Consensus Clustering (CC)

Como se ha comentado anteriormente, las celdas de combustible microbiológicas convencionales disponen de un ánodo biótico y un cátodo abiótico separados por una membrana tipo PEM. Normalmente, es necesario el uso de catalizadores en el cátodo para incrementar la velocidad de reducción. Sin embargo, el uso de catalizadores incrementa los costes y disminuye la sostenibilidad del proceso. Por ello, en los últimos años, se están llevando a cabo estudios de celdas de combustible microbiológicas en las que se utilizan biocátodos [148]-[150]. La primera referencia sobre la construcción de biocátodos data de los años 60, pero en aquel momento no se consiguió ningún proceso práctico [151].

El uso de biocátodos tiene varias ventajas. En primer lugar, los costes de construcción y operación de las celdas de combustible microbiológicas son reducidos y aumenta la sostenibilidad del proceso. Además, bajo condiciones especiales, en el caso de utilizar algas, éstas producen oxígeno mediante la fotosíntesis, por lo que no sería necesario el suministro externo de oxígeno, lo que permitirá reducir los costes. Por último, los biocátodos también pueden ser utilizados para obtener productos útiles o eliminar componentes indeseables (por ejemplo, desnitrificación) [152].

Capítulo 2

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Los biocátodos pueden clasificarse en función de si emplean oxígeno o no como aceptor final de electrones [152] [153]:

i. Biocátodos Anaerobios

En estos casos no se emplea oxígeno en el cátodo. Los aceptores finales de electrones son: nitratos, sulfatos, hierro, manganeso, seleniato, arseniato, y CO2, que son reducidos como consecuencia del metabolismo microbiológico que utilizan los electrones del cátodo [153]. Una ventaja que presenta este tipo de biocátodos con respecto a los aerobios es que se elimina la posibilidad de difusión de oxígeno al ánodo y, por lo tanto, la pérdida de electrones por la oxidación de materia orgánica con oxígeno en el ánodo [152].

Gregory y col. (2004), demostraron que un cultivo puro de Geobacter

Metalireducens fue capaz de reducir nitrato a nitrito en una semicelda de combustible

microbiológica (un único compartimento (biocátodo) conectado a un potenciostato que actúa como donador de electrones) con electrodos de grafito [154]. Lefebvre y col. (2008) utilizaron una celda de combustible microbiológica con biocátodo para la eliminación de materia orgánica en el ánodo y la desnitrificación en el cátodo. Este sistema generó 9,4 mW m-2, eliminando 65 % de DQO, 84 % de nitrógeno total y 30 % de sólidos en suspensión de un agua residual urbana [155]. En otro caso en el que se utilizó una celda de combustible microbiológica con un ánodo de sacrifico de magnesio y empleando agua marina, se observó que la potencia generada fue mayor cuando el cátodo fue colonizado por una bacteria reductora de sulfato [151].

ii. Biocátodos Aerobios

En los biocátodos aerobios se utiliza como aceptor final de electrones el oxígeno. Estos sistemas suelen disponer de mediadores en el cátodo, como Mn2+ y Fe2+, cuya función es reducirse aceptando los electrones del cátodo y posteriormente son reoxidados por las bacterias estando de nuevo disponibles para recoger los electrones del cátodo [153].

En el estudio de Rhoads y col. (2005) se empleó el ciclo de la reducción de Mn4+ y la subsecuente reoxidación de Mn2+ en el cátodo de una MFC, observándose una consistente producción de electricidad. Para ello, se empleó Leptothrix discophora en el biocátodo para la oxidación del Mn2+ [156].

Introducción

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Las celdas de combustible microbiológicas alimentadas con sedimentos marinos se han estudiado para su aplicación como fuente de energía potencial en las zonas remotas. En el cátodo de estas celdas se forma un biofilm, ya que el cátodo está expuesto a un medio acuoso que contiene microorganismos [152]. Hasvold y col. (1997) encontraron que la formación de un biofilm sobre el cátodo mejoró las tasas de reducción de oxígeno [157]. Por otra parte, Bergel y col. (2005) observaron que la densidad de potencia de una celda de este tipo disminuía de 270 a 2,8 mW m-2 cuando se eliminaba el biofilm del cátodo [158].

Otro tipo de biocátodos aerobios son aquellos en los que se utiliza un cultivo biológico, como las algas, para la producción del oxígeno necesario para llevar a cabo la reacción de reducción en el cátodo. Este sistema se explicará detalladamente a continuación.

- Celdas de combustible microbiológica con cátodo asistido por algas

Las algas son organismos autótrofos de organización sencilla, que realizan la fotosíntesis (oxigénica) produciendo oxígeno. La fotosíntesis ocurre en dos fases:

• Fase lumínica: en presencia de luz, estos organismos utilizan la energía directa de la luz para convertir el carbono inorgánico (CO2) en carbono orgánico (hidratos de carbono) que utilizan como fuente energética y para formar su tejido celular. En esta fase también se genera oxígeno que es excretado al medio como producto de desecho. El proceso se describe según la Reacción 2.9:

6CO₂ + 6H₂O + hv → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ [2.9]

• Fase oscura: En ausencia de iluminación, las algas llevan a cabo la respiración, consumiendo oxígeno y liberando CO2 al medio. Las algas respiran a lo largo de todo el día, es decir, durante la fase lumínica y durante la fase oscura. Sin embargo, durante el día la producción de oxígeno en la fotosíntesis supera su consumo en la respiración.

Además de agua, luz y CO2, estos organismos requieren nitrógeno, fósforo, magnesio y calcio, así como trazas de otros minerales (hierro, cobre, cinc, etc.) que utilizan como nutrientes. En algunos casos, pueden también requerir pequeñas cantidades de algunos compuestos orgánicos, como vitaminas, para un mejor desarrollo.

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Las algas son muy importantes en el planeta ya que producen casi la mitad del oxígeno que se encuentra en la atmósfera [159]. Son los principales productores primarios de los océanos (que cubren más del 70% de la superficie terrestre) convirtiendo la luz solar y el CO2 en biomasa y oxígeno. Por otra parte, hasta ahora las algas se han utilizado, algunas directamente como alimento, y como complementos alimenticios de animales y humanos. Otras se cultivan para la extracción de productos de uso importante en la industria y otras para la obtención de productos químicos finos con un alto valor añadido. Sin embargo, últimamente, están recibiendo mucha atención debido a su rápida velocidad de crecimiento, elevada fijación de CO2 y que no necesitan una superficie de suelo fértil para su cultivo. De esta forma, se están vislumbrado como posibles sumideros para el secuestro masivo de CO2 de la atmósfera y en la eliminación de distintos contaminantes orgánicos e inorgánicos de las aguas residuales. Sin embargo, esto aún se está desarrollando y no ha sido implementado comercialmente.

En el caso de las celdas de combustible microbiológicas, las algas se pueden utilizar en el cátodo con el fin de suministrar el oxígeno necesario para la reacción de reducción. De esta forma, se eliminaría la necesidad de suministrar oxígeno como aceptor terminal de electrones en el cátodo mediante aireación, suponiendo esto un ahorro considerable de los costes de operación.

La generación de oxígeno fotosintético puede realizarse in situ o ex situ por recirculación de la solución desde el fotobiorreactor al cátodo de la MFC fotosintética [160]. Powell y col. (2009) utilizaron la especie de algas Chlorella vulgaris en el cátodo de una MFC y añadieron un mediador [161]. Postularon el siguiente mecanismo de transferencia de electrones en este sistema: los electrones son transferidos en el medio del cátodo y reducen el mediador desde su estado de oxidación a su estado reducido. Posteriormente, el mediador penetra en la célula donde vuelve a su forma oxidada y libera los electrones para el crecimiento de la célula. Las células usan los electrones en su metabolismo, de forma que, junto con CO2 los transforman en hidratos de carbono (C6H12O6), que utilizan como fuente energética y para formar su tejido celular, y oxígeno. El mediador oxidado sale de la célula y pasa al medio donde de nuevo es reducido por los electrones cedidos por el electrodo. Así, la reacción bioquímica (Reacción 2.10) que ocurriría en el cátodo sería la siguiente [161]:

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A pesar de este postulado, no se puede descartar que el oxígeno juegue un papel muy importante, de forma que el mediador redox artificial puede haber transferido los electrones directamente desde el cátodo no catalítico hasta el oxígeno producido fotosintéticamente (sin una etapa de reacción biocatalítica).

En otro estudio, la generación de oxígeno in situ en una MFC fotosintética con un cultivo mixto indeterminado se utiliza para invertir el ánodo y el cátodo durante los ciclos de oscuridad y luz, respectivamente [162].

Por otra parte, Wang y col. (2010) diseñaron un tipo de celda de combustible microbiológica llamada celda microbiológica de captura de carbono (MCC, acrónimo en inglés correspondiente con Microbial Carbon Capture Cell). Este sistema consiste en una celda de combustible microbiológica fotosintética (con biocátodo de algas), en la que se utiliza el CO2 producido en el compartimento anódico, como consecuencia de la oxidación de la materia orgánica por parte de los microorganismos, como alimento de las algas del cátodo. En este sistema se obtuvo una densidad de potencia máxima de 5,6 W m-3 y una eficiencia de captura de carbono del 94 % [163]. El esquema de esta celda se muestra en la Figura 2.19.

Figura 2.19. Esquema de una celda de combustible microbiológica de captura de carbono.