Pilas de Combustible Microbianas

Las MFC’s son una biotecnología emergente que podría contribuir a afrontar dos problemas de los más acuciantes de la sociedad que son: la crisis energética y la disponibilidad de agua.

Las MFC’s son mecanismos que utilizan microorganismos para convertir la energía química contenida en energía eléctrica. Esto es posible bajo condiciones adecuadas en las que determinadas bacterias electroactivas pasan los electrones producidos en su actividad metabólica a un electrodo en lugar de a un aceptor de electrones que normalmente es un nitrato o el oxígeno. La viabilidad técnica ya ha sido demostrada y se han creado grandes expectativas en la comunidad científica de poder producir una energía “verde” mediante la explotación de la biomasa contenida en las aguas residuales.

Descripción de la tecnología

La pila de combustible microbiana es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por la acción biocatalítica de microorganismos que oxidan sustratos biodegradables como glucosa, acetatos o materia orgánica presente en las aguas residuales.

Los MFC’s consisten en dos semipilas separadas por una membrana selectiva de protones.

La oxidación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas produce , protones y electrones. En el caso de condiciones aeróbicas se produce solo y agua. Por ello, es importante mantener las condiciones anaeróbicas para conseguir la producción de electrones:

Los electrones generados son transferidos hacia el electrodo negativo, que es el ánodo. La transferencia puede ocurrir de dos formas: a través de proteínas conductoras de la membrana celular o a través de mediadores. Estos son sustancias con propiedades redox que actúan como intermediarios entre la membrana celular y el ánodo. Pueden ser añadidos externamente o bien ser excretadas como resultado del propio metabolismo microbiano. Los electrones pasan por un circuito eléctrico externo hacia el electrodo positivo, el cátodo, donde son transferidos hacia un aceptor de electrones de alto potencial como es el oxígeno. Cuando el oxígeno es reducido, se combina con protones procedentes del compartimiento anódico a través de la membrana semipermeable, formando agua.

Ventajas:

-Ayudan no solo a la producción de energía limpia, sino también a la depuración del agua residual.

-La conversión de energía desde sustrato a electricidad es directa, permitiendo altas eficiencias.

-Operan de manera muy eficiente a temperatura ambiente e incluso a muy bajas temperaturas.

-No requieren un tratamiento de gases porque los gases de escape están enriquecidos en CO y no tienen valor energético residual.

-No tienen partes móviles así que no necesitan un aporte de energía siempre que el cátodo sea aireado pasivamente.

-Tienen una amplia aplicación potencial en lugares donde no hay infraestructura eléctrica y también para ampliar a diversidad de combustibles que se utilizan para satisfacer la demanda energética.

-Comparativamente con el resto de tecnologías de depuración de aguas residuales, generan una menor cantidad de fangos lo que lleva a un ahorro en los costes de deshidratación que tienen estos materiales.

Componentes:

Las MFC’s están compuestas por un ánodo, un cátodo y una membrana.

El ánodo

Este tiene que ser conductor, biocompatible y químicamente estable en el medio con que se alimente la cámara en la que se encuentra. El acoplamiento metálico utilizado debe ser consistente y no susceptible de corrosión en el medio en el que se sumerge. Podría utilizarse acero inoxidable pero no cobre porque la presencia de iones de cobre en la disolución, efecto de la posible corrosión del mismo que puede resultar tóxica para las bacterias.

El material más versátil para construir un electrodo es el carbón en forma de placas o barras de grafito que además son relativamente baratas, fáciles de moldear y tienen un área superficial definida.

La mayor área superficial ha sido alcanzada usando un material compacto como el carbón vítreo reticulado disponible con diversos tamaños de poro, o usando capas de gránulos de carbón empaquetados.

Cátodo

El aceptor de electrones más adecuado para una MFC es el oxígeno debido a su alto potencial de oxidación, disponibilidad, bajo coste y no formación de productos contaminantes. Al usar oxígeno, el único producto final formado es el agua. La elección de los materiales catódicos afecta fuertemente al rendimiento y cambia mucho en función del tipo de pila. El uso de cátodos que tengan como único catalizador el carbono, presentan una cinética para la reducción de oxígeno muy lenta, con lo cual solo se pueden utilizar en sistemas en los que la cinética anódica es también muy lenta para que la lentitud de la reducción del oxígeno en el cátodo no ralentice el sistema. Para aumentar la tasa de reducción del oxígeno se puede utilizar el platino como catalizador, para oxígeno disuelto en el catolito o al aire libre en el cátodo. Para no aumentar demasiado el coste de la MFC, la carga de platino en el cátodo se puede reducir hasta niveles del orden de .

Membrana de intercambio protónico

Las MFC’s requieren la separación de los compartimientos del ánodo y del cátodo por una membrana de intercambio protónico. Las más extendidas son las que están hechas de Nafion. Para elegir un material adecuado para esta parte de la MFC este tiene que ser permeable a los productos químicos utilizados, como el oxígeno, los iones o la materia orgánica que se utiliza como sustrato.

Cuando se evalúa una MFC, los estudios a la misma se hacen tanto desde el punto de vista de la pila como generador de energía eléctrica como teniendo en cuenta su capacidad para depurar las aguas residuales.