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UNIVERSIDAD NACIONAL FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES
ESCUELA DE QUMICA
CURSO: Biotecnologa Industrial
PROFESOR A: Sandra Valds
Trabajo Final
Generacin de energa elctrica a partir del tratamiento de aguas
residuales con el empleo de bacterias
Alumnos:
Luis Alfonso Andrs Monge
Roberto Rodrguez Molina
Jorge Alberto Aguilar Lpez
Campus Omar Dengo, Heredia
Ciclo I I , 2011
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Tabla de contenido
Resumen .............................................................................................................................................. 3
Introduccin ........................................................................................................................................ 4
Aplicaciones de las MFC ...................................................................................................................... 5
Produccin de hidrgeno ................................................................................................................ 5
Tratamiento de aguas residuales .................................................................................................... 5
Biorremediacin .............................................................................................................................. 6
Biosensores ..................................................................................................................................... 6
Tratamiento de aguas residuales ........................................................................................................ 7
Problema ambiental ........................................................................................................................ 7
Impactos Directos ........................................................................................................................ 7
Impactos Indirectos ..................................................................................................................... 8
Microbios para limpiar el agua y obtener energa .............................................................................. 8
Qu tipo de bacterias puede generar electricidad? .......................................................................... 8
Estructura de una MFC ........................................................................................................................ 9
Mecanismos de Transferencia de Electrones ................................................................................... 10
Transferencia directa de electrones al electrodo Electrgenos ..................................................... 10
Transferencia con ayuda de mediadores externos o producidos por el mismo organismo ......... 11
Transferencia por medio de los nanocables bacterianos o pili. .................................................... 12
La celda de combustible en las plantas de tratamiento de aguas residuales ................................... 13
Conclusiones ..................................................................................................................................... 14
Figuras
Figura 1. Esquema de una planta de tratamiento de aguas residuales. ............................................. 7
Figura 2. Esquema de una celda de combustible microbiana (MFC). ................................................. 9
Figura 3. MFC ubicada antes del sedimentador primario. ................................................................ 13
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Resumen
El desafo tecnolgico ms grande para la sociedad humana es el reemplazo de combustibles fsiles con
fuentes de energa renovable y carbono neutrales. Los microorganismos son capaces de producir energa
renovable sin dao del ambiente o la interferencia con suministro de alimentos.
Las celdas microbianas de combustible, ofrecen la posibilidad de convertir eficientemente compuestos
orgnicos en electricidad. Los microorganismos que pueden oxidar totalmente compuestos orgnicos
empleando un electrodo como nico aceptor de electrones, son los que contribuyen principalmente a la
produccin de energa. Existen varios mecanismos para la transferencia de los electrones al nodo:
transferencia directa va citocromos tipo c de la membrana externa, transferencia mediante nanocables
bacterianos, y transportadores de electrones solubles.
Las investigaciones en esta rea se han centrado principalmente en el estudio de los mecanismos de la
transferencia de electrones entre los microorganismos y el electrodo, para disear mejores electrodos o en
la manipulacin gentica de microorganismos que permitan incrementar la produccin de electricidad.
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Introduccin
La creciente demanda de energa en el mundo y el uso excesivo de combustibles fsiles han
provocado serios problemas de contaminacin ambiental y el calentamiento global de la tierra.
Por lo que en la actualidad, numerosos grupos de investigacin a nivel mundial se han enfocado en
la bsqueda de fuentes alternas de energa que contribuyan de manera sustentable a mitigar
dicha demanda. Sin embargo, an no se cuenta con la infraestructura ni la tecnologa necesaria
para dejar de depender del petrleo como fuente principal de energa. Una de las consideraciones
importantes, en la bsqueda de fuentes alternativas, es la liberacin de CO2 a la atmsfera, ya que
algunas de ellas, como por ejemplo el proceso de combustin de los hidrocarburos contenidos en
el petrleo libera grandes cantidades de CO2, favoreciendo problemas como el calentamiento
global. Debido a lo anterior, se busca que las nuevas tecnologas de produccin de energa sean
carbono-neutrales, es decir que solo liberen el carbono recin fijado a la atmsfera. En los ltimos
aos se han desarrollado diversas tecnologas que se enfocan en la utilizacin de la energa
acumulada en la biomasa de desechos, para ser redirigida a otras formas de energa que la
humanidad pueda utilizar como son: la metanognesis (CH4), el biohidrgeno (H2) y la
bioelectricidad.5
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Aplicaciones de las MFC
Las MFC se encuentran en un proceso de investigacin y desarrollo. Los reactores ms grandes
que se han reportado a la fecha, tienen un volumen interno del nodo de 0.388 litros. Sin
embargo, la intensa investigacin que se ha venido realizando por diversos grupos de investigacin
a nivel mundial, ha logrado grandes avances en el desarrollo de MFC y ha encontrado usos
alternativos para esta tecnologa que ya pueden aplicarse para solucionar problemas de gran
importancia a nivel mundial6. A continuacin mencionaremos algunas de las aplicaciones
alternativas ms importantes de las MFC.
Produccin de hidrgeno Las MFCs pueden ser modificadas de manera que se utilicen para la produccin de H2, por medio
del proceso de electrlisis, esta modificacin se puede realizar mediante la remocin del oxgeno
de la cmara catdica y aadiendo un pequeo voltaje. Bajo condiciones normales de operacin,
los protones liberados por la reaccin andica migran al ctodo para combinarse con el oxgeno y
formar agua. La generacin de hidrgeno a partir de los electrones y protones producidos por el
metabolismo de microorganismos en una MFC es termodinmicamente desfavorable. Por ello la
aplicacin de un potencial externo para incrementar el potencial del ctodo en un circuito de MFC
permite superar la barrera termodinmica. As, los protones y electrones producidos por la
reaccin andica se combinan en el ctodo para formar hidrgeno (esto se logra en ausencia de
oxgeno)7.
Entre las ventajas que presenta este sistema para la produccin de hidrgeno se encuentra la
mejora en eficiencia debida a la ausencia de oxgeno en la cmara catdica y que el hidrgeno
producido puede ser acumulado y almacenado para su uso posterior.
Tratamiento de aguas residuales
El tratamiento bioelectroqumico de aguas residuales ha emergido como una tecnologa
potencialmente interesante para la produccin de energa de aguas residuales. Es basado en el
uso de microorganismos electroqumicamente activos, los cuales son capaces de transferir
electrones extracelularmente y pueden usar este mecanismo para transferir electrones a un
electrodo mientras oxidan la materia orgnica presente en las aguas residuales. Los
microorganismos funcionan como un catalizador para la oxidacin electroqumica de la materia
orgnica, y el electrodo es por lo tanto descrito como un binodo microbiano. El proceso de
tratamiento bioelectroqumico de aguas residuales puede ser modificado por una conexin
elctrica del binodo a un electrodo auxiliar (ctodo) que desempear una reaccin de
reduccin. Como resultado de esta conexin elctrica entre el nodo y el ctodo, las reacciones de
los electrodos pueden ocurrir y los electrones pueden fluir del nodo al ctodo produciendo as
una corriente elctrica.8
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Las aguas residuales provenientes de la industria, la agricultura y de las casas contienen materia
orgnica disuelta que requiere ser removida antes de ser descargada al medio ambiente.
Actualmente, existen procesos para remover los contaminantes orgnicos presentes en esta agua
de desecho, la mayora de estos procesos son tratamientos aerbicos, los cuales consumen
grandes cantidades de energa en el proceso de aeracin. Sin embargo, el tratamiento de aguas
residuales ha empezado a ser reconocido como una fuente renovable para la produccin de
electricidad lo cual podra emplearse para el mismo proceso de tratamiento de efluentes.9
Biorremediacin
Existe tambin la posibilidad de modificar una MFC para utilizarla en procesos de biorremediacin
de suelos y aguas subterrneas. Al ser modificadas las MFCs se argumenta a de que ya no son
reales ya que no producen electricidad pero el principio de operacin es similar y se usa la
tecnologa de las MFCs para cumplir estos objetivos. Las bacterias no son solo capaces de donar
electrones a un electrodo, tambin pueden aceptar electrones del mismo. Al modificar una MFC
convencional, esta no se usa para producir electricidad, en lugar de esto, se aplica una corriente al
sistema para llevar a cabo la reaccin deseada y as remover o degradar. El uso de esta tecnologa
para este fin ayuda con los problemas de contaminacin ambiental, ya que previene la movilidad
del uranio, si no tambin, se puede extraer con bicarbonato cuando se retiran los electrodos de los
lugares en los que operaron y posteriormente pueden reutilizarse dichos electrodos.10 y 11
Biosensores
Las MFCs pueden emplearse para monitorear ambientes de tres maneras diferentes como se
explica a continuacin:
a. Los sistemas distribuidos en ambientes naturales requieren energa para su operacin. Las
MFCs pueden ser usadas como dispositivos que proporcionan dicha energa,
particularmente en ros y aguas profundas marinas donde es difcil acceder de manera
continua al sistema para remplazar bateras. Celdas combustibles en sedimentos han sido
desarrolladas para monitorear sistemas ambientales como son arroyos, ros y ocanos.
b. Otra aplicacin importante en el campo de los biosensores es el monitoreo de compuestos
txicos. Las bacterias muestran una baja actividad metablica cuando son inhibidas por
compuestos txicos. Esta inhibicin causa una baja transferencia de electrones hacia el
electrodo. De esta forma, un biosensor puede ser construido, inmovilizando una bacteria
en el electrodo de una MFC y protegindola detrs de una membrana. Si un compuesto
txico se difunde a travs de la membrana, este puede ser medido por el cambio en el
potencial del sensor. Dichos sensores pueden ser de utilidad como indicadores de
sustancias txicas en ros o en la entrada de plantas de tratamiento de aguas.
c. Otra aplicacin potencial de la tecnologa de las MFCs es usarlas como un sensor para
anlisis de poblaciones y un control de procesos in situ.12
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Tratamiento de aguas residuales Consiste en una serie de procesos fsicos, qumicos y biolgicos empleados para la remocin de
contaminantes presentes en el agua de uso humano; se pretende producir agua limpia o
reutilizable en el ambiente, adems de generar un residuo slido aprovechable en el mejor de los
casos o sencillamente para su desecho.
Dicho tratamiento est conformado por una separacin fsica de slidos gruesos mediante un
sistema de mallas o rejillas. Seguidamente se emplea un sistema de desarenado, que consiste en la
separacin de slidos pequeos muy densos como la arena; posteriormente se provoca una
sedimentacin primaria en la cual se separan los slidos suspendidos en el agua, esto mediante un
proceso de floculacin sedimentacin. Como cuarto paso se da una conversin biolgica de la
materia empleando microorganismos, esta materia se acumula y es separada en lo que se conoce
como sedimentacin secundaria para finalmente desinfectar si se quisiese. Con este ltimo paso,
el efluente final ya puede ser descargado o reintroducido a un cuerpo de agua.
El siguiente esquema presenta una representacin del proceso de tratamiento:
Figura 1. Esquema de una planta de tratamiento de aguas residuales.
Problema ambiental
El tratamiento de aguas residuales es de suma importancia principalmente para mitigar dos tipos
de impactos bien definidos que se describen a continuacin:
Impactos Directos
Estos estn relacionados por transmisin de enfermedades, ya sea por consumo, recreacin o
irrigacin de alimentos. Generalmente los contaminantes que generan esto son slidos
suspendidos y disueltos, adems de desechos humanos sin tratamiento que puede acarrear
problemas de parsitos, hepatitis, enfermedades gastrointestinales, entre otros.