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Investigación documental y de campo

Informe final

CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANO

María Elena Delgado Villarreal.

Mayo 2019

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Abstracto

El Agua y la Energía son uno de los retos de nuestro Planeta en los

próximos años. La ONU nos ha demostrado nuevamente que si continuamos en

este camino para el año 2030 la población mundial necesitara 35% más alimentos,

40% más agua y 50% más energía. Hasta ahora 768 millones de personas

carecen acceso a fuentes de agua, 2.5 millones de personas no tienen una mejor

sanitización de la misma y 1.3 billones de personas NO tienen acceso a

electricidad. (Universidad Naciones Unidas, 2014)

Mi interés por investigar sobre las Celdas de Combustión Microbiana se intensifico

a raíz de la problemática que vivimos actualmente en mi Estado Baja California y

en especial mi Ciudad. Recientemente se anunció que el agua del Rio Colorado

que abastece nuestra región está siendo sobre explotado de acuerdo a Centro

CONACY. Informa “El Consejo de Cuenca de Baja California y municipio de San

Luis Río Colorado (CC02) de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), llegó a

las siguientes conclusiones a principios de 2014: “…la falta de infraestructura de

captación pluvial tiene como consecuencias que cerca de la totalidad de la

precipitación que ocurre en esta región escurra hacia el mar. Los elevados costos

para el transporte del vital líquido han obligado al CC02 a depender en gran

medida del agua subterránea, sobre todo fuera de la zona de influencia del agua

proveniente del río Colorado. El inadecuado manejo que los acuíferos han sufrido

en los últimos años ha llevado a éstos a una situación de sobreexplotación. La

falta de agua para la agricultura en la región de la zona costa ya ha comenzado a

afectar a cultivos, principalmente en la zona costa que es dependiente exclusiva

de los acuíferos. A este problema de gestión inadecuada del recurso hídrico se le

suma la disminución de la recarga que conlleva la sequía meteorológica, así como

los impactos generados en el medio ambiente por la misma, particularmente a los

ecosistemas costeros”.

Hasta principios de 2018 la ciudad de Ensenada dispone de poca agua:

Porque el agua que proviene del principal aporte en la entidad, el río Colorado, no

se ha distribuido equitativamente en Baja California

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Tabla de contenido

Abstracto ....................................................................................................................... 2

Lista de Figuras ........................................................................................................... 4

Introducción e información general………………………………………………………5

Metodología ............................................................................................................. 7

Resultados .................................................................................................................... 10

Conclusiones y recomendaciones ............................................................................... 11

Entrevista………………………………………………………………………………12

Encuesta………………………………………………………………………………14

Referencias ............................................................................................................ 17

Apéndice……………………………………………………………………………18

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Lista de figuras

Figura 1. Formas y descripción de las formas. ............................................................... 10

Figura 2. Diseño de una celda de combustión microbiana hecho en casa… …….11

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Capítulo 1

Introducción e información general

Generalmente conocemos de los textos que la reacción entre la glucosa y oxigeno

es la siguiente:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

Pero entre organismos sencillos como las bacterias, esto sucede por medio de

pasos intermediarios. Algunos de estos pasos temporalmente liberan electrones,

tal cual todos sabemos que generan electricidad. Por lo tanto, en lugar de que

reaccione glucosa con oxígeno para producir Dióxido de Carbono y agua, aquí la

glucosa produce dióxido de carbono, protones (iones de hidrogeno cargados

positivamente H+) y electrones (e-)

C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-

Por lo tanto, esta parte del proceso define la mitad de la celda de combustión.

Este proceso se localiza en la tierra en la porción llamada rizosfera donde se

encuentran las raíces, desecho y bacteria. La otra parte de la reacción se

encuentra en el agua rica en oxigeno del otro lado de la membraba permeable. En

un entorno natural, esta membrana es formada por el límite entre el agua-suelo.

(fuente: Benneto; Rabaey y Verstraete; Deng, Chen y Zhao.)

En la segunda parte de la celda, los protones libres y electrones se combinan con

el oxígeno para producir agua, tal como:

6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O

Los protones alcanzan esta segunda reacción al fluir el intercambio de iones por

la membrana. Creando una carga neta positiva y un potencial eléctrico que induce

electrones a fluir por una línea de cable externa, y se produce la corriente eléctrica.

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Como toda nueva tecnología, las CCM (Celdas de Combustible Microbiano)

enfrentan numerosos retos; por ejemplo, necesitan de un substrato que favorezca

el crecimiento de la planta y transferencia e energía – dos metas que a veces

están en contra. La Diferencia en pH entre las 2 mitades de las celdas, por

ejemplo, pueden traer perdida de potencial eléctrico, tales que los iones tienen

cortos entre la membrana para llegar al balance químico.

Si se logra arreglar esta problemática, los CCM´s pueden tener un vasto y variado

potencial. Todo llega a cuanta energía pueden producir. De acuerdo a una

aproximación realizada en el 2008, el número mágico llega a ser 21 giga Joules

(5,800 kW-hora) por hectárea (2.5 acres) cada año. Una investigación más

reciente ha estimado el numero puede llegar a ser 1,000 giga Joules por hectárea

(fuente: Strike et al).

Como comparativo:

Un barril de aceite contiene 6 giga Joules de energía química.

Europa es el hogar a 13.7 millones de Granjas, en cada granja se tiene en

promedio 12 hectáreas (29.6 acres).

En comparación, América tiene 2 millones de granjas que en promedio se

tiene 180 hectáreas (444.6 acres) cada una.

Lo que tratamos de decir es que estos números es si se convirtieran 1 porciento

de U.S.A y Europa en CCM´S, estos darían un rendimiento de un estimado de

34.5 millones de giga Joules (9.8 billones de kW-hora) anualmente para Europa y

de 75.6 millones de giga Joules (20.9 billones kW-hora) anualmente a América.

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Metodologia

Las Celdas están integradas por tres elementos: dos electrodos (ánodo y

cátodo) y un electrolito. Constan principalmente de dos cámaras, una catódica y

una anódica, separadas por una membrana de intercambio de protones y con un

electrolito, que es el medio de transporte iónico. En la cámara anódica (electrodo

positivo), los microorganismos oxidan los compuestos orgánicos generando

electrones y protones, los últimos atraviesan la membrana y se difunden hacia el

cátodo a través del electrolito. (Fig.1) . Una vez en la cámara catódica, ocurre la

reducción del oxígeno por su combinación con los electrones y protones

producidos en el ánodo. Además, los protones se unen con el oxígeno, para

formar agua. (Logan y col., 2006).

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Figura 1. Estructura básica de una celda de combustible microbiana (MFC).

Tomada de Logan y Regan,2006.

Electrodos (cátodo y ánodo)

Para los electrodos se pueden utilizar diferentes materiales como cobre, platino,

grafito u otros (Falcon,2009).

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

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

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

gránulos, como carbono vitreo y material fibroso (fieltro, tela, papel, fibras

espuma). Igualmente se puede emplear el cobre, al ser accesible y práctico.

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

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

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

es posible usar zinc, por su relativa estabilidad.

Membrana

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

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

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

y otros materiales para filtrado (Liu y Logan, 2004). La membrana más

ampliamente utilizada es la MIP (membrana de intercambio de protones) y entre

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ellas es muy común la Nafion, un producto de DuPont Inc., USA, que muestra una

alta permeabilidad a los protones. (Revelo y col.,2013).

Sustrato

Constituye el combustible a partir del cual se genera la energía. En la Literatura

científica se encuentran diversos trabajos en los que se emplea una gran variedad

de sustratos, desde compuestos puros como glucosa, acetato, sacarosa, lactosa,

almidón; hasta mezclas complejas, con el fin de utilizar la biomasa presente como

método de biorremediación y generar energía.

Los compuestos puros se pueden degradar de manera más simple lo que permite

obtener mayor generación de energía e hidrogeno, por su parte los sustratos

complejos requieren para su degradación una comunidad microbiana diversa y

electroquímicamente activa (BEA), cuyas poblaciones se van seleccionado

dependiendo del tipo de sustrato.

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RESULTADOS

El propósito de mi trabajo en este Informe final es recabar el material necesario y

fabricar una Celda de Combustión Microbiana, con todas las piezas indicadas en

esta figura. Lo único que note de esta investigación fue que las cantidades

necesarias para producir una pequeña cantidad de energía, indica que se debe

de verificar el tipo de microorganismo que se va a utilizar, el medio en el cual se

pondrá a alimentarse, el sustrato y su combinación para lograr que dure

alimentándose más de 1 semana. Lo cual indicaría que se logro alargar el tiempo

de vida de nuestro sistema.

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Figura 2. Diseño de una celda de combustión microbiana hecho en casa.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las conclusiones arrojadas por la investigación de las Celdas de Combustible

Microbiano son las siguientes, es un excelente proyecto a futuro, con la única

inconveniencia de que las investigaciones aun son lentas, aun cuando son de

mucha ayuda en cuanto al tipo de generación limpia de energía y estamos

limpiando aguas residuales que se generen en las ciudades las cantidades para

lograr aplicar este método aun se ve muy lejano. Nuestra necesidad de hoy en día

es aplicarlo ya como tal, iniciar una forma de aplicarlo en grandes escalas y no

esperar a que de manera aislada cada quien genere datos en esperanza de que

alguien descifre y decida ya Invertir en este tipo de Energía Limpia.

Recomendación es parar de hacer pequeñas practicas de laboratorio y atreverse

a escalarlo a Planta Piloto sin importar y seguir con una investigación a largo

plazo. La ciudad donde yo vivo y el estado de Baja California están en una urgente

forma de Energía Sustentable para ser ya utilizada y ser invertida a corto plazo.

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Entrevista sobre la Importancia de las Celdas de Combustión Microbiana.

Entrevistador:

1.- ¿A qué se dedica Usted y cuál es su actividad?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Profesor Investigador de la Universidad Politécnica de

Aguascalientes (UPA)

2.- ¿Cuál es nombre de la Investigación que realiza actualmente?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Es un Proyecto que actualmente se encuentra en fase experimental

con una Planta llamada trepadora (Philodendron scandens) y con pasto

(Cynodon dactylon) es una Celda de Combustible que realiza una reacción

electroquímica entre un combustible y el oxígeno u otro agente oxidante.

3.- ¿Cuál es la importancia de este tipo de Investigación?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Resolver el problema de generación de Energía por medio de un

proceso Limpio que no genere contaminantes y a la ves elimina contaminantes

del agua residual.

4.- ¿En qué rama de la Ciencias se especializo?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

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Respuesta: Soy Doctor en nanociencias y nanotecnología por el Centro de

Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV).

5.- ¿Como funciona el proceso de la Celda de Combustible?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Se coloca un electrodo llamado ánodo cerca de las raíces de la

Planta, la cual captura la energía que se produce durante la fotosíntesis,

mientras que en la parte superior se coloca otro electrodo llamado cátodo.

Ambos se conectan, generándose así la electricidad de forma directa”, explicó

6.- ¿Que resultados han obtenido?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Se han logrado generar electricidad, cada celda esta produciendo un

voltaje de aproximadamente 550 milivoltios, con los cuales se han podido

alimentar dispositivos electrónicos pequeños, como relojes digitales o una

lámpara LED. Añadió que la potencia se puede incrementar conectando muchas

celdas en serie.

7.-¿Que tipo de materiales han utilizado para esta Celda?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Se han utilizado materiales muy simples, como arcilla roja, bambú,

madera suave y papel biodegradable, cuando en otro tipo de celdas se emplean

materiales metales nobles como el platino y paladio, los cuales resultan ser muy

onerosos.

8.-¿Qué es la finalidad de la Celda de Combustible microbiana?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Se busca generar energía nueva, más económica y sustentable,

por lo cual se han empleado materiales orgánicos que son biodegradables, esto

para que el día de mañana no queden residuos que contaminen al ambiente. La

finalidad es la sustentabilidad.

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9.-¿Esta es la Única Universidad que realiza este tipo de Investigación?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: En Europa se está trabajando en el Instituto Holandés de Ecología

(NIOO_KNAW) en el desarrollo de prototipos para alimentar pequeños

dispositivos electrónicos. Mientras que en México solo los investigadores de la

UPA cuentan actualmente con desarrollos tecnológicos innovadores, a nivel

prototipo, que toman como plataforma las celdas de combustible microbianas a

base de plantas, con lo que se pueden alimentar dispositivos electrónicos.

Curiosamente, nuestro diseño es simple, efectivo, escalable y puede utilizar

cualquier tipo de planta”.

10.-¿Cuáles son los beneficios en usar este tipo de Estudio?

Investigador: Profesor Kamaraj Sathish Kumar

Respuesta: Estimó que en el largo plazo este estudio podría incidir en optimizar

el alumbrado público, en particular el que se ubica en los camellones, para que

las áreas verdes sean equipadas con celdas que generen su propia electricidad y

así poder alimentar las luminarias que se encuentran en las cercanías.

Esta tecnología se podría escalar e instalarse en las casas que cuenten con

jardín, en las cuales se podrían colocar celdas microbianas que generen

electricidad para abastecer de energía algunos sectores de la vivienda

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Encuesta Realizada a Ciudadanos

ENCUESTA

Objetivo:

Se realizó una encuesta a 10 Personas, sobre la Actual situación existente en el Estado de

Baja California sobre la escasez de agua que se suministra desde el Rio Colorado hacia

Mexicali. El motivo de la encuesta es para conocer qué tan consciente están los Ciudadanos

de la problemática de traer Agua a la Ciudad y el problema a futuro para suministrar 5

municipios.

Lista de Personas Encuestadas

# Nombre M H Edad Ocupación

1 Mary Bravo x 45 Lic. Recursos Humanos

2 Andrés Delgado X 30 Lic. Administración

3 Isa Verduzco X 30 Cultora de Belleza

4 Rafael Álvarez X 45 Ingeniero

5 Claudia Aceves X 45 Ingeniero

6 Olga Delgado X 55 Ama de Casa

7 Pedro Marroquín X 35 Lic. Planner/Buyer

8 Irma Godines X 45 Ingeniero

9 Alex Marroquín X 32 Ingeniero Software

10 Carlos Benito Marroquín X 31 Técnico CISCO

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ENCUESTA REALIZADA:

PREGUNTAS.

Solo tienen que contestar la siguientes 10 preguntas.

1.- ¿Te preocupa el cambio climático que vivimos?

2.- ¿Conoces la problemática de falta de agua en nuestra comunidad?

3.- ¿Sabes que el agua que llega del Rio Colorado a Tijuana solo llega en un

75% porque lo demás se pierde por fugas?

4.- ¿Sabes que no tendremos agua para abastecer nuestra ciudad en un futuro

muy cercano?.

5.- ¿Sabes que para traer agua a nuestra Ciudad se necesita ENERGIA para lo

mismo? Energía que no tenemos.

6.- ¿Sabes qué para el 2030 muchos Lugares en nuestro Continente NO tendrán

la facilidad de tener agua potable?

7.- ¿Sabes que si no buscamos opciones de Energía Sustentable tendremos

aún más problemas de contaminación, aun peor que los que vemos hoy en día?

8.- ¿Sabes que Nuestro Gobierno NO cree en las Energías Sustentable?

9.- ¿Conoces alternativas de Energía renovable (aparte de la Eólica, Solares,

etc)?

10.- ¿Conoces lo que son Celdas de Combustible Microbiano?

Encuestado

Numero de Preguntas 1 1 2 2 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10

Respuesta si No Si No Si/

No

Si No Si No Si No Si No si No Si No Si/

NO

Mary Bravo x x No x x x x x X No

Andrés Delgado x x No x x x x x x No

Isa Verduzco x x No x x x x x X No

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Rafael Álvarez x x No x No

Claudia Aceves x x Si x x x x x x No

Olga Delgado x x No x x x x x x No

Pedro Marroquín x x No x x x x x x No

Irma Godines x x No x x x x x x No

Alex Marroquín No

Carlos Benito Marroquín x x No x x x x x x No

Erika Ramírez Aguirre x x si x x x x x x No

Malena Díaz Ortiz x x si x x x x x x No

MónicaRubalcaba

González

x x si x x x x x x No

CONCLUSIÓN:

Debido a los resultados de esta encuesta nos damos cuenta de que en mi Ciudad

y en el estado de Baja California la mayoría de la población desconoce la situación

actual de la cantidad de agua que tenemos para abastecer los 5 municipios y la

falta de alternativas para poder abastecer al estado.

Increíblemente, es importante iniciar a buscar formas de abastecer localmente a

nuestros municipios y poder ser parte del control de la contaminación continua de

los mares y arroyos que contaminan al mar.

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APENDICE

Tablas 1 y 2. Encuesta a un total de 10 personas todos Profesionistas y Obreros (1)

Tabla 3. Estadística de Hombre y Mujeres entrevistados.

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Lista de referencias

https://centrosconacyt.mx/objeto/agua-en-ensenada/

https://unu.edu/media-relations/releases/wwd2014-un-stresses-water-energy-

issues.html

https://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/plant-microbial-

fuel-cell3.htm

https://www.mientrastantoenmexico.mx/profesor-de-aguascalientes-busca-

aprovechar-energia-de-plantas-para-crear-combustible/

https://www.mipatente.com/energia-verde-celdas-microbianas/

https://www.sinembargo.mx/06-06-2016/3050233

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