CC-Microbianas

Células de combustible microbianas


Una de mis actividades de investigación se centra en el estudio y desarrollo de células de combustible microbianas (CCM). En este apartado intentaré hacer un pequeño resumen de lo que es esta tecnología y facilmente se podrá visionar el gran porvenir de la misma en un presente/futuro cercano.


Podemos definir una CCM como aquel dispositivo bio-electroquímico, que permite la conversión directa de la energía química contenida en un combustible/sustrato orgánico, en electricidad continua, por medio del metabolismo de microorganismos electrogénicos.

Una representación esquemática del anterior concepto es la siguiente:



Es decir, mediante la oxidación electrogénica (que genera electricidad continua) asistida por unos microbios anaerobios (delta y gamma-proteobacterias) de un sustrato orgánico soluble en agua tales como aguas residuales urbanas e industriales (cocción de alimentos, vinazas, melazas, orujos, etc.), es posible generar electricidad en una sóla etapa (mecanismo electroquímico de célula de combustible) y por consiguiente evadir los postulados del principio de Carnot, sobre la eficiencia de máquinas térmicas.

Esto es de una gran trascendencia, ya que por un lado aprovechamos residuos acuosos de dificil valorización y además nos aproximamos virtualmente a eficiencias en la generación eléctrica superiores al 80 %.

Las reacciones electroquímicas que se dan en el ánodo, donde se realiza la oxidación del sustrato (en este caso acetato sódico acuoso) y en el cátodo, donde se realiza la reducción de un catolito (generalmente y por economía, oxígeno del aire ambiente) son las siguientes:




Así el potencial estándar de la reacción global (suma de la dos semirreacciones) es de 1,06 V. Bajo las condiciones en las que se llevan a cabo las mismas (pH tamponado a 7, oxígeno del aire al 21 %) el potencial es algo menor, 1,01 V.


- Componentes de una CCM -

Podemos diferenciar tres componentes básicos:

ÁNODO
EL ánodo es habitualmente un electrodo de carbono grafítico de alta porosidad. En él se fijarán las bacterias responsables de la oxidación del sustrato, habitualmente por medio de unos nanohilos portadores de electricidad (electrones resultantes de la oxidación).

MEMBRANA
La membrana es del tipo de intercambio catiónico (sólo iones positivos) y será la responsable de permitir el paso de protones desde el ánodo hasta el cátodo, impidiendo asimismo la difusión de oxígeno en sentido contrario (bacterias anaerobias).

CÁTODO
EL cátodo es el elemento más delicado, ya que la reacción de reducción del oxígeno a agua, es cinéticamente muy poco favorable (alta energía de activación) y por consiguiente se precisa de un catalizador muy activo, tales como el platino o el paladio.
Estos materiales preciosos (sobre todo el platino) son extraordinariamente caros, por lo que se suelen emplear óxidos de metales tales como el cobalto, que si bien no son tan activos cataliticamente, son muchísimo más baratos. Este es un punto en el cual se puede seguir trabajando hasta lograr un material que sea buen catalizador y además barato.


- CCM sedimentarias -

Una aplicación que a nosostros nos apasiona es la generación eléctrica en lechos de sedimentos marinos, donde naturalmente tenemos presentes las bacterias electrogénicas (familia Sulfurreducens), el sustrato (sedimentos marinos), el oxígeno disuelto (las olas favorecen este proceso) y la membrana (los lechos de sedimentos son anaerobios y permiten a su vez el intercambio de protones). En la siguiente figura podemos representar lo que sería una CCM de sedimentos marinos:



- Células electrolíticas microbianas (CEM) -

Una tercera posible aplicación tecnológica es la generación de hidrógeno por medio de la electrolisis de la oxidación del sustrato a hidrógeno en vez de a agua. La semirreacción del ánodo sería la misma, pero en el cátodo tendríamos la reducción directa de los protones resultantes de la oxidación a hidrógeno gas, como se muestra a continuación:


Si normalizamos nuevamente mediante la ecuación de Nernst a las condiciones a las que se llevan a cabo ambas semirreacciones (pH tamponado a 7) obtenemos un potencial para la semirreaccción anterior igual a - 0.41 V y para la reacción global igual a - 0.12 V. Al ser negativo, esta reacción no es espontánea, luego para que se lleva a cabo hay que suministrarle el voltaje necesario para hacer la reacción espontánea (adicionar 0.12 V teóricos, que serán del orden de 0.4 V reales teniendo en cuenta las resistencias internas del equipo generador). De este modo gracias a la acción bacteriana tenemos una "electrolisis asistida por microbios" que hacen que esta tecnología sea mucho más eficiente que la simple electrolísis del agua (disminuimos el potencial teórico de -1.23 hasta -0.12 V, aproximádamente un 90 %). La siguiente figura muestra como sería una de estas CEM:


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