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CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UNA CELDA
DE COMBUSTIBLE MICROBIANA CON MATERIALES DE BAJO COSTO
Rea et. al., 91–104
CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UNA
CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA
CON MATERIALES DE BAJO COSTO
CONSTRUCTION AND PERFORMANCE OF A MICROBIAL FUEL
CELL MADE WITH LOW-COST MATERIALS
Daniel Zurita
1
, Santiago Rea
1
,
Raúl Bahamonde Soria
1*
& Carlos Cevallos
1
Recibido: 01 de octubre 2020 / Aceptado: 18 de febrero 2021
DOI: 10.26807/ia.vi.193
Palabras claves: Curvas de polarización,
celdas de combustible microbianas, densidad de pPotencia
Keywords: Microbial fuel cell, polarization curves, power density
RESUMEN
Las celdas de combustible microbianas son dispositivos que permiten trans-
formar energía química almacenada en compuestos orgánicos en energía eléc-
trica, utilizando microrganismos depositados sobre un electrodo. Entre las
ventajas que posee esta tecnología se destaca la posibilidad de limpiar o tratar
matrices acuosas como aguas residuales. A continuación se reporta, como
1 Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ciencias Químicas, Ecuador, Quito (santia go
arh@hotmail.com, rabahamonde@uce.edu.ec*, dazuritas@uce.edu.ec, cacevallosm@uce.edu.ec)
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InfoANALÍTICA NÚMERO ESPECIAL
Junio 2021
prueba de concepto, la construcción de una celda de combustible microbiana
empleando materiales reciclados o de bajo costo. El consorcio de bacterias
electrogénicas utilizadas se aisló de sedimentos del embalse Amaluza, en
Cuenca, Ecuador. La celda se puso en funcionamiento utilizando aguas resi-
duales domésticas reales, obtenidas del barrio Ubilus de la parroquia Pintag
del cantón Quito, Ecuador. La celda de combustible construida generó una
densidad de potencia de 40 mW/m
2
con un porcentaje de remoción de ma-
teria orgánica cercano al 80 %. Siguiendo el concepto de economía circular,
se midió la concentración de nitrógeno, fosforo y potasio en la biomasa pro-
ducida por la celda para su posible aplicación como aditivo ecológico de fer-
tilizantes.
ABSTRACT
Microbial fuel cells are devices that convert chemical energy stored into the
bonds of organic compounds in electric energy using microorganisms. The
advantages of these devices are the capability of water treatment and cleaning.
We report, as proof of concept, the construction and performance of a micro-
bial fuel cell, employing reusable and low-cost materials. Microbial Consor-
tium was isolated from Amaluza sludge, Cuenca-Ecuador. The microbial fuel
cell was tested using domestic residual water, sampled from Ubilus's neigh-
borhood, at the canton Quito, Ecuador. A power density of ca. 40 mW/m
2
and
an 80 % of organic matter remotion were obtained with the final microbial
fuel cell. On the concept of circular economy, nitrogen, phosphorus, and po-
tassium were measured into the produced biomass, as possible applications
in agronomy.
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CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UNA CELDA
DE COMBUSTIBLE MICROBIANA CON MATERIALES DE BAJO COSTO
Rea et. al., 91–104
Las celdas de combustible microbia-
nas, MFCs, por sus siglas en inglés
Microbial Fuel Cells, son una tecno-
logía novedosa para la generación de
energía eléctrica a partir de biomasa
(Zhang et al., 2009). Estos dispositi-
vos utilizan bacterias electrogénicas
como catalizadores para oxidar ma-
teria orgánica e inorgánica disponi-
ble en un sustrato bioconvertible y
transformarla directamente en ener-
gía eléctrica. Los electrones produ-
cidos por las bacterias a partir de
estos sustratos se transfieren al áno -
do y fluyen hacia el cátodo mediante
un conductor electrónico que pre-
senta resistencia óhmica. Esto puede
lograrse cuando se cambia en la
MFC el aceptor natural de electrones
(oxígeno o nitrato) a un aceptor me-
tálico como el ánodo (Do et al.,
2018). Los electrones producidos
pueden transferirse al ánodo: por
mediadores de electrones, por trans-
ferencia directa de electrones aso-
ciada a la membrana, o por enzimas
respiratorias (citocromos) presentes
en los nanocables de las bacterias.
La cadena de transporte de los elec-
trones comienza con el NADH, una
molécula de transporte biológica,
que en la respiración anaerobia li-
bera un electrón (e
-
) y un protón (H
+
)
(Do et al., 2018). El electrón cruza
las proteínas de la membrana mito-
condrial y, a medida que este pasa
por cada proteína, se bombea H
+
a
través de la membrana. En una cé-
lula bacteriana normal, el electrón
continúa por el camino transmem-
brana para combinarse con el oxí-
geno y producir agua (Li et al., 2018;
Logan & Rabaey, 2012). En una
MFC, el electrón cruza la membrana
celular de la bacteria, donde es re-
cogido por una molécula mediadora
y llevado al ánodo. A su vez, estos
electrones producidos en el proceso
de oxidación de la materia orgánica
e inorgánica viajan del ánodo al cá-
todo, donde se combinan con proto-
nes y oxígeno del aire para producir
moléculas de agua (proceso de re-
ducción). Las MFCs deben utilizar
un separador (membranas o puente
salino) que permita el trasporte de
protones desde el compartimento
anódico hacia el cátodo y restrinja
el trasporte de oxígeno para mante-
ner las condiciones anóxicas de la
cámara anódica. A continuación, se
muestran las reacciones sobre el
INTRODUCCIÓN
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InfoANALÍTICA NÚMERO ESPECIAL
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electrodo, utilizando el ion acetato
como sustrato. Por ejemplo:
Reacción anódica:
CH
3
COO
−
+ 2H
2
O→CO
2
+ 7H
+
+ 8e
−
Reacción catódica:
O
2
+ 4e
−
+ 4H
+
→2H
2
O
Se ha reportado, que los géneros
más comunes de bacterias electrogé-
nicas utilizadas en MFCs son: Geo-
bacter spp y Shewanella spp (Choi,
2015). Sin embargo, otros reportes
han mostrado que, las MFCs opera-
das con cultivos mixtos alcanzan
densidades de potencia sustancial-
mente mayores en comparación con
cultivos puros (Li et al., 2018; Logan
& Rabaey, 2012)., De esta forma, el
ánodo es recubierto de una biopelí-
cula bacteriana. (Sivasankar et al.,
2018). Tanto el ánodo como el cá-
todo pueden estar constituidos de
materiales como: grafito, fieltro de
grafito, papel de carbón, tela de car-
bón, platino (Pt), negro de Pt, carbón
vítreo reticulado entre otros (Her-
nandez-Fernandez et al., 2015).
La economía circular es un sistema
que busca el continuo uso de recur-
sos eliminando desechos (Geissdoer-
fer et al., 2017). La tecnología de
MFCs es un ejemplo claro de econo-
mía circular dado que, al producir
energía eléctrica, se está eliminando
materia orgánica de matrices acuo-
sas, por ejemplo, aguas residuales
domésticas (Aelterman et al., 2006).
La MFC que se presenta en este tra-
bajo se construyó como prueba de
concepto, con materiales de bajo
costo, utilizando electrodos de car-
bono reciclados a partir de pilas co-
merciales, e inóculos bacterianos
obtenidos de sedimentos naturales.
Es importante señalar que la celda
desarrollada puede usarse con fines
educativos en el tratamiento de
mues tras reales de aguas residuales
domésticas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Todos los reactivos empleados se ad-
quirieron de Fisher Chemical Sup-
plies.
Pilas usadas (tamaño DD marca Eve-
ready®), medio de cultivo BHI
(Difco TM & BBL, USA), agar, clo-
ruro de potasio, ácido nítrico 65 %,
ácido sulfúrico 98 %, tinta conduc-
tora (Bare Conductive®), resina epó-
xica (Loctite
®
Epoxi-Mil) voltímetro
Digital Multímeter DT832 (1,0 Mde
impedancia), conjunto de resisten-
cias con valor nominal entre 100 y
1,0 MW, bomba de pecera (JAD-
SC7500), alambre de níquel-titanio
(Ni-Ti, Azdent, China), espectrofotó-
metro marca DR1900 (Hach
®
Com-
pany, Loveland, CO).
Preparación del inóculo
El consorcio bacteriano se aisló de
los sedimentos del embalse Amaluza
de la represa Daniel Palacios, Can-
tón Paute, Cuenca, Ecuador (Bas-
sante, 2018). Se recolectaron sedi-
mentos, 68 m debajo de la superficie
del agua y 40 m por debajo de la su-
perficie del sedimento. Las pruebas
bioquímicas cualitativas realizadas
fueron: Simmons Citrato (+), Oxi-
dasa (-), Catalasa (+), Tinción de
Gram (-), Tinción de cápsula (-), Tin-
ción de esporas (-), Reducción de
hierro (+), Urea (-), LIA: Desamina-
ción de lisina (-), descarboxilación
de lisina (+), SIM: movilidad en agar
(-), H
2
S (-), Indol (-), TSI: H
2
S (-), A/A,
sugieren presencia positiva del gé-
nero Geobacter spp.
Preparación de los electrodos
Se extrajeron las barras de carbón de
pilas comerciales usadas, puesto que
son de fácil acceso. A continuación,
se sometieron a un proceso térmico
y posterior tratamiento químico que
permite disolver metales (Rea,
2017). Las barras de carbón se ca-
lentaron en un mechero bunsen por
5 min, después de enfriarse, estas se
sumergieron en ácido nítrico al 5 %
por 24 horas. A continuación fueron
lavadas por triplicado con abun-
dante agua desionizada, posterior-
mente, se incorporó en la estructura
de la barra un contacto eléctrico de
alambre de Ni-Ti. La junta carbón-
alambre se reforzó con tinta conduc-
tora y finalmente se cubrió con
resina epóxica. Para la formación de
la biopelícula sobre los ánodos, los
electrodos de carbono limpios se su-
mergieron en un medio de cultivo
del consorcio de bacterias aislado en
BHI, durante 5 días.
Construcción de la celda
Se construyó una celda con dos ma-
traces Erlenmeyer de 50 mL unidos
mediante un puente salino de 10 cm
de largo, rellenos con una mezcla
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acuosa de agar al 2 % con KCl 1,0
M. Los matraces se cerraron con
tampones horadados de goma, co -
mo se esquematiza en la Figura 1.
Figura 1. Esquema de la celda
de combustible microbiana, MFC.
Este diseño pretende ser lo más sim-
ple y familiar para estudiantes de
química en los primeros años de
universidad, así como para estudian-
tes de último año de bachillerato. De
esta forma, se evitó el uso de mem-
branas de intercambio protónico
para resaltar la capacidad de cons-
truir una celda “homemade” para
tratar aguas residuales reales. Se em-
plearon las barras de carbón previa-
mente tratadas como electrodos, con
áreas geométricas de 0,94 cm
2
para
el ánodo y cátodo, tradicionalmente
se usan cátodos con platino. Sin em-
bargo, en esta prueba de concepto
se procuró abaratar todos los costos
para enfocarse netamente en el de-
sempeño del consorcio bacteriano
aislado. La cámara catódica se ali-
mentó con aire usando la bomba de
pecera a un flujo de 40 mL/s.
Operación y desempeño
Las MFC, se evaluaron usando aguas
residuales domésticas tomadas del
colector de desfogue del barrio Ubi-
lus, Parroquia Pintag, Cantón Quito,
de la Provincia de Pichincha, Ecua-
dor. La demanda química de oxí-
geno (DQO) inicial de todas las
aguas residuales usadas fue 788
mg/L. Se midió el desempeño de las
celdas determinando el potencial de
la celda a diferentes tiempos, calcu-
lando corriente y densidad de poten-
cia según las siguientes ecuaciones
(Logan, 2007).
La corriente (I) se calculó para una
resistencia dada (R) a partir de la
tensión (V) utilizando la ley de Ohm,
I = V/R (considerando el valor real de
la resistencia externa aplicada en el
circuito). A partir de estos datos, las
curvas de densidad de corriente y po-
tencia se normalizaron a la superficie
geométrica del ánodo (A) (0,94 cm
2
)
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InfoANALÍTICA NÚMERO ESPECIAL
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DE COMBUSTIBLE MICROBIANA CON MATERIALES DE BAJO COSTO
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y se calcularon como I (mA m
-2
) =
V/(R × A) y P (mW-m
-2
) = (I2 × R)/A.
La eficiencia coulómbica fue deter-
minada a partir de la ecuación
CE= (8∫Idt)/(ΔDQO F v b).
Donde v es el volumen total del
compartimento anódico (50 mL), F
es la constante de Faraday (96485 C-
mol
-1
electrón) y b es el número de
electrones intercambiados por 1 mol
de O
2
, para este estudio b = 4. Adi-
cionalmente se midió el valor de,
DQO, del agua tratada utilizando el
método colorimétrico (“5220 CHE-
MICAL OXYGEN DEMAND (COD)
(2017),” 2018) y el contenido de ni-
trógeno, (“4500-N NITROGEN
(2017),” 2018) ), fósforo (“4500-P
PHOSPHORUS (2017),” 2018)) y
potasio (“3111 METALS BY FLAME
ATOMIC ABSORPTION SPECTRO-
METRY (2017),” 2018) ) de la bio-
masa generada.
El porcentaje de remoción se calcula
como la relación porcentual de DQO
a lo largo del tiempo:
Remoción (%) = 100(DQO)
t
/(DQO)
inicial
RESULTADOS
Operación y desempeño
En la Figura 2 se presenta el compor-
tamiento, a lo largo del tiempo, de
la diferencia de potencial de circuito
abierto (OCP por sus siglas en inglés
Open Circuit Potential) (rombos
rojos) y el porcentaje de remoción
(triángulos azules).
Figura 2. Potencial de celda, remoción
de DQO porcentual en función
del tiempo de operación de la MFC
98
InfoANALÍTICA NÚMERO ESPECIAL
Junio 2021
En la Figura 3 se presentan las curvas
de polarización (triángulos rojos) y
de potencia (rombos azules) que
describen el desempeño de la MFC,
calculadas como se describe en la
sección experimental.
Figura 3. Curvas de desempeño de la
celda de combustible microbiana
DISCUSIÓN
Construcción de la celda
Las celdas se construyeron con ma-
teriales de fácil acceso, con un costo
total de alrededor de 10,0 USD por
cada celda. Al ser una prueba de
concepto no se estudiaron paráme-
tros como vida útil, diseño u optimi-
zación. Inicialmente se debe invertir
en la adquisición de materiales
como la bomba de aire y los reacti-
vos descritos en la sección experi-
mental, necesarios para aislar las
bacterias electrogénicas, pero esta
inversión se realiza una sola vez,
con la ventaja de poder reutilizar el
material de vidrio y los electrodos.
El consorcio de bacterias se aisló de
sedimentos recolectados a una pro-
fundidad total de 108 m, donde la
cantidad de oxígeno disuelto es
menor a 31,3 mM (1,0 mg/L). Estas
condiciones anóxicas permiten el
desarrollo de bacterias con respira-
ción anaerobia, donde la acetil-CoA
funciona como aceptor de electro-
nes para luego ser procesado por el
ciclo del ácido cítrico y generar ATP
(Stryer, 1995). Es importante señalar
que el proceso de aislamiento se re-
aliza una sola vez, permitiendo al-
macenar un consorcio bacteriano
desactivado, el cual puede activarse
y emplearse en futuros ensayos e in-
vestigaciones.
Operación y desempeño
Las mediciones de potencial de
celda se realizaron con un multíme-
tro de alta impedancia cada 24
horas de forma simultánea al valor
de DQO. El OCP, a corriente cero,
en la primera hora fue de 488 mV.
Este potencial decrece durante las
primeras 24 horas a un valor de al-
rededor de 230 mV, después de este
tiempo se mantiene relativamente
estable durante las siguientes 72
horas (Figura 2). Este comporta-
miento puede atribuirse al incre-
mento en la resistencia interna de la
celda debida al flujo de electrones a
través de los electrodos, la conexión
entre electrodos, el equipo de me-
dida y el crecimiento de biopelícu-
las sobre los electrodos (Logan et al.,
2006). El porcentaje de remoción se
calculó midiendo el valor de DQO.
A tiempo cero las aguas residuales
tenían un valor de 788 mg/L, a las 96
horas el valor disminuye a 172,2
mg/L que corresponde a un porcen-
taje de remoción de materia orgá-
nica de 7,0 %, valor cercano al
obtenido en estudios previos en con-
diciones similares (Buitrón & Cer-
vantes-Astorga, 2013).
La Figura 3 muestra la curva de po-
larización en la MFC a las 24 horas,
donde se observa un valor de 425
mV para el OCP. La curva tiene un
comportamiento típico observado en
las MFC (Logan et al., 2006): en la
primera sección, desde 0,00 hasta
0,15 A/m
2
, el potencial disminuye
rápidamente, debido a los procesos
de activación, donde se consume
energía que es utilizada en la pola-
rización de la interfase consorcio
bacteriano-electrodo para iniciar la
transferencia de electrones extrace-
lulares al ánodo (Li et al., 2018; Ra-
baey & Verstraete, 2005). A conti-
nuación, desde 0,15 hasta 0,25 A/m
2
el voltaje decae lentamente, en esta
zona las pérdidas óhmicas predomi-
nan, como consecuencia del creci-
miento bacteriano y aumento de la
resistencia. En la sección final, desde
0,25 hasta alrededor de 0,30 A/m
2
,
se observan perdidas atribuidas al
transporte de materia (Logan et al.,
2006). Por ejemplo, falta de disponi-
bilidad de aceptores de electrones,
o limitación en el transporte de pro-
tones u oxígeno hacia el cátodo. La
eficiencia coulómbica calculada a
partir del potencial de celda máximo
a las 24 horas de funcionamiento y
a condiciones de alta impedancia es
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8,43 %, un valor intermedio com-
parado con estudios previos donde
utilizan Geobacter spp, mebranas de
Nafion® y electrodos comerciales
(Choi, 2015).
La celda construida en esta investi-
gación produce un valor de densi-
dad de potencia máximo de 39,93
mW/m
2
, (Figura 3). Este valor es des-
tacable comparado con los valores
reportados en la bibliografía, para
MFCs construidas con materiales de
bajo costo, (ver la Tabla 1). Sacco y
colaboradores, reportan un MFC con
una densidad de potencia de 19,6
mW/m
2
, usando electrodos comer-
ciales de grafito y el ion acetato
como fuente externa de carbono, los
inóculos fueron obtenidos de lodos
del Río de la Plata, en Sudamérica.
Un valor de 24,32 mW/m
2
fue pre-
sentado con una MFC construida
usando como cámaras anódicas va-
sijas de barro y cátodos de grafito
(Behera & Ghangrekar 2011). Estas
últimas celdas funcionan en lotes
“batch” con aguas sintéticas, usando
sacarosa como fuente de carbono.
Para tener un panorama general, se
presenta los resultados del grupo de
Logan (Wei et al., 2012), quienes re-
portan una densidad de potencia de
1225 mW/m
2
con MFCs ensambla-
das con cátodos aéreos construidos
con carbón activado y aglutinante
de politetrafluoroetileno (PTFE). El
desempeño de la celda desarrollada
en este trabajo se puede atribuir al
consorcio bacteriano usado, puesto
que no se trabajó con diseño y opti-
mización de variables externas de la
celda.
Siguiendo el concepto de economía
circular, se buscó darle un uso a la
biomasa generada por el tratamiento
de las aguas residuales domésticas.
Se pensó utilizar la biomasa como
abono, por ello se determinaron las
concentraciones de nitrógeno, fós-
foro y potasio, reportándose como
porcentajes de NPK en un abono
agrícola, (los valores se detallan en
la Tabla 2). Las concentraciones de
los elementos de interés en la bio-
masa son moderadas para usarse di-
rectamente como abono agrícola.
Estos hallazgos abren el camino a
nuevas investigaciones relativas al
desarrollo de aditivos para abonos
basados en biomasa generada por
MFCs.
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Se construyeron celdas de combus-
tible microbianas, como prueba de
concepto, para el tratamiento de
aguas residuales domesticas reales.
Se utilizaron materiales de fácil ac-
ceso, de bajo costo como matraces
de vidrio, tapones de goma horada-
dos y como electrodos barras de car-
bono recicladas de pilas comerciales
marca Eveready
®
. Estas celdas gene-
T
abla 1. Desempeño de varias celdas
de combustible microbianas
Densidad
de potencia
Electrodos Microrganismo Referencia
(mW/m
2
)
1255 Carbón activado
sobre malla No reportado (Wei et al.,
metálica 2012)
19,60 Grafito Geobacter spp. (Sacco et al.,
comercial Bacillus spp. 2012)
24,32 Barras de Consorcio
grafito Bacteriano
comercial aislado de (Behera &
Lodos anóxicos Ghangrekar,
del RÍo de 2011)
la Plata
39,93 Barras de Consorcio
grafito Bacteriano
reciclado aislado del Este trabajo
embalse Amaluza,
Geobacter spp (+)
Tabla 2. Cantidad de macroelementos
determinados en la biomasa de la MFC
Nutriente Porcentaje en masa
N 0,04
P
2
O
5
3,30
K
2
O 0,85
CONCLUSIÓN
102
InfoANALÍTICA NÚMERO ESPECIAL
Junio 2021
raron una densidad de potencia de
40 mW/m
2
y un porcentaje de remo-
ción de materia orgánica de cercano
al 80 %. El costo promedio de la
celda fue de 10,0 USD. Los resulta-
dos obtenidos en esta prueba de
concepto son exitosos en compara-
ción a los encontrados en la biblio-
grafía, considerando que se usaron
electrodos reciclados, un diseño de
celda simple y un puente salino
como separador. El buen desempeño
de las celdas se puede atribuir al
consorcio bacteriano utilizado, por
lo que se sugiere profundizar los es-
tudios del mismo.
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