12.3: Pilas de combustible microbianas
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12.3 Pilas de combustible microbianas
Una pila de combustible microbiana es un dispositivo bioelectroquímico que puede convertir la energía química directamente en energía eléctrica. Pero primero, repasemos lo que es una pila de combustible. Una pila de combustible es una especie de batería. Entonces, ¿qué es una batería? Una batería es cuando dos tipos diferentes de metales se conectan entre sí a través de lo que se llama un electrolito. Un metal es un ánodo, que es un metal que “quiere” emitir electrones cuando se encuentra en las condiciones adecuadas. Un metal es un cátodo, que es un metal que “quiere” aceptar electrones cuando se encuentra en las condiciones adecuadas. Cuando estos dos metales están muy cerca, y hay un fluido que conducirá los electrones (un electrolito), entonces puede ocurrir el flujo de electrones de un metal al otro. Y podemos capturar ese flujo para extraer electricidad. Las baterías que usamos en los controles remotos para televisores eventualmente se agotarán y necesitarán ser reemplazadas. Este es un ejemplo de una batería primaria. Las figuras 12.6a-12.6c muestran una celda genérica, una pila de celdas que utilizan zinc y cobre, y una imagen de una celda Voltica creada por Alessandro Volta (inventor).
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
Crédito: Wikipedia
Crédito: Datos sobre la batería
También podemos tener baterías secundarias, donde se establece el flujo de electricidad para proporcionar energía eléctrica, pero también podemos aplicar electricidad a la batería para revertir el flujo de electrones y regenerar la vida útil de la batería. Si bien las baterías regeneradas no duran para siempre, definitivamente puedes obtener el valor de tu dinero porque puedes regenerarlas.
Las pilas de combustible también son una especie de batería, pero los materiales son diferentes y fluyen continuamente para producir electricidad. La Figura 12.7 muestra una pila de combustible genérica. Al igual que con una batería, tiene un ánodo, cátodo y electrolito. El ánodo suele utilizar hidrógeno como combustible, en el lado izquierdo de la figura, y oxígeno como oxidante utilizado en el cátodo, en el lado derecho de la figura. El electrolito contiene un fluido pero también una membrana que elimina los protones del hidrógeno, dejando que los electrones fluyan, y permite que el oxígeno acepte los protones para formar agua. Por lo general, estas celdas funcionan con hidrógeno y oxígeno, pero obtenemos energía eléctrica en lugar de calor por la quema de hidrógeno y oxígeno.
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
En el ánodo, el hidrógeno reacciona como se muestra en la reacción 18:
(18) H 2 → 2H+ + 2e-
Se trata de una reacción de oxidación que produce protones y electrones en el ánodo. Los protones luego migran a través de un electrolito ácido, y los electrones viajan a través de un circuito externo. Ambos llegan al cátodo para reaccionar con el oxidante, el oxígeno, como se muestra en la reacción 19:
(19) ½ O 2 + 2H+ + 2e- → H 2 O
Esta es la reacción de reducción, donde el oxígeno puede suministrarse puramente o en aire. Esencialmente, el circuito total se completa a través de la transferencia de masa de protones en el electrolito y circuito eléctrico externo. Habrá una pequeña cantidad de calor perdido a través de los electrodos. La reacción global se muestra en la reacción 20:
(20) H 2 + ½ O 2 → H 2 O + trabajo + calor residual
El agua y el calor residual son los subproductos y deben eliminarse de forma continua. Un voltaje ideal de esta reacción es de 1.22 voltios, pero se realizará menos que ese voltaje. Otros temas incluyen el uso de combustible diferente al hidrógeno (metanol, hidrocarburos, etc.) y el hecho de que las pilas de combustible producen corriente continua (CC) cuando la mayoría de las aplicaciones requieren corriente alterna. Se ha proporcionado este poco de antecedentes por lo que se puede tener una breve discusión sobre las pilas de combustible microbianas.
No vamos a profundizar en las pilas de combustible microbianas, ya que parte de la bioquímica puede ser compleja. Te proporcionaré alguna información genérica sobre cómo se configura una pila de combustible microbiana. Se trata de dispositivos bioelectroquímicos, que convierten la energía química directamente en energía eléctrica. Como ya hemos comentado anteriormente, hay algunos pasos que deben darse. La celulosa se hidroliza en azúcares, es decir, glucosa. Los azúcares se fermentan en ácidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono. Finalmente, se produce la electricigénesis, produciendo electricidad y se transporta el dióxido de carbono. La electricigénesis convierte la energía química en energía eléctrica por los microorganismos de reacción catalítica. El ánodo es anaeróbico, y la cámara del ánodo contiene microbios y materia prima. El combustible es oxidado por microorganismos, los cuales generan CO 2, electrones y protones. El cátodo es la cámara aeróbica, y al igual que otras celdas de combustible, una membrana de intercambio de protones separa las dos cámaras y permite que solo pasen protones (iones H+).
Existen dos tipos de celdas de combustible microbianas (MFC): mediadoras o sin mediador. El tipo de mediador se demostró a principios del siglo XX y utiliza un mediador: una sustancia química que transfiere electrones de las bacterias en la célula al ánodo. Algunos de estos químicos incluyen tionina, metilviológeno, azul de metilo, ácido húmico y rojo neutro. Estos químicos son caros y tóxicos. Las MFC sin mediadores son un desarrollo más reciente, a partir de la década de 1970. Este tipo de células tienen proteínas redox electroquímicamente activas como los citocromos en su membrana externa que pueden transferir electrones directamente al ánodo. Algunas bacterias electroquímicamente activas son Shewanella putrefaciens y Aeromomas hydrophila. Algunas bacterias tienen pili en la membrana externa, lo que permite la producción de electrones a través de los pili. Están empezando a encontrar uso comercial en el tratamiento de aguas residuales. He incluido algunos videos de YouTube explicando cómo funcionan los MFC. El primer video es una breve pero completa explicación de cómo funciona un MFC (2:03).
Celda de combustible microbiana MudWatt
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[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
PRESENTADOR: La celda de combustible microbiana MudWatt es un dispositivo bioeléctrico que utiliza los metabolismos naturales de los microbios que se encuentran dentro del suelo para producir energía eléctrica. Así es como funciona.
El MudWatt está compuesto por dos electrodos de fieltro de grafito, el ánodo y el cátodo, mantenidos dentro de un contenedor hermético duradero. La pieza electrónica en la parte superior se usa para experimentación y también cuenta con una luz LED que parpadea usando la potencia de los microbios dentro de su suelo. El usuario simplemente llena el MudWatt con tierra húmeda, enterrando el ánodo mientras descansa el cátodo encima.
En esta configuración, una comunidad sana de microbios generadores de electricidad se desarrollará en la superficie del ánodo en cuestión de días. Estas bacterias tienen habilidades metabólicas únicas que les permiten respirar los azúcares y nutrientes dentro del suelo y depositar electrones en el ánodo como parte de su metabolismo natural. Los protones y el dióxido de carbono se liberan en el suelo como subproductos metabólicos y se difunden hacia el cátodo.
Una vez transferido al ánodo, el electrón viaja a través del cable del electrodo, a través de la electrónica MudWatt hasta el cátodo. Al pasar por la electrónica, esta corriente eléctrica encenderá la luz LED en la parte superior, dándote una indicación visual de que tus microbios están sanos y felices.
En el cátodo, el electrón interactúa con el oxígeno en el aire, así como con los protones que vienen del ánodo, para formar agua. El dióxido de carbono que se origina en el ánodo se libera al aire. El ciclo continúa, limitado únicamente por la disponibilidad de nutrientes dentro del suelo y oxígeno en el aire.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Crédito : KeegoTech
El siguiente video es un poco más largo y profundiza un poco más de lo que se describió anteriormente (7:23).
Celda de combustible microbiana
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[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
PRESENTADOR: La inspiración para construir sistemas bioelectroquímicos vino del descubrimiento de ciertos microbios que viven en el suelo. Estas bacterias nadan hasta el metal sólido —como el hierro— transfieren electrones al metal, disolviéndolo en proceso. Esto es similar a las bacterias aeróbicas que transfieren electrones a moléculas de oxígeno durante la respiración. La transferencia de electrones genera electricidad. A donde hay electricidad, hay energía.
PRESENTADOR: Para cosechar la electricidad se utiliza una pila de combustible bioelectroquímica. Este sistema consta de dos compartimentos: un compartimento anódico y un compartimento catódico. Estos dos compartimentos están separados por una membrana. Una biopelícula crece al final de la misma.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Una corriente de alimentación orgánica, como las aguas residuales, ingresa a la celda de combustible, donde es oxidada por la biopelícula. Simultáneamente, los productos oxidados dejan la pila de combustible. La oxidación de los orgánicos —por ejemplo, el acetato— produce electrones y protones. Esta media reacción libera una cierta cantidad de energía.
Los electrones se conducen sobre el cable mientras los protones se mueven a través de la membrana hacia el cátodo para mantener la neutralidad electrónica. El oxígeno se suministra a la cámara catódica. Allí acepta los electrones y reacciona con los protones para formar agua. Esta media reacción también libera cierta cantidad de energía.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
La ganancia de energía máxima teórica se determina combinando ambas medias reacciones. Sin embargo, las resistencias se encuentran en múltiples capas de la pila de combustible.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Las pérdidas olmecas se encuentran en el cable eléctrico y en la transferencia de protones del ánodo al cátodo. Las pérdidas de concentración ocurren cuando la tasa de masa transferida al compartimiento del ánodo o del cátodo limita la velocidad de formación del producto. Las pérdidas metabólicas bacterianas pueden describirse por la cantidad de energía que utilizan los microbios para crecer.
La energía se recolecta para formar un gradiente proteico sobre la membrana interna. Las pérdidas de activación se describen por la capacidad de la biopelícula para transferir los electrones al ánodo. Ciertos organismos pueden cultivar nanocables conductores, llamados pili, que interactúan directamente con el ánodo para transferir los electrones.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
[PÁJAROS GORJEANDO]
PRESENTADOR: OK. Hoy, estamos en la naturaleza. Y estamos buscando algunos lodos para alimentar nuestra bio-batería. Creo que este es un buen lugar. Ah, es perfecto.
PRESENTADOR: Otra aplicación de los sistemas bioelectroquímicos es la producción de productos químicos. En este caso se debe aplicar potencia a la biopelícula por fuente externa. Los electrones son producidos por la oxidación del agua. Ahora la biopelícula crece en el cátodo. Los electrones ricos en energía son utilizados por los organismos para fijar el dióxido de carbono.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
El dióxido de carbono ingresa al compartimiento del cátodo y se fusiona con el cátodo. Ahí, para cosechar energía de los electrones, el CO2 es fijo. Y se forma acetato.
PRESENTADOR: Todo bien. Echemos un vistazo a nuestra bio-batería. Enterramos el ánodo en nuestro suelo. Asegúrate de que no haya burbujas de aire en el suelo. Tiene que ser anaeróbico. En la parte superior del suelo, colocamos el cátodo, que está en contacto directo con el oxígeno en el aire.
Ahora veamos otra aplicación de pila de combustible microbiana. La desalinización se puede lograr insertando un compartimento adicional entre el ánodo y el cátodo. Se coloca una membrana de ósmosis directa en el ánodo. Esto permite el transporte en iones cargados tanto positiva como negativamente.
En el cátodo se coloca una membrana de intercambio catiónico, la cual permite únicamente el transporte de iones cargados positivamente. El agua salada fluye a través de este compartimento mientras que los iones cargados negativamente se mueven hacia el ánodo, y los iones cargados positivamente se mueven al cátodo.
Para finalizar nuestra bio-batería y ver la producción de energía, tenemos que conectar los cátodos a los ánodos. la electricidad se almacena en un transformador y se utiliza para alimentar una luz LED.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Crédito: Sebastiaan de Bruin
El siguiente video corto cuenta con el Dr. Bruce Logan, profesor del Departamento de Ingeniería Civil de PSU, brindando una breve explicación sobre el uso de estos MFC para instalaciones de tratamiento de aguas residuales (3:05).
Aguas residuales electrizantes
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PRESENTADOR: El agua potable y la electricidad son esenciales para la vida cotidiana. Pero para conseguir uno, a menudo necesitamos al otro. Generamos electricidad para purificar el agua. Y en muchas partes del mundo, utilizamos el agua para crear energía.
En Estados Unidos, un promedio del 5% de la electricidad que producimos se destina a alimentar nuestra infraestructura hídrica. Pero, ¿y si pudiéramos usar las aguas residuales como energía? Resulta que la vieja tecnología de décadas conocida como celdas de combustible microbianas puede ayudar a extraer la energía y las aguas residuales para producir electricidad.
BRUCE LOGAN: Una pila de combustible microbiana es un dispositivo donde utilizamos bacterias para producir directamente corriente eléctrica a partir de algo tan simple como las aguas residuales. Ahora mismo, tenemos plantas de tratamiento de aguas residuales que consumen energía eléctrica. Y podemos imaginar una época en la que estas plantas de tratamiento se transformen en lo que esperamos sean centrales eléctricas.
PRESENTADOR: En lo profundo de las alcantarillas de las plantas de tratamiento de aguas residuales, hay miles de millones de bacterias, o microbios, que descomponen la materia orgánica para producir electrones. Entregan sus electrones a moléculas de oxígeno a cambio de energía. Pero en una pila de combustible microbiana, los electrones toman un desvío.
BRUCE LOGAN: Esta es una pila de combustible microbiana Realmente es un dispositivo muy sencillo. Es solo un tubo con electrodos a ambos lados de ese tubo, uno que está sellado, así que las bacterias no pueden llegar al oxígeno, el otro que está expuesto al oxígeno.
La parte más importante de una pila de combustible microbiana son los microbios. Los microbios crecen en un electrodo, que está libre de oxígeno para que envíen esos electrones a un electrodo en lugar de oxígeno. Los electrones fluyen a través de un circuito, por lo que extraemos esa corriente eléctrica como energía eléctrica.
PRESENTADOR: Para completar el circuito, los electrones terminan en el otro lado del tubo y se combinan con oxígeno. La teoría es simple. Pero ponerla en práctica no es tan fácil.
BRUCE LOGAN: Inicialmente pensamos que el mayor reto serían las bacterias. Pero resulta que en realidad es todo menos la bacteria con la que hemos tenido mayores retos. Tenemos sistemas del tamaño de este cubo y tal vez un poco más grandes, pero realmente no hemos salido a construir sistemas de 1,000 litros o sistemas de 10,000 litros. Y ese es un reto de ingeniería que debemos abordar a continuación.
PRESENTADOR: A pesar de estos desafíos, Logan es optimista sobre las pilas de combustible microbianas.
BRUCE LOGAN: Estoy muy entusiasmado con las pilas de combustible microbianas y estas diferentes tecnologías porque crea una manera verdaderamente sostenible de producir energía y alimentar nuestra infraestructura de agua.
PRESENTADOR: En otras palabras, si las pilas de combustible microbianas cumplen su promesa, las aguas residuales ya no serán desechos.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Crédito: ByteSizeScience
Y el último video, elaborado por el grupo del Dr. Logan en PSU, muestra cómo construir tres tipos diferentes de MFC (4:26).
Varios tipos de celdas de combustible microbianas
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[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
PRESENTADOR: Aquí tenemos tres arquitecturas de reactores de celdas de combustible microbianas diferentes. Al frente tenemos reactores de cubo. Se trata de un reactor MFC de una sola botella. Y este es un reactor de doble botella, también conocido como reactor tipo H.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Aquí tenemos un reactor cúbico desmontado. Sólo quiero poder mostrarte todas las partes antes de ponerlas de nuevo en el propio reactor.
Este es el cuerpo del reactor. Es un cubo lexan con una cámara anódica de 28 mililitros de volumen; dos agujeros perforados en la parte superior para rellenar y vaciar el sustrato.
Esta es la placa final del cátodo, y este es el cátodo. Este es en realidad un cátodo de aire hecho de tela de carbono.
Este lado tiene las cuatro capas de difusión de PTFE. Este lado tiene negro de carbón y catalizador de platino. Este es el lado que en realidad se enfrenta al interior del MFC.
Esta es la otra placa de extremo. Hay muchos nanomateriales diferentes que se pueden usar. En este ejemplo, estamos utilizando un ánodo de fibra de cepillo de carbón.
Ahora voy a demostrar montaje de un reactor cúbico.
Primero coloca el cátodo en, el platino— lado negro de carbono mirando hacia adentro. Utilizamos juntas para asegurarnos de que no haya fugas y una buena conexión entre el lado del platino y el colector de corriente, que es un cable de titanio.
El reactor cúbico se mantiene unido solo con todas las roscas y tuercas de mariposa usando compresión para mantener todos los lugares adentro, todas las piezas en su lugar.
Entonces el frente está hecho. Aplique una junta, junta tórica; la placa de extremo se desliza sobre.
Ahí lo tienes... un reactor de cubo.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
Entonces aquí tenemos un reactor de una sola botella. Esto es muy similar a los reactores de cubo. En esta configuración tenemos un ánodo de cepillo así como otro cátodo de aire.
Ahora voy a demostrar cómo armar un reactor de botella. Entonces esta es solo una botella de medios estándar con un brazo unido a ella. Una vez más, reemplace el cátodo con el lado de platino y negro de humo orientado hacia el reactor y el lado de la capa de difusión PTF orientado hacia el aire.
Así que todo lo que estamos haciendo es colocar el cátodo, colector de corriente, O-ring— esto es sólo una tapa que se utilizará para la compresión para mantener el cátodo en su lugar— utilizando sólo una abrazadera de brazo regular. Todo lo que queda por hacer es colocar el ánodo del cepillo en la botella.
Y ese es un reactor de una sola botella.
[REPRODUCCIÓN DE MÚSICA]
OK. Ahora voy a demostrar el montaje de la arquitectura del reactor MFC de dos botellas, o un reactor tipo H.
En esta situación, el ánodo y el cátodo son ambos del mismo tamaño, y estamos usando el mismo material para el ánodo y el cátodo, que es papel carbón.
Y se acaba de unir a un cable de titanio como colector de corriente. Y una vez más, esto se está utilizando tanto como ánodo como cátodo.
En esta situación, la membrana de intercambio catiónico se coloca entre las dos cámaras.
Use una abrazadera. Apriete la abrazadera si es necesario.
Y tienes un reactor de celda de combustible microbiana de dos cámaras.
Crédito: Tecnología MFC
Las MFC también se pueden utilizar en plantas procesadoras de alimentos y cervecerías, además de ser implantadas como dispositivos biomédicos. Existen desafíos técnicos para las MFC. Tienen densidades de potencia relativamente bajas, lo que significa que no generan mucha energía. Por lo tanto, la investigación continúa mejorando las densidades de potencia. Estos dispositivos tienen un futuro increíble, pero aún necesitan más investigación para ser comercializados a gran escala.