SIMULACION Y VALIDACION EXPERIMENTAL DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA
CON Pseudomonas aeruginosa
JUAN DIEGO MEJIA MENDEZ
FELIPE RACINES PEREZ
ASESOR: ANDRES GONZALEZ BARRIOS Ph. D.
FIRMA:________________
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
AREA DE BIOINGENIERIA
Indice
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...4
2. OBJETIVOS...5
2.1 OBJETIVO G ENERAL ...5
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS...5
3. ESTADO DEL AR TE ...5
3.1 CELDAS DE COMBUSTIBLE...6
3.2 CELDAS DE COMBUSTIBLE MIRCOBIANAS ...7
3.2.1 ASPECTOS MICROBIANOS DE LAS MFC ... 10
3.2.2 RESPIRACIÓN... 10
3.2.2.1 FERMEN TACIÓN ... 11
3.3 Pseudomonas aeruginosa ... 11
3.4 ANÀLISIS DE FLUJO METABOLICO (MFA) ... 11
3.5 APLICACIONES DE LAS CELDAS DE COMB USTIBLE ... 16
3.6 MODELO CELDA DE COMBUSTIBLE ... 17
3.6.1 SIMULACIÒN EN COMSOL® ... 17
4. METODOLOGIA ... 17
4.1 SIMULACIÒN ... 17
4.1.1 RECONSTRUCCION D E LA RED ... 17
4.1.2 FORMULACION DE LA MATRIZ S ... 19
4.1.3 PROGRAMACIÒN LINEAL Y ANÀLISIS DE FLUJO METAB ÒLICO (MFA) ... 19
4.1.4 CRECIMIENTO CELULAR DE Pseudomonas aeruginosa... 21
4.1.5 DEFINICION DEL MODELO DE CELDA DE COMUS TIBLE... 21
4.2 PROCEDIMIENTO D E EXPERIMENTACIÒN... 28
4.2.1 CEPAS Y MEDIO DE CULTIVO ... 28
4.2.2 OBTENCION DEL INOCULO ... 28
4.2.3 ELABORACION D EL CATODO... 29
4.2.4 ESTERILIZACION Y ARMADO DE C ELDAS ... 29
4.2.5 COMPONENTES D E LA C ELDA (SINGLE CHAMBER ) ... 29
4.2.6 FUNCIONAMIEN TO D E LA C ELDA Y MEDICION DE VOLTAJES ... 30
4.2.7 MONITOR EO ELECTROQUIMICO ... 30
4.2.9 MONTAJE DE CELDA... 33
4.2.10 MECANISMOS DE CONDUCCIÓN ... 33
4.2.11 CURVAS DE POLARIZACION ... 34
4.2.12 VOLTAMETRIA CICLICA... 34
5. RESULTADOS ... 35
5.1 SIMULACIÒN ... 35
5.1.1 RECONSTRUCCIÒN D E LA RED ... 35
5.1.2 ANÀLISIS DE FLUJO METABÒLICO ... 35
5.1.3 CRECIMIENTO CELULAR PSEUDOMONAS AERUGINOSA... 36
6... 37
6.1.1 MODELO CELDA DE COMBUSTIBLE ... 37
6.2 EXPERIMENTACIÒN ... 41
6.2.1 SELECCIÓN DE C EPAS ... 41
6.2.2 MONTAJE DE LA CELDA ... 41
6.2.3 CARACTERIZACION DEL FUNCION AMIEN TO... 43
6.2.4 VOLTAJES, DENSIDADES DE POTENCIA E INTENSIDADES DE CORRIENTE ... 43
6.2.5 CALCULO DE EFICIENCIAS ... 56
6.2.6 RESISTENCIAS DEL CIRCUITO ... 58
6.2.7 DETERMINACION DE LA PRES ENCIA DE MEDIADORES ... 61
6.2.8 BIOPELICULA ... 68
7. DISCUSION Y CONCLUSIONES ... 69
7.1 MODELO IN SILICO DE P. AERUGINOSA ... 69
7.2 MODELO CELDA DE COMBUSTIBLE ... 69
7.3 TRABAJO FU TURO ... 69
7.4 CONCLUSIONES DE EXPERIMEN TACION ... 70
8. AGRADECIMIENTOS ... 71
9. REFERENCIAS ... 72
10. ANEXOS ... 77
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La demanda global de ene rgía es tá aumentando de forma alarmante . Los e xpe rtos en el tema
espe ran que el consumo de energía global aumente un 2.0 por ciento anual entre el 2003 y el
2030. Es to quie re de ci r que el uso de ene rgía global aume nta ra de 421 cua trillones de BTU a
563 cua trillones de BTU durante ese lapso, se espera que las re giones que tengan el ma yor
aumento de de manda de ene rgía sean Asia [China e India ], Sur Amé ri ca y Áfri ca .
La ma yoría de la de manda a ctual de ene rgía a ni vel mundial se s uple con combustibles fósiles.
Es tos combus tibles son fá cilmente obtenidos, al ma cenados y transporta dos porque una gran
cantidad de dinero ha sido destinado a crea r, cons trui r y mante ner es te siste ma. A pesa r de
todas las venta jas que estos combus tibles fósiles han prove ído a nues tra sociedad también han
tenido un e fe cto adve rs o e n el a mbiente . Al gunos de estos efectos adve rsos incluyen la
polución del ai re debido a las emisiones de y , la contamina ción del suelo de bido a
derra mes y finalmente la a cumula ción de dióxido de ca rbono en la a tmosfe ra . Todos es tos
e fectos tiene n el potencial de calentar la a tmos fe ra y de extinguir muchas especies y como
vi mos ante riormente la de manda de estos combustibles no cesará y por el contrario se gui rá en
aumento. [1]
El mundo ne cesi ta una fuente de poder que tenga bajas e misiones dañinas, que sea e ficiente y que tenga un suministro ilimi tado de combustible para provee r de e ne rgía a una pobla ción en
aumento. Las celdas de combus tible han sido identificadas como una de las te cnologías más
prome te doras para al canza r es tos l ogros[2].
Por s upues to e xisten muchas otras te cnologías que han sido es tudiadas y desarrolladas como lo
son la e nergía solar, energía eólica , energía hidroelé ctri ca , e ne rgía ge oté rmi ca , e tc. Cada una de
es tas tiene s us venta jas y des ventajas y están en es tados de desa rrollo di ferentes cada una . En
adición a es to estas te cnologías no son muy viables debido a que al ser de gran ta maño o
solamente funciona r en los lugares donde fueron cons truidas , i mplementarlas para su función
en movimiento como en el caso de los ca rros es de gran dificultad. La opción ideal se ría pode r
usar va rias de es tas te cnol ogías en conjunto[2].
Las celdas de combus tible microbianas son siste mas que pe rmi ten la ge ne ración de una
corriente elé ctri ca a pa rti r de la de grada ción anae róbi ca de mate ria orgánica por ba cte rias [3].
Es te campo de investi gación ha tenido un a vance impresionante en los úl timos años de bido al
inte rés que ha despe rtado e n la comunidad científica las fuentes de ene rgía alte rnati vas, con un
menor impa cto ambiental [4].
La te cnología de las celdas de combustible es un foco de a tención cada vez más grande e n la inves ti gación de ene rgías alte rnati vas por pa rte de la comunidad científi ca inte rnacional [5]. Por
el país, la ma yoría de estudios que se han lle vado a ca bo e n la uni ve rsidad con este tipo de
te cnología se ha enfocado en el tra tamiento de aguas pero no en la producci ón de ene rgía [6].
Es te tra bajo se ha ce como una continuaci ón del tra bajo de grado realizado por Leonor Ga rcía
Ba yona [6]. Se observa que el problema a soluciona r se di vide en dos pa rtes . En pri me r lugar es
ne cesa rio cons trui r un model o a escala genómi ca de Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa)
y a copla rlo a un modelo de una celda de combustible mi crobiana de cátodo al ai re y En
segundo luga r los resul tados obtenidos en la simula ción se rá n validados e xperime ntalmente el
labora tori o.
2. OBJETIVOS
2.1OBJETIVO GENERAL
Implementar un model o a escala genómi ca de P. aeruginosa a coplado con un modelo de
celdas de combus tible mi crobiana de cá todo al ai re y validarle e xperime ntalmente usando a
di fe rentes ca rgas de glucosa .
2.2OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Desarrolla r un programa pa ra cons trucción de la ma triz es tequiomé tri ca como ma tri z de
res tri cción pa ra el modelo a escala genómica abordado como un problema de
progra ma ción lineal.
• Impleme ntar el proble ma de progra mación lineal e n Xpress MP Professional® y asi
es table ce r el modelo a es cala genómi ca de P. aeruginosa
• Desarrolla r un modelo bidimensional de una celda de combus tible mi crobiana con
cá todo al aire en COMSOL®
• Validar los resul tados a rrojados por el modelo con una celda microbiana de combustible
de una s ola cáma ra , con cá todo al ai re y si n mediadores de conducci ón variando las
cantidades de sus tra to para poder de te rmina r el e fe cto sobre la densidad de corriente ,
el vol ta je , potencia, pH y curva de pola riza ción que resulta n de la celda.
3. ESTADO DEL ARTE
3.1CELDAS DE COMBUSTIBLE
De bido a que todas las celdas de combus tible tiene funci onamientos pa re cidos , la
expli ca ción de una celda de hidrogeno si rve como un e xcele nte e jempl o pa ra la expli ca ción
del funciona miento de una celda mi crobiana de combus tible . Una celda de combus tible es
un disposi ti vo que con gra n efi ciencia logra conve rtir la energía electroquími ca de rea ctivos
di re cta mente a ele ctricidad y calor. La es tructura físi ca de una celda de combus tible consta
bási camente de un ánodo y un cá todo poroso e n lados opuestos y sume rgidos e n una
membrana electrolito. El ánodo se e ncuentra ca rgado ne gati va mente mientras el cá todo se
encuentra con una ca rga positi va , el combustible que e n este caso es hidroge no se oxida en
el ánodo libe rando protones y ele ctrones , los protones se transportan ha cia el cá todo a tra vés de la membra na ele ctrolito, mientras que l os ele ctrones re corren un ci rcuito e xterno llegando también al cátodo. En el cá todo los ele ctrones y protones que han lle gado
rea ccionan con el oxígeno del aire produciendo agua y calor. Pa ra aume ntar la vel ocidad de
las reacci ones tanto el á nodo como el cátodo tiene n ca talizadores , los reacti vos son transportados ha cia los ele ctrodos por di fusión y conve cción. En la figura 1 se pue den
observar las reacci ones que suceden en una celda de combus tible de hidrogeno.
: 2 2
:1
2 2 2
: 1
2
Fi gura 1. Rea cciones que suceden e n una celda de combustible de hidroge no.
Las ve ntajas de las celdas de combusti ble son: tienen el potencial para una ope ra ción de gran
e ficiencia que no es una funci ón fue rte del tamaño, tienen un diseño altamente es calable,
muchas fuentes de combustible está n disponibles, las e misiones no contribuyen al e fecto
invernade ro.
Muchos tipos de celdas de combus tible es tán siendo i nves tigadas en es te momento, el traba jo
en cues tión se centra rá en las celdas de combus tible mi crobianas pe ro se menciona rán los
otros ti pos de celdas: celdas de combus tible alcalinas, celdas de combus tible de a cido fosfórico,
celdas de combus tible de óxido sólido, celdas de combus tible de ca rbonato derre tido, celdas de
combustible de metanol y finalmente celdas de combustible de inte rcambio protóni co.
3.2CELDAS DE COMBUSTIBLE MIRCOBIANAS
Una celda de combus tible microbiana es un siste ma que convierte energía bioquímica en
electri cidad. En es tas celdas ocurre una rea cción de oxida ción‐re ducción de un ca rbohidra to
como glucosa usando un microorganismo como ca talizador. Las celdas de combustible
microbianas funcionan como cualquie r otra celda de combustible , la dife rencia principal es que
el ca talizador pa ra que la reacci ón ocurra es un mi croorganismo, por es tas razones algunas de las venta jas de es te tipo de celda es que no se requie ren me tales nobles y las rea cciones
normalmente ocurren a pH neutro y a tempe ratura ambiente [2].
En el desarrollo e investigaci ón de las celdas de combustible mi crobianas se han he cho me joras
en va rias áreas . Algunas de es tas á reas incluyen la selección de l os mi croorganismos , el uso de
di fe rentes mediadores pa ra me jora r la transfe rencia de ele ctrones y la inves tiga ción de la
ciné ti ca del proceso. También va rios tipos de electrodos han sido usados para obtene r
reacciones efi cientes [7].
Una ba cteria es un organismo unicelular que puede conve rti r una gran canti dad de compues tos
organismo en , a gua y ene rgía . Los mi croorganismos usan es ta ene rgía que producen pa ra
crece r y mantener su me tabolismo. Sin e mbargo al usa r una celda de combus tible mi crobiana
(MFC) pode mos conve rtir pa rte de es ta e ne rgía a ene rgía eléctri ca .
Como cualquie r celda de combus tible una MFC consiste en un ánodo, un cá todo, una
membra na de inte rcambio de protones o ca tiones y un ci rcuito elé ctri co. Las ba cterias vi ve n en
el ánodo y convierte n un sustra to como glucosa, a ce tato o a gua de residuales en , protones
y ele ctrones. Ba jo condiciones aé robi cas, las ba cte rias usan oxígeno o nitrato como el a ceptor
fi nal pa ra produci r a gua. Sin e mba rgo, si e n el ánodo de la MFC no ha y oxígeno entonces las
bacte rias cambian su a ceptor de ele ctrones por un a ceptor insoluble como lo es el ánodo de la
MFC. Debido a la habilidad de las ba cte rias pa ra transfe ri r ele ctrones a un ace ptor de
electrones insoluble, pode mos usar una MFC pa ra re colecta r los ele ctrones que se es tán
originando del me tabolismo microbiano. Los ele ctrones después fluyen a tra vés de un circui to
eléctri co al cá todo y la dife re ncia de potencial entre el ánodo y el cátodo, mezclado con el flujo de ele ctrones resul ta en la genera ción de ele ctri cidad. Los protones por su lado fluyen al cá todo a tra vés de la membrana y en el cá todo un a ceptor de ele ctrones se reduce [8]. Normalmente
en el cá todo el a ce ptor de ele ctrones es el oxígeno y cuando llegan los ele ctrones y los protones
se produce agua [9]. En la Fi gura 1 podemos obse rva r un esquema de una celda de combustible
microbiano.
La ma yoría del sustra to es transformado e n una s ustancia ele ctro‐a cti va a tra vés del control
corre cto del me tabolismo de la ba cteria. Sin emba rgo las rea cciones biológicas mencionadas
ante riormente sólo se dan en un medio a cuoso el cual no es muy propi cio pa ra las rea cciones
Los es tudios e xpe rimentales con celdas de combustible han resul tado en varias conclusiones .
Pri me ro, debido a que las rea cciones son tan comple jas la conve rsión de energía es solo del 15
al 20 por ciento compa radas con las celdas de combustible quími cas. Se gundo, la densidad de
corriente por volumen del ánodo incre menta a medida que el tamaño de las celdas mi crobianas
disminuye .
De bido a que se planea segui r con el tra bajo realizado por la es tudiante Le onor Ga rcía Ba yona ,
el tipo de celda que se va a utilizar, es una celda de una úni ca ca vi dad (single chamber MFC). La
construcción de este tipo de celdas a gra n es cala causa el problema de que los electrodos se
encuentren muy sepa rados y por lo tanto se cree una ma yor resistencia inte rna en la celda
resul tando en una me nor de nsidad de corriente que la espe rada (Liu, 2008). Las celdas de úni ca
ca vidad con cá todo al ai re son una gran promesa en la investiga ción de celdas de combustible
mi crobiano porque tiene n una cons trucci ón fácil , una ope ra ción sostenible y de nsidades de
corriente relati va mente altas [10].
Normalmente las celdas de combustible microbiano se construye n de 2 ca vidades que puede
se r inoculadas con cualquie r tipo de líquido, pe ro se encuentran diseñadas espe cífica mente
pa ra celdas que necesi tan de mediadores pa ra logra r transporta r los ele ctrones hasta el ánodo
[11]. Sin e mba rgo según inves tigación de Bond[7] , las celdas mi crobianas de combus tible sin
mediadores son conside radas a tene r un ma yor potencial comercial , ya que los me diadores son
ca ros y en algunos casos muy tóxi cos [12]. En adi ción a es to, el grupo Logan[19] sugie re el uso
de algún otro tipo de celda , ya que las celdas de dos ca vidades necesi tan tene r el cá todo
sume rgido y con un cons tante paso de oxígeno, lo que resulta en costos muy ca ros y por lo
tanto celdas no muy e ficie ntes [13]. Se puede te ner el cátodo unido di re ctamente a la
membra na y e xpuesto al ai re que pe rmite que el oxígeno del aire reaccione di re ctamente con
el ele ctrodo [13]. Es te mismo principio puede se r utilizado para la construcción de celdas de
única ca vidad según el grupo Logan[19]. En la figura podemos observa r una foto de una celda
Figura 2. Celda de combustible microbiana
Figura 3. Esquema de una celda de combustible microbia na [6]
3.2.1 ASPECTOS MICROBIANOS DE LAS MFC
Las bacterias obtiene n ene rgía a tra vés de la transfe rencia de ele ctrones y protones de un
sustra to a un a ceptor de electrones . El sus trato tiene un potencial más bajo que el a ce ptor de
electrones. Como se va a ve r más adelante esta ganancia se puede representa r con la e cua ción
3.
Las ba cte rias pueden realiza r es te tipo de trans fe rencia de muchas formas pe ro en general se
conocen dos clases de me tabolismo microbiano: respi ra ción y fe rmenta ción. El me tabolismo
que se use depende de las propiedades de la ba te ría y del donador y a ce ptor de electrones
3.2.2 RESPIRACIÓN
Durante la respi raci ón el sustrato se oxida , de es ta forma libe ra protones y ele ctrones. Es tos
electrones s on normal mente depositados en una molé cula de que se reduce a .
La ene rgía que se libe ra dura nte la transfe re ncia de electrones ha ce que las ba cte rias puedan
bombear protones ha cia afue ra , por l o tanto un gradiente de protones se forma y la fuerza
impulsora ha ce que se pueda forma r ATP. Todos los ele ctrones que no se usen pa ra el
cre ci miento de la ba cte ria puede n se r teóri ca mente transportados al aceptor de electrones [8].
3.2.2.1FERMENTACIÓN
Las rutas me ta bólicas fe rmenta tivas se usan cuando no ha y ace ptores de ele ctrones e xterno
disponibles en el ambiente de la ba cteria. Durante la fe rmenta ción la ba cte rias depositarán
pa rte de los electrones libe rados en el sustra to oxidado y de es te modo forma ran me tabolitos
reducidos como e tanol , a ce ta to, hidrogeno y metano. [8]
3.3Pseudomonas aeruginosa
Se usó como espe cie P. aeruginosa, la cual es ubi cua a va rios ambientes y es capaz de sobre vi vi r
en un gran ra ngo de entornos [14], aunque es me jor conocida por su desempe ño como una
ba cte ria oportunis ta [15].
La P. ae ruginosa se comporta como un pa tógeno oportunista en i ndi viduos que están de algún
modo inmunocomporme tidos, la ba cte ria es capaz de infe ctar el tracto pul mona r, el tracto
uri nari o, algunos tejidos y la sangre . La Pse udomona aeruginosa juega un papel importante en
los pacientes que sufren de fibrosis cís ti ca de bido a que sus pulmones provee n condi ciones
ideales pa ra el cre ci miento de esta ba cteria .[71]
Mientras P. aeruginosa se encuentra normalme nte e n a mbientes aeróbi cos , también puede
sobre vi vi r en a mbientes carentes de oxígeno. Recie ntemente se des cubrió que la P. aeruginosa
puede forma r biopelícula ba jo condiciones muy ba jas de oxígeno como las que se encue ntran
en la MFC. Es por es tas razones que se escogió esta ba cte ria . 3.4ANÀLISIS DE FLUJO METABOLICO (MFA)
Una red metabólica es el conjunto comple to de todos los procesos metabóli cos que de te rminan
las propiedades fisiológicas y bioquími cas de una cél ula. De es ta forma estas redes se
componen de todas las rea cciones químicas del metabolismo así como las inte ra cciones
re guladoras que guían es tas rea cciones[48].
A través de la historia se han desarrollado va rios enfoques para el estudio de redes me tabólicas
mediante mé todos ma temá ti cos , algunos son: control de análisis metabólico, análisis de flux
me tabóli co, análisis de rutas me tabóli cas, y te oría bioquími ca de sistemas .
Un Flux es la tasa a la cual cie rto me tabolito de una red me tabóli ca es trans formado en otro
me tabolito de dicha red [19]. En el presente estudi o pa ra pode r prede ci r el comporta miento
del me tabolismo de las bacte rias y optimi zarl o se utilizará el MFA, es ta es una me todol ogía que
Es ta me todología consti tuye la base de la ingeniería metabóli ca al se r una he rra mienta útil pa ra
conoce r la distri bución de fluxes dentro de la célula y su re gulación, lo que permite al inge nie ro
poder prede ci r comportamientos de la célula y realiza r mejoras a es ta in silico [49]. Es te
enfoque representa un bene fi cio pa ra los investigadores ya que conlle va a ahorrar tie mpo y
dinero ya que es posible pre de ci r los comporta mientos de la célula bajo di fe rentes condi ciones sin te ne r que i r al labora torio.
Pa ra pode r analizar, inte rpre ta r y prede ci r el comportamie nto celula r, ca da rea cción i ndi vidual de la red me tabóli ca debe se r descri ta . Debido a que dentro de la célula , por s u tamaño, no es posible cal cula r e cua ciones de velocidad de rea cción con pará me tros ciné ti cos es ne cesario
utiliza r otro e nfoque . El mé todo que utiliza remos pa ra prede cir el comportamiento celular se rá
el análisis de flujo me tabóli co en donde se hace un balance de masa alre dedor de cada
me tabolito, cada balance de masa va a ser una res tri cción del problema de progra mación lineal.
Pa ra pode r e valua r cada paso indivi dual de la red meta bólica se deben e valuar teóri camente las
capacidades de un proceso celular inte grado y exa minar las dis tribuciones factibles de los flux
me tabóli cos asumiendo estado esta cionario.
En es te e nfoque de es tado es taciona rio, l os flujos intra celulares son de terminados usando modelos estequiomé tri cos es timados a pa rti r de la lite ra tura y bases de da tos (Fi gura A.1) pa ra
las rea cciones intra celulares principales y a plicando balances de masa al rede dor de los
me tabolitos. Pos teriormente los balances de masa se vuel ven las res tri cciones del problema de
progra ma ción lineal.
Un conjunto de flujos e xtra celulares medidos son usados como información de entrada pa ra el
modelo, típi came nte son las velocida des de consumo de sus tratos e n nues tro caso glucosa y las
veloci dades de se cre ción de me taboli tos .
El resul tado del MFA es el diagra ma de todas las rea cciones bioquími cas incluidas e n los cál culos junto con el es timado de la velocidad de es tado es taciona rio a la cual cada rea cción
sucede [19]. En resume n el MFA es un mé todo computa cional que calcula flujo de rea cciones ,
Pa ra pode r realizar el MFA, utilizando los balances de masa , la red debe ser pri me ro
representada como una ma triz este quiomé tri ca . Por conve nción, las filas de la ma triz
representan los me tabolitos y las columnas representan las rea cciones . En es ta ma tri z los sus tra tos tiene n coe ficientes ne gati vos y los productos tienen coe fi cientes positi vos. La ma triz de be des cribi r totalmente las rea cciones en la red y también debe tene r en cue nta las
rea cciones de transporte a tra vés de la me mbrana, representadas como rea cciones que
convie rten compuestos intra celulares a extra celula res [14].
Figura 4. Biomasa y sintesis de fenazina en la red metabolica[8].
En la figura 5 se puede obse rva r un sistema me tabóli co simple con su matri z es tequiomé tri ca ,
en donde las columnas re presentan las rea cciones y las filas los me tabolitos o compuestos. Las
le tras [A, B, C] representan cada una un compues to o me taboli to dentro de la red. Los fluxes o
sea la tasa espe cifi ca a la cual se está formando o despa re ciendo un me ta bolito está
representado por V1, V2, etc.
Pa ra pode r obtener la predi cción de l os flujos se asume que la red metabóli ca se encue ntra en
es tado estaciona rio, es to signi fi ca que la concentra ción de los me taboli tos intra celula res no
de masa para cada me taboli to y de es te balance de masa ge nera r una ma tri z es tequiomé trica .
En la figura 5 se obse rva la matriz es tequiomé tri ca e n donde los productos tienen coefi ciente
positi vo y l os rea ctivos tienen coefi ciente nega ti vo.
Es es te estado esta cionario el que hace que l os resul tados del MFA sean di recta mente
compa rables a los da tos medidos de las células y que el problema sea de na turaleza lineal. Otra
consecuencia de este supuesto es que solo los me ta bolitos que se localizan en puntos e xtre mos
de las rea cciones tienen que se r considerados . Todos los inte rmedia ros en una secuencia lineal de rea cciones se pueden elimina r [19].
Figura 5. Matriz estequiométrica [8]
La condi ción de esta do esta cionario se representa con la e cuación 0, es ta ecua ción es
un balance de ma teria pa ra cada me taboli to, en donde S es la matri z es tequiomé tri ca y es un
ve ctor col umna de los fluxes en la red. Este balance forma un siste ma de e cuaciones (Figura 6).
El sistema de e cua ciones gene rado es tá conformado por K e cuaciones lineales (K me tabolitos ) y
J incógni tas (J Rea cciones ). Por lo tanto los grados de libe rtad de nues tro sistema son
Figura 6. Problema de programación lineal general [8]
Por lo tanto algunos de los ele mentos de tie nen que ser medidos para pode r de termina r los
eleme ntos res tantes . Si exa ctamente F flujos se pudieran medi r entonces el sistema es taría
de terminado y la solución se ría úni ca y simple de obtene r. En el caso de estudio se conocen
menos flujos que F aproximada mente el nume ro de grados de libe rta d de nuestro problema es
569, es to signifi ca que el sistema es tá sub‐de terminado por lo tanto, los fl ujos res tantes solo
podrán se r de te rminados si res tricciones adici onales se introduce n y un cri te rio de optimi za ción
se i mpone sobre los balances me tabóli cos [11].
En la figura 6 se puede obse rvar cómo se ría el problema de programa ción lineal de la red me tabóli ca de la Fi gura A.1. La prime ra línea se re fie re a la función obje ti vo del problema en es te eje mplo se ria el flux V5. Las siguientes tres l íneas de la figura 6 son las res tri cciones del problema , el primer grupo de res tri cciones son l os lími tes supe rior e infe rior pa ra cada flux, es tos lími tes están dados por restri cciones de toma de sustrato y li mi tes termodinámi cos. El
segundo grupo de res tri cciones son las restri cci ones que es tán dadas por el balance de masa, el
te rcer grupo de restri cci ones son las de no ne gati vi dad.
Como el siste ma está sub‐de te rminado van a e xisti r infini to núme ro de soluci ones fa ctibles para
la red de flujos . En este caso la progra mación lineal se usa pa ra de te rmina r la distri bución de los
fl uxes intracelulares , dada una función obje ti vo apropiada que se pueda especifi ca r. En nuestro
caso la función obje ti vo estaba compuesta por los flux de biomasa y la producci ón de fe nazina
superi ores e infe ri ores de toma de sus tra to y termodiná micos. A este problema también se le
pueden agrega r res tri cciones condi cionales como regulación de ge nes [21]. Con este enfoque
es posible obtener una solución única pa ra los flujos intra cel ulares optimi zando la función objeti vo suje ta a las restri cciones de los balances me ta bólicos [19].
Pa ra realizar es te procedimiento se utiliza el mé todo simple x propuesto por Dantzig e n 1963
[14]. El mé todo Simple x es un algori tmo ite ra ti vo que parte de una solución básica factible pe ro
no optima y va gene rando soluciones básicas fa ctibles cada ve z mejores hasta encontrar la
mejor solución (solución ópti ma). El mé todo mantiene la fa ctibilidad del sistema mie ntras bus ca
la optimalidad. Desde el punto de vis ta gra fi co el mé todo pa rte de un vé rti ce cualquie ra e n el espacio fa ctible y se enfoca en ir bus cando soluciones en otro vé rti ce y as í sucesiva mente
mie ntras va mejorando la solución. La búsqueda de la soluci ón siempre se hace a través de los
lados o las aris tas del espacio fa ctible . [52]
3.5APLICACIONES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE
El acele rado uso y consumo de combus tibles fósiles es tá causando un gra ve problema
ene rgé ti co a ni vel mundial . Las celdas mi crobianas de combus tibles apare ce n como una
al terna ti va a la gene ra ción de ene rgía para que de es ta manera se l ogre supe ra r la crisis [9].
Aunque las e fi ciencias de las MFC aun no s on muy buenas, estas se pueden usa r pa ra el
tra tamiento de agua residuales como su función primaria [9], la creación y producción de las
celdas de combus tible microbiano pa ra el tra tamiento de a gua apa rece como una al te rna ti va
que tiene pre cios competentes e n el me rcado [22], ra zón por la cual procesamientos de
comidas, a guas residuales y e fluentes de cualquie r tipo pueden se rvi r como sus tra tos e n el
funcionamiento de las celdas [4].Se ha pronos ti cado el uso de las celdas de combus tible pa ra la
purifi ca ción de aguas residuales domes ticas, re tornando ene rgía y a horrando cos tos y de esta
forma mini miza r el dine ro que la socie dad ne cesi ta inverti r en purifi car estos despe rdi cios [3] . Las MFC´s tienen por a hora poca aplicación a ni vel ene rgé ti co, sin emba rgo su uso se puede
apli ca r a apara tos de ba jo reque ri miento ene rgé tico como son pequeños siste mas de
teleme tría , sensores inalámbri cos , o biosensores, pa ra su uso como sensores de de manda
bioquími ca de oxígeno [9]. Otro gra n problema que e nfrenta la humanidad recienteme nte es el
incremento a cele rado de su poblaci ón, que por obvias razones desemboca también en una
producci ón a cele rada de despe rdi cios que va n que dando sin luga res a donde deposita rse , las
ba cte rias usadas en los MFC´s se usan pa ra genera r electri cidad mientras se l ogra la
de la digestión anae robia, ha dado resul tado de producción de biogases como productos
se cunda rios, una importante aplica ción pa ra supli r el consumo mundial de gases [9]. Los
es tudios s obre las celdas de combus tible mi crobiano hasta el momento se encuentran todavía
muy crudos, sin emba rgo exis ten proye cciones muy al futuro que podrían a yuda r a incenti var el
es tudio de es te tema, se habla de el uso de es tas celdas pa ra alimenta r e ne rgía a robots futurís ti cos, llamados gastrobots que se tiene la idea que ellos mismos consigan el sus tra to
ne cesa rio pa ra el funcionamiento de las celdas, se habla también de su uso en na ves espaciales
pa ra ge ne rar e ne rgía mientras se de gradan las basuras que se encuentran a bordo, y ta mbién
pa ra da r ene rgía a i mplantes mé di cos en el cuerpo humano [9]. Una idea gene ral que se tiene
de las celdas mi crobianas de combus tible en robóti ca es que ha gan el papel de conve rtores de
ca rbohidra tos a energía , de forma pa re cida a como lo hace el cue rpo humano [22].
3.6MODELO CELDA DE COMBUSTIBLE
3.6.1 SIMULACIÒN EN COMSOL®
Las simula ciones de la celda de combus tible van a se r realizadas utilizando el software Comsol
Multiphysi cs ®, es te software es un ambiente inte ra cti vo pa ra modelar sistemas cientifi cos y de
ingenie ría basados en ecua ciones difere nciales pa rciales (PDEs ). Usando el mé todo de
eleme ntos fini tos [23], provee velocidad y e xactitud pa ra todo tipo de apli ca ciones y cubre
todas las face tas del proceso de modela miento. Es te progra ma contiene la he rra mienta CAD
(“Computer aided design”), interfa ces pa ra la espe ci fi cación de ecua ciones y pa rá me tros
quími cos y físicos, genera ción de mallas, opti mizadores como también he rramientas de
visualiza ción y pos t‐procesamiento.
4. METODOLOGIA
4.1SIMULACIÒN
4.1.1 RECONSTRUCCION DE LA RED
La recons trucción de la red se realiza rá usando como base el mapa meta bólico de P. aeruginosa
desarrollado por Obe rhardt [8] . La Tabla 1 mues tra un resumen del modelo pa ra la P.
aeruginosa . Di cho modelo tiene en cuenta 1056 genes rela cionados con 883 rea cciones
incluyendo caminos anabóli cos que s on ne cesarios pa ra la s íntesis de la ma yoría de la biomasa
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La función de biomasa representa una razón ponde rada de los compone ntes que forman el
peso se co de la célula, como ta mbién la hidrólisis del ATP pa ra tene r en cuenta las necesidades
de ene rgía rela cionadas con el crecimiento celular y el mantenimiento de la célula.
La opti mización de la biomasa se jus tifi ca por el supues to de que las ba cte rias han sido
optimiza das e vol uti vamente pa ra cre ce r y es tudios e xperimentales han ra tifi cado es te supues to
[13 15]. La optimi za ción de fenazina se jus tifi ca bajo el supues to de que en ausencia de oxígeno
la célula necesita produci r transportadores de electrones .
Como se e xplicó ante ri orme nte , de bido a su naturaleza inde termi nada, es necesa rio opti miza r
el sistema . A continua ción se presenta el problema de programa ción lineal que se cons truyo, se
compone de una función obje ti vo, y las res tricciones de balance de ma teria y de toma de
sus tra to.
Figura 9. Problema de Programación Lineal planteado para el proyecto con función objetivo
de biomasa y fenazina.
El proble ma de optimización planteado (figura 9), se resol vió usando una pla taforma que
pe rmi te resol ve r problemas de programación lineal llamado Xpress MP Professional®. El insumo
de es te modelo es la matriz estequiomé tri ca, el número de rea cciones y los me taboli tos. El progra ma contiene las restri cciones de los l ímites superi ores e infe riores de los flujos que se
coloca ron con base al proble ma de optimi za ción planteado arriba (figura 1). Es te programa
también se corrió en computador Dell con 4GM de RAM y un procesador Intel Duo de
1.8 Ghz.
4.1.4 CRECIMIENTO CELULAR DE Pseudomonas aeruginosa.
Aunque e xisten muchas leyes pa ra la velocidad de cre cimie nto celula r, la e xpresión que se usa
más comúnmente es la e cua ción de Monod pa ra el crecimiento e xpone ncial [69] (Ecuación 2).
En nues tro modelo asumimos que la concentra ción de s ustra to es tan al ta que el sistema está
saturado y la velocidad de cre ci miento espe cífica es la má xima . El coe fi ciente de cre ci miento
relaciona la cantidad de células nue vas formada con la masa de sustra to consumida. Con esta
informa ción se puede calcular la velocidad de consumo del sustra to (Ecua ción 1).
Pa ra pode r a coplar apropiadamente el modelo de la P. aeruginosa a la celda de combustible
tendremos que gene ra r va rios valores de salida del model o a tra vés del tiempo pa ra pode r
alimenta r la celda de combustible y de esta forma obtener unas curvas de densidad de
corriente con respecto al tie mpo.
Pa ra pode r l ogra r que el modelo genere diferentes val ores de producción de fenazina lo
tenemos que alimenta r con dife rentes valores de sus tra to. Para es to va mos a usar un modelo
ma temá ti co que pre diga como se va consumiendo la glucosa con respecto al tiempo y con estos
da tos poder alimenta r el modelo de P. aeruginosa.
El modelo que usa remos se rá el siguiente:
[1]
[2]
Donde es la velocida d de consumo de sus trato · , es el coe fi ciente de rendimiento
·
· , es la velocidad de cre cimiento celular
·
· , es la velocidad de cre ci miento
especifi ca y es la conce ntra ción de células .
4.1.5 DEFINICION DEL MODELO DE CELDA DE COMUSTIBLE
El model o con el cual se va a traba jar consiste en cua tro dominios : un ánodo Ω , una
membra na de interca mbio de protones de Nafion [Ω , un cátodo Ω y un medio de
cul tivo Ω . Cada uno de los ele ctrodos porosos está en conta cto con un re cole ctor de
corriente , , , [18]
En nuestro caso, debido a que tene mos una celda de combus tible mi crobiana, debe mos a copla r
las rea cciones que sucede n tanto e n el cátodo como e n el ánodo.
Un modelo de medio conductivo descri be las distribuciones de pote ncial en los cuatro
subdominios usando las siguientes e cuaciones de Lapla ce pa ra potencial elé ctri co.
, 0 Ω [3]
, 0 Ω [4]
, 0 Ω [5]
, 0 Ω [6]
En donde , y , son la conducti vidad ele ctróni ca efe cti va de la fases solida [S/m],
, es la conducti vi dad de la membrana [S/m] y , es la conducti vi dad efe cti va del
medio de cul ti vo. El potencial [V] e n los ele ctrodos y la me mbrana se denota por , .pa ra el
potencial elé ctri co [18].
El modelo toma las capas a cti vas de los dos ele ctrodos como condiciones de fronte ra . Es to
quiere de cir que se tra tan la densidad de las corrie ntes de transfe rencia de carga , gene ral mente
des cri tas usando la e cua ción cinéti ca de Butle r‐Volme r como una condi ción de frontera . Pa ra la
e cuación del potencial del ele ctroli to es to resul ta en una condi ción e n donde la densidad de la
corriente ióni ca en el ánodo y e n el cá todo se espe cifi ca con la siguiente e cuaci ón [18]:
1 , [6]
Donde es el subíndi ce para cá todo o ánodo, es el grosor de la capa a cti va, es la
porosidad ma croscópi ca y son las densidades de corrie nte dadas por el modelo
aglome rado.
El modelo aglome ra do des cribe la de nsidad de corriente en la capa acti va, la cual consiste en
aglome rados de ma te rial conductor ióni co y pa rtículas conductoras de ene rgía que están
cubie rtas pa rcialmente con ca talizador. La densidad de corriente local puede se r e xpresada
analíti camente resol viendo la e cua ción de difusión y la ecuaci ón ciné tica de Butle r‐Vol me r pa ra
un aglome rado que tiene potenciales ióni cos y elé ctricos cons tantes. La e cua ción resul tante
pa ra la densidad de corriente es la siguiente [19].
, 6 1 [7]
/ 2 , _ 8
, [9]
, , [10]
, [11]
En donde otra vez el índi ce es el subíndi ce pa ra cá todo o ánodo, es la difusivida d del gas
en el a glome ra do [m2/s], es el ra dio de partícula del a glome rado [m], es el núme ro de trans fe rencia de carga 1 pa ra el ánodo, ‐2 pa ra el cá todo, es el á rea espe cífi ca del ca talizador
de ntro del aglome rado [1/m], es la constante de Fara da y.
, Son las concentra ciones de refe rencia de las espe cies, , son las concentra ciones de las espe cies e n la supe rficie del a glomerado en el ánodo se supuso que la concentra ción de fenazina e ra 0 pa ra que la fena zina migrara del me dio de cul ti vo ha cia el ánodo.
Pa ra el dominio del me dio de cul ti vo la concentra ción de fena zina de refe rencia va a se r la que
nos dé la solución del proble ma de programa ción lineal.
, Son las densidades de corriente de inte rcambio de refere ncia, es la te mpe ra tura y los
sobre‐vol tajes e n el ánodo y cá todo es tán dados por las siguientes e cua ciones Donde es el
vol taje de equilibrio [19].
, [12]
, [13]
Pa ra los potenciales eléctricos , las condi ciones de frontera de los ele ctrodos son idénti cas, lo
único que cambia son los signos .
La dife re ncia de pote ncial entre los re cole ctores de corriente en el cátodo y el ánodo
corresponde al vol ta je total de la celda de combustible. Si se escoge el potencial en el
re colector de corriente e n el ánodo como el ni vel de refe re ncia y le ponemos un valor de cero.
Entonces el volta je total de la celda si rve como una condi ción de fronte ra en el re colector de
corriente en el cá todo. Como se puede ver en las siguientes e cua ciones
0 Ω, [14]
Ω , [15]
Pa ra modela r el flujo de gases e n el cá todo se usa la le y de Da rcy. La velocidad del gas se da por
la e cuación de continuidad:
0 Ω [16]
Donde es la densidad de la mezcla de gases [Kg/m3] y denota la velocidad del gas [m/s]. La
le y de Da rcy pa ra medios porosos dice que el gradiente de presión, la vis cosidad del fluido y la
es tructura del medio poroso de termina la velocidad [18]
[17]
Donde denota la pe rmeabilidad del ele ctrodo [m2], la vis cosidad del gas [Pa *s] y es la
presión [Pa]. La le y de gases ideales nos da la densidad pa ra la mezcla de gases en el cátodo.
∑ [18]
Donde R es la constante de gases ideales, P es la presión, T es la tempe ra tura y M es el peso
molar de cada gas. En las entradas y salidas de la celda es ne cesa rio espe cifi car las presiones , en
fronte ra del ele ctrodo para el cá todo, de fini mos las siguientes condi ciones de fronte ra de
presión para la e cuación de Da rcy en el cátodo.
, Ω , [19]
Ω , [20]
En la frontera del ele ctrodo pa ra el cá todo, la velocidad del gas en se cal cula a pa rti r del flujo
mási co total dado por las rea cciones ele ctroquími cas .
· | [21]
Combinada con la condi ción de fronte ra ante rior la le y de Da rcy aplicada al modelo de te rmina
la velocida d de flujo de gas y prese rva la le y de conse rva ción de masa pa ra el gas en el cá todo [18].
Es te modelo toma en cuenta dos espe cies en el ánodo , y tres en el cátodo
, , [ai re ]. El modelo usa una ins tancia del modelo de difusión y conve cción de
Ma xwell‐Stefan para cada ele ctrodo. Se asumen dos cosas : el efe cto de la te mpe ra tura sobre la
di fusión es insignificante y no fenómenos cone cti vos en el ánodo solo difusi vos .
El transporte de masa se pue de descri bi r a pa rti r de las siguientes tres e cuaci ones de tra nsporte
de masa de Ma xwell‐Stefan que asumen que la difusión por gradientes de te mpe ra tura es
insigni fi cante [oxígeno=1, agua=2, ni trógeno=3]. Las siguientes e cua ciones modelan el
transporte de masa pa ra el cá todo, pa ra el ánodo las e cua ciones son simila res pe ro sin té rminos
conve cti vos.
Δ ∑ · [22]
Δ ∑ · [23]
1 [24]
En es tas e cua ciones es la presión, T es la te mpe ra tura [K] y es la velocidad del gas [m/s ]. El
pa ráme tro se calcula de las difusi vidades binaria encontradas en la lite ra tura . Las fra cciones
una fra cción másica como condición ini cial pe ro es en la frontera entre el ánodo y el medio de cul tivo.
A las salidas del cátodo, condi ciones de fronte ra de flujo convecti va se apli can. Pa ra el caso del
ánodo se apli can condiciones de fronte ra difusi vas .
En la frontera entre la membra na y electrodo los flujos mási cos de las di fe rentes espe cies se
de terminan a pa rtir de las ciné ti cas de las rea cciones.
Pa ra resol ve r es te sistema de ecua ciones Comsol usa el paque te UMFPACK. Es te paque te
contiene un conjunto de rutinas pa ra resol ve r sis temas de e cua ciones lineales, Ax=b, cuando A
es dispe rsa y anti‐simé tri ca. [41]
Pa ra cal cular el vol ta je en la cel da se integra ra la densidad de corriente en todo el anodo y
despues se utiliza ra la le y de Ohm pa ra cal cula r el potencial.
(25)
En la figura siguiente se obse rva un diagrama de la celda con cada dominio espe cifi cado.
Figura 10. Diagrama de la celda de combustible donde se observa cada uno de los dominios
4.2PROCEDIMIENTO DE EXPERIMENTACIÒN
4.2.1 CEPAS Y MEDIO DE CULTIVO
La cepa e mpleada en la celda de combus tible mi crobiano fue un aislamiento cl íni co de
P.aeruginosa [M6C.1] que fue donado por el CIMIC y fue obtenido de la es tudiante
Leonor Ga rcía B.
Tabla 1. Direcciones para preparación de agar nutritivo ca da 100 ml de agua.
La cepa de P.aeruginosa se mantuvo en ca ja petri con a ga r nutri ti vo [Pa ra el
ma ntenimiento de es ta cepa se conse rva e n re fri ge ra ción a aproxi madame nte 4°C y se
realiza ron pases bi mensuales haciendo siembra por aislamiento también e n aga r
nutri ti vo. Pa ra asegura r los resul tados e xpe ri mentales no fue ra n erróneos debido a
contamina ción todas las manipulaciones se han realizado en cáma ra de flujo ve rti cal en
condi ciones completamente es té riles 4.2.2 OBTENCION DEL INOCULO
Lue go de haber dejado las cajas de pe tri e n incubación a 30°C por 24 horas, se procedió a
obtener el inóculo que se pasaría a las celdas. Pa ra la obtene rlo se inoculó en 3 mL de caldo
nutri ti vo y se puse en agi ta ción (Shake r) durante 20 horas a 150 rpm y 30°C, todo esto en
un tubo de ensa yo pre via mente es terilizado. Una vez comple tadas las 20 horas, el inóculo
se traslado a una botella de a proxi madamente 300 mL en donde por cada 1‐2 mL de
inóculo se agregaban 100 mL de caldo nutri ti vo, es to se i ncuba e n agi ta ción continua
durante 3 días a 30°C y 150 rpm.
4.2.3 ELABORACION DEL CATODO
Los cátodos al i gual que la es tudiante Leonor Ga rcía B [4] . Se hi cieron mediante el
protocolo suministra do por Bruce E. Logan [19]. Para la fabri ca ción de cá todos de obtuvo
tela de ca rbono (Proporcionada por Leonor Ga rcía B. de la marca Ballard). Se cortaron
re ta zos de la tela de aproxi madamente 4 cm x 8 cm pa ra así tener los cátodos pa ra cuatro
celdas . Se pinta n las ca ras (una ca ra) de la tela de ca rbón con una solución a cuosa al 60%
de PTFE (Soluci ón de te flón de la ma rca Aldri ch). Se deja seca r el te flón y es horneado
durante 15 minutos a te mpera turas ma yores de 350°C. Luego se espa rce uni formemente
aproximadamente 80 mg de ca rbón a cti vado y se gotea hasta cubri r con una solución
a cuosa al 30% de PTFE, al se ca rse es horneado de nue vo a la misma te mpe ratura de la
pri me ra horneada pe ro por 30 minutos . Se apli can 3 capas más de PTFE al 60% y entre cada
capa se realiza un proce dimiento similar a la aplica ción de carbón acti va do pe ro con
ca talizador de platino (Ca rbon black XC‐72 obtenido en el fuel cell s tore,
www.fuel cellstore .com). Pa ra la adición del ca talizador se realiza una solución de 160 mg
de ca talizador, 133 µL de a gua destilada y desionizada y se mezcla con aproxi madamente
1100 µL de s olución PTFE al 2 %, hasta crearse una pasta homogénea . Se de ja seca r por 24
horas y se lle va a hornea r a 350°C por 30 minutos.
4.2.4 ESTERILIZACION Y ARMADO DE CELDAS
Pa ra evi ta r conta mina ción la celda debe se r es te rilizada antes de ini cia r cualquie r
e xpe ri menta ción. Cada uno de l os componentes de la celda e xceptuando las partes
me tálicas fue ron sume rgidas en una solución de hipoclori to de sodio al 0,5% durante 24
horas, pos te rior a esto, las piezas fue ron la vadas con agua estéril y pues tas bajo luz U.V
durante aproximada mente 15 horas, luego se dio vuel ta a las piezas y de nue vo e n luz U.V
por 5 horas . La es te riliza ción de l os electrodos se hi zo en un horno a 200°C dura nte 15
mi nutos y después pues tos en un sobre de papel pre viame nte auto cla vado hasta el
momento del ensambla je . Debido a que l os cátodos puede n se r re husados , se de jan seca r
después de cada uso y se hornean de la misma mane ra .
4.2.5 COMPONENTES DE LA CELDA (SINGLE CHAMBER)
La celda que se uso en la e xpe ri menta ción consiste de una celda de cáma ra sencilla con cá todo al ai re he cha en a crílico cristal . La cel da tiene un compa rtimiento anódi co de 3 cm y una longi tud del tubo central de 4 cm dando un volume n total de la celda de 28,27 cm3 y
logrando un área total del ánodo de 7 cm2. Debido a que las me mbranas PEM, son difíciles
de consegui r y de un cos to bas tante al to, se de cidió reemplaza rla con tela tipo J‐Cloth[28],
es ta tela se usa pa ra e vi ta r que haya di fusión de oxigeno a tra vés del cá todo ha cía la cáma ra anódica . La celda se a rma con tornillos que se aprie tan con alica tes has ta lo
má xi mo posible y se usan tapones sencillos pa ra asegurar que la celda sea he rmé ti ca y a
prueba de fugas .
4.2.6 FUNCIONAMIENTO DE LA CELDA Y MEDICION DE VOLTAJES
Las celdas se tuvie ron en funcionamiento e n el labora torio de bioquímica (ML‐418) del
de pa rtamento de ingenie ría quími ca . Una ve z se tuvo las celdas llenas con el i nóculo se
pusieron en un ci rcuito con una resiste ncia e xte rna de 500 Ω y se incuba ron a 30ºC por pe ri odos aproxi madamente de 15 días . A pa rti r del te rcer día de incubación se re tiró con
mi cropipe ta 5 mL del medio inte ri or de la celda y se agre garon 5 mL de una sol ución es téril
de glucosa de 0.5 g/L, 2.5 g/L o 5 g/L dependiendo de la celda . Las celdas fueron
moni torea das cada 30 se gundos durante todo el pe riodo de incuba ción con una ta rje ta de
adquisición de datos [PCI‐6221,National Instruments] y un módulo de cone xión [SCB‐68]
cone ctado a un computador Dell con el software de adquisición Labvie w® (National
Ins truments ).
4.2.7 MONITOREO ELECTROQUIMICO
El moni tore o se lle vo a cabo con me di ciones de vol ta je por medio de una ta rje ta de
adquisición de datos y el progra ma labview con la a yuda de un computador. Para obtene r
los da tos de corriente I [A] se obtuvo mediante la siguiente e cua ción:
Donde V es el vol taje [voltios] y R es la resistencia [Ω].
Pa ra obte ne r la ca rga [Coul ombs ], se usa la e cua ción:
(27)
En donde I es la corriente en ampe rios y t es el tiempo e n se gundos .
La potencia [vatios] de la celda se midió como:
(28)
De donde se obtuvo la potencia pa ra pode r te ne r la de nsidad de potencia en el ánodo, que
se obtienen divi diendo es ta potencia por el á rea supe rfi cial del ánodo que es 0,7m2.
Las e fi ciencias de la celda se e xpresan como e fi ciencias culómbi cas , ha ciendo un análisis de
cuanta e ne rgía se recupe ra del sustra to en base a cuantos coulombs son produci dos de
a cue rdo a la canti dad de coulombs que se de be rían produci r te óricamente [20].
4.2.8 ANÁLISIS DE DATOS OBTENIDO DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN
Me diciones de vol ta je y corriente se realizaron mediante el empleo del progra ma labview®
con una ta rjeta de adquisición y un moni torea con un multímetro se ncillo. La e fi ciencia
culómbi ca se cal culó como está e xpreso en la lite ratura de Logan [21]. Prime ro se cal cula el
total de coulombs obtenidos ya sea por la integra ción de la corrie nte en el tie mpo, ha ciendo una inte gral del á rea ba jo la curva de un gráfi co [I vs t] ó encontrando la cantidad
e mpleado en segundos . Luego se encue ntra la canti dad teóri ca de coulombs calculada de la siguiente e cua ción:
(29)
Donde F es la constante de Fa rada y, b el núme ro de moles de ele ctrones producidos por
mol de sustra to, S la concentra ci ón del sustra to y M el peso molecular del sustra to. Pa ra
el caso de la glucosa es tos valores son:
F= 98485 C.Mol‐1
b=24
S= cualquie r concentra ción en g/L
v= Volumen empleado de sus tra to en L.
M= 180g/mol
Entonces la e ficiencia coulombi ca se calcula cómo:
100 (30)
Donde son l os coulombs prá cticos y los coulombs teóri cos [22]. En los ane xos se
encuentra una tabla que contiene e fi ciencias coul ombi cas y densidades de pote ncia de
di fe rentes e xpe ri menta ciones incl uyendo la nues tra.
4.2.9 MONTAJE DE CELDA
Se de cidió usar una celda de una sola cámara con cá todo al ai re y con tela ti po J‐cloth. Se
construye ron 4 celdas idénti cas pa ra ha ce r e xpe ri menta ción con 0,5 g/L, 2.5 g/L y 5g/L de
solución de glucosa y una répli ca de cualquie ra de las ante riores por vez.
Durante la corrida se cone ctaron ánodo y cátodo me diante caimanes a una protoboa rd con
una resistencia e xte rna de 500 Ω, se de cidió utilizar esta resistencia ya que en li te ra tura
de cía que las resiste ncias ce rcanas a este valor son las que ma yor efi ciencia culómbi ca han
de mostrado [23]. Todas las celdas tienen su ca ja indi vidual y papel en la pa rte infe rior para re coger lo que se dre na de las celdas y evi tando así una a tmosfe ra húmeda y posible
contamina ción a las demás celdas. Todas las celdas se e ncuentra n en permanente
incubación a 30 °C. En la alimenta ción de las celdas siempre se procuró trabaja r bajo la
cáma ra de flujo lamina r ve rti cal con guantes de láte x, ya que en este paso se tienden a
contamina r mucho las celdas.
4.2.10 MECANISMOS DE CONDUCCIÓN
Se ha visto que los me canismos di re ctos presentan me jores efi ciencias culómbicas en las
celdas pe ro la ene rgía libre asociada a la reacción de transfe re ncia es muy ba ja por ende
dando densidades de pote ncia también muy ba jas, teniendo que incrementar las áreas
supe rficiales de los ele ctrodos pa ra obtene r buenas densidades , lo que se traduce a costos inmensamente altos.
Los sistemas asociados a mediadores tienen gene ralme nte un rango más amplio de
sus tra tos que puede n oxi dar y gene ra r densidades y potenciales de corrie nte más altos pe ro con e ficiencias culómbi cas ba jas [29].
Desde que un electrón es libe rado en el inte rior de la celda por los procesos me tabólicos
de la cél ula, estos deben pasa r por una se rie de transporta dores , ha ciéndolos flui r por
medio de rea cciones re dox [29]. Es es te movimiento a tra vés de las rea cciones redox quien
da energía a la célula , llega ndo al final de estas rea cciones es que los ele ctrones puede n se r
pasados al ánodo de dos formas: dire ctamente de conductores o i ndi rectame nte a través
En el caso de la P.aeruginosa la conducci ón de ele ctrones se ha ce a tra vés de la piocianina y
las fena zinas sinte tizadas como metabol ítos secunda rios . Aquí estos son re ducidos por la
célula y se di funden has ta el ánodo donde se oxidan pa ra cede r s us electrones al ánodo
[43].
Se ha de te rminado que pa ra es tudia r a los mediadores de conducción, una herramienta válida ha sido la voltame tría cícli ca . La vol tame tría cíclica consiste en un barri do de ida y vuelta midiendo la corriente en funci ón del potencial entre electrodos, es to de alguna
ma ne ra pe rmi tiendo la obse rva ción de pi cos de oxidación y reducción que podrían
asocia rse al potencial redox de los mediadores [44]. En el caso de es te es tudio, un traba jo
de vol tame tría cícli ca debe ría poder de te rmina r a qué concentración de sus trato es más
probable que se reali ce la producción de mediadores en la ba cte ria .
4.2.11 CURVAS DE POLARIZACION
Las curvas de polariza ción se realiza ron e n el labora torio de ele ctroquími ca del
de pa rtamento de quími ca . Se e mpleó como e n el caso de la es tudiante Leonor Ga rcía B. un
potencios ta to ma rca Ga mry® cone cta do a un computador ma rca Dell. La conexi ón de la
celda al potenciosta to se realizó siguiendo el procedimiento de Ga rcía Ba yona (2008)
cone ctando el cá todo de la celda al Te rminal del ele ctrodo de traba jo y e n ánodo de la
celda se cone ctó tanto a los te rminales de contraelectrodo como al te rmi nal de ele ctrodo
de re ferencia[3,4]. En el progra ma Gamry® La bs en el computador que se e ncuentra
cone ctado al potencios ta to se sele cciona la prue ba “Resiste ncia a la polariza ción” con una
veloci dad de barri do de 2.5mV/s y sele ccionando un intervalo de ba rrido hasta 0.3V por
de bajo del voltaje de ci rcui to abie rto.
4.2.12 VOLTAMETRIA CICLICA
Empleando el mismo pote ncios tato utilizado pa ra la prueba de pola ri zación se realizó la
prueba de voltame tría cícli ca. La cone xión de las te rminales del potencios ta to esta ve z se
realizaron de la siguiente mane ra : El ánodo de la celda se cone cta al Te rminal del ele ctrodo
de traba jo, el cá todo de la cel da al Te rminal de contra el ele ctrodo y se realiza la inme rsión
