCMs individuales.
Las CCMs apiladas en serie pueden sufrir fenómenos de inversión de la celda, debidas por un lado a un inadecuado suministro de combustible y por otro lado, puede deberse también a la limitada actividad catalítica del consorcio microbiano.
La máxima producción de corriente es determinada por las propiedades catalíticas del consorcio microbiano el cual influencia ambos, la tasa y la eficiencia de la conversión del sustrato a corriente eléctrica.
Las comunidades microbianas de las CCMs, cambiaron de una mezcla diversa de población a un solo consorcio muy similar dominado por una cantidad limitada de especies.
Las comunidades dominantes identificadas pertenecen al filum de proteobacterias, que han sido identificadas también en estudios previos, en los periodos de mayor generación de energía se identificaron Brevibacillus agri.
La disminución de la resistencia interna en los sistemas estudiados no fueron dependientes de la concentración del sustrato, sino de cambios en la comunidad microbiana del sistema.
5.4 Hipótesis
Las unidades de CCMs en serie o en paralelo no trabajan de forma independiente y pueden ser influenciados por la generación de electricidad de otras celdas.
Dado que la biopelìcula es parte del electrolito, alteraciones en la composición o estructura de la misma puede influenciar las características electroquímicas y perdidas de las celdas de combustible microbianas
5.5 Tesis
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA (Continuación) FICHA No 008-I-D
5.6 Tipo de
Investigación Exploratoria Descriptiva X Explicativa Correlacional 6. Procedimiento
6.1 Tipo de
Metodología Cualitativa Cuantitativo X Mixto
6.2 Técnicas
TÉCNICA INTENCIÓN
Perplex de fabricación de CCM.
Membrana de intercambio de protones Ultrex. Gránulos y barras de grafito como electrones. Operación a 22 ± 3°C
Solución de acetato suministrada con bomba peristáltica a 7-21.1 mLh-1 con TRH 8.86-2.86 h. Catolíto con solución de ferrocianuro de potasio K3Fe(CN)6 50 mM, ajustado a pH 7.
Inoculación con lodos anaerobios y aerobios.
Procedimiento de puesta en marcha con aguas residuales durante 132 días: domesticas, efluentes de digestor anaeróbico y de fábrica de procesamiento de papas.
Disposición de tiempos de operación: Tiempo 1 de 132 a 167, Tiempo 2 a día 175, Tiempo 3 del día 200 al 204.
Construcción de las celdas de combustible microbianas y establecimiento de condiciones de operación.
Conexión de las 6 CCM en serie y en paralelo. Resistencia externa de 1.5Ω a 6000Ω
Determinación de eficiencia coulómbica
Evaluación de generación de energía por parte del sistema. Método de corriente interrumpida.
Electrodo de referencia Ag/AgCl.
Generación de curvas de polarización a partir de mediciones cada 30 minutos. Potenciostato Bi-Stat
Determinación de la resistencia interna de las celdas y voltaje de los electrodos
Extracción de ADN. Análisis del gen 16S rRNA
Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante (DGGE).
Tabla 4. Ejemplo Ficha Sinóptica.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA SINÓPTICA FICHA No 008-I-S
Título Original Continuous Electricity Generation at High Voltages and Currents Using Stacked Microbial Fuel Cells
Título Generación continua de energía a altos voltajes y corrientes usando celdas de combustible microbianas apiladas.
Autor(es) Aelterman, Peter; Rabaey, Korneel; Pham, The Hai; Boon, Nico; Verstraete, Willy
5. Enfoques
Síntesis Palabras Claves
El documento se enmarca dentro de las disciplinas de la biología, física y química, principalmente en las ramas respectivas de la microbiología, electrónica y química analítica. El tipo de investigación del presente estudio es de tipo descriptivo, dado que permite la evaluación de las distintas variables microbiológicas y electroquímicas obtenidas en el sistema. Los referentes teóricos adoptados por el estudio analizado, enfocan sus aportes en los fundamentos teóricos que soportan sus análisis y metodologías realizadas. Como resultado, los conceptos principales entendidos como análisis e ideas generados en el documento, establecen algunos principios relacionados con la operación de pilas de celdas de combustible microbianas, la generación de energía eléctrica medida como voltajes, corrientes, potencias, entre otras variables; la influencia de la microbiota del ánodo en la producción de energía.
El colectivo investigador detalla suposiciones previas a la investigación, enfocados principalmente en el hecho de que las CCM en sistemas de varias CCM no trabajan de forma independiente de la energía producida por las demás; la operación de las CCM de la biopelícula ya que esta es parte del electrolito y su composición afecta las características electroquímicas y pérdidas del sistema apilado. Finalmente, el grupo investigador afirma con base en sus análisis y resultados, que las densidades de potencia en un sistema de CCM apiladas en serie o en paralelo no serán mayor en ningún caso al obtenido a partir de las celdas individuales. Por otro lado, la conexión en serie podría dar lugar al fenómeno de inversión de la celda generado por el inadecuado suministro del sustrato e incluso, debido a las propiedades catalíticas del consorcio microbiano; los microorganismos encontrados en el primer periodo pueden ser más diversos y con el tiempo y la aclimatación, estos consorcios se vuelven homogéneos en su composición lo cual genera influencia en la resistencia interna del sistema.
Química Analítica. Microbiología Electricidad.
Investigación descriptiva. Producción de
electricidad. Pilas de Celdas de
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA SINÓPTICA (Continuación) FICHA No 008-I-S
6. Procedimiento
Síntesis Palabras Clave
El procedimiento llevado a cabo por el colectivo investigador puede ser resumido de la siguiente manera: en primer lugar, la construcción del conjunto de celdas de combustible microbiana con electrodos de grafito y membrana Ultrex para intercambio de cationes, inoculado con lodos aerobios y anaerobios, empleando como catolíto una solución de ferrocianuro de potasio. Inicio de las mediciones periódicas cada 30 minutos de voltajes, potenciales mediante resistencia externa variable, potenciostato, contra un electrodo de referencia Ag/AgCl. Por último, obtención de las muestras de biopelícula para análisis mediante extracción de ADN, análisis del gen 16s rARN y Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante (por sus siglas en ingles DGGE).
Potenciostato.
Electrodo de Referencia. Análisis microbiológico. Análisis 16s rRNA. DGGE.
7. Análisis de datos obtenidos 7.1 Conclusiones
El buen desempeño de las CCMs apiladas es un hallazgo prometedor dado que, para aplicaciones prácticas, la implementación de elevados voltajes y corrientes son requeridas. Sin embargo, si más CCMs son conectadas o más altas densidades de corriente son obtenidas, el uso de placas bipolares será necesaria. Las placas bipolares son ubicadas entre el ánodo y cátodo de dos CCMs adyacentes y proporciona conducción eléctrica y separación de masa. En esta investigación, las placas bipolares han sido omitidas para preservar la máxima flexibilidad para cambiar la conexión eléctrica externa. Además, es una necesidad los cátodos robustos y costo-efectivos. Estos temas principales necesitan ser abarcados con futuros diseños, pero a pasar de eso los datos presentados subrayan la recuperación potencial de energía de la CCM.
7.2 Recomendaciones
Además de las recomendaciones descritas en las conclusiones del documento, el colectivo investigador también afirma las siguientes:
Tabla 5. Ejemplo de Ficha Bibliográfica.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE RESEÑA BIBLIOGRÁFICA FICHA No 008-I-B
Título Original Continuous Electricity Generation at High Voltages and Currents Using Stacked Microbial Fuel Cells
Título Generación continua de energía a altos voltajes y corrientes usando celdas de combustible microbianas apiladas.
Autor(es) Aelterman, Peter; Rabaey, Korneel; Pham, The Hai; Boon, Nico; Verstraete, Willy
Individual Colectivo X Institucional
Artículo X Trabajo de Grado
Código de
Publicación DOI: 10.1021/es0525511 Sigla 008-I
Revista Environmental Science and Technology Journal País Bélgica Fecha 2006
Volumen 40 Número 10
Monografía o Tesis
Universidad
No aplica. Pregrado, especialización, maestría, doctorado No aplica. País-Ciudad
Fecha
Resumen Palabras clave
Conectando diversas unidades de celdas de combustible microbiana (CCM) en serie o paralelo puede incrementar el voltaje y corriente; el efecto en la generación de electricidad microbiana fue hasta el momento desconocido. Seis unidades individuales de CCMs en una configuración apilada produjeron una máxima potencia de salida horaria de 258 W/m3 usando un cátodo de hexacianoferrato. La conexión de las 6 unidades de CCM en serie y paralelo habilita un incremento de los voltajes (2.02 V a 228 W/m3) y las corrientes (255 mA a 248 W/m3), mientras retiene altas potencias de salida. Durante la conexión en serie, los voltajes individuales CCM debido a las limitaciones microbiológicas a corrientes incrementadas. Con tiempo, la comunidad microbiana inicial decreció en diversidad y especies Gram positivas se vuelven dominantes. Los cambios en la comunidad microbiana acompañaron una triplicación de la potencia de salida a corto tiempo de las CCM individuales a partir de 73 W/m3 para 275 W/m3, una disminución de las limitaciones de transferencia de masa y disminución de la resistencia interna de la CCM a partir de 6.5 ±1.0 a 3.9 ± 0.5Ω. Este estudio demuestra una clara relación entre el desempeño electroquímico y la composición microbiana de CCM y posteriormente corrobora el potencial para generar energía útil por medio de las CCMs.
Celda de Combustible Microbiana.
Pilar de Combustible. Generación de energía. Conexión en serie. Conexión en paralelo. Potencia de salida.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE RESEÑA BIBLIOGRÁFICA (Continuación) FICHA No 008-I-B 8. Observaciones
8.1 Anexos
Análisis de la Comunidad Microbiana.
Tabla S1: Resistencia interna, resistencia externa óptica, corriente de corto circuito y voltaje a circuito abierto de las 6 CCMs en pilas, el promedio de las 6 CCMs conectadas en serie y en paralelo.
Tabla S2: Revisión de los organismos correspondientes con las bandas secuenciadas en el DGGE representado en la Figura 5 del manuscrito.
8.2 Glosas En el apartado de discusiones, se establece que la eficiencia coulómbica de las pilas conectadas en serie y en paralelo, esto debido a que la conexión en serie genero 6 veces menos corriente producida en comparación con la conexión en paralelo. No obstante, no se da una explicación para esta diferencia de corriente.
8.3 Comentarios
El estudio es una nueva referencia que permiten vislumbrar la potencia de generación de energía por parte de las CCM apiladas y establece algunos principios de su comportamiento que, si son comparadas con otros estudios, en especial en cuanto a los resultados obtenidos de densidad de potencia para las conexiones en paralelo y en serie, los cuales difieren varios de estos, lo cual permite el planteamiento de nuevas preguntas para ser contestadas.
De igual forma, intenta suministrar argumentos para esclarecer la influencia de las comunidades microbianas en la generación de energía en sistemas de CCMs apilados, no obstante, también se requiere conocer la influencia de la generación de energía en el desarrollo de microbiota en las celdas. Por otro lado, se hacen evidentes ciertas limitaciones asociadas a las metodologías empleadas principalmente, en el análisis microbiológico realizado sobre las celdas, dado que aún no se han desarrollado técnicas que permitan el estudio de la microbiota en tiempo real, y por tanto se requiere detener la operación de la celda para realizar dichos análisis. De la misma forma, los análisis realizados por el colectivo investigador deben ser corroborados, en especial la relación que se establece entre la generación de energía y la formación de biopelícula, mediante análisis estadísticos de correlación.
Tabla 6. Ejemplo Ficha de Interpretación por Núcleo Temático.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE INTERPRETACIÓN POR NÚCLEOS TEMÁTICOS FICHA No 001-N
Núcleo Temático Estructura.
Documentos Analizados
001-E / 002-E / 003-E / 005-E / 007-E / 010-E / 012-E / 014-E / 017-E / 018-E / 019-E / 020-E / 023-E / 001-I / 003-I / 004-I / 007-I / 008-I / 009-I / 011-I / 012-I / 013-I / 015-I / 019-I / 020-I / 023-I / 024-I / 026-I / 027- I / 038-I / 039-I / 040-I / 041-I / 042-I / 046-I / 049-I / 050-049-I / 051-049-I / 052-049-I/ 054-049-I / 055-049-I / 057-049-I / 059-049-I/ 060-049-I / 069-049-I / 064-049-I / 068-049-I / 070-049-I / 071-049-I / 072-049-I / 073-049-I / 075-049-I / 076-049-I / 080-049-I / 081-I / 082-I / 083-I / 085-I / 086-I / 089-I
SÍNTESIS
5. Enfoque 6. Procedimiento
Los documentos analizados en el presente núcleo temático abarcan las temáticas relacionadas con las configuraciones estudiadas y propuestas, así como los distintos materiales separadores, del ánodo y el cátodo. Los estudios poseen ciertas características comunes que se analizan a continuación. Las disciplinas abarcadas se concentran en la química, física y biología, la delimitación de los estudios a estas disciplinas permite estimar los conocimientos que pueden extraerse de ellas, sin embargo —dado el carácter de este núcleo temático— debe considerarse el empleo más difundido de las técnicas propias de la tecnología de materiales y la ingeniería mecánica, las cuales se prevé serán fundamentales en el desarrollo futuro de esta tecnología dado que proporcionan herramientas para la optimización de las características de los materiales y su proceso de producción. Las subdisciplinas asociadas a las matemáticas, tales como la ciencia de ordenadores, la estadística y el análisis numérico, si bien se han empleado en algunos estudios deberían considerarse como práctica común e iniciar la formulación y comprensión numérica de los procesos enmarcados en la generación de energía en CCMs. Paralelo a la integración de técnicas de otras disciplinas, también se requiere que el enfoque de las investigaciones se vea ampliado. Hasta el momento los estudios han sido casi exclusivamente de tipo exploratorio y descriptivo, en pocas ocasiones de tipo explicativo y no se encontraron estudios correlaciónales. Es imperativo hablar de características, propiedades y comportamientos, pero no debe dejarse de lado las interacciones e interdependencias y la determinación de las mismas mediante los estudios correlacionales.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE INTERPRETACIÓN POR NÚCLEOS TEMÁTICOS FICHA No 001-N
7. Análisis de datos obtenidos 8. Observaciones
Gran parte de los análisis realizados sobre materiales comerciales, están parcialmente basados en las características valoradas por los fabricantes, no obstante estos datos fueron tomados bajo condiciones estándar que no siempre se cumplen cuando son operados en CCMs, por tanto, los análisis de estos estudios deben generarse en lo posible teniendo como baje parámetros medidos por los colectivos que generan estas investigaciones, en las condiciones que son familiares durante la operación de las CCM. Para los distintos materiales, deben establecerse los parámetros básicos relevantes para su funcionamiento, en el caso de las membranas es bien conocido que comprende los coeficientes relacionados con el transporte de masa, espesor, capacidad de intercambio de iones, selectividad, porosidad, composición y grupos funcionales presentes. Estos dan lugar a fenómenos cuya caracterización está iniciando en los últimos años, enfocada al bio-ensuciamiento, formación de gradientes de pH y deformación. No obstante, en los materiales para los electrodos, la única característica claramente cuantificada y evidenciada en los análisis es el área superficial de los electrodos, si bien se habla de la compatibilidad, la conductividad, la capacidad de reacción, ninguna de ellas es medida directamente sino estimada a partir de la potencia generada por una CCM que contiene el material y en algunos casos comparada con una celda similar que contiene otro tipo de material.
Los documentos considerados poseen varios de las siguientes omisiones dentro de los distintos apartados que comprenden los mismos, pueden mencionarse las más generalizadas como la insuficiente descripción de los sistemas que se estudian, en donde se emplean diseños que no se muestran los diagramas y esquemas que permiten visualizar el sistema propuesto. En estudios donde se comparan configuraciones de otros investigadores, los autores suelen omitir o bien describir los parámetros del sistema que se compara, o bien indicar que las condiciones de operación de estos otros sistemas son similares a las empleadas por el estudio, de tal forma que las comparaciones sean verídicas. En algunos documentos, se evidencia que los análisis y conclusiones llevados a cabo por los autores contradicen las concepciones más generalizadas de otros estudios, sin embargo, no se ofrece una justificación para esto o no se consideran en el documento, los estudios que afirman lo contrario. Finalmente, los trabajos de grado son especialmente susceptibles a las omisiones e inconsistencias entre el contenido del documento con los objetivos planteados y las metodologías.
Por otro lado, el análisis de los documentos ha permitido ampliar las preguntas investigativas para las futuras investigaciones frente a la arquitectura de las CCMs. Pueden mencionarse que es necesario profundizar entre la relación de los parámetros de las configuraciones con el desempeño para la generación de energía, un ejemplo de esto en CCMs vegetales en donde es necesario profundizar en el efecto generado por la flora; para los electrodos, es necesario medir y relacionar los parámetros físicos y químicos de los materiales con la generación de energía, mediante modelación matemática y estadística. No se deben dejar de lado en las investigaciones los aspectos relacionados con la viabilidad económica de los diseños propuestos y nos nuevos materiales tanto para electrodos como materiales separadores, lo cual hasta la fecha ha sido muy escaso, así como los análisis de la vida útil de los materiales y finalmente, el efecto derivado de los procesos de producción de los mismos, y que se ha mencionado en unos cuantos documentos que puede generar influencia en el desempeño del material para la generación de energía.
Tabla 7. Ficha de compresión Teórica Global.
8. “ESTADO DEL ARTE EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA COMPRENSION TEORICA GLOBAL FICHA No 001-G
Temática Central Celdas de combustible microbianas para la generación de bioenergía.
Núcleos Temáticos Analizados
001-N - Estructura.
002-N - Condiciones de operación. 003-N - Desempeño del sustrato.
004-N – Microorganismos exoelectrógenos. 005-N - Mecanismos de transferencia de electrones. 006-N - Herramientas y metodología.
Diagnóstico del Estado Actual del
Arte
Las celdas de combustible microbianas (CCMs) es una tecnología en desarrollo, que demuestra ser adecuada para reducir la total dependencia de los sistemas tradicionales de conversión energética, pero sin el potencial para sustituirlos del todo. Uno de los principales atractivos de esta tecnología es la gran variedad de configuraciones, cada uno de los cuales, diseñados con objetivos específicos que van desde la generación de energía y tratamiento, hasta el estudio de las comunidades microbianas, que en ultimas han permitido elucidar las principales limitaciones asociadas a la operación la celda tales como las tasas de reacción de los materiales, durabilidad, estabilidad y sostenibilidad económica y ambiental. A partir de estos análisis, se han podido proponer diversas aplicaciones prácticas a las CCMs, las cuales incluyen el abastecimiento de pequeños sistemas de tratamiento de aguas, suministro de energía a dispositivos pequeños, como biosensores auto sostenibles e incluso como capacitores biológicos.
Otra gran ventaja su potencial para integrar tanto componentes abióticos como bióticos en un solo dispositivo con el fin de lograr mediante la reducción de sustancias orgánicas, la obtención de electrones que finalmente son convertidos en energía eléctrica. Dentro de estas sustancias examinadas para alimentar el sistema, se ha demostrado una amplia variedad de sustratos de composición variable, cuya procedencia deriva de actividades de tipo industrial o agropecuaria, aunque también se ha considerado la aplicación de sustratos de composición definida, que en general son compuestos orgánicos específicos y no mezclas. Fuertemente ligado a la elección del sustrato, está el tipo de inoculo empleado, puesto que se pretende que este sea aquel que permita el más alto valor de eficiencia columbina del sistema, mediante su metabolización por parte de la acción microbiana de la comunidad o especie adicionada a la cámara anódica, la cual, puede obtenerse a partir de inóculos puros constituidos por microorganismo previamente asilados e identificados y cultivados en laboratorio o puede desconocerse y suponerse a partir de algún tipo de desecho.
