Heuristic Optimisation

Algunos factores, como los problemas de abastecimiento y contaminación concernientes al uso de combustibles fósiles, la posibilidad de obtener electricidad a partir de residuos y las aplicaciones de las MFCs en el campo de la medicina, han creado un

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especial interés por este tipo de celdas de combustible. Estas aplicaciones y otras se explican a continuación:

i. Generación de Electricidad

Actualmente, la mayor fuente de energía se deriva del uso de combustibles fósiles, especialmente del petróleo. Este recurso no puede ser explotado indefinidamente y está asociado a problemas medioambientales (emisión de NOx, SOx,…). Por tanto, la utilización de MFCs se muestra como una posible alternativa que representa una forma innovadora de obtención de energía, gracias a las condiciones de operación de la celda, ya que son capaces de trabajar en intervalos de temperatura entre 10 y 60 ºC. Además, cualquier compuesto biodegradable puede ser utilizado como combustible, incluidos ácidos volátiles, carbohidratos, proteínas, alcoholes e incluso materiales como la celulosa. Otro aspecto favorable es que la eficiencia de conversión puede ser superior al 70 %, ya que la energía química es transformada directamente a energía eléctrica. A pesar de ello, su rendimiento continúa siendo bajo debido a que la potencia obtenida también lo es [164] [165]. Este problema podría resolverse almacenando la energía eléctrica en dispositivos recargables y posteriormente, distribuyéndola a los usuarios finales [166]. De esta manera, se pueden utilizar en forma de condensadores en robots como los EcoBots. Así, los robots energéticamente autónomos pueden estar equipados con celdas que utilizan combustibles como el azúcar, frutas, insectos muertos, el pasto y las malezas. El robot EcoBot II únicamente obtiene su energía por medio de celdas microbiológicas para llevar a cabo comportamientos como el movimiento, la detección, la informática y la comunicación [167] [168].

Las MFC son especialmente adecuadas para la alimentación de pequeños sistemas eléctricos que requieren bajos requerimientos energéticos y cuyas aplicaciones no soliciten grandes consumos eléctricos [137]. Asimismo, se considera que las MFCs podrían alimentar a largo plazo otros pequeños dispositivos electrónicos, como MP3s o juguetes para niños. Investigadores de la Universidad de Massachusetts han logrado que varios juguetes funcionen con celdas de combustible microbiológicas. Estas celdas están acopladas a vasos de precipitados. Los vasos están rellenos de sedimentos de río cubiertos con agua, con el ánodo enterrado en el sedimento y el cátodo suspendido en el agua, ambos de grafito. Los cables unidos a los electrodos terminan en una resistencia.

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Las celdas de combustible microbiológicas pueden servir como sistemas de energía distribuida para usos locales, sobre todo en las regiones subdesarrolladas del mundo. La biomasa localmente suministrada puede ser utilizada para proporcionar energía renovable para el consumo local. Las aplicaciones de las MFCs en una nave espacial también son posibles, ya que pueden suministrar electricidad a partir de la degradación de los residuos generados a bordo [137].

Sin embargo, desde un punto de vista económico la bioelectricidad mediante MFCs está lejos de ser una alternativa viable, pues el coste del petróleo en la actualidad es relativamente bajo y existen una gran cantidad de alternativas energéticas con un grado de desarrollo tal que las hace muy competitivas a la hora de producir energía.

ii. Biosensores

Otra posible aplicación de las celdas microbiológicas es su uso como sensores para el análisis de contaminantes in situ [169] [170]. La relación proporcional entre la eficiencia culómbica alcanzada en una celda de combustible microbiológica y la concentración de materia orgánica de las aguas residuales permiten que una MFC pueda ser utilizada como sensor para la medida de la demanda biológica oxígeno (DBO) [171].

Los sensores de DBO a partir de celdas microbiológicas tienen ventaja sobre otros tipos de sensor de DBO, debido a su excelente estabilidad de funcionamiento así como buena reproducibilidad y precisión. Un sensor de DBO construido con microorganismos en una MFC, puede mantenerse durante más de cinco años sin mantenimiento adicional [166], mucho más tiempo que el tiempo de vida útil de otros tipos de sensores de DBO.

Otra aplicación importante en el campo de los biosensores es el análisis de compuestos tóxicos. Las bacterias muestran una baja actividad metabólica cuando son inhibidas por compuestos tóxicos. Esta inhibición provoca 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 protegiéndola detrás de una membrana. La toxicidad de un compuesto se medirá por el cambio en el potencial del sensor. Pueden ser de utilidad como indicadores de sustancias tóxicas en ríos o en la entrada de plantas de tratamiento de aguas [69]. Una de las investigaciones más actuales en la aplicación como biosensores es la utilización de celdas de combustible microbiológicas para experimentos de exovida, es decir, transportar una de estas celdas a algún planeta, tomar simplemente dos muestras de terreno, esterilizar una de ellas

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calentándola y comprobar ambas. Esto es debido a que la cantidad de corriente que fluye es un indicador directo de la cantidad de vida presente. Expertos de la Universidad de Buenos Aires probaron el dispositivo en un terreno que contenía vida y en el mismo terreno tras ser esterilizado, siendo las densidades de corriente y energía mucho más altas cuando el ánodo estaba incrustado en muestras de terreno con vida en comparación con el esterilizado [172].

iii. Aplicación en biomedicina

En el campo de la medicina, algunos científicos prevén que en un futuro se podría implantar celdas de combustible microbiológicas en miniatura en el cuerpo humano, alimentando el dispositivo médico con los nutrientes suministrados por el propio cuerpo [173].

Las celdas son capaces de generar electricidad con las concentraciones de glucosa y oxígeno presentes en el organismo, de forma que no necesitan nutrientes adicionales a los que de por sí se consumen con la respiración o la alimentación. El sistema de funcionamiento se basa en dos electrodos formados por nanotubos de carbono empaquetados con enzimas. Uno de los electrodos obtiene electrones desde la glucosa, mientras que el otro los agrega al oxígeno, cuando se les une mediante un circuito, se genera una corriente eléctrica que puede ser aprovechada para un sinfín de tareas dentro del organismo de pacientes con marcapasos u órganos artificiales.

Gracias a esto podrían utilizarse las celdas como dispositivos para contribuir al desarrollo médico, tales como marcapasos o medidores de glucosa en la sangre. No obstante, dicha aplicación será solamente posible si se consiguen solventar los problemas colaterales relacionados con la salud y la seguridad que implica el uso de microorganismos.

iv. Tratamiento de aguas residuales

Dadas las altas necesidades energéticas de la sociedad actual, es muy difícil conseguir vivir de la electricidad generada por microorganismos. Por otra parte, como se ha señalado anteriormente, las aguas residuales tienen un elevado contenido en materia orgánica que mediante los tratamientos de depuración de aguas residuales que normalmente se emplean, es eliminada sin aprovechar su contenido energético. Sin embargo, existen tratamientos alternativos, como las celdas de combustible microbiológicas, a partir de las cuales, no solo se consigue depurar parcial o totalmente el

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agua residual, sino que se obtiene energía eléctrica. De esta forma, el principal interés de esta tecnología se centra en aprovechar la energía química contenida en los residuos.

Los residuos sanitarios, los procedentes de residuos de alimentación, las aguas residuales porcinas y los rastrojos de maíz son fuentes de biomasa ricas en producción ecológica [116] [174]-[176]. En algunos casos se puede eliminar hasta el 80 % de la DQO [145] [176] y conseguir una eficiencia culómbica del 80 % [177].

Las aguas residuales municipales contienen una gran cantidad de compuestos orgánicos susceptible de servir como combustible de las celdas microbiológicas. Según un estudio, el agua residual de una ciudad de 150.000 habitantes podría ser usada para generar unos 2,3 MW asumiendo un 100 % de eficiencia (0,5 MW siendo más realistas) [32]. Así, la cantidad de energía generada por las MFC en un proceso de tratamiento de aguas residuales puede, potencialmente, cubrir la mitad de las necesidades energéticas de un proceso convencional de fangos activos, que consume una gran cantidad de energía eléctrica en la aireación de los fangos activos. Además, producen entre un 50-90 % menos de sólidos en suspensión [178]. De esta forma, las celdas de combustible microbiológicas podrían utilizarse en una EDAR sustituyendo al proceso convencional de fangos activos.

Las MFCs comenzaron a ser estudiadas para el tratamiento de aguas a principios de 1991 [79]. Durante los últimos años se han utilizado efluentes urbanos reales y aguas residuales sintéticas (disoluciones acuosas contaminadas con compuestos orgánicos concretos) como combustibles, para la obtención de energía de forma directa mediante MFCs [69] [80]). El tratamiento se ha desarrollado mayoritariamente en celdas con dos cámaras separadas (por membranas o por separadores porosos), aunque hay algunos casos donde se ha utilizado un único compartimento [179]. En ambos casos, uno de los objetivos del diseño del reactor es maximizar la eficacia global del proceso reduciendo la cantidad de oxígeno en las proximidades del ánodo.

La potencia generada por la celda está determinada por la cantidad de oxígeno que necesitan las bacterias para degradar toda la materia orgánica del agua residual (Demanda Química de Oxígeno, DQO). A su vez, la DQO es una medida de la proporción de materia orgánica en ese agua. Por lo tanto, al aumentar la DQO se incrementa la potencia generada en la celda.

Los microorganismos utilizados pueden provenir de cultivos puros o de cultivos mixtos como los fangos activos de estaciones depuradoras, siendo recomendable esta última opción.

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Los electrodos utilizados deben ser conductores electrónicos, biocompatibles, así como mecánica y químicamente estables en el medio de reacción (agua residual). El material más utilizado es el carbono (grafito) debido a su versatilidad, su biocompatibilidad, porosidad y la facilidad de fijación de los microorganismos sobre este tipo de soportes [179].

El uso de catalizadores químicos, tanto en los electrodos como en los electrolitos, no está muy difundido. Esto es debido a que aunque en el caso de los electrodos, se utiliza el platino para aumentar la velocidad del proceso de reducción de oxígeno, se intenta evitar su uso ya que no es necesario en el proceso electroquímico y tiene un elevado coste. En el caso de los electrolitos, pueden emplearse aceptores de electrones en el compartimento catódico, como el ferrocianuro de potasio [180]. No obstante, el oxígeno es el mejor aceptor de electrones para este tipo de sistemas, debido a su fácil disponibilidad, su bajo coste, su alto potencial de oxidación y la formación de productos inocuos como el agua [181].

No obstante, la relación coste-beneficio resultante de la aplicación de dichos sistemas frente a los sistemas convencionales de tratamiento de aguas residuales es aún muy alta debido a la necesidad de implantación de membranas selectivas al paso de protones para el cumplimiento de la doble finalidad tratamiento de aguas-obtención de energía.

v. Otras aplicaciones

Las celdas de combustible microbiológicas presentan otras muchas aplicaciones entre las que se destacan las siguientes:

• Aplicación en el campo de la biorremediación de suelos: La especie Geobacter tiene como ventaja que, además de producir electricidad, pueden ayudar a biorremediar los ambientes contaminados. Por eso, los científicos miran cada vez con más interés el potencial futuro de las bacterias electrogénicas. La labor consistiría en tratar grandes extensiones de terreno que esté dañado con material radiactivo como el uranio, el cromo y el cadmio, ya que lo utilizarían de “alimento”, y que de otro modo resultan muy difíciles de eliminar, sobre todo en el subsuelo puesto que son muy solubles y se filtran a las capas freáticas, perjudicándolos. Los estudios sugieren que la bacteria es capaz, en 50 días, de eliminar el 70 % del uranio de un acuífero subterráneo contaminado, además, los

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investigadores trabajan con ella para avanzar en el objetivo de generar electricidad útil a partir de fuentes biológicas [182].

• Una de las aplicaciones prácticas de las celdas de combustible microbiológicas son las aplicadas a sedimentos marinos. Una celda de combustible microbiológica de sedimentos (SMFC, acrónimo en inglés correspondiente con Sediment

Microbial Fuel Cell) consiste en colocar el ánodo en el sedimento anaerobio y el

cátodo en el agua, ya que contiene oxígeno disuelto. La alta salinidad del agua del mar proporciona una buena conductividad iónica entre los electrodos, y la materia orgánica que necesitan las bacterias ya se encuentran en los sedimentos. La utilidad de usar las SMFC en el fondo marino es para alimentar el dispositivo de recogida de datos o cumplir una “recarga” de la estación eléctrica, también pueden servir como fuente de luz o cargador de baterías para otras zonas [183].