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ESTADO DEL ARTE EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM)
PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA
ANA DEL PILAR PINEDA MARÍN
MARTHA LIZETH ROSAS TAFUR
PROYECTO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR AL
TÍTULO DE INGENIERAS AMBIENTALES EN LA MODALIDAD DE MONOGRAFÍA
EXPLORATORIA
DIRIGIDO POR:
MARTHA CECILIA GUTIÉRREZ SARMIENTO
LICENCIADA EN BIOLOGÍA
ESPECIALISTA EN EDUCACIÓN Y GESTIÓN AMBIENTAL
MASTER EN DESARROLLO SUSTENTABLE Y GESTIÓN AMBIENTAL
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C.
2016
2
AGRADECIMIENTOS
Mi absoluta gratitud a Dios, porque Él hizo que todo fuese posible, gracias Señor por la
capacidad intelectual, las ideas, la fuerza para perseverar en este sueño y por tu bendición en toda
mi formación profesional y en la realización de este documento. Gracias a la docente Martha
Gutiérrez, nuestra Directora del Trabajo de Grado. Gracias a mi familia. Gracias a toda la gente
linda que conocí en la Universidad, gracias por todo su cariño, paciencia, consejos y apoyo.
Gracias por todo Pili.
Martha Lizeth Rosas Tafur.
Agradezco a mi familia por su comprensión y paciencia, por las mismas razones agradezco a
nuestra directora la profesora Martha Cecilia Gutiérrez Sarmiento además por sus consejos y
sabiduría. Finalmente, a mi compañera Martha por tener fe por las dos.
Ana del Pilar Pineda Marín
3
“Las ideas emitidas por los autores son de su exclusiva responsabilidad y no expresan necesariamente opiniones de la Universidad”
(Artículo 117, Acuerdo 029 de 1998).
4
Contenido
1. Introducción ..................................................................................................................... 13
2. Planteamiento del problema ........................................................................................... 15
3. Justificación ...................................................................................................................... 17
4. Objetivos ........................................................................................................................... 19
4.1 Objetivo general ............................................................................................................. 19
4.2 Objetivos específicos...................................................................................................... 19
5. Marco de referencia ......................................................................................................... 20
5.1 Celdas de combustible .................................................................................................... 20
5.2 Celdas de combustible microbianas ............................................................................... 24
6. Metodología ...................................................................................................................... 27
6.1 Recolección de información secundaria. ........................................................................ 28
6.2 Sistematización y clasificación de la información secundaria. ...................................... 28
6.3 Síntesis de la información contenida en los documentos obtenidos. ............................. 29
7. Resultados ......................................................................................................................... 32
7.1 Obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados. ....................... 32
7.2 Generación del inventario de los documentos consultados y definición de núcleos
temáticos. ...................................................................................................................................... 34
7.3 Construcción de fichas de consulta. ............................................................................... 34
8. Análisis de Resultados ..................................................................................................... 47
8.1 Análisis a la obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados. ... 47
8.2 Análisis del inventario de los documentos consultados y núcleos temáticos definidos. 49
8.3 Análisis y estado del arte. ............................................................................................... 50
8.3.1 Estructura. ................................................................................................................... 51
8.3.1.1 Distancia entre electrodos. .................................................................................. 51
8.3.1.1 Área Superficial................................................................................................... 52
8.3.1.2 Configuración. ..................................................................................................... 54
8.3.1.2.1 Celdas de doble cámara. ................................................................................ 55
8.3.1.2.2 Celdas de Combustible Microbianas Tipo H. ................................................ 55
8.3.1.2.2.1 Celdas de Combustible Microbianas Acopladas. .................................... 57
5
8.3.1.2.2.2 Celdas de combustible microbianas de placas planas. ............................ 58
8.3.1.2.2.3 Celdas de combustible microbianas tubulares. ....................................... 59
8.3.1.2.2.4 Celdas de combustibles a micro-escala. .................................................. 63
8.3.1.2.3 Celdas de cámara única. ................................................................................ 64
8.3.1.2.4 Celdas de combustible apiladas. .................................................................... 69
8.3.1.2.5 Sistemas acoplados a las celdas de combustible microbianas. ...................... 72
8.3.1.2.5.1 Celdas para generación de energía y tratamiento de aguas. .................... 73
8.3.1.2.5.2 Celdas acopladas a sistemas de generación de biogás. ........................... 74
8.3.1.2.5.3 Celdas de Combustible Microbianas Vegetales. ..................................... 76
8.3.1.2.5.4 Celdas para generación de energía y recuperación de metales pesados. . 81
8.3.1.3 Material separador. .............................................................................................. 83
8.3.1.3.1 Membranas de intercambio Iónico (IEM). .................................................... 84
8.3.1.3.1.1 Membranas de Intercambio Catiónico (CEM). ....................................... 85
8.3.1.3.1.2 Membranas de intercambio Aniónico (AEM). ........................................ 90
8.3.1.3.1.3 Membrana Bipolar (BPM). ..................................................................... 95
8.3.1.3.2 Separadores de tamaño selectivo. .................................................................. 97
8.3.1.3.2.1 Membrana de filtración microporosa. ..................................................... 97
8.3.1.3.2.2 Filtros de poro ancho. ............................................................................ 100
8.3.1.3.3 Puente Salino. .............................................................................................. 105
8.3.1.4 Material del Ánodo............................................................................................ 108
8.3.1.5 Materiales del Cátodo.........................................................................................115
8.3.2 Condiciones de operación. ........................................................................................ 120
8.3.2.1 Aireación forzada del cátodo y concentración de oxígeno disuelto. ................. 120
8.3.2.2 Modo y Tiempo de Operación. .......................................................................... 123
8.3.2.3 Fuerza Iónica y concentración de sales. ............................................................ 125
6
8.3.2.1 pH. ..................................................................................................................... 126
8.3.2.2 Tasa de alimentación y tiempos de retención hidráulica (THR). ...................... 128
8.3.2.3 Resistencia Externa. .......................................................................................... 130
8.3.2.4 Resistencia Interna. ........................................................................................... 132
8.3.2.5 Temperatura. ...................................................................................................... 136
8.3.3 Desempeño del sustrato. ........................................................................................... 138
8.3.3.1 Sustratos de composición definida. ................................................................... 139
8.3.3.2 Sustratos de composición no definida. .............................................................. 142
8.3.4 Microorganismos exoelectrógenos. .......................................................................... 144
8.3.5 Microorganismos Modificados Genéticamente en CCMs. ....................................... 153
8.3.6 Mecanismos de Reacción. ........................................................................................ 154
8.3.6.1 Transferencia de Electrones Directa (TED) ...................................................... 155
8.3.6.2 Transferencia de Electrones Mediada (TEM). .................................................. 158
8.3.6.2.1 TEM a través de mediadores redox exógenos y/o artificiales. .................... 158
8.3.6.2.2 TEM a través de metabolitos secundarios. .................................................. 161
8.3.6.2.3 TEM a través de metabolitos primarios. ...................................................... 163
8.3.7 Herramientas y metodologías de estudio. ................................................................. 164
8.3.7.1 Técnicas electroquímicas. ................................................................................. 164
8.3.7.1.1 Curvas de polarización. ............................................................................... 164
8.3.7.1.2 Voltametría Cíclica (CV). ............................................................................ 166
8.3.7.2 Técnicas de Espectroscopia. .............................................................................. 169
8.3.7.2.1 Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS). ................................ 169
8.3.7.2.2 Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). ................ 171
8.3.7.2.3 Espectroscopia UV-visible. .......................................................................... 172
8.3.7.2.4 Espectrometría de emisión óptica con plasma de acoplamiento inductivo
(ICP-OES). ................................................................................................................... 172
7
8.3.7.2.5 Difracción de Rayos X. ............................................................................... 172
8.3.7.3 Técnicas microbiológicas .................................................................................. 173
8.3.7.3.1 Técnicas de microscopia. ............................................................................. 173
8.3.7.3.1.1 Microscopia electrónica de barrido. ...................................................... 173
8.3.7.3.1.2 Microscopia electrónica de transmisión. ............................................... 175
8.3.7.3.1.3 Microscopia de epifluorescencia ........................................................... 176
8.3.7.3.2 Técnicas moleculares. .................................................................................. 177
8.3.7.3.2.1 Extracción de ADN, amplificación por PCR y obtención de perfiles de la
Electroforesis en gel con Gradiente Desnaturalizante (DGGE). .............................. 180
8.3.7.3.2.2 Secuenciación y el análisis filogenético. ............................................... 182
8.3.7.4 Técnicas de Cromatografía................................................................................ 183
8.3.8 Aplicaciones. ............................................................................................................ 185
9. Conclusiones ................................................................................................................... 188
10. Recomendaciones ........................................................................................................... 197
11. Bibliografía ..................................................................................................................... 199
12. Anexos ............................................................................................................................. 215
8
Índice de Figuras
Figura 1. Esquema de funcionamiento de una celda de combustible ........................................... 21
Figura 2. Principio de operación de una celda de combustible de hidrógeno. .............................. 23
Figura 3. Celda de Combustible Microbiana ................................................................................ 24
Figura 4. Flujograma de la metodología empleada en la construcción del estado de arte. De
izquierda a derecha, insumos empleados, pasos metodológicos y resultados .............................. 27
Figura 5. La Grafica que representa la cantidad y tipo de documentos obtenidos de Universidades
Colombianas ................................................................................................................................. 47
Figura 6. Porcentaje correspondiente a los países involucrados en el total de los artículos científicos
recopilados .................................................................................................................................... 48
Figura 7. Porcentaje del total de documentos obtenidos en relación a cada núcleo temático ...... 50
Figura 8. Ensamble experimental para la CCM 1 y de la CCM 2 diseñadas y construidas por el
grupo investigador Álzate-Gaviria et al (2010) ............................................................................ 53
Figura 9. Celda de combustible microbiana de doble cámara tipo H .......................................... 56
Figura 10. Celda de combustible microbiana con cámaras acopladas .......................................... 58
Figura 11. Esquema básico de CCM de placa (A). Diseño con placas removibles (B) ................ 59
Figura 12. Esquema de celda de combustible microbiana cilíndrica de flujo ascendente ............ 60
Figura 13. Esquema de Celda de Combustible Microbiana (CCM) de flujo ascendente ............. 60
Figura 14 Celda de combustible microbiana de flujo ascendente (CCM-FA) con la cámara catódica
colocado dentro de la cámara del ánodo ....................................................................................... 62
Figura 15. Celda de combustible microbiana de cámara única. ................................................... 64
Figura 16. CCM de cátodo al aire y flujo ascendente, propuesta por You y otros (2008) ............ 65
Figura 17. Prototipo de CCM de una cámara diseñado, construido y evaluado por Triviño Cuellar
(2006) ............................................................................................................................................ 66
Figura 18. Prototipo de CCM propuesta por Capodaglio, y otros (2013) .................................... 67
Figura 19. Esquema del reactor biológico propuesto por Galindo Gómez (2005) ...................... 73
Figura 20. Prototipo de CCMs construidas por López Barrios (2010). ........................................ 75
Figura 21. Celda de Combustible Microbiana Vegetal (CCM-V) vista del anodo (A), vista del
catodo (B)...................................................................................................................................... 77
Figura 22. Diagrama esquemático de Celda de Combustible Microbiana-Humedal Artificial de
Flujo Ascendente ........................................................................................................................... 78
9
Figura 23: Celda de Combustible Microbiana acoplada con Membrana Liquida Soportada (CCM-
MLS) ............................................................................................................................................. 82
Figura 24. Esquema de transferencia de iones a través de: (A) CEM; (B) AEM; y (C) Membrana
bipolar. .......................................................................................................................................... 85
Figura 25. Imagen SEM de membrana de PVA-PDDA antes y después de la contaminación (A, B)
20 wt% PVA-PDDA y (C, D) 60 wt% PVA-PDDA, (E, F) membranas bioensuciadas de PVA-STA
CEM y Ralex AEM ....................................................................................................................... 94
Figura 26. Esquema de las CCMs empleadas por Fan, Hu, & Liu (2007): (A) sin J-Cloth, (B) con
J-Cloth, (C) con un solo CEA (montaje de electrodo de tela), y (D) con el doble CEAs ........... 101
Figura 27. Configuraciones experimentales evaluadas en el experimento de Zhang, Cheng, Wang,
Huang, & Logan (2009). ............................................................................................................. 102
Figura 28. CCM tubular con CCA: (A) configuración esquemática (B) fotografía de la CCM
tubular con CCA ......................................................................................................................... 104
Figura 29. Imagen mediante microscopia electrónica de barrido, del carbono con tamaño de poro
definido ........................................................................................................................................ 111
Figura 30. Imagen de Microscopia Electrónica de Barrido de ánodos de fieltro de carbono sin
tamaño definido (izquierda) y con tamaño de poro definido (derecha) .......................................112
Figura 31. Imagen SEM de fieltro de carbono después de 48 h de inoculación con E. coli....... 145
Figura 32. Imagen SEM de biopelícula adherida a ánodo de fibra de grafito, día 216 de operación.
Barra de 5µm .............................................................................................................................. 150
Figura 33. Transferencia de electrones directa: (A) Mediante citocromos tipo c. (B) A través de
nanowires .................................................................................................................................... 155
Figura 34. Modelo hipotético de pilus para Shewanella Oneidensis MR-1 ............................... 157
Figura 35. Imágenes de microscopía confocal de barrido láser de G. metallireducens. ............. 159
Figura 36. Mecanismo de transferencia de electrones en el K. pneumoniae L17 propuesto por
LiFang, FangBai, ShunGui, DeYin, & JinRen (2010). ............................................................... 162
Figura 37: Curvas de polarización ideales para celdas de combustible biológicas (A) y para los
electrodos de la celda (B) ............................................................................................................ 165
Figura 38. Voltagrama cíclico típico del ferrocianuro de potasio ............................................... 167
Figura 39. Diagrama de Nyquist (Figura superior) y Diagrama de Bode (Figura inferior) obtenidos
mediante la prueba de EIS .......................................................................................................... 169
10
Figura 40. Circuito Equivalente de una celda electroquímica .................................................... 170
Figura 41. Imágenes SEM de las biopelículas unidas a la superficie de los ánodos de papel de
carbón (A), ánodo compuesto de C-Au (B), y ánodo de oro descubierto (E) ............................. 174
Figura 42. (A) Cepa YZ-1. Fuente: Zuo, Xing, Regan, & Logan (2008). (B) Micrografías de las
nanofibras duales de TiO2-C/C ................................................................................................... 175
Figura 43. Imagen de epifluorescencia de las biopelículas formadas sobre dos ánodos diferentes
(A) tela de carbono (B) Acero inoxidable liso ............................................................................ 176
Figura 44. CCM de tubo en U para el aislamiento de exoelectrógenos ...................................... 179
Figura 45. Perfiles de DGGE del gen 16S rRNA (región V6-V8) obtenidos desde las biopelículas
de CCMs que emplearon distintos materiales anódicos ............................................................. 181
Figura 46. Árbol filogenético de la cepa YZ-1 ........................................................................... 183
11
Índice de Tablas
Tabla 1. Factores e indicadores de referencia para el análisis de documentos. ............................ 29
Tabla 2. Documentos encontrados durante la etapa de recolección de información secundaria. . 32
Tabla 3. Ejemplo de Ficha descriptiva. ......................................................................................... 35
Tabla 4. Ejemplo Ficha Sinóptica. ................................................................................................ 39
Tabla 5. Ejemplo de Ficha Bibliográfica. ..................................................................................... 41
Tabla 6. Ejemplo Ficha de Interpretación por Núcleo Temático. ................................................. 43
Tabla 7. Ficha de compresión Teórica Global. .............................................................................. 45
Tabla 8 Núcleos temáticos y sus temas relacionados. ................................................................... 49
Tabla 9. Clasificación y tipos de materiales separadores. ............................................................. 84
Tabla 10. Parámetros del desempeño electroquímico y de transferencia de masa para los
separadores de MFM, UFM-1K, UFM-5K, UFM-10K y PEM. Coeficientes de transferencia de
oxígeno (DO), coeficiente de transferencia de sustrato (DS). ...................................................... 100
Tabla 11. Parámetros de resistencia y capacitancia del ánodo en tres configuraciones de celdas de
combustible microbianas. ........................................................................................................... 135
Tabla 12. Potenciales de electrodos correspondientes a distintos pares redox. .......................... 160
12
Anexos
Anexo 1. Respuestas de Instituciones Educativas .......................................................................179
Anexo 2. Tabla materiales separadores evaluados en la literatura revisada ................................183
Anexo 3. Inventario de documentos consultados en idioma español ..........................................187
Anexo 4. Inventario de documentos consultados en idioma inglés .............................................187
Anexo 5. Fichas descriptivas, bibliográficas y sinópticas ...........................................................187
Anexo 6. Fichas de interpretación por núcleos temáticos ............................................................187
Anexo 7. Ficha de comprensión teórica global ............................................................................187
13
1. Introducción
Hasta ahora, el siglo XXI ha sido caracterizado por los cambios considerables en la forma en
que se entiende y usa la energía con respecto al inicio de la industrialización, la cual comenzó en
los países referidos como “desarrollados”. Hoy, la población de estos países comprende el 20% de
la población global y difícilmente crecerá más, mientras que en los países en desarrollo los índices
de crecimiento de la población son considerablemente más altos. La migración de personas a los
grandes centros urbanos conlleva a la aparición de megaciudades. Los desafíos de la construcción
de infraestructura que coincida con las necesidades globales de energía, movilidad, vivienda y
comida son enormes, y ninguno de estos desafíos puede ser satisfecho sin energía. Mientras que
los recursos energéticos globales son abundantes y pueden satisfacer la creciente demanda
energética en las décadas por venir, su distribución alrededor del mundo e implicaciones en los
mercados energéticos exige un uso más eficiente de los recursos y los sistemas energéticos (World
Energy Council, 2013).
En esa búsqueda de tecnologías más eficientes en la producción energética y que a su vez,
generen menores impactos, que los causados por los sistemas tradicionales, se ha considerado el
desarrollo de las celdas de combustible, recociéndose en general seis tipos: de Membrana de
intercambio protónico (PEMFC), Alcalina (AFC), de Metanol Directo (DMFC), de Ácido
Fosfórico (PAFC), de Carbonato fundido (MCFC) y de Óxido sólido (SOFC) (Rodríguez Varela,
Solorza Feria, & Hernández Pacheco, 2010). Sin embargo, en los últimos años, un tipo adicional
a las celdas convencionales ha atraído la atención de los investigadores en este campo, puesto que
emplea microorganismos provenientes de sustratos tales como residuos sólidos orgánicos o agua
residuales, como catalizadores de las reacciones internas de la celda, esta es la celda de
combustible microbiana (CCM) o Microbial Fuel Cell (MFC).
Dada la relevancia que ha tomado las CCMs como una alternativa energética, se buscó
recopilar parte de aquellas investigaciones científicas que se han desarrollado en torno a esta cuyos
resultados han sido publicado en bases de datos de libre acceso en forma de artículos científicos,
también se ha considerado enriquecedor para el documento propuesto, consultar aquellos trabajos
de grado consignados en repositorios institucionales de universidades colombianas o que hayan
14
sido enviadas vía correo electrónico por la Dirección de Bibliotecas de algunas universidades
colombianas, para construir así el estado de arte de las CCM referente a la generación de
bioenergía.
Para este fin, que partió de la búsqueda de información secundaria, se efectuó la
sistematización y clasificación de los documentos encontrados y se analizó e interpretó la
información sistematizada. Posteriormente, se elaboró este documento, que sintetiza los resultados
obtenidos a partir de la ejecución de la metodología propuesta, consignándose la formalización del
estado del arte, el cual abarca diversos aspectos tales como la arquitectura de las CCMs, las
condiciones de operación del sistema, el efecto de los diferentes sustratos, los microorganismos
empleados, los mecanismos de reacción que se llevan a cabo, las herramientas existente para el
estudio de estos parámetros y finalmente, las aplicaciones potenciales de la tecnología. Todo esto
a partir de la revisión de los avances a los que se ha llegado en los últimos años, reconociéndose
los alcances y limitaciones de los mismos, y determinando lo que falta por hacer para que ésta, por
medio de su producción a gran escala, genere un aporte significativo como alternativa a los
mecanismos de producción de energía altamente contaminantes.
Ya que este documento permite a los lectores identificar fácilmente el alcance actual de la
tecnología, su evolución a lo largo de la última década y los vacíos existentes en la misma, sobre
los cuales se pueden desarrollar futuras investigaciones, se considera que este constituye un
recurso que permitirá a los futuros investigadores en el tema, ahorrar esfuerzos al proporcionarles
una base teórica sólida y consolidada sobre la cual orientar sus estudios.
15
2. Planteamiento del problema
La necesidad del desarrollo de nuevas tecnologías para producción de energía radica en la
crisis energética, ya ampliamente documentada y que en palabras de la International Energy
Agency (2014), puede ser descrita de la siguiente manera:
Mundialmente, el aumento de la demanda de electricidad está adelantando al de todos los demás
vectores de energía final, lo que crea la posibilidad de transformar radicalmente tanto el suministro
como el uso final de la energía. Desde los años setenta, la proporción global de la electricidad en la
demanda total de energética ha subido del 9 % a más del 17 %. De forma general en todos los escenarios,
esta proporción alcanzará el 25 % en 2050 [...] La transición a la electrificación hará necesaria una
reversión masiva de las últimas tendencias, que han demostrado depender continuamente de los
combustibles fósiles sin CAC (Captura y Almacenamiento de Carbono) para generar energía.
La crisis energética actual constituye una situación bien documentada por organizaciones a
nivel nacional e internacional cuyo origen puede enfocarse en dos aspectos: el carácter finito y
agotable de las fuentes de energía fósil usadas comúnmente y los impactos que genera la
implementación y uso de los mismos en los ámbitos social, económico y ambiental.
Por lo anterior, la investigación y desarrollo de tecnologías para generación de energía se ha
constituido como una de las prioridades a nivel mundial y hasta la fecha, se ha logrado poner sobre
la mesa distintas alternativas dentro de las que se encuentran la aplicación de celdas de combustible
microbianas, que pueden considerarse como una tecnología con gran potencial, tanto para
generación de energía como para el tratamiento de aguas residuales. Las CCMs se destacan de
otros tipos de celdas, debido a que la principal fuente de energía son los electrones obtenidos en
las reacciones químicas llevadas a cabo por microorganismos exoelectrógenos, a partir de una gran
variedad de sustratos orgánicos a diferencia de otros tipos de otros tipos de celdas, lo cual reduce
sus costos de operación sin generar emisiones o subproductos en significativa cantidad y toxicidad.
Diversas investigaciones se han publicado al respecto y cada una de ellas constituye un avance
en el conocimiento de esta tecnología novedosa, no obstante, tales investigaciones se encuentran
dispersas en las bases de datos científicas, por lo que se dificulta determinar la fase de desarrollo
16
en que se encuentra esta tecnología y el tiempo estimado que requieren las investigaciones para
poder aplicarla a gran escala.
El establecimiento del estado del arte en la investigación actual de las celdas de combustible
microbianas pretende resolver estas incertidumbres ¿En qué fase de desarrollo se sitúa esta
tecnología? ¿Qué conocimiento se tiene sobre el funcionamiento de las celdas de combustible
microbianas y su comportamiento con respecto al cambio en las variables que intervienen? ¿Qué
hace falta conocer a nivel técnico para poder implementarlas a gran escala?
17
3. Justificación
El mundo experimenta numerosas problemáticas ambientales, dentro de las cuales se podrían
citar la contaminación atmosférica causada por el uso de combustibles fósiles en la generación de
energía, contaminación de fuentes hídricas y del suelo por descargas de aguas residuales, residuos
peligrosos, entre otros. Cada una de las anteriores problemáticas mencionadas y las demás por
mencionar, derivan en otras que trascienden del impacto local inicial, a otras problemáticas de
mayor escala y severidad. Por lo anterior, ya no basta tener un conjunto de soluciones por cada
impacto o problemática generado, sino que se demandan propuestas de tipo integral que permitan
controlar o eliminar más de una problemática y que de la misma forma procure no desencadenar
otras situaciones o fenómenos negativos.
La tecnología de generación de energía a partir de Celdas de Combustible Microbianas
(CCMs) como alternativa al uso de combustibles convencionales, tiene un gran potencial ya que
depende de actividad microbiana en función de un sustrato, obtenido mediante fuentes renovables
como la biomasa o de vertimientos con elevado contenido de materia orgánica. Las investigaciones
publicadas al respecto son muy recientes y cada una de estas genera un aporte al desarrollo de estas
tecnologías como materiales, microorganismos, sustratos con potencial para ser empleados, así
como su comportamiento en sistemas reales. Por lo tanto, es necesario condensar los diferentes
aportes mediante la formalización del estado del arte de las investigaciones en celdas de
combustible microbianas para generación de energía.
Jiménez Becerra (2004) afirma que
Cuando hablamos de estado del arte para el abordaje de un problema o un tema [...] estamos hablando
de la necesidad hermenéutica de remitirnos a textos que a su vez son expresiones de desarrollos
investigativos, dados desde diversas percepciones de las ciencias y escuelas de pensamiento, [...] tarea
aprendida y cuyo objetivo final es el conocimiento y la aprobación de la realidad para disertarla y
problematizarla (pág. 52).
Por lo tanto, es necesaria una sistematización y valoración de la información generada por las
investigaciones actuales, así como un análisis profundo de su contenido y fuente que permita
18
conocer el alcance efectivo de esta tecnología emergente y problematizar, para las siguientes
investigaciones, los aspectos faltantes en el conocimiento actual y las formas en que estos
conocimientos se han venido generando hasta ahora, mediante el establecimiento del estado del
arte en celdas de combustible microbianas en la generación de energía, que permita identificar
claramente los interrogantes clave a resolver y que facilite la constitución de una propuesta de
direccionamiento para las futuras investigaciones sobre esta tecnología.
19
4. Objetivos
4.1 Objetivo general
Establecer el estado del arte de los avances científicos en celdas de combustible microbianas
para producción de bioenergía.
4.2 Objetivos específicos
1. Realizar la búsqueda de información secundaria en bases de datos de libre acceso, y
mediante la solicitud por escrito en algunas universidades colombianas para acceder a
trabajos de grado, referentes a las celdas de combustible microbianas.
2. Efectuar la sistematización y clasificación de la información encontrada relacionadas con
celdas de combustible microbianas, mediante la generación de un inventario de
documentos consultados y la definición de los núcleos temáticos que orientaran los
análisis posteriores.
3. Sintetizar la información contenida en los documentos obtenidos, mediante el uso de
fichas de consulta, en aras de facilitar el análisis de la misma en sus aspectos más
relevantes.
4. Analizar e interpretar la información sistematizada y sintetizada dentro de las fichas de
consulta, para plantear y redactar el estado del arte en celdas de combustible microbiana
en la generación de energía.
20
5. Marco de referencia
5.1 Celdas de combustible
En el siglo XX, durante la década de los 60´s, las celdas de combustible fueron conocidas
como dispositivos para la obtención de electricidad, a raíz de la demanda de un sistema energético
eficiente para la industria espacial; sin embargo, su principio fundamental ya había sido reconocido
por William Grove, quien en 1839 realizó algunos ensayos que demostraban la posibilidad de
generar electricidad mediante la reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno (Livano
García, 2012).
Grimes (2000) afirma que posterior al descubrimiento de Grove, desde 1839 hasta 1950,
diversos científicos sentaron las bases para las nuevas investigaciones en celdas de combustible.
Las principales contribuciones identificadas señalan a Antonio Becquerel quien diseño un tipo de
batería usando una mezcla de nitrato de potasio y platino, Ludwing Mong y Carl Langer produjeron
una batería alimentada con gas y la denominaron celda de combustible, el Dr. William W. Jacques
implementó carbón como electrodo en celdas de combustible, W. Nerst introdujo el concepto de
las reacciones REDOX en las celdas de combustible y Francois Bacon quien implementó sistemas
alcalinos como catalizadores en celdas de combustible. Estos avances y muchos otros, permitieron
que las aplicaciones de las celdas de combustible se extiendan desde el transporte, usos militares,
almacenamiento y portabilidad de energía, hasta tratamiento de aguas residuales y demás.
Las celdas de combustible, al ser consideradas aún como una tecnología emergente, han
sorprendido entre las tecnologías energéticas alternativas por sus fuertes ventajas, aunque también
es de reconocer que presentan importantes desventajas, que están en proceso de ser superadas (Xu,
y otros, 2012; Antonili, 2015; Leong, Wan Daud, Ghasemi, Liew, & Ismail, 2013).
Por un lado, respecto a los tradicionales motores de combustión —que bien podrían ser
considerados a su vez, como generadores de electricidad— en donde la energía no se obtiene de
manera directa, sino que es el resultado de una serie de transformaciones por las que pasa el
combustible hasta que se convierte en electricidad; por el contrario, las celdas de combustible
21
“transforman directamente en electricidad la energía contenida en un combustible, mediante un
proceso isotermo que aprovecha la entalpía libre interna del combustible a temperatura de
operación” (Mayandía, 2009).
Otra gran ventaja de las celdas de combustible radica en su alta eficiencia durante la
conversión energética que puede ser hasta del 95%, a diferencia de los motores de combustión
donde la misma es de tan solo el 25%, ya que gran parte de la energía de estos se disipa en ruidos,
vibraciones, calor y humo (Mosquera & Merino, 2006).
Un aspecto importante de las celdas de combustible, es que en la mayoría de los casos estas
no generan emisión de carbono a la atmósfera —a excepción de las celdas de combustible
fotosintéticas—. Los productos obtenidos en su implementación son agua, calor y electricidad,
mediante la Figura 1, Rozo & Tibaquíra, (2007) esquematizan las entradas y salidas en general de
una celda de combustible. En esta se expone como este dispositivo electroquímico convierte
internamente la energía química producida en la reacción entre el hidrógeno (𝐻2) y el oxígeno
(𝑂2), en electricidad y calor; la reacción también produce agua (𝐻2𝑂).
Figura 1. Esquema de funcionamiento de una celda de combustible.
Fuente: Rozo & Tibaquíra (2007).
Las celdas de combustible pueden disponerse como módulos interconectados, lo que
representa una gran ventaja para alcanzar diferentes escalas de potencia eléctrica. Una de las
razones por las que las celdas de combustible también son llamadas “pilas de combustible”, es
debido a que estas se apilan y se conectan en serie o en paralelo para suministrar el voltaje y la
potencia que se busca; además, al no tener partes móviles, se estima que el nivel de ruido a 30 m
de una celda de combustible de tamaño medio es únicamente de 55 decibelios, por lo cual es muy
factible de usarse en áreas urbanas sin problemas de ruido (Livano García, 2012).
22
En contraste, la principal desventaja que poseen las celdas de combustible respecto a los
motores de combustión convencionales, radica en que esta es aún una tecnología en estudio y
experimentación, por lo cual, hoy en día presenta problemas relacionados con su funcionamiento,
como lo son el excesivo peso de las celdas de combustible para los prototipos actuales y el elevado
gasto energético para licuar el hidrógeno; también es muy costosa la construcción de los sistemas
de almacenamiento y suministro de energía de las celdas. Lo anterior, ha causado que esta
tecnología no se halla reproducido a gran escala para su comercialización y a su vez, que esta no
haya logrado competir significativamente con los mecanismos energéticas tradicionales (Livano
García, 2012).
El funcionamiento básico de una celda de combustible que permite generar las ventajas
anteriormente mencionadas, radica en que está compuesta por dos electrodos: un ánodo, que
proporciona los electrones al circuito externo y un cátodo, que absorbe electrones del circuito
externo, separados por un electrolito que facilita la transferencia de iones.
Para describir el funcionamiento de las celdas de combustible, puede tomarse como referencia
las celdas de hidrógeno, en las cuales ocurren las siguientes reacciones químicas:
Reacción anódica: H2 → 2H+ + 2e− (1)
Reacción catódica: 1
2O2 + 2e− + 2H+ → H2O (2)
Reacción global: H2 + 1
2O2 → H2O (3)
Entre los electrones circulantes se genera corriente eléctrica, cuyo flujo no se da en función
del tiempo sino del continuo suministro de los reactivos. En la figura 2, de Rozo & Tibaquíra
(2007), se ilustra una celda de combustible básica la cual está constituida por una cámara anódica
y catódica, dentro de las cuales se encuentran los electrodos —ánodo y cátodo respectivamente—
separados por un electrolito que permite el paso desde el ánodo hasta el cátodo, de los protones
liberados a partir del hidrógeno molecular inyectado durante la reacción (1); durante la reacción
(1) se liberan electrones, que fluyen entre los electrodos a través de uno o varios materiales
23
conductores generando corriente eléctrica, la cual es regulada por una resistencia externa. En la
cámara catódica se suministra el comburente —que es en este caso el oxígeno molecular—, el cual
se reduce al tomar los electrones transmitidos a través del circuito externo (conductores y
resistencia), que su vez, en presencia de los iones hidrógeno que pasan a través del electrolito
reaccionan para formar agua, como lo indica la reacción (2).
Figura 2. Principio de operación de una celda de combustible de hidrógeno.
Fuente: Rozo & Tibaquíra (2007).
Para estos sistemas, cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición, puede ser
empleado en el funcionamiento de la celda, ejemplo de estos son el gas natural, carbón gasificado,
gasóleo o metanol. La superficie de los electrodos y la separación entre ellos, la estructura íntima
de los electrones, el electrolito empleado, las dimensiones geométricas, las condiciones
termodinámicas de operación y las características de los reactantes, son factores que influyen en
el voltaje de la celda y en la energía que esta produce (Livano García, 2012).
Los avances científicos en celdas de combustible han permitido generar distintos tipos de estas,
distinguidas por el electrolito que emplean para su operación, algunas de estas se nombran a
continuación:
Celdas alcalinas (AFC).
24
Celdas de membrana polimétrica (PEM).
Celdas de ácido fosfórico (PAFC).
Celdas de carbonato fundido (MCFC).
Celdas de óxido sólido (SOFC).
Celdas de combustible microbiana (CCM).
5.2 Celdas de combustible microbianas
Una Celda de combustible microbiana (CCM) o microbial fuel cell (MFC), es una celda de
combustible de funcionamiento bio-electroquímico, ya que convierte la energía química
almacenada en los enlaces químicos de la materia orgánica e inorgánica a electricidad, mediante
reacciones catalíticas de microorganismos bajo condiciones anóxicas (Rodríguez Varela, Solorza
Feria, & Hernández Pacheco, 2010).
Generalmente, una CCM está conformada por una cámara anódica y una cámara catódica,
separadas por una película o membrana sintética que contiene grupos funcionales ionizables, es
decir, una membrana de intercambio protónico. Los microorganismos en el ánodo oxidan la
materia orgánica generando protones (𝐻+) y electrones (𝑒−).
El esquema del funcionamiento general de una
CCM se ilustra en la Figura 3. En una CCM, los
microorganismos transfieren los electrones hacia un
ánodo, luego los electrones pasan a través de una
resistencia u otra carga hacia un cátodo, por lo que los
electrones generados en la reacción serán aprovechados
para ser convertidos directamente en energía eléctrica.
Finalmente, los protones migran hacia el cátodo en
aerobiósis donde se combinan con el oxígeno y se
forma agua (Buitrón & Pérez, 2011).
Una reacción típica con glucosa como sustrato es:
Figura 3. Celda de Combustible
Microbiana.
Fuente: Du, Li, & Gu (2007).
25
Ánodo: C6H12O6 + 6H2Omicroorganismos
→ 6CO2 + 24H+ + 24e−
Cátodo: 6O2 + 24H+ + 24e− → 12H2O
Las aplicaciones de este tipo de celdas de combustible, se han dado de modo experimental
principalmente en el tratamiento de aguas residuales municipales, cuya materia orgánica es
aprovechable por microorganismos electrogénicos, que son capaces de transferir los electrones al
ánodo en ausencia de mediadores redox artificiales (Lovley, 2006).
Esta variedad de microorganismos agrupa a aquellos que tienen la habilidad de transferir
electrones extracelularmente. Otros nombres que han recibido estos mismos microorganismos han
sido los de bacterias electroquímicamente activas, bacterias con respiración anódica y electrógenas
(Logan, 2009).
Se han identificado una gran variedad de géneros bacterianos asociados a las celdas de
combustible microbiana, los cuales dependen de la naturaleza del inóculo, del combustible y del
tipo de la CCM (Logan & Regan, 2006). Magallón, Gonzáles-Gutiérrez, & Alanís N (2012),
determinaron que algunas de estas bacterias activas electroquímicamente (BAE) pertenecen a los
géneros Shewanella, Geobacter y algunas especies de Pseudomonas.
La aplicación fundamental de las CCM es la generación de bioelectricidad, empleándose en
su producción compuestos orgánicos fermentables y no fermentables como glucosa, acetatos y
ácidos orgánicos, entre otros. También se ha empleado albúmina de suero bovino y peptona, e
inclusive sustratos más complejos como agua residual municipal, industrial y extractos de sólidos
gastados provenientes de la fermentación anaerobia hidrogenogénica de residuos orgánicos
urbanos (Rodríguez Varela, Solorza Feria, & Hernández Pacheco, 2010).
Las CCMs han demostrado contribuir al tratamiento de aguas residuales, esto debido a que las
bacterias empleadas obtienen la energía transfiriendo electrones desde un donador de electrones
como el agua residual (materia orgánica), hacia un aceptor como el oxígeno; cuanto mayor sea la
diferencia de potencial entre el donador y el aceptor, mayor será la ganancia energética para la
26
bacteria, mayor será su tasa de reproducción y por lo tanto, aumentará la eliminación de la materia
orgánica (Buitrón & Pérez, 2011). De igual forma también se ha demostrado su capacidad de
remoción no solo de materia orgánica, sino de compuestos tóxicos recalcitrantes e incluso metales
pesados.
Las CCMs también pueden ser empleadas como sensores para el análisis de contaminantes, el
seguimiento y control “in situ” de procesos (Rodríguez Varela, Solorza Feria, & Hernández
Pacheco, 2010), donde la capacidad de generación de energía de la celda permite el funcionamiento
continuo y autónomo de estos dispositivos.
27
6. Metodología
Dado que la tecnología de generación de bioelectricidad a partir de celdas de combustible
microbianas se encuentra aún en etapa de desarrollo y experimentación, el documento se clasifica
como una monografía de tipo exploratoria. Mediante recopilación, organización, compresión y
análisis de diversos artículos científicos y trabajos de grado universitarios, se logró construir una
aproximación al estado de arte actual de las celdas de combustible microbianas, en lo que a
generación de bioenergía corresponde. A continuación, se presenta un flujograma que esquematiza
la metodología y los resultados obtenidos con esta (Ver Figura 4), posteriormente se especifica los
pasos metodológicos efectuados.
Figura 4. Flujograma de la metodología empleada en la construcción del estado de arte. De izquierda a derecha,
insumos empleados, pasos metodológicos y resultados. Fuente: Autoras (2016).
28
6.1 Recolección de información secundaria.
Se realizó la búsqueda de artículos publicados en revistas científicas disponibles en bases de
datos de libre acceso tanto en español como en inglés, relacionados directamente con las celdas de
combustible microbianas para generación de energía.
También se solicitó a 31 universidades colombianas con programas en ciencias básicas e
ingeniería y que cuentan con un Índice de Impacto Normalizado mayor a 0.4, las memorias
electrónicas de los trabajos de grado de sus egresados en programas de pregrado o posgrado, que
contribuyeran a la investigación de las Celdas de Combustible Microbianas. Para este fin, se radicó
una carta dirigida a la universidad, firmada por el docente coordinador del Proyecto Curricular de
Ingeniería Ambiental y el docente director del presente trabajo y posteriormente, se envió la
solicitud a las universidades respectivas vía correo electrónico. Se consideró un tiempo de espera
dos semanas para las respuestas de estas instituciones, después del cual, solo se obtuvo respuesta
de 12 universidades; la mayoría de estas, indicaron dirigirse vía internet al repositorio de la
universidad o al catálogo público de la universidad y hacer personalmente la búsqueda, lo cual
sugirió que procediendo de esta misma forma en los casos de las universidades que no remitieron
respuesta, podría conllevar a encontrar algún documento útil para la construcción del estado del
arte. El Anexo 1, presenta el listado de las universidades a las cuales se envió la solicitud, la
respuesta otorgada y el resultado de la búsqueda en los repositorios o al catálogo público de dichas
universidades.
6.2 Sistematización y clasificación de la información secundaria.
En total se recopilaron 26 documentos en español y 89 en inglés, con los cuales, inicialmente
se realizó un registro en una tabla elaborada en el programa Excel que contuvo la siguiente
información básica de las publicaciones:
Código asignado para identificar el
archivo.
Título original.
Título en español (para publicaciones
en inglés).
Digital Object Identifier (DOI).
Autor(es).
29
Núcleo Temático.
Palabras Clave.
Institución a la que se vinculan los
investigadores.
Ubicación.
Nombre de la revista/editorial.
Volumen/Número de la revista.
Páginas.
Año de publicación.
Observaciones.
La lectura de los documentos se realizó en orden cronológico de publicación, de forma
simultánea y para facilitar la cantidad de información disponible, se generó un archivo de Excel
en donde se da la clasificación de los documentos considerados de acuerdo al núcleo temático al
que fueron asignados. De igual manera, se realizó una evaluación periódica del contenido
disponible para la evaluación de los núcleos temáticos identificados, posteriormente se realizó la
selección de los artículos, considerando solo aquellos documentos que generan más aportes al
núcleo temático o que aporten información para la creación de uno nuevo, generando el análisis
condensado en las fichas descritas a continuación.
6.3 Síntesis de la información contenida en los documentos obtenidos.
Se realizó el diseño de los formatos de las fichas: descriptiva, sinóptica, bibliográfica, de
interpretación por núcleo temático y de construcción teórica global (ver anexos 5, 6 y 7) de acuerdo
a la metodología propuesta por Hoyos Botero (2000), la cual establece el contenido básico para
las fichas, mostrado en la Tabla 1.
Tabla 1. Factores e indicadores de referencia para el análisis de documentos.
ASPECTOS A SEÑALAR APARTADOS
1.- Aspectos formales.
(Características del autor y del documento)
1.1.- Autor.
1.2.- Título del documento.
1.3.- Tipo de material.
2.- Asunto investigado.
(Objeto, fenómeno o proceso en estudio)
2.1.- Tema Central.
2.2.- Núcleo Temático.
2.3.- Problema.
30
ASPECTOS A SEÑALAR APARTADOS
3.- Delimitación contextual.
(Parámetros relacionados con el contexto de la investigación)
3.1.-Delimitación Espacial.
3.2.-Delimitación Temporal.
3.3.- “Sujetos” Investigados.
4.- Propósito.
(Fin buscado por el autor con los resultados de su
investigación)
4.1.- Objetivo General.
4.2.- Objetivos Específicos.
5.- Enfoque.
(Referente disciplinar y conceptual desde el cual se analiza el
objeto de estudio)
5.1.- Disciplina.
5.2.- Referentes teóricos.
5.3.- Conceptos principales.
5.4.- Hipótesis.
5.5.- Tesis.
5.6.- Tipo de Investigación.
6.- Procedimiento.
(Conjunto de procedimientos y estrategias utilizadas para la
formulación, el diseño y la ejecución del proceso de
investigación)
6.1.- Tipo de Metodología
6.2.- Técnicas
7.- Análisis de datos obtenidos.
(Los señalados por el autor en el documento como producto de
su investigación)
7.1.- Conclusiones.
7.2.- Recomendaciones.
8.- Observaciones.
(Las que hace quien efectuó el análisis del documento)
8.1.- Anexos
8.2.- Glosas
8.3.- Comentarios
Fuente: Hoyos Botero (2000).
Luego se procedió a la lectura analítica de cada uno de los documentos inventariados para lo
cual se dispondrá a su vez de textos básicos y avanzados de fisicoquímica, electroquímica,
electricidad, microbiología y demás que se consideren necesarios para facilitar el entendimiento
de las unidades de análisis. Simultáneamente se llevó a cabo el diligenciamiento de las fichas de
consulta mencionadas previamente, que de acuerdo a la metodología de Hoyos Botero (2000),
permitió la generación ordenada de:
31
a. La síntesis de los datos básicos de las publicaciones consultadas, generación de información
condesada de cada unidad de análisis —entiéndase unidad de análisis como el documento
individual consultado—.
b. Definición de los núcleos temáticos encontrados en las unidades de análisis mediante la
identificación del tema central del documento y los subtemas abarcados por los autores.
c. Planteamiento del análisis de las unidades agrupadas en los grupos temáticos establecidos.
d. El análisis del conjunto de los núcleos temáticos.
32
7. Resultados
7.1 Obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados.
La búsqueda de información secundaria se realizó mediante el ingreso de las palabras clave en
las bases de datos proporcionadas por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y otras
bases de datos de libre acceso. La cantidad de artículos obtenidos en cada una de ellas se muestra
en la Tabla 2 a continuación:
Tabla 2. Documentos encontrados durante la etapa de recolección de información secundaria.
Base de datos consultada Revistas/Publicaciones
# total de
artículos
encontrados
Base de datos Dovepress Reports in Electrochemistry (1) 1
Directory of Open Access Journal (DOAJ) Makara Seri Tecknologi (1) 1
Base de datos del Institute of Electrical and
Electronics Enigeering (IEEE)
Power Energy and Engineering Conference
(1) 2 Third International Conference on Measuring
Technology and mechatronics Automation (1)
Base de datos Scientific Research Advances in Bioscience and Biotechnology
(1) 1
Base de datos revista Energies Energies (2) 2
Open Academic Journal Index Iranica Journal of Energy & Environment (1) 1
Wiley Library Electroanalysis (1)
2 Biofuels and Environmental Biotechnology
(1) Springer Link
Biotechnology for Biofuels (1) 2
Bioprocess and Biosynthesis Engineering (1)
EMBASE
BMC Microbiology (3)
13
Environmental Science & Technology (4)
Journal of Applied Sciences (1)
American Journal of Biochemistry and
Biotechnology (2)
Chemical Society Reviews (1)
The Scientific World Journal (2)
Base de datos del Journal of Biochemical
Technology Journal of Biochemical Technology (2) 2
Base de Datos de Red de Revistas
Científicas de América Latina y el Caribe,
España y Portugal.
Tip Revista Especializada en Ciencias
Químico-Biológicas (1) 2
Revista Química Viva (1)
Repositorio Electrónico del Instituto
Politécnico Nacional (México)
Trabajo de Grado Maestría en Ciencias en
Bioprocesos 1
Repositorio Institucional de la Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo
Tesis de Grado de Ingeniería en Biotecnología
Ambiental. 2
33
Base de datos consultada Revistas/Publicaciones
# total de
artículos
encontrados
SciELO
Revista Interciencia (3)
5 Información Tecnológica (1)
Revista Mexicana de Ingeniería Química (1)
Repositorio Académico Digital Universidad
Nuevo León
Trabajo de Grado de Doctorado en Ciencias
con orientación en Química de Materiales. 1
Archivo de publicaciones de " The fourth
international symposium on environmental
biotechnology and engineering” Mexico-
2014.
Enviromental Biotechnology and Engineering 2
Publicaciones Sociedad Mexicana de
Biotecnología y Bioingeniería, A.C. BioTecnología 1
Dialnet
Jornadas de introducción a la investigación de
la UPCT (3) 4
Anuario de Jóvenes Investigadores (1)
ResearchGate
Microbes and Environments (1)
15
Environmental Science and Technology (4)
Bioresource Tecnology (1)
Energy & Fuels (2)
ChemSusChem (1)
International Journal of Hydrogen Energy (1)
Energy & Environmental Science (1)
Journal of Power Sources (1)
Applied and Environmental Microbiology (1)
Physical Chemistry Chemical Physics (1)
Applied Microbiology and Biotechnology (1)
Science Direct
Biosensors and Bioelectronics (1)
44
Applied Energy (1)
International Journal of Hydrogen Energy (5)
Journal of Power Sources (2)
Bioresource Technology (12)
Renewable and Sustainable Energy Reviews
(1) Process Biochemistry (2)
Biochemical Engineering Journal (1)
Biotechnology Advances (1)
Biosensors and Bioelectronics (8)
Arabian Journal of Chemestry (1)
Water Research (4)
Biochemical Engineering Journal (1)
Chemical Engineering Journal (1)
Chinese Science Bulletin (1)
Electrochemistry Communications (2)
34
Base de datos consultada Revistas/Publicaciones
# total de
artículos
encontrados
NCBI databases Applied and environmental microbiology 1
Repositorio de La Universidad de Toulouse
- OATA Energy y Environmental Science 1
Fuente: Autoras (2016).
De forma paralela se realizó la búsqueda y solicitud de información a 31 universidades
colombianas, las respuestas obtenidas vía correo electrónico y los documentos obtenidos de la
búsqueda en repositorios institucionales se condensa en el Anexo 1.
7.2 Generación del inventario de los documentos consultados y definición de núcleos
temáticos.
La tabla con los documentos obtenidos y los ítems especificados en la metodología pueden ser
consultados en los Anexo 3 y 4. Los núcleos temáticos fueron definidos luego de una revisión
general de los temas principales de la literatura consultada, estos fueron:
Estructura.
Condiciones de Operación.
Desempeño del sustrato.
Microorganismos exoelectrógenos.
Mecanismos de Reacción.
Herramientas y metodologías de estudio.
7.3 Construcción de fichas de consulta.
Para cada uno de los documentos analizados, se generaron las correspondientes fichas
descriptivas, sinópticas y bibliográficas. Cada una de ellas puede ser consultada en el Anexo 5.
Las fichas de análisis del conjunto de documentos de Interpretación por Núcleo Temático y
Construcción Teórica Global, pueden consultarse en el Anexo 6 y 7 respectivamente. A
continuación, se da una muestra del formato diligenciado de las fichas de consulta:
Tabla 3. Ejemplo de Ficha descriptiva.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA FICHA No 008-I-D
Título Original Continuous Electricity Generation at High Voltages and Currents Using Stacked Microbial Fuel Cells
Título Generación continua de energía a altos voltajes y corrientes usando celdas de combustible microbianas apiladas.
Autor(es) Aelterman, Peter; Rabaey, Korneel; Pham, The Hai; Boon, Nico; Verstraete, Willy.
1. Aspectos Formales
1.1 Tipo de Autor Colectivo X Individual Institucional
1.2 Tipo de
documento Artículo X Trabajo de Grado
2. Asunto Investigado
2.1 Tema Central Desempeño de conjuntos de Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) conectadas en serie, en paralelo o de forma individual e
influencia de las microbianas en el desempeño del sistema.
2.2 Núcleos
Temáticos
Estructura.
Herramientas y metodologías de estudio.
Microorganismos.
2.3 Problemas
¿Cuál es el efecto que genera el desarrollo de la comunidad microbiana en un conjunto de Celdas de Combustible Microbianas
(CCMs) conectadas en serie o en paralelo?
¿Cuál es el desempeño que puede esperarse de las CCMs al ser conectadas en serie o en paralelo con respecto al desempeño
individual de dichas celdas?
3. Delimitación Contextual
3.1 Espacial El colectivo investigador no establece una delimitación espacial
3.2 Temporal El colectivo investigador define el tiempo de operación del sistema en 204 días.
3.3 Sujetos
Investigados
Biopelícula del ánodo.
Celdas de Combustible Microbianas individuales y apiladas.
36
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA (continuación) FICHA No 008-I-D
4. Propósito
4.1 Objetivo General 4.2 Objetivos Específicos
Evaluar de forma comparativa, el desempeño de un
conjunto de seis celdas de combustible microbianas
conectadas en serie y en paralelo con respecto al
desempeño individual de las celdas, y la influencia de las
comunidades microbianas en él.
Construcción de un conjunto de seis celdas de combustible microbianas para su operación en
flujo continuo.
Evaluación del desempeño de las celdas para la producción de energía de forma individual,
con conexión en serie y en paralelo.
Identificación de los grupos de microorganismos dominantes en el ánodo y su influencia en la
resistencia interna del sistema y la generación de energía. Explícito Implícito X
5. Enfoque
5.1 Disciplina*
“En esta investigación, una CCM apilada consistente en seis CCMs idénticas fue usado para […] monitorear la evolución entre la
comunidad microbiana y las características electroquímicas de las CCMs individuales.” BIOLOGÍA: Microbiología.
“Extraordinariamente, los voltajes de algunas CCMs en la pila incluso invirtieron la polaridad. Este fenómeno es llamado inversión
de la celda y también aplica a la membrana de intercambio de protones de las celdas de combustible.” QUÍMICA: Química
Analítica.
“Para incrementar el voltaje o la corriente global de la pila, seis CCMs individuales (llamadas CCM1 a CCM6) fueron
respectivamente conectados en serie o en paralelo.” FÍSICA: Electrónica.
5.2 Referentes
Teóricos*
AUTORES DE REFERENCIA INFLUENCIA EN LA INVESTIGACIÓN
Madigan, M.T.; Martinko, J.M.; Parker, J. (2000)
“Los voltajes de las CCM permanecerán limitados; incluso dejando de
lado las perdidas internas, el voltaje nunca excederá el voltaje a circuito
abierto (OCV) teórico de 1.14 V como es determinado por los
potenciales redox de NADH (-0.32 V) y el oxígeno puro (+0.82 V).”
Moon, H.; Chang, I.S.; Jang, J.K.; Kim, B.H. (2005)
Liu, H.; Cheng, S.A.; Logan, B.E. (2005)
“Sin embargo, la producción de electricidad en una CCM, en un proceso
microbiano y obediente a las condiciones externas.”
Taniguchi, A.; Akita, T.; Yasuda, K.; Miyazaki, Y. (2004)
“[…] un inadecuado suministro de combustible es la principal causa de
la inversión de la celda y puede ocurrir durante un cambio súbito de la
demanda de combustible tales como durante la puesta en marcha o un
cambio de la carga.”
Larminie, J.; Dicks, A. (2000)
Hoogers,G. (2003)
“La altura de la curva de polarización está relacionada con el desempeño
global de la CCM mientras que la forma está relacionada con la
presencia de las diferentes polarizaciones o perdidas.”
37
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA (Continuación) FICHA No 008-I-D
5.3 Conceptos
Principales
Las potencias máximas de salida fueron inafectadas por la conexión en serie o en paralelo, a pesar de que las CCMs individuales
pudieron producir una potencia de salida promedio más alta.
Las diferencias evidenciadas en la Eficiencia Coulómbica en la conexión en serie y en paralelo (12.4% y 77.8% respectivamente)
fue debida a que la corriente generada por las primeras fue 6 veces menor a la generada en paralelo.
Las CCMs conectadas en serie o en paralelo trabajaron, respectivamente a una corriente y voltaje determinado por el rendimiento de
las CCMs individuales. Por lo anterior, las CCMs en pilas no entregaran densidades de potencia más altas que las CCMs individuales.
Las CCMs apiladas en serie pueden sufrir fenómenos de inversión de la celda, debidas por un lado a un inadecuado suministro de
combustible y por otro lado, puede deberse también a la limitada actividad catalítica del consorcio microbiano.
La máxima producción de corriente es determinada por las propiedades catalíticas del consorcio microbiano el cual influencia ambos,
la tasa y la eficiencia de la conversión del sustrato a corriente eléctrica.
Las comunidades microbianas de las CCMs, cambiaron de una mezcla diversa de población a un solo consorcio muy similar
dominado por una cantidad limitada de especies.
Las comunidades dominantes identificadas pertenecen al filum de proteobacterias, que han sido identificadas también en estudios
previos, en los periodos de mayor generación de energía se identificaron Brevibacillus agri.
La disminución de la resistencia interna en los sistemas estudiados no fueron dependientes de la concentración del sustrato, sino de
cambios en la comunidad microbiana del sistema.
5.4 Hipótesis
Las unidades de CCMs en serie o en paralelo no trabajan de forma independiente y pueden ser influenciados por la generación de
electricidad de otras celdas.
Dado que la biopelìcula es parte del electrolito, alteraciones en la composición o estructura de la misma puede influenciar las
características electroquímicas y perdidas de las celdas de combustible microbianas
5.5 Tesis
Las densidades de potencia en un sistema de CCM apiladas en serie o en paralelo no serán mayor en ningún caso al obtenido a partir de
las celdas individuales. Por otro lado, la conexión en serie podría dar lugar al fenómeno de inversión de la celda generado por el inadecuado
suministro del sustrato e incluso, debido a las propiedades catalíticas del consorcio microbiano; los microorganismos encontrados en el
primer periodo pueden ser más diversos y con el tiempo y la aclimatación, estos consorcios se vuelven homogéneos en su composición lo
cual genera influencia en la resistencia interna del sistema.
38
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DESCRIPTIVA (Continuación) FICHA No 008-I-D
5.6 Tipo de
Investigación Exploratoria Descriptiva X Explicativa Correlacional
6. Procedimiento
6.1 Tipo de
Metodología Cualitativa Cuantitativo X Mixto
6.2 Técnicas
TÉCNICA INTENCIÓN
Perplex de fabricación de CCM.
Membrana de intercambio de protones Ultrex.
Gránulos y barras de grafito como electrones.
Operación a 22 ± 3°C
Solución de acetato suministrada con bomba peristáltica a 7-21.1 mLh-1 con TRH 8.86-2.86 h.
Catolíto con solución de ferrocianuro de potasio K3Fe(CN)6 50 mM, ajustado a pH 7.
Inoculación con lodos anaerobios y aerobios.
Procedimiento de puesta en marcha con aguas residuales durante 132 días:
domesticas, efluentes de digestor anaeróbico y de fábrica de procesamiento de
papas. Disposición de tiempos de operación: Tiempo 1 de 132 a 167, Tiempo 2 a día 175, Tiempo 3 del
día 200 al 204.
Construcción de las celdas de
combustible microbianas y
establecimiento de condiciones
de operación.
Conexión de las 6 CCM en serie y en paralelo.
Resistencia externa de 1.5Ω a 6000Ω
Determinación de eficiencia coulómbica
Evaluación de generación de
energía por parte del sistema.
Método de corriente interrumpida.
Electrodo de referencia Ag/AgCl.
Generación de curvas de polarización a partir de mediciones cada 30 minutos.
Potenciostato Bi-Stat
Determinación de la resistencia
interna de las celdas y voltaje de
los electrodos
Extracción de ADN.
Análisis del gen 16S rRNA
Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante (DGGE).
Análisis microbianos.
39
Tabla 4. Ejemplo Ficha Sinóptica.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA SINÓPTICA FICHA No 008-I-S
Título Original Continuous Electricity Generation at High Voltages and Currents Using Stacked Microbial Fuel Cells
Título Generación continua de energía a altos voltajes y corrientes usando celdas de combustible microbianas apiladas.
Autor(es) Aelterman, Peter; Rabaey, Korneel; Pham, The Hai; Boon, Nico; Verstraete, Willy
5. Enfoques
Síntesis Palabras Claves
El documento se enmarca dentro de las disciplinas de la biología, física y química, principalmente en las ramas respectivas de
la microbiología, electrónica y química analítica. El tipo de investigación del presente estudio es de tipo descriptivo, dado que
permite la evaluación de las distintas variables microbiológicas y electroquímicas obtenidas en el sistema. Los referentes
teóricos adoptados por el estudio analizado, enfocan sus aportes en los fundamentos teóricos que soportan sus análisis y
metodologías realizadas. Como resultado, los conceptos principales entendidos como análisis e ideas generados en el
documento, establecen algunos principios relacionados con la operación de pilas de celdas de combustible microbianas, la
generación de energía eléctrica medida como voltajes, corrientes, potencias, entre otras variables; la influencia de la microbiota
del ánodo en la producción de energía.
El colectivo investigador detalla suposiciones previas a la investigación, enfocados principalmente en el hecho de que las CCM
en sistemas de varias CCM no trabajan de forma independiente de la energía producida por las demás; la operación de las CCM
de la biopelícula ya que esta es parte del electrolito y su composición afecta las características electroquímicas y pérdidas del
sistema apilado. Finalmente, el grupo investigador afirma con base en sus análisis y resultados, que las densidades de potencia
en un sistema de CCM apiladas en serie o en paralelo no serán mayor en ningún caso al obtenido a partir de las celdas
individuales. Por otro lado, la conexión en serie podría dar lugar al fenómeno de inversión de la celda generado por el
inadecuado suministro del sustrato e incluso, debido a las propiedades catalíticas del consorcio microbiano; los
microorganismos encontrados en el primer periodo pueden ser más diversos y con el tiempo y la aclimatación, estos consorcios
se vuelven homogéneos en su composición lo cual genera influencia en la resistencia interna del sistema.
Química Analítica.
Microbiología
Electricidad.
Investigación descriptiva.
Producción de
electricidad.
Pilas de Celdas de
Combustible
Microbianas.
Biopelícula.
40
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA SINÓPTICA (Continuación) FICHA No 008-I-S
6. Procedimiento
Síntesis Palabras Clave
El procedimiento llevado a cabo por el colectivo investigador puede ser resumido de la siguiente manera: en primer lugar, la
construcción del conjunto de celdas de combustible microbiana con electrodos de grafito y membrana Ultrex para intercambio
de cationes, inoculado con lodos aerobios y anaerobios, empleando como catolíto una solución de ferrocianuro de potasio.
Inicio de las mediciones periódicas cada 30 minutos de voltajes, potenciales mediante resistencia externa variable,
potenciostato, contra un electrodo de referencia Ag/AgCl. Por último, obtención de las muestras de biopelícula para análisis
mediante extracción de ADN, análisis del gen 16s rARN y Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante (por sus siglas
en ingles DGGE).
Potenciostato.
Electrodo de Referencia.
Análisis microbiológico.
Análisis 16s rRNA.
DGGE.
7. Análisis de datos obtenidos
7.1 Conclusiones
El buen desempeño de las CCMs apiladas es un hallazgo prometedor dado que, para aplicaciones prácticas, la implementación de elevados voltajes y corrientes
son requeridas. Sin embargo, si más CCMs son conectadas o más altas densidades de corriente son obtenidas, el uso de placas bipolares será necesaria. Las placas
bipolares son ubicadas entre el ánodo y cátodo de dos CCMs adyacentes y proporciona conducción eléctrica y separación de masa. En esta investigación, las
placas bipolares han sido omitidas para preservar la máxima flexibilidad para cambiar la conexión eléctrica externa. Además, es una necesidad los cátodos
robustos y costo-efectivos. Estos temas principales necesitan ser abarcados con futuros diseños, pero a pasar de eso los datos presentados subrayan la recuperación
potencial de energía de la CCM.
7.2 Recomendaciones
Además de las recomendaciones descritas en las conclusiones del documento, el colectivo investigador también afirma las siguientes:
Se requieren investigaciones acerca de las posibles diferencias en la transferencia de electrones en especies gram-positivas y gram-negativas.
Se necesitan más estudios acerca de la influencia de la adaptación de la comunidad microbiana en la CCM, para la generación de energía.
41
Tabla 5. Ejemplo de Ficha Bibliográfica.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE RESEÑA BIBLIOGRÁFICA FICHA No 008-I-B
Título Original Continuous Electricity Generation at High Voltages and Currents Using Stacked Microbial Fuel Cells
Título Generación continua de energía a altos voltajes y corrientes usando celdas de combustible microbianas apiladas.
Autor(es) Aelterman, Peter; Rabaey, Korneel; Pham, The Hai; Boon, Nico; Verstraete, Willy
Individual Colectivo X Institucional
Artículo X Trabajo de Grado
Código de
Publicación DOI: 10.1021/es0525511 Sigla 008-I
Revista Environmental Science and Technology
Journal
País Bélgica Fecha 2006
Volumen 40 Número 10
Monografía o Tesis
Universidad
No aplica. Pregrado, especialización, maestría, doctorado No aplica. País-Ciudad
Fecha
Resumen Palabras clave
Conectando diversas unidades de celdas de combustible microbiana (CCM) en serie o paralelo puede incrementar el voltaje y
corriente; el efecto en la generación de electricidad microbiana fue hasta el momento desconocido. Seis unidades individuales
de CCMs en una configuración apilada produjeron una máxima potencia de salida horaria de 258 W/m3 usando un cátodo de
hexacianoferrato. La conexión de las 6 unidades de CCM en serie y paralelo habilita un incremento de los voltajes (2.02 V a
228 W/m3) y las corrientes (255 mA a 248 W/m3), mientras retiene altas potencias de salida. Durante la conexión en serie, los
voltajes individuales CCM debido a las limitaciones microbiológicas a corrientes incrementadas. Con tiempo, la comunidad
microbiana inicial decreció en diversidad y especies Gram positivas se vuelven dominantes. Los cambios en la comunidad
microbiana acompañaron una triplicación de la potencia de salida a corto tiempo de las CCM individuales a partir de 73 W/m3
para 275 W/m3, una disminución de las limitaciones de transferencia de masa y disminución de la resistencia interna de la CCM
a partir de 6.5 ±1.0 a 3.9 ± 0.5Ω. Este estudio demuestra una clara relación entre el desempeño electroquímico y la composición
microbiana de CCM y posteriormente corrobora el potencial para generar energía útil por medio de las CCMs.
Celda de Combustible
Microbiana.
Pilar de Combustible.
Generación de energía.
Conexión en serie.
Conexión en paralelo.
Potencia de salida.
Institución/Base de Datos Obtenido de la base de datos Embase.
42
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE RESEÑA BIBLIOGRÁFICA (Continuación) FICHA No 008-I-B
8. Observaciones
8.1 Anexos
Análisis de la Comunidad Microbiana.
Tabla S1: Resistencia interna, resistencia externa óptica, corriente de corto circuito y voltaje a circuito abierto de las 6 CCMs en
pilas, el promedio de las 6 CCMs conectadas en serie y en paralelo.
Tabla S2: Revisión de los organismos correspondientes con las bandas secuenciadas en el DGGE representado en la Figura 5 del
manuscrito.
8.2 Glosas
En el apartado de discusiones, se establece que la eficiencia coulómbica de las pilas conectadas en serie y en paralelo, esto debido a que
la conexión en serie genero 6 veces menos corriente producida en comparación con la conexión en paralelo. No obstante, no se da una
explicación para esta diferencia de corriente.
8.3 Comentarios
El estudio es una nueva referencia que permiten vislumbrar la potencia de generación de energía por parte de las CCM apiladas y establece
algunos principios de su comportamiento que, si son comparadas con otros estudios, en especial en cuanto a los resultados obtenidos de
densidad de potencia para las conexiones en paralelo y en serie, los cuales difieren varios de estos, lo cual permite el planteamiento de
nuevas preguntas para ser contestadas.
De igual forma, intenta suministrar argumentos para esclarecer la influencia de las comunidades microbianas en la generación de energía
en sistemas de CCMs apilados, no obstante, también se requiere conocer la influencia de la generación de energía en el desarrollo de
microbiota en las celdas. Por otro lado, se hacen evidentes ciertas limitaciones asociadas a las metodologías empleadas principalmente, en
el análisis microbiológico realizado sobre las celdas, dado que aún no se han desarrollado técnicas que permitan el estudio de la microbiota
en tiempo real, y por tanto se requiere detener la operación de la celda para realizar dichos análisis. De la misma forma, los análisis
realizados por el colectivo investigador deben ser corroborados, en especial la relación que se establece entre la generación de energía y
la formación de biopelícula, mediante análisis estadísticos de correlación.
Fuente: Autoras (2016).
43
Tabla 6. Ejemplo Ficha de Interpretación por Núcleo Temático.
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE INTERPRETACIÓN POR NÚCLEOS TEMÁTICOS FICHA No 001-N
Núcleo Temático Estructura.
Documentos
Analizados
001-E / 002-E / 003-E / 005-E / 007-E / 010-E / 012-E / 014-E / 017-E / 018-E / 019-E / 020-E / 023-E / 001-I / 003-I / 004-I / 007-I /
008-I / 009-I / 011-I / 012-I / 013-I / 015-I / 019-I / 020-I / 023-I / 024-I / 026-I / 027- I / 038-I / 039-I / 040-I / 041-I / 042-I / 046-I / 049-
I / 050-I / 051-I / 052-I/ 054-I / 055-I / 057-I / 059-I/ 060-I / 069-I / 064-I / 068-I / 070-I / 071-I / 072-I / 073-I / 075-I / 076-I / 080-I /
081-I / 082-I / 083-I / 085-I / 086-I / 089-I
SÍNTESIS
5. Enfoque 6. Procedimiento
Los documentos analizados en el presente núcleo temático abarcan las
temáticas relacionadas con las configuraciones estudiadas y propuestas, así
como los distintos materiales separadores, del ánodo y el cátodo. Los
estudios poseen ciertas características comunes que se analizan a
continuación. Las disciplinas abarcadas se concentran en la química, física
y biología, la delimitación de los estudios a estas disciplinas permite estimar
los conocimientos que pueden extraerse de ellas, sin embargo —dado el
carácter de este núcleo temático— debe considerarse el empleo más
difundido de las técnicas propias de la tecnología de materiales y la
ingeniería mecánica, las cuales se prevé serán fundamentales en el
desarrollo futuro de esta tecnología dado que proporcionan herramientas
para la optimización de las características de los materiales y su proceso de
producción. Las subdisciplinas asociadas a las matemáticas, tales como la
ciencia de ordenadores, la estadística y el análisis numérico, si bien se han
empleado en algunos estudios deberían considerarse como práctica común
e iniciar la formulación y comprensión numérica de los procesos
enmarcados en la generación de energía en CCMs. Paralelo a la integración
de técnicas de otras disciplinas, también se requiere que el enfoque de las
investigaciones se vea ampliado. Hasta el momento los estudios han sido
casi exclusivamente de tipo exploratorio y descriptivo, en pocas ocasiones
de tipo explicativo y no se encontraron estudios correlaciónales. Es
imperativo hablar de características, propiedades y comportamientos, pero
no debe dejarse de lado las interacciones e interdependencias y la
determinación de las mismas mediante los estudios correlacionales.
Existe una gran variedad de metodologías de tipos cuantitativos, cualitativos y
mixtos en las investigaciones que desarrollan este núcleo temático, en las que por
supuesto predominan las de tipo cuantitativo. No obstante, hay dos aspectos que
se consideran indispensables en cualquier estudio y que son pocos los
investigadores que lo llevan a cabo, o al menos lo evidencian en sus trabajos. Estos
son, la reproducibilidad de los resultados y el análisis del error y/o incertidumbre
de los datos obtenidos. En cuanto al primero, son escasos los estudios donde se
especifica la realización de los experimentos bajo las mismas condiciones, lo cual
es una de las formas de garantizar que los experimentos se dieron bajo un diseño
adecuado de los mismos y que los distintos factores externos que pudieron alterar
los resultados, fueron despreciables o correctamente identificados y considerados.
Esto conlleva al segundo aspecto, que es la cuantificación del error incurrido en
los estudios, obtenido mediante las mediciones obtenidas de los experimentos,
como indicador de la veracidad de los resultados y los análisis consignados en los
documentos. Por otro lado, puede evidenciarse de los procesos descritos, que las
técnicas disponibles para la evaluación y caracterización de los distintos
materiales enmarcan distintos métodos de espectroscopia, microscopia y técnicas
de difracción. Sin embargo, se requiere que, en lo concerniente a materiales y
diseños, se empleen métodos estadísticos como los análisis multivariados, para la
deducción de variables que abarquen los conjuntos de parámetros relevantes para
el desempeño de los materiales y configuraciones, y que al mismo tiempo sean de
fácil interpretación, para finalmente generar modelos de dependencia e
interdependencia, que permitan inferir el grado de influencia de estos dos
parámetros en el desempeño de la CCM.
44
“ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS (CCM) PARA PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA DE INTERPRETACIÓN POR NÚCLEOS TEMÁTICOS FICHA No 001-N
7. Análisis de datos obtenidos 8. Observaciones
Gran parte de los análisis realizados sobre materiales comerciales, están
parcialmente basados en las características valoradas por los fabricantes,
no obstante estos datos fueron tomados bajo condiciones estándar que no
siempre se cumplen cuando son operados en CCMs, por tanto, los análisis
de estos estudios deben generarse en lo posible teniendo como baje
parámetros medidos por los colectivos que generan estas investigaciones,
en las condiciones que son familiares durante la operación de las CCM.
Para los distintos materiales, deben establecerse los parámetros básicos
relevantes para su funcionamiento, en el caso de las membranas es bien
conocido que comprende los coeficientes relacionados con el transporte
de masa, espesor, capacidad de intercambio de iones, selectividad,
porosidad, composición y grupos funcionales presentes. Estos dan lugar a
fenómenos cuya caracterización está iniciando en los últimos años,
enfocada al bio-ensuciamiento, formación de gradientes de pH y
deformación. No obstante, en los materiales para los electrodos, la única
característica claramente cuantificada y evidenciada en los análisis es el
área superficial de los electrodos, si bien se habla de la compatibilidad, la
conductividad, la capacidad de reacción, ninguna de ellas es medida
directamente sino estimada a partir de la potencia generada por una CCM
que contiene el material y en algunos casos comparada con una celda
similar que contiene otro tipo de material.
Los documentos considerados poseen varios de las siguientes omisiones dentro de
los distintos apartados que comprenden los mismos, pueden mencionarse las más
generalizadas como la insuficiente descripción de los sistemas que se estudian, en
donde se emplean diseños que no se muestran los diagramas y esquemas que
permiten visualizar el sistema propuesto. En estudios donde se comparan
configuraciones de otros investigadores, los autores suelen omitir o bien describir
los parámetros del sistema que se compara, o bien indicar que las condiciones de
operación de estos otros sistemas son similares a las empleadas por el estudio, de
tal forma que las comparaciones sean verídicas. En algunos documentos, se
evidencia que los análisis y conclusiones llevados a cabo por los autores contradicen
las concepciones más generalizadas de otros estudios, sin embargo, no se ofrece una
justificación para esto o no se consideran en el documento, los estudios que afirman
lo contrario. Finalmente, los trabajos de grado son especialmente susceptibles a las
omisiones e inconsistencias entre el contenido del documento con los objetivos
planteados y las metodologías.
Por otro lado, el análisis de los documentos ha permitido ampliar las preguntas
investigativas para las futuras investigaciones frente a la arquitectura de las CCMs.
Pueden mencionarse que es necesario profundizar entre la relación de los
parámetros de las configuraciones con el desempeño para la generación de energía,
un ejemplo de esto en CCMs vegetales en donde es necesario profundizar en el
efecto generado por la flora; para los electrodos, es necesario medir y relacionar los
parámetros físicos y químicos de los materiales con la generación de energía,
mediante modelación matemática y estadística. No se deben dejar de lado en las
investigaciones los aspectos relacionados con la viabilidad económica de los
diseños propuestos y nos nuevos materiales tanto para electrodos como materiales
separadores, lo cual hasta la fecha ha sido muy escaso, así como los análisis de la
vida útil de los materiales y finalmente, el efecto derivado de los procesos de
producción de los mismos, y que se ha mencionado en unos cuantos documentos
que puede generar influencia en el desempeño del material para la generación de
energía.
Fuente: Autoras (2016).
45
Tabla 7. Ficha de compresión Teórica Global.
8.
“ESTADO DEL ARTE EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA
PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA COMPRENSION TEORICA GLOBAL FICHA No 001-G
Temática Central Celdas de combustible microbianas para la generación de bioenergía.
Núcleos Temáticos
Analizados
001-N - Estructura.
002-N - Condiciones de operación.
003-N - Desempeño del sustrato.
004-N – Microorganismos exoelectrógenos.
005-N - Mecanismos de transferencia de electrones.
006-N - Herramientas y metodología.
Diagnóstico del
Estado Actual del
Arte
Las celdas de combustible microbianas (CCMs) es una tecnología en desarrollo, que demuestra ser adecuada para reducir la total
dependencia de los sistemas tradicionales de conversión energética, pero sin el potencial para sustituirlos del todo. Uno de los principales
atractivos de esta tecnología es la gran variedad de configuraciones, cada uno de los cuales, diseñados con objetivos específicos que van
desde la generación de energía y tratamiento, hasta el estudio de las comunidades microbianas, que en ultimas han permitido elucidar las
principales limitaciones asociadas a la operación la celda tales como las tasas de reacción de los materiales, durabilidad, estabilidad y
sostenibilidad económica y ambiental. A partir de estos análisis, se han podido proponer diversas aplicaciones prácticas a las CCMs, las
cuales incluyen el abastecimiento de pequeños sistemas de tratamiento de aguas, suministro de energía a dispositivos pequeños, como
biosensores auto sostenibles e incluso como capacitores biológicos.
Otra gran ventaja su potencial para integrar tanto componentes abióticos como bióticos en un solo dispositivo con el fin de lograr mediante
la reducción de sustancias orgánicas, la obtención de electrones que finalmente son convertidos en energía eléctrica. Dentro de estas
sustancias examinadas para alimentar el sistema, se ha demostrado una amplia variedad de sustratos de composición variable, cuya
procedencia deriva de actividades de tipo industrial o agropecuaria, aunque también se ha considerado la aplicación de sustratos de
composición definida, que en general son compuestos orgánicos específicos y no mezclas. Fuertemente ligado a la elección del sustrato,
está el tipo de inoculo empleado, puesto que se pretende que este sea aquel que permita el más alto valor de eficiencia columbina del
sistema, mediante su metabolización por parte de la acción microbiana de la comunidad o especie adicionada a la cámara anódica, la cual,
puede obtenerse a partir de inóculos puros constituidos por microorganismo previamente asilados e identificados y cultivados en
laboratorio o puede desconocerse y suponerse a partir de algún tipo de desecho.
Para las aplicaciones prácticas a escalas fuera del laboratorio, de igual manera se deben considerar las condiciones de operación
cambiantes que afectan el desempeño del sistema, entre las que se han considerado las temperaturas, aireación, pH, resistencias tanto
externas como internas, fuerza iónica, entre otras, cuya influencia ha podido ser documentada de forma general, en los distintos parámetros
de la CCM como son las comunidades microbianas que otorgan complejidad al sistema. La interacción entre la comunidad microbiana y
el ánodo, asido abordada desde la identificación de los mecanismos de transferencia de electrones, principalmente desde el
microorganismo exoelectrógeno al electrodo anódico, reconociéndose que ciertas especies presentan orgánulos especializados, para lograr
46
9.
“ESTADO DEL ARTE EN CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCM) PARA
PRODUCCIÓN DE BIOENERGÍA”
FICHA COMPRENSION TEÓRICA GLOBAL FICHA G
Diagnóstico del
Estado Actual del
Arte
sin intermediaros, transferir electrones al dispositivo, aunque también las especies no capaces de esta trasferencia, pueden secretar sus
propios mediadores o emplear sustancias artificiales faciliten este proceso.
Los conocimientos que se tienen en la actualidad, se han desarrollado a partir de la interpretación de diversas técnicas y herramientas
dentro de la electroquímica, microbiología y otras disciplinas. Gracias a las cuales se ha permitido elucidar los mecanismos de
transferencia de electrones antes mencionados, así como las relaciones entre las comunidades microbianas y los materiales abióticos de
la celda y en últimas, la solución acuciosa en las cámaras, y en general, todas las interacciones entre las distintas fases que están
involucradas en la operación de la CCM, para identificar los factores limitantes y el origen de estos. Lo anterior ha llevado, a que en los
últimos años de investigación, los investigadores empiecen a explorar formas de optimización del desempeño, ya sea mediante cambios
en las condiciones de operación, generación de nuevos materiales de electrodos y separadores diseñados con propiedades mejoradas, y
finalmente el mejoramiento genético de las especies microbianas electrogénicas más representativas, para vencer las barreras en la
generación de energía.
Estado pretendido
del conocimiento
Uno de los problemas más notables de la investigación desarrollada en este campo, es la falta de un consenso entre la comunidad científica
de las mediciones básicas para cada estudio, el acoplamiento de los estudios y la definición de algunos conceptos claves del desempeño
de la CCM. De la misma forma se ha evidenciado que la mayoría de los estudios, debido a la diversidad en las condiciones de operación
en que se dan, no son comparables entre sí, por lo que establecer el estado de desarrollo de la tecnología, es complejo. De igual forma se
ha observado que los grupos investigadores, relegan a segundos planos la importancia de la reproducibilidad de los resultados, así como
el cálculo de errores e incertidumbres, lo cual requiere que en estudios posteriores, sean condensados y documentadas las limitaciones
asociadas a las principales técnicas electroquímicas y de química analítica, las cuales son muy comunes en el estudio de las CCM. Sin
embargo, se observa que la variabilidad de condiciones previamente mencionada, se ha visto disminuida en los últimos años y aumentando
la homogeneidad en las metodologías, las futuras investigaciones podrán ser fácilmente comparables.
Aun se demanda adelantarse investigación direccionada a comprender la ecología microbiana en la CCM, para comprender la relación
entre especies exoelectrógenas y no productoras de corrientes, y así optimizar la selección de sustratos para el dispositivo y estimular los
mecanismos de transferencia reconocidos, procurándose aprovechar especies procedentes de compuestos residuales. También se demanda
que los grupos investigadores generen modelos numéricos y computacionales, así como análisis multivariados que permitan evidenciar
las relaciones entre los distintos parámetros físicos, químicos y biológicos, para optimizar los procesos de diseño de las CCMs.
Fuente: Autoras (2016).
8. Análisis de Resultados
8.1 Análisis a la obtención de artículos científicos y documentos de trabajos de grados.
Respecto a la búsqueda de información secundaria mediante las bases de datos consultadas,
en total se recopilaron 107 documentos; de este grupo, 89 correspondieron a artículos científicos
publicados en idioma inglés, 14 a artículos científicos publicados en idioma español y 4 a trabajos
de grado de origen extranjero en español.
En cuento a los trabajos de grado solicitados a 31 Universidades Colombianas, se recibió
respuesta por parte de 12 Universidades y ninguna respuesta de los 19 restantes. De las respuestas
obtenidas, 10 en total indicaron ingresar al Repositorio Institucional o al Catálogo Público de la
Dirección de Biblioteca, 1 respuesta correspondió a la redirección interna de la solicitud a otro
profesional en el área y 1 respuesta informó que solo aquellos trabajos de grado que han sido
autorizadas para su difusión podrán ser consultados en formato físico. Para el total de las
Universidades de interés se consultó el Repositorio Universitario o el Catálogo Público de la
Dirección de Biblioteca, encontrándose en 5 de estas, algún documento de interés, como se ilustra
en la Figura 5.
Figura 5. La Grafica que representa la cantidad y tipo de documentos obtenidos de Universidades Colombianas.
Fuente: Autoras (2016).
De los documentos recopilados, uno correspondió a la Maestría en Ingeniería Civil, uno a
Maestría en Ingeniería Mecánica, uno a Maestría en Ingeniera Química, uno de Pregrado en
48
Biología y 4 a Pregrado en Ingeniería Química. Lo anterior permite reconocer, que la investigación
en Celda de Combustible Microbianas (CCMs) principalmente es aborda desde el campo científico
de la química, aunque también puede ser abordada desde otros saberes como la mecánica y la
biología, que desde su especialidad contribuyen a la optimización de la tecnología.
En cuanto a los artículos científicos recopilados, se evidenció que el país que más contribuyó
a la generación de investigación fue China (21,78%), seguido de Estados Unidos (18.81 %) e India
(8,91 %); Colombia y México constituyeron los países Latinoamericanos con mayor producción
de artículos científicos (5,54 % respectivamente). En la Figura 6 se presenta el porcentaje de
participación, para los artículos recopilados, acorde a las nacionalidades de los autores.
Figura 6. Porcentaje correspondiente a los países involucrados en el total de los artículos científicos recopilados.
Fuente: Autoras (2016).
49
8.2 Análisis del inventario de los documentos consultados y núcleos temáticos definidos.
En cuanto al inventario de los documentos, se reconoce que facilita la organización de la
información recopilada, permitiendo mediante trece (13) columnas de registro de información,
incorporar aspectos claves para comprender el alcance temporal (investigaciones publicas entre
2004 a 2015) y espacial (autores cuyas nacionalidades corresponden a 29 países diferentes,
respectivamente) del estado de artes construido. Además, se reconoce que el inventario realizado,
constituye un elemento fundamental para reconocer de manera ágil y resumida, los aspectos
básicos de las investigaciones analizadas permitiendo, permitiendo fácilmente identificar el código
de sus fichas de consulta y su remisión a la fuente original del documento.
Dentro del inventario, se establecieron seis (6) categorías de núcleos temáticos, mediante los
cuales se pretendió agrupar los temas relacionados y dar un orden coherente a la información
revisada, tal como se presentan en la Tabla 8. La definición y caracterización de estos núcleos se
establecidos se establece dentro de la estructuración del estado del arte.
Tabla 8. Núcleos temáticos y sus temas relacionados.
Núcleo Temático Temas
Estructura.
Distancia de electrodos.
Área superficial.
Configuración.
Material separador.
Material del ánodo.
Material del cátodo.
Condiciones de operación.
Aireación del cátodo y concentración de oxígeno disuelto.
Modo y tiempo de operación.
Fuerza iónica y concentración de sales.
pH.
Tasa de alimentación y tiempo de retención hidráulica.
Resistencia externa.
Resistencia interna.
DQO
Temperatura.
Desempeño del sustrato.
Microorganismos exoelectrógenos. Inóculos
Microorganismos Modificados Genéticamente
Mecanismos de Reacción. Transferencia de electrones directa.
Transferencia de electrones mediada.
50
Núcleo Temático Temas
Herramientas y metodologías de
estudio.
Técnicas electroquímicas.
Técnicas de microscopía.
Técnicas microbiológicas y moleculares.
Técnicas de cromatografía.
Fuente: Autoras (2016).
La Figura 7 permite reconocer el porcentaje de documentos relacionados (artículos científicos
y trabajos de grado) acorde a los núcleos temáticos establecidos, se evidencia que la Arquitectura
(40%) es el tema más ampliamente abordado en la información recopilada y el del menor alcance
corresponde al desempeño del sustrato.
Figura 7. Porcentaje del total de documentos obtenidos en relación a cada núcleo temático. Fuente: Autoras (2016).
8.3 Análisis y estado del arte.
El análisis individual y en conjunto de las fichas de consulta generadas, conlleva a la
estructuración del estado del arte en celdas de combustible microbianas, en base a los núcleos
temáticos previamente establecidos, a partir de las investigaciones consideradas. Lo anterior
permite dar cumplimiento al objetivo general del presente documento.
51
ANÁLISIS Y ESTADO DEL ARTE
La síntesis de los principales avances identificados dentro de los documentos consultados, se
presenta a continuación, así como un análisis de la información que ha permitido identificar los
conocimientos básicos de la construcción y el comportamiento de las Celdas de Combustible
Microbianas, los temas sobre los que se discute en la actualidad sin que haya consenso hasta el
momento, los campos de estudio que empiezan a explorarse en los últimos años, aspectos notables
encontrados en los estudios y finalmente, las principales aplicaciones para esta tecnología dentro
del campo de la producción de electricidad.
La estructura del presente análisis está basada en los núcleos y sub-núcleos definidos
previamente, el primero de los cuales es la estructura de las CCMs.
8.3.1 Estructura.
El ámbito de la estructura de las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) en el presente
texto, se abarcará desde el análisis de los parámetros y componentes asociados al montaje y la
construcción del sistema, que son fundamentales para su operación estos son: diseño o
configuración de la celda, materiales separadores de las cámaras y material de los electrodos que
han sido empleados en la literatura revisada. Se ha observado que una gran cantidad de
investigaciones que han abordado el estudio de estos componentes, dirigen sus análisis y
relacionan sus resultados con dos variables fundamentales que son: el área superficial de los
electrodos y la distancia que separa los mismos, a continuación, se ofrece una introducción acerca
de la importancia de estos factores, para facilitar la comprensión de los análisis alrededor de las
configuraciones y componentes de las celdas de combustible microbianas.
8.3.1.1 Distancia entre electrodos.
La distancia entre los electrodos, es un aspecto de la configuración de las Celdas de
Combustible Microbianas (CCMs) que ha sido ampliamente investigada en décadas anteriores y
cuya influencia en la operación de estas, ha sido ampliamente difundida y condensada mediante
las revisiones de literatura enfocadas en la configuración de las CCMs. La tesis al respecto, y que
52
es ampliamente aceptada, es que la disminución de la distancia entre los electrodos favorece la
reducción de la resistencia interna de la celda —principalmente las resistencias óhmicas— y por
tanto incrementa la producción de corriente y potencia del sistema, lo anterior como resultado de
la disminución del espacio por el que deben ser transportadas las cargas para llegar desde el cátodo
al ánodo (Helder M. , Strik, Hamelers, & Buisman, 2012; Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head,
2005; Zhao, Slade, & Varcoe, 2009).
Un ejemplo de lo anterior es el estudio de Jang, y otros (2004) en donde se afirma que para la
CCM estudiada por el equipo, “Higher potential was maintained from the runs with the distance
of 10 cm than those of 30 cm in all current densities tested” (pág. 1010); por otra parte, la eficiencia
coulómbica (EC) parece ser también parcialmente dependiente del espaciamiento de los
electrodos, ya que en el estudio de Oon, y otros (2015), se obtuvieron los máximos valores de EC
(8,86%) con el menor valor de distancia de electrodos (8 cm) de entre todos los probados en el
estudio.
Por lo anterior, se conoce que las resistencias internas obtenidas con cada diseño de CCM
dependen de este parámetro y que, por tanto, la optimización del mismo conducirá a mayor
eficiencia en las potencias generadas por unidad de área de los electrodos, aunque esto implica la
reducción de los puentes que unen las cámaras para las configuraciones de tipo H e incluso el
espesor de las membranas empleadas en otras configuraciones.
8.3.1.1 Área Superficial.
No son pocos los autores que han afirmado que el incremento en el área superficial de los
electrodos y la membrana, mejora el desempeño general de la celda para la producción de energía.
Pueden citarse a aquellos que afirman que la formación de la biopelícula para la producción de
electricidad se ve fuertemente favorecida por el incremento en el área superficial del ánodo (Alzate
Gaviria, y otros, 2010; Antonili, 2015; Chen, Cui, Wang, Wang, & Li, 2015; Logan B. E., y otros,
2006), que esta puede mejorar los procesos de transferencia de electrones (Chen, Cui, Wang, Wang,
& Li, 2015) y de transporte de masa (Choi, 2015), y mejorar la actividad catalítica de compuestos
químicos empleados en las cámaras (Antonili, 2015). También se puede hacer referencia a quienes
53
afirman que el incremento en el área superficial de las Membranas de Intercambio de Protones
(MIP) reduce la resistencia interna de la celda (Du, Li, & Gu, 2007), lo anterior debido a que una
mayor área superficial incrementa los sitios activos para las reacciones catalíticas y permite
incrementar la tasa de transporte de diferentes iones entre las cámaras lo cual reduce la resistencia
interna de la celda.
Un primer vistazo de la importancia de las variaciones de este parámetro en el comportamiento
y la generación de energía en la CCM puede realizarse gracias al estudio de Alzate Gaviria, y otros
(2010) mediante el cual, evaluaron la incidencia de la configuración del ánodo, por lo que
diseñaron y construyeron dos celdas de combustible microbianas de vidrio tipo H cuyas cámaras
anódicas y catódicas estuvieron separadas mediante una membrana Nafion 117. La Figura 8 es el
esquema propuesto por el grupo investigador para los dos prototipos, en donde en la CCM 1 se
empleó un electrodo de carbono plano con área superficial de 16 cm2; en la CCM 2, se empleó
carbón granular contenido en una malla de acero inoxidable con un área superficial de 950 cm2.
Con estas configuraciones se obtuvieron valores promedio de 6 W/m3 para la CCM 1 y 48 W/m3
para la CCM 2.
Figura 8. Ensamble experimental para la CCM 1 y de la CCM 2 diseñadas y construidas por el grupo
investigador Álzate-Gaviria et al (2010). Fuente: Álzate-Gaviria et al (2010).
Los resultados de este estudio fueron obtenidos de forma similar por Lu, y otros (2015),
quienes emplearon CCMs de doble cámara con electrodos de grafito en barras, en placas y
finalmente en barras con carbón activado granular en las dos cámaras. Se evidenció que la
resistencia del ánodo, que en la primera CCM fue entre los 1600 y 1700 Ω, se redujo a 1000 Ω
54
para la segunda CCM y finalmente, la resistencia mínima obtenida fuel con la tercera CCM, con
valores entre 1,5 – 3,0 Ω. Estos estudios muestran que, a pesar de tratarse de dos celdas de
configuración y condiciones de operación idénticas, el cambio en el área superficial del electrodo
—diferencia de 934 cm2— produjo un aumento importante en la generación de energía.
Es a partir de estas referencias —las cuales constituyen una muestra de la documentación
existente que corrobora esta generalización— que han influenciado a los grupos investigadores, a
considerar prioritaria la generación de diseños que permitan incrementar el área superficial de los
componentes de la celda y su influencia será evidente a continuación dentro de los análisis de las
distintas configuraciones.
8.3.1.2 Configuración.
Cuando se habla de configuración de las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs), se hace
referencia a los distintos diseños y formas de disponer sus componentes, los cuales se desarrollaron
en aras de mejorar el rendimiento de la celda para la producción de energía eléctrica. Los diseños
básicos a los que suele hacerse referencia en la literatura consultada son: celdas de combustible
microbianas de doble cámara, las más ampliamente usadas para estudios de laboratorio,
comprenden dos cámaras dentro de las cuales se encuentra los electrodos, ánodo y cátodo cada
uno dispuesto en una cámara. Por otro lado, se tienen las celdas de combustible microbiana de
cámara única; su único compartimiento contiene el ánodo, mientras que el cátodo se encuentra
expuesto al aire libre. También han podido encontrarse referencias a sistemas acoplados a celdas
de combustible microbianas, en los que además de emplear las CCMs típicas se añaden otros
componentes para dar doble propósito al sistema, como por ejemplo el tratamiento de aguas
residuales paralelo a la generación de energía eléctrica.
Por lo general, los nuevos diseños que se han puesto a prueba por los grupos investigadores,
son derivados de estas configuraciones principales. En primera instancia, se hará una revisión de
los diseños encontrados derivados de las celdas de combustible microbianas de doble cámara, para
posteriormente revisar las referencias encontradas de CCM de cámara única, sistemas de celdas
en pilas y finalmente los sistemas acoplados.
55
8.3.1.2.1 Celdas de doble cámara.
Este tipo de celda, como se mencionó anteriormente está conformado por dos cámaras dentro
de las cuales se encuentran los electrodos. Estas cámaras se encuentran separadas entre sí por lo
general mediante una membrana de intercambio de protones o un puente salino —aunque
posteriormente se hablará de otro tipo de separadores que también se han explorado—, que permite
el paso de protones de la cámara anódica a la cámara catódica.
Las celdas de combustible microbianas de doble cámara, son las más empleadas en estudios
experimentales, además, son las que más modificaciones han sufrido desde que se inició su estudio.
Muchas de estas modificaciones han cumplido con el objetivo de mejorar el desempeño e incluso
se ha empezado a revisar las aplicaciones prácticas de varios de estos diseños, lo cual se mostrará
en apartados posteriores. A partir de las lecturas realizadas, puede inferirse que uno de los ejes
directores en base al cual se desarrollaron varias de estas configuraciones, fue en primer lugar la
reducción de las resistencias internas de la celda, que serán evaluadas más adelante en el
documento. Otro de estos ejes, considerado de gran importancia en las investigaciones en CCM,
es el incremento del área superficial, tanto del material separador (como las Membranas de
Intercambio de Protones-PEM), como de los electrodos como se mostró en el numeral anterior.
Las funciones, ventajas y desventajas de los diseños identificados en la literatura se muestran a
continuación.
8.3.1.2.2 Celdas de Combustible Microbianas Tipo H.
Entre estas configuraciones, la más común es la denominada tipo H mostrada en la Figura 9.
Algunos de los materiales que han sido empleados para la construcción de estas celdas son botellas
de vidrio (Godwin, Evitts, & Kennell, 2012), plexiglás (Ghasemi, y otros, 2012), policarbonato
(Wang, y otros, 2011), polietileno tereftalato (PET) (Khan, Karim, & Amin, 2012) y otros, los
cuales suele ser de volúmenes útiles en las cámaras que varían entre los 300 mL a 1000 mL.
56
La influencia de dicho volumen en el
desempeño de la celda de combustible
microbiana ha sido estudiada en unas
cuantas investigaciones como la de
Arbianti, y otros (2013) en donde se evaluó
el desempeño de reactores con capacidad
de 100 mL y de 500 mL. La disminución en
la corriente de salida y voltaje fue
respectivamente de 49% y 96,15% cuando
se pasó de los 500 mL a los 100 mL. De
igual manera se evidenció que la densidad
de potencia fue tres veces mayor para el reactor de más capacidad.
Arbianti, y otros (2013) han atribuido estos resultados a la mayor disponibilidad de sustrato y
así como al acceso a una mayor área de la membrana de intercambio de protones, lo cual también
está relacionado con el área superficial de la membrana, ya que esto permite el paso de más
protones al cátodo. No obstante, el estudio referido no considera la importancia de ciertas
limitaciones relacionadas con el aumento del volumen de la celda. Un ejemplo de estas, es la
formación concentraciones divididas del sustrato, que en cámaras más grandes y sin agitación
mecánica de la solución, será más lenta que en cámaras pequeñas, lo cual conlleva a que altas
concentraciones de sustrato se formen en las zonas más lejanas al electrodo mientras que las bajas
concentraciones son evidentes en las regiones aledañas al electrodo y eventualmente, la cantidad
de sustrato accesible para las reacciones cerca al electrodo disminuye al igual que la corriente
capaz de producirse. El mismo principio aplica al transporte de protones de una cámara a otra, ya
que un aumento en el volumen de las cámaras incrementa la distancia entre los electrodos,
dificultando el transporte de los mismos dentro del sistema.
Son realmente muy pocos los análisis, en cantidad y profundidad, que se han realizado en años
recientes sobre las ventajas y desventajas asociadas a estos diseños de doble cámara tipo H, y su
desempeño frente a otros.
Figura 9. Celda de combustible microbiana de doble cámara
tipo H. Fuente: Du, Li, & Gu, (2007).
57
Logan, y otros (2006) señalan que:
H-shape systems are aceptable for basic parameter research, such as examining power production using
new materials [for electrodes], or types of microbial communities that arise during the degradation of
specific compounds, but they typically produce low power densities (pág. 5182).
Por lo anterior, puede decirse que sus aplicaciones a escalas mayores a las de laboratorio son
poco factibles dado que esta configuración no permite un empleo eficiente de los materiales y del
espacio. Por ejemplo, el empleo de tubería que contiene el material separador limita severamente
el paso de iones entre las cámaras, lo cual —y como se detallará posteriormente— incrementa
ciertas problemáticas como el hecho que la membrana se contamine, generación de gradientes de
pH indeseados por la limitada tasa de transferencia de H+, la cual causa eventualmente la inversión
del potencial de la celda y finalmente el cese de generación de corriente.
Pueden rescatarse varios intentos de optimizar el desempeño de la celda, enfocados
principalmente en cambios con respecto a los electrodos, las membranas de intercambio de iones,
empleo de mediadores, entre otros. Sin embargo, no se han podido comparar los resultados
obtenidos en cada uno de estos intentos, y a pesar de que este sistema es usado ampliamente en
investigación, los grupos investigadores corren el riesgo de incurrir en un considerable rango de
condiciones de operación que no admite comparación alguna para estimar el desempeño que puede
esperarse de estos diseños, a menos que se realicen dentro de los mismos estudios en cuestión.
También es necesario señalar, que muchos de los estudios no ofrecen una visión esquemática de
las celdas de combustible microbianas empleadas en sus experimentos y en varios casos, no se
especifica siquiera el tipo de celda que fue empleada, lo anterior dificulta en gran medida la
continuidad de las investigaciones y la evaluación de los diseños.
8.3.1.2.2.1 Celdas de Combustible Microbianas Acopladas.
Por otro lado, aparte de los diseños tipo H previamente descritos, otras configuraciones de
celdas de combustible microbianas de doble cámara son aquellas en que estas están acopladas
completamente, a diferencia de la configuración tipo H donde las cámaras se encuentran unidas
por medio de un puente salino o membrana de intercambio de protones contenida en un cilindro
58
en contacto con las dos cámaras, una esquematización de este diseño es presentada en la Figura
10.
El desempeño de esta configuración, al igual
que con el anterior, no ha sido adecuadamente
evaluado en los últimos años y la información
encontrada sobre el mismo posee las
problemáticas previamente descritas. Sin
embargo, puede afirmarse que este constituye un
diseño más eficiente para la generación de energía
con respecto a la configuración tipo H, debido a
que permite la reducción de la distancia entre los
electrodos que como se indicó anteriormente,
permitirá la reducción de la resistencia interna de
la celda.
De igual forma, en esta puede disponerse de una membrana de intercambio de protones en
donde “As long as the two chambers are kept separated, they can be pressed up onto either side of
the membrane and clamped together to form a large Surface [of the membrane]” (Logan B. E., y
otros, 2006, pág. 5182). Al generar una mayor área superficial de la membrana gracias a este
diseño, podrá incrementarse la tasa de transporte de protones a través de la misma y reducir la
resistencia interna, generando mayor energía.
8.3.1.2.2.2 Celdas de combustible microbianas de placas planas.
Otra de las configuraciones que se han sometido a estudio es la de placas planas que, descrita
de forma general, está constituido por electrodos y membranas de forma rectangular y planas,
contenidos en cámaras rectangulares y compactas, similar a las celdas de combustible de
hidrógeno. La estructura general de este diseño se muestra en la Figura 11A.
Figura 10. Celda de combustible microbiana con
cámaras acopladas. Fuente: Rahimnejad, y otros
(2012).
59
En los últimos años se han implementado importantes modificaciones, Read, Dutta, Bond,
Keller, & Rabaey (2010) dispusieron de electrodos de grafito granular con barras de grafito e
instalaron paneles removibles para la obtención de muestras (Ver Figura 11B). Fue desarrollada
para el estudio de las comunidades microbianas, de tal manera que las muestras que puedan ser
sometidas a estudio y observación, no sean alteradas mediante excesiva manipulación manual
como era necesario con las demás configuraciones, en donde debía extraerse el electrodo y realizar
cortes del mismo para extraer los microorganismos desarrollados, causando daños importantes a
la biopelícula.
8.3.1.2.2.3 Celdas de combustible microbianas tubulares.
Los diseños cilíndricos de reactores cuya estructura general se muestra en la Figura 12, son
aquellos donde los electrodos se disponen de forma vertical, se ha reportado que “Several
variations on these basic designs have emerged in an effort to increase power density or provide
for continuos flow through the anode chamber” (Logan B. E., y otros, 2006, pág. 5183). Estos
diseños han sido susceptibles para uso dual tanto en la generación de energía como el tratamiento
de aguas residuales, ya sea mediante su construcción similar a un humedal artificial que se
describirá a detalle en apartados posteriores (Fang, Song, Cang, & Li, 2015), o simplemente la
disposición vertical de las cámaras aisladas mediante capas de cuentas o lana de vidrio (Jang, y
otros, 2004), los cuales por lo general son operados bajo flujo ascendente.
B A
Figura 11. Esquema básico de CCM de placa (A). Diseño con placas removibles (B)
Fuente: Read, Dutta, Bond, Keller, & Rabaey (2010).
60
Un nuevo diseño propuesto por He, Minteer, & Angenent
(2005) de este tipo de celdas tubulares con flujo ascendente fue
generado también con el propósito dual mencionado
anteriormente, el esquema de esta configuración se muestra en
la Figura 13. El grupo investigador operó este sistema con un
volumen de la cámara catódica y anódica de 520 cm3 y 250
cm3 respectivamente, bajo una carga de DQO de 1,0 g
DQO/L/día a una tasa de flujo de 0,36 mL/minuto en modo
continuo de operación, los electrodos fueron fabricados con
carbón vítreo reticulado (RVC). De forma paralela se
construyó un Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA)
para realizar la comparación con el sistema CCM en cuanto a
producción eléctrica y remoción de materia orgánica, el cual
contó con un volumen útil de 650 cm3 y fue alimentado con la
Figura 12. Esquema de celda de combustible microbiana cilíndrica de flujo
ascendente. Fuente: Jang, y otros (2004).
Figura 13. Esquema de Celda de
Combustible Microbiana (CCM) de
flujo ascendente. Fuente: He, Minteer,
& Angenent (2005).
61
misma agua residual con la que se alimentó el sistema CCM de flujo ascendente y el mismo inóculo
de lodo anaeróbico granular.
El grupo consideró que el desempeño de la CCM tubular de flujo ascendente fue bajo,
comparado con otros estudios que emplean celdas de doble cámara, debido a las elevadas
resistencias internas que se obtuvieron con el sistema tubular de flujo ascendente (84 Ω). De igual
forma, las bajas eficiencias coulómbicas obtenidas (8,1%) también evidencian este hecho. El
desempeño fue en su tiempo atribuido principalmente a la distancia entre los electrodos dada la
configuración empleada, que como se ha visto anteriormente, genera una importancia resistencia
al flujo de H+ observada en la reducción del pH desde 6,65 a 5,11 en la cámara anódica, indicador
de la acumulación de protones en esta.
De acuerdo a He, Minteer, & Angenent (2005) a pesar de las bajas tasas de conversión de
materia orgánica a electricidad, se observó que las eficiencias de remoción de DQO fueron
superiores al 90% casi igual que la tecnología RAFA, por tanto, se exploró la posibilidad de que
se llevaran a cabo procesos secundarios en la cámara anódica que permitieron la degradación del
contenido orgánico, mas no la producción de energía. Este proceso fue el de metanogénesis
generado por bacterias metanogénicas las cuales, según el grupo investigador, proliferaron debido
al exceso de sustrato a partir de lo cual se produjo una gran cantidad de metano en la cámara
anódica. La presencia de los metanógenos en este sistema indican dos cosas que no son abarcadas
por el estudio: la primera es la escasa o nula transferencia de oxígeno a la cámara anódica
permitiendo la proliferación de las bacterias metanogénicas y segundo, las considerables
concentraciones debido a la síntesis biológica de metano redujo la densidad de potencia producida,
debido a que se requieres 8 moles de electrones para generar 1 mol de este compuesto (Ishii,
Shimoyama, Hotta, & Watanabe, 2008), y por tanto el metano puede actuar como sumidero de los
electrones generados de la degradación de la materia orgánica (Choi, 2015).
Lo anterior lleva a considerar que en su estado actual, este tipo de configuración no es
adecuada para la generación de energía más que para el tratamiento de aguas, dado que la energía
requerida para inducir el flujo ascendente es mayor de la que la celda ha podido generar en la
literatura revisada, para este tipo de celdas de combustible microbianas cilíndricas de flujo
62
ascendente se ha estimado una capacidad de producción de 1530 kWh/día para una CCM con
capacidad de 7500 m3, muy inferior al que puede obtenerse teóricamente mediante reactores
anaerobios de flujo ascendente con capacidad volumétrica similar, siendo la energía eléctrica
potencialmente producida de 75,779 kWh/día (He, Minteer, & Angenent, 2005).
En otro intento por optimizar la CCM de flujo
ascendente (CCM-FA), He, Wagner, Minteer, &
Angenent (2006) diseñaron una CCM-FA, en la que la
cámara catódica se encuentra contenida dentro de la
cámara anódica, mediante dos tubos hechos de PEM
(Ultrex CMI-7000) en forma de U (Figura 14). Para
conocer el efecto de la configuración del reactor en la
resistencia interna del sistema, los investigadores
compararon esta CCM, con dos CCM-FAs construidas
en base a la configuración propuesta por He, Minteer,
& Angenent (2005). A una de estas se le sustituyó el
cátodo original de carbono vítreo reticulado (RVC) por
papel carbono recubierto de platino, la otra se mantuvo
con el diseño original. Los resultados demostraron que
la CCM-FA con un cátodo interior produce una salida
de potencia considerablemente mayor que las otras
CCM-FAs con un cátodo en la parte superior del ánodo.
Los resultados obtenidos respecto a la corriente de corto circuito –la cual indica la máxima
recuperación de electrones–, y potencia máxima volumétrica (35 mA y 29,2 W/m3,
respectivamente) con la CCM-FA con cátodo en el interior, fueron mucho más altos que los valores
para la CCM-FA sin las modificaciones propuesta por He, Minteer, & Angenent (2005) (9 mA y
3,1 W/m3), lo anterior fue consecuente con las resistencias internas de ambas configuraciones, de
17 Ω y 84 Ω respectivamente. Los investigadores consideran que probablemente este suceso se
debió a la reducción de las limitaciones óhmicas en la CCM-FA con cátodo interior, ya que se
disminuyó la separación entre electrodos y el aumento de la superficie de la PEM, aunque también
Figura 14. Celda de combustible microbiana de
flujo ascendente (CCM-FA) con la cámara
catódica colocado dentro de la cámara del
ánodo. Fuente: He, Wagner, Minteer, &
Angenent (2006).
63
se reconoció que la limitación óhmica todavía gobernaba el rendimiento de esta configuración a
pesar de las mejoras que hechas por el grupo investigador.
8.3.1.2.2.4 Celdas de combustibles a micro-escala.
Finalmente, pueden encontrarse diseños de CCMs a escalas menores a las descritas
previamente, denominados celdas de combustible microbianas a micro-escala o también como
micro-celdas de combustibles microbianas, en las que las dimensiones del reactor suelen ser de
unos cuantos centímetros, y la distancia entre electrodos es generalmente menor al centímetro.
Choi (2015) ha señalado numerosas ventajas relacionadas con la miniaturización de las celdas
“such as large surface área-to-volume ratio, short electrode distance, and fast response time,
theoretically producing far better performance than macro-sized MFCs” (pág. 11), el autor también
señala los principales desafíos enmarcados en estas configuraciones al afirmar que
“microfabricating an ion exchange membrane, wich demands manual assembly of the MFCs […];
electron sinks other than the anode become dominant” (pág. 11-12) que impiden que estos sean
transportados al cátodo y generen corriente. De igual forma, se ha evidenciado que muchas
limitaciones identificadas en celdas de combustible microbianas a escala normal, son de especial
importancia en las celdas a micro-escala.
The microscale MFC has a small anode chamber volumen, small-area anode, and a small number of O2-
utilizing microorganism. This indicates that while oxygen leakage in macro-sized MFCs may not be as
critical when the reaction chamber is large, it becomes extremely critical in micro-scale chambers (Choi,
2015, pág. 12).
Como tal, la evaluación realizada por Choi (2015) acerca de las aplicaciones potenciales de
esta tecnología, involucran la alimentación de dispositivos pequeños y portátiles como sensores,
aparatos de medición en campo, entre otros, en tanto sean resueltos los obstáculos previamente
descritos.
Finalmente, pueden concluirse respecto diversas limitaciones que están asociadas al empleo
de CCMs de doble cámara, las ya identificadas están relacionadas con la distancia de los electrodos
dado que están contenidos en cámaras diferentes o bien interconectadas por puentes tubulares; el
64
área superficial de la membrana, si bien esta es una propiedad de la misma, las dimensiones de la
cámara también ejercen influencia en este parámetro. Otra limitación asociada a estos diseños
radica en la necesidad del empleo de soluciones en las dos cámaras, la solución electrolítica de la
cámara anódica y catódica debe contener concentración suficiente de sustrato y del aceptor
terminal de electrones respectivamente. Lo anterior implica que las reacciones entre la solución y
los electrodos conducirán a la disminución de la concentración de los compuestos en las regiones
cercanas a los electrodos, mientras que los compuestos se concentrarán en las regiones más
alejadas, si la solubilidad de los compuestos no es suficiente —como es el caso del oxígeno—, los
procesos de difusión podrían llegar a ser eventualmente, un factor limitante para la generación de
energía.
8.3.1.2.3 Celdas de cámara única.
Este tipo de celdas consiste
solamente en la cámara anódica que
contiene el ánodo, y un cátodo que por lo
general está expuesto al aire (Ver Figura
15). Lo anterior ha constituido una gran
ventaja de estos diseños frente a los de
doble cámara, debido a menores costos de
construcción, gracias a que puede
prescindirse de una cámara y que el
cátodo no se encuentra en solución como
en muchos casos donde el aceptor final de electrones debe ser suministrado constantemente, sino
que emplea oxígeno como el aceptor final de electrones, el cual es sin costo y disponible en
abundancia en el ambiente. “Much larger power densities have been achieved using oxygen as the
electron acceptor when aqueous-cathodes are replaced with air-cathodes” (Logan B. E., y otros,
2006, pág. 5183). Este tipo de celdas, por tanto, pueden considerarse más fáciles de construir a
mayores escalas y por tanto podría decirse que poseen un potencial mayor para sus aplicaciones
comerciales en la generación de electricidad, en comparación con las celdas de doble cámara.
Figura 15. Celda de combustible microbiana de cámara única.
Fuente: Aaron, Tsouris, Hamilton, & Borole (2010).
65
Modificaciones de esta configuración base se han desarrollado, como alternativa a la
convencional CCM con cátodo al aire propuesta por You y otros (2008), quienes diseñaron una
CCM con una sola cámara y que emplea oxígeno como aceptor de electrones, pero bajo un flujo
ascendente. La celda se basó en un tubo cilíndrico de plexiglás, con una cubierta en forma
coniforme colocada en la parte superior para recoger corrientes efluentes y un orificio del afluente,
se fijó en la parte inferior del reactor para la
alimentación de sustrato. La pared del lecho
del ánodo se perforó, conformando tamices
homogéneos, disponibles para iones de
electrolito interno y conducciones (Ver
Figura 16). La zona del ánodo se llenó con
gránulos de grafito y el cátodo consistió en
tela de carbono flexible, fuertemente atado
fuera de la pared del ánodo y cargado en su
superficie interior con catalizadores de
carbono/platino.
Durante la investigación, al comparar el efecto causado por el área superficie total del
tamizado, de 30 cm2 y 60 cm2, se reconoció que, al ampliar esta área, se disminuye la resistencia
interna del sistema, lo cual es evidenciado en sus respectivas potencias máximas volumétricas de
25 ± 4 W/m3 (89 A/m3) y 49 ± 3W/m3 (215 A/m3). El estudio permitió en general reconocer la
oportunidad de una configuración de CCMs de una sola cámara más compacta en su diseño, lo
cual conlleva a beneficios espaciales en su instalación, además, reduce en gran manera la
resistencia interna que es uno de los problemas recurrentes en la reducción del potencial energético
de estas celdas.
Una configuración semejante a la anterior ya había sido planteado por Triviño Cuellar (2006),
quien diseñó un prototipo de CCM de una sola cámara (Ver Figura 17), cuyo cátodo estuvo
conformado por una malla de carbón activado, Ni como catalizador y ensamblado entre una
membrana de intercambio de protones Nafion N-117 que se dispuso dentro de la única cámara con
tapas laterales perforadas, en un soporte conformado por un tubo de acrílico con perforaciones de
Figura 16. CCM de cátodo al aire y flujo ascendente,
propuesta por You y otros (2008). Fuente: You y otros
(2008).
66
3 mm de diámetro cada 3 mm mediante las cuales se permitió el flujo del oxígeno del aire; el ánodo
estuvo conformado por 6 barras de grafito. La celda generó voltaje constante entre los 20 y 30 mV.
Prototipos como estos son innovadores en su diseño, y presentan resultados satisfactorios a
escala laboratorio, sin embargo, el alcanzar una aplicación práctica dependerá de posteriores
estudios dado que las condiciones operacionales, como la restricción de producción de metano,
son puntualmente controladas durante la experimentación; además, el mejor rendimiento de las
celdas se alcanza mediante un sustrato preparado de manera conveniente para la actividad
microbiana, condiciones no siempre parecidas a las encontradas en los vertimientos comunes de
una planta de aguas residual sobre los cuales se tienen exceptivas de aplicación práctica respecto
a esta tecnología.
Otra celda con diseño innovador, es la propuesta por Capodaglio, y otros (2013), quienes han
empleado un nuevo diseño de estas celdas con el propósito de obtención de electricidad a partir de
la remoción de DQO en agua residual sintética. La Figura 18 muestra el diseño general de la celda,
la cual consiste en un sistema de tubos de Plexiglas, que proporcionaron al sistema un volumen
interno de 6,9 L, los electrodos fueron fabricados de tela de carbono, dispuestos para el ánodo en
una barra de acero inoxidable y para el cátodo entre dos marcos de acero inoxidable. El grupo
investigador que desarrolló experimentos con este diseño, indicó que se obtuvieron bajas
Figura 17. Prototipo de CCM de una cámara diseñado, construido y evaluado
por Triviño Cuellar (2006). Fuente: Triviño Cuellar. (2006).
FUENTE: Triviño Cuellar (2006).
67
eficiencias coulómbicas y potencia generada por unidad de volumen de la celda (en promedio 1,2%
y 13,2 mW/m3, respectivamente). Aunque también afirman que “Altough electric power
generation was modest, this study shows that MFCs are feasible, although in need of improvement,
process for urban wastewater treatment allowing direct energy recovery from a waste source” (pág.
7).
Para este estudio cabe señalar que el
volumen de celda empleado es especialmente
grande en comparación con las demás celdas
documentadas con configuraciones de cámara
única y que, a pesar de lo cual, no se obtuvieron
densidades de potencia notables. Si bien como se
argumentó anteriormente, el volumen de trabajo
de las cámaras genera influencia en la producción
de electricidad, sin embargo, este estudio
muestra que fueron otros factores los que
dominaron en este proceso. No obstante, puede
inferirse que el diseño permite la reducción de
costos ya que no requiere membrana de
intercambio de protones, aunque el efecto de la
ausencia de esta membrana no es explorado en el
estudio.
Por otra parte, también se considera que debe indagarse en el efecto de los tiempos de retención
hidráulicos (TRH) con mayor profundidad para determinar las tendencias de generación de energía
en función de esta variable. Un análisis preliminar de este diseño permite evidenciar algunas
ventajas tales como una mayor área superficial de los electrodos, la cual podría ser significativa si
se emplean materiales altamente porosos como carbón activado e incluso nano-compuestos, ya
que generaría una mayor adhesión de la población microbiana. Hace falta que se evalúen los
efectos de las fugas de oxígeno hacia el ánodo, la tasa de transferencia de protones al cátodo y el
Figura 18. Prototipo de CCM propuesta por
Capodaglio, y otros (2013): (1) Sección activa de la
planta, donde los electrodos están situados; (2) Puertos
de muestreo; (3) grifo de descarga; (4) bomba de
reciclaje; (5) medidor de flujo volumétrico; (6) sonda
espectrofotométrica; (7) válvula de bola para el ajuste
de flujo. Fuente: Capodaglio y otros (2013).
68
caudal de alimentación óptimo, el cual es especialmente importante en este diseño; profundizar
sobre estos aspectos permitirá perfeccionar el diseño para hacerlo autosustentable.
Puede concluirse que cada uno de los diseños descritos se ha desarrollado con propósitos
diferentes. Pueden citarse las celdas de doble cámara que, si bien solo se han puesto a prueba a
escalas de laboratorio, los análisis de algunos autores han planteado la posibilidad de que escalar
este diseño para aplicaciones comerciales es poco viable en la actualidad. Diferente es el caso de
las celdas de cámara única, cuyas ventajas documentadas y descritas anteriormente permiten inferir
que estas configuraciones sean más apropiadas para implementar de forma comercial o industrial.
Otro ejemplo son las celdas de forma cilíndricas que, en pruebas de laboratorio, se han empleado
principalmente objetivos duales de evaluación del tratamiento de aguas y generación de energía
de forma simultánea.
En un principio se consideró que una de las razones para el desarrollo de nuevas
configuraciones y diseños de CCM, es la reducción de las resistencias internas de las celdas. Sin
embargo, no se ha percibido ningún patrón en las resistencias medidas en los distintos estudios que
permita inferir, que mayores o menores resistencias están asociadas a las configuraciones
presentadas aquí. Como se ha indicado, el efecto que genera la configuración de la celda en este
parámetro no es directo, sino que se da a través disposición de sus componentes y aun así, puede
que la influencia de este parámetro en la resistencia interna no sea tan significativo comparado con
el aporte que generan otras variables como son: naturaleza y características físicas de las
membranas y electrodos, composición de la comunidad microbiana, presencia de catalizadores en
el cátodo, disponibilidad, características químicas y naturaleza del sustrato y aceptor terminal de
electrones.
Por lo anterior, se requieren estudios puntuales para la evaluación del desempeño de la
configuración y de tipo comparativo bajo las mismas condiciones de operación, esto es: comunidad
microbiana específica plenamente identificada y enriquecida, solución de la cámara anódica de
composición conocida, preferiblemente solución de glucosa o acetato con concentración
optimizada para el empleo en CCM, solución de la cámara catódica con aceptor de electrones
preferiblemente ferrocianuro de potasio con concentración optimizada para CCM son los más
69
empleados en los estudios revisados, electrodos y membrana de tipo comercial con características
fisicoquímicas previamente determinadas, para el cátodo puede emplearse revestimiento de
platino. Todo esto con el fin de que el efecto que generan las distintas variables en la resistencia
interna de la celda, puedan ser reducidas lo más posible o al menos plenamente definidas de tal
manera que la determinación de la resistencia interna debida a la configuración no se vea definida
por otras variables, y puedan obtenerse los valores de voltaje, corriente y potencia más cercanos
posibles a lo que la configuración de la CCM es capaz de proporcionar.
Sin duda se ha desarrollado una gran variedad de configuraciones y diseños de celdas de
combustible microbianas, pero recientemente no se han dado estudios que permitan evaluar
específicamente los parámetros de estos diseños, los cuales influencian el desempeño para la
generación de energía eléctrica y desarrollo de investigaciones. Es necesario que el diseño del
reactor no sea menospreciado en los estudios y experimentos, y que los grupos de investigación
proporcionen la información necesaria —dimensiones, áreas, volúmenes, materiales empleados,
estructura, justificación sobre la elección de determinada configuración para el estudio, entre
otros— para que los lectores puedan dar continuidad a estos estudios y generen comparaciones
más allá de los objetivos establecidos por las publicaciones. Varios diseños apenas se han
modificado desde que se idearon y otros se modificaron para facilitar la consecución del objetivo
del estudio. Sin embargo, no se han incursionado aún en diseños más comerciales probablemente
debido a limitaciones fundamentales de las reacciones en la celda que parecen ser prioridad de las
investigaciones actuales.
8.3.1.2.4 Celdas de combustible apiladas.
Los investigadores han indagado la posibilidad de conectar varias unidades de celdas de
combustible microbianas, ya sea en serie o en paralelo, para generar mayores cantidades de
energía. La configuración de CCM en serie fue estudiada por Arbianti, y otros (2013), en donde
dos reactores uno con capacidad de 100 mL y 500 mL fueron acoplados y posteriormente
comparados con el desempeño individual de las celdas, los resultados mostraron que la conexión
en serie generó un voltaje máximo de 685,5 mV y una densidad de potencia máxima de 201,8
mW/m2. Para el estudio, la densidad de potencia incrementó en un 20,3% con respecto al
70
desempeño de la CCM de 500 mL, de igual forma el voltaje incremento en un 50%; sin embargo,
la corriente producida disminuyó en un 19,8%. Arbianti, y otros (2013) afirman que esto último
pudo ser causado debido a que “the total voltage in the connected series is the sum of each voltage
from the power supply, which was the MFC reactor” (pág. 36), por lo que la oposición al flujo de
carga será mayor en este caso, obteniéndose así, una densidad de corriente menor en el sistema
agrupado de celdas, que el alcanzado de manera individual por cada una de estas.
Los anteriores resultados también fueron corroborados por Yazdi, Alzate-Gaviria, & Jason Ren
(2015), en donde el desempeño de un sistema de 3 CCMs en serie fue comparado con una conexión
en paralelo de la misma cantidad de celdas, y a su vez comparada con el desempeño de cada celda
individual. Los resultados permitieron al grupo investigador sugerir que “The low output from
serial connections is mainly due to the observed voltage reversal during operation” (pág. 260). La
conexión en serie para este estudio obtuvo una densidad de potencia máxima de 97,5 ±7,5 mW/m2,
que se vio incrementada hasta 142 ± 6,7 mW/m2 cuando se realizó la conexión en paralelo, siendo
comparable al desempeño obtenido por la celda con mayor densidad de potencia (158 ±10,01
mW/m2). Cabe resaltar para este estudio, que a pesar de que las tres celdas puestas a prueba eran
idénticas y operadas en las mismas condiciones, mostraron desempeños distintos siendo una de
estas un factor limitante en la generación de energía —lo cual se evidencia por la baja densidad de
potencia individual de tan solo 80 ± 6,23 mW/m2 de la celda con más bajo desempeño—, cuando
se realizó la conexión del conjunto de estas.
El mejor desempeño obtenido mediante conexión en paralelo es lo que se espera dado los
principios de física básica que dictan, por un lado, que la corriente en los circuitos en serie es la
misma en todas las partes del circuito y que la resistencia en estos sistemas es la suma de las
resistencias individuales de los componentes del circuito, mientras que, para los circuitos en
paralelo, la corriente total es la suma de las corrientes individuales (Gutiérrez Aranzeta, García
Arana, & Mata Hernández, 2009).
Las anteriores conclusiones también se han obtenido de otro de los estudios comparativos
realizados por Aelterman, Rabaey, Pham, Boon, & Verstraete (2006), en donde al igual que en el
anterior estudio, con mayores corrientes, menor resistencia y mayor eficiencia coulómbica se
71
obtuvo para las conexión de 6 CCM en paralelo (425 mA, 1,3 Ω y 12,4% respectivamente) que los
obtenidos en serie (84,7 mA, 49,1 Ω y 77,8% respectivamente), sin embargo a diferencia del
anterior estudio, las densidades de potencia para las dos configuraciones no tuvieron variaciones
importantes al ser de 308 W/m3 para la conexión en serie y 263 W/m3 para la conexión en paralelo,
lo cual desafía los resultados de estudios previos que afirmaron una mayor densidad de potencia
para las conexiones en paralelo. No obstante, tanto Aelterman, Rabaey, Pham, Boon, & Verstraete
(2006) como Yazdi, Alzate-Gaviria, & Jason Ren (2015) concuerdan que la corriente y voltajes
generados en cualquier tipo de conexión depende del desempeño individual de las celdas, a lo que
los primeros agregan que “As a consequence, stacked MFCs will not deliver higher power densities
than the individual MFCs” (pág. 3391) y planteando de la misma forma que este comportamiento
puede estar ligado a la composición y estructura de la biopelícula de las celdas.
Los diseños de celdas de combustible microbianas acopladas en paralelo como el diseño de
Yazdi, Alzate-Gaviria, & Jason Ren (2015), son los únicos sobre los cuales se ha planteado la
posibilidad de emplear en aplicaciones prácticas, en su estado de desarrollo actual. Para el caso
analizado aquí se ha explorado que podría generar suficiente energía para encender una bombilla
LED de 6 W durante 4 horas diarias.
Es necesario mencionar tres aspectos importantes que hacen parte del desarrollo de la
tecnología de CCMs, algunos de los cuales han sido abarcados en el estudio de Yazdi, Alzate-
Gaviria, & Jason Ren (2015), pero que se han dejado de lado continuamente en la mayoría de los
artículos. Estos son la evaluación de materiales de fácil adquisición para la construcción de la
celda, la evaluación económica de su construcción y operación y la vulnerabilidad de esta
tecnología a fenómenos de inversión del voltaje durante su operación. En base a la revisión
realizada de la literatura, se han identificado pocos documentos que evalúan el desempeño de las
CCMs construidas a partir de materiales convencionales —es decir materiales locales de amplio
uso y comercialización como PVC, carbón activado y otros materiales empleados por Yazdi,
Alzate-Gaviria, & Jason Ren (2015) — como el presente estudio y el de Capodaglio, y otros
(2013). Aún más escasos son los estudios que realicen una evaluación de la viabilidad económica
actual de esta tecnología, aunque el término se mencione numerosas veces en los documentos, los
análisis al respecto no pasan de suposiciones, sin existir hasta el momento ningún análisis costo-
72
beneficio de la construcción y operación de estas celdas. Dado que, por un lado, los numerosos
trabajos han permitido identificar limitaciones asociadas a muchos materiales y, por otro lado, hay
una bien documentada crisis medioambiental y energética, se considera que este tipo de análisis
debe empezar a generarse de forma consensuada y paralela al desarrollo científico y técnico de
esta tecnología.
Finalmente, la inversión del potencial o voltaje observada en otros estudios es un fenómeno
en el cual el voltaje de la celda —definida como la diferencia de los potenciales de los electrodos—
pasa de un valor positivo a uno negativo (An & Lee, 2014). En la investigación de Oh & Logan
(2007) pudo determinarse que uno de los factores que puede generar el fenómeno en las celdas
apiladas y conectadas en serie puede ser la inanición de una de alguna de ellas, causando que la
unidad llegue a debilitarse y vuelva a experimentar el fenómeno, incluso con un suministro
suficiente de solución alimentadora. Este estudio determinó que la actividad microbiana no es la
principal responsable de la inversión del voltaje ya que el fenómeno ocurre incluso en CCM
estériles, sin embargo, sus efectos no son permanentes en las celdas individuales, donde puede
obtenerse los voltajes originales al desconectar las celdas entre sí. Sin embargo, los mecanismos
mediante los cuales se da la inversión del voltaje no se han explorado en los estudios consultados;
el efecto de este fenómeno en la comunidad microbiana presente en la celda, así como una
descripción más detallada de las condiciones bajo las cuales puede darse la inversión del voltaje
tampoco han sido suficientemente exploradas en las investigaciones, aunque son fundamentales
para periodos de operación prolongados.
8.3.1.2.5 Sistemas acoplados a las celdas de combustible microbianas.
Varios estudios han considerado la alternativa de involucrar, a las celdas de combustible
microbianas en otras tecnologías para aprovechar el beneficio energético que estas puedan
generan. Dichas investigaciones son aún evaluaciones experimentales en laboratorio, cuya
aplicación a dimensiones reales no se reconoció en la literatura revisada.
73
8.3.1.2.5.1 Celdas para generación de energía y tratamiento de aguas.
Dentro del grupo de tecnologías que se han acoplado a la CCMs están las plantas de
tratamiento de aguas residuales. Galindo González (2005) diseñó un proceso de tratamiento
biológico de aguas residuales por medio de lodos activados, en el que usó un reactor biológico
como CCM, reconociendo la capacidad de generación de energía por parte del sistema.
Este estuvo conformado con cuatro secciones como se muestra en la Figura 19, la sección 1
contuvo el electrolito (NaCl — 1.0 M) disuelto en agua destilada e inmerso está el ánodo; la cámara
de oxidación operó en la sección 2, en la cual se dosificaba el agua residual (que para la
investigación consistió en una solución preparada en laboratorio), en esta sección los lodos
activados metabolizaban la materia orgánica; la sección 3 sirvió como cámara de trasferencia de
protones, la cual recibía el efluente de la cámara de oxidación y permitía el paso de los protones
(H+). Finalmente, la sección 4 conformó la cámara de reducción, esta contuvo una solución de
cloruro férrico (FeCl3 — 0,1 M) disuelto en agua destilada, la cual actuó como agente aceptor final
de electrones, en el fondo de esta sección se ubicó al cátodo. El circuito externo estuvo conformado
por los electrodos (ánodo y cátodo), para los cuales se utilizaron barras de grafito conectados
mediante un cable de cobre, se utilizó una membrana aniónica ubicada entre el electrolito y la
cámara de oxidación, y una membrana catiónica colocada entre la cámara de transferencia de
protones y la cámara de reducción. Con este sistema se obtuvo una corriente máxima de 0,86 mA
Figura 19. Esquema del reactor biológico propuesto por Galindo Gómez (2005). En la gráfica: el electrolito (1)
(sección 1); la cámara de oxidación (2) (sección 2); la cámara de transferencia de protones (3); la cámara de
reducción (4) (sección 4). El circuito conformado por el ánodo (6), el cátodo (5), el cable de cobre y la resistencia
(10). El mezclador (7) y las membranas de intercambio iónico aniónica (8) y catódica (9). Fuente: Galindo González (2005).
74
y un voltaje de aproximadamente 900 mV, alcanzando un valor máximo de densidad de potencia
generado por el sistema de 49,47 mW/m2.
Por medio del estudio de Galindo González (2005), se puede visualizar la trascendencia que
tiene el desarrollo de las CCM acopladas al tratamiento de aguas residuales. De hecho, el uso de
estos efluentes se ha contemplado en buena parte de los estudios revisados. Lo que sobresale en la
investigación en mención es el diseño de una nueva configuración que, aunque solamente ha sido
probada en laboratorio, plantea una propuesta lógica respecto a la organización y funcionamiento
de los compartimiento y elementos del sistema acoplado, lo cual permite reconocer la factibilidad
de la integración de ambas tecnologías y como concluye Galindo Gónzalez (2005): “dar de esta
forma, valor agregado al tratamiento de aguas residuales” (p.62).
8.3.1.2.5.2 Celdas acopladas a sistemas de generación de biogás.
Otras tecnologías sobre en las que se ha considerado incorporar CCMs, son los sistemas de
producción de biogás. Este tipo de acoplamiento, implica un manejo más complejo de las
condiciones de operación de las CCMs ya que estas deben estar en coordinación con la digestión
anaerobia de los residuos orgánicos presentes en los reactores. López Barrios (2010), realizó una
investigación en esta dirección, al considerar implementar un sistema en el que se acoplara un
reactor anaerobio para la biodegradación de los Residuos Sólidos Orgánicos Putrescibles (ReSOP)
y una Celda de Combustible Microbiana, que use los ácidos orgánicos producidos durante la
fermentación metanogénica como sustrato para generar electricidad.
Durante dicho estudio, se diseñó y construyó un prototipo de celdas de combustible microbiana
de dos cámaras concéntricas, ocho ánodos de grafito recubiertos de polianilina y un cátodo central
de alambre de platino, las cuales no emplearon membranas intercambiadoras de protones ni
mediadores externos (Ver Figura 20). Con estas se realizaron ensayos de generación de electricidad
usando los lixiviados provenientes de la digestión anaerobia de reactores construidos y preparados
en laboratorio, lográndose una densidad de potencia de 28 mW/m2.
75
Con la anterior investigación, en la que representó “el primer reporte en donde se acopla un
biorreactor anaerobio para producir biogás a una CCM para producir electricidad” (López Barrios,
2010, pág. 63), aunque se demostró la viabilidad que tiene el uso de lixiviado resultantes de la
biodegradación de los ReSOP como sustrato para la alimentar CCMs, se probaron las dos
tecnologías de manera individual, faltando la puesta en marcha y evaluación ambas tecnologías de
manera simultánea y acoplada. De igual forma, dado los buenos resultados obtenido del empleo
de ácidos orgánicos como sustrato para la cámara anódica, es necesario que las investigaciones
posteriores identifiquen los microorganismos exoelectrógenos que, para estos casos, fueron
capaces de producir energía en condiciones de alta acidez del medio.
Un paso más en la optimización de esta configuración lo dan Bárcenas Torres, Arroyo Tena,
Romero García, Covián-Nares, & Chávez Campo (2014), quienes construyeron un sistema
anaerobio Metanogénico-Hidrogenogénico-Productor de Electricidad (MG-HGRPE); lo
interesante de su diseño, es que realmente se usan los mismos reactores para producción de
hidrógeno y metano (idénticos, de 250mL y únicamente separados por una membrana de
intercambio protónico de Nafion NR12) como compartimientos de una CCM puesto que por la
parte superior de cada reactor se adaptó un electrodo de grafito tipo barra. El estudio probó la
influencia de la agitación y el calentamiento en el diseño experimental; las eficiencias de
generación de energía eléctrica, degradación de materia orgánica y eficiencia coulómbica fueron
Figura 20. Prototipo de CCMs construidas por López Barrios (2010).
Fuente: López Barrios (2010).
76
determinadas cuando se suministraron diferentes concentraciones de sacarosa y acetato de potasio
en la alimentación. La carencia de una presentación esquemática dentro del documento del estudio,
dificulta la compresión de esta alternativa de configuración, así como la continuidad en la
optimización de este tipo de acoplamientos.
8.3.1.2.5.3 Celdas de Combustible Microbianas Vegetales.
Otro de los intentos realizados, referentes a nuevas alternativas de configuración y
acoplamiento de las CCMs a otros sistemas es el que incorpora plantas a la configuración de las
de celdas de combustible microbiana (P-CCM). Este diseño consiste en CCM de formas variables,
en las cuales se cultiva vegetación generalmente en la cámara anódica, la implementación de
especies vegetales tiene dos ventajas fundamentales. Por un lado, la microbiota presente en las
raíces podría contribuir con microorganismos electrogénicos para la generación de energía, y por
otro lado la materia orgánica degradable es aportada por la misma vegetación constantemente, sin
requerir alimentación externa de sustrato, aunque si se requiere un medio que proporcione los
macro y micronutrientes para el crecimiento de la vegetación.
Uno de los estudios relacionados con esta configuración fue el realizado por Helder M. , Strik,
Hamelers, & Buisman (2012), donde se empleó una CCM de placa plana con plantas de Spartina
anglica (Ver Figura 21). El grupo investigador en este caso afirma que hay una estrecha relación
entre la cantidad de raíces presentes y la generación de energía por parte de la celda, estableciendo
que entre mayor cantidad de raíces exista, habrá mayor disponibilidad de sustrato degradable
proveniente de la exudación de las mismas. Esto se obtuvo al diseñar la celda de modo que los dos
electrodos fueran seccionados cada uno en tres partes, para poder estudiar los distintos parámetros
de acuerdo a la profundidad en la celda, encontrándose que en el ánodo, una mayor cantidad de
raíces se da en la parte superior del mismo.
Helder M. , Strik, Hamelers, & Buisman (2012) también realizaron la comparación de su
diseño de placa plana, con respecto a diseños cilíndricos en cuanto a las resistencias internas
generadas, identificaron que “The internal resistance in the flat-plate P-MFC was, however, not
lower in the tubular P-MFC” (pág. 4), no obstante la corriente y potencia volumétrica obtenida
77
fueron mayores que las del trabajo con P-CCM tubular con que fue comparado, los resultados que
se compararon fueron 7,5 A/m3 y 1,3W/m3 para la P-CCM tubular y 122A/m3 y 5,8W/m3 para la
P-CCM de placas planas estudiada por los autores. Lo anterior permitió al grupo investigador
concluir que “materials are more efficiently used in the flat-plate system than in the tubular
system” (Helder M. , Strik, Hamelers, & Buisman, 2012, pág. 4).
El acoplamiento de sistemas para tratamiento de aguas residuales y producción de electricidad
—que en el presente documento fue introducido en el apartado anterior— ha sido una temática
fuertemente tratada entre las investigaciones en celdas de combustible microbianas. Uno de estos
intentos es el sistema conformado por la CCM con humedal artificial (CCM-HA) de flujo
ascendente, implementado en estudios por Fang, Song, Cang, & Li (2015) y Oon, y otros (2015)
El primero empleó un reactor CCM de tipo cilíndrico que contiene capas de grava y de carbón
activado que actuaron como los electrodos del sistema. Se plantaron especies de Ipomoea aquatica
en el cátodo que se encuentra en la parte superior del sistema, expuesto al aire. Se emplearon lodos
anaeróbicos concentrados como el inóculo del sistema y agua residual sintética con contenidos de
tintas con grupos azo (ABRX3), consideradas sustancias biorrefractarias, y glucosa como co-
sustrato. Los resultados obtenidos en este experimento, teniendo en cuenta el uso dual del sistema
tanto para generación de potencia como para remoción de tintas contaminantes, permitió la
B A
Figura 21. Celda de Combustible Microbiana Vegetal (CCM-V) vista del anodo (A), vista
del catodo (B). Fuente: Helder M., Strik, Hamelers, & Buisman (2012).
78
evaluación de los parámetros de operación óptimos para esta celda particular, tales como tiempos
de retención hidráulica, concentración óptima de la tinta azo y de la DQO.
La optimización de estos parámetros anteriormente mencionados condujo a la generación de
una potencia volumétrica de 0,852 W/m3, eficiencias coulómbicas de máximo 1,89%. Para este
sistema, los autores identificaron una importante limitación asociada a la operación de la celda:
“Because the ABRX3 decomposition products were toxic and could not be used by microbes
directly, a high ABRX3 proportion results in more serious microbial inhibition” (Fang, Song,
Cang, & Li, 2015, págs. 139 - 140).
Por otro lado, Oon, y otros (2015)
emplearon un diseño muy similar, aunque
se usó para este caso fieltro de carbono
como electrodos, en donde el ánodo se
encuentra seccionado en tres partes y Typha
latifolia fue plantada en capas de grava
sobre el cátodo, donde se dispone además
de un sistema suplementario de aireación
(Ver Figura 22). Se considera que el
desempeño electroquímico obtenido en
este sistema fue superior al de otros
sistemas similares, principalmente en
cuanto a la eficiencia coulómbica obtenida,
que en este caso fue de 8,86%, cuando otros
sistemas obtienen valores entre 1% y 3%.
También se obtuvo excelente desempeño
en cuanto al objetivo de tratamiento de
aguas residuales, consiguiendo remociones del 100% de DQO.
Oon, y otros (2015) adjudica el éxito en el desempeño a que “Aeration rate could be controlled
to ensure energy efficiency and ensure further removal of nitrate and ammonium” (pág. 274). De
Figura 22. Diagrama esquemático de Celda de Combustible
Microbiana-Humedal Artificial de Flujo Ascendente. Fuente:
Oon, y otros (2015).
79
igual forma establece la importancia de la disposición de los electrodos a corta distancia en aras
de reducir la resistencia interna.
Al considerar las distintas investigaciones que se han empleado en celdas de combustible
microbianas asociados a macroflora, son pocos los estudios comparativos en donde se evalúan las
especies vegetales más adecuadas para su uso en CCM a largo plazo. No obstante, los resultados
reportados indican que la producción de energía eléctrica es posible en estos sistemas, con
densidades de potencia comparables a otros sistemas de CCM más ampliamente estudiados.
Entre los estudios comparativos señalados, puede citarse el estudio de Helder M., y otros
(2010) en la cual se comparó el desempeño de tres diferentes plantas dispuestas en una P-CCM y
el desarrollo de las mismas durante la operación de las celdas. Las plantas empleadas fueron
Spartina anglica, Arundinella anomala y Arundo donax, en donde las dos primeras fueron capaces
de la producción de energía de forma estable, mientras que el crecimiento de las raíces de A. donax
generó la rotura del sistema. Para S. anglica se obtuvo una densidad de potencia máxima de 222
mW/m2 mientras que para A. anomala fue de 22 mW/m2, según lo cual el grupo afirmó que el
potencial de la membrana en A. anomala es influenciado por la densidad de corriente de la celda,
en menor medida que en S. anglica, dado que esta última es una planta halófita que crece con altas
concentraciones de sales que permiten el transporte de iones a través de la membrana, a diferencia
de A. anomala que es una planta de agua dulce.
Helder M. y otros (2010) también evaluaron el crecimiento de las plantas en la P-CCM
comparado con los índices de crecimiento de forma natural encontrados en la literatura, y si este
se ve influenciado por la operación de la celda. Los resultados obtenidos mostraron que la biomasa
producida en todos los casos supera la generada naturalmente, lo cual fue explicado principalmente
por las condiciones de crecimiento, donde se suministró en la celda luz y nutrientes en abundancia,
los cuales se encuentran más limitados en condiciones de crecimiento natural, sin embargo, no se
establece de forma concluyente que la P-CCM haya favorecido el crecimiento vegetal. La
proporción raíz-brote fue determinada para este estudio y comparada con la encontrada en la
literatura. Este índice es definido como:
80
The root-shoot ratio is usually given as the ratio of the weight of the roots to the weight of the top of a
plant. […]Except for injury to the roots, a reduction in the root-shoot ratio is almost always in response
to more favorable growing conditions. An increase in the root-shoot ratio, on the other hand, would
indicate that a plant was probably growing under less favorable conditions.(Harris W, 1992, pág. 39).
El grupo investigador, teniendo en cuenta la anterior definición, obtuvo valores elevados de
esta proporción para todas las plantas, lo cual pudo deberse a la presencia de condiciones anóxicas
o escases de nutrientes que ocasionó un incremento en el crecimiento de las raíces como medida
para alcanzar mayor cantidad de oxígeno y/o sustrato (Helder M. , y otros, 2010).
El estudio anteriormente resumido, ha sido de los primeros en analizar el efecto generado por
la operación de las P-CCM en el crecimiento de las plantas y de igual forma, plantea preguntas de
investigación fundamentales que deben resolverse para la aplicación práctica de las P-CCM. Entre
estas puede mencionarse: ¿Cuáles son las características de las plantas que deben tenerse en cuenta
para aplicación en este tipo de CCMs? ¿Qué microorganismos electrogénicos asociados a las raíces
pueden desarrollarse? ¿Pueden emplearse en estos sistemas, varias especies vegetales para
incrementar la diversidad microbiana capaz de generar energía? y, por último, ¿Cuáles serían las
relaciones entre esta diversa comunidad microbiana y como afectan el desempeño de la CCM?
Por otro lado, debe evitarse que en el futuro se den las complicaciones que se han identificado
hasta el momento, en los estudios que pretenden profundizar en el campo. Estas problemáticas
giran en torno a la dificultad para realizar comparación adecuada de los resultados obtenidos para
los distintos parámetros electroquímicos de los distintos estudios, en donde estas investigaciones
difieren en la presentación de sus resultados y la normalización de los mismos frente a unidades
geométricas de la celda, un ejemplo de ello es que se normalicen las densidades de potencia en
función del área superficial del ánodo, de la membrana, o del área superficial plantada. Esto
principalmente puede deberse a los diferentes objetivos de los estudios considerados aquí, ya que
muchos de estos se enfocan en la evaluación de parámetros diferentes, por lo que las condiciones
de operación serán de igual forma, variables de acuerdo a las necesidades identificadas por los
grupos investigadores.
81
8.3.1.2.5.4 Celdas para generación de energía y recuperación de metales pesados.
En décadas anteriores, los estudios han evidenciado la necesidad de remoción de los
compuestos de metales pesados como uno de los principales ítems a tener en cuenta en el
tratamiento de aguas residuales en CCMs, no obstante, son pocos los estudios que han intentado
no solo remover estos compuestos sino recuperarlos para un posible uso posterior. De estos pueden
citarse dos ejemplos representativos dados por los estudios de Heijn E, y otros (2010) y Fradler,
Michie, Dinsdale, Guwy, & Premier (2014) para la recuperación de cobre y zinc respectivamente.
Por un lado, Heijn E, y otros (2010) llevaron a cabo el proceso de obtención de cristales puros
de cobre mediante la precipitación de estos en el cátodo de la celda. Aunque el estudio detalla un
propósito dual para la celda, no se empleó ningún equipo adicional a la misma para la obtención
del cobre y al mismo tiempo la generación de energía. Como resultado de los análisis, se evidenció
que puede existir algún nivel de dependencia entre la concentración de cobre en la cámara catódica
y la generación de energía, ya que “in the course of time, as copper concentration descreased,
current density decreased to <0.1 A/m2 after 7 days” (Heijn E, y otros, 2010, pág. 4378).
Por otro lado, Fradler, Michie, Dinsdale, Guwy, & Premier (2014) enfocaron su estudio en la
remoción de Zn mediante el empleo de la tecnología de Membrana Liquida Soportada (MSL) junto
con la CCM, una vista esquemática del diseño de estos autores puede verse en la Figura 23. La
MLS es un método de separación selectivo que consta de un líquido inmiscible que se encuentra
en un material poroso. El sistema requiere una fase de alimentación y fase de despojo, en la primera
fase se introduce la solución con los iones metálicos, y mediante el empleo de un líquido catiónico
intercambiados (Extractor) D2EHPA (ácido di-2-etilhexilfosfórico) se forma un complejo con el
ion zinc. El extractor forma un complejo reversible con el zinc con liberación de protones, el cual
entra en la MLS para luego disociarse y liberar el ion zinc en la fase de despojo, regenerando el
extractor.
Como puede evidenciarse en la Figura 23, en la cámara catódica de la CCM se emplea al
mismo tiempo como la cámara de alimentación del sistema MLS, por tanto, esta cámara no solo
recibe los protones generados en la cámara anódica sino también los liberados gracias a la
82
formación del complejo zinc. El
efecto de este proceso en la
disminución del pH y
simultáneamente la presencia de la
membrana bipolar que mantiene la
neutralidad del pH en la cámara
anódica, proporciona mayor
cantidad de protones para la
reacción de reducción del oxígeno,
por lo que “The higher proton
concentration increases the cathode
potential and lowers the activation
overpotential” (Fradler, Michie,
Dinsdale, Guwy, & Premier, 2014,
pág. 122), además, la resistencia
interna del conjunto CCM-MLS
fue de casi la mitad de la medida en
la CCM individual. Como
resultado, el equipo de Fradler determinó, que el empleo del sistema puede generar un incremento
en la potencia de salida en un factor de 2.4 con respecto a la CCM operada de forma individual.
Es necesario que los estudios relacionados describan el efecto de los procesos acoplados en el
potencial de los electrodos, ya que esta estimación permite acercarse a la identificación clara de
las ventajas o desventajas de estos sistemas, de igual forma se requiere que sean cuantificadas las
distintas pérdidas del sistema, tales como pérdidas óhmicas, por activación y por concentración,
para la determinación de puntos clave que deben mejorarse en el diseño, lo cual se ha dejado de
lado en la mayoría de los estudios sobre configuraciones de celdas de combustible microbianas.
Figura 23: Celda de Combustible Microbiana acoplada con Membrana
Liquida Soportada (CCM-MLS). Fuente: Fradler, Michie, Dinsdale,
Guwy, & Premier (2014).
83
8.3.1.3 Material separador.
Es reconocido como el elemento intermedio entre las cámaras anódica y catódica, mediante el
cual, se promueve por lo general, el paso exclusivo de iones desde la cámara anódica a la catódica,
a la vez que se impide la difusión de oxígeno hacia el ánodo. Esta última función es fundamental
para el adecuado desempeño de la celda, puesto que cuando se emplean cultivos mixtos, el oxígeno
podría llegar a ser empleado por microorganismos anaerobios facultativos como un aceptor
terminal de electrones, causando la una disminución de la eficacia coulómbica, la cual típicamente
es acompañada por la reducción de la densidad de corriente de bioelectrocatálisis (Harnisch &
Schröder, 2009). La implementación de una membrana también permite reducir la distancia entre
los electrodos, lo cual puede generar un aumento en la producción de energía de la celda, aunque
también afecta la eficiencia coulómbica de esta (Zhang X. , Cheng, Huang, & Logan, 2010).
Acorde a García Bernal, Escudero, De Los Ríos, Lozano Blanco, & Godínez (2012) la
naturaleza y propiedades de la membrana de intercambio son factores importantes que contribuyen
a aumentar la resistencia interna de las CCMs, causando la disminución del rendimiento de estas
y limitando su aplicación práctica. Esto conlleva a que sea un desafío la obtención de un material
separador ideal, el cual, según Zhang, Cheng, Wang, Huang, & Logan (2009) tiene “a high proton
transfer coefficient to ensure that the material does not inhibit protons from reaching the cathode
and a low oxygen transfer coefficient to improve CE, and it must brelatively nonbiodegradable”
(pág. 8456).
Wen-Wei, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing (2011) realizaron un resumen de los últimos
avances (a la fecha) en materiales de separación y sus configuraciones en CCMs, afirmando que
“according to their filtration characteristics, these separator materials can be classified into three
major categories: ion exchange membranes (IEMs), size-selective separators and salt bridge”
(pág.244). Este grupo investigador, propone en su estudio la agrupación de los diversos tipos de
materiales separadores, como se muestra en la Tabla 9.
84
Tabla 9. Clasificación y tipos de materiales separadores.
CLASIFICACIÓN TIPO
Membranas de Intercambio Iónico
(IEM)*
Membrana de Intercambio Catiónico (CEM)*
Membrana de Intercambio Aniónico (AEM)*
Membrana Bipolar (BPM)*
Separadores de tamaño selectivo Membrana de filtración microporosa
Filtros de poro ancho
Puente Salino
Fuente: Adaptado de Wen-Wei, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing (2011), por autoras (2016).
*Las siglas pertenecen a su nombre en inglés.
Es también necesario mencionar, que varios autores en sus investigaciones han decidido
prescindir del uso de separadores de cualquier tipo en los diseños que se estudiaron, principalmente
debido a la limitante asociada a los costos (Capodaglio, y otros, 2013; Jang, y otros, 2004; Helder
M., Strik, Hamelers, & Buisman, 2012). Sin embargo, el efecto de esta medida sobre el desempeño
de la celda, no ha sido comparado en los estudios revisados, con respecto a la implementación de
membranas. Estas comparaciones son necesarias, para poder establecer clara y cuantitativamente,
las ventajas y desventajas del uso o no, de estos materiales. Sin embargo, estas generalizaciones
no pueden realizarse bajo el fundamento de los estudios revisados.
8.3.1.3.1 Membranas de intercambio Iónico (IEM).
En este grupo de membranas se reúnen dos categorías: monopolares y bipolares. Dentro de las
primeras, se consignan dos tipos de membranas de acuerdo al tipo de iones a los que son
permeables: cationes, en cuyo caso se denominan membranas de intercambio catiónico (CEM) y
aniones, adoptando el nombre de membranas de intercambio de aniones (AEM). En las segundas,
ya que se promueve la simultánea trasferencia de aniones y cationes, por lo que reciben el nombre
de membranas bipolares. Como un esquema general de estas membranas, se presenta la Figura 24
en donde se muestran los procesos de intercambio de iones previamente descritos. A continuación,
se caracteriza cada tipo señalado.
85
Figura 24. Esquema de transferencia de iones a través de: (A) CEM; (B) AEM; y (C) Membrana bipolar.
Fuente: Wen-Wei, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing (2011), adaptado de Harnisch y Schröder (2009).
8.3.1.3.1.1 Membranas de Intercambio Catiónico (CEM).
“Currently, CEMs have been widely used as a separator for MFCs. They are also frequently
referred to as protons exchange membranes as that they are designed to transfer protons in MFCs.”
(Wen-Wei L, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing, 2011, pág 245). Como se ha reconocido a lo largo
de la literatura revisada, la PEM Nafion 117 es una de las membranas más utilizadas la cual, acorde
a Mauritz & Moore (2004), se obtiene de la copolimerización de un comonómero vinil éter
perfluorado con tetrafluoroetileno (TFE), cuya estructura química es:
De esta se dice que “su estructura molecular posibilita que absorba agua y una vez húmeda,
conduce selectivamente iones de carga positiva bloqueando los iones de carga negativa. Esta
característica es asociada con la inactividad química, resistencia mecánica y estabilidad conocida
de las resinas teflón®” (Alzate Gaviria, y otros, 2010, pág. 504). Sin embargo, esta membrana
presenta algunas limitaciones tales como, una alta permeabilidad al paso del oxígeno hacia la
cámara anódica, así como la pérdida de sustrato de este compartimiento, formación de
incrustaciones que contaminan la superficie de la membrana, y el transporte y acumulación de
cationes en la cámara catiónica. Adicionalmente, el elevado costo de esta (aprox. 1400 USD/m2)
86
hace que su uso sea considerado como prohibitivo para emplearse a gran escala (García Bernal,
Escudero, De Los Ríos, Lozano Blanco, & Godínez, 2012)
Chae, y otros (2008) evaluaron algunos de los problemas presentados por la membrana Nafion
117 en una CCM de dos cámaras, en donde el área proyectada de la membrana Nafion fue idéntica
al tamaño de los electrodos, con el fin de facilitar la migración de protones a través de la
membrana. Durante la evaluación del flujo de oxígeno del cátodo al ánodo usando una CCM no
inoculada con tampón de fosfato 50 Mm como catolito, se observó una concentración inicial de
Oxígeno Disuelto (OD) de 0,38 mg/L en la cámara anódica que aumentó a 1,36 mg/L en 655
minutos debido a la transferencia de oxígeno a través de la membrana Nafion, calculándose un
coeficiente de transferencia de masa de oxígeno (KO) de 2,80×10-4 cm/s y un coeficiente de
difusión de oxígeno (OD) de 5,35×10-6 cm2/s, respectivamente. Al obtenerse un valor del
coeficiente de difusión de oxígeno aproximadamente 2,2 veces más grande que el reportado en
otras investigaciones, los investigadores concluyen que esta membrana “is quite permeable to
oxygen […]. Consequently, this could lower the performance of MFCs, either by damaging
anaerobic bacteria or loss of substrate due to aerobic bacterial respiration” (pág.172).
Chae y otros (2008) también verificaron la ocupación de los grupos sulfonados de la membrana
Nafion para lo cual, se analizaron empleando energía dispersiva de espectrometría de rayos X, tres
muestras de Nafion 117: dos de estas se obtuvieron de CCMs alimentada con un 1 mM de acetato,
la cuales llevaban 50 días de operación; la tercera muestra consistió en una membrana nueva. Los
resultados obtenidos mostraron que los porcentajes relativos de carbono atómico y fluoruro,
componentes básicos de Nafion, fueron más bajos en la Nafion usada (C= 30,9% - F= 59,7%), que
los obtenidos con el nuevo Nafion (C=32,8% - F=60,1%). Por otro lado, también se reconoció un
aumento de otros compuestos tales como las especies catiónicas de sodio (Na) y hierro (Fe), los
cuales no existen en la membrana de Nafion nueva, y alcanzaron porcentajes de hasta 1,16% y
0,24% respectivamente, indicando que estas dos especies de cationes ocuparon una fracción
importante de los grupos sulfonados cargados negativamente. Mediante la experimentación se
concluye que los cationes existentes en concentraciones más altas en comparación con protones
en el anolito de una CCM fueron trasladados rápidamente a través de la membrana y ocuparon los
87
grupos sulfonados cargados negativamente de esta, los cuales consecuentemente inhibieron el
intercambio de protones a través de la membrana.
Otro evento que genera serias limitantes en el empleo de estas membranas en CCMs, es la
susceptibilidad a la contaminación biológico la cual consiste en la formación de una biopelícula
sobre la membrana, generando diversas consecuencias al desempeño global de la CCM. Este
fenómeno fue estudiado por Xu, y otros (2012), quienes compararon diversas características entre
la membrana PEM Nafion nueva y la membrana ensuciada luego de 90 días de operación de la
celda. Dentro del estudio se evaluó la capacidad de intercambio de iones (Ion Exchange Capacity,
IEC), conductividad, coeficientes de difusión de los principales cationes presentes en las CCMs y
características de la superficie de la membrana. El estudio mostró que la IEC y la conductividad
de la membrana decrecieron respectivamente en un 50% y 81,2% cuando esta fue ensuciada; los
coeficientes de difusión de los cationes principales como H+, Na+, K+, NH4+, Mg2+ y Ca2+ en todos
los casos decrecieron en más del 50%. Como resultado “The deterioration of catión transfer
severely limited the charge transport, and increased the internal resistance of the MFC. This would
lead to a deterioration in the MFC performance” (pág. 4). Lo anterior se afirma a partir de los datos
electroquímicos que mostraron un incremento del 20% en la resistencia interna global de la celda,
así como una disminución del 32,3% en la máxima potencia de salida obtenida.
Domínguez Maldonado, García Rodríguez, Aguilar Vega, Smit, & Alzate Gaviria (2013)
también buscaron reconocer el suceso del bloqueo progresivo de una membrana Nafion 117 debido
al acumulamiento superficial de impurezas sobre esta. Luego de un periodo de operación de 43
días, se observó una disminución del 38.5% de en la capacidad de intercambio catiónico atribuido
a la bioincrustación generada a partir de la materia orgánica adherida a la membrana. En los
siguientes 79 días de funcionamiento, el pH disminuyó en el compartimiento del ánodo desde 6-
6,5 a 5.5, y aumentó en del cátodo de 3-5,0 hasta 8, posiblemente relacionado con una deficiencia
del transporte de protones a través de la membrana; además, los ácidos grasos volátiles aumentaron
en un 13.5 %, indicando que el proceso de oxidación anaerobia se desestabilizó. Los resultados
permitieron a los autores concluir que la densidad de potencia en una CCM, es afectada a través
del tiempo por factores como la capacidad de intercambio catiónico de la membrana de Nafion
117 a causa de la bioincrustación; también, mediante la curva de polarización se observa un cambio
88
en la transferencia de masa en la segunda parte del experimento, causado por la acumulación de
especies electroquímicamente activas.
Los análisis mediante espectroscopia de impedancia electroquímica, indicaron un aumentó en
la resistencia de la membrana para la segunda fase del experimento, también causado por la
disminución de la capacidad de intercambio catiónico de la membrana.
La caracterización química y biológica de la capa de contaminación de la membrana, obtenida
en el estudio de Xu, y otros (2012), muestran la presencia de microorganismos —principalmente
con morfología de bastón—, polímeros microbianos extracelulares y sales inorgánicas. La
presencia de los anteriores compuestos, impide el transporte de cargas entre las cámaras, no
obstante, Xu, y otros (2012) afirman lo siguiente: “as the intrinsic internal resistance of MFC is
much larger than that of PEM, an increase in resistance of PEM was unlikely to have a substantial
contribution to the elevated internal resistance of MFC” (pág. 5).
Para describir el efecto de la contaminación de la membrana en la generación de corriente, el
equipo investigador propuso la siguiente ecuación:
i= ∑ DczcF [AzcF∅
RT-
A
L(
V2
V1+1)] c2.0+
A
L(c1.0+
V2
V1c2.0) e
DcV2
[AzcF∅
RT-AL
(V2V1
+1)]t
Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+
i = Corriente
t = Tiempo
V1, V2 = Volumen del líquido de la camara anódica y catódica respectivamente.
F = Constante de Faraday.
zc = Valencia de las especies catiónicas.
c2,0, c1,0 = Concentración incial en la cámara del cátodo y del ánodo respectivamente.
Dc = Coeficiente de difusión de cationes.
A = Área de la sección transversal de la membrana.
L = Espesor de la membrana.
R = Constante universal de los gases.
89
T = Temperatura.
∅∅ = Fuerza del campo eléctrico
Es necesario que en estudios posteriores se realice la correspondiente validación experimental
de estas ecuaciones propuestas en distintas condiciones de operación del modelo anteriormente
planteado, para las CCMs que incluyan otras membranas además del Nafion, y así lograr describir
los fenómenos de contaminación en membranas PEM. La continuidad de este estudio permitirá la
profundización del conocimiento de estos procesos, para llegar a formular los principios generales
que rigen el fenómeno y que de acuerdo a los cuales, puedan desarrollarse membranas optimizadas,
reducir las limitaciones asociadas a las resistencias internas de la celda, incrementar la vida útil de
la membrana y mejorar el desempeño electroquímico global de la CCM. No obstante, dadas las
limitaciones mencionadas, se han venido desarrollando PEM alternativas al Nafion, entre las
cuales pueden citarse los nanocompuestos.
Antonili (2015) afirma que “Nanocomposite membranes have the capability of transferring
protons, are inexpensive, and also have higher resistance against fouling [than the Nafion
membrane]” (pág. 64). Lo anterior puede ser parcialmente corroborado por el estudio de Ghasemi,
y otros (2012), en el cual desarrollaron una membrana nanocompuesta de Polianilina/Polisulfona
(PANI/Ps) y se comparó su desempeño con respecto al Nafion. Los resultados obtenidos muestran
que las densidades de potencia generadas por la membrana PANI/Ps sin dopaje (78,1 mW/m2) no
fueron mayores a las obtenidas por la membrana Nafion (93 mW/m2), sin embargo, la
caracterización física realizada por el grupo investigador indica algunas propiedades deseables,
tales como la disposición de porosidad adecuada para evitar el paso de los microorganismos a la
cámara catódica y menor rugosidad de la membrana, lo cual la hace menos susceptible a la
contaminación.
A partir de los autores consultados, que han enfocado sus investigaciones en el estudio y
desarrollo de membranas de intercambio de protones para su aplicación en celdas de combustible
microbianas, puede inferirse a continuación las características de estas membranas que deben ser
mejoradas en futuras investigaciones: porosidad adecuada —preferiblemente del orden de los
nanómetros— que impida el intercambio de solución entre las cámaras y el paso de
90
microorganismos a la cámara catódica, superficie lisa de la membrana para dificultar los procesos
de colonización por parte de microorganismos, bajos costos, procesos simples de manufactura y
elevada selectividad al paso de los cationes que favorezca el transporte de H+. Además, es
necesario que las variables medidas en los estudios permitan su comparación con otros, mediante
la adopción de un lenguaje común en este campo y la implementación de metodologías
previamente optimizadas para su implementación en celdas de combustible microbianas.
Se considera relevante el empleo de coeficientes de difusión de masa para determinar la
permeabilidad de la membrana al paso de distintas especies, y que los análisis no se generen de
forma indirecta en función del área superficial de la membrana que, si bien es importante
establecer, no puede emplearse como un indicador fiable del potencial transporte de especies
químicas que se presenta. Es razonable considerar, que el aumento en el área superficial podría
incrementar la tasa de transferencia de masa, sin embargo, es necesario tener en cuenta la
composición química de la membrana que determina la selectividad de la misma, e incluso factores
externos a la membrana. Lo anterior se evidencia del análisis comparativo generado sobre los
distintos coeficientes en membranas de intercambio de cationes comerciales como el Nafion 117
que puede verse en el Anexo 2, en donde se observó que, a pesar de tratarse de la misma membrana
con igual composición, mostraron coeficientes de difusión de oxígeno y de transferencia de masa
de oxígeno variables, con hasta un orden de magnitud de diferencia.
Es necesario que sean esclarecidos algunos parámetros concernientes a estos materiales y a su
desempeño, para identificar claramente sus ventajas y desventajas, aquellos que se consideran más
importantes son: la capacidad de intercambio de iones, coeficientes de difusión y transferencia de
sustrato y oxígeno, resistencia interna de la membrana y espesor de la misma. No obstante, solo
pueden encontrarse algunas de estas variables o ninguna en cada estudio, por lo que un análisis
comparativo seria infructuoso en este punto.
8.3.1.3.1.2 Membranas de intercambio Aniónico (AEM).
Uno de los problemas presentados en el uso de materiales separadores es la “retarded transfer
of proton from the anodic chamber to the cathodic chamber (or cathode), which leads to pH
91
splitting, i.e., pH increase in the cathodic chamber and decrease in the anodic chamber” (Wen-Wei,
Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing, 2011, pág.244). Como una alternativa para solucionar este
problema presentado, se ha considera el uso de la AEM, ya que estos materiales, permiten obtener
una tasa de transferencia de protones más alta mediante el uso de un tampón aniónico en el catolito
(Pandit, Ghosh, Ghangrekar, & Das, 2012).
Arges, Ramani, & Pintauro (2010) definen la actuación de las AEMs de la siguiente manera:
In an AEMFC, hydroxide ions are generated during electrochemical oxygen reduction at the cathode.
They are transported from the cathode to the anode through the anion conducting (but electronically
insulating) polymer electrolyte, wherein they combine with hydrogen to form water. The electrons
generated during H2 oxidation pass through the external circuit to the cathode, where they participate in
the electrochemical reduction of oxygen to produce OH- (pág.31).
Con el objetivo de evaluar la factibilidad de alcanzar una mejor generación de energía en la
CCM mediante el uso de una membrana de intercambio aniónico, los investigadores Pandit,
Ghosh, Ghangrekar, & Das (2012) evaluaron el desempeño de CCMs de doble cámara de placa
plana usando una AME comercial (Ralex AMH) y una CEM (Nafion 117). En la experimentación
se observó que la diferencia entre el pH final e inicial del catolito (∆pH) fue de 1,8 para CEM y
0,27 para AEM, reconociéndose así que la AEM tiene una mejor capacidad de prevenir el gradiente
de pH a través de la membrana que la CEM, lo cual consecuentemente causa que las pérdidas de
voltaje asociadas al gradiente de pH, sean menores en la CCM al emplear como separador la
membrana AEM que al implementar la CEM. Las más altas densidades de potencia obtenidas
fueron 39,2 ± 7,39 mW/m2 para Nafion y 57,8 ± 5,509 mW/m2 para Ralex AME, “these results
clearly indicate AEM has better potential to give voltage and therefore comparatively high power
generation” (pág. 9387).
Posteriormente, Leong, Wan Daud, Ghasemi, Liew, & Ismail (2013) reconocieron las ventajas
de la fabricación de estos materiales compuestos poliméricos como membranas en celdas de
combustible microbianas, frente a las membranas comerciales ya que tienen la ventaja de adquirir
las características de sus componentes individuales y generar una membrana multifuncional.
92
Mahendiravarman & Sangeetha (2013) iniciaron el desarrollo de un nuevo material de este
tipo como membrana de intercambio de aniones compuesto de cetona de polietereter cuaternizado
(QPEEK por siglas en ingles), del cual evaluaron el desempeño de este en función de la porosidad
y lo compararon con una AEM comercial (AMI-7001) bajo las mismas comparaciones
operacionales. Al realizar la comparación de la estructura interna de ambas membranas mediante
espectroscopia electrónica, se encontró que la porosidad asociada a la membrana QPEEK es casi
nula, lo cual por un lado dificulta el paso de oxígeno y sustrato entre las cámaras y, por otro lado,
impide el paso y/o la colonización de la membrana por parte de microorganismos del ánodo. El
limitado paso de oxígeno a través de la membrana a base de QPEEK, fue observado por el
coeficiente de transferencia de oxígeno determinado (2,1 x10-5 cm/s), mucho menor al obtenido
para el AMI-7001 (1,03 x10-4 cm/s) como afirman Mahendiravarman & Sangeetha (2013). En
cuanto a la difusión del sustrato, se evidenció un incremento de acetato en la cámara catódica, dado
que puede haber paso de metabolitos derivados de la actividad microbiana. Estas propiedades
permitieron obtener resultados de voltaje, potencia volumétrica y eficiencia coulómbica para
QPEEK con valores respectivos de 700 mV, 60W/m3 y 66 ±5 % y para AMI-7001 681 mV, 52W/m3
y 51 ± 7%. No obstante, no podría considerarse esto como un aumento en el rendimiento
electroquímico de la celda con QPEEK, debido a que no se confirmó si la diferencia entre estos
datos es estadísticamente significativa, dada la incertidumbre en la que pueden incurrir.
Por otro lado, el estudio de la durabilidad de los materiales y el proceso de deformación de las
membranas ya ha arrojado las primeras propuestas por parte de los investigadores para controlar
este fenómeno. Zhang X, Cheng, Huang, & Logan (2010a) determinaron que esta deformación se
debe al hinchamiento de la membrana por la absorción de agua y gases, lo cual podría conllevar a
la reducción del pH en estos espacios. El grupo investigador propuso el empleo de malla de acero
inoxidable para impedir la deformación de la membrana comercial AMI-7001. La medida generó
un incremento significativo de la potencia volumétrica de la celda, desde 16 ± 2 W/m3 hasta 46 ±
4 W/m3 a pesar de que el acero inoxidable es susceptible a la formación de óxidos metálicos que
inhiben la conducción (Godwin, Evitts, & Kennell, 2012).
Posteriormente, Mahendiravarman & Sangeetha (2013) identificaron algunos cambios físicos
y químicos, que sufren las membranas de QPEEK y AMI-7001 cuando son empleadas durante
93
tiempos de operación mayores a 200 días. Los resultados mostraron que para la membrana
comercial AME, pueden efectuarse cambios importantes en el transcurso del tiempo dado que estas
pueden deformarse, cambiar su coloración debido a deshidroclorinación del cloruro polivinil y
perder rigidez; luego del tiempo de operación, la membrana QPEEK no mostró cambio en
coloración, solamente una ligera deformación del material.
En resumen, varios autores consideran que las membranas de intercambio aniones poseen
rendimientos mayores a las comúnmente usadas membranas de intercambio de cationes
(Mahendiravarman & Sangeetha, 2013; Zhang X. , Cheng, Huang, & Logan, 2010), se destaca que
“noted advanteges of AEMs included lower ion-transport resistance, reduced membrane fouling
and cathode resistence […] pH gradients are smaller across this membrane than those obtained
with a CEM.” (Mahendiravarman & Sangeetha, 2013, pág. 2472). Como se ha evidenciado, el
desarrollo de nuevos materiales se inició en los últimos años, sin embargo, se siguen dejando de
lado los aspectos económicos en la fabricación de estos materiales, tal duda surge con el desarrollo
del QPEEK, que a juzgar por el estudio presentado donde se detalló las etapas de producción, estas
son de considerable complejidad puesto que se demandan condiciones tales como temperaturas
desde los -10°C hasta los 60°C y un gran número de reactivos altamente concentrados.
Incursionando en materiales económicamente accesibles como membranas de intercambio de
aniones, se han adaptado materiales poliméricos para controlar las problemáticas asociadas a la
membrana. El empleo de membrana de alcohol polivinilico (PVA) y cloruro de
polidialildimetilamonio (PDDA) se ha documentado por parte de Pandit, Khilari, Bera, Pradhan,
& Das (2014), quienes obtuvieron desempeños superiores en la generación de energía frente a
membranas comerciales tanto AEM como CEM. El estudio plantea la necesidad del empleo de
materiales con propiedades antibacterianas, lo cual inhibe el crecimiento de una biopelícula en la
membrana prolongando de esta forma su vida útil.
Se ha reportado anteriormente que el empleo de membranas compuestas, en este caso de dos
materiales poliméricos, permite que la membrana posea las propiedades de ambos compuestos.
Para este caso, no solo la membrana de PVA-PDDA obtiene las características antimicrobianas del
PDDA, sino también el incremento de la conductividad iónica derivada de su uso, dado que este
94
polímero es un compuesto hidrofílico capaz de absorber agua, lo cual incrementa la movilidad de
los iones (Pandit, Ghosh, Ghangrekar, & Das, 2012).
Sin embargo, también se ha identificado que la composición de la membrana debe ser ajustada
en cuanto a la proporción de masa de sus componentes. En primer lugar, el PVA fue empleado
como aglutinante cuyo contenido tuvo efecto en la generación de energía, obteniendo valores
óptimos con contenido de 0,5 g/cm2, ya que a menor relación peso/área no se obtuvieron
incrementos significativos de la potencia, más a valores superiores, la naturaleza no conductiva
del polímero puede afectar la generación de energía. En segundo lugar, el contenido de PDDA
alcanzó su valor óptimo con relaciones peso/peso de 60 %w/w, valores superiores a este pueden
generar un aumento en la absorción de agua, disminuyendo de esta forma la concentración de los
portadores de carga, de igual manera una disminución del contenido y de la absorción de agua
reduce la movilidad de los iones.
Al igual que para el caso de las CEM,
la membrana AEM también se ha evaluado
en función del deterioro de la membrana
por biocontaminación de la misma, sin
embargo, no se ha llegado a una evaluación
cuantitativa mediante modelación. Los
primeros análisis de la contaminación de
estas membranas se realizan mediante
observación de Microscopia Electrónica de
Barrido (por sus siglas en ingles SEM).
Para el caso de las distintas membranas
estudiadas por Pandit, Khilari, Bera,
Pradhan, & Das (2014), se puede realizar
una comparación clara de la susceptibilidad
a la contaminación de Ralex AEM, PVA-
STE CEM, y PVA-PDDA 60 wt% (Ver
Figura 25).
Figura 25. Imagen SEM de membrana de PVA-PDDA antes
y después de la contaminación (A, B) 20 wt% PVA-PDDA y
(C, D) 60 wt% PVA-PDDA, (E, F) membranas bioensuciadas
de PVA-STA CEM y Ralex AEM. Fuente: Pandit, Khilari,
Bera, Pradhan, & Das (2014),
95
La imagen muestra claramente que la membrana de PVA-PDDA 60 wt% desarrolló menor
cantidad de comunidades microbianas en comparación con la CEM de PVA-STE y la membrana
comercial Ralex AEM. Esto gracias a que el PDDA tiene contenido de grupos amino cuaternarios
cargados de forma permanente (Carmona-Ribeiro & de Melo Carrasco, 2013). Los compuestos
con grupos de amino cuaternario son surfactantes anfóteros, ampliamente empleados en campos
de la salud e industria, su efectividad como compuestos antimicrobianos radica en la perturbación
del citoplasma y las bicapas lipídicas de la membrana exterior, a través de la asociación de los
grupos de nitrógeno cuaternario cargados positivamente con la cabeza polar de los grupos de
ácidos fosfolipídicos (Gilbert & Al-Taae, 1985; McBain, Ledder, Moore, Catrenich, & Gilbert,
2004) de las membranas celulares.
En términos generales, mediante el análisis de los distintos materiales compuestos para AEM’s
con respecto a otras membranas comerciantes (Ver Anexo 2), se han obtenido resultados
notablemente favorables, al menos en cuanto a la escasa permeabilidad evidenciada al transporte
de oxígeno en estas.
8.3.1.3.1.3 Membrana Bipolar (BPM).
Estas membranas están conformadas por una membrana de intercambio aniónico (AEM) y una
membrana de intercambio catiónico (CEM). En la interface generada entre estas, ocurre una
reacción de disociación del agua, la cual conlleva a la formación de protones e iones hidroxilo,
que son transportados simultáneamente, los protones migran a través de la CEM y los iones
hidroxilo a través de la capa de AEM (Harnisch & Schröder, 2009) .“De esta forma se elimina el
transporte competitivo de otros cationes y aniones, y también se reduce la acumulaciones de
protones en la cámara anódica” (García Bernal, Escudero, De Los Ríos, Lozano Blanco, &
Godínez, 2012, pág. 67).
Heijn E, Ham Elers, De Wilde, Rozendal, & Buisman (2006) investigaron la viabilidad de
utilizar la pareja redox Fe3+/Fe2+ como un mediador de electrones catódico para la reducción de
oxígeno, y ya que el gradiente de pH obtenido con la membrana CEM impide mantener el pH
catolito bajo (<2,5) que es requerido para mantener al hierro férrico soluble, se consideró construir
96
una CCM de placa plana con electrodos de fieltro de grafito, la cual emplea una membrana bipolar
(fumasep FBM, FuMA-tech GmbH, St. Ingbert, Alemania). Se reconoció que el voltaje obtenido
a través de la membrana, el cual fue determinado a partir de la diferencia de potencial entre el
cátodo y el ánodo de referencia (Ag/AgCl), estuvo entre los -200 y -250 mV; sin embargo, se
necesitó una caída del voltaje en la membrana bipolar para iniciar la disociación del agua, la cual
se estimó que fue en el de -0,21 V, siendo suficiente para llevar a cabo dicha reacción, comprobada
por la disminución en el pH del catolito durante la reducción de hierro férrico. El estudio permitió
concluir que “The MFC with a bipolar membrane combined with ferric iron reduction on a graphite
cathode is shown to have a high Coulombic efficiency and energy recovery.” (pág. 5204).
En estudios posteriores, Heijn E y otros (2010), y Fradler, Michie, Dinsdale, Guwy, y Premier
(2014) también emplearon estas membranas en procesos simultáneos de generación de energía y,
además, en procesos remoción/recuperación de metales como cobre y zinc. En estos dos procesos,
las diferencias de pH entre las cámaras de la celda no solo son aún más marcadas, sino que son
necesarias. Lo anterior debido a que se requiere un pH ácido en la cámara catódica para mantener
los iones metálicos en solución y evitar que estos precipiten como es el caso del cobre, que a pH
> 4,5 pasa a ser CuO o Cu2O. Para estos estudios, el posible paso de los iones metálicos a la cámara
aniónica en presencia de una membrana bipolar no se ha registrado, por lo que puede asumirse una
excelente selectividad y permeabilidad de esta membrana, aunque bien Fradler, Michie, Dinsdale,
Guwy, & Premier (2014) especulan que para el caso de recuperación de zinc, este podría estar
presente en el área de transición de la membrana en forma de hidróxido, de igual forma afirman
que dadas las bajas densidades de corriente características de las CCMs y los bajos valores de pH
asociados a estos procesos en la cámara catódica, puede reducirse la resistencia a la polarización
lo cual mejoraría el desempeño de la celda al reducir los cambios en el voltaje de los electrodos.
Se requiere de más estudios que evalúen la idoneidad de este tipo de membranas bajo las
condiciones estándares de operación de una CCM puesto que el estudio presentado muestra la
viabilidad de emplear la BPM para reducir el pH del catolito, que en este caso particular mejora el
rendimiento de la celda en otros procesos acoplados con la generación de energía, por los cuales
pueden crearse relaciones sinérgicas que contribuyan en este proceso. Sin embargo, en los
documentos analizados no se ha identificado de forma clara alguna ventaja para la producción de
97
electricidad que está directamente vinculada con el empleo de las membranas bipolares. No
obstante, pueden establecerse que una de las ventajas relacionadas de forma directa con estas, es
la innecesaria aplicación de soluciones amortiguadoras para mantener pH neutros en la cámara
anódica, lo cual otorga aún más autonomía al sistema.
8.3.1.3.2 Separadores de tamaño selectivo.
Este tipo de membranas no distingue entre iones, además tienen un tamaño de poro más grande
que las IEMs para facilitar la transferencia total de la carga, mostrando en general, una capacidad
de transferencia de protones mayor y una mejor aplicación que las IEMs como separadores (Wen-
Wei, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing, 2011). Acorde al tamaño del poro se distinguen dos tipos
de separadores en esta clasificación: membranas de filtración microporosa y filtros de poro ancho.
8.3.1.3.2.1 Membrana de filtración microporosa.
Aunque estas membranas se han considerado para su aplicación en CCMs, sobretodo han sido
empleadas como separadores en sistemas de tratamiento de aguas residuales puesto que ofrecen
un buen rendimiento en cuanto a filtración, además, pesentan una alta durabilidad y se considera
que son más económicas que la mayoría de membranas de intercambio de iones-IEM (Wen-Wei,
Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing, 2011). Este grupo comprende las membranas de
microfiltración (MFMs) y las membranas de ultrafiltración (UFMs). Mediante estas, se “aíslan a
las soluciones catódica y anódica permitiendo que especies cargadas o neutras las atraviesen si el
tamaño de poro es el adecuado, favoreciéndose la transferencia de protones” (García Bernal,
Escudero, De Los Ríos, Lozano Blanco, & Godínez, 2012, pág. 68). Poseen algunas limitaciones
como el aumento de la permeabilidad al oxígeno y al sustrato, y una alta resistencia interna (Wen-
Wei, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing, 2011).
Tanga, Guoa, Li, Dua, & Tianc (2010) evaluaron, el rendimiento de una membrana de
microfiltración (MFMs) con respecto a la PEM, en términos de máxima densidad de potencia y
eficiencia coulómbica, entre otros aspectos. Para lo cual, se operaron dos CCMs: la CCM1, la cual
empleo la membrana Nafion 117 y la CCM2, que usó una membrana de acetato de celulosa. En la
cámara del ánodo de ambas CCMs se bombeó 150 ml de medio de acetato.
98
En este estudio, por un lado, se observó que el pH obtenido en las cámaras anódica y catódica
de la CCM1 fue de 6,4 y 9,5 respectivamente, contándose con diferencia total de 3,1 unidades de
pH. Por otro lado, los valores de pH correspondientes en la CCM2 fueron de 6,9 y 8,0, diferencia
de 1.1 unidades. Con estos resultados se demostró que con la MFM se logró la disminución del
gradiente de pH entre el ánodo y el cátodo. Sin embargo, el coeficiente de transferencia de masa
de oxígeno para la MFM fue de 5,9 x10-4 cm/s, más grande que para la PEM, el cual fue de 1,4
x10-4cm/s; esto indicó a los investigadores, que hubo mayor difusión de oxígeno desde la cámara
del cátodo a la del ánodo en la celda de combustible microbiana que empleó la MFM, siendo
consistente con el resultado de que la eficiencia coulómbica en CCM1 (74,7 ± 4,6%), el cual fue
mayor que en la CCM2 (38,5 ± 3,5%).
Un comportamiento similar al descrito en el anterior estudio, fue posteriormente obtenido por
el grupo investigador de Hou, Sun, & Hu (2011) quienes también realizaron un estudio
comparativo de las MFM y PEM, observando de igual forma las tendencias previamente descritas,
un coeficiente de transferencia de masa de oxígeno superior para la MFM con respecto a la PEM,
con resultados de 4,98 x10-4 cm/s y 2,05 x10-4 cm/s respectivamente; el grupo adjudicó este
comportamiento frente a la difusión de oxígeno, al tamaño de poro de las membranas. La eficiencia
coulómbica para la MFM y PEM (7,25% y 19,9% respectivamente) por otro lado, pudo deberse a
la difusión de sustrato de la cámara anódica a la catódica pudo causar la oxidación directa del
mismo en el electrodo —revestido de Pt en este estudio—, que a su vez depende también de la
porosidad de la membrana. Los investigadores sugieren que deben realizarse mayores esfuerzos
para adaptar el tamaño y grosor de los poros de las MFMs, y de que esta forma se pueda mejorar
su eficiencia coulómbica (Tanga, Guoa, Li, Dua, & Tianc, 2010; Hou, Sun, & Hu, 2011).
Respecto a la evaluación de densidades de potencia máxima obtenida en el estudio de Tanga, Guoa,
Li, Dua, & Tianc (2010), estas fueron 0,872 ± 0,021W/m2 en CCM1 (con membrana Nafion 117)
y 0,831 ± 0.016W/m2 en CCM2 (con membrana de acetato de celulosa), lo cual permitió reconocer
que las MFMs eran tan eficaces como las PEMs en la potencia de salida. Similitudes de este tipo
también fueron obtenidas por Hou, Sun, & Hu (2011) en donde se determinó que las resistencias
internas de las celdas que emplean membranas de microfiltración (237 Ω) son muy cercanas a las
99
obtenidas con la PEM (186 Ω). Por tanto, puede decirse que estos estudios concuerdan con la
conclusión de Tanga, Guoa, Li, Dua, & Tianc (2010): “Microfiltration membrane shows promising
performances in MFCs: reducing pH gradient across the membrane, keeping a similar internal
resistance and power density as PEM” (pág.198). Esta membrana se ve incluso más prometedora
a nivel de costos al comparar el valor del metro cuadrado de las membranas de microfiltración
(USD $20), mucho más económica respecto a las membranas PEM como el Nafion (USD $1400).
Aunque también debe tomarse en consideración lo afirmado por Hou, Sun, & Hu (2011b) quienes
identificaron que la principal limitación de estas membranas de microfiltración, asociada a los
elevados coeficientes de transferencia de sustrato a la cámara catódica en comparación con la PEM
(5,08 x10-5 cm/s para MFM y 7,72 x10-10 cm/s para PEM), conlleva a “run a risk for the
degeneration of the cathode catalyst” (pág. 4437) en caso de emplearse en la CCM.
Hou, Sun, & Hu (2011) también llevaron a cabo la comparación de estas dos membranas frente
a las membranas de ultrafiltración (UFMs). La ultrafiltración es definida como “a filtration process
that separates particles base don the molecular weight” (Padilla & McLellan, 1989, pág. 1250).
Por tanto, en primer lugar, se evaluó el desempeño de la celda al emplear la UFM, frente al peso
molecular limite (MWCO del inglés, Molecular Weight Cut Off) expresada comúnmente en
kilodalton (kDa) de 1kDa, 5kDa y 10kDa. Los resultados mostraron que al incrementar los valores
de MWCO desde 1kDa a 10kDa, las densidades de potencia máximas disminuyeron desde 324
mW/m2 hasta 54 mW/m2; las resistencias internas aumentaron de igual manera desde 101 Ω hasta
713 Ω. En segundo lugar, al comparar los valores de transferencia de masa tanto de oxígeno y
sustrato observados para estas membranas, se obtuvieron valores intermedios con respecto a las
PEM y MFM anteriormente analizadas. No obstante, las densidades de potencia y resistencias
internas medidas tuvieron variaciones importantes.
Los valores correspondientes de cada una de las membranas analizadas por el estudio y los
principales parámetros empleados para analizar el desempeño de cada uno pueden visualizarse en
la Tabla 10. El desempeño electroquímico de la UFM-1kDa (Ver Tabla 10) superó todas las
membranas mencionadas en este apartado, por lo que sumado con su relativo bajo costo (US
$160/m2) fue considerada por Hou, Sun, & Hu (2011) como la más adecuada para su aplicación
en CCMs.
100
Tabla 10. Parámetros del desempeño electroquímico y de transferencia de masa para los separadores de MFM,
UFM-1K, UFM-5K, UFM-10K y PEM. Coeficientes de transferencia de oxígeno (DO), coeficiente de transferencia
de sustrato (DS).
Propiedad de la membrana PEM UFM-1kDa UFM-5kDa UFM-10kDa MFM
DO (cm2/s) 3.89 x10-6 8.44 x10-6 8.57 x10-6 8.95 x10-6 9.96 x10-6
DS (cm2/s) 7.72 x10-11 2.47 x10-10 4.51 x10-9 1.31 x10-8 1.02 x10-6
Resistencia Interna (Ω) 166 101 212 713 118
Eficiencia Coulómbica (%) 19.9 14.5 11.7 8.3 7.25
Máxima Densidad de Potencia
(mW/m2) 186 324 138 54 237
Fuente: Adaptado por autoras de Hou, Sun, & Hu (2011).
Estos estudios comparativos, son los que más claridad generan frente a las características y
propiedades de los distintos materiales, las ventajas y desventajas que estos conllevan para las
CCMs. De igual forma, proporcionan información que permite evidenciar los puntos clave que son
susceptibles de ser optimizados, en posteriores investigaciones.
8.3.1.3.2.2 Filtros de poro ancho.
Acorde a Wen-Wei, Guo-Ping, Xian-Wei, & Han-Qing (2011), “any permeable material can
serve as a separator for MFCs as long as it allows charge transfer and has insulation characteristic
to prevent short circuit” (pág. 247). Algunos de los materiales considerados en este grupo son, por
ejemplo, tela J-Cloth, la fibra de vidrio y malla de nylon.
Respecto a la tela J-Cloth, en busca de reducir la difusión de oxígeno en la cámara anódica y
mantener una densidad de potencia alta en las CCMs de una sola cámara, los investigadores Fan,
Hu, & Liu (2007) evaluaron la viabilidad de emplear este material como separador en CCMs bajo
esta configuración. La experimentación permitió reconocer que en ausencia de J-Cloth, la CCM
genera una densidad de potencia máxima de 80 W/m3, pero que esta disminuyó al colocar capas
de este material continuas a la cara contra el agua de los cátodos de las celdas, observándose una
reducción del 30% al adicionar tres capas del material (55 W/m3). Este suceso correspondió a un
101
incremento de la resistencia interna de 82 Ω en ausencia de J-Cloth, alcanzando un valor de 105
Ω para la tercera capa. Sin embargo, la eficiencia coulómbica se vió beneficiada con la presencia
de J-Cloth, lográndose una EC del 71% a una densidad de corriente de 0,6 mA/cm2 con dos capas
del material, que es más de 100% mayor que sin J-Cloth (35%) a la misma densidad de corriente,
lo cual puede ser atribuido a la capacidad del material para bloquear el paso del oxígeno hacia el
ánodo, promoviendo la actividad plena de los microorganismos durante la conversión de sustrato
en energía.
El grupo investigador también probó la configuración del separador y los electrodos en un
montaje de electrodo de tela (CEA, por sus siglas en inglés), para investigar si al aumentar la
relación del área del electrodo respecto al volumen de la celda, se mejoraría de la densidad de
potencia volumétrica. Este montaje consistió en la ubicación de los electrodos ánodo y cátodo en
un extremo de la celda, colocando en medio de estos, dos capas de J-Cloth; también se examinó la
ubicación de dos grupos de CEA en ambos extremos del reactor (Ver Figura 26). Con un volumen
de la celda de 6 mL a 3 mL se alcanzó una densidad de potencia volumétrica de 303 W/m3. Cuando
la relación del área del electrodo al volumen de la celda se incrementó aún más, mediante el uso
de CEAs dobles y un volumen de celda de 2,5 mL, una densidad de potencia de 627 W/m3 se
consiguió a una densidad de corriente de 0.28 mA/cm2. El estudio permite considerar el uso de J-
Cloth como una alternativa económica respecto a sofisticadas y costosas membranas como la
Nafion. Sin embargo, este material presenta una dificultad que limita su aplicación a largo plazo y
es su biodegradabilidad.
Figura 26. Esquema de las CCMs empleadas por Fan, Hu, & Liu (2007): (A) sin J-Cloth, (B) con J-Cloth, (C) con
un solo CEA (montaje de electrodo de tela), y (D) con el doble CEAs. Fuente: Fan, Hu, & Liu (2007).
102
Zhang, Cheng, Wang, Huang, & Logan (2009), reconociendo la limitada vida útil de J-Cloth,
examinaron el uso de separadores de fibra de vidrio (de 1,0 mm y 0,4 mm de espesor) y compararon
su rendimiento en términos de densidad de potencia volumétrica y eficiencia coulómbica, con
respecto a J-cloth y una membrana de intercambio catiónico (CMI-7000). Los investigadores
también consideraron evaluar una configuración semejante al montaje de electrodo de tela (CEA)
empleado por Fan, Hu, & Liu, 2007, al cual denominaron montaje de electrodo único separador
(SSEA, por sus siglas en inglés) y un montaje de electrodo doble separador (DSEA). En general,
se evaluaron cuatro disposiciones del separador en una CCM de cámara única, con cátodo al aire,
como se ilustra en la Figura 27.
Figura 27. Configuraciones experimentales evaluadas en el experimento de Zhang, Cheng, Wang, Huang, & Logan
(2009). NS: sin separador y los electrodos separados a 2 cm de distancia; S: con un separador colocado adyacente al
cátodo, con separación entre electrodos de 2 cm; SSEA: montaje de electrodo único separador; DSEA: dos CCMs
con doble montaje de electrodo único separador, uno a cada lado y con un espaciamiento de 2 cm entre los
electrodos (DSEA2) o con 0,3 cm de espaciamiento (DSEA0.3).
Fuente: Zhang, Cheng, Wang, Huang, & Logan (2009).
Los resultados demostraron que la configuración con el doble montaje del separador
intercalado entre los electrodos —DSEA, para esta investigación—, tal como fue obtenido por
Fan, Hu, & Liu (2007), permite obtener la mayor densidad de potencia máxima volumétrica
durante la experimentación, lo cual se evidenció cuando al emplear fibra de vidrio de 1 mm de
espesor en el DSEA2, se obtuvo un valor de 150 ± 6 W/m3, la cual fue más del 115% de la potencia
que producido con un sola SEA empleando J-Cloth (64 ± 1 W/m3). Además, al disminuir la
distancia entre los electrodos a 0,3 cm, produjo una disminución en la resistencia óhmica de 5,9 ±
103
0,1 a 2,2 ± 0.1 Ω, y la densidad de potencia aumentó a 696 ± 26 W/m3. Se puede decir que se
obtienen mejores resultados al emplear el separador de fibra de vidrio de 1 mm respecto a J-Cloth,
alcanzando una CE de 81%, a una densidad de corriente de 3,85 A/m2.
Respecto a estos estudios, mediante los que se contempla como una oportunidad para mejorar
el rendimiento de la CCM, la implementación del doble montaje del separador entre los electrodos
(CEA y SEA), se observó que en ninguno de estas investigaciones se consideraron los costos
asociados a la construcción de la celda bajo esta configuración, lo cual podría limitar la
implementación real de estos montajes en la producción a gran escala de esta tecnología, ya que
podrían elevar la inversión requerida por la celda, al demandar doble inversión en los materiales
electrodos.
Dando continuidad a la evaluación del separador de fibra de vidrio, y explorando otros
materiales como el nailon, Zhang, Cheng, Huang, & Logan (2010a) examinaron el efecto de
tamaño de poro de estos separadores en el rendimiento de CCMs de cámara única con cátodo al
aire. Para este fin, emplearon filtros de Nailon con un tejido normal o una disposición aleatoria de
las fibras, y filtros de fibra de vidrio de diversos diámetros.
Respecto a las fibras de vidrio, al examinar la incidencia del tamaño del poro (0,7 µm, 1,0 µm
y 2,0 µm), se observó que el cambio de estos tamaños, tuvo un efecto pequeño sobre las densidades
de potencia máximas que variaron entre 716 ± 60 a 779 ± 43 mW/m2. Se obtuvieron también
valores similares de eficiencia coulómbica para densidades de corriente entre los 0,8 a 4,0 A/m2
(entre el 30 y 70 % aproximadamente). Estos resultados, de acuerdo los investigadores, podrían
atribuirse a la limitada variación del tamaño del poro.
Se obtuvieron datos más relevantes durante la evaluación del filtro de nailon, reconociéndose
que, a mayor tamaño de poro, mayor densidad de potencia; por lo cual, se alcanzó la densidad de
potencia máxima de 941 ± 47 mW/ m2 (3,0 A /m2) con el tamaño de poro más grande evaluado
(160 µm). Por el contrario, la eficiencia coulómbica para este material aumento con la reducción
del tamaño de poro del nailon de 160 µm a 0,2 µm (18—38% y 36—76%, respectivamente, a una
densidad de corriente de 0,7 a 4,8 A/m2); sin embargo, las ECs al emplear con un tamaño de poro
104
de 160 µm fueron ligeramente mayores a las CCMs sin ningún separador, con porcentajes entre
15% y 33% para el mismo rango de densidades de corriente.
Por lo anterior, se reconoció que las celdas que emplean este tipo de material separador siguen
la tendencia de que, cuando la densidad de potencia máxima aumenta, disminuye la eficiencia
coulómbica. Este suceso se atribuye a que el aumento del tamaño del poro del filtro, aumenta el
flujo del oxígeno del cátodo al ánodo, aumentando las pérdidas del sustrato, lo cual afecta la
eficiencia coulómbica, puesto que esta representa la fracción de energía que se obtiene del sustrato.
Sin embargo, un tamaño de poro mayor permite un mejor flujo de protones hacia el compartimiento
catódico contribuyendo al aumento de la densidad de potencia, por lo cual, los investigadores
concluyen que “in general there is a trade off in using separators in MFCs as CE can be increased
by reducing oxygen transfer, but power will be reduced due to impeded transport of protons to the
cathode” (Zhang, Cheng, Huang, & Logan (2010a), pág. 664).
Una opción innovadora para la ampliación de las opciones referentes a materiales separadores
en CCMs es la explorada por Zhuang, Zhou, Wang, Liu, & Geng (2009), quienes evaluaron la
viabilidad del montaje de cátodo de tela (CCA, Cloth Cathode Assembly en inglés) a partir de uso
de paño del lienzo no conductor en una CCM tubular con cátodo al aire (Ver Figura 28). Para la
fabricación del CCA, se mezcló pintura conductora (a base de Níquel y de grafito) y como
catalizador se empleó MnO2, lo anterior se aplicó
sobre paño del lienzo y se dejó secar al aire a
temperatura ambiente. Para hacer impermeable a la
tela, al otro lado del paño de lienzo se cubrió con
una mezcla de flúor de polivinilideno (PVDF) y de
N-metil-2-pirrolidona. Las CCMs se construyeron
de manera similar a la CCM de cátodo al aire y de
flujo ascendente diseñada por You y otros (2008)
—cuyas características se mencionan en el
apartado 7.1.2.1—, empleando un tubo de PVC
con agujeros distribuidos uniformemente. Se anidó
fieltro de grafito en forma de rollo dentro de la
Figura 28. CCM tubular con CCA: (A)
configuración esquemática. (B) fotografía de la
CCM tubular con CCA. Fuente: Zhuang, Zhou,
Wang, Liu, & Geng (2009).
105
cámara, el cual además fue llenado con gránulos de grafito. Por último, el CCA a base de níquel y
el CCA a base de grafito fueron envueltos y unidos en torno a las cámaras cilíndricas de sus
correspondientes celdas.
Las densidades de potencia máxima superficial fueron mayores en el CCA a base de Níquel,
que, en el CCA a base de grafito, logrando valores de 86,03 y 24,67 mW/m2, respectivamente.
También se reconoció que, para los montajes evaluados, la eficiencia coulómbica fue una función
de las densidades de corriente, con un rango de 28,4 a 35,3% a base de Níquel y 17,8 a 22,2% para
el CCA a base de grafito. Los porcentajes bajos reflejan el problema que en general presenta el uso
de aguas residuales —que para el estudio, proceden de una cervecería— en estos dispositivos, la
cual, acorde a los investigadores, está dada por una limitada biodegradabilidad de los compuestos
orgánicos presentes en estas, aunque también atribuyen estos resultados a la alta permeabilidad al
oxígeno de la tela de lona, permitiendo la difusión de oxígeno hacia el ánodo y consecuentemente
promoviendo el problema de respiración aerobia que ya sea mencionado.
8.3.1.3.3 Puente Salino.
Este tipo de separadores no están constituidos como una membrana propiamente dicha, sino
como una solución con una determinada concentración de sales que permiten el paso de cationes
entre las cámaras. No se han encontrado estudios recientes sobre el desempeño de estos
separadores con respecto a las membranas convencionales, no obstante, se hace evidente su
conveniencia debido a sus bajos costos de fabricación.
Para comparar el rendimiento obtenido en celdas de combustible microbianas, al emplear una
PEM Nafión respecto al uso de un puente salino, Min, Cheng, & Logan (2005) construyeron CCMs
de doble cámara a partir de botellas de medición empleando G. metallireduce como inóculo, a las
cuales adicionaron el respectivo material separador: una membrana Nafion 117 y un puente salino
elaborado mediante un tubo de vidrio en forma de U (longitud = 30 cm; diámetro interior = 0,6
cm), relleno con tampón fosfato salino (PBS, por sus siglas en inglés) y sellado con una punta de
Vycor en el extremo del tubo.
106
La densidad de potencia obtenida en la celda con la membrana inoculada con G.
metallireducens y citrato férrico, inicialmente fue muy baja (~0,1mW/m2), por lo cual se adicionó
cisteína para recoger químicamente el oxígeno difundido en la cámara del ánodo, lo cual aumentó
la potencia a 7,8 mW/m2. Respecto al voltaje inicial producido por la CCM con puente salino y G.
metallireducens como inóculo, se observó que el obtenido durante los primeros 100 h de
funcionamiento fue inferior a los 5 mV, y que este se incrementó al cambiar el resistor de 470 a
1000 Ω, lográndose una densidad de potencia media de 0,3 mW/m2. Al repetir el experimento
utilizando un nuevo ánodo, pero agregándose citrato férrico, la generación de energía aumentó a
0,9 mW/m2, luego se inyectó cisteína en la cámara de ánodo, observándose una potencia de salida
promedio que llegó a los 0,84 ± 0,02mW/m2. También se observó que la resistencia interna fue
mucho mayor al emplear puente salino (19920 ± 50Ω) que al emplear la membrana Nafión (1286
± 1Ω).
Los resultados llevaron a afirmar a los investigadores que “a critical factor in the power density
achieved in a two chambered system was the system internal resistance, which was primarily a
function of the proton exchange system” (pág. 1684). Mediante la investigación se observó, que si
bien ambos materiales presentaron permeabilidad al oxígeno, fue más fácil mejorar la generación
de energía en la CCM que empleó la membrana PEM mediante el control de la difusión de oxígeno
que al emplear el puente salino implementando semejantes medidas de optimización, lo cual,
puede deberse a que presenta otras limitaciones adicionales no examinadas, como podría ser un
trasporte de protones deficiente y mayor resistencia interna (Mohan & Das, 2009). Estos
hallazgos, por el momento, relegan la implementación de este tipo de separadores a una escala de
laboratorio.
Liu & Li (2007), también compararon el rendimiento de dos celdas inoculadas con R.
ferrireducens y alimentadas con 1 mmol/L de glucosa, empleando como separador la membrana
de intercambio de protones Nafión 117 y un puente salino (longitud = 4,5 cm, diámetro interior =
0,8 cm) preparado mediante agar (75 g / l) y KCl (25 g / L), respectivamente. Las celdas fueron
alimentadas con glucosa cuando el voltaje en estas disminuyó a casi cero, lo cual inmediatamente
provocó que la celda con PEM alcanzara un valor máximo de alrededor de 0,2 V, mientras que la
CCM con puente salino alcanzó un valor pico de aproximadamente de 0,1 V, el cual disminuyó a
107
0,05 V manteniéndose estable en este durante un largo tiempo. También se observó, que el
rendimiento coulómbico fue superior al emplear la PEM (34,89 C) que al emplear puente salino
(27,15 C), aunque el tiempo de duración del voltaje estable con la PEM (1 día) fue menor que con
el puente salino (3,5 días), lo cual es atribuido por los investigadores a la permeabilidad de oxígeno
de la PEM, el cual al pasar del compartimiento catódico al anódico podría ser empleado por R.
ferrireducens como aceptor de electrones, debido a que esta es una bacteria anaerobia facultativa,
causando consecuentemente la reducción del período de producción de electricidad de la celda.
La investigación desarrollada por Liu & Li (2007), permitó reconocer la importancia de
integrar los factores biológicos a la optimización de los materiales separadores, puesto que, como
se observó para el estudio, la sumatoria de las dificultades presentadas por la membrana Nafion
respecto a la permeabilidad del oxígeno, junto el cultivo puro de un microorganismo anaerobio
facultativo agravaron el rendimiento energético de la celda; por lo cual, comportamientos
semejantes, que perjudiquen o beneficien el rendimiento de estos materiales, podrían surgir al
variar el microorganismo intermediario de la actividad electroquímica de las CCMs.
Los resultados obtenidos por estos estudios, sugieren que el uso de puente salino aun no es lo
suficientemente óptimo para considerarse como un sustituto de la membrana Nafion, destacándose
la necesidad de mejorar su composición y estructura, pues no es competitiva respecto al material
comparado. También se reconoció, que la falta de un estudio a profundidad referente a sus
condiciones de construcción no permitió mediante estas investigaciones avanzar en su
mejoramiento.
Como respuesta a la anterior necesidad planteada, Kumar, Kumar, & Babu (2012) realizaron
la optimización de una CCM en base a varios parámetros, entre los cuales se encuentran las
dimensiones del puente salino, el tipo de sal empleada en su construcción y la concentración de
dicha sal, para la obtención de energía. Dentro del estudio se evaluó el desempeño en cuanto a
generación de voltaje a circuito abierto (OCV por sus siglas en inglés) al emplear NaCl, KCl,
NH4NO3, NH4Cl y una mezcla del 2,5% de las sales mencionadas, como componentes principales
del puente salino. “Among the different salts studied, the máximum OCV of 184.9 mV was
recorded by the salt bridge containing NaCl at 40 min with continuous and steady elevation in the
108
electric potential over time in comparison to other salts.” (pág. 444). Como resultado, se evaluaron
las distintas concentraciones del NaCl (5%, 10%, 15%, 20%) en donde se obtuvo un desempeño
óptimo con una concentración del 10% NaCl. Posteriormente, Kumar, Kumar, & Babu (2012)
evaluaron las dimensiones del puente salino en cuanto a longitud y radio del mismo, en el primero
se estudiaron longitudes de 1,5 cm, 3,0 cm y 5,0 cm obteniéndose el mayor valor de OCV con este
último (203,6 mV); de la misma forma se probaron dos valores del radio, 1cm y 2cm, obteniéndose
mayor OCV para el radio de 2 cm (199,6 mV). Sin embargo, los resultados del OVC observado en
este estudio fueron inferiores a los presentados por el puente salino empleado por Min, Cheng, &
Logan (2005), el cual fue de 560mV.
Con base en los datos anteriormente proporcionados puede evidenciarse que, a pesar de haber
optimizado la composición y dimensiones del puente salino, se obtuvieron cambios muy pequeños
en el voltaje a circuito abierto máximo obtenido, por lo que es necesario preguntarse ¿Cuál es la
influencia de las dimensiones del puente salino en la resistencia interna del puente, de la celda y
en el desempeño global de la misma?
8.3.1.4 Material del Ánodo.
El electrodo ánodo es aquel componente en la celda de combustible microbiana (CCM), al cual
son transferidos los electrones producidos por los microorganismos exoelectrógenos —aunque
también se liberan protones y CO2—durante la degradación de la materia orgánica, bajo las
condiciones anaeróbicas de la cámara anódica. Mediante un circuito externo, se transportan los
electrones generados hasta el cátodo, contribuyendo así al continuo flujo eléctrico del dispositivo.
Por esto, es de gran relevancia la composición del ánodo, ya que se precisa que este facilite la
actividad microbiana y la formación de una biopelícula sobre la superficie del mismo, y además
debe contar con apropiadas características de conducción eléctrica y ser químicamente estable para
evitar reacciones secundarias no deseadas, que podrían conllevar a la alteración del equilibrio del
sistema.
Dentro del grupo de materiales considerados para su aplicación como ánodos, “el material de
electrodo más versátil es el carbón, disponible como placas de grafito compacto, barras o gránulos”
109
(Falcón, Lozano, & Juárez, 2009, pág. 65). Respecto a las investigaciones realizadas referentes a
estos materiales carbonosos, en busca de electrodos competitivos, Wang, y otros (2009)
consideraron el uso de una malla de carbono, puesto que su estructura abierta podría ayudar a
reducir la contaminación biológica del mismo, además de presentar un bajo costo en el mercado
(25 $ por m2). Para este fin, compararon su rendimiento respecto al de una tela de carbón tratado
con un proceso de gas de amoníaco de alta temperatura, además exploraron algunos métodos
alternativos para mejorar el rendimiento de la malla de carbono. En definitiva, los cuatro electrodos
de malla de carbono empleados consistieron en: malla sin pretratamiento (CM, del inglés carbón
mesh), limpiada con acetona y luego enjuagada 5 veces en agua ultra pura (CM-C), calentada en
un horno de mufla a 450 °C durante 30 min (CM-H) y, finalmente una malla de carbono (CM-A)
que junto a la tela de carbono (CC-A), fueron tratadas mediante un proceso de gas amoniaco al
5%, bajo temperaturas 700 °C durante 60 min.
Los ánodos a su vez fueron evaluados mediante la inoculación de los reactores con aguas
residuales domésticas (AR) y con una suspensión pre-ambientada de bacterias (SB), alcanzando
los resultados de densidad máxima de potencia más altos (801 mW/m2 (AR) y 1015 mW/m2 (SB))
y más bajos (749 mW/m2 (AR) y 988 mW/m2 (SB)) con los electrodos de malla de carbono y la
tela de carbono pre-tratados térmicamente con gas amoniaco, respectivamente; con el ánodo
limpiado con acetona (624 mW/m2 (AG) 893 mW/m2 (SB)) y aquel tratado térmicamente (720 mW
/ m2 (AR) 922mW/m2 (SB)) se obtuvieron resultados de densidad de potencia intermedios. Los
investigadores asocian el incremento en la generación de energía logrado con el tratamiento de gas
de amoniaco, principalmente al aumento en la relación N/C. Sin embargo, el análisis FTIR (por
sus siglas en ingles Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier) de la malla de carbono
y tela utilizada aquí, no permitieron concluir la presencia de enlaces de nitrógeno, por lo cual, se
considera que probablemente, los grupos amino se produjeran en la superficie, facilitando la
transferencia de electrones desde las bacterias hasta los electrodos.
En general, todos los tratamientos influyeron en el área superficial activa de la malla de carbono,
área que corresponde principalmente a bordes planos y defectos responsables de las interacciones
con las especies adsorbidas (Vix-Guterl, Couzi, Dentzer, Trinquecoste, & Delhaes, 2004; Béguin,
y otros, 2005), observándose para la malla limpiada con acetona (CM-C) un área superficial activa
110
de 20 cm2 y un coeficiente de transferencia de carga de 0,32. Estos valores aumentaron con el
tratamiento por calentamiento a 58 ± 1 cm2 y 0,46 ± 0,03 cm2 respectivamente, aunque para el
tratamiento de gas amoniaco fue menor el área en mención siendo esta de 54 ±1 cm2, a pesar de
tener un coeficiente de transferencia mayor de 0,83 ± 0,03.
En los estudios revisados, la elección de la presentación de carbón como ánodo de las CCMs,
entre distintas opciones disponibles tales como, malla, barras, gránulos, placas, telas y otras; se
realiza en base al área superficial que esta ofrece, la importancia de este parámetro se ha discutido
previamente, sin embargo, los métodos para optimizar el material en función de este y otros
factores suelen ser variables. Mediante estudios, como el desarrollado por Wang, y otros (2009),
ya se ha discutido el pretratamiento de los materiales para obtener este resultado, no obstante, otra
técnica usualmente aplicada a los compuestos de carbono es el revestimiento con distintos
materiales para mejorar sus propiedades. Sun, y otros (2010), exploraron esta opción, elaborando
un nuevo material anódico formado por una capa de oro homogéneamente lograda mediante
pulverización catódica en una matriz de papel carbón.
Al comparar la generación de electricidad alcanzada en una CCM inoculada con un cultivo
puro de S. oneidensis RM-1, que empleó el ánodo compuesto de carbón y oro, respecto a dos
CCMs que implementaron respectivamente electrodos de papel carbón y de oro (lamina de vidrio
con pulverizado de oro) bajo las mismas condiciones de operación, se observó que, aunque
inicialmente, tanto la CCM con papel carbón como aquella equipada con el ánodo compuesto C-
Au lograron densidades de corrientes eléctrica máximas de 135 mA/m2 a las 20 h de inoculación,
al emplear el material anódico revestido se logró prolongar hasta 100 h el flujo de corriente de la
celda, con una densidad de corriente arriba de 50 mA/m2 la cual llegó a cero a las 70 h para la
celda con papel carbón; en la CCM con el ánodo de oro al descubierto, la corriente se incrementó
levemente después de inoculación y su valor máximo fue de sólo 22 mA/m2. Los investigadores
reconocieron que el oro pulverizado “significantly improved conductivity of the carbon paper, and
the electron transfers from the electrolyte to the electrode […] Such more readily electron transfer
was favorable for S. oneidensis MR-1 cells to attach to the electrode and donate electrons” (pág.
342).
111
Sin embargo, la aplicación de revestimiento metálico para mejorar la conducción de los
electrones, no ha sido del todo aceptada, considerándose que “A serious problema of th euse metal
in anode composite is the toxicity of metal dioxides, causing poisoning bacteria.” (Antonili, 2015,
pág. 68). Se han identificado otros materiales anódicos compuestos basados en carbono y
polímeros conductores, que son inocuos para la microbiota y facilitan el transporte de electrones.
El desempeño de estos materiales compuestos se ha afirmado, es superior a los materiales
convencionales de tipo comercial (Antonili, 2015).
En el campo de desarrollo de materiales anódicos basados en carbono y la optimización de sus
características, Chen, Cui, Wang, Wang, & Li (2015) identificaron la necesidad de que los
materiales de carbono empleados como ánodos en CCMs, tengan un tamaño de poro definido para
la adhesión de los microorganismos. Con base en esto, el grupo investigador desarrolló un material
de carbón con tamaño de poro definido (Defined Poresize Carbon, DPC), y evaluó la adhesión de
E. coli presente en el inóculo de la CCM empleada. Para este fin, el equipo empleó como moldes
esferas de SiO2 que fueron transferidas a solución acuosa de H2SO4 y luego calentadas,
posteriormente se carbonizó el residuo y se sujetó a un ataque químico con 10% ácido fluorhídrico.
El material se diseñó con un tamaño de poro de 400 nm, como puede apreciarse en la Figura 29,
en donde se observa que el diámetro es uniforme en el material.
El desempeño en la generación de potencia
empleando este material, se comparó entre la
CCM con ánodo de fieltro de carbono con
tamaño de poro definido y sin este. Los datos
muestran que “the performance of carbón felt
anode is significantly improved by using DPC.
The cell using carbón felt anode with DPC
yields far higher voltage and subsequently far
larger power output.” (Chen, Cui, Wang,
Wang, & Li, 2015, pág. 137). Lo anterior se confirma por las densidades máximas de corriente y
de potencia para el material sin tamaño de poro definido (3,6 mA/m2 y 402 mW/m2
respectivamente) y con tamaño de poro definido (13,4 mA/m2 y 1606 mW/m2).
Figura 29. Imagen mediante microscopia electrónica de
barrido, del carbono con tamaño de poro definido.
Fuente: Chen, Cui, Wang, Wang, & Li (2015).
112
El anterior incremento en la generación de energía, fue adjudicado en el estudio de Chen, Cui,
Wang, Wang, & Li (2015) a que el tamaño de poro permitió la colonización del ánodo por parte
de E. coli, lo cual fue confirmado por las imágenes de microscopia electrónica de barrido
mostradas en la Figura 30, en la cual pueden apreciarse las comunidades microbianas formadas en
el material de poro definido, e incluso la formación de nanowires, empleados como mecanismo de
transferencia extracelular de electrones.
Figura 30. Imagen de Microscopia Electrónica de Barrido de ánodos de fieltro de carbono sin tamaño definido
(izquierda) y con tamaño de poro definido (derecha). Fuente: Chen, Cui, Wang, Wang, & Li (2015).
Dada la relevancia que ha adquirido en las CCMs, elaborar materiales anódicos que optimicen
el desarrollo de biopelículas sobre la superficie de estos, García Gómez (2013) redes de nanofibras
duales de TiO2(rutilo)-C(semigrafito)/C(semi-grafito) que al emplearlas como ánodos de una CCM. Como
resultado, se alcanzó una densidad de corriente de 23,4 mA/g de material anódico, del cual se
utilizaron 0,062 g, concluyendo así que el material es favorable en la transferencia de carga en
CCMs, además de comprobar que son materiales biocompatibles, que permiten el desarrollo de
biopelículas de E. coli K12 sobre su superficie.
Otro estudio que contempla la selección de materiales anódicos que favorezcan la interacción
ánodo-microorganismo en las CCMs, fue el realizado por Sun, Wei, Liang, & Huang (2011),
quienes compararon dos posibles materiales anodicos de bajo costo, carbón activado granular y
semicoques granular, con dos materiales comúnmente utilizado para CCMs, cubo de fieltro de
carbono y grafito granular, en lo que respecta a la generación de energía y además, reconociendo
su relación con la comunidad microbiana presentada en cada material.
113
Las densidades de potencia máximas de las CCMs de lecho de relleno en las que se emplearon
los cuatro ánodos, mostraron los mejores resultados al emplear carbón activado granular (31,5
W/m3) y los más bajos al emplear semicoques granulares (23,8 W/m3); los electrodos de cubo de
fieltro de carbono y grafito granular mostraron resultados intermedios de 27,9 W/m3 y 26, 1 W/m3,
respectivamente. Los resultados se atribuyeron, a que el ánodo de carbón activado granular
presenta la mayor área superficial, la cual fue aproximadamente tres veces mayor que la
correspondiente los semicoques granulares, y 103 veces superior otros los dos materiales
evaluados, por lo cual se consideró que este ofreció un área más grande para la adhesión de los
microorganismos y, por ende, se logró una mayor generación de electricidad. Además, la menor
conductividad del ánodo de semicoques granular incidió en la más baja densidad de potencia
alcanzada.
Al analizar la diversidad de especies microbianas presentadas en las correspondientes
biopelículas de los ánodos, el mayor índice de Shannon-Weaver —índice que permite estimar la
diversidad biológica acorde al cual, “mientras más uniforme es la distribución entre las especies
que componen la comunidad, mayor es el valor” (Roldán Pérez, 2003, pág. 26)—, correspondió
precisamente al electrodo de semicoques granular (2,52), por lo cual el grupo investigador
consideró que la diversidad de las especies en los materiales de electrodo no se correlaciona
positivamente con la generación de energía.
Posterior a la identificación de las especies bacterianas en los electrodos, se reconoció que la
densidad de potencia máxima se correlacionó positivamente con la abundancia relativa del generó
Geobacter en los ánodos evaluados, considerando que el electrodo de carbón activado granular
fue el más favorable para la adhesión y el crecimiento de este (representando el 95% de la
población), “the results suggested that electrode materials had an important effect on the type of
microbial species in MFC reactors” (pág. 10889-10890).
Es importante reconocer que, aunque el uso de ánodos basados en carbono ha sido ampliamente
empleado en las CCMs, otros materiales no carbonosos también ya se han considerado para este
fin. Uno de estos componentes alternativos explorados ha sido el acero inoxidable, el cual fue
evaluado por Pocaznoi, Calmet, Etcheverry, Erable, & Bergel (2012), mediante la comparación de
114
la capacidad de este material (en tres diferentes superficies; liso, macro y micro-estructurado) para
formar ánodos microbianos, con respecto a tela de carbón y placas de grafito, bajo condiciones
idénticas de operación de sus respectivos reactores. Los mejores resultados referentes a densidad
de corriente máxima, como promedios de los resultados obtenidos en experimentos independientes
para cada electrodo, se lograron mediante los ánodos de tela de carbono (33,7 m/A2), seguido de
los electrodos de acero inoxidable (20,6 A/m2, en general para las tres condiciones) y en último
lugar los electrodos de grafito planos (9,5 A/m2). El estudio, aunque no es contundente en
demostrar una mayor eficacia de los electrodos de acero inoxidable sobre otros materiales
tradicionales, compromete a los investigadores en el campo de las CCMs a innovar en sus
experimentaciones con materiales no estudiados ampliamente, las cuales podrían conllevar a
sustituir algunos materiales a base de carbono. Cabe mencionar que, para estos tipos de estudios
comparativos, habrá de reconocerse la vida útil de los materiales propuestos y los costos de
adquisición de los materiales.
Para el desarrollo de compuestos como ánodos en CCMs, empleando nanotecnología,
producción de polímeros conductores y revestimiento con metales pesados, parece indicar que la
cantidad de materiales compuestos o individuales y la variedad de propiedades que pueden
obtenerse es como mínimo, considerable y se han identificado los siguientes parámetros de
importancia para estos materiales: conductividad que permita el transporte de electrones en la
interface biopelícula - ánodo, inocuidad frente a la microbiota, estabilidad para evitar reacciones
poco favorables para la generación de energía, área superficial que permita la adhesión de
microorganismos y formación de biopelícula, y durabilidad que permita la operación de la celda a
largo plazo.
Por un lado, de los factores previamente mencionados solo se cuantifica el área superficial y el
resto apenas se menciona o es asumido en los estudios. Por otro lado, se observa que los
investigadores no están evaluando de forma específica, las características de estos materiales
desarrollados, sino que su capacidad se determina en base a la generación de energía de la celda
—que a su vez depende de otro conjunto de variables diferentes— comparado con otras que
emplean materiales anódicos de características diferentes.
115
Es importante que exista una evaluación preliminar del potencial de estos materiales orientada
a su aplicación en CCMs, de tal manera que la determinación de sus propiedades no se vea afectada
por la operación global de la celda para posteriormente, realizar una nueva evaluación de forma
conjunta en el sistema y determinar cómo se ven afectadas las características del material durante
el proceso y su comportamiento en el mismo, para que resultados permitan focalizar los esfuerzos
de optimización en los aspectos que realmente lo requieran. Para esto es importante que se hagan
revisiones en donde se establezcan los parámetros que deben cuantificarse y las unidades
apropiadas para esto, ya que las que son usadas en la actualidad solo permiten una estimación
indirecta de las capacidades del objeto estudiado. Un ejemplo de esto es el empleo de las áreas
superficiales en la mayoría de los estudios, con las cuales se explican las variaciones en las
corrientes y potencias generadas sin que en la mayoría de los casos, se haga un análisis
correlacional de estas dos variables, o se involucren otras como la porosidad y el efecto de la
composición.
8.3.1.5 Materiales del Cátodo.
En el cátodo de las celdas de combustible microbianas (CCM), se reciben los electrones y
protones liberados desde la cámara anódica, mediante un circuito externo y a través de la
membrana de intercambio de iones u otro material que permita el paso de protones,
respectivamente. Lo anterior permite que en el cátodo, se desarrollen las reacciones mediante las
cuales un aceptor final de electrones —ya sea oxígeno u otro compuesto químico— es reducido
en presencia de e- y H+ para formar un producto. Un ejemplo de la reacción llevada a cabo en el
cátodo, con oxígeno como el aceptor final de electrones se presenta a continuación:
4H+ + 4e− + O2 → 2H2O
Diversos autores han estado de acuerdo en que las reacciones en la cámara catódica,
principalmente en presencia de oxígeno, pueden llegar a ser un factor limitante para la generación
de energía eléctrica (Aaron, y otros, 2010; Franks y Nevin, 2010; Logan, y otros, 2005; Zhao,
Slade y Varcoe, 2009). Varias de las razones para esto pueden deberse a factores externos a la
cámara y al electrodo tales como las condiciones de operación, que se trataran con detalle en
apartados posteriores; otras más directamente relacionadas con la actividad en la cámara catódica
116
son las bajas tasas de reducción del oxígeno y de transferencia de protones. Para superar estas
dificultades, por un lado, se ha incursionado en el empleo de compuestos químicos alternativos al
oxígeno como aceptores terminales de electrones —de los cuales se hablará posteriormente—; no
obstante, también se ha estudiado el desarrollo de materiales del cátodo que puedan reducir las
limitaciones mencionadas.
Entre los cátodos más comunes encontrados en la literatura son aquellos derivados del
carbono, tales como grafito (Rahimnejad, y otros, 2012; Kumar, Kumar y K, 2012; Fatemi, y otros,
2012; Helder M. , y otros, 2012), fieltro de carbono (Xu, y otros, 2012), carbón activado (Fang,
Song, Cang, & Li, 2015), papel carbón (Mathuriya y Sharma, 2009; Lim, y otros, 2010), tela de
carbono (Capodaglio, y otros, 2013) y otros empleados en distintas presentaciones como placas,
materiales granulados, fieltros, barras, telas y demás. Puede afirmarse que las razones por las que
estos materiales son usados ampliamente residen en sus precios relativamente económicos y
estabilidad, a pesar de lo cual se conoce que “Oxygen reduction occurs at a very low rateo n the
Surface of carbón electrodes and leads to a high over potential, thought to be one of the most
limiting factors in high current density MFCs.” (Franks y Nevin, 2010, pág. 908), por lo que el uso
de catalizadores para incrementar el desempeño se considera muy necesario.
Como resultado, suelen emplearse catalizadores abióticos —por ejemplo, revestimientos de
platino (Pt), aleaciones con metales de transición (Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head, 2005)—
o bióticos como biocátodos (Zhang, Sun, Hu, Li, & Xu, 2012).
El ejemplo más representativo de catalizadores de metales preciosos es el uso de platino (Pt)
en cátodos con soporte de materiales de carbono como grafito (Jang, y otros, 2004), papel carbón
(Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head, 2005), ya que el platino tiene mayor actividad catalítica
frente al oxígeno que los materiales de carbono por si solos (Du, Li, & Gu, 2007). Sin embargo,
diversos estudios han evidenciado que el uso del platino conduce a envenenamiento.
Zhao, Slade y Varcoe (2009) afirman que:
anions such as Cl-, HSO4-, HPO4
- and HS- are well known to be species that poison Pt catalysts and
seriously interfere with the electrode reactions on Pt catalytic surfacesson; however, the majority of
117
MFC and related studies involve the presence of phosphate buffers, ionic strength adjusters (e.g. NaCl)
and other nutrients. (pág. 1927).
De la misma forma se han puesto a prueba otros metales preciosos además de platino como
catalizadores, entre los cuales se encuentra oro y paladio, pero con las importantes limitantes para
el uso extendido como son, su elevado costo, escasa disponibilidad y elevada sensibilidad a la
contaminación química y biológica (Antonili, 2015). Como resultado también se han empleado
metales no preciosos en cátodos, entre estos pueden nombrarse óxidos de manganeso y óxidos o
quelatos de hierro o cobalto. Antonili (2015) considera que los compuestos metal-carbón se han
empleado con cierto éxito debido a que estos cátodos —y en general el autor habla de los
electrodos compuestos— obtienen las propiedades de sus compuestos individuales, de tal forma
que el electrodo finalmente posee la capacidad catalítica del metal, mejorada por las elevadas áreas
superficiales que ofrecen los compuestos de carbono como el grafito y otros.
Además de compuestos derivados del carbono y metales tanto preciosos como no preciosos,
los investigadores han buscado compuestos estables con alta capacidad catalítica, indagando en el
uso de polímeros conductores como el polipirrol, generalmente con otros compuestos mediadores
como azul de metileno, por lo que puede citarse el estudio de Godwin, Evitts y Kennell (2012). En
este estudio se realizó una comparación entre el electrodo de grafito, grafito con azul de
polimetileno y electrodo de acero con polipirrol y mediador de azul de polimetileno, en donde este
último obtuvo el más alto valor de corriente con 65 mA/m2. Lo anterior se debe parcialmente a
que el polipirrol fue empleado “to prevent oxidation of the Steel during mediator deposition and
microbial fuel cell operation.” (Godwin, Evitts, & Kennell, 2012, pág. 4), lo cual no solo otorga
durabilidad al electrodo para operación a largo plazo, sino que también impide que la formación
de óxidos que puedan inhibir la transferencia de electrones y la conducción (Godwin, Evitts, &
Kennell, 2012, pág. 4).
Si bien hasta el momento los investigadores han desarrollado electrodos enfocándose en
proporcionar las mejores áreas superficiales, bajos costos y elevada actividad catalítica para las
reacciones redox, los estudios recientemente han empezado a considerar la facilidad de fabricación
y producción a escalas mayores, como una característica que debe evaluarse de igual manera que
las anteriores. Para proporcionar un ejemplo, puede remitirse nuevamente al estudio de Godwin,
118
Evitts, & Kennell (2012) en donde establecen que la estabilidad del polipirrol al estar en solución
y ser sometido a los voltajes necesarios, para los procesos de electropolimerización del mismo y
del mediador en la superficie del electrodo, lo hacen adecuado para el estudio en particular.
Hasta el momento, se ha llevado a cabo una revisión de cátodos abióticos y se ha establecido
que la mayoría de estudios que emplan estos cátodos requieren la presencia de mediadores y
catalizadores, ya sean revestimientos metálicos en materiales soporte como compuestos de
carbono o acero inoxidable, o polímeros conductores en presencia de mediadores solubles, todo lo
cual en aras de mejorar la tasa de transferencia de electrones desde el electrodo hasta el aceptor
final de electrones. No obstante, las limitaciones asociadas a costos, degradación y/o agotamiento
de catalizador, envenenamiento, han dirigido el interés hacia los biocátodos.
Los biocátodos, al igual que el ánodo, emplean microorganismos para catalizar las reacciones
que ocurren en la cámara catódica, lo cual conlleva a varias ventajas descritas por He y Angenent
(2006):
First, the cost of construction and operation of MFCs may be lowered. Metal catalysts or artificial
electron mediators could be made superfluous inMFCswith biocathodes, because microorganisms can
function as catalysts to assist the electron transfer. In addition, under some special conditions,
microorganisms, such as algae, can produce oxygen through photosynthetic reactions, omitting the cost
for an external oxygen supply (pág. 2010-2011).
Las comunidades microbianas que crecen en el biocátodo suelen estar soportados en
materiales como fieltro de grafito, papel carbón y acero inoxidable, un ejemplo de esto es el estudio
de Zhang y otros (2012) en donde se comparó el desempeño de estos materiales inoculados con
lodos anaerobios. El estudio concluye que el grafito obtuvo mejor desempeño que los demás
materiales, dado que permite mayor crecimiento de las comunidades microbianas que actúan como
catalizadoras de los procesos de reducción en la cámara catódica, agregan además que “It seems
most likely that the rough Surface of GF is responsable for better development of
electrochemically active microbial biofilm onto the electrode.” (pág. 4). La evaluación de la
resistencia a la transferencia de carga fue mucho menor en el biocátodo de grafito (11Ω),
comparados con la resistencia máxima obtenido de ~820Ω del biocátodo de acero inoxidable,
obteniendo a su vez las máximas corrientes observadas en el estudio con 9 mA. No obstante, de
119
acuerdo con Zhang, y otros (2012) la resistencia a la difusión fue dominante en el bioelectrodo de
grafito, “this meant that the mass transfer (diffusion process) was the main factors limiting the
performance of GF (graphite)-biocathode and CP (carbón paper)-biocathode.” (pág. 6).
Lo anterior no indica que los procesos de difusión sean dependientes del material del cátodo
seleccionado, por el contrario, el estudio da a entender que la resistencia a la difusión está presente
en todos los experimentos realizados, sino que, a excepción de la CCM con electrodo de grafito,
la resistencia a la transferencia de carga es dominante en esos casos, por lo que, al verse reducida
con el uso de un cátodo más eficiente, la transferencia de masa pasa a adquirir más relevancia.
La variedad de materiales que se han desarrollado alrededor de los cátodos es importante, no
obstante, los estudios evalúan en muchos casos los mismos parámetros que se consideran para los
materiales anódicos, estos son área superficial, bajos costos y tasa de transferencia de carga.
Recientemente se ha empezado a incursionar en la facilidad de producción y la posibilidad de
biocatalizadores, aunque esto se ha llevado a cabo muy recientemente. No obstante, hay dos
aspectos que deben tenerse en cuenta en las futuras investigaciones, el primero es la caracterización
completa de las propiedades físicas y químicas del material —que solo se ha evidenciado en unos
pocos estudios—, ya que la práctica más difundida en la literatura consultada, es la evaluación del
desempeño de los materiales mediante los indicadores electroquímicos que suelen emplearse para
medir la influencia en la variación de los demás parámetros de la celda, estos son voltajes (a
circuito abierto o circuito cerrado), densidades de potencia, densidades de corriente y eficiencia
coulómbica.
Sin embargo se conocen técnicas y herramientas más específicas que permiten determinar la
composición de los materiales, identificación de grupos funcionales, interacciones inter- e intra-
moleculares, rugosidad, superficie del material y la adhesión bacteriana, entre otras que se han
usado en la caracterización de membranas (Ghasemi, y otros, 2012) y ánodos (Chen, Cui, Wang,
Wang, & Li, 2015), mas no se han evidenciado en el estudio de los cátodos.
120
8.3.2 Condiciones de operación.
Mediante el conjunto de estudios consultados, se ha reconocido que ciertas condiciones de
operación son determinantes en la generación de energía debida a la sensibilidad de ciertos
componentes como los microorganismos y la solución electrolítica, que cambian sus propiedades
y composición en función de estas condiciones. De la gran variedad de estas, las principales que
han podido identificarse en los estudios son: aireación artificial en la cámara catódica, fuerza iónica
de las soluciones de las cámaras, tiempo de operación de la celda, tasa de alimentación, resistencias
externas e internas, demanda química de oxígeno presente en la solución alimentadora,
temperatura, agitación mecánica de las soluciones y pH. A continuación, se hace una revisión de
cada una de ellas.
8.3.2.1 Aireación forzada del cátodo y concentración de oxígeno disuelto.
La aireación artificial es usada ocasionalmente en estudios referentes a CCM de doble cámara.
Entre las investigaciones que demandaron su implementación, se reconoce el estudio de Jang, y
otros (2004), quienes emplearon un diseño de CCM cilíndrico de flujo vertical en el cual, la
aireación forzada se llevó a cabo mediante una bomba en la cámara del cátodo. Los resultados en
ausencia de aireación indicaron que la difusión natural no permite proveer el suficiente oxígeno
para el desarrollo de las reacciones redox en el cátodo.
La influencia de la tasa de aireación fue establecida dado que “the current generation increased
as the aeration rate increased up to 100mL/min.” (pág. 1010) desde una tasa de aireación nula en
las primeras etapas. Lo anterior como resultado de la presencia de microorganismos aeróbicos en
el cátodo para este sistema en particular, que son los consumidores dominantes de oxígeno y
reductores de la materia orgánica presente en el agua residual, en detrimento de las reacciones
redox del cátodo. Por lo anterior, “these results show that an ML-MFC (Membrane Less Microbial
Fuel Cell) should be operated with the DO concentration higher than the critical oxygen
concentration of the cathode” (Jang, y otros, 2004, pág. 1011) y que por tanto, la correcta elección
de un cátodo con concentración critica de oxígeno comparable a la de bacterias aerobias podría
121
mejorar la generación de energía para un sistema de flujo ascendente con agua residual como
sustrato.
Como puede inferirse, el consumo de energía de una bomba para la aireación de la CCM no
es coherente con el propósito de generación de energía, si esta consume más energía de la que es
capaz de generar el sistema. Es por esto, que los sistemas de aireación se emplean con el objetivo
principal de tratamiento de aguas, aunque es válido afirmar que, si este es el propósito primario,
el desarrollo de la generación de energía bien puede realizarse con el objetivo secundario de que
estos sistemas sean eléctricamente autosustentables. De igual manera, es necesario considerar que
especialmente en diseños de flujo ascendente, los procesos que se esperan que se desarrollen no
deben competir entre sí ni ser parcialmente excluyentes, como lo es el consumo de oxígeno para
la degradación de materia orgánica y al mismo tiempo la reducción del oxígeno por el flujo de
electrones y protones transportados hasta el cátodo. Lo anterior genera deterioro de los dos
procesos por lo que, para este caso, se recomiendan otros diseños que no involucren flujo
ascendente o bien, un proceso acoplado de tratamiento de tal forma que el agua residual tenga el
menor contenido posible de materia orgánica cuando esta llega a la cámara catódica, pero que el
flujo de la misma facilite el transporte de iones.
El estado de actual desarrollo de las CCMs tubulares de flujo ascendente que se han estudiado,
hace que esta aireación sea necesaria, debido a que la presencia de una mayor cantidad de oxígeno
en la zona del cátodo, facilita la disponibilidad de este para los procesos simultáneos de tratamiento
de aguas —comúnmente estudiados en configuraciones tubulares de flujo ascendente— y
producción de energía, esta última altamente relacionada con el potencial del cátodo y favorecida
por las condiciones aeróbicas de la cámara ya que como afirman Oon, y otros (2015), “Redox
potentials greater than 100 mV are generally regards as aerobic condition, while redox potential
less than -100mV are to demonstrate an anaerobic environment.” (pág. 272).
En general puede afirmarse que la aireación forzada del cátodo mejora el desempeño de las
CCMs, ya que esta incrementa la concentración de oxígeno cerca al cátodo, sirviendo en la mayoría
de los sistemas como el aceptor de electrones ideal dada su elevada disponibilidad, bajo costo y
elevado potencial redox (He & Angenent, 2006). Claramente no se aplica a sistemas que emplean
122
otros compuestos como aceptores finales de electrones como el ferrocianuro de potasio u otros, y
tampoco suele ser empleada en otros sistemas que no tengan como objetivo la remoción de
contaminantes orgánicos, a menos que se empleen electrodos en medio acuoso, por lo que en estos
casos la concentración de oxígeno podría llegar a ser un factor limitante como resultado de la baja
solubilidad del oxígeno en el agua.
La relación entre la concentración de oxígeno disuelto y la generación de energía se ha descrito
mediante la ecuación de Monod (Du, Li, & Gu, 2007; Oh, Min, & Logan, 2004) planteada de la
siguiente manera:
P =PmaxDO
KDO + DO
P = Potencia
Pmax = Potencia máxima
DO = Concentración de Oxígeno Disuelto
KDO = Constante media de saturación.
Con respecto a este modelo propuesto, no se han encontrado documentos recientes que
permitan verificar si este es adecuado para las CCM, hasta el momento solo se tiene el
conocimiento de que las investigaciones asumen que permite describir la relación entre las dos
variables.
Otro fenómeno que debe considerarse es que parte del oxígeno se puede difundir en la cámara
anódica (Jang, y otros, 2004; Hou, Sun, & Hu, 2011), lo cual se considera negativo para el
desempeño de la celda ya que este puede actuar como un sumidero de electrones, al ser empleado
para la oxidación del sustrato, impidiendo no solo que estos lleguen al ánodo, sino que se den
pérdidas del sustrato en la cámara anódica (Mahendiravarman & Sangeetha, 2013), a raíz de lo
cual se considera necesaria la presencia de un material separador como los descritos en el apartado
correspondiente. Si bien, ampliamente se consideran ecuaciones que describen las pérdidas de
energía en el sistema, los factores a los que se atribuyen estas pérdidas hasta el momento se han
identificado de forma intuitiva, sin desarrollar experimentación que se enfoque en la determinación
del origen de estas pérdidas y las correlacione. Las futuras investigaciones deben generar modelos
123
matemáticos, que permitan estimar y predecir las pérdidas de energía a las que son susceptibles las
CCM, —teniendo en cuenta parámetros como los coeficientes de transporte de oxígeno de las
membranas empleadas— como resultado de la difusión del oxígeno en la cámara anódica.
8.3.2.2 Modo y Tiempo de Operación.
En los estudios en celdas de combustible microbianas suelen operarse estas celdas bajo dos
modos de alimentación: modo Batch que de forma muy general es definido como aquellos
procesos donde “la alimentación se hace al equipo al principio del proceso, y el contenido es
removido en algún tiempo posterior” (García Alaya, 2010). En celdas de combustible microbianas,
este concepto suele aplicarse de la siguiente manera: la CCM es construida y se suministra un
sustrato, posteriormente esta es operada con el mismo sustrato, la potencia de la celda incrementa
hasta un valor máximo y luego empieza a decaer, cuando alcanza valores por debajo de aquel que
el investigador o grupo considere necesario, el sustrato (y la membrana en muchos casos) es
reemplazado por uno fresco y nuevamente operado de la misma forma. Cada uno de estos procesos
suele ser denominado como un ciclo Batch y el tiempo de duración de este ciclo se denominará en
el presente documento como ciclo de operación, el cual debe distinguirse del tiempo total de
operación en el modo Batch, que puede abarcar numerosos ciclos de operación hasta el cese
completo del funcionamiento de la celda.
Este modo de operación es el más empleado en celdas de combustible microbianas, suelen
aplicarse para periodos totales de operación desde 6 a 40 días, aunque pueden establecerse aún
tiempos mayores de operación de hasta 300 días e incluso varios meses. Este modo de operación
permite el estudio de parámetros específicos de la celda, sin tener en cuenta la estabilidad del
sistema a largo plazo, por ejemplo para la evaluación de materiales de los electrodos (Zhang, Sun,
Hu, Li, & Xu, 2012; Hou, Sun, & Hu, 2011; Hou, Sun, & Hu, 2011a; Mahendiravarman &
Sangeetha, 2013), identificación y análisis de comunidades microbianas (Ishii, Shimoyama, Hotta,
& Watanabe, 2008; Álzate Gaviria, y otros, 2010) y evaluación de la posible aplicación de nuevos
procesos o diseños de CCM (Yazdi, Alzate-Gaviria, & Jason Ren, 2015; Capodaglio, y otros, 2013;
Heijn E, y otros, 2010).
124
El modo de operación Batch, permite desestimar la influencia que generan los cambios de
concentración del sustrato como producto del metabolismo de los microorganismos, para obtener
datos que permitan evaluar de forma más específica y contundente, otras variables que sean
objetivo de los estudios que se generen. Se ha evidenciado, que en algunas investigaciones que
presentan modelos matemáticos para describir un fenómeno particular, se empleó el modo de
operación Batch en las CCMs para obtener los datos experimentales necesarios. Para estos casos
se considera que la alimentación tipo Batch solo es parcialmente adecuada, dado que la modelación
estará limitada al tiempo de duración del ciclo, y no considera cambios posteriores a la terminación
de este. Estos tiempos de duración de los ciclos Batch, como se indicó anteriormente están dados
por las variaciones del voltaje de la celda o la concentración del sustrato empleado, y no es
establecido directamente por el/los investigador/es; por otro lado, los ciclos Batch permiten
garantizar la reproducibilidad de los resultados y los análisis de los experimentos.
Otro modo de operación es el de tipo continuo, en el que el suministro de sustratos y otras
soluciones se da a una determinada tasa de flujo. Este modo de operación permite evaluar la
estabilidad del sistema, necesarias para sus aplicaciones comerciales. En el modo Batch, el tiempo
de operación total de la CCM está condicionado al criterio de los investigadores y puede llegar a
ser indefinido, sin embargo, en el modo continuo, los investigadores deben considerar las
capacidades —a menudo limitadas— de la celda que impiden que esta pueda operarse
continuamente. La principal de estas es la susceptibilidad de las membranas a la bio-
contaminación, por lo que los tiempos de operación en modo continuo pueden ser de unas pocas
horas hasta varios días. Las excepciones que se han encontrado a esta afirmación han sido en
sistemas acoplados a macroflora, tales como sistemas acoplados a humedales artificiales (CCM-
HA) o celdas de combustible microbiana vegetales (V-CCM), debido a que estas suelen
desempeñarse en ausencia de una membrana separadora y además dependen del lento crecimiento
de las plantas.
Un fenómeno cuya ocurrencia puede verse influenciada por el modo de operación de la las
CCM son los procesos de inversión del voltaje. Oh & Logan (2007) Realizaron experimentos
alrededor de la influencia de la operación en modo batch y continúo en CCMs apiladas:
125
When operated in continuous flow mode, the system produced continuous power and all cell voltajes
remained positive. […] When the system was operated in fed-batch mode, positive cell voltajes were
maintained in both cells only at the beginning of each cycle (pág. 14).
Por otro lado, también pudieron evidenciarse que algunos documentos no especificaron el
modo de operación de las CCM, esto es importante ya que, aunque la mayoría de los estudios no
evalúan de forma explícita la estabilidad del sistema en función del tiempo, los lectores pueden
extraer una idea general de la capacidad de las CCM para aplicaciones prácticas, solo mediante la
clara delimitación del contexto temporal en el que se realizan los experimentos, con lo cual podrían
inspirarse investigaciones para evaluar y desarrollar CCM con capacidad de generar potencias
estables el mayor tiempo posible.
8.3.2.3 Fuerza Iónica y concentración de sales.
La fuerza iónica es un concepto adoptado por la teoría de Debye-Huckel, la cual expresa el
efecto de la concentración de los iones en una solución y constituye una medida del medio eléctrico
en solución, definida como sigue a continuación (Canales, Hernández, Meraz, & Peñalosa, 1999):
μ =1
2∑(c1z1
2 + c2z22 + c3z3
2 + ⋯ )
μ = Fuerza ionica de la solución
ci = Concentración del ión i (g
L)
zi = Valencias iónicas respectivas
El término de fuerza iónica en Celdas de Combustible Microbianas ha sido aplicado en escasos
documentos, se puede citar el estudio de Aaron, Tsouris, Hamilton, & Borole (2010), en donde se
identificó que el aumento en la fuerza iónica de la solución anódica, genera disminución de la
resistencia total de la celda, lo cual también puede extrapolarse a la solución de la cámara catódica
debido a que “The reduction in Rcat is likely attributable to increased proton transport to the
cathode, similar to that as observed for increasing anod fluid circulation flow rate.” (pág. 603).
126
La mayoría de los estudios que evalúan el efecto de la concentración de los iones en el
desempeño de las CCMs, lo hacen en función de sus variaciones a lo largo del periodo de operación
y de la naturaleza de los iones o bien mediante la medición de la conductividad de las soluciones.
Suele aceptarse en general que las altas concentraciones de sales en la solución del cátodo,
permiten obtener mejores desempeños, dado que estas facilitan la transferencia de cationes entre
las cámaras (Helder M. , y otros, 2010; Campbell & Borole, 2011), sin embargo también se ha
afirmado que “since the performance of the MFC is microbial growth dependent, addition of salt
in the anode chamber is limited by the tolerance of the microorganism to the ionic strength of the
solution.” (Mohan & Das, 2009, págs. 7543-7544).
La gran cantidad de estudios y en especial los que emplean aguas residuales reales como
sustrato, no suele llevarse a cabo una evaluación de la influencia de este parámetro, el cual es
importante para determinar la resistencia al transporte de iones en la solución electrolítica y
también debido a la posibilidad de precipitación de sales en la membrana separadora que podrían
reducir la vida útil de la misma (Xu, y otros, 2012).
8.3.2.1 pH.
El pH de cada una de las cámaras es un factor determinante en el comportamiento de la CCM,
en la cámara anódica es fundamental mantener un pH neutro, para mantener condiciones
ambientales óptimas para la actividad microbiana en tanto que, para la cámara catódica este pH
puede variar dependiendo de los procesos que se lleven a cabo en ella. Dado que en muchos casos
es necesaria la implementación de una membrana para evitar el paso de oxígeno y sustrato entre
las cámaras, se ha establecido que el empleo de membranas de acuerdo a Du, Li, & Gu (2007):
causes transport barrier to the cross membrane diffusion of the protons, and proton transport through
the membrane is slower than its production rate in the anode and its consumption rate in the cathode
chambers at initial stage of MFC operation thus brings a pH difference (pág. 475).
El fenómeno descrito anteriormente es causado, por un lado, debido a la acumulación de
protones en la cámara anódica, lo cual genera disminución del pH capaz de inhibir la actividad
microbiana, finalmente puede conducir la disminución de la solubilidad e incluso la precipitación
127
de compuestos presentes en las soluciones alimentadoras del ánodo o el cátodo, un ejemplo de
esto es el empleo de soluciones con elevado contenido de metales pesados como cobre, zinc o
hierro, que pueden emplearse como catalizadores o aceptores terminales de electrones, y que
precipitan como óxidos o hidróxidos cuando se encuentran en pH elevados (Heijn E, y otros, 2010;
Fradler, Michie, Dinsdale, Guwy, & Premier, 2014; Wang, y otros, 2011), puede generar cambios
substanciales en el potencial de los electrodos, que como afirman Helder M. , Strik, Hamelers, &
Buisman (2012), “one pH-unit difference will lead to a change in anode potential of 59 mV” (pág.
9).
No obstante, las limitaciones mencionadas a causa de los cambios de pH, también cabe
mencionar que la generación de un gradiente de pH podría al mismo tiempo contribuir a
incrementar la difusión de los protones desde la cámara anódica a la catódica. Jadhav &
Ghangrekar (2009), quienes examinaron el efecto del pH anódico en el rendimiento y la resistencia
interna en una CCM, reconocieron en su investigación que a una diferencia de pH de 2 unidades,
la densidad de potencia máxima de la celda fue mayor (17,1 mW/m2 a 0,92 mA), que con una
diferencia de pH de cero unidades (15,1 mW/m2 a 0,73 mA), confirmándose así, que a mayor
magnitud del gradiente de pH entre ambas cámaras de la celda, la velocidad de flujo de protones
a través de la membrana aumenta y consecuentemente la potencia de salida de la celda. Respecto
a la resistencia interna, se reconoció que con 2 unidades de diferencia de pH, la resistencia interna
de la celda fue menor (523 Ω), que para cero unidades de diferencia (547 Ω), lo cual como se ha
mencionado antes, mejora el rendimiento de la celda.
Según Helder M., Strik, Hamelers, & Buisman (2012), la presencia de un gradiente positivo,
donde la mayor concentración de iones H+ está en el ánodo y la menor concentración en el cátodo,
puede reducir la resistencia al transporte de protones. De igual forma pueden llegar a generarse
gradientes negativos de pH, caso en el cual la resistencia al transporte incrementaría de forma
considerable como lo demuestra la siguiente ecuación de Helder M., Strik, Hamelers, & Buisman
(2012) que describe tal comportamiento:
R∆pH =(
RTF ) ln(10(pHcat−pHan))
i
128
R∆pH = Resistencia al pH.
pHcat = pH del catodo.
pHan = pH del anodo.
i = Densidad de corriente por area de la membrana
Como se ha mencionado en el apartado de materiales separadores, se han desarrollado una
diversidad de estos para reducir los gradientes de pH entre las cámaras y mejorar la transferencia
de protones. No obstante, también se ha intentado ejercer un control químico mediante la adición
de solución amortiguadora (buffer) de fosfatos en una gran variedad de estudios (Heijn E, y otros,
2010; Helder M. , y otros, 2010; Zhang, Sun, Hu, Li, & Xu, 2012; Chen, Cui, Wang, Wang, & Li,
2015), sin embargo, la adición constante de solución amortiguadora conlleva a costos de operación
adicionales.
Como resultado, Zhang, y otros (2015) exploraron la posibilidad de que la recirculación del
anolito pueda controlar los gradientes de pH entre las cámaras mediante la aplicación del siguiente
principio: al introducir la solución fresca a la cámara anódica, esta se acidificará por la liberación
de protones derivados del metabolismo microbiano, la solución anódica pasara a través de la
cámara hasta el cátodo en donde el pH ascenderá como resultado del empleo de los protones en
las reacciones redox, liberando iones OH- y como resultado, la solución más alcalina pasa
nuevamente a la cámara anódica, neutralizando la acidez existente allí. El grupo investigador tuvo
cierto éxito para controlar los cambios de pH, ya que la generación de potencia obtenida en la
CCM con esta estrategia, llegó a ser comparable con el empleo de solución amortiguador.
Demostrando de esta forma, que este método facilita la transferencia de protones entre las cámaras,
mejorando la generación de energía en una CCM sin solución amortiguadora, a pesar de los efectos
negativos producidos por el aumento de la transferencia de oxígeno, a la cámara del ánodo.
8.3.2.2 Tasa de alimentación y tiempos de retención hidráulica (THR).
La tasa de flujo de la solución alimentadora y los tiempos de retención hidráulica son dos
parámetros de especial importancia en CCM para generación de energía y tratamiento de aguas
residuales. Las tasas alimentación suelen aplicarse fundamentalmente para estudios de flujo
129
continuo y parecen ejercer cierta influencia en la resistencia interna de la celda. Lo anterior es
demostrado por el estudio de Aaron, Tsouris, Hamilton, & Borole (2010), en el cual se probaron
distintas tasas de flujo de la solución anódica desde 0 mL/min hasta los 24 mL/min. El grupo
investigador pudo determinar un incremento de más del 65% en la densidad de potencia cuando
se llegaron a tasas de flujo de 13 mL/min y posteriormente un pequeño decrecimiento en el mismo
cuando se llegó a los 24 mL/min. Se demostró que, si bien las resistencias internas en el ánodo y
de la solución permanecieron estables durante los cambios en la tasa de flujo, la resistencia en el
cátodo se vio afectada de forma visible al disminuir desde los 21,7 ± 0.2 Ω hasta los 7,51 ± 0,061
Ω a una tasa de 13 mL/min, y luego incrementar ligeramente hasta los 8,31 ± 0,19 Ω en la tasa
máxima de alimentación (24 mL/min).
Además de las problemáticas relacionadas con la resistencia interna, también se han explorado
las relacionadas con los gradientes de pH entre las cámaras que se ha descrito en apartados
anteriores. Zhang, y otros (2015) estudiaron los procesos de recirculación descritos previamente,
se explorando distintas tasas de flujo para optimizar el efecto de la recirculación, estas fueron 0.35
mL/min, 1.0 mL/min y 5.0 mL/min. A diferencia de la tasa de flujo con medio fresco, la tasa de
recirculación fue optima en los valores más bajos, dado que si bien la regulación del pH se
consiguió, el incremento de la tasa de flujo fue negativo para el sistema, dado que el flujo superó
la tasa de generación de protones en el ánodo; como efecto secundario de la medida, también se
percibió que el incremento en la recirculación incrementa la difusión de oxígeno en la cámara
anódica, perjudicando la generación de potencia y eficiencia coulómbica del sistema.
Los tiempos de retención hidráulica (TRH) al igual que las tasas de flujo anteriormente
descritas, suelen ser consideradas para estudios continuos y de tratamiento de aguas residuales,
solo se encontraron unos cuantos documentos que afirman la relación entre los TRH y la
generación de energía (Fang, Song, Cang, & Li, 2015; Akman, Cirik, Ozdemir, Ozkaya, & Cinar,
2013). El estudio de Fang, Song, Cang, & Li (2015) empleó glucosa como co-sustrato en una CCM
acoplada a un humedal artificial (CCM-HA) con solución anódica de agua residual sintética y
contenido de tintas azo en modo continuo de operación. Para este sistema se observó un incremento
en las variables de densidad de potencia, eficiencia coulómbica y voltaje a circuito abierto cuando
los TRH aumentaron desde 1,5 días hasta 3 días, valores mayores de THR ocasionaron que el
130
desempeño empiece a descender, esto se explicaría en base a que “the excessive consumption of
glucose in the bottom layer when HRT was too long may impact the anodic organic matter supply,
and further influenced the electricity production and decolorization in the anode layer.” (pág. 138).
Previamente ya se había reportado por Akman, Cirik, Ozdemir, Ozkaya, & Cinar (2013) que
los TRH bajos son favorables para la generación de potencia, sin embargo, el efecto contrario se
obtuvo para la remoción de DQO que, si bien en este estudio tuvo variaciones poco significativas
con la disminución de HRT, dejo en evidencia que los mayores valores son favorables para el
tratamiento de aguas. Lo anterior es de vital importancia, dado que a menudo se estudia el
comportamiento de las CCMs con propósitos duales, y por tanto los valores de TRH deben ser
optimizados para que ambos procesos se lleven a cabo eficientemente.
Hasta el momento, no se tiene conocimiento de que la correlación propuesta por los distintos
autores referenciados, entre las tasas de alimentación o tiempos de retención hidráulica con la
generación de energía, haya sido correctamente determinada mediante los métodos estadísticos
apropiados tales como modelos de regresión, correlación, análisis multivariado u otros. De hecho,
la aplicación de las técnicas estadísticas para el estudio de variables no ha sido ampliamente
difundida entre los estudios revisados, a pesar de que su utilidad está implícita no solo para el
análisis de las variables estudiadas, sino para la determinación del error o incertidumbre de los
resultados, lo cual permitiría evidenciar que los datos obtenidos en cada estudio son
representativos o al menos válidos.
8.3.2.3 Resistencia Externa.
La resistencia externa en circuitos en general, suele ser empleada para llevar a cabo un control
de la corriente producida. En estudios de CCMs con circuitos cerrados, en casi todos los casos, se
emplearon de resistencias externas que rodean los 1000 Ω, que se consideran necesarias para evitar
fenómenos tales como corto circuitos y en general, para garantizar el correcto funcionamiento del
sistema. Sin embargo, por definición del término resistencia y mediante estudios experimentales,
se ha determinado que la reducción de estas resistencias permite el flujo libre de los electrones a
través del circuito externo (Jang, y otros, 2004; Sun, Hu, Bi, & Cao, 2009; Logan, Muranob, Scott,
131
Gray, & Head, 2005), por lo cual se reconoce que a más baja resistencia en la celda, más alta la
corriente se genera en esta y viceversa (Jadhav & Ghangrekar, 2009).
Han sido pocos los estudios en los que se han intentado implementar estrategias relacionadas
con la resistencia externa para maximizar la generación de electricidad en las CCMs. En algunos
estudios, se ha explorado el empleo de la estrategia de ajuste de la resistencia externa
implementada a la resistencia interna del sistema, lo cual es conocido como adaptación de
impedancias (Fradler, Michie, Dinsdale, Guwy, & Premier, 2014), que obedece el denominado
Teorema de Máxima Transferencia de Potencia propuesta por Molitz von Jacobi que establece lo
siguiente: “La condición de máxima transferencia de potencia, de un generador real a un elemento
pasivo, tiene lugar cuando el elemento pasivo presenta una resistencia igual a la resistencia interna
del generador” (Sánchez Barrios, y otros, 2007, pág. 14).
Uno de los intentos de implementación del método previamente descrito fue el reportado por
Helder M. , y otros (2010) en una V-CCM (Celda de Combustible Microbiana Vegetal), para lo
cual se emplearon curvas de polarización para la determinación del punto de máxima potencia
donde la resistencia externa impuesta es igual la resistencia interna del sistema, la resistencia
interna entonces es calculada a partir de la curva obtenida y posteriormente el valor de la resistencia
externa se ajusta a la resistencia interna de la celda.
El procedimiento se llevó a cabo semanalmente en el estudio, sin embargo, no se tuvo éxito
en la implementación de la estrategia debido al colapso de la corriente. Helder y otros, (2010)
atribuyen estos resultados a dos posibles razones: La medición en pasos de la resistencia interna
obtenida mediante las curvas de polarización no permiten una optimización precisa de la
resistencia externa, que podría conducir a que la resistencia externa ajustada sea menor a la
resistencia interna del sistema, causando una mayor tasa de flujo de electrones en comparación
con la tasa a la que estos son generados, ocasionando una disminución progresiva de la corriente;
puede también que la densidad de potencia máxima obtenida mediante la curva de polarización se
deba en parte a la capacitancia del sistema, en donde los electrones almacenados pueden ser
liberados durante la prueba, indicando una densidad de potencia mayor a la que puede obtenerse
realmente de forma continua.
132
8.3.2.4 Resistencia Interna.
La resistencia interna de las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) puede considerarse
como la suma de todas las pérdidas internas, la definición de cada una de estas pérdidas de acuerdo
a Logan, y otros (2006) es:
Pérdidas Óhmicas: incluye la resistencia al flujo de electrones a través de los electrodos,
circuito externo, electrolito y a través de la membrana de intercambio de iones u otro
material separador si está presente.
Pérdidas por activación: Se refiere a la energía de activación necesaria para realizar las
reacciones de oxidación-reducción y el transporte de electrones, desde el compuesto
reactante a la superficie del electrodo.
Pérdidas por concentración: Ocurren cuando la transferencia de masa entre las cámaras de
la CCM, limita la producción de corriente debido a la baja tasa de difusión de las especies
químicas. El término también puede hacer referencia a la generación de gradientes de
concentración en la solución de las cámaras.
La ecuación matemática que permite determinar el voltaje obtenido de la CCM, teniendo en cuenta
las pérdidas anteriormente mencionadas fue establecida por Linden & Reddy, (2002):
Ecelda = Ec − ηact,c − ηconc,c − Ea − ηact,a − ηconc,a − ηohm
En donde:
Ec y Ea = Potenciales a circuito abierto para el cátodo y el ánodo, respectivamente.
ηact,c y ηact,a = Pérdidas por la transferencia de carga para el cátodo y el ánodo, respectivamente.
ηconc,c y ηconc,a = Pérdidas de concentración para el cátodo y el ánodo, respectivamente.
ηohm = Pérdidas ohmicas
133
Las causas que generan estas limitaciones en celdas de combustible microbianas han sido
identificadas claramente en los estudios y se han generado recomendaciones relacionadas, pero no
se han estudiado con suficiente detalle los mecanismos específicos que dan lugar a estas
resistencias. Con esto se hace referencia a las regiones e interfaces donde estas pérdidas dominan
y la modelación de estas pérdidas que permita estimarlas en otros sistemas.
Por lo general, los estudios que evalúan la resistencia interna de las celdas, a menudo se
enfocan en la contribución de los distintos componentes de la CCM a la misma, es decir resistencia
del ánodo, cátodo, electrolitos y membrana de intercambio de iones son los evaluados
comúnmente. Las causas que generan fluctuaciones en la resistencia de la CCM en cada estudio
son muy variables y no se puede establecer de forma exacta, qué tipo de pérdidas predominan o
que compartimento de la celda aporta la mayor resistencia para las CCM en general. Puede decirse
que algunos estudios indican que la resistencia en el ánodo puede verse incrementada en los
primeros días de operación, debido a que en este periodo suele darse la aclimatación y crecimiento
de la comunidad microbiana asociada al mismo (Aaron, Tsouris, Hamilton, & Borole, 2010),
también pueden encontrarse elevadas pérdidas por activación y baja fuerza iónica de la solución
con la que se alimenta la cámara anódica (Capodaglio, y otros, 2013), la presencia de sumideros
de electrones en la solución electrolítica del ánodo (Fang, Song, Cang, & Li, 2015), disponibilidad
del sustrato para la acción microbiana (Helder M. , Strik, Hamelers, & Buisman, 2012) son los
principales factores que se han encontrado.
Posteriormente conforme avanza el tiempo de operación de la CCM e incluso antes, la
resistencia del cátodo puede cobrar relevancia, lo cual es debido a la acumulación de cationes y de
sales en la capa de agua entre la membrana y el cátodo de aire (Aaron, Tsouris, Hamilton, & Borole,
2010). Otros factores relevantes también pueden ser, la configuración de la celda en cuanto a su
forma y tipo de conexión (Yazdi, Alzate-Gaviria, & Jason Ren, 2015; Arbianti, y otros, 2013;
Helder M., Strik, Hamelers, & Buisman, 2012), baja difusión del oxígeno en medio acuoso (Zhang,
Sun, Hu, Li, & Xu, 2012) y tipo de aceptor terminal de electrones (Wang, y otros, 2011).
La resistencia en la membrana ha sido objeto de estudio de igual forma, aunque por lo general
se considera que la resistencia interna que aporta la membrana es menor que la aportada por el
134
ánodo o el cátodo (Xu, y otros, 2012), esta puede estar relacionada con su permeabilidad (Hou,
Sun, & Hu, 2011a), coeficiente de difusión (Hou, Sun, & Hu, 2011b) y contaminación biológica a
la que es susceptible (Xu, y otros, 2012) son los que se han identificado hasta el momento.
Para solventar las limitaciones anteriormente mencionadas, los grupos investigadores
recomiendan y emplean estrategias como: reducción de la distancia entre los electrodos (Jang, y
otros, 2004), empleo de inóculos previamente aclimatados, suministro suficiente de sustrato en las
concentraciones adecuadas (Helder M. , Strik, Hamelers, & Buisman, 2012), empleo de
catalizadores en los electrodos (Jang, y otros, 2004), aceptores finales de electrones con mayor
solubilidad en medio acuoso y con elevados potenciales redox como permanganato de potasio,
ferrocianuro de potasio o persulfato de hierro (Lim, y otros, 2010), agitación continua de las
soluciones electrolíticas para reducir las limitaciones asociadas a la difusión de los compuestos y
reducir el gradiente de concentración que puede generarse entre las zonas cercanas al electrodo y
las más lejanas (Read, Dutta, Bond, Keller, & Rabaey, 2010; Mathuriya & Sharma, 2009), adición
de sales para incremento de la conductividad de la solución catódica (Jang, y otros, 2004), empleo
de materiales de electrodos y membranas, menos propensos al deterioro por contaminación (Xu, y
otros, 2012), empleo de membranas con mayor permeabilidad y capacidad de difusión (Hou, Sun,
& Hu, 2011a, 2011b), aireación artificial de la cámara catódica (Zhang, Sun, Hu, Li, & Xu, 2012),
conexión de celdas en paralelo (Arbianti, y otros, 2010; Yazdi, Alzate-Gaviria, & Jason Ren, 2015)
y el empleo de diseños que permitan el uso de los materiales de construcción de forma eficiente
(Helder M. , Strik, Hamelers, & Buisman, 2012).
El estudio de Ji, y otros (2011) abarca el tema de la resistencia interna de las membranas
separadoras a un nivel de detalle que no se había encontrado hasta el momento, ni en búsquedas
posteriores. El estudio evalúa de forma específica la resistencia interna en la interface entre las de
intercambio de aniones (AEMs) de tipo comercial (AFN, AM-1 y ACS) y la solución electrolítica
de la cámara catódica. Los resultados de la investigación parecen revelar que la resistencia interna
de esta región es dependiente de la capacidad de intercambio de iones de la membrana, la
selectividad de esta a los iones monovalentes que puede aumentar la resistencia al paso de otros
iones, la concentración de solución amortiguadora y la capacidad de difusión del mismo. Ji, y
otros (2011) establecen dos regiones en la interface de la membrana-catolito donde se llevan a
135
cabo las principales pérdidas, la capa límite de difusión y la doble capa eléctrica. El estudio
determinó que la resistencia en la primera capa puede ser disminuida mediante la aplicación de
mezclado o agitación mecánica mientras que la segunda no se vería afectada por este factor, sino
que depende de la concentración de solución amortiguadora presente en la cámara catódica. Este
es un ejemplo de como el conocimiento profundo, de los mecanismos y regiones donde se llevan
a cabo las interacciones, permite la optimización de las partes constituyentes del sistema.
Más recientemente, los estudios en celdas de combustible microbianas han iniciado la
discusión alrededor del concepto de capacitancia en estos sistemas y su relación con la resistencia
interna del sistema. El estudio de Lu, y otros (2015) evalúa la capacitancia de la biopelícula en tres
distintas configuraciones de electrodos que se han mencionado anteriormente, una con barras de
grafito (CCM1), otra con fieltro de grafito (CCM2) y la última con barras de grafito y carbón
activado granular (CCM3) en CCMs de doble cámara. Un resumen de los datos de capacitancia y
resistencia del ánodo se muestran en la Tabla 11.
Tabla 11. Parámetros de resistencia y capacitancia del ánodo en tres configuraciones de celdas de
combustible microbianas.
CCM Inóculo Resistencia
del ánodo (Ω)
Temperatura
(ºC)
Capacitancia del
ánodo (mF)
CCM1 Lodos anaerobios 1600 - 1700 25 3,29
CCM2 Lodos anaerobios 818 25 8,59
1573 0 7,14
CCM3 Cultivo mixto 1,5 - 3 25 90 - 120
Fuente: Adaptado por autoras de Lu, y otros (2015).
Los análisis de correlación de Pearson llevados a cabo por el grupo investigador, confirman lo
observado en la anterior tabla, en donde puede percibirse una correlación inversa entre la
resistencia del ánodo y la capacitancia del mismo. Lo anterior debido principalmente, a que la
resistencia es fuertemente dependiente del área superficial del electrodo y de la temperatura, cuyo
incremento mejora la formación y adhesión de la biopelícula, la cual se relaciona con una gran
parte de la capacitancia del ánodo.
136
8.3.2.5 Temperatura.
La temperatura es uno de los parámetros más relevantes en las CCMs, dado que estos sistemas
se basan en la actividad metabólica de microorganismos anaerobios, las cuales en general son
activos en un rango de temperatura entre 25ºC - 40ºC (Triviño Cuellar, 2006). Los estudios en
CCMs consultados por lo general realizan sus experimentos a temperaturas comprendidas entre
los 30°C y los 25°C en cuartos controlados. La importancia primordial del ajuste correcto de la
temperatura de la CCM es principalmente, la obtención de condiciones óptimas para el crecimiento
microbiano y la actividad catalítica que estos desempeñan. Por esto, el estudio de Mathuriya &
Sharma (2009) estudió esta variable y observó una disminución en el rendimiento de la celda
cuando la temperatura de la misma se incrementó desde los 35°C a los 45°C.
Larrosa Guerrero, y otros (2010) realizaron un análisis sistemático de la influencia de la
temperatura de operación en las celdas de combustible microbianas, a partir de la operación de
CCMs de una y dos cámaras bajo idénticas condiciones, alimentadas con agua residual de industria
cervecera diluida en agua residual doméstica, examinando su respuesta a siete valores de
temperatura entre los 4ºC y 35ºC. Los resultados, expresados en términos de voltaje y corriente,
demostraron que tanto para las CCMs de cámara doble como para las de cámara única la
generación de energía eléctrica mejoró con el aumento de temperatura (3 mV y 29 mV para la
celda de una y dos cámaras a la más baja temperatura, 96 mV y 118 mV a la más alta, para las
respectivas celdas).
Por otra parte, se logró mayor eliminación de DQO, lo cual es relevante para su acoplamiento
a sistemas de tratamiento de aguas residuales. La tendencia del comportamiento de la CCM en
función de la temperatura, que fue descrita en el estudio de Larrosa Guerrero, y otros (2010), es
ampliamente aceptada entre los investigadores, en CCMs. Como indica Feng, Lee, Liu, & Wang
(2009), la actividad de los microorganismos del ánodo es incrementada con la temperatura, de
igual forma la estructura de la población microbiana que está relacionada con la proporción y la
distribución de nutrientes también es dependiente de esta variable, las tasas de reacción químicas
aumentan de acuerdo a los incrementos de temperatura y por último, la conductividad del
electrolito también puede verse afectada dado que, a la misma concentración de la solución, la
137
conductividad de la misma puede aumentar a razón de 2%/°C, lo que conduce a una menor
resistencia interna en la solución.
Otro aspecto poco contemplado dentro de la evaluación de la temperatura, es el efecto de la
temperatura ambiente y sus variaciones naturales, sobre la generación de energía. Para reconocer
este aspecto, Jadhav & Ghangrekar (2009), expusieron una CCM de doble cámara a una
temperatura ambiente inicial entre el intervalo de 20 a 35 ºC, la cual después disminuyó a un
intervalo de 8 a 22 ºC a causa de la temporada de invierno. La experimentación permitió observar
que, durante el tiempo en que se empleó el rango de mayor temperatura de operación, el voltaje
máximo a través de una resistencia de 50 Ω fue de alrededor de 40 mV, el cual se elevó a
aproximadamente 70 mV, durante la operación bajo el rango de menor temperatura. La eficiencia
coulómbica (EC) también se vio favorecida por la menor temperatura de funcionamiento, ya que
esta aumentó de 1,5% para la mayor temperatura a 5% para el menor rango. Los investigadores
determinaron que, al disminuir la temperatura de la celda se suprimió el crecimiento de los
microorganismos metanógenos, por lo cual, “due to lowering of the substrate utilization by
methanogens larger fraction of the substrate was available to electrogenic population and resulted
in increase in current and CE” (pág.719-720).
Posteriormente, los datos obtenidos por Catal, Kavanagh, O'Flaherty, & Leech (2011)
confirman estos resultados hasta los 4°C, aunque también se ha señalado que estos cambios son
observables en tanto se halla llevado a cabo el enriquecimiento de las comunidades microbianas,
en condiciones de temperatura más favorables. También se reportó una disminución progresiva de
la energía, antes de que los microorganismos fueran expuestos a temperaturas demasiado bajas,
dando cabida a la adaptación de la biopelícula a las condiciones cambiantes.
Si bien la generación de electricidad dentro de la CCM se ve reducida al disminuir las
temperaturas por el efecto generado sobre las comunidades microbianas, esta puede recuperarse
completamente al incrementar nuevamente la temperatura (Gonzalez del Campo, Lobato,
Cañizares, M.A., & Fernandez Morales, 2013). Sin embargo, sin el proceso de aclimatación de la
biopelícula, se prevee que esta recuperación de los niveles de energía eléctrica, no sería posible
como han reportado Zhang, Sun, Hu, Wang, & Li (2014), en cuyo experimento no pudo obtenerse
138
voltaje perceptible cuando la CCM fue operada bajo temperaturas de 6 °C, sin previa adaptación
de los microorganismos.
Esta capacidad de adaptación de las comunidades microbianas frente a variaciones importantes
de temperatura, han llevado a varios investigadores a establecer que, si bien los descensos de
temperatura pueden reducir la cantidad de energía generada, las densidades de potencia pueden ser
reestablecidas una vez que la temperatura de la celda vuelva su estado original (Gonzalez del
Campo, Lobato, Cañizares, M.A., & Fernandez Morales, 2012; Tang, Liu, Yuan, & Zhuang, 2014),
por lo que puede decirse que no se generan efectos negativos irreversibles derivados de la
exposición temporal a bajas temperaturas. No obstante, se requiere también que los estudios
establezcan los límites de la capacidad de adaptación de la biopelìcula, en cuanto al tiempo en que
estas pueden ser expuestas a condiciones poco favorables, sin que la producción de energía se vea
alterada de forma permanente.
De esta forma se pudo reconocer la inocuidad e incluso las ventajas de las bajas temperaturas
ambientales sobre la celda, lo cual es fundamental para lograr avanzar en la adaptación de estos
sistemas a espacios abiertos, sin un riguroso control de la temperatura interna del sistema, para
lograr la apropiación eficiente de esta tecnología.
8.3.3 Desempeño del sustrato.
El sustrato es el medio del cual se alimentan los microrganismos inoculados en el
compartimiento anódico. En este apartado, se reconocer el desempeño energético obtenido en la
celda de combustible microbiana al emplear distintas variedades de sustratos, los cuales se han
clasificaciones en dos tipos: composición definida y composición no definida. Los sustratos de
composición definida, son soluciones que contienen uno o varios donadores de electrones, a una
concentración especificada por el grupo investigador, son recomendables a nivel experimental ya
que su uso facilita la evaluación de condiciones operaciones de la celda de combustible microbiana
tales como la eficiencia coulómbica, la densidad de potencia y la resistencia interna (Revelo,
Hurtado, Ruiz, & O, 2013). Los sustratos de composición no definida, corresponden a residuos
orgánicos o efluentes industriales mediante los cuales, se indaga respecto a las aplicaciones
139
prácticas de esta tecnología, al emplear sustancias cuya composición química no fue definida
previo a su introducción en la celda.
8.3.3.1 Sustratos de composición definida.
Los sustratos de composición definida, frecuentemente denominadas como aguas residuales
sintéticas, son aquellas donde los compuestos químicos que conforman la solución, así como la
concentración de cada uno de ellos es establecida por el/los investigadores. Además de ser
empleados para el estudio de los parámetros previamente mencionados, también pueden
proporcionarse a las CCMs para conocer la capacidad del sistema, para remover compuestos
específicos, lo que permite estimar la producción de electricidad a partir de aguas residuales que
contengan el compuesto de interés. Pueden citarse los compuestos con contenido de grupos azo
como un ejemplo de estos, principalmente tintas como Rojo Congo y ABRX3 (Reactivo Rojo
Brillante X-3B), estas sustancias se consideran altamente contaminantes y biorrecalcitrantes, por
lo que su eliminación es un tema de amplia discusión dentro de grupos investigadores, y se ha
abarcado en los estudios en CCMs, mediante el empleo de agua residual sintética con contenidos
de estos compuestos (Ji, y otros, 2011; Hou, Sun, & Hu, 2011a, 2011b; Fang, Song, Cang, & Li,
2015; Sun, Hu, Bi, & Cao, 2009).
Estos estudios citados han permitido establecer dos aspectos importantes en la aplicación de
tintas azo en CCMs para generación de energía. El primero, que es posible generar energía en
presencia de estos compuestos biorrecalcitrantes, si se dispone de un denominado co-sustrato que
sea capaz de proporcionar los electrones para la generación de corriente, por lo que la obtención
de energía no se da de forma directa a partir del compuesto azo (Fang, Song, Cang, & Li, 2015;
Sun, Hu, Bi, & Cao, 2009). Los co-sustratos más comunes en estos casos suelen ser glucosa,
sacarosa y acetato de sodio, que en CCMs suelen emplearse también como única fuente de carbono
para la operación de las CCMs, ya que se ha encontrado que suelen generarse mayores cantidades
de energía en presencia de sustratos de fácil degradación para los microorganismos del ánodo
(Alzate Gaviria, y otros, 2010). Como co-sustrato se encontró la glucosa como un donador de
electrones más efectivo y, por tanto, su empleo aumenta la energía generada y remoción de las
tintas en el medio.
140
El segundo, es el efecto de la concentración de estos compuestos en el medio anódico,
obteniéndose que, a altas concentraciones, puede llegar a inhibirse la generación de energía (Fang,
Song, Cang, & Li, 2015; Sun, Hu, Bi, & Cao, 2009). Se han encontrado dos razones primordiales
para ello: por un lado, la pérdida de co-sustrato como resultado de los procesos de decoloración de
estos compuestos, consumiendo los electrones e impidiendo que la totalidad de estos lleguen al
ánodo (Hou, Sun, & Hu, 2011b; Fang, Song, Cang, & Li, 2015), como resultado las eficiencias
coulómbicas obtenidas son relativamente bajas (0-20%); por otro lado están los efectos negativos
generados por estos compuestos tóxicos en las comunidades microbianas y principalmente las
bacterias electrogénicas (Fang, Song, Cang, & Li, 2015), dado que los productos de la decoloración
pueden llegar a ser incluso más nocivos para la microbiota que el compuesto biorrecalcitrante
original y no pueden ser removidos por los procesos de las CCMs (Hou, Sun, & Hu, 2011a).
Compuestos sencillos ampliamente usados como azúcares también se han evaluado en el
estudio de Catal, Kavanagh, O'Flaherty, & Leech (2011), aunque en este estudio no se evaluó de
forma individual el desempeño de estos sustratos en una CCM de cámara única, sino que se simulo
el cambio por etapas de la composición de la solución alimentadora, alternando los distintos
azucares estudiados D-glucosa, acetato de sodio, D-galactosa, acido D-glucurónico y D-xilosa,
con voltajes máximos aproximados de 500 mV para todos los sustratos excepto D-xilosa que
obtuvo un menor desempeño apenas superando los 300 mV.
Las cetonas también han sido ampliamente implementadas en los estudios, un ejemplo es el
uso de acetona en CCMs de doble cámara en presencia de un mediador de electrones como el
permanganato de potasio, las densidades de potencia y corriente obtenidas fueron de 22 mW/m2 y
70 mA/m2, respectivamente (Rahimnejad, y otros, 2012). Sin embargo, el desempeño de la acetona
como sustrato en este estudio, solo se consideró en función del mediador de electrones, cuyo papel
es discutido en apartados posteriores.
Otros compuestos pueden incluir aminoácidos como la cisteína, la cual se ha recomendado en
varios estudios para reducir los efectos generados por la difusión del oxígeno en ambientes donde
se requieren condiciones anaerobias, empleando la cisteína como eliminador de este (Rodrigues,
y otros, 2011; Hungate, 1969). En estudios sobre CCMs se ha demostrado, además, que la cisteína
141
puede ser empleada también como la única fuente de carbono, sin necesidad de la adición de otros
compuestos. El estudio de Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head (2005) mostró que en una celda
de tipo H en medio con L-cisteína puede obtener una densidad de potencia de 18 mW/m2, con una
concentración de 385 mg/L de cisteína (resistencia externa de 493 Ω). El estudio también mostró
un incremento directo de la densidad de potencia en proporción a la concentración de cisteína, en
donde llegó a obtenerse una máxima densidad de potencial al alcanzar los 770 mg/L y 39 mW/m2.
Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head (2005) identificaron que las especies de Shewanella fueron
las principales responsables de la degradación de la cisteína y que:
An electron balance showed that 14% of the cysteine could be accounted for through electricity
generation […]an additional 14% (28% total) of the cysteine could be lost to a combination of
electricity generation and cysteine oxidation to cystine.Un 14% adicional (28% en total) de la cisteíne
pudo perderse en una combinación de generación de electricidad y de la cisteína a cistina (pág. 950).
Esta aseveración aplica para muchos estudios realizados en otros sustratos y generalmente es
aceptado entre los grupos investigadores, que el incremento en la concentración del sustrato
aumenta la producción de energía en la CCM (Alzate Gaviria, y otros, 2010; Kumar, Kumar, &
Babu, 2012; Mathuriya & Sharma, 2009; Fang, Song, Cang, & Li, 2015). No obstante, también se
ha reportado en numerosos investigadores, que la concentración del sustrato al igual que la
diversidad del sustrato disponible en solución, podría generar en comunidades microbianas mixtas,
la competencia entre bacterias electrogénicas y no electrogénicas, en detrimento de la producción
de energía (Feng, Lee, liu, & Wang, 2009).
Es necesario también que sea mencionado, que la mayoría de estos compuestos se emplean en
solución de agua residual sintética que se asemejan a las características químicas del agua residual
objetivo, ya sea agua residual doméstica o de diversas industrias. El empleo de aguas residuales
sintéticas es preferible en estudios a escala de laboratorio en vez de aguas residuales reales, debido
a que estas últimas presentan serias dificultades como son: dificultad de transporte de grandes
muestras hasta el laboratorio, además la toma constante de muestras para la alimentación de los
reactores requiere mayor cantidad de tiempo y dinero, la variabilidad de las características
fisicoquímicas y bacteriológicas de las distintas aguas residuales y finalmente, la peligrosidad
derivada de la presencia de microorganismos patógenos (Sánchez & Lozano-Rivas, 2012). Por lo
142
anterior, la mayoría de las especies químicas como acetato de sodio, glucosa, sacarosa y las demás
mencionadas en este apartado son empleadas en solución de agua residual sintética que suele estas
compuesta además por solución amortiguadora de fosfato, vitaminas y minerales (Zhang, Sun, Hu,
Wang, & Li, 2014; Catal, Kavanagh, O'Flaherty, & Leech, 2011).
Para estas aguas residuales sintéticas se han empleado también compuestos de mayor
complejidad y difíciles de degradar como la celulosa en una CCM tipo H en presencia de
Geobacter sulfurreducens en donde se llegaron a obtener densidades de potencia máximas de 10
mW/m2 (Ishii, Shimoyama, Hotta, & Watanabe, 2008). Es necesario, al igual que para el caso de
las aguas con contenido de compuestos azo y para los demás sustratos empleados, que sean
identificados los productos de su descomposición. Para el caso de la CCM alimentada con celulosa,
se evidenció la acumulación de acetato generando variaciones en el pH, así como pequeñas
cantidades de ácidos grasos volátiles (Ishii, Shimoyama, Hotta, & Watanabe, 2008).
Es importante para la generación de energía, que los procesos que se desarrollen en las CCMs
no sean mutuamente adversos como es el caso de los compuestos azoicos. Estos sistemas podrían
ser autosustentables para el tratamiento de aguas, aunque requieren mantenimiento continúo dados
los procesos anteriormente descritos, por lo que poseen fuertes limitantes para su operación en
periodos prolongados. Se ha reportado que pueden existir comunidades microbianas resistentes a
determinadas concentraciones de estos compuestos, sin embargo, estas poblaciones deben ser
controladas de igual manera. Es preferible que, además de emplear cultivos enriquecidos y
resistentes a los compuestos azo, también se empleen fuentes de carbono de sencillos y de fácil
degradación, probablemente mediante circulación de aguas residuales, para ser sometidas a
tratamientos bajo condiciones aeróbicas (cámara catódica) y anaeróbicas (cámara anódica) en una
CCM modificada.
8.3.3.2 Sustratos de composición no definida.
Dado que las CCMs se perfilan como una tecnología alternativa encaminada hacia la
sostenibilidad, algunos investigadores han buscado depender en menor grado de la adición de
sustancias químicas a estos sistemas y aprovechar más los residuos, por ejemplo, aquellos
143
inherentes a actividades agrícolas. En ese sentido, Zuo, Maness, & Logan (2006) investigaron la
posibilidad de emplear rastrojos de maíz como sustrato de una CCM de cámara única, como una
alternativa al manejo de las millonarias toneladas generadas de este residuo en los Estados Unidos.
Para este fin, se emplearon dos tipos distintos de pretratamiento a la biomasa: neutro (empapando
el rastrojo en agua) y ácido (empleando ácido sulfúrico). Los resultados de densidad de potencia
máxima para ambos tratamientos fueron de 371 ± 13 mW/m2 (a 1446 mA/m2) para el hidrolizado
neutro y 367 ± 13 mW/m2 ( a 1439 mA /m2) para el hidrolizado ácido, los cuales mejoraron al
adicionar una capa de difusión en el cátodo —compuesta por una capa base de carbono/poli
(tetrafluoroetileno) (PTFE) y cuatro capas superpuestas de PTFE— y que aún se elevaron más
cuando la conductividad de la solución se aumentó de 10 a 20 mS/cm, tanto para el hidrolizado
neutro como el ácido (933 y 971 mW/m2, respectivamente). Lo anterior condujo a los
investigadores a la conclusión de que “corn stover hydrolysates have an excellent potential to be
used as substrates for renewable and sustainable electricity generation with MFC technologies”
(pág. 1721).
Un estudio comparativo de la capacidad de generación de energía en CCMs, fue obtenido
gracias a Mathuriya & Sharma (2009), en donde se estudiaron aguas residuales de fábrica de
cerveza, industria del azúcar, agua residual de la industria de la leche, agua residual municipal y
de la industria del papel, en CCMs de doble cámara en presencia de PEM. Los mejores resultados
para la generación de energía fueron obtenidos para las aguas residuales de la industria del azúcar,
seguida del agua residual de la industria cervecera y agua residual municipal. Los más bajos
desempeños se obtuvieron para las aguas de la industria del papel y de la leche, presumiblemente
debido a la presencia de compuestos fácilmente utilizados por los microorganismos mixtos
presentes en estas aguas, la presencia de grandes cantidades de sustancias complejas para la
biodegradación conduce a menores densidades de potencia (Mathuriya & Sharma, 2009).
Para el estudio del desempeño de las CCMs con aguas residuales industriales, es necesario que
los investigadores especifiquen dos aspectos de vital importancia para los análisis: el primero es
la composición química de las muestras, como se ha afirmado anteriormente, la presencia de
compuestos de baja o elevada complejidad tiene efectos en la generación de energía por parte de
la celda, si bien es posible que los investigadores establezcan una composición estimada de
144
acuerdo a la literatura, es necesario tener en cuenta que la organización y tratamiento que cada
industria particular da a sus efluentes es diferente, la composición a su vez depende de las técnicas
y procesos de cada instalación particular (industrializadas o artesanales). En segundo lugar, una
industria puede generar uno o varios efluentes en determinado proceso productivo, especificar
estos pasos en particular es de relevancia para estimar la composición de las aguas residuales en
caso de que no pueda generarse un análisis fisicoquímico para determinarla.
8.3.4 Microorganismos exoelectrógenos.
Los microorganismos son un componente fundamental en el desempeño energético de la
CCM, ya que actúan como mediadores en la producción de electricidad en la celda, siendo
comúnmente conocidos en el estudio de estos dispositivos, como microrganismo exoelectrógenos
o electrógenos, los cuales en conjunto, constituyen el inoculo introducido en el compartimiento
anódico. Algunos grupos investigadores suelen emplear inóculos provenientes de cultivos puros o
con una comunidad microbiana plenamente identificada, mientras que otros estudios buscan
examinar la viabilidad de diversas sustancias como fuente de estos microorganismos, sin conocer
las especies microbianas presentes en dichos inóculos.
Respecto a los primeros, como se mencionó previamente, provienen de cultivos puros de
microorganismos en laboratorios, o son aislados de muestras ambientales o industriales siendo
plenamente identificados, empleados para evaluar las propiedades electrogénicas de
microorganismos específicos o para identificar los microorganismos responsables de esta
actividad.
Las bacterias reductoras de metales, como aquellas pertenecientes a las familias Shewanella,
Rhodoferaz y Geobacter son bastante comunes en experimentos en CCMs, ya que estas pueden
emplear el ánodo como el aceptor final de electrones (Du, Li, & Gu, 2007). Estas y otras bacterias
electrógenas, desarrollan distintos mecanismos de transferencia de electrones, tales como el
transporte extracelular mediante citocromos tipo C y nanowires conductores, los cuales se han
observado en ánodos inoculados con Escherichia coli, como se evidencia en la Figura 31 (Chen,
Cui, Wang, Wang, & Li, 2015); estos microorganismos también pueden tener la capacidad de
145
generación de mediadores químicos, como es el caso de Pseudomonas aeruginosa estudiado por
Mejía, y otros (2013). La información disponible sobre estos mecanismos se discute en apartados
posteriores del documento, a continuación, se ilustra la información encontrada sobre el
desempeño de los distintos cultivos para la generación de energía en CCMs.
Algunos estudios abordan un enfoque
electroquímico para la evaluación de la
capacidad de generación de energía por
parte de los microorganismos. Entre estos
se cita el de Fatemi, Ghoreyshi, Najafpour,
& Rahimnejad (2012), quienes emplearon
Saccharomyces cerevisiae PTCC 5269 en
una CCM de doble cámara en presencia de
glucosa como donador de electrones. El
sistema generó una densidad de potencia
de 10,0224 mW/m2 y un voltaje a circuito abierto de 290 mV, que fue comparado con los valores
obtenidos de cultivos mixtos provenientes de efluentes industriales, demostrando un menor
desempeño debido a que la actividad electroquímica observada en el cultivo de S. cerevisiae es
menor que la generada por el conjunto de bacterias electrogénicas presentes en el inóculo mixto.
Otros estudios han identificado una relación entre la generación de energía por parte de un
microorganismo particular, en función de la densidad óptica bacteriana (DO), tomada como una
medida de la concentración de células y el crecimiento celular (Molano, 2004). Estudios con
Lactobacillus bulgaricus permitieron evidenciar que “the highest the OD value produced the
smallest current and voltage” (Arbianti y otros, 2013, pág. 33). Los valores elevados de DO,
indican de igual forma, altos niveles de masa celular que consumen más rápidamente el sustrato
disponible en la celda, por lo cual eventualmente los electrones disponibles serán consumidos a un
ritmo acelerado, generando la reducción de la corriente observable.
Por otro lado, en la investigación de Rezaei, y otros (2009), se realizó un montaje experimental
con una CCM de tubo en U, seguido de un análisis microbiológico con el propósito de identificar
Figura 31. Imagen SEM de fieltro de carbono después de 48
h de inoculación con E. coli. Fuente: Chen, Cui, Wang, Wang,
& Li (2015).
146
un microorganismo que por sí solo, pueda tanto degradar la celulosa en partículas, como generar
corriente. Las celdas de tubo en U se corrieron durante 19 ciclos después de inocularse con aguas
residuales hasta que la comunidad fue estable durante al menos dos ciclos consecutivos. Los
análisis de las secuencias de cinco bandas obtenidas mediante Electroforesis en Gel con Gradiente
de Desnaturalización (DGGE, por sus siglas en inglés) del último ciclo, permitieron la
identificación de la cepa Enterobacter cloacae ATCC 13047T con (100% de identidad).
Adicionalmente, se asiló otra cepa a partir de la suspensión del último ciclo, con una secuencia del
gen 16S rRNA de casi longitud total, idéntica a la observada para la cepa de colección de cultivos
E. cloacae ATCC 13047T por lo cual esta cepa fue designada como E. cloacae FR.
Al evaluar la capacidad de generación de estas cepas mediante las curvas de polarización, se
observó que las densidades de potencia máximas, usando una resistencia de 5000 Ω en las celdas,
producidas por las dos cepas fueron similares: 5,4 ± 0,3 mW/m2 para E. cloacae ATCC 13047T y
4,9 ± 0,01 mW/m2 para E. cloacae FR. También se realizaron pruebas para reconocer la producción
eléctrica del cultivo puro E. cloacae ATCC 13047T utilizando diferentes fuentes de carbono,
mediante el cual se reconoció que esta produce poca densidad de corriente con lactato (62 ±12
mA/m2), y no utiliza acetato, lo cual llevó a los autores a determinar que la “complete utilization
of the carbon sources in an MFC, therefore, would still require addition of other microbial strains
to the culture or genetic modification of E. cloacae to use these substrates” (pág. 3677).
Es ampliamente aceptado, que por lo general los cultivos mixtos producen mayores
cantidades de energía que los cultivos puros, dado que los primeros tienen capacidad de emplear
una más amplia variedad de sustratos presentes (Catal, Kavanagh, O'Flaherty, & Leech, 2011),
para la obtención de los electrones necesarios. La presencia de bacterias Gram (+) y Gram (-), han
dado lugar a que estas “evolve and form their own structure and interactions, which have produced
a more productive community” (Read, Dutta, Bond, Keller, & Rabaey, 2010, pág. 7), lo cual
implica que pueden darse infinidad de relaciones ecológicas basadas en los distintos
microorganismos que pueden componer el inóculo, desarrollados en las CCMs y que no se han
explorado hasta la fecha. La necesidad de la comprensión de estas relaciones, ha llevado a los
investigadores al análisis no solo de los microorganismos aislados, sino del entorno que estos
generan, es decir, la biopelícula en la superficie de los electrodos.
147
Los análisis detallados de la morfología y composición de la biopelícula —ecosistema
microbiano que conformando una delgada capa sobre el ánodo—son muy escasos en los
documentos investigados, sin embargo estos han llegado a abarcar no solo la observación de la
adhesión microbiana en los distintos ánodos que se han estudiado, sino también la cuantificación
de sus características físicas como espesor, rugosidad, tipo de microorganismos que la componen,
polímeros extracelulares y sales que pueden presentarse, así como las variaciones de estos
parámetros de acuerdo a los cambios en los materiales de construcción, origen del inóculo
empleado, sustratos y soluciones alimentadoras, entre otros.
El estudio realizado por Read, Dutta, Bond, Keller, & Rabaey (2010) evaluó los distintos
factores que influyen en las propiedades de las biopelículas, sus hallazgos se consideran muy
relevantes para la investigación de la microbiota en las CCMs, cuyos resultados indican en primer
lugar, que el tipo de circuito ya sea abierto o cerrado, genera una influencia importante en la
viabilidad de la biopelícula. Las zonas más viables a circuito abierto se encuentran en las áreas
más alejadas del electrodo, mientras que lo contrario ocurre en presencia del circuito cerrado,
donde las regiones viables se encuentran cerca al ánodo, a una distancia de 10-20µm.
El análisis generado por el grupo investigador aborda un enfoque orientado a la morfología y
características de la biopelícula, entre aquellas derivadas de bacterias Gram (+) y Gram (-) — que
para este estudio fueron Clostridium acetobutylicum y Enterococcus faecium Gram (+) y
Pseudomonas aeruginosa, Geobacter sulfurreducens y Shewanella oneidensis Gram (-) —,
indican que para las primeras se puede dar la formación de una biopelícula descrita como césped,
mientras que los segundos desarrollaron torres como medida para alcanzar mayor cantidad de
sustrato en la solución. Los resultados de este estudio son una muestra de la existencia de las
relaciones ecológicas entre especies microbianas dentro del consorcio, sin embargo, la importancia
de dichas relaciones para la operación de las CCMs no se abarcó en los documentos consultados.
El análisis comparativo de las especies bacterianas en cultivos puros muestra que los
experimentos con las bacterias Gram (+) generaron menor cantidad de corriente, 0,1mA y 0,13 mA
para E. faecium y C. acetobutylicum, respectivamente, que las bacterias Gram (-) con 1,1mA, 0,5
148
mA y 1,3mA para G. sulfurreducens, P. aeruginosa, y S. oneidensis respectivamente. Por otro lado,
los co-cultivos con E. faecium con cada una de las cepas de bacterias Gram (-) llegaron a producir
más corriente (entre 1,8 mA y 2,0 mA) que la obtenida con los cultivos puros. Las razones para
estas variaciones no se han estudiado en los documentos consultados, por lo que es necesario que
en el futuro se abarquen los mecanismos de generación de energía en CCMs, para bacterias
específicas.
Los inóculos provenientes de muestras ambientales o de efluentes industriales, cuya
composición microbiana es desconocida, abarca comunidades generalmente mixtas de una gran
variedad de microorganismos cuyo empleo en CCMs ha permitido a los investigadores estimar la
capacidad de la diversidad microbiana para generar energía, y también permite identificar de estas
comunidades.
En esta dirección, Talero Montealegre (2013) evaluó la producción de electricidad al emplear
heces de cerdo y rumen de vaca como inóculo. Al emplear el inóculo en base a heces de cerdo,
con una alimentación semi-continua de glucosa-sacarosa que permitiera el crecimiento de los
microorganismos, se logró obtener una densidad de potencia máxima de 159,32 mW/m2. Respecto
al montaje experimental con rumen de vaca, se implementó en dos tipos de soluciones
alimentadoras de la CCM. En primer lugar, se alimentó de forma semicontinua una solución de
celulosa soluble, alcanzándose una densidad de potencia máxima de 209,43 mW/m2. En segundo
lugar, se alimentó a la celda con desechos celulíticos parcialmente hidrolizados, lográndose una
densidad de potencia máxima de 77,95 mW/m2. Para los dos primeros montajes experimentales,
se observó que a medida que la alimentación se suministraba de forma continua, la tendencia de
producción de densidad de potencia también aumentó, sin embargo, se considera que las bacterias
presentes en el rumen de vaca tuvieron mayor capacidad de adaptación y supervivencia, razón por
la cual, estas fueron capaces de producir mayor cantidad de energía que las presentes en las heces
de cerdo.
Las heces de vaca también han sido estudiadas a distintas concentraciones, en celdas de
combustible microbianas. Kumar, Kumar, & Babu (2012) afirman que “the máximum OCV (Open
Circuit Voltage) of 179,7 mV was recorded from MFC with 50% cow dung at 40 min. It implies
149
that at 50% concentration of cow dung nutrients would be in sufficient amount easily available to
the bacteria cause máximum OCV.” (pág. 444).
Los inóculos empleados en el estudio permiten visualizar a los dispositivos de CCM como una
tecnología sostenible ya que aprovechan un residuo que es inherente a la actividad pecuaria, en el
caso de las heces de cerdo, y de las actividades de mantenimiento de zonas verdes públicas como
es la poda, en el caso del rumen de vaca. La investigación es incipiente, pero constituye un paso
para la apropiación de la tecnología de CCMs.
Liu & Li (2007) compararon los resultados a partir de un cultivo puro de Rhodoferaz
ferrireducens y un cultivo mixto en base a lodos activados, lo cuales se inocularon respectivamente
en las cámaras anódicas en dos CCMs idénticas, alimentadas con aguas residuales de glutamato
monosódico (MGW, por sus siglas en inglés), las cuales consistían principalmente en ácido
glutámico, azúcares reductores y sulfato. Los resultados obtenidos por ambos inóculos fueron muy
parecidos, el voltaje máximo obtenido y al rendimiento coulómbico que para el cultivo puro fueron
0,180 ± 0,008 V y de 76,55 ± 15,38 C respectivamente, mientras que para al cultivo mixto estos
valores fueron de 0,182 ± 0,005 V y 75,73 ± 6,32 C.
Otros parámetros medidos también fueron similares, observándose que la CCM inoculada con
el cultivo mixto generó un voltaje de circuito abierto (OCV), el cual es “the cell voltage that can
be measured after some time in the absence of current” (Logan B. E., y otros, 2006, pág. 5185) de
0,588V cerca de 0,520V alcanzado por el cultivo puro. La potencia máxima con cultivo puro
alcanzó 0,087 mW en una resistencia de 500 Ω, mientras que la celda con cultivo mixto generó la
potencia máxima de 0,091mW a la misma resistencia, cuando se redujo la resistencia de 500Ω a
20 Ω, la potencia de salida con cultivo puro disminuyó más rápidamente que con el cultivo mixto.
Lo anterior indicó a los investigadores, que ambos cultivos presentan una actividad
electroquímica similar al emplear MGW como sustrato, por lo cual sería conveniente analizar tanto
el rendimiento energético del sustrato con otros tipos de inóculos, como los inóculos estudiados
con otros sustratos, para reconocer si esta tendencia de generación de energía observada se
mantiene.
150
Min, Cheng, & Logan (2005) por otro lado, obtuvieron densidades de potencia promedio
parecidas al evaluar una CCM inoculado con Geobacter metallireducens y acetato como sustrato
(37,2 ± 0,2 mW/m2) y una CCM inoculado con aguas residuales domésticas (38 ± 1 mW/m2),
corroborando los resultados del estudio anterior.
Por otro lado, la investigación de Ishii, Shimoyama, Hotta, & Watanabe (2008) aborda un
enfoque orientado a la caracterización de los microorganismos que componen la biopelícula a
partir de inóculos mixtos, el estudio fue realizado en una CCM tipo H inoculada con suelo de
campo de arroz alimentada con solución de celulosa. Las imágenes de microscopia muestran la
presencia de microorganismos en forma de bastón con apéndices largos y filamentosos, así como
también células propiamente filamentosas interconectadas con los otros tipos de bacterias
mediante sus apéndices (Ver Figura 32). Las
relaciones y mecanismos de transferencia
intracelular de electrones que se dan en la
biopelícula son poco conocidos, aunque
evidenciados por el estudio de Read, Dutta,
Bond, Keller, & Rabaey, (2010) y también ha
sido señalado por Franks & Nevin (2010) al
afirmar que “the way the cells are packed in a
biofilm is more important than just producing
thicker biofilms.” (pág. 908).
Cabe mencionar también que el análisis de microorganismos en varios estudios como los de
Feng, Lee, Liu, & Wang (2009), han abarcado el aislamiento de cepas microbianas de actividad
electroquímica superior a partir de inóculos mixtos, pero no se generó la correspondiente
identificación de las cepas aisladas. El grupo investigador aisló y evaluó 41 cepas a partir de agua
residual doméstica, de las cuales 33 fueron capaces de mostrar propiedades electrogénicas durante
la operación de las CCMs, al observar una generación de voltaje entre los 100-200 mV, valores
que fueron superados por otras tres cepas nombradas como FLL1, FLL2, y FLL3, sin embargo el
estudio describe que los voltajes fueron inusualmente bajos, debido a los siguientes factores
establecidos por ellos: Inadecuado aceptor de electrones que indujo la acumulación de electrones
Figura 32. Imagen SEM de biopelícula adherida a ánodo
de fibra de grafito, día 216 de operación. Barra de 5µm.
Fuente: Ishii, Shimoyama, Hotta, & Watanabe (2008).
151
en ambos, la solución anódica y las bacterias electrogénicas, lo cual es poco favorable para el
transporte de electrones e inhibe el crecimiento microbiano; la riqueza de nutrientes en el medio
puede ocasionar la competencia interespecífica de distintas especies microbianas; la actividad
electroquímica puede deberse a la presencia de varios tipos de bacterias electrogénicas que solo
pudieron generar los valores de voltaje observados.
Si bien, son varios los autores que han mencionado los procesos de competencia dentro de las
comunidades microbianas (Feng, Lee, liu, & Wang, 2009; Read, Dutta, Bond, Keller, & Rabaey,
2010), las relaciones entre ellas durante la operación de las CCM son, hasta la fecha, bastante
desconocidas dado que estas dinámicas en las comunidades microbianas tanto en cultivos puros
como en mixtos son muy poco estudiadas. De igual forma, se requiere que los estudios futuros
desarrollen formas de determinar y cuantificar la actividad electroquímica de los microorganismos
e inóculos, sin que esta se vea afectada por los parámetros de la celda como se evidenció en el
estudio anteriormente descrito. Por esta razón, no se establecerán comparaciones en el presente
documento, con respecto a la actividad electroquímica observada por los investigadores, para los
distintos microorganismos identificados en los estudios consultados.
Logroño Vintimilla (2014) realizó un estudio empleando inóculos provenientes del ambiente,
evaluando el comportamiento de la producción de bioelectricidad de los microorganismos
electrogénicos presentes en suelos de la Comunidad Achuar Kaiptach-Amazonia (Fundación
Chanquak-Macas, Ecuador) y de la Comunidad de Pichan Central-Andes (Facultad de Recursos
Naturales-ESPOCH, Ecuador). Para este fin se construyeron tres CCMS con diferentes volúmenes
(20 L, 12 L y 4 L), se emplearon residuos orgánicos como sustrato con una relación 50:50 de frutas
y verduras. Los mejores resultados en generación de energía, para el Caso Andes se lograron con
el tratamiento corresponde al tamaño intermedio al generar 316,5659 mV y para el Caso de
Amazonía al emplear el pequeño, con 270,0925 mV.
Para dar continuidad al estudio anterior, Armas Chugcho & Ramírez Yambombo (2014)
procuraron optimizar la proporción del sustrato para este tipo de inóculo, evaluando diferentes
matrices orgánicas (residuos orgánicos) en CCMs que emplearon suelo del Páramo Alto Andino
de Pinchan Central-Ecuador. Se construyeron celdas de cámara simple de 12 L con relaciones (en
152
peso) de verduras y frutas: M1 (50:50), M2 (75:25), M3 (25:25). El estudio permitió reconocer
que las celdas con los matrices M1 y M3 tuvieron una generación más alta de bioelectricidad
debido al mayor contenido de frutas en proporción al contenido de verduras, asociado con mayor
cantidad de carbohidratos y glucosa, los cuales son metabolizados por los microorganismos para
la generación de energía.
Por otro lado, el grupo investigador de Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head (2005)
decidieron emplear un inóculo obtenido de sedimentos marinos para operar su CCM tipo H, en
presencia de cisteína en la cámara anódica. Luego de la operación de la celda, los investigadores
pudieron identificar la presencia de Gammaproteobacteria en la biopelícula formada,
predominando las relaciones con Shewanella affinis principalmente. Los investigadores afirman
que por medio de S. affinis empleadas en CCMs, “it is likely that oxygen diffusion into anode will
be scavenged by the bacteria. The major effect on the fuel cell operation in this case should be a
loss of substrate to microorganisms through aerobic respiration.” (pág. 950).
Otros inóculos comúnmente empleados en CCMs, son los lodos aerobios y anaerobios,
provenientes de la operación de las plantas de agua residuales. Estas fuentes de inóculos contienen
una variedad amplia de comunidades microbianas, las cuales se ven reducidas cuando son operadas
en CCMs. Esto se refleja en el estudio de Aelterman, Rabaey, Pham, Boon, & Verstraete (2006)
en el cual se evaluaron 6 unidades de CCMs, las comunidades microbianas que en un inicio eran
diversas, con el tiempo de operación se volvieron homogéneas en todas las celdas, identificándose
principalmente microorganismos pertenecientes al filum Proteobacteria, Firmicutes y
Actinobacteria. En promedio, las densidades de potencia para las celdas fueron de 189 ± 6 W/m3
al emplear una resistencia externa de 7,2Ω, también se obtuvo una eficiencia coulómbica de 76,2
± 1,2%.
Es necesario remarcar que la eficiencia coulómbica en la literatura revisada, por lo general no
se emplea como indicador de eficiencia microbiana o de la capacidad generadora de energía por
parte de los microorganismos de forma específica, sino como una medida de la eficiencia global
de la celda. Si bien la eficiencia coulómbica ofrece un estimado de la cantidad de electrones
perdidos durante el proceso, no permite determinar la cantidad de estos que se requieren por los
153
propios microorganismos para su crecimiento, ni los que fueron consumidos en procesos
secundarios por microorganismos no electrogénicos como por ejemplo, las bacterias
metanogénicas para la producción de metano. Por lo anterior, es necesario que las futuras
investigaciones desarrollen indicadores que se ajusten a los parámetros microbiológicos como
tasas metabólicas, mecanismos de transferencia de electrones como nanowires, citocromos o
síntesis de compuestos mediadores, para determinar la eficiencia eléctrica asociada a cada
microorganismo.
Aunque mediante estas investigaciones se reconoce la factibilidad presentada por la mezcla de
residuos orgánicos y suelo para la generación de energía mediante CCMs, visto desde la
perspectiva de la sostenibilidad ambiental de la operación de estas, debe analizarse a profundidad
los posibles impactos ambientales causados por la extracción de suelo en las áreas señaladas en
estos estudios (Armas Chugcho & Ramírez Yambombo, 2014; Logroño Vintimilla, 2014; Logan,
Muranob, Scott, Gray, & Head, 2005), las cuales, acorde a la caracterización realizada por sus
autores, son áreas de baja intervención antrópica, puesto que podría llegar a alterarse los servicios
ambientales locales y regionales que allí se producen y que tal vez sean incompensables respecto
a los beneficios alcanzados por la implementación de CCMs en estas zonas. El uso potencial de
este tipo de inóculo dependerá en parte de la optimización de la matriz orgánica, la cual debe lograr
que con una baja adición de inóculo —lo que significa una baja tasa de extracción del suelo— se
alcance un amplio desarrollo de la comunidad microbiana generadora de energía.
8.3.5 Microorganismos Modificados Genéticamente en CCMs.
Son varios los autores que han señalado recomendaciones, en torno a la modificación mediante
ingeniería genética y biología molecular, de las cepas microbianas para la generación de
electricidad en CCMs, esto es mediante el mejoramiento de las tasas metabólicas principalmente,
lo cual permite la más rápida degradación de los sustratos orgánicos para la obtención de los
microorganismos, la producción de compuestos o estructuras que faciliten el transporte de
electrones y también la rápida formación de la biopelícula reduciendo los tiempos de puesta en
marcha (Du, Li, & Gu, 2007; Mejía, y otros, 2013).
154
Estos estudios están iniciando y en los últimos años se ha evidenciado un creciente interés en
este campo para aplicaciones en la producción energética. Un ejemplo es el estudio de Mejía, y
otros (2013) quienes abordan el incremento de la densidad de potencia en una CCM con
Pseudomona aeruginosa, mediante la introducción de mutaciones que permitan inhibir la
expresión de determinados genes encargados de procesos no esenciales y direccionar los recursos
hacia la producción de fenazinas, empleados por la bacteria como mediador del transporte de
electrones.
Mejía y otros, (2013) identificaron que el proceso de transporte de sulfatos, puede ser
eliminado para la optimización de P. aeruginosa y que los genes precursores de este proceso, son
cysA, cysP y rpoS. Por lo cual el grupo procedió a la inserción de transposones —segmentos de
1000 a 12000 pares de nucleótidos, con la capacidad de moverse por el genoma (Beas, Ortuño, &
Armendáriz, 2009)— con el fin de corroborar los resultados de la optimización propuesta. Señalan
que “interesantemente, para todos los casos, la modificación de las cepas llevó a un incremento en
ambos, la máxima densidad de potencia y el promedio, demostrando el efecto de estos genes en la
producción de fenazina” (pág. 108), ya que las densidades de potencia promedio para la CCM con
bacterias no modificadas fueron de 0,13 W/m2, mientras que para las modificaciones respectivas
de los genes cysA, cysP y rpoS, las densidades de potencia fueron de 2,20 mW/m2, 0,71 mW/m2
y 0,71 mW/m2.
8.3.6 Mecanismos de Reacción.
En este apartado se hace referencia principalmente a las vías de transferencia de electrones
entre los microorganismos y el electrodo (para la cámara anódica) y entre del electrodo al aceptor
final de electrones (en la cámara catódica). Acorde a Schröder (2007), los mecanismos de
transferencia de electrones de los microorganismos al ánodo de las CCMs, básicamente pueden a
agruparse en dos: Transferencia de electrones directa y transferencia de electrones mediada. A
continuación, se hace una breve descripción estos mecanismos, en base a lo discutido por este y
otros investigadores.
155
8.3.6.1 Transferencia de Electrones Directa (TED).
Implica que la membrana celular y/o proteinas de la membrana externa, estén en contacto con
el ánodo sin que, ninguna especie redox de difusión intervenga en la transferencia. La Figura 33
ilustra la TED mediante proteínas o conjunto de ellas que intervienen en este mecanismo:
citocromos tipo c y nanowires. Los citocromos son hemoproteinas clasificadas como
deshidrogenasas, que debido al hierro contenido en los grupos hemo, puede ser oxidado desde Fe3+
a Fe2+ permitendo el transporte de electrones (Murray, y otros, 2013). Los citocromos tipo c, están
presentes en la membrana celular
externa, y demanda que la célula
bacteriana esté adherida al ánodo
(Figura 30A), lo cual podría causar
que solo aquellas bacterias ubicadas
en la capa más externa y que por ende
está en directo contacto con la
superficie del ánodo, sean
electroquímicamente activas (Choi,
2015).
Distintos estudios han intentado determinar el papel que los citocromos tipo c juegan en la
transferencia de electrones, y en la modificación genética de distintas cepas para aumentar la
producción de energía. Uno de estos es el estudio de Liu, y otros (2015), en el cual se estudió una
cepa mutante de Shewanella oneidensis, a la cual se introdujo un plásmido denominado pHG-
ydeH, que permite la regulación de la expresión del gen ydeH, que está relacionado con la adhesión
de la biopelícula, la cepa resultante se nombró S. oneidensis HG1. La producción de energía en
relación de la cepa original parece estar relacionada con el aumento de la cantidad de citocromos
c involucrados, calculados por medio de la ecuación de Laviron, la cual permite estimar la
actividad de los citocromos en la membrana exterior:
Ip =n2F2AvΓ
4RT
Figura 33. Transferencia de electrones directa: (A) Mediante
citocromos tipo c. (B) A través de nanowires. Fuente: Schröder
(2007).
156
Ip = Pico de corriente correspondiente.
v = Tasa de barrido.
A = Area del electrodo.
Γ = Densidad de citocromos en la membrana externa.
R = Constante de gases.
T = Temperatura.
F = Constante de Faraday.
Los estudios que documentan la actividad de los citocromos c en la última década, son muy
escasos, la actividad electroquímica asociada a los citocromos c es analizada mediante voltametría
cíclica gracias a la cual, varios estudios han podido identificar tres tipos de citocromos c
involucrados en este proceso, OmcB, OmcS y OmcZ (Tang, Liu, Yuan, & Zhuang, 2014; Fradler,
Michie, Dinsdale, Guwy, & Premier, 2014).
Por otro lado, los nanowires mencionados previamente, se han definido como apéndices
filamentosos o pilus moleculares conductores, los cuales permiten alcanzar y utilizar el electrodo
que no está en contacto celular directo para la transferencia de electrones (Schröder, 2007) (Figura
30B). Sin embargo, dada la presencia de distintos tipos de filamentos y apéndices alargados que
se han observado en los microorganismos, la definición de “nanowires” no es clara en el momento
(Fitzgerald, y otros, 2012).
El estudio de los mecanismos mediante los cuales estos organelos permiten el transporte de
electrones aún está por determinarse, no obstante, los estudios realizados por Fitzgerald, y otros
(2012) sobre los apéndices generados por Shewanella oneidensis el tipo de filamento responsable
del transporte de electrones, su estructura y expresión génica asociada. El grupo investigador
generó la siguiente modelo de la estructura de estos pilus para S. oneidensis MR-1 (Ver Figura 34).
157
Los investigadores parten de la hipótesis de que “Several periplasmic and transmembrane
proteins such as prepilin peptidases are required to express pili through pilin secretion pathways.
These sub-membrane units are likely essential for the conduction of charge through a pilin-type
appendage” (pág. 170-171). Para el estudio sobre S. oneidensis, se consideró que el pilus Msh
pudo jugar un papel relevante en este proceso, por lo cual se emplearon mutantes en los cuales se
suprimió completamente el sistema biosintético del pilus (∆mshH-Q) y donde solamente las
proteínas de la estructura extracelular (∆mshA-D) fueron suprimidas. Los experimentos sobre la
generación de energía de estos dos mutantes, condujeron a Fitzgerald, y otros (2012) a afirmar
que:
MshA-D proteins of the Msh pilin nanofilament are not needed to reach current output levels equal to that
of the wild-type […]When the entire Msh complex was removed (biogenesis base and nanofilament
proteins), as seen with the ∆mshH-Q mutant, the cells were not able to efficiently externalize electrons to
the outer membrane. (pág. 172).
Los anteriores constituyen grandes avances en la comprensión de la función de los distintos
mecanismos de trasferencia directa de electrones, sin embargo no se conoce aún los factores bajo
los cuales los citocromos c son empleados para el transporte de electrones en lugar de otros
mecanismos como los nanowires, para especies bacterianas en las que se ha reportado la capacidad
de emplear estos dos mecanismos, tales como Shewanella oneidensis (Liu, y otros, 2015;
Figura 34. Modelo hipotético de pilus para Shewanella Oneidensis MR-1.
Fuente: Fitzgerald, y otros, (2012).
158
Fitzgerald, y otros, 2012) y Escherichia coli (Chen, Cui, Wang, Wang, & Li, 2015). De la misma
forma, aun no se conoce que mecanismo es más eficiente con respecto al otro, ya que la evaluación
de la actividad electroquímica tanto de los citocromos como los nanowires, se ha llevado a cabo
en los estudios revisados, de forma indirecta.
8.3.6.2 Transferencia de Electrones Mediada (TEM).
Se fundamenta en el uso de un mediador, el cual es “un compuesto que puede entrar en la
célula, aceptar electrones de varios acarreadores intracelulares de electrones, salir de la célula en
estado reducido y entonces donar los electrones al ánodo” (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009, pág.
68). El principio general mediante el cual estos compuestos químicos pueden transferir electrones,
es mediante la oxidación del compuesto al actuar como aceptor de electrones, y posteriormente la
reducción al liberar los electrones tomados (Du, Li, & Gu, 2007).
Para todos los tipos de mediadores, se deben cumplir las siguientes características para que
estos puedan considerarse como estrategias eficientes en la mejora de las densidades de potencia
de las CCMs (Du, Li, & Gu, 2007): deben ser capaces de cruzar con facilidad la membrana celular,
debes poder obtener los electrones disponibles en la cadena de transporte de electrones, deben
tener una alta tasa de reacción, no deben ser biodegradables o tóxicos para los microorganismos y
deben ser de bajo costo.
Las anteriores características no se han establecido fielmente para todos los compuestos
mediadores que se han identificado o empleado en la literatura, no obstante, aquí se mencionan
tres tipos:
8.3.6.2.1 TEM a través de mediadores redox exógenos y/o artificiales.
Estas sustancias se emplean ya sea en la cámara anódica para mediar en la transferencia de
electrones entre los microorganismos y el electrodo, o en la cámara catódica en donde estas
sustancias, que si bien se nombran como mediadores (Arbianti, y otros, 2013), en realidad actúan
como aceptores finales de electrones provenientes del cátodo.
159
Como ejemplo de estas sustancias redox, puede citarse el estudio de Tang, Du, & Li (2010), el
cual empleó el compuesto 1-hidroxi-4-amino antraquinona marcado mediante fluorescamina
(HAQ-F) en una CCM inoculada con Geobacter metallireducens. En este se observó, que el voltaje
de la celda sin HAQ-F fue alrededor de 170 mV (a 1,06 A/m2), mientras que al adicionar HAQ-F
este aumentó hasta 290 mV (a 1,81 A /m2), evidenciándose el efecto positivo del redox exógeno
en la transferencia de electrones, además, ya que la fluorescamina otorgó fluorescencia al
compuesto HAQ-F, se obtuvieron
imágenes a partir de microscopía
confocal de barrido láser que
permitieron observar la
fluorescencia verde desde el interior
de las células bacterianas y de esta
forma corroborar que el HAQ-F
sirvió como transportador de
electrones a través de las membranas
externas (Ver Figura 35).
Otros de los mediadores externos más comunes, son el rojo fenol y rojo neutral empleados en
numerosos estudios (Kumar, Kumar, & Babu, 2012; He & Angenent, 2006; Ghasemi, y otros,
2012). Según el estudio de Kumar, Kumar, & Babu (2012) en donde se evaluó el desempeño de
estos dos mediadores a concentración de 0,1%, la adición de rojo fenol mostró incrementos
apreciables del voltaje a circuito abierto con respecto al obtenido con rojo neutral.
El ferrocianuro también es ampliamente usado en los estudios en donde se espera que el
desempeño en la cámara catódica, no sea el factor limitante (Franks & Nevin, 2010). Sin embargo,
es de conocimiento general, que el empleo de ferrocianuro no es ambiental ni económicamente
adecuado para su implementación a escalas mayores a las de laboratorio, debido a su toxicidad y
la necesidad de ser reemplazado periódicamente durante la operación de la CCM.
En el estudio de Ghasemi, y otros (2012) se empleó ferrocianuro de potasio, permanganato de
potasio y rojo neutral como mediadores en la cámara catódica. Los análisis electroquímicos
Figura 35. Imágenes de microscopía confocal de barrido láser de G.
metallireducens. (A) Una sola célula de G. metallireducens de la cámara
anódica de una CCM con HAQ-F. (B) La misma celula cuando se
cuándo utilizó luz natural como luz incidente. Fuente: Tang, Du, & Li
(2010).
160
mostraron que cada uno de estos en sus concentraciones optimas de estos compuestos (500 μM/L,
300 μM y 100 μM/L, respectivamente), obtuvieron densidades de potencias respectivas de 22
mW/m2, 19,10 mW/m2 y 22,2 mW/m2. Claramente el ferrocianuro de potasio obtuvo mejor
desempeño que el permanganato de potasio, sin embargo, estos resultados contradicen los
obtenidos por el estudio de Arbianti, y otros (2013), en donde fue el permanganato de potasio el
que condujo un incremento de la densidad de potencia del 33.5% comparado con el ferrocianuro
de potasio. Ambos estudios se llevaron a cabo en CCMs de doble camara, con PEM Nafion como
material separador.
Por lo general, un mediador con elevado potencial redox conduce a una mayor potencia total
producida que aquellos mediadores con menor potencial redox (Du, Li, & Gu, 2007). Los
potenciales de las parejas redox de distintos compuestos se muestran a continuación en la Tabla
12, en la cual puede evidenciarse que el oxígeno posee el mayor potencial, por lo que los distintos
estudios suelen favorecer el empleo de este en la mayoría de los estudios, mediante la
configuración de cámara única con cátodo de aire.
Tabla 12. Potenciales de electrodos correspondientes a distintos pares redox.
Pares de oxidación-reducción E°’ (mV)
H+/H2 -420
NAD+/NADH -320
S0/HS− -270
SO42−/H2S -220
Piruvato2−/Lactato2− -185
2,6-AQDS/2,6-AHQDS -184
FAD/FADH2 -180
Menaquinona ox/red -75
Piocianina ox/red -34
Sustancias humicas ox/red -200 a +300
Azul de metileno ox/red +11
Fumarato2−/Succinato2− +31
Tionina ox/red +64
Citocromo b(Fe3+)/Citocromo b(Fe2+) +75
Fe(III) EDTA/Fe(II) EDTA +96
161
Pares de oxidación-reducción E°’ (mV)
Ubiquinona ox/red +113
Citocromoc(Fe3+)/Citocromo c(Fe2+) +254
O2/H2O2 +275
Citrato Fe(III) /Citrato Fe(II) +372
Fe(III) NTA/Fe(II) NTA +385
NO3− /NO2
− +421
Fe(CN)63−/Fe(CN)6
4− +430
NO2− /NH4
+ +440
O2/H2O +820
Fuente: Du, Li, & Gu, (2007).
La ampliación de estas sustancias artificiales es cuestionable ya que puede conllevar a alterar
el enfoque sostenible de esta tecnología; también es de considerarse que la demandan una adición
periódica al sistema de estas sustancias, dificulta la aplicación práctica de las CCMs al aumentar
los costos de su operación, por lo cual, es poco recomendable este tipo de mecanismo.
8.3.6.2.2 TEM a través de metabolitos secundarios.
Algunos microorganismos pueden producir transportadores de electrones a través de rutas
metabólicas secundarias. El mediador en este mecanismo se desempeña “como receptor terminal
de electrones reversible, transfiriendo electrones desde la célula bacteriana cualquiera a un
oxidante sólido […] o en capas aeróbicas de la biopelícula, donde vuelve a ser re-oxidado y está
de nuevo disponible para los procesos redox posteriores” (Schröder, 2007, pág. 2624).
En la investigación de LiFang, FangBai, ShunGui, DeYin, & JinRen (2010), se contempla
este tipo de transferencia para lo cual, los investigadores evaluaron la producción de
transportadores de electrones por la cepa Klebsiella pneumoniae L17. Mediante voltametría cíclia
se observó un pico de oxidación-reducción que apareció a las 150 h de la CCM inoculada con la
cepa, en un rango de -0,45 a -0,50 a V indicando a la presencia de sustancias transportadoras, entre
las cuales se identificó como al compuesto 2,6-di-tert butil-p-benzoquinona (2,6-DTBBQ). Los
investigadores propusieron el mecanismo de tranferencia de electrones que se representa en la
Figura 36. En este se establece, que la CCM inoculada con la cepa K. pneumoniae L17, genera
162
2,6-DTBBQ, el cual recibe electrones de microorganismo, formando el compuesto reducido 2,6-
DTBHQ, una forma reducida de 2,6-DTBBQ. Posteriormente, 2,6-DTBHQ transfiere los
electrones al ánodo y este mismo es reoxidado a 2,6-DTBBQ.
La identificación de estos mediadores gracias a voltametría cíclica se llevó a cabo también en
el estudio de Mejía, y otros (2013), en donde se estudiaron cepas mutantes de Pseudomonas
aeruginosa, en los cuales se suprimió la expresión de diversos genes asociados al transporte de
sulfuros para favorecer la síntesis de fenacina, que actúa como transportador de electrones. Los
resultados mostraron que la cepa mutante en donde se suprimió el gen rpoS mostró un incremento
en la generación de fenacina, llevando a un incremento de 13 veces en la generación de densidad
de potencia comparado con la cepa original. Otro de los estudios llevados a cabo con Pseudomonas
aeruginosa, identificaron otro de los mediadores sintetizados por esta bacteria, esta es la piocianina
cuya síntesis está controlada por la expresión del gen phzM (Yong, y otros, 2014). Los resultados
de esta investigación mostraron que la sobre-expresión de este gen condujo a voltajes 1,02 veces
mayores a los obtenidos con la cepa original P. aeruginosa PAO1, de la misma manera, el análisis
mediante voltametría cíclica identificó la presencia de piocianina, afirmandose que “The
manipulation of PYO biosynthesis pathway was efficient in improving the EET (Extracellular
Electron Transfer) of MFCs, and demonstrate the great potential of metabolic engineering for EET
improvement.” (pág. 223).
Figura 36. Mecanismo de transferencia de electrones en el K. pneumoniae L17 propuesto por LiFang,
FangBai, ShunGui, DeYin, & JinRen (2010).
Fuente: LiFang, FangBai, ShunGui, DeYin, & JinRen (2010).
163
Para Shewanella oneidensis también se han identificado estos mediadores producidos por el
microorganismo que son principalmente flavinas como la riboflavina, su actividad ha sido
registrada por Liu, y otros (2015), en donde se observó que la cepa mutante a la que se introdujo
el gen YdeH de Escherichia coli, mostró una mayor síntesis de riboflavina, cuya densidad de
corriente (140 mA/m2) fue mayor que la obtenida para la cepa original de S. oneidensis MR-1 (80
mA/m2).
El empleo de cepas electrogénicas con capacidad para sintetizar sus propios mediadores de la
transferencia extracelular de electrones, constituye un paso hacia la viabilidad económica de las
CCM. Los estudios genéticos de las distintas cepas apenas están iniciando y sin embargo, los
anteriormente mencionados son avances significativos en la modificación de microorganismos
para producción de altas corrientes.
8.3.6.2.3 TEM a través de metabolitos primarios.
Se relaciona con la degradación del sustrato oxidativo, se considera que la respiración
anaerobia y la fermentación son rutas metabólicas anaeróbicas que pueden conducir a la formación
de metabolitos reducidos adecuados para ser aprovechados en las CCMs (Schröder, 2007).
El grupo investigador de Prasad, y otros (2007), quienes evaluaron la intervención de proteínas
redox presente en la membrana externa de la levadura Hansenula anomala en la generación de
electricidad de CCMs. Los investigadores demostraron la intervención de las enzimas
ferriocianuro reductasa y deshidrogenasa láctica, en la actividad electroquímica del
microorganismo, las cuales aceptan los electrones generados en la oxidación de la glucosa o el
lactato y los transfirieren al electrodo. En esta investigación, mediante la extracción de una fracción
de membrana de las células de levadura, los investigadores demostraron la intervención de las
enzimas ferriocianuro reductasa y deshidrogenasa láctica, en la actividad electroquímica del
microorganismo, las cuales aceptan los electrones generados en la oxidación de la glucosa o el
lactato y los transfirieren al electrodo.
164
8.3.7 Herramientas y metodologías de estudio.
El estudio de las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs), es un área en donde convergen
múltiples disciplinas científicas como la física, la química y la biología. Por tanto, las técnicas y
métodos consignados en la literatura revisada, para su estudio y evaluación, de igual manera son
variables en base al objetivo de cada investigación. Algunas de las principales técnicas empleadas
en el estudio de las CCMs, orientadas a determinar la capacidad de generación de energía en las
distintas condiciones en que se operan estos reactores, se describen a continuación:
8.3.7.1 Técnicas electroquímicas.
8.3.7.1.1 Curvas de polarización.
La curva de polarización es definida como aquella que representa el voltaje en función de la
densidad de corriente, la cual que pueden ser obtenida para el ánodo, el cátodo o para toda la celda
mediante el empleo de un potenciostato, se da mediante la disposición de resistencias de cargas
variables que son periódicamente reducidas, sobre las cuales se realiza la medición del voltaje y la
estimación de la corriente. Esta última se logra a través de la ley de Ohm, permitiendo obtener ya
sea las descargas galvanostáticas donde se miden los voltajes obtenidos frente a corrientes
controladas, o la descarga potenciostática, la cual implica el control del voltaje para la medición
posterior de las corrientes (Logan B. E., y otros, 2006; Zhao, Slade, & Varcoe, 2009).
Para el empleo del método de las resistencias variables, los autores señalan que las mediciones
solo pueden realizarse cuando el sistema alcance un estado pseudo-estacionario, este estado es
temporal debido a que las concentraciones del sustrato cambian a medida que se desarrollan las
reacciones (Logan B. E., y otros, 2006). Zhao, Slade, & Varcoe, (2009) afirman que la
determinación del estado estacionario en estudios de CCMs, presenta dificultades dadas por la
naturaleza de las comunidades microbianas, la cual varia con la operación de la celda y los cambios
de potencial de los electrodos, además de las concentraciones de los electrolitos que cambian
constantemente durante la operación de la CCM y los mecanismos de las reacciones que tienen
lugar en los electrodos, los cuales pueden ser diferentes para cada tipo de reactor.
165
Las curvas de polarización suelen emplearse en la mayoría de los estudios para la
determinación de las variaciones en las densidades de potencia y también para la estimación de la
resistencia interna de la CCM, mediante el cálculo de la pendiente de la curva de polarización. A
partir de esta gráfica, pueden evidenciarse tres zonas que determinan la resistencia interna de la
CCM, las cuales son definidas por Zhao, Slade, & Varcoe, (2009) y Lim, y otros, (2010), y se
pueden observarse en la Figura 37.
La zona de pérdidas o sobrepotencial por
transferencia de carga (ηact) está localizada en la
región de bajas corrientes y deriva de la
irreversibilidad de las reacciones que tienen lugar en
los electrodos, por lo que depende de los materiales
de estos, la presencia de catalizadores, mediadores
y biopelícula, así como las condiciones de
operación. Este concepto puede abarcar también las
pérdidas por activación, definida como la energía
requerida para llevar a cabo las reacciones de
oxidación-reducción del sistema (Logan B. E., y
otros, 2006).
La zona de pérdidas o sobrepotencial óhmico
(ηohm), observado en las zonas de corrientes medias,
es causada por las resistencias iónicas en el
electrolito, la membrana, la biopelícula, así como
las resistencias eléctricas en los electrodos y el
circuito externo.
Las zonas de pérdidas o sobrepotencial por transferencia de masa (η) son evidentes en las áreas
de altas corrientes, generadas por los cambios en la concentración de los reactivos y productos en
la interface de la superficie del electrodo y la solución de la cámara. Estas pérdidas se ven afectadas
Figura 37: Curvas de polarización ideales para
celdas de combustible biológicas (A) y para los
electrodos de la celda (B). Fuente: Zhao, Slade, &
Varcoe, (2009).
166
por la geometría, estructura de los electrodos, la biopelícula, la naturaleza de los reactantes y
productos presentes.
En la mayoría de los artículos, las curvas de polarización son presentadas junto con las curvas
de potencia, que describen la potencia o densidad de potencia en función de la corriente o densidad
de corriente (Logan B. E., y otros, 2006; Fang, Song, Cang, & Li, 2015; Chen, Cui, Wang, Wang,
& Li, 2015; He & Angenent, 2006; Zhang, Sun, Hu, Li, & Xu, 2012).
En resumen, el empleo de curvas de polarización y curvas de potencia en estudios de celdas
de combustible microbiana no solo proporcionan información con respecto a la cantidad de energía
capaz de generar una CCM, sino que son indicadores de las principales limitantes que pueden darse
en el desempeño de la misma, lo cual es imprescindible para la posterior optimización de los
diseños y procesos. No obstante, es necesario señalar que en varios estudios se ha observado la
subutilización de esta herramienta, ya que algunos documentos solo realizan el análisis de las
densidades de potencia máximas obtenidas de esta gráfica, dejando de lado la información que
proporciona con respecto a las pérdidas y la resistencia interna del sistema.
8.3.7.1.2 Voltametría Cíclica (CV).
La voltametría cíclica, es una técnica electroanalítica, empleada generalmente para el estudio
de las reacciones redox. La técnica se basa en la aplicación de un potencial variable frente a un
electrodo de referencia a determinada tasa de barrido, hacia adelante y hacia atrás, midiendo las
distintas corrientes generadas (Settle, 1997).
De acuerdo a Bard & Faulkner (2001):
Cyclic voltammetry has become a very popular technique for initial electrochemical studies of new systems
[…]The method's power lies in its diagnostic strength, which is derived from the ease of interpreting
qualitative and semi-quantitative behavior. (pág. 240).
Como resultado de las mediciones, se obtiene una curva del potencial vs corriente como el que se
muestra en la Figura 38, en la cual puede evidenciarse la presencia de los picos de potencial
167
catódicos (Epc) y anódicos (Epa), así como los picos de corrientes catódicos (ipc) y anódicos (ipa)
(Settle, 1997). Las características del diagrama de voltametría cíclica depende de los
pretratamientos de la superficie del electrodo, la tasa de las reacciones de transferencia de
electrones, las especies químicas y biológicas presentes y sus propiedades termodinámicas, la
concentración de especies electroactivas, las tasas de difusión de estas y la velocidad de barrido
(Zhao, Slade, & Varcoe, 2009).
El diagrama proporciona información con respecto a los procesos en los electrodos, tales como
el grado de reversibilidad o irreversibilidad que tienen lugar, mediante el análisis de la forma
general de la curva y la distancia existente entre los picos (Settle, 1997; Zhao, Slade, & Varcoe,
2009). Para las reacciones electroquímicamente reversibles, definidas como aquellas en donde la
transferencia de electrones es rápida comparada con otros procesos como los de difusión, caso para
el cual, la separación entre los picos (ΔEp) debe ser, acorde a Settle (1997):
∆Ep = |Epa − Epc| = 2,303RT
nF
R = Constante de los gases
n = Numero de electrones
F = Constante de Faraday
Figura 38: Voltagrama cíclico típico del ferrocianuro de potasio. Fuente: Arrieta-
Almario & Tarazona-Cáceres (2014).
168
Por otro lado, también está la capacidad para la identificación de los mecanismos de
transferencia de electrones (Catal, Kavanagh, O'Flaherty, & Leech, 2011; Mejía, y otros, 2013)
que ha permitido la identificacion de citocromos con este propósito (Tang, Liu, Yuan, & Zhuang,
2014; Chen, Cui, Wang, Wang, & Li, 2015); la actividad electroquímica y las propiedades oxido-
reductoras de materiales, especies químicas y microorganismos (Zhang, Sun, Hu, Li, & Xu, 2012;
Catal, Kavanagh, O'Flaherty, & Leech, 2011) en CCMs.
Zhao, Slade, & Varcoe (2009) recomiendan que en sistemas de alta complejidad, en especial
aquellos que emplean aguas residuales, se realicen las siguientes pruebas para profundizar en el
entendimiento de las CCM:
Evaluar el efecto del electrodo en el electrolito mediante la implementación de electrodos
sin biopelícula en electrolito abiótico o no inoculado.
Efecto de la biopelícula con el empleo de electrodo revestido con biopelícula y electrolito
no inoculado o abiótico.
Efecto del sustrato, mediante un electrodo sin biopelícula y uno con biopelícula en
electrolito abiótico con adición de sustrato fresco.
Efecto de las células suspendidas aplicando electrodo sin biopelícula en electrolito
abiótico.
Efecto de los metabolitos, empleando electrodo sin biopelícula en electrolito inoculado con
sustratos consumidos.
Los estudios analizados recientemente suelen emplear velocidades de barrido entre los 1 mV/s
hasta los 25 mV/s, que constituyen estudios esencialmente cuantitativos que suelen ser empleados
en las primeras etapas de la evaluación del sistema. Los estudios cuantitativos derivados de la
voltametría cíclica, en donde se lleva a cabo el empleo de diversos rangos de potenciales y
velocidades de barrido como las descritas por Ortíz R., Martínez, & Hernández (2006) para
determinar la relación entre los procesos representados por los picos de voltagrama, no se han
evidenciado aún en estudios de CCMs.
169
8.3.7.2 Técnicas de Espectroscopia.
8.3.7.2.1 Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS).
De acuerdo a Bard & Faulkner (2001), la espectroscopia de impedancia electroquímica o EIS
por sus siglas en inglés, es una herramienta que permite examinar los procesos físicos y químicos
en soluciones, interfaces líquido-sólido y sólido-sólido, así como la separación de los distintos
fenómenos de pérdidas de voltaje, ya que permite analizar la impedancia de los electrodos o la
celda, en función de la frecuencia. En los artículos revisados, los resultados de este análisis suelen
presentarse en dos gráficas que son, las gráficas de Nyquist y de Bode.
El gráfico de Nyquist permite
observar la impedancia total del sistema,
mediante la medición de sus componentes
conocidos como la impedancia real (ZRe)
definida como el valor de resistencia, es
decir ZRe=R y la impedancia imaginaria
(Zim) relacionada con la capacitancia (C)
y la frecuencia angular (ω) de la siguiente
forma Zim=1/ωC (Bard & Faulkner,
2001). Un ejemplo de la presentación de
este gráfico se da en la Figura 39. Dentro
de los artículos consultados, el gráfico de
Nyquist es preferido para los análisis de
la resistencia interna total del sistema
(Aaron, Tsouris, Hamilton, & Borole,
2010; Lu, y otros, 2015) y las diferentes
resistencias asociadas a los procesos de
difusión de las soluciones en la celda y a
las transferencias de carga (Zhang, Sun,
Hu, Li, & Xu, 2012).
Figura 39. Diagrama de Nyquist (Figura superior) y Diagrama
de Bode (Figura inferior) obtenidos mediante la prueba de EIS.
Fuente: Zhao, Slade, & Varcoe (2009).
170
El gráfico de Bode es empleado con menos frecuencia que el anterior gráfico de Nyquist,
muestra la variación de la impedancia (|Z|) en función de la frecuencia (f), como se muestra en la
Figura 39. Según (Zhao, Slade, & Varcoe, 2009), estos gráficos proporcionan información más
completa que la de los diagramas de Nyquist, al incluir los valores de frecuencia. Por ejemplo, la
escasa información con respecto a los mecanismos de transferencia de carga en la doble capa
eléctrica que es la interface entre el electrodo y la solución electrolítica (Bard & Faulkner, 2001),
así como el fenómeno descrito como capacitancia de la doble capa, que según Piratoba, Vera, &
Oriz (2010) tiene efectos en la impedancia del sistema que debe ser analizada, y que puede ser
estimada a partir del diagrama de Bode.
En algunos de los estudios consultados, el
uso de modelos de circuito equivalente es
empleado en conjunto con las técnicas de EIS
“para relacionar la impedancia de la interface
electrodo-electrolito a los parámetros
electroquímicos” (Settle, 1997, pág. 227). Un
circuito equivalente es un “circuito eléctrico
que modela las propiedades fundamentales de
un dispositivo o circuito” (Settle, 1997, pág. 1378). En la literatura científica revisada, se ha
empleado principalmente el circuito equivalente de Randles (Figura 40) para realizar los análisis,
en donde Bard & Faulkner (2001) señalan:
The parallel elements are introduced because the total current through the working interface is the sum of
distinct contributions from the faradaic process, if, and double-layer charging ic. The double- layer
capacitance is nearly a pure capacitance; hence it is represented in the equivalent circuit by the element Cd.
The faradaic process cannot be represented by simple linear circuit elements like, R and C, whose values
are independent of frequency. It must be considered as a general impedance, , Zf (pág. 376).
Los valores de resistencias y capacitancias previamente introducidos en el modelo, obtienen
valores al ajustar la impedancia efectiva de la red, a los datos experimentales. Este método es
popular por la capacidad de simplificación de estos sistemas, por esto mismo, el empleo de esta
técnica podría generar sobre-simplificación, por lo que no podría considerarse un método preciso,
Figura 40. Circuito Equivalente de una celda
electroquímica. Fuente: Bard & Faulkner (2001).
171
especialmente cuando las celdas emplean electrodos porosos (Gomadam & Weidner, 2005), hecho
que altera el comportamiento de las mismas pero que no suele considerarse en los modelos de
circuito equivalentes.
8.3.7.2.2 Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR).
La espectroscopia infrarroja involucra la medida de absorción de distintas frecuencias
infrarrojas para determinar los grupos funcionales presentes en una muestra, basado en el principio
de que los diferentes grupos funcionales son capaces de absorber frecuencias características de la
radiación infrarroja (Settle, 1997). Sin embargo, se hace necesaria la aplicación de la transformada
de Fourier, ya que esta permite que las respuestas generadas por la emisión de varias señales
diferentes simultáneamente, que suelen sobreponerse, puedan ser resueltas como resultado de la
transformación (Bard & Faulkner, 2001), facilitando de esta forma el análisis de los complejos
espectros obtenidos para distintos materiales presentes.
La espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier se considera, por tanto, como una
técnica de mayor sensibilidad, que permite el examen simultáneo de todas las frecuencias. El
resultado del análisis es un interferograma que contiene información de todo el espectro infrarrojo
al cual el detector es sensible (Settle, 1997). En el estudio de las CCMs, se ha empleado
principalmente en la caracterización de nuevos materiales, tanto de electrodos como materiales
separadores, en los cuales se identifican los principales grupos funcionales para confirmar la
formación del compuesto deseado o la remoción de otros compuestos empleados como
intermediarios en el proceso de producción, que posteriormente debieron ser removidos (Ghasemi,
y otros, 2012; Mahendiravarman & Sangeetha, 2013; Chen, Cui, Wang, Wang, & Li, 2015; Pandit,
Khilari, Bera, Pradhan, & Das, 2014). Sin embargo, se considera que esta técnica también se puede
emplear, para la caracterización química de la biopelícula anódica, así como la que puede llegar a
formarse en la membrana separadora, que suele ser analizado mediante técnicas de observación
microscópica que no permiten identificar su composición básica, a diferencia de las técnicas de
espectroscopia.
172
8.3.7.2.3 Espectroscopia UV-visible.
La espectroscopia UV-visible se enfoca en la medición de la absorción o emisión de luz en las
regiones visible y ultravioleta del espectro, lo cual puede ser empleado en principio para la
identificación y cuantificación molecular (Settle, 1997). Esta técnica de espectroscopia, es
principalmente empleada en la literatura revisada para determinar las concentraciones y
remociones de compuestos específicos presentes en aguas residuales sintéticas, como resultado de
la operación de la CCM (Hou, Sun, & Hu, 2011; Sun, Hu, Bi, & Cao, 2009). Por otro lado, también
se ha empleado para identificar la presencia y efecto de distintas condiciones de operación en los
citocromos tipo C presentes en las bacterias para el transporte de electrones, cuyo espectro UV-
visible ya ha sido previamente documentado (Tang, Liu, Yuan, & Zhuang, 2014).
8.3.7.2.4 Espectrometría de emisión óptica con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-
OES).
De acuerdo a (Settle, 1997), la técnica de espectrometría ICP está basada en que:
Los átomos son promovidos a niveles electrónicos de energía superiores cuando son calentados a altas
temperaturas. De hecho, la temperatura de plasma es suficiente para ionizar la mayoría de los átomos.
[…] Dado que las especies excitadas dejan la región de alta temperatura, la energía absorbida es liberada
como fotones ultravioletas y visibles cuando los átomos excitados caen a niveles menores de energía
(pág. 401).
En los estudios de celdas de combustible microbianas, estas técnicas son empleadas
principalmente para la determinación de metales pesados, en sistemas donde se acoplan distintos
procesos para recuperación de estos compuestos provenientes de aguas residuales y la generación
simultanea de energía.
8.3.7.2.5 Difracción de Rayos X.
Esta técnica de difracción de rayos X, permite realizar análisis de las estructuras cristalinas
que se presentan en distintos materiales (Settle, 1997). En estudios sobre CCMs, no son escasos
aquellos que proponen el empleo de nuevos materiales tanto para el cátodo, ánodo y separador, sin
173
embargo, el análisis de su estructura cristalina y la relevancia de la misma en el desempeño del
material en el sistema de estudio no han sido bien documentados.
Se considera que esta técnica debería ser empleada más frecuentemente, dado que la
producción de nuevos materiales está emergiendo en los últimos años, siendo aún poco conocidos
los mecanismos mediante las cuales se originan las reacciones entre las superficies solidas de los
electrodos y las membranas con las soluciones en las cámaras anódicas y/o catódicas en las CCMs,
para lo cual, el examen de la estructura cristalina permitiría profundizar y esclarecer las
propiedades deseables en los materiales que se desarrollen en futuros estudios.
8.3.7.3 Técnicas microbiológicas
8.3.7.3.1 Técnicas de microscopia.
Este grupo de técnicas se basan en el uso de microscopios especializados, que permiten obtener
imágenes detallas de la biopelícula adherida al ánodo o del material anódico, entre otros, y de esta
forma avanzar en la compresión de la relación de esta con la generación de energía en la CCM. A
continuación, se exponen algunos de los tipos de microscopia contemplados en la literatura
especializada.
8.3.7.3.1.1 Microscopia electrónica de barrido.
Es la técnica de microscopia más empleada en el estudio de celdas de combustible
microbianas, aplicada no solo para la observación de los microorganismos presentes en la
biopelícula anódica, sino también de biopelículas catódicas, evaluación del proceso de
biocontaminación de los materiales separadores, e incluso la caracterización física de materiales
de electrodos.
En el desarrollo de la microscopia electrónica de barrido o SEM (del inglés Scanning Electro
microscopy), se refleja un haz de electrones sobre la muestra para obtener imágenes de la
morfología superficial, que son muy similares en apariencia, a las formadas por el ojo humano
(Vázquez Vaamonde & Damborenea González, 2000). Las imágenes tridimensionales obtenidas,
174
“permiten examinar algunas características de la muestra como topografía, morfología,
composición, información cristalográfica, entre otras” (García Gómez, 2013, págs. 38-39).
Aplicada al estudio de las CCMs, la técnica de SEM suele emplearse para observar la
colonización de los ánodos por parte de la comunidad bacteriana y de esta manera comprender la
relación de parámetros como el sustrato o la superficie anódica con la formación de la biopelícula
y la generación de energía del sistema. La Figura 41 muestra algunas de las imágenes obtenidas
por Sun, y otros (2010) para la observación de la formación de la bipelicula sobre diferentes
materiales anódicos diferentes por el grupo investigador. Las muestras se recubrieron con Au / Pt
antes de la observación de SEM.
Figura 41. Imágenes SEM de las biopelículas unidas a la superficie de los ánodos de papel de carbón (A), ánodo
compuesto de C-Au (B), y ánodo de oro descubierto (E). Fuente: Sun, y otros (2010).
Dentro de los análisis de la biopelícula anódica y con menor frecuencia en biopelículas
catódicas, suelen realizarse evaluaciones del progreso de la formación de estas en los distintos
materiales evaluados, en función del tiempo de operación (Read, Dutta, Bond, Keller, & Rabaey,
2010). Por otro lado, las imágenes SEM, permiten observar los cambios en la densidad de las
distintas biopelículas (Ghasemi, y otros, 2012), el espesor de la capa microbiana (Cata, Kavanagh,
O'Flaherty, & Leech, 2011), la caracterización morfológica de los microorganismos dominantes
en la biopelícula (Feng, Lee, liu, & Wang, 2009; Ishii, Shimoyama, Hotta, & Watanabe, 2008) que
en algunos casos han permitido evidenciar los mecanismos de conexión intercelular —como la
formación de filamentos— e incluso mecanismos de transferencia de electrones, como los
nanowires (Chen, Cui, Wang, Wang, & Li, 2015).
Por otro lado, el análisis mediante microscopia electrónica de barrido en materiales,
principalmente electrodos son empleados en para la observación de la porosidad de los materiales,
175
la cual es fundamental para la adhesión de las comunidades microbianas (Mahendiravarman &
Sangeetha, 2013; Chen, Cui, Wang, Wang, & Li, 2015).
8.3.7.3.1.2 Microscopia electrónica de transmisión.
La microscopia electrónica de transmisión o TEM (del inglés, Transmission Electron
Microscopy), “permite la observación y caracterización microestructural de materiales orgánicos
e inorgánicos a escala nanométrica, con esta técnica es posible obtener imágenes con una
resolución de hasta 0.07 nm a altas magnificaciones que pueden llegar a ser de 1,500 kX” (García
Gómez, 2013, pág. 40). En el microscopio se enfoca un haz de electrones hacia la muestra, de estos
algunos rebotan y otros se desvían, pero a partir de aquellos que logran atravesarla, se obtiene una
imagen sobre una pantalla fluorescente (Posada Ayala, 2015) o una película fotográfica. Con las
imágenes obtenidas de esta técnica, se puede obtener información sobre la estructura interna de la
muestra y lograr el acceso a detalles microoestructurales que no son familiares al ojo humano
(Vázquez Vaamonde & Damborenea González, 2000) con rangos de energía entre los 60 y 350
KeV (Gómez, 2009).
En la literatura revisada, esta técnica se ha empleado para la observación de microorganismos
presentes en la biopelícula anódica, aunque podría ser más útil y apropiada para inspeccionar
detalladamente la estructura del material anódico. Precisamente la Figura 41 ilustra los resultados
obtenidos, en dos estudios diferentes, al aplicar la técnica TEM para estos propósitos. La Figura
42A, pertenece al estudio de
Zuo, Xing, Regan, & Logan,
(2008) obtenida a partir de una
suspensión de células de la
cepa Ochrobactrum anthropi
YZ-, y la Figura 42B presenta
el resultado obtenido por
García Gómez, (2013) durante
la observación y
caracterización a escala
Figura 42. (A) Cepa YZ-1. Fuente: Zuo, Xing, Regan, & Logan (2008). (B) Micrografías de las nanofibras duales de TiO2-C/C. Fuente: García Gómez,
(2013).
176
nanométrica de nanofibras duales de TiO2-C/C, propuesta por la investigadora como material
anódico para CCMs.
8.3.7.3.1.3 Microscopia de epifluorescencia
La Microscopía de epifluorescencia o EFM (del inglés epifluorescence microscopy) es una
configuración visual para el microscopio de fluorescencia, mediante el cual es posible visualizar
componentes celulares y subcelulares que han sido etiquetados con moléculas fluorescentes,
empleando el lente objetivo del microscopio para enfocar luz ultravioleta sobre la muestra
examinada y recoger luz fluorescente (Cornea & Conn, 2014; Castell-Perez, y otros, 2006). Su
aplicación es adecuada para película delgadas sencillas, cuyo espesor de la película no debe exceda
la profundidad focal del microscopio (aproximadamente 500 nm), ya que las moléculas fuera de
foco contribuirían significativamente a la señal de fondo (Lanzani, 2006). La Figura 43 representa
el resultado de la técnica de EFM, para algunos de los materiales evaluados en el estudio de
Pocaznoi, Calmet, Etcheverry, Erable, & Bergel, (2012). Para lográr estas imágenes, muestras de
las biopelículas se tiñeron con naranja de acridina 0,01%.
Figura 43. Imagen de epifluorescencia de las biopelículas formadas sobre dos ánodos diferentes
(A) tela de carbono (B) Acero inoxidable liso. Fuente: Pocaznoi, Calmet, Etcheverry, Erable, &
Bergel, (2012).
177
Esta técnica es poco empleada en el estudio de Celdas de Combustible Microbianas, empleada
casi exclusivamente para la observación de la biopelícula microbiana. Sin embargo, se ha afirmado
que esta técnica de microscopia, no solo permite la observación de la adhesión de los
microorganismos en el material del ánodo, sino también “enable studies of the architecture of the
cell, of both intra- and intercellular molecular interactions, and of protein function to be carried
out with amazing specificity.” (Webb & Brown, 2013, pág. 30).
Por lo anterior, se considera que el empleo de la microscopia epifluorescente ha sido
subestimado en estudios sobre CCMs, y que en el futuro podría ser empleado para la comprensión
del efecto de la generación de energía en la comunidad microbiana, y los niveles de expresión
genética, los cuales podrían ser necesarios en los procesos investigativos que se llevan a cabo en
la actualidad, alrededor del mejoramiento de las cepas microbianas para la producción de
electricidad, mediante técnicas de biología molecular e ingeniería genética.
8.3.7.3.2 Técnicas moleculares.
Dado que las celdas de combustibles microbianas (CCMs) son sistemas que dependen en gran
manera de la actividad microbiana, es fundamental para la optimización de parámetros como el
material anódico, la constitución del sustrato y la fuente del inóculo, aislar mediante técnicas
microbiológicas apropiadas, a aquellos microorganismos que de toda la amplia comunidad bacteria
son puntualmente encargados del suministro de electrones a la celda. Una vez el microorganismo
ha sido aislado, es necesario emplear técnicas moleculares, las cuales permitirán relacionarlo con
algunas especies y géneros bacterianos que haya previamente demostrado actividad
exoelectrogénica.
En algunos estudios, tales como los realizados por Logroño Vintimilla (2014) y Armas
Chugcho & Ramírez Yambombo, (2014), se ha intentado comprender la complejidad de la
comunidad microbiana inherente a las CCMs, empleando la siembra de muestras del inóculo
proporcionado a la cámara anódica, previamente diluidas en serie, en placas de agar nutritivo
enriquecido; a partir de esto, se ha realizado un conteo de unidades forma de colonia, logrando de
esta forma estimar la cantidad representativa de colonias bacterianas glucolíticas, proteolíticas,
178
amilolíticas y recuento de heterotrófos en la población microbiana en la CCM. Sin embargo, las
técnicas microbiológicas tradicionales permiten en general determinar que dentro del dispositivo
se alberga una comunidad bacteriana pero no son ideales para aislar puntualmente a los
microorganismos exoelectrógeno que promueve la actividad eléctrica de la CCM. Como respuesta
a la necesidad de un método selectivo apropiado para aislar a miembros de la comunidad
exoelectrógeno de las CCMs, dos métodos sean empleado para el aislamiento de exoelectrógenos
desde el ánodo de la CCM: dilución a la extinción y método de enchapado.
Acorde a Collado, Platas, Paulus, & Bills, (2007), el principio fundamental del método
de dilusión a al extinción es:
[…] exploit the fact that culturable species diversity observed in microbial isolations
apparently increases as inoculum density decreases. Partitioning of individual cells in
tubes or wells reduces interspecific interactions and raises the sensitivity of detection
of cells with low growth rates. (pág. 522).
En general, la dilución a la extinción se emplea extrayendo una parte del ánodo, por ejemplo,
1 cm2 para electrodos de papel carbón o 0,5 g de peso húmedo un ánodo cepillo (Yu, Sunja, Kim,
Cho, & Lee, 2012), de una CCM que estuvo en operación durante un tiempo determinado de
operación y por ende ha sido colonizada en su superficie por microorganismos; a continuación,
esta muestra se transfiere a un tubo de ensayo común bajo condiciones anaeróbicas, que contiene
10 ml de solución de una solución salina tamponada con fosfato (PBS) 50 mM y perlas de vidrio,
el cual es agitado por 5 minutos para obtener así una suspensión de células, la cual posteriormente
se diluye en serie en pasos de 10 veces hasta 10-8 en tubos de ensayo anaeróbicos (acorde a Zuo,
Xing, Regan, & Logan (2008) este tipo de material especializado, es obtenidos por fabricantes
como Bellco Glass, Estados Unidos). Las diluciones se inoculan en CCMs, que son puestas en
operación. El ánodo de la CCM que contiene la mayor dilución que produce electricidad se utilizó
para el siguiente ciclo de la dilución. El procedimiento se repite hasta el perfil de desnaturalización
de la electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante (DGGE) muestra una sola banda (Zuo,
Xing, Regan, & Logan, 2008), lo cual permitirá reconocer a aquel microorganismo que representa
significativamente a la comunidad presente en la celda.
179
La aplicación del método de dilución a la extinción ha sido empleada en CCMs de tubo en U
para reducir a la comunidad microbiana previamente a la inoculación del compartimiento anódico
y alcanzar así mejores resultados en el aislamiento de microorganismos exoelectrógenos. La
implementación de esta configuración, fue propuesta por Zuo, Xing, Regan, & Logan, (2008), la
cual buscó “to allow bacteria in suspension to directly settle on the anode, making it theoretically
possible to eventually produce current from the initial growth of a single cell” (pág. 3131).
Para la construcción de la CCM de tubo en U (Figura
44) se empleó un tubo recto como cámara anódica (10 ml) y
un tubo en forma de U para la cámara de cátodo (30 ml); las
cámaras se separaran mediante una membrana de
intercambio catiónico (CEM). El ánodo es una tira de tela de
carbono que se coloca en el fondo del tubo de cámara
anódica alineado verticalmente, como cátodo se emplean
fibras de grafito lisas de 15 cm de largo.
Después de la operación de las CCMs de tubo en U, el
procedimiento continuaría, como se ha expuesto
anteriormente, tomando una muestra de la suspensión de
células adheridas al ánodo de la CCM que contiene la mayor dilución en producir la electricidad
y se repetirá el procedimiento de dilución hasta que obtener la mínima cantidad de bandas en los
perfiles DGGE.
Respecto al método de enchapado, dentro de la literatura científica revisada, se considera que
este no es plenamente apropiado para la identificación de exoelectrógenos, puesto que se basa en
la capacidad que presentan algunas de estas bacterias para reducir los metales insolubles, tales
como Fe (III) o Mn (IV) óxidos (Pham, y otros, 2003), dejando por fuera a aquellos
microorganismos que no cuentan con esta habilidad aunque son aportantes a la producción de
electrones a la CCM. Acorde a Yu, Sunja, Kim, Cho, & Lee, (2012). En términos generales, este
método se basa en la siembra de muestras de la suspensión de células diluidas, obtenida a partir de
la cámara anódica de una CCM, sobre placas de agar; a la composición del medio —que para el
Figura 44. CCM de tubo en U para el
aislamiento de exoelectrógenos.
Fuente: Zuo, Xing, Regan, & Logan,
(2008).
180
estudio de Yu, Sunja, Kim, Cho, & Lee (2012) consistió en NaHCO3, CaCl2·2H2O, KCl, NH4Cl,
NaH2PO4, NaCl, MgCl2·6H2O, MgSO4·7H2O, MnCl2·4H2O, NaMoO4·2H2O y extracto de
levadura— utilizado para el aislamiento de bacterias reductoras de Fe (III), se añade oxihidróxido
férrico amorfo para proporcionar 250 mmol de Fe (III) por litro. Las muestras se cultivan en una
cámara anaeróbica a 30°C. Posteriormente, a los 25 días las colonias dominantes se clasifican
morfológicamente y luego siembran en otras placas de agar de composición semejante. Estas cepas
cultivadas serán posteriormente analizadas molecularmente.
Sin embargo, parece ser más apropiado la aplicación de la dilución a la extinción en CCM de
tubo en U que el método de enchapado como metodología de aislamiento de la comunidad
microbiana presente en las CCMs, puesto que a través del estudio de Zuo, Xing, Regan, & Logan,
(2008) se logró aislar a la cepa YZ-1, relacionada con la bacteria Ochrobactrum anthropi, la cual,
aunque mostró actividad exoelectrogénica mediante la producción de electricidad en la CCM con
acetato como el único donante de electrones, pero no redujo el óxido de hierro con la misma fuente
de carbono.
8.3.7.3.2.1 Extracción de ADN, amplificación por PCR y obtención de perfiles de la
Electroforesis en gel con Gradiente Desnaturalizante (DGGE).
Mediante el método DGGE (del inglés, Denaturing Gradient Gel Electrophoresis), la
composición de la comunidad y las bacterias predominantes de la biopelícula son evaluadas,
después de que la diversidad de la comunidad microbiana se ha reducido a través de la dilución a
la extinción (Xing, Cheng, Logan, & Regan, 2010). Con esta técnica se separan fragmentos de
ADN de doble cadena del mismo tamaño, pero con diferente secuencia de nucleótidos, al emplear
una mezcla de urea y formamida como agentes químicos desnaturalizantes, los cuales se incorpora
a lo largo de un gel de poliacrilamida (Cornejo Romero, Serrato Díaz, Rendón Aguilar, & Rocha
Munive, 2014). Como resultado se visualiza en un perfil de bandas que permite reconocer la
diversidad genética y la abundancia de los genotipos predominantes (Moreno, Moral, García-
Morales, Pascual, & Bernal, 2015), tales como las presentadas en la Figura 45.
181
Figura 45. Perfiles de DGGE del gen 16S rRNA (región V6-V8) obtenidos desde las biopelículas de CCMs que
emplearon distintos materiales anódicos. Los carriles están etiquetados con tiempo de muestreo para cada CCM. Se
emplearon como controles de la CCM en circuito abierto: NH3, ánodos de amoníaco tratados; CP ánodos papel
carbón, cepillo B ánodos de cepillo. Las puntas de flecha indican las bandas de DGGE seleccionadas por los
investigadores para secuenciación y clonación. Mediante el mismo número, se indicó a las bandas de diferentes
geles que tienen secuencias idénticas. Fuente: Xing, Cheng, Logan, & Regan, (2010).
Las técnicas de DGGE suelen emplearse en conjunto con las reacciones en cadena de la
polimerasa (PCR) y la amplificación del gen 16S rRNA (Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head,
2005; Aelterman, Rabaey, Pham, Boon, & Verstraete, 2006).
Para la aplicación de esta técnica, inicialmente se toman muestras de los ánodos para efectuar
la extracción del ADN genómico de la comunidad bacteria obtenida de la muestra, usando un kit
de aislamiento de ADN de acuerdo con las instrucciones del fabricante (Xing, Cheng, Logan, &
Regan, 2010). A continuación, este ADN se utiliza como molde para la amplificación por Reacción
en Cadena de la Polimerasa (PCR, del inglés Polymerase Chain Reaction) de un fragmento del gen
ADNr 16S, utilizando cebadores específicos. “Todos estos fragmentos tienen el mismo tamaño,
pero diferente secuencia de nucleótidos, por lo que serán separados en una DGGE, originando un
patrón de bandas característico” (Cornejo Romero, Serrato Díaz, Rendón Aguilar, & Rocha
Munive, 2014, pág. 152). Para la DGGE, gel acrilamida desnaturalizante se prepara con un
gradiente de urea con contenido de formamida, a este gel se cargan las muestras durante un tiempo
y voltaje predeterminado (Yu, Sunja, Kim, Cho, & Lee, 2012).
La técnica de electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante, es considera según Zhao,
Slade, & Varcoe (2009) “one of the most sensitive electrophoretic techniques available and has
become a routine and essential technique in the field of environmental microbiology for
182
characterisation of microbial population structures and ecology” (pág. 1937). Sin embargo, el
mismo autor también señala que esta técnica no distingue entre células vivas o muertas en los
estudios de CCMs, por lo que puede conllevar a cierta imprecisión en los análisis sobre las
comunidades microbianas.
8.3.7.3.2.2 Secuenciación y el análisis filogenético.
El análisis filogenético mediante la secuenciación del gen 16S rRNA, es ampliamente
empleado en los estudios sobre celdas de combustible microbianas, para la caracterización de los
principales microorganismos que componen las comunidades microbianas que se desarrollan.
Mediante programas informáticos especializados se logra la digitalización de los perfiles
DGGE obteniendo “de manera que a partir del análisis estadístico de la posición e intensidad de
las bandas, pueden construirse matrices de distancias o similitud que permiten la obtención de
dendrogramas al aplicar determinados algoritmos” (Cornejo Romero, Serrato Díaz, Rendón
Aguilar, & Rocha Munive, 2014, pág. 166). El ideal es comparar la secuencia del gen ADNr 16S
obtenida del producto amplificado y compararlo con otras secuencias recogidas en bases de datos,
analizándose así las estirpes desconocidas (Barroso Merinero, 2011).
En algunas investigaciones referentes a las celdas de combustible microbianas (CCMs), las
secuencias de genes de ARNr 16S han sido comparadas con las secuencias de las cepas más
estrechamente relacionadas utilizando el programa BLAST en la base de datos NCBI (Yu, Sunja,
Kim, Cho, & Lee, 2012) o en la base de datos GenBank utilizando el mismo programa (Zuo,
Maness, & Logan, 2006; Ishii, Shimoyama, Hotta, & Watanabe, 2008).
Posteriormente, algunos investigadores han considerado relevante para sus estudios generar
un árbol filogenético, el cual “constituye una representación gráfica de las relaciones de parentesco
(ancestro-descendiente) inferidas en tres las secuencias” (Olivares Paz, 2007, pág. 107). Mediante
este, las secuencias se agrupan en OTUs (Unidades Taxonómicas Operativas), que permiten
relacionar la secuencia con algún género previamente identificado. La Figura 46 corresponde al
árbol filogenético construido en el estudio de Zuo, Xing, Regan, & Logan, (2008) para la cepa YZ-
183
1 aislada en su estudio, el cual se construyó con el metodo del vecino más cercano. Como el, otros
autores han empleado los árboles filogenéticos, para estudiar la relación filogenética ente las cepas
aisladas y las especies más relacionadas (Logan, Muranob, Scott, Gray, & Head, 2005; Kumar,
Kumar, & Babu, 2012).
Figura 46. Árbol filogenético de la cepa YZ-1. Los números en los nodos indican los porcentajes de ocurrencia del
orden de ramificación en 1000 árboles remuestrados para valores superiores a 50%. Fuente: Zuo, Xing, Regan, &
Logan, (2008).
8.3.7.4 Técnicas de Cromatografía.
Las técnicas de cromatografía son comúnmente empleadas para la identificación y separación
de las especies químicas orgánicas o inorgánicas, presentes en una muestra constituida por una
mezcla de estas especies (Settle, 1997). El principio de las técnicas de cromatografía radica en que
una fase móvil constituida por un líquido o gas, transporta la muestra de la sustancia a analizar y
la transporta a través de un medio o fase estacionaria constituida por un líquido o sólido. A medida
que la interacción entre las fases ocurre, se da una separación de los componentes de la muestra,
cada uno de los cuales posee una afinidad característica con la fase estacionaria, de tal forma que
los componentes con menor afinidad pasaran más rápidamente que las sustancias con mayor
afinidad. A medida que se da este proceso, un detector grafica la señal obtenida en función del
tiempo (cromatograma) (Settle, 1997).
184
La técnica más empleada en la cromatografía de gases, principalmente para la cuantificación
de acetato, ya sea para verificar la remoción del mismo al emplearlo como donador de electrones
(Ji, y otros, 2011; Fradler, Michie, Dinsdale, Guwy, & Premier, 2014), o para evaluar la
concentración de este como resultado de la combinación de los distintos compuestos productos del
metabolismo bacteriano (Mahendiravarman & Sangeetha, 2013), este último poco considerado en
los estudios analizados sobre CCMs.
Para evaluar la formación de compuestos resultado del metabolismo bacteriano se emplea
también la cromatografía liquida de alto desempeño (High Performance Liquid Chromatography
o HPLC). La cromatografía liquida emplea generalmente como fase móvil, agua o solventes
orgánicos; la fase estacionaria está por lo general compuesta por sílice sólido o polímeros. En
estudio sobre celdas de combustible microbianas, la técnica es empleada para determinar la
presencia y concentración de ácidos grasos volátiles en las diferentes fases de operación de la CCM
(Akman, Cirik, Ozdemir, Ozkaya, & Cinar, 2013), así como otros compuestos contaminantes de
interés como las tintas azo en algunos estudios (Hou, Sun, & Hu, 2011a).
Otra técnica cromatografía empleadas es la cromatografía de iones, la cual es escasamente
implementada en los estudios sobre CCMs, para el análisis y control de la concentración de
distintos aniones en solución como PO42-, Cl-, NO2-, HPO4- y otros (Fradler, Michie, Dinsdale,
Guwy, & Premier, 2014), en las soluciones de entrada y salida, lo cual no puede realizarse con
otras técnicas cromatografías que no permiten la identificación y cuantificación de iones. El
estudio de las especies iónicas como resultado de la operación de las CCMs, se ha visto muy
limitado a los iones H+ principalmente, sin considerar otras especies iónicas que también son
responsables de la transferencia de carga, que pueden ser relevantes cuando se emplean soluciones
alimentadoras de composición desconocida como por ejemplo aguas residuales de distintas
industrias. Por lo anterior, es necesario que se considere en futuras investigaciones, caracterizar
las especies iónicas que se presentan durante la operación de las CCM, y su papel en los procesos
de transferencia de carga, reacciones de oxidación-reducción y en últimas, la producción de
energía.
185
8.3.8 Aplicaciones.
La tecnología de Celdas de Combustible Microbianas en el presente documento, se abarca
desde el potencial para la generación de energía. Sin embargo, los usos potenciales para la energía
generada por las CCMs, han sido discutidos en diversos documentos para responder a la pregunta
¿para qué es útil la tecnología de las Celdas de Combustible Microbianas?
En las revisiones encontradas, se ha planteado la posibilidad de que la energía capaz de
proporcionar las CCM sea almacenada en dispositivos recargables, lo anterior es posible dados los
recientes estudios que documentan la capacitancia de los ánodos (Lu, y otros, 2015) y se ha
propuesto que estos dispositivos pueden llegar a funcionar como supercapacitores (Choi, 2015).
También se han propuesto como dispositivos pequeños y portátiles como biosensores para análisis
ambientales por ejemplo, los cuales podrían autoabastecerse energéticamente (Choi, 2015) para lo
que se han diseñado distintas configuraciones como las CCMs a microescalas y las pilas de CCMs,
estas últimas estudiadas para proporcionar energía lumínica en función de su capacidad para
encender bombillas LED, producidas y operadas con cierto éxito, mediante la implementación de
materiales comunes, para lugares con difícil acceso a la energía eléctrica convencional (Yazdi,
Alzate-Gaviria, & Jason Ren, 2015).
La capacidad de generación de energía de las CCMs, también se ha explorado para poner en
marcha procesos acoplados como por ejemplo, los procesos de deionización capacitiva (CDI por
sus siglas en inglés Capacitic Deionization) basadas en la electrosorción para la desalinización de
aguas abarcado en el estudio de Campbell & Borole (2011).
La electrosorción es definida como la adsorción inducida por un potencial en la superficie de
electrodos cargados, en los cuales pueden adsorberse los iones en solución al imponer el campo
eléctrico (Ying, Yang, Yiacoumi, & Tsouris, 2002). Por otro lado, la deionización capacitiva es un
proceso de electrosorción siguiendo el principio anteriormente descrito, empleando como
electrodos aerogeles de carbono los cuales al encontrarse saturados con sales o impurezas, los
electrodos se regeneran mediante descarga eléctrica liberando los iones adheridos (Gabelich, Tran,
& Suffet, 2002).
186
En el estudio de Campbell & Borole (2011), no se empleó de forma directa la energía
producida por la celda, sino que se suministró un voltaje similar al generado por la CCM con un
dispositivo diferente. El voltaje fue proporcionado a un dispositivo de Deionización Capacitiva
para tratar una solución de NaCl a 1500 ppm, como resultado del proceso, los investigadores
observaron que la deionización puede ocurrir, aunque sea alimentado con bajos voltajes como los
de las CCM. Aun así, el acoplamiento completo real de los dos sistemas y las pruebas en presencia
de aguas salinas las cuales, son abundantes en otros tipos de sales además del NaCl, debe llevarse
a cabo en el futuro.
Otro proceso acoplado que se ha estudiado, es la recuperación de metales pesados de forma
paralela a la generación de energía en CCMs. En los años recientes, se han encontrado estudios
para la recuperación de cobre mediante precipitación en el cátodo (Heijn E, y otros, 2010) y zinc
mediante CCM acopladas a membranas liquidas soportadas (Fradler, Michie, Dinsdale, Guwy, &
Premier, 2014) (los procesos y mecanismos de estos estudios se describen en el apartado
Estructura, Celdas para generación de energía y recuperación de metales pesados), en los dos casos
se obtuvo éxito en la recuperación del metal y la generación de energía, sin embargo, es claro que
estas aplicaciones están restringidas a localizaciones con aguas residuales con elevados contenidos
de metales pesados como lugares donde se desarrolle minería, o industrias metalúrgicas.
Reconociendo las limitaciones actuales de esta tecnología, es improbable que puedan ser
manufacturadas para procesos a gran escala, como el tratamiento de grandes cantidades de agua
residuales en plantas de tratamiento, o proporcionar energía eléctrica a poblaciones grandes dadas
las demandas actuales y futuras. Varios autores no consideran, que esta tecnología pueda superar
en eficiencia de producción, los tratamientos convencionales de aguas, las fuentes convencionales
de energía (He, Wagner, Minteer, & Angenent, 2006) o los procesos metalúrgicos tradicionales
(Heijn E, y otros, 2010) en su estado actual de desarrollo. Sin embargo, la capacidad de las CCMs
para emplear una variedad bastante amplia de sustratos en distintas condiciones de operación,
amplían sustancialmente sus aplicaciones a escalas menores de uso. Incluso se ha mencionado el
potencial para emplear células blancas humanas en la generación de energía en estos sistemas
(Franks & Nevin, 2010). Por tanto, los campos donde se podría emplear esta tecnología van, desde
187
la ingeniería ambiental y sanitaria, pasando claramente por la ingeniería química, electrónica, hasta
las ciencias médicas y militares.
188
9. Conclusiones
Por un lado, en cuanto al proceso de obtención, sistematización, síntesis y análisis de la
documentación, puede concluirse que las bases de datos de libre acceso constituyeron una
herramienta fundamental para el intercambio de conocimientos referentes a las celdas de
combustible microbianas (CCMs), y aportaron de manera más práctica y eficiente a la construcción
del presente estado del arte respecto a los documentos de trabajo de grado empleados, debido a
que las extensas explicaciones metodológicas y el complejo enfoque que otorga el investigador a
los documentos acorde a su especializadas, demandó más tiempo y esfuerzo en el análisis de la
información.
La compresión de un segundo idioma es clave para el intercambio de saberes científicos
vinculados al desarrollo de esta tecnología, lo cual se reconoció a parir de la gran variedad de
investigaciones internacionales reportadas en los artículos científicos consultados, a las cuales fue
posible acceder mediante artículos científicos en idioma inglés. De igual forma, la sistematización
y clasificación de la información encontrada para la elaboración del presente documento permitió
tener un apropiado control de la información recopilada, además, se considera que permitirá a la
comunidad científica interesada en conocer la construcción del mismo, comprender la variedad de
la información consultada y contar con los datos básicos para dirigirse a las fuentes empleadas.
La construcción de las fichas de consulta permitió una mejor compresión de la información
recopilada y por ende facilitó la construcción del estado del arte ya que permite desglosar
complejas metodologías, identificar errores en la presentación y contenido de la información,
comprender las ciencias y técnicas competentes, identificar autores fundamentales, entre otros
aspectos relevantes.
Al elaborar el estado de arte en las celdas de combustible microbianas (CCMs) se comprendió
que es una tecnología bastante estudiada en países industrializados como Estados Unidos y China,
contemplándose como una tecnología prometedora para la generación de biocombustible, además,
se reconoció que los montajes experimentales y las técnicas son notablemente superiores y mucho
más dominadas en estos países con respecto a los empleados en la investigada en el ámbito
nacional y Latinoamericano.
189
El análisis del contenido de las investigaciones consultadas y clasificadas, permitió la
estructuración del documento presentado en los distintos apartados que corresponden con los
núcleos temáticos definidos, permitió identificar los avances y vacíos en el conocimiento de cada
temática principal.
La estructura conformacional de las Celdas de Combustible Microbianas (CCMs) ha sido
variable a lo largo de los estudios consultados, se han podido desarrollar y estudiar una gran
cantidad de configuraciones y materiales para electrodos y separadores, dadas las limitaciones
asociadas a cada uno de estos componentes tales como la transferencia de oxígeno, las tasas de
reacción de los electrodos con los microorganismos o la solución electrolítica presente, las tasas
de difusión del sustrato o mediador químico de electrones en solución, la susceptibilidad al
envenenamiento o bio-contaminación.
Entre las estructuras más relevantes se encuentran las de cámara única y doble cámara, las
cuales se consideran la base para la generación de los demás tipos de celdas como aquellas de tipo
tubular ya sea de flujo vertical u horizontal, celdas tipo H, de placas planas, acopladas, en escalas
milimétricas (microescala) y por último, las celdas acopladas a sistemas secundarios para
tratamiento de aguas en procesos convencionales como el uso de lodos activados, humedales
artificiales, para la generación de biogás e incluso remoción y/o recuperación de metales pesados
en aguas residuales.
La revisión bibliográfica realizada permite establecer de manera general, las ventajas de unas
conformaciones desarrolladas para las CCMs con respecto a las demás. Se han identificado
ventajas claras a nivel operacional y económico de las celdas de cámara única con respecto a las
de doble cámara, relacionadas principalmente con la omisión de una de las cámaras y el empleo
de cátodos en donde el aire es empleado como el aceptor terminal de electrones, reduciendo de
esta manera los costos de construcción y de operación. De forma similar pueden identificarse
ventajas de las celdas apiladas en paralelo con respecto a celdas en serie y con respecto las celdas
las individuales, debido a la mayor densidad de potencia evidenciada en los estudios revisados.
190
Los materiales de los principales componentes (electrodos y material separador), también han
sido ampliamente desarrollados y evaluados. Para estos se han evaluado materiales de tipo
comercial basados en carbono principalmente —papel carbón, tela de carbón, carbón granular,
malla de carbón y grafito principalmente— por considerarse los materiales más económicos, cuyas
propiedades físicas como área superficial son favorables para la operación de la CCM y las
densidades de potencia reportadas para estos casos, son por lo general superiores a los 500 mW/m2
a pesar de lo cual, es recurrente al uso de revestimientos en oro o platino, los cuales no son viables
para las aplicaciones prácticas de la tecnología debido a su elevado costo y susceptibilidad al
envenenamiento a pesar del incremento apreciable en la generación de energía, que se ha reportado
en la literatura debido a su uso. Las investigaciones alrededor del empleo de electrodos metálicos
debido a su conductividad eléctrica, han permitido identificar la principal limitación relacionada
con la formación de óxidos, que podrían reducir la vida útil de la celda y ser nocivos para los
microorganismos. Por otro lado, los materiales compuestos principalmente de polímeros
conductores, poseen la propiedad de que el material resultante adquiere las características
individuales de los polímeros empleados, de esta forma pueden ser altamente conductores,
estables, inocuos para los microorganismos y con propiedades físicas favorables como elevada
área superficial, porosidad adecuada de acuerdo al tipo de microorganismos y actividad catalítica
elevada.
Para estos materiales, las facilidades en la fabricación no se han tenido en cuenta en la mayoría
de estudios y tampoco se ha realizado una evaluación económica de los materiales empleados y de
los requerimientos —por ejemplo, muchos de los materiales aquí mencionados requieren el
suministro de mediadores en solución o catalizadores metálicos— para incrementar su eficiencia
y que puedan considerarse como alternativa en las CCMs. Las investigaciones a menudo, carecen
de una caracterización física y química de los materiales, teniendo en cuenta solamente la
composición del material y el área superficial de la misma y el desempeño obtenido durante la
operación de la CCM con el material — determinación de la densidad de potencia y de corriente
así como la eficiencia coulómbica—, sin embargo, otros parámetros que deben considerarse son
la rugosidad y porosidad. Además debe también considerarse la posibilidad de una evaluación
preliminar del material desarrollado, fuera del ambiente de las CCMs o dentro de las CCMs
operadas bajo condiciones estándar que deben establecerse en posteriores estudios, de tal forma
191
que la estimación del desempeño del material no se vea sobre/sub estimada por las demás variables
de la celda.
En el momento no posible determinar el/los mejore(s) material(es) o configuración(es) para
las CCMs, debido por un lado, a la variabilidad de las condiciones de operación en la que incurren
los diferentes estudios y por otro lado, a la imprevisibilidad de los factores biológicos implícitos
en la implementación de esta tecnología. Todo lo anterior tiene en mayor o menor grado, influencia
en los resultados que determinan el rendimiento de las CCM.
En cuanto a las condiciones de operación, se han estudiado una gran diversidad y combinación
de estas, para determinar el comportamiento de las CCM y de sus componentes internos. Los
parámetros más importantes que se han identificado en los estudios han sido la aireación del cátodo
y/o concentración de oxígeno disuelto, modos y tiempos de operación, fuerza iónica de las
soluciones, pH, tasas de alimentación de las celdas y tiempos de retención hidráulica, temperatura
y resistencia externa e interna. Para las investigaciones revisadas por un lado se ha permitido
identificar algunas pautas generales expuestas en el documento a este respecto, la mayoría de las
cuales radican en la influencia considerable sobre las comunidades microbianas, por lo que la
proliferación de estas es altamente dependiente de los mencionados parámetros y las condiciones
óptimas de estas no pueden ser establecidos, sin tener en cuenta el tipo de microorganismos
presentes, lo cual no siempre es posible. Por un lado, la temperatura, la aireación u oxígeno
disuelto, la concentración de sales y el pH óptimos, estas sujetos a los niveles de tolerancia de los
distintos microorganismos y determinan en gran parte, los cambios que se llevan a cabo en la
biopelícula durante la operación de las CCM. Por otro lado, los tiempos de operación y las
resistencias externas son determinados bajo el criterio del colectivo investigador, en tanto que la
resistencia interna es determinada por el efecto conjunto de los parámetros anteriormente
mencionados, fuertemente ligado a los materiales de los electrodos y las soluciones electrolíticas
principalmente. La relación de la resistencia interna con la microbiota presente en la CCM está
relacionada principalmente a los medios de transferencia de electrones, aunque no ha sido
completamente determinada esta relación.
192
El comportamiento de la CCM en función de las condiciones de operación, en la mayoría de
los casos carece de planteamiento matemático que permita modelar tales resultados y aplicarlos en
CCMs para su validación, en distintas condiciones de operación. Por otro lado, al considerar estos
parámetros como determinantes en los resultados de los estudios que evalúan el desempeño de la
celda, la variabilidad de los mismos limita la comparación de los distintos experimentos.
Otro parámetro de gran importancia y variabilidad entre los estudios, que bien se ha
constituido a su vez como una importante ventaja para la operación de CCMs para producción de
electricidad, son el potencial empleo y aprovechamiento de casi cualquier sustrato o residuo
orgánico que los microorganismos sean capaces de degradar. Sin embargo, la eficiencia en la
generación de electricidad derivada de este proceso, es fuertemente dependiente de la cantidad de
electrones que los microorganismos pueden extraer del sustrato y aquellos que finalmente llegan
al ánodo y por tanto son capaces de generar corriente.
La literatura de los últimos años ha permitido identificar distintas tendencias relacionadas con
el uso de distintos sustratos orgánicos, una de ellas radica en que los sustratos de más simple
composición y fácil degradación como la glucosa o acetato de sodio por ejemplo, conducen a
incrementos más rápidos en las densidades de potencia de los que pueden obtenerse con sustratos
más complejos a partir de polímeros como la celulosa, aminoácidos o proteínas incluso, que
pueden presentarse en aguas residuales urbanas. No obstante, ciertos tipos de aguas residuales han
podido tratarse exitosamente en las CCMs, puede llegar a ser en detrimento de la producción
energética y de la vida útil de la celda debido a la presencia de sustancias toxicas o formación de
productos nocivos para las comunidades microbianas.
Dentro de los sustratos contemplados para el desarrollo de la comunidad microbiana en las
CCMs, aunque los vertimientos industriales y domésticos demuestran ser adecuados para su uso
en la generación de electricidad mediante esta tecnología, se ha observado por parte de los grupos
investigadores una preferencia por el uso de aguas residuales sintéticas dada su facilidad de manejo
en el laboratorio, lo cual, si bien permite la evaluación de diversos parámetros estructurales y
condiciones de operación de los sistema, no permite visualizar el acoplamiento practico de la
CCMs a sistemas de tratamiento de aguas residuales de manera que se reconozca dentro de los
193
procesos de depuración, la etapa adecuada para introducir a las CCMs sin que se prescinda de los
propósitos de mejoramiento de la calidad del agua y a su vez se genere la suficiente energía que
justifique la introducción de estos dispositivos.
El uso de biomasa como sustrato en CCMs ha sido menos estudiado en esta tecnología respecto
a uso de aguas residuales, sin embargo, ha demostrado en algunas investigaciones, ser una opción
viable para aprovechar los desechos obtenidos a partir de la actividad agrícola en la generación de
bioenergía mediante estos dispositivos.
Hasta el momento no se han encontrado estudios que optimicen la relación microorganismo-
sustrato, mediante la selección de los microorganismos apropiados dado el sustrato de interés o
viceversa. Por otro lado, los esfuerzos se orientan a la identificación de los microorganismos
exoelectrógenos que se desarrollen en la CCM alimentada con determinado sustrato, a partir de un
inóculo específico cuya composición microbiana puede ser conocida o no. Numerosos
microorganismos se han identificado mediante diversos métodos y la actividad electrogénica de
cada uno ha sido determinada a través de la medición de las densidades de potencia, eficiencia
coulómbica y densidad de corriente de la CCM inoculada con tales microorganismos, los cuales
son indicadores del desempeño global de la celda y no son específicos de la actividad microbiana.
Solo unos cuantos estudios han empleado métodos cualitativos para estimar la actividad
electroquímica de distintas especies microbianas y casi ningún estudio ha abordado el papel que
juegan las relaciones ecológicas que pueden presentarse durante la operación de la CCM. Las más
recientes investigaciones han empezado a dar los siguientes pasos en el estudio de las especies
microbianas exoelectrógenas en CCMs, y se han iniciado esfuerzos para el mejoramiento de las
cepas microbianas más frecuentes en estos sistemas, mediante técnicas de ingeniería genética para
el diseño microorganismos no solo con capacidades de transferencia mejorada de electrones sino
con tasas metabólicas que pueden optimizarse, para incrementar la eficiencia y cantidad de energía
generada por el sistema.
El segundo factor mencionado, del cual depende la eficiencia en la generación de electricidad
por parte de los microorganismos, y en general por parte de la CCM, es la capacidad de transportar
los electrones hacia los electrodos para generar corriente. Los distintos medios que permiten este
194
proceso, ya sean originados en los mismos microorganismos o mediante mediadores externos,
hasta ahora empiezan a identificarse sin que se conozca a plenitud los mecanismos mediante los
cuales actúan, especialmente los mecanismos biológicos que intervienen son considerados
fundamentales para la sostenibilidad de la tecnología de CCMs.
La integración de los componentes técnicos, biológicos y químicos que requiere las CCMs,
hace de estos sistemas muy difíciles de estandarizar, por lo cual, estos dispositivos deben
contemplarse como una tecnología apropiada acorde a la comunidad objetivo, cuya aplicación
práctica conllevará tomar como punto de partida a aquellos montajes experimentales actualmente
desarrollados bajo condiciones controladas de laboratorio, para generar técnicas de manejo más
simples, que permitan aprovechar el entorno local para la obtención de componentes básicos para
su construcción, así como el sustrato alimentar del compartimiento anódico.
El carácter experimental que presenta en general el estudio de las CCMs, aún no ha demostrado
que los costos de construcción e instalación de estos sistemas serán compensados con la reducción
de los costos asociados a la operación y el mantenimiento de los mismos al emplear
microorganismos exoelectrógenos y sustratos orgánicas; si bien, esta tecnología ha demostrado ser
viable para reducir la dependencia de sustancias artificiales en su proceso de generación de energía,
aún no se ha logrado el aprovechamiento de vertimientos como sustratos, tal y como son generados
a partir de actividades industriales, agrícolas o domésticas.
Como resultado de la revisión de literatura generada, se ha encontrado una gran cantidad de
aplicaciones en las cuales podría implementarse esta tecnología. En cuanto a la generación de
energía, se estima que su potencial se encuentra en la alimentación de dispositivos pequeños y/o
portátiles que requieran moderadas cantidades de electricidad, para escalas mayores se considera
que esta tecnología no reemplazará los sistemas convencionales de suministro por sí sola, sin
embargo, en los estudios consultados no se ha indagado en esta posibilidad. Por otro lado, se
considera que las CCMs, pueden llegar a ser una alternativa al tratamiento de aguas residuales con
suministro autónomo de energía, con importantes aportes en localizaciones remotas con difícil
acceso a sistemas de acueducto y alcantarillado, probablemente para el tratamiento de aguas en el
interior de las casas. De igual manera, la posibilidad de esta tecnología para acoplarse a otras como
195
por ejemplo a sistemas de electrosorción, podría considerarse para su implementación en la
desalinización de agua en zonas remotas con difícil acceso a agua potable; su acoplamiento a
membranas liquidas soportadas permitirían el tratamiento de aguas provenientes de la industria
minera o galvánica, con la posibilidad de recuperación de metales de forma paralela a la
producción de energía; en otros estudios no considerados por el documento, se ha contemplado la
capacidad de emplear las CCMs como sensores o biosensores, sumado a su capacidad de
generación de electricidad se considerarían autónomos con capacidad de operar por tiempos
prolongados e incluso podría llegar a hablar de las CCMs como capacitores, que como fuente de
electricidad para dispositivos externos o como sistemas autónomos de tratamiento de aguas o
sensores, podrían almacenar energía para ser empleada cuando se requiera aunque la información
al respecto es muy limitada en actualmente.
Para el estudio del conjunto de factores mencionados previamente, se han ideado diferentes
herramientas y técnicas ya sean de tipo electroquímico, microbiológico o químico. Dentro de las
primeras se encuentran aquellas útiles para el estudio de las resistencias internas como las curvas
de polarización o el estudio de las reacciones redox en la superficie de los materiales (Voltametría
Cíclica) o en las distintas regiones comprendidas entre la solución y el electrodo (EIS). La
composición química de los materiales y las soluciones electrolíticas se ha determinado mediante
FTIR, difracción de rayos X, espectroscopia UV-Visible y/o las técnicas de cromatografía.
Por otro lado, dentro de las herramientas ofrecidas por la microbiología, las distintas formas
de microscopia se han empleado en el estudio de las biopelículas. La más difundida en estos
estudios es la técnica de microscopia electrónica de barrido o SEM y en menor medida, las técnicas
de microscopia de epifluorescencia para visualización de componentes celulares marcados y la
microscopia electrónica de transmisión para realizar observaciones a escalas nanométricas.
Finalmente pueden dentro del análisis microbiológico deben considerarse las técnicas
moleculares, fundamentales para el aislamiento, identificación y modificación incluso de los
microorganismos. Dentro de las más comunes se encuentran las técnicas de dilución en serie o en
extinción, para el aislamiento de los microorganismos; la extracción de ADN, amplificación
mediante reacción en cadena de polimerasa (PCR) para la obtención del genoma de interés;
196
Electroforesis en Gel con Gradiente Desnaturalizante (DGGE) para la separación secuencias y
obtención de perfil de bandas que es posteriormente secuenciado; la secuenciación del gen 16S
rRNA es ampliamente usado por los investigadores debido a que el gen está presente en casi todos
los organismos procariotas, a partir de esta técnica pueden realizarse análisis filogenéticos de las
especies microbianas que se desarrollan en las CCMs.
En cuanto a las técnicas aquí nombradas y explicadas con más detalle dentro del documento,
se considera que algunas de ellas tales como las técnicas electroquímicas y las de microscopia, se
han sub-utilizado en los estudios. Un ejemplo son las curvas de polarización que son empleadas
por algunos estudios para indicar las densidades de potencia máximas y la resistencia global de la
CCM, aunque esta herramienta puede además indicar las principales pérdidas que contribuyen a
la resistencia interna del sistema; numerosas técnicas de microscopia como la microscopia
electrónica de transmisión, pueden ser empleadas para el análisis de los materiales desarrollados y
no solo para la observación de los microorganismos. De igual forma, son pocos los estudios que
consideran las limitaciones asociadas a las técnicas empleadas dentro de sus análisis de resultados,
un ejemplo es la inhabilidad de las técnicas de microscopia mencionadas y la DGGE, para
distinguir entre células vivas o muestras; la manipulación de las muestras de biopelícula obtenidas
luego de la operación de la celda, puede llegar a ser destructivo para ella, así como la necesidad
de detener la operación de la celda para poder realizar las observaciones, sin que pueda realizarse
un seguimiento del comportamiento de la biopelícula durante la operación de la celda.
197
10. Recomendaciones
Aprovechar las bases de datos de acceso restringido, a las cuales está vinculada la
Dirección de la Biblioteca de la Universidad, en primera instancia de búsqueda de información
secundaria ya que pueden presentar ciertas ventajas con respecto a aquellas de acceso público,
como búsqueda avanzada de artículos, información aún más reciente y archivos anexos.
Los artículos científicos de revisión literaria de un componente o parámetro específico, son
excelentes herramientas para orientar la búsqueda de información referente a las CCMs, debido a
los amplios referentes teóricos involucrados en su realización, por lo cual podría en primera
instancia recopilarse este tipo de información para optimizar la búsqueda.
Las futuras investigaciones, deben poder establecer condiciones estándar de operación de
la celda o indicadores normalizados para la evaluación del desempeño de las configuraciones de
CCMs y materiales que se desarrollen. De tal forma que los resultados no se vean afectados por
las otras variables que comprenden el funcionamiento de las CCMs.
Para la implementación de nuevos materiales que se desarrollen para la producción de
electricidad en las CCMs, se recomienda que se haga una evaluación preliminar de los mismos,
que incluya la caracterización físicoquímica del material antes de ser operada en el sistema. Esto
con el propósito de evitar que la medición de las características sea influenciada por otras variables
en el sistema, por un lado, y por otro lado para determinar los cambios que pueden ocurrir en el
material como resultado de la operación en la CCM.
El efecto generado por la presencia de productos como resultado del metabolismo
microbiano debe ser estudiado en posteriores investigaciones.
Debe darse continuidad a los estudios que implementan sistemas acoplados y a aquellos
que proponen nuevas aplicaciones para las CCMs, ya que es la continuidad de los estudios previos
lo que permitirá evidenciar el potencial real de esta tecnología.
198
Las futuras investigaciones deben desarrollar técnicas que permitan el estudio continuo de
los parámetros de la celda, sin requerir el cese de operación de la misma y la manipulación
constante y potencialmente destructiva de sus componentes.
Se debe considerar la identificación de residuos y/o efluentes generados a partir de la
operación y mantenimiento de las CCMs, para lo cual se debe contemplar el tiempo de vida útil
de los componentes del sistema y el manejo ambiental a realizarse.
Evaluar la construcción de CCMs a partir de materiales económicos, con diseños
asequibles para comunidades con baja posibilidad de inversión, de manera que sea incentive la
apropiación de esta tecnología a gran escala.
199
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Zuo, Y., Maness, P.-C., & Logan, B. E. (2006). Electricity Production from Steam-Exploded Corn
Stover Biomass. Energy & Fuels, 1716-1721.
12. Anexos
Anexo 1. Respuestas de Instituciones Educativas.
No Universidad Respuesta a solicitud Observaciones Documento/Tipo
1
Escuela
Colombiana de
Ingeniería J.
Garavito
Consultar catálogo de la Biblioteca para referenciar los
documentos de interés y consultar en sala mediante
carta de presentación, o también consulta en el
Repositorio Institucional para descargar los trabajos de
grado que están autorizados por los estudiantes.
Se consultó el Repositorio Institucional y el
catálogo de la biblioteca, mas no se encontraron
documentos relacionados.
No.
2 Universidad de
Santander Ninguna. Se ingresó a catalogo virtual de la biblioteca. No.
3
Escuela de
Ingeniería de
Antioquia
Ninguna. Se ingresó a catalogo virtual de la biblioteca. No.
4 Universidad de
Medellín Ninguna.
Se ingresó al repositorio institucional vía
internet. No.
5 Universidad
Surcolombiana Ninguna. Se ingresó a catalogo virtual de la biblioteca. No.
6
Instituto
Tecnológico
Metropolitano
Ninguna. Se ingresó al repositorio institucional vía
internet. No.
7
Universidad de
Bogotá Jorge
Tadeo Lozano
Ninguna. Se ingresó a catalogo virtual del sistema de
biblioteca. No.
8 Universidad de
Pamplona Ninguna. Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca. No.
216
No Universidad Respuesta a solicitud Observaciones Documento/Tipo
9 Universidad del
Magdalena
Se indica consultar el catálogo de la biblioteca en link
indicado. En caso de encontrar material de interés,
comunicarse nuevamente. Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca. No.
10
Universidad
Autónoma de
Occidente
Se indica consultar el Repositorio Institucional vía
internet y que se requiere la creación de cuenta para
acceder a la documentación; en caso de encontrar
información, comunicarse nuevamente.
Se consultó el Repositorio Institucional. No.
11 Universidad del
Tolima Ninguna. Se ingresó a catalogo virtual de la biblioteca. No.
12 Universidad El
Bosque Ninguna. Se ingresó a catalogo virtual de la biblioteca. No.
13
Universidad
Militar Nueva
Granada
Ingresar al Repositorio institucional vía internet para
consultar los trabajos con derechos de autor abiertos.
Para consultar aquellos cuyos derechos de autor no han
sido autorizados, dirigirse a la universidad; se aclara
que solamente se podrá revisar la tabla de contenido,
introducciones y algunos apartes del contenido, sin que
se pueda copiar, grabar, etc.
Se consultó el Repositorio Institucional. No.
14 Universidad CES
Informan que tanto el catálogo como el Repositorio
Digital están para consultas abiertas y envían los
enlaces de internet para acceder a estos. Sin embargo,
aclaran que no han encontrado ningún trabajo de grado
sobre el tema solicitado.
Se consultó el Repositorio Institucional. No.
15 Universidad del
Quindío
Se indica consulta de catálogo bibliográfico de la
universidad. Se consultó catálogo bibliográfico. No.
16 Universidad
Antonio Nariño Ninguna. Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca. No.
217
No Universidad Respuesta a solicitud Observaciones Documento/Tipo
17 Universidad de
La Sabana
Indica consultar repositorio institucional y descargar
los trabajos de grado relacionados con la solicitud.
Se consultó el repositorio institucional, se
encontró 1 documento relacionado.
Si/ Trabajo de
grado
18 Universidad de
Caldas Ninguna.
Se consultó el catalogo en línea del Centro de
Bibliotecas, se encuentra un (1) artículo de
Buitrón y Pérez, 2011. No se puede acceder a este
en línea
No.
19 Universidad
EAFIT Ninguna. Se consultó el Repositorio Institucional. No.
20 Universidad del
Cauca Ninguna. Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca. No.
21
Universidad
Tecnológica de
Pereira
Ninguna. Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca. No.
22 Universidad de
Cartagena Ninguna. Se consultó el Repositorio Institucional. No.
23 Universidad del
Norte
Se indica consultar el Repositorio Institucional de la
universidad.
Se consultó el Repositorio Institucional, no se
encontraron documentos relacionados. No.
24
Universidad
Pontificia
Bolivariana
Se redirecciona internamente la solicitud, pero no se
recibe ninguna respuesta en el transcurso del tiempo.
Se consultó el catalogo en línea del Centro de
Bibliotecas, se encuentra un (1) artículo de
Alzate Gaviria y Otros (2010).
Si/ Artículo
científico.
218
No Universidad Respuesta a solicitud Observaciones Documento/Tipo
25 Universidad del
Rosario
Se informa que solo se pueden consultar tesis de grado
que han sido autorizadas para su difusión y en formato
físico, en las instalaciones de la biblioteca, no
pudiendo enviarse los archivos digitales por temas de
propiedad intelectual.
Se consultó el Repositorio Institucional, no se
encontraron documentos relacionados. No.
26
Universidad
Industrial de
Santander
Ninguna.
Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca y
se encontró un (1) trabajo relacionado con el
tema de celda de combustible microbianas.
Si/ Trabajo de
grado.
27
Pontificia
Universidad
Javeriana
Ninguna. Se consultó el Repositorio Institucional, no se
encontraron documentos relacionados. No.
28 Universidad del
Valle Ninguna.
Se ingresó a catalogo en línea de la biblioteca y se
encontró un (2) trabajo de grado relacionado con
el tema de celda de combustible microbianas; sin
embargo, los recursos solo están disponibles en
físico en la universidad. También se ingresó a la
opción de Biblioteca Digital un documento de
libre acceso, y se halló un documento de libre
acceso.
Si/ Artículo
científico.
29 Universidad de
los Andes
Se ofrecieron las indicaciones para consulta del
catálogo público vía internet.
Se consultó el catálogo y se encontraron 6
documentos relacionados, que fueron consultados
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Si/ Trabajos de
grado.
30 Universidad de
Antioquia
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Si/ Artículos
científicos.
31
Universidad
Nacional de
Colombia
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Si/ Trabajo de
grado.
Fuente: Autoras.
219
Anexo 2. Tabla materiales separadores evaluados en la literatura revisada.
Grupo
investigador
Tipo de
membrana
Tipo de celda
empleada Catolito
Coeficiente
de difusión
de oxígeno
(DO)
Coeficiente
de
transferenci
a de masa
de oxígeno
(KO)
Resistencia
de la
membrana
Espesor
Capacidad
de
Intercambio
de Iones
Otras
mediciones
relacionadas
Xu, Juan; Sheng,
Guo-Ping; Luo,
Hong-Wei; Li,
Wen-Wei; Wang,
Long-Fei; Yu,
Han-Qing
CEM:
Nafion 117
Cámara única,
cátodo de aire No Emplea
--- --- 345 ± 4,2 Ω ---
0,760 ±
0,020
mmol/g
---
CEM:
Nafion 117
biocontamin
ada
--- --- 414 ± 12.3 Ω ---
0,038 ±
0,030
mmol/g
---
Chae, Kyu Jung.;
Choi, Mijin.;
Ajayi, Folusho F.;
Park, Wooshin.;
Chang, In Seop. y
Kim, In S.
CEM:
Nafion 117
Doble cámara
(cámaras
rectangulares)
Tampón
fosfato
5,35 × 10-6
cm2/s
2,80 × 10-4
cm/s --- --- --- ---
Agua
destilada
5,27 × 10-6
cm2/s
2,77 × 10-4
cm/s --- --- --- ---
Pandit, Soumya.;
Ghosh,
Souparno.;
Ghangrekar,
M.M. y Das,
Debabrata.
AEM:
Ralex AEM Placa plana
Tampón
fosfato --- --- --- --- ---
Kd (constante
de saturación
de oxígeno
media)
Kd = 1,93 mg
de O2/L
Tanga, Xinhua.;
Guoa, Kun.; Li,
Haoran.; Dua,
Zhuwei.; Tianc,
Jinglei.
CEM:
Nafion 117
Doble cámara
(cámaras
cilíndricas)
No
especifica
su
composici
ón.
2,7 x 10−6
cm2/s
1,4 x 10−4
cm/s ---- 0,19 mm --- ---
MFM:
acetato de
celulosa,
diámetro de
poro de
0,45µm
No
especifica
su
composici
ón.
7,7 x 10−6
cm2/s
5,9 x 10−4
cm/s --- 0,13 mm --- ---
220
Grupo
investigador
Tipo de
membrana
Tipo de celda
empleada Catolito
Coeficiente
de difusión
de oxígeno
(DO)
Coeficiente
de
transferenci
a de masa
de oxígeno
(KO)
Resistencia
de la
membrana
Espesor
Capacidad
de
Intercambio
de Iones
Otras
mediciones
relacionadas
Hou, Bin; Sun,
Jian; Hu, Yong-
you
UFM-1kDa
Cámara única,
cátodo de aire No emplea
8,44 x 10-6
cm2/s
2,11 x 10-4
cm/s --- 0,4 mm --- ---
UFM-5kDa 2,14 x 10-4
cm2/s
8,57 x 10-6
cm/s --- 0,4 mm --- ---
UFM-10kDa 8,95 x 10-6
cm2/s
2,24 x 10-4
cm/s --- 0,4 mm --- ---
CEM:
Nafion 117
3,89 x 10-6
cm2/s
2,05 x 10-4
cm/s --- 0,19 mm --- ---
MFM 9,96 x10-6
cm2/s
4,98 x 10-4
cm/s --- 0,2 mm --- ---
Heijn E,
Annemiek Ter.;
Ham Elers,
Hubertus V. M.;
De Wilde,
Vinnie.;
Rozendal, Reneä
A.; Buisman,
Cees J. N (2006).
BPM: FBM
fumasep Placa plana
Solución
de cloruro
de hierro
férrico
--- --- --- --- --- --- Solución
de hidrato
de sulfato
de hierro
férrico
Zhang,
Xiaoyuan.;
Cheng, Shaoan.;
Huang, Xia.;
Logan, Bruce E
(2010).
Filtros de
Nailon
Cámara única Tampón
fosfato --- --- --- --- ---- ---
Filtros de
fibra de
vidrio
Zhuang, Li.;
Zhou, Shungui.;
Wang, Yueqiang.;
Liu, Chengshuai.;
Geng, Shu (2009).
CCA basado
en níquel Cámara única,
tubular, con
catado al aire.
No
emplea. --- --- ---
0,012
mm la
tela base
---
Resistividad
de volumen
1,35 ± 0,04 x
10−2 Ω cm
CCA basado
en grafito
No
emplea. --- --- ---
0,6 mm
la tela
base
---
Resistividad
de volumen
225 ± 18 x
10−2 Ω cm
221
Grupo
investigador
Tipo de
membrana
Tipo de celda
empleada Catolito
Coeficiente
de difusión
de oxígeno
(DO)
Coeficiente
de
transferenci
a de masa
de oxígeno
(KO)
Resistencia
de la
membrana
Espesor
Capacidad
de
Intercambio
de Iones
Otras
mediciones
relacionadas
Fan, Yanzhen.;
Hu, Hongqiang.;
Liu, Hong (2007).
Tela J-Cloth
Cámara única,
de cátodo al
aire
No
emplea. --- --- --- 0,3 mm
Flujo máximo
de oxígeno a
través de 7
cm2 de dos
capas de tela:
0.07 mg/ h
Mahendiravarman
, Elangovan;
Sangeetha,
Dharmalingam
(2013).
AEM:
QPEEK Celda tubular
de cámara
única.
No Emplea
4,8 x 10-8
cm2/s
2,1 x 10-4
cm/s ---
0,0002
mm 1,39 meq/g ---
AMI:
AMI 7001
3,1 x 10-7
cm2/s
1,6 x 10-4
cm/s --- 0,45 mm 1,3 meq/g ---
Ji, Eunkyoung;
Moon, Hyunsoo;
Piao, Jingmei; Ha,
Phuc T.; An,
Junyeong; Kim,
Daehee; Woo,
Jung-Je; Lee,
Yonghee; Moon,
Seung-Hyeon;
Ritmann, Bruce
E.; Chang, In
Seop (2011)
AEM:
AFN
Doble cámara,
placa plana
Agua de
grifo con
solución
amortiguad
ora de
fosfato de
sodio 10
mM
1,9 x 10-6
cm2/s
1,26 x 10-4
cm/s
0,2-1.0
Ω cm2
0,15-0.18
mm
2,0-3.5
meq/g ---
AEM:
AM-1
1,4 x 10-6
cm2/s
0,98 x 10-4
cm/s
1,3-2,0 Ω
cm2
0,12-0,16
mm
1,8-2,2
meq/g ---
AEM:
ACS
1,2 x 10-6
cm2/s
0,65 x 10-4
cm/s
3,6-6,0 Ω
cm2
0,12-0,20
mm
1,4-2,0
meq/g ---
Pandit, Soumya;
Khilari,
Santimoy; Bera,
Kaustav; Pradhan,
Debabrata; Das,
Debabrata.(2014)
AEM:
PVA-PDDA
Cámara única,
cátodo de aire
No
emplea.
6,1 x 10-8
cm2/s
5,95 x 10-6
cm/s --- 110 µm
0,83
meq/g ---
AEM:
Realex
3,5 x 10-8
cm2/s
7,8 x 10-6
cm/s --- 450 µm
0,34
meq/g ---
CEM:
Nafion 117
4,9 x 10-7
cm2/s
2,8 x 10-5
cm/s --- --- --- ---
CEM:
PVA-STA
6,4 x 10-8
cm2/s
6,4 x 10-8
cm/s --- --- --- ---
222
Grupo
investigador
Tipo de
membrana
Tipo de celda
empleada Catolito
Coeficiente
de difusión
de oxígeno
(DO)
Coeficiente
de
transferenci
a de masa
de oxígeno
(KO)
Resistencia
de la
membrana
Espesor
Capacidad
de
Intercambio
de Iones
Otras
mediciones
relacionadas
Zhang,
Xiaoyuan.;
Cheng, Shaoan.;
Wang, Xin.;
Huang, Xia. &
Logan, Bruce
E.(2009).
J-Cloth
Cámara única,
de cátodo al
aire
No
emplea. ---
290 × 10-5
cm/s --- --- ---
Resistencia
óhmica = 0,21
± 0,08 Ω
CEM: CMI-
7000 Doble cámara
(camaradas de
botellas)
Tampón
fosfato
--- 9,4 × 10-5
cm /s 3,78 ± 0,37Ω --- --- ---
Fibra de
vidrio DC1.0 ---
5,0 × 10-5
cm /s 2,26 ± 0,13Ω 1 mm --- ---
Fibra de
vidrio DC0.4 ---
7,5 × 10-5
cm/s
2,39 ±
0,30Ω 0.4 mm --- ---
Min, Booki;
Cheng, Shaoan;
Logan, Bruce E.
(2005).
Nafion 117 Doble cámara,
tipo H
Tampón
fosfato
salino
2,75 x 10-6
cm2/s
Flujo máximo
de oxígeno =
0,014 mg / h
Puente
Salino
Doble cámara,
tipo H
Tampón
fosfato
salino
--- --- ---
longitud = 30
cm; diámetro
interior = 0,6
cm
Fuente: Autoras.
Anexo 3. Inventario de documentos consultados en idioma español.
Ver archivo adicional Nº 1.
Anexo 4. Inventario de documentos consultados en idioma inglés.
Ver archivo adicional Nº 2.
Anexo 5. Fichas descriptivas, bibliográficas y sinópticas.
Ver archivo adicional Nº 3.
Anexo 6. Fichas de interpretación por núcleos temáticos
Ver archivo adicional Nº 4.
Anexo 7. Ficha de comprensión teórica global
Ver archivo adicional Nº 5.
