Sistemas bioelectroquímicos

Sistemas bioelectroquímicos
(Freedigitalphotos.net)/Hans Braxmeier
Sistemas bioelectroquímicos: ¿los generadores de electricidad del futuro?

Cada año se gastan miles de millones de euros en tratar billones de litros de aguas residuales, una actividad que conlleva además un consumo sustancial de energía.

Sin embargo, esas aguas residuales podrían constituir un recurso renovable que ahorrase cantidades considerables tanto de energía como de dinero, al contener contaminantes orgánicos que pueden aprovecharse para producir electricidad, hidrógeno y compuestos químicos de gran valor como la sosa cáustica.

De aprovecharse, las aguas residuales podrían convertirse en un recurso renovable para la producción de electricidad, hidrógeno y compuestos químicos.

Ello podría lograrse si la materia orgánica fuera descompuesta por bacterias con actividad eléctrica en una celda electroquímica, la cual, a su vez, facilitaría la depuración de las aguas residuales.

Algunos ejemplos de «sistemas bioelectroquímicos» de esta clase son las celdas de combustible microbianas (MFC) y las celdas electrolíticas microbianas (MEC).

La Unión Europea pretende fomentar el emprendimiento de proyectos innovadores capaces de generar ahorros energéticos considerables.

Una iniciativa de esas características corrió a cargo de un equipo de investigadores de Irlanda y se centró en el campo de los sistemas bioelectroquímicos.

En concreto tenía el propósito de alterar la química de la superficie de un electrodo para producir más electricidad.

El estudio «Arylamine functionalization of carbon anodes for improved microbial electrocatalysis», financiado por medio del Programa Marie Curie, podría ejercer un efecto inmediato en varios sectores interesados en incrementar su rendimiento energético y mejorar su perfil medioambiental, entre ellos el tratamiento de aguas residuales y la producción de biocombustibles y compuestos bioquímicos.

Para empezar, el equipo del proyecto examinó la zona de contacto entre microbios y electrodos.

En ella tienen lugar interacciones biológicas y fisicoquímicas complejas que permiten que los microbios empleados intercambien electrones con electrodos sólidos, dando así lugar a sistemas bioelectroquímicos.

El equipo participante halló indicios que podrían facilitar que ciertas comunidades microbianas conectaran con el electrodo y, de esta manera, produjeran más electricidad a mayor velocidad que con los electrodos sin modificar.

El intercambio de electrones es fundamental en las reacciones que se producen en el mundo natural y también en los citados sistemas bioelectroquímicos.

El equipo introdujo grupos funcionales de arilamina en electrodos de grafito. La arilamina es una enzima que cataliza una reacción química específica.

La adición de esta enzima mejoró la catálisis inicial en la oxidación de acetato empleando biopelículas microbianas en comparación con la observada en ánodos sin modificar.

Los investigadores demostraron que es factible implantar microbios para transportar y producir electricidad a mayor velocidad.

La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Investigación en Electrónica Biomolecular de Galway (Irlanda), donde se vienen indagando desde hace años en las condiciones para la selección de electrodos por microbios.

Aunque habrá que seguir trabajando para comprender aspectos importantes de biología e ingeniería en los que se sustenta la biotecnología, estos experimentos de laboratorio han demostrado que los sistemas bioelectroquímicos pueden funcionar adecuadamente.

No obstante, hasta ahora sólo se han realizado unos pocos estudios piloto en condiciones reales, necesitándose un mayor número de tales estudios y de proyectos de demostración a mayor escala para corroborar la fiabilidad de tales sistemas.

Por añadidura, para que esta biotecnología pueda adoptarse a escala comercial, los costes tendrán que ser competitivos frente a los de otros procesos de tratamiento de aguas residuales y producción de compuestos químicos.

Pese a todo, los investigadores participantes confían en poder establecer instalaciones comerciales en un plazo de entre dos y cinco años, según un informe al respecto presentado recientemente a la Comisión Europea.

Este nuevo dispositivo, que únicamente utiliza luz solar y aguas residuales para producir hidrógeno, podría proporcionar una fuente de energía sostenible, y al mismo tiempo mejorar la eficiencia del tratamiento de aguas residuales.

El dispositivo híbrido combina una célula de combustible microbiana (CCM) y una celda solar fotoelectroquímica (CCF).

En el componente CCM, las bacterias degradan la materia orgánica en las aguas residuales, y generan electricidad en el proceso.

Luego, la electricidad generada biológicamente se dirige al componente CCF para ayudar en la división del agua con energía solar (electrólisis), lo que genera hidrógeno y oxígeno.

Los dispositivos CCF o CCM se pueden usar por si mismos para producir hidrógeno. Sin embargo, requieren de un pequeño voltaje adicional (un “sesgo externo”) para superar la barrera de energía termodinámica para reducir los protones en hidrógeno.

La necesidad de incorporar un elemento de energía eléctrica adicional, añade significativamente, tanto al costo, como a la complejidad de estos tipos de dispositivos de conversión de energía, especialmente a grandes escalas.

En comparación, el dispositivo híbrido solar-microbiano desarrollado por un equipo liderado por Yi Li, profesor adjunto de química en la Universidad de California, Santa Cruz, se impulsa a sí mismo y es auto-sostenible, ya que la energía combinada de la materia orgánica (obtenida por el CCM ) y la luz solar (capturada por el CCF) es suficiente para impulsar la electrólisis del agua.

En efecto, el componente CCM puede considerarse como una “bio-batería” auto-sostenida que proporciona energía adicional para la generación de hidrógeno por el CCF.

 “Las únicas fuentes de energía son las aguas residuales y la luz solar”, dice Li.

Cuando el el dispositivo CCF-CCM se alimentó con aguas residuales y se iluminó con un simulador solar, mostró la producción continua de hidrógeno a una tasa promedio de 0,05 metros cúbicos por día.

Al mismo tiempo, las aguas residuales, turbias en un principio, se aclararon.

Los investigadores se muestran optimistas sobre el potencial comercial de su invención.

Actualmente están planeando ampliar el pequeño aparato de laboratorio para hacer un prototipo más grande de 40 litros, alimentado continuamente con las aguas residuales municipales.

Si los resultados del prototipo de 40 litros son prometedores, pondrán a prueba el dispositivo en una planta de tratamiento de aguas residuales.

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