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.