Celdas de biocombustible II

Como ya hemos visto en la entrada anterior las celdas biológicas se basan en la catálisis enzimática, o sea utilizan biocatalizadores, siendo dispositivos capaces de transformar directamente la energía química en eléctrica a través de reacciones que dependen de vías bioquímicas. 

Esquema de una celda de biocombustible (Davis y Higson, 2006)

Se produce una reacción de oxidación en el ánodo y otra de reducción en el cátodo, lo que provoca la producción de energía, agua y dióxido de carbono.

La MFCs se han clasificado en tres grupos:

1. De primera generación: mediadores redox artificiales (rojo neutro, azul de metileno, etc.) son capaces de atravesar la membrana citoplasmática celular y transferir electrones desde estas hacia la superficie del ánodo.
2. De segunda generación: los electrones son transferidos mediante la reducción y oxidación de compuestos del azufre.
3. De tercera generación: utilizan bacterias reductoras de metales (miembros de la familia Geobacteriaceae y Shewanellaceae) que presentan un tipo especial de citocromos unidos a la membrana, capaces de transferir electrones directamente a los electrodos. 

El análisis de las comunidades microbianas asociadas a las MFC muestran una gran diversidad de géneros bacterianos dependiendo de la naturaleza del inóculo, el combustible (materia orgánica) y del tipo de MFC utilizada. 

Son en realidad biorreactores que albergan la oxidación de un combustible orgánico catalizada por microorganismos. Existen distintos diseños de MFC que se adaptan a la naturaleza del combustible y a la finalidad del ensayo, también es importante el material de los electrodos: el platino produce los mejores resultados pero por su elevado coste se utiliza más el grafito en cualquiera de sus variantes. Los combustibles que pueden utilizarse para alimentar estas MFC van desde soluciones de compuestos sencillos (acetato o glucosa) a mezclas complejas ricas en materia orgánica (residuos vegetales o aguas residuales).

En la actualidad se estudia la manera de optimizar las dos maneras diferentes de obtener energía eléctrica con ayuda de microorganismos: 

   I. Pilas o celdas de combustible microbianas.

  II. Células de combustible sedimentarias.

En que los microorganismos oxidan materia orgánica mediante un mediador que sirve para transportar electrones desde la bacteria hasta el electrodo. El problema con el uso de mediadores es que suelen ser sustancias tóxicas, por eso se busca la optimización del proceso mediante la utilización de microorganismos que no los necesiten (como Geobacter).

Celda de combustible sedimentaria (Wikipedia)

Una vez clara la definición y los tipos de MFC, pasaremos (en proximas actualizaciones) a temas más específicos.

Saludos!

Celdas de biocombustible I

Como ya os había prometido en las primeras entradas de este blog hoy profundizaremos sobre las células de combustible en el proceso de bioelectrogénesis.

Las llamadas células o pilas de combustible (Fuel Cells) son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química en eléctrica, o sea, generan electricidad partiendo de una fuente externa de combustible química (las más comunes son hidrógeno y etanol). Actualmente, esta energía limpia ya es utilizada como combustible de vehículos públicos y privados en algunas ciudades, teniendo como único residuo el vapor de agua.

Existe además una variante de estas células de combustible: la célula de combustible microbiana (Microbial Fuel Cell o MFC) en las que se utilizan microorganismos para oxidar el combustible (materia orgánica). Para entender el funcionamiento de las MFC hemos de entender primero el concepto de respiración, no como intercambio de gases sino como proceso bioquímico que sucede en el interior de las células. Las células respiran porque necesitan un aceptor de electrones (que no tiene que ser el oxigeno, la forma más antigua de respiración microbiana conocida es la anaerobia) que ayude a quemar el combustible (donador de electrones) y así obtener energía o electrones en movimiento. 

Ejemplo de respiración aerobia (Revista de la Universidad de Potosí)

El principio operacional de las MFC se basa en la extracción y transferencia de electrones desde el metabolismo microbiano hasta el ánodo, o sea, el ánodo está conectado a través de una resistencia de carga al cátodo vía un circuito eléctrico externo por el cual fluyen los electrones, originando una corriente. Los electrones viajan del ánodo al cátodo debido a la diferencia de potencial redox. Las cámaras que albergan los electrodos están comunicadas por una membrana de intercambio de cationes permeable a los protones, de manera que los que son generados en la oxidación de la materia orgánica se combinan con oxígeno y con los electrones que llegan al cátodo para formar agua.

Esquema de a) pila de combustible microbiana y b) sedimentaria (Bacterias productoras de electricidad, SEM)

Las pilas de combustible microbianas también pueden estar alojadas en un hábitat natural y son llamadas células de combustible sedimentarias porque permiten obtener energía eléctrica a partir de comunidades microbianas naturales de sedimentos anaerobios. Para fabricarlas es necesario que el ánodo este enterrado en el sedimento mientras el cátodo queda expuesto en la fase acuosa aerobia que cubre el sedimento.

Clasificación de los dispositivos electroquímicos (Bullen y col., 2006)

En la proxima entrada continuaremos profundizando en este tema.

Saludos! 

Historia de la bioelectrogénesis

Aunque el tema de la bioelectrogénesis nos parece ahora un concepto novedoso, en realidad como tantas otras cuestiones científicas las primeras observaciones tuvieron lugar mucho tiempo atrás...

La relación entre generación de energía eléctrica y procesos metabólicos fue estudiada por primera vez en el siglo XVIII (1780) por Luigi Galvani fisiólogo y físico de la Universidad de Pavía, quien conectó dos electrodos al nervio de la médula espinal de una rana disecada provocando movimientos en los músculos de las patas de la misma y evidenciando así la relación entre el fluido bioquímico tipo electrolito y el impulso eléctrico, descubrió que el sistema nervioso es un auténtico dispositivo eléctrico estableciendo la primera teoría de la "electricidad animal" e inaugurando la neurofisiología como ciencia. Galvani definió esta forma de producir "electricidad animal" como "Bioelectrogénesis". Posteriormente, en 1818, Marie Shelley se inspiraría en este hecho para escribir su obra cumbre "Frankestein".

Experimento de Galvani con ranas (Revista de la Universidad de Potosí)

Pero el primer ejemplo de actividad eléctrica con microorganismos no se demostró hasta 1910 cuando Michael Cresse Potter, profesor de Botánica de la Universidad de Durham (Reino Unido) demostró la producción de energía eléctrica en cultivos puros (de E.coli y Saccharomyces) usando electrodos de platino, pero las corrientes eléctricas generadas debido a su pequeña magnitud pasaron desapercibidas por la comunidad científica hasta los experimentos de Cohen en 1931 que consiguió un voltaje superior generado a partir de celdas de combustible microbianas conectadas en serie. Aun así no fue hasta la década de los 80' con la utilización de mediadores redox solubles (compuestos que actúan transportando electrones de la bacteria al electrodo, reoxidandose y quedando disponibles para volver a ser reducidos por las bacterias)  que se despertó el interés en dichos experimentos.

Esquema de una celda con bacterias electrogénicas (Revista de la universidad de Potosí)

Dicho interés por el desarrollo de la "Bioelectricidad" comenzó (como ya hemos dicho) durante las décadas 70' y 80' "coincidiendo" con la época de crisis del petróleo, y en el siglo XXI se ha intensificado dada la crisis ambiental actual y porque queda patente que la Bioelectrogenésis es una fuente de energía económicamente viable con un mínimo impacto ambiental, sin mencionar sus numerosas ventajas alternativas (de las que hablaremos en próximas entradas). Los microorganismos que presentan actividad eléctrica han despertado cada vez mayor interés en los investigadores, particularmente de la NASA, que ve la microbioelectrogénesis como una excelente oportunidad para transformar los desechos orgánicos de los astronautas en energía.

Una vez hecha esta pequeña revisión histórica y desterrado el mito de la Bioelectrogénesis como técnica novedosa en la próxima entrada haremos una revisión sobre las células de combustible microbiana para a partir de aquí centrarnos en profundidad en los microorganismos, las aplicaciones de esta forma de obtención de energía y los retos actuales de la Bioelectrogénesis.

Saludos!