Towards the development of highly efficient microbial fuel cells

Resumen

El uso de microorganismos como catalizadores en dispositivos electroquímicos ha despertado un gran interés en los últimos años, debido a la gran variedad de sustratos (combustibles) que los microorganismos pueden metabolizar, y, como consecuencia, convertir en energía. Esta habilidad microbiana ha dado origen al concepto de Celdas de Combustible Microbiológicas (CCMs). En este contexto, los microorganismos que se utilizan como biocatalizadores en CCMs reciben el nombre de microorganismos exoelectrogénicos o bioelectrogénicos, porque son capaces de producir electricidad, transfiriendo parte de los electrones generados en sus propios procesos metabólicos a materiales conductores de la electricidad (electrodos). Generalmente, una celda de combustible microbiológica está formada por dos compartimentos o cámaras: el compartimento anódico, que contiene al electrodo anódico, y el compartimento catódico, que contiene al electrodo catódico. Estos dos compartimentos se encuentran separados por una membrana semipermeable situada entre los electrodos. Los microorganismos oxidan el sustrato en la cámara anódica y generan protones, electrones y otros productos metabólicos, generalmente CO2. Los electrones son transferidos al ánodo y pasan por un circuito eléctrico externo hasta llegar al cátodo, mientras que los protones se transfieren al cátodo a través del electrolito soporte, atravesando la membrana. Una vez que ambas especies han llegado al cátodo, éstas se combinan con las moléculas de oxígeno para llevar a cabo la reducción del oxígeno a agua. El número de publicaciones relacionadas con celdas de combustible microbiológicas ha aumentado exponencialmente desde principios de este siglo XXI. Esto es consecuencia de la búsqueda de nuevas fuentes energéticas, causada a su vez por una mayor preocupación debido al agotamiento de los combustibles fósiles, la creciente demanda energética, el progresivo incremento de los niveles de contaminación y, posiblemente, por la elevada dependencia de factores climáticos que tienen asociadas las energías verdes. Sin embargo, a pesar del gran número de publicaciones, y de los consecuentes esfuerzos científicos, la potencia energética generada por las celdas de combustible microbiológicas apenas ha aumentado en este período. Este hecho ha provocado la paralización de esta tecnología, que se ha acentuado aún más por los problemas encontrados en la etapa de escalado. En un principio, se pensaba que la cantidad de potencia generada por una celda debería tener una relación casi directa con el tamaño de la misma. Por tanto, para un mismo voltaje, la corriente que circula por el electrodo limitante (generalmente el ánodo) debería ser directamente proporcional a la superficie electródica. Como consecuencia, al aumentar la superficie electródica debería aumentar la potencia generada por la celda en la misma proporción. Sin embargo, muchos estudios están demostrando que el aumento de la superficie electródica en una celda de combustible microbiana disminuye el rendimiento de la celda, debido al aumento de la resistencia interna, a los efectos de borde y a la influencia de la concentración de microorganismos. De este modo, los resultados encontrados en la bibliografía indican que al disminuir el tamaño de la celda, se reduce la distancia entre electrodos, se incrementa la relación superficie-volumen y se disminuye la resistencia interna, lo que favorece múltiples procesos interrelacionados, tales como la difusión del sustrato y de los nutrientes en la cámara anódica, el transporte de los protones del ánodo al cátodo y la transferencia de electrones al ánodo. Todo ello se traduce en una recuperación más eficiente de la energía con celdas de menor tamaño. Por lo tanto, parece que la única alternativa viable de escalado consiste en apilar celdas de pequeño tamaño, ya que en este caso la eficiencia de cada celda no se vería tan alterada como en el caso de aumentar el tamaño del electrodo en una celda y, como consecuencia, se aumentaría la generación de electricidad por parte de estos dispositivos. Esto supone un cambio radical en el concepto de escalado. En este contexto, y teniendo en cuenta la experiencia del grupo de investigación E3L-TEQUIMA, en cuyo marco se ha desarrollado esta tesis y que se inició en el campo de las celdas de combustible microbiológicas en 2006, el principal objetivo de esta tesis doctoral ha consistido en crear una tecnología energética con visos de viabilidad, basada en la construcción de pilas (stacks) de celdas de combustible microbiológicas autorrespirantes, o de cátodo abierto al aire (air-breathing), que sean altamente eficientes. Para alcanzar el objetivo general de esta tesis doctoral, se diseñó y se construyó un prototipo de mini-celda de combustible microbiológica autorrespirante. Por un lado, con la miniaturización se esperaba contribuir a aumentar la eficiencia de la celda ya que, desde el punto de vista eléctrico, se evitan pérdidas óhmicas innecesarias y, desde el punto de vista hidraúlico, la existencia de volúmenes muertos. Por otro lado, el concepto de autorrespiración (cátodo abierto al aire) simplifica la construcción, operación, manipulación, emplazamiento y reduce considerablemente el coste de operación. A partir de este diseño inicial, se llevó a cabo la optimización del concepto de mini-celda de combustible microbiológica autorrespirante, mejorando el funcionamiento de sus componentes. Finalmente, se replicó el sistema que mejores resultados aportó y las celdas replicadas se dispusieron en pilas, que a su vez se agruparon en módulos, con el objetivo último de aumentar considerablemente la producción de electricidad y desarrollar una aplicación real demostrativa de esta tecnología mediante el encendido de 220 LEDs. Como consecuencia, con esta tesis doctoral, no solo se ha conseguido avanzar notablemente en el desarrollo tecnológico de las celdas de combustible microbianas autorrespirantes, sino que se ha demostrado que es posible la implementación de esta tecnología a nuestra vida cotidiana con el desarrollo de una aplicación demostrativa.