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8/3/2019 https://www.feriadelasciencias.unam.mx/inscripciones
https://www.feriadelasciencias.unam.mx/inscripciones 1/1
SISTEMA DE REGISTRO
Carátula de Trabajo
"Celda de combustible microbiana: Una alternativa de fuente deenergía" Título del trabajo Biolamparita Pseudónimo de integrantes
Biología Área Local Categoría Desarrollo Tecnológico Modalidad
8796282 Folio de Inscripción
1
“CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA: UNA ALTERNATIVA DE
FUENTE DE ENERGÍA”
RESUMEN
Es de todos sabido que los combustibles fósiles más temprano que tarde se
agotaran y es deber de aquellos que deseamos contribuir al mejoramiento de nuestro
entorno a estar preparados. El conocimiento de nuevas técnicas que permitan
sustraer de la naturaleza diversas energías de forma amable, sin duda alguna
contribuirá a un ambiente sano y respetuoso con los habitantes.
Al emplear energías renovables poco a poco dejaremos de sustraer de la
naturaleza carburante que han afectado y modificado en nuestro medio ambiente.
Resulta evidente, que invertir en las energías renovables es importante debido a los
diversos beneficios que proporciona.
Provocando así la responsabilidad con la total administración eficiente y racional
de todos los recursos, de manera que sea posible mejorar el bienestar de la sociedad
actual sin comprometer a las generaciones futuras.
Es así como surge la idea de hacer un prototipo de celda de combustible
microbiana (CCM) que ofrecen la posibilidad de convertir eficientemente compuestos
orgánicos en electricidad mediante el uso de microorganismos del género Geobacter,
además de múltiples aplicaciones ambientales como en la biorremediación.
INTRODUCCIÓN
Las técnicas de cultivo de axénico de Koch establecieron una tendencia en
microbiología que ha tenido una profunda influencia en el método utilizado por los
microbiólogos: primero aislar un cultivo axénico y luego ver lo que hace la ecología
microbiana depende del desarrollo de métodos para comprender exactamente estas
interacciones1.
Las bacterias generadoras de electricidad tiene algunas dificultades al
transportar la electricidad, debido al defecto Frenkel que menciona que los iones se
disocian de sus posiciones originales y migran a zonas intersticiales o igual puede ser
al defecto Schotty que dice que los iones se encuentran ausentes en las posiciones
originales.
1 Atlas, R. M. y Bartha, R.(2002) Ecología microbiana y microbiología ambiental. España: Pearson.
2
La ecología microbiana es la ciencia que examina específicamente las
relaciones entre los organismos y sus ambientes bióticos y abióticos. Hasta principios
de la década de 1960 el término ecología microbiana no era frecuente. El desarrollo
de la ecología microbiana representó un enfoque global a la calidad ambiental que
reconocía la importancia de todos los organismos vivos, la importancia de todos los
organismos vivos, incluidos los microorganismos al mantenimiento del equilibrio
biológico2.
En la actualidad gracias al avance de la tecnología se han descubierto las
bacterias del género Geobacter que son habitantes de forma natural del subsuelo y
durante millones de años han utilizado los óxidos de hierro insolubles como aceptores
de electrones para oxidar la materia orgánica. Los mecanismos responsables de
establecer una comunicación redox entre la bacteria y la superficie de los óxidos de
hierro han contribuido a “dar forma” a la corteza terrestre, y comprenderlos constituye
uno de los retos de la microbiología medioambiental.
Además de eso puede hacer biorremediación3 en lugares contaminados por
causa del urbanismo, que gracias a su metabolismo de las bacterias del género
Geobacter tiene la capacidad de transferir electrones a moléculas como el Fe y Mn,
óxidos de nitrógeno, sustancias de alto peso molecular formadas por la degradación
química y biológica de restos de plantas y de animales.
Incluso permite la transferencia de electrones de forma directa a los electrodos,
generando pequeñas corrientes eléctricas, esta característica le permite a la especie
Geobacter jugar un papel importante en el ciclo natural de la materia orgánica y de
los metales en los sedimentos acuáticos y subsuelos.
MARCO TEÓRICO
En los últimos años la utilización descontrolada de los combustibles fósiles para
generar energía eléctrica, ha alterado de forma irremediable nuestro medio ambiente,
consecuencia de la emisión de grandes cantidades de dióxido de carbono, como
resultado de este problema se tiene la necesidad de buscar nuevas formas de generar
electricidad.
2 Atlas, R. M. y Bartha, R.(2002) ecología microbiana y microbiología ambiental.España: Pearson. 3 Biorremediación: el empleo de organismos vivos para eliminar o neutralizar contaminantes del suelo o del agua.
3
Se ha descubierto la forma de obtener electricidad de las bacterias,
específicamente de las Geobacterias, microorganismos que producen corriente
eléctrica a partir de barro o aguas residuales. Estas bacterias son anaeróbicas y en
su hábitat natural emplean metales para respirar y obtener energía, el cual por cierto,
es un proceso muy importante para el reciclamiento de estos elementos en el
ambiente.
Las CCM se realizan a través de cultivos de bacterias, la bacteria Geobacter es
una de las bacterias más utilizadas en el estudio de la celda de combustible
microbiana por su alta eficiencia de conversión de energética, esta tecnología se
encuentra principalmente en etapa de desarrollo experimental en México4.
De igual manera que los humanos usan la glucosa para obtener energía al
respirar oxígeno, estas bacterias respiran de manera semejante y toman los
compuestos orgánicos que encuentran en el medio y lo metabolizan al hacerlo, liberan
electrones, solo que en lugar de transferirlos como los humanos, estas son capaces
de transferir los electrones a numerosos metales, también pueden transferir
electrodos y así almacenarlos en una pila, y así “cosechar” la electricidad para
constituir una celda microbiana o una batería microbiana.
Con la ventaja que este tipo de baterías no requieren de mantenimiento y
pueden durar hasta varios años funcionando lo cual resulta promisorio como una
estrategia para la producción de bioelectricidad, especialmente en lugares remotos,
donde por ejemplo incluso las celdas solares no podrían emplearse exitosamente.
Aunque todavía es difícil realizar inventarios detallados de especies,
cuantitativas y cualitativas, para la caracterización de las comunidades microbianas
naturales, está cada vez más claro que estas presentan una composición única y
propia, unas especies dominantes y una dinámica poblacional. Las poblaciones
microbianas activas y abundantes de la comunidad se seleccionan por su hábitat y
por las interacciones poblacionales de la comunidad.
Las bacterias del género geobacter pueden ser monitoreados dentro de la
CCM a través de parámetros electroquímicos tales como densidad de potencia,
4 Alzate-Gaviria, Liliana, Fuentes-Albarrán, Carmen, Álvarez-Gallegos, Alberto, Sebastian, P. J.,
Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo pem. Interciencia [en linea] 2008, 33 (julio) : [Fecha de consulta: 7 de marzo de 2019] Disponible en:<http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=33933706> ISSN 0378-1844
4
corriente eléctrica generada y voltaje de igual forma, un parámetro biológico es la
carga orgánica del sustrato a emplear.
Objetivo general:
Conocer la degradación de materia y generación de corriente eléctrica en una
celda de combustible microbiana alimentada con agua residual para el sustento de
electricidad de una manera ecológica y eficiente.
Objetivos particulares
- Colecta de sedimentos para aislar bacterias Geobacter.
- Elaboración de medios de cultivo para el crecimiento de Geobacter.
- Construcción de una celda de combustible microbiana a través del proceso
metabólico metanogénesis, con dos cámaras “ánodo y cátodo” separadas por
una membrana iónica.
- Medir el voltaje que se genera en la celda de combustible microbiana con un
voltímetro.
Planteamiento de problema
Algunas bacterias son capaces de llevar a cabo procesos de biorremediación en
lugares altamente contaminados con metales pesados pero ¿Podríamos obtener
energía limpia a través de los procesos iónicos realizados por microorganismos
presentes en la naturaleza?
Hipótesis
Si las bacterias del género Geobacter utilizan la biocatálisis para llevar a cabo
las reacciones de oxidación y de reducción en electrodos en estado sólido puede ser
debido a la posibilidad de separar ambas; entonces se puede aprovechar para hacer
celdas de combustible microbianas las cuales permiten la generación de electricidad
asociada a los procesos de tratamiento de aguas residuales
DESARROLLO
COLECTA DE CAMPO
Primero se recolectaron muestras de suelos para encontrar bacterias
generadoras de energía en la localidad de Llano grande, Estado de México.
5
1. En frascos de ½ litro de vidrio ya esterilizados, se introdujo
aproximadamente a la mitad suelo húmedo.
2. Después se colocaron cuidadosamente en cajas para que estas
muestras no chocaran entre sí y evitaremos perderlas.
3. Las muestras se pesaron y se clasificaron según sus colores.
4. Una vez terminado de pesar se llevaron a la cámara bacteriana
para empezar el proceso biofísico con bacterias.
CONSTRUCCIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANO
Materiales:
8 botellas de plástico reciclado de 1 litro Caimanes
Cuter Alambre de cobre
Tijeras Placas de aluminio
Papel filtro Sal
Parafilm Azúcar
Voltímetro Bomba de aire
Pegamento Cinta de aislar
La celda de combustible microbiana es un dispositivo en el cual la energía
química de un compuesto, típicamente glucosa, acetato u otras formas de materia
orgánica disuelta, se convierte a energía eléctrica mediante la acción bacteriana.
Consta principalmente de dos cámaras, una catódica y una anódica, separadas por
una membrana de intercambio de protones (MIP) y con un electrolito, que es el medio
de transporte iónico. En la cámara anódica (electrodo positivo), los microorganismos
oxidan los compuestos orgánicos generando electrones y protones, los últimos
atraviesan la MIP y se difunden hacia el cátodo a través del electrolito. Una vez en la
cámara catódica, ocurre la reducción del oxígeno por su combinación con los
6
electrones y protones producidos en el ánodo. Además, los protones se unen con el
oxígeno, para formar agua 5
Electrodos (cátodo y ánodo)
Para los electrodos se utilizaron diferentes materiales como cobre, platino y
grafito.
Ánodo: En su caso específico, los materiales que lo forman deben ser
conductores, biocompatibles y estables. Por otra parte, el material de electrodos más
versátil es el carbón, en forma de láminas compactas de grafito, barras o gránulos,
como carbono vítreo y material fibroso (fieltro, tela, papel, fibras espuma). Igualmente
se empleó el cobre, al ser accesible y práctico.
Cátodo: El oxígeno es el más viable aceptor de electrones por su poder
oxidante, abundancia, disponibilidad, bajo costo, sustentabilidad y mínima cantidad
de desperdicios químicos generados puesto que el producto final es agua. Asimismo
es posible usar zinc, por su relativa estabilidad.
Membrana
La membrana como componente del sistema impide el paso de electrones de la
cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones. Puede ser de varios tipos:
membrana de intercambio de protones, membrana de ultrafiltración, puente salino y
otros materiales para filtrado. La membrana más ampliamente utilizada es la MIP.
CONSTRUCCIÓN DE LAS CELDAS
En dos botellas de plástico de 1L marcamos el contorno de un rectángulo de
5x3cm o bien un círculo en el centro. Una de las botellas fungió como cámara anódica
y la otra como cámara catódica. Empleando cúter y tijeras recortamos el contorno de
la figura previamente trazada, en caso del rectángulo no recortamos una de las bases,
5 Rodrigez, A.. (2016). Celdas de combustible microbiana: electricidad por desechos orgánico. Febreo 17, 2019, de Ciencias experimentales, UNAM Sitio web: https://feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria24/feria328_01_celdas_de_combustible_microbiana_electricidad_por_.pdf
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es decir sólo recortamos tres segmentos, con el objetivo de que no quede totalmente
descubierto ése espacio.
Como MIP utilizamos papel filtro de cafetera, y con un pedazo pequeño cubrimos
la superficie externa de la boquilla de las botellas, y antepusimos ambas boquillas.
Con ayuda de parafilm y cinta de aislar sujetamos ambas botellas cubriendo la
superficie externa de las boquillas.
Llenado de celdas
Con cuidado vaciamos el sustrato en una de las botellas; a la vez, en la otra
botella vertimos agua, de modo que quedaran al mismo nivel. Ambas debían
sobrepasar el sitio donde comenzaba el papel filtro para la apropiada conducción de
protones. Se dejara reposar de esta forma a las celdas durante tres días.
Evaluación de la producción de electricidad
Conectamos el electrodo de cobre a un caimán y lo colocamos en la cámara
anódica, es decir, donde se encontraba el sustrato con las bacterias. Se conectó el
electrodo de zinc a un caimán y lo colocamos en la cámara catódica, es decir, en la
botella donde se encontraba el agua. Conectamos la otra punta de los caimanes a las
puntas del multímetro y realizamos mediciones de voltaje a corriente directa en un
rango de 0 a 2 V cada 5 minutos, al menos dos veces, durante cuatro días.
Los sistemas bio electroquímicos son nuevas tecnologías que se basan en la
capacidad de algunos microorganismos para catalizar una reacción de oxidación en
el ánodo, o una de reducción en el cátodo. Dependiendo del modo de preparación del
reactor y del producto final que se forma, los Sistemas Bio Electroquímicos (SBE) se
emplean microorganismos como lo es la bacteria del género Geobacter para generar
electricidad a partir de varios sustratos. La diferencia principal entre estos SBE es que
en las Celdas de Electrólisis Microbiana (CEM) son empleadas para la producción de
hidrógeno, mientras que las Celdas de Desalinización Microbiana (CDM) se emplean
para la remoción de sal de aguas salobres.6
1.- Lo primero que tuvimos que hacer es reunir todos los materiales necesarios
y escoger el tipo de celda que se quiere realizar, ya que existen hasta 6 posibles CCM,
6 Cervantes Astorga, C.(2011) Biodegradación de aguas residuales y producción de electricidad en una celda de combustible microbiana. Ciudad de México: instituto de ingeniería de la UNAM.
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sin embargo decidimos hacer una de botellas de PET, por la facilidad de obtenerla y
de alguna manera reutilizar materiales con el fin de cuidar el ambiente.
2.- Después se hicieron unos pequeños agujeros en la parte lateral inferior de
cada botella para introducir una lámina de aluminio para que quede dentro de la
botella, y después introducir por otro agujero una manguera.
3.- Para introducir el agua caliente a las botellas, primero se tiene que calentar
una solución de agua con sal y después hacerla calentar introduciendo una mosca,
y esperar hasta que empiece a girar.
4.- El agua al estar sumamente caliente se debe introducir dentro de la botella
colocada horizontalmente hasta estar a la mitad sin dejar que haya fugas, y si es el
caso taparlas.
5.-Luego se debe vaciar una muestra de tierra agregando previamente azúcar
en un matraz Erlenmeyer y disolverlo sin dejar residuos, para después colocar la
muestra en la otra botella de la igual forma que se hizo con la anterior.
6.- Se necesita unir los dos botellas por la parte de la tapa, estando separadas
por un papel filtro, de tal forma que no haya fugas.
RESULTADOS
Imagen 1: Celda de combustible microbiana, cámara catódica y anódica
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Imagen 2: Conexión en serie de tres celdas con los cuatro sustratos
Imagen 3: Colocar las celdas en un ambiente apropiado, con las bombas de aire
encendidas.
Imagen 4: Medición de voltaje producido por la celda de combustible microbiana
conectadas en serie. (Este fue el voltaje que logramos capturar, pero el voltaje más
alto que se observo fue de 12.3)
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Imagen 5: Medición de voltaje por celda individual.
ANALISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Recolectamos muestras de suelos ricos en bacterias para poder hacer este
proyecto, pues estos microorganismos nos ayudaron a producir energía a través la
celda de combustible microbiana produciendo un voltaje de 12.3 en un circuito en
serie, no solo ayudan a esto sino que también, una de sus funciones es la degradación
de los metales pesados.
El siguiente proceso fue escoger una de las 6 posibles celdas microbianas para
poder tener una cámara catódica y anódica con la finalidad lograr transferir la
electricidad en un circuito cerrado.
Con el bombeo de aire que está circulando gracias al circuito se están moviendo
las bacterias que ya consumieron la glucosa y el cloruro de sodio para así poder
excretar materia orgánica que contiene electrones suficientes para poder encender
un foco menor de 10 watts de modo que puedan lograr hacer contacto con el alambre
de cobre y la lámina de aluminio que tienen cada una de las CCM.
Las bacterias son microorganismos que se desarrollan, se reproducen y
respiran. Estas tres funciones de la célula son las funciones básicas que se lograra
este trabajo ya que la bacteria debe elaborar su propia materia, es decir, realizar la
síntesis de sustancias orgánicas.
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Los resultados son muy favorables porque fue lo que se tenía esperado desde
un inicio, se logró el objetivo principal de hacer un trabajo tecnológico e innovador
para la sociedad y llegar a no depender de los combustible fósiles, tenemos que
buscar nuevas soluciones para poder sobrevivir bajo condiciones adecuadas de
desarrollo tecnológico, este tipo de procesos podría no solamente a ser empleado a
gran escala para el tratamiento de las aguas residuales de una gran ciudad o industria,
si no también sería factible para ser instalado en pequeñas comunidades dispersas o
aisladas del país.
CONCLUSIONES
Podemos concluir que el beneficio de las celdas de combustible microbianas son
de gran importancia para el mejoramiento de la calidad del medio ambiente, ya que
utilizando dichos instrumentos se puede obtener energía eléctrica para suministrar a
una lámpara LED , además de tener una eficiencia de mayor calidad que una batería
común de Litio, de tal modo que una vez terminada su tiempo de uso se desecha y
puede llegar a contaminar los mares, afectando a muchos otros sistemas vivos, en
cambio con la utilización de bacterias Geobacter hacen todo lo contrario por que su
objetivo es degradar toda sustancia que no sea necesaria y apoya al tratamiento de
aguas residuales.
Resulta mucho más eficiente la utilización de estos microorganismos a
comparación de los recursos no renovables que, no falta mucho para que se agoten
y la humanidad necesita buscar nuevas alternativas para lograr sobrevivir, gracias a
investigaciones en microbiología se descubrió la gran utilidad de las bacterias
Geobacter con respecto a comer y degradar la electricidad. Otra cualidad muy
importante que tienen estos microorganismos es que son anaeróbicas convirtiendo
los compuestos orgánicos convirtiendo los derrames petroleros en dióxido de carbono
(CO2).
Al examinar el voltaje que produjo nuestra celda de combustible microbiana
pudimos darnos cuenta que produce 12.3V cantidad suficiente para encender dos
focos LED. Si se explotase a una mayor escala esta nueva fuente de energía sería
una buena idea para administrarla a una pequeña comunidad.
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FUENTES DE INFORMACIÓN
Alzate-Gaviria, Liliana, Fuentes-Albarrán, Carmen, Álvarez-Gallegos, Alberto,
Sebastian, P. J., Generación de electricidad a partir de una celda de combustible
microbiana tipo pem. Interciencia [en linea] 2008, 33 (julio) : [Fecha de consulta: 7 de
marzo de 2019] Disponible en:<http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=33933706>
ISSN 0378-1844
Atlas, R. M. y Bartha, R.(2002) Ecología microbiana y microbiología
ambiental.España: Pearson.
Cervantes Astorga, C.(2011) Biodegradación de aguas residuales y producción de
electricidad en una celda de combustible microbiana. Ciudad de México: instituto de
ingeniería de la UNAM.
Posada Velásquez, Y.,(2006). Fisica 2: Ondas, electromagnetismo y física
contemporánea. México: Progreso.
Rodrigez, A.. (2016). Celdas de combustible microbiana: electricidad por desechos
orgánico. Febreo 17, 2019, de Ciencias experimentales, UNAM Sitio web:
https://feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria24/feria328_01_celdas_de_comb
ustible_microbiana_electricidad_por_.pdf
Romero, A. (2013). Microorganismo del suelo y biofertilizacion. Marzo 7,2019, de vida
sana Sitio web:
http://ec.europa.eu/environment/life/project/Projects/index.cfm?fuseaction=home.sho
wFile&rep=file&fil=CROPS-FOR-BETTER-SOIL_formacion-5.pdf
Tanja R.. (2016). Microorganismos en el sustrato. MARZO 05, 2019, de CANNA Sitio
web: http://www.canna.es/microorganismos_en_el_sustrato