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CELDAS COMBUSTIBLE MICROBIANAS

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by

Julieta Sandia

on 4 November 2013

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Transcript of CELDAS COMBUSTIBLE MICROBIANAS

CELDAS COMBUSTIBLE MICROBIANAS
INTRODUCCIÓN
}
Degradación de la
materia orgánica
Energía
1950
1973
2013
1980
1910
19839
Desarrollo de las celdas de combustible microbianas como posible sistema de gestión de residuos orgánicos en lanzamientos espaciales.
Primer prototipo de celda de combustible microbiana similar a las configuraciones actuales
M.J. Allen y H.P. empiezan a concebir los sistemas MFC como una opción complementaria para la generación de electricidad.
Se demostró que es posible depurar el agua residual y extraer simultáneamente energía de la materia orgánica contaminante en ella.
Primeras celdas de combustible desarrolladas por
Sir William Grove y luego por L. Mond y C. Langer.
Utilizacion de micobios para producir electricidad por M. C. Potter y perfeccionado por Barnet Cohen.
HISTORIA
FUNCIONAMIENTO

Las MFS son dispositivos que permiten la producción de electricidad gracias a la oxidación de materia orgánica, misma que es catalizada por microorganismos. Una MFS consta de un ánodo y un cátodo interconectados entre sí, y una membrana selectiva que separa los electrodos y sus respectivos electrolitos. Los microorganismos que forman una biopelícula sobre el ánodo, transfieren los electrones de las reacciones metabólicas hacia el electrodo, que al circular por un circuito externo hacia el cátodo generan la corriente eléctrica.

APLICACIONES
Tratamiento de aguas residuales
Producción de hidrógeno
Bioremediación
Biosensores
Robots
Sedimentos acuáticos
Ventajas y desventajas
Se encuentra en proceso de desarrollo
Evita la generación de metano
Disminuye el consumo de combustibles fósiles y la generación de gases de efecto invernadero
Opera a temperatura ambiente, incluyendo en climas fríos
Aplicación potencial en lugares alejados con ausencia de infraestructura eléctrica.
Polémica sobre su viabilidad económica
Tipos celdas combustible biológicas
Celdas combustible microbianas
Celdas de combustible enzimáticas
Celdas combustible biológicas
no compartimentalizadas
Utilizan microorganismos
SEPARADAS PARA PRODUCIR HIDRÓGENO
Glucose + 2NAD+ Multienzyme
Embden–Meyerhof pathway

2 Pyruvate + 2NADH.
Pyruvate + Ferredoxinox
Pyruvate–ferredoxin
Oxidoreductase

Acetyl-CoA + CO2 + Ferredoxinred.
NADH + Ferredoxinox
NADH–Ferredoxin
Oxidoreductase

NAD+ + Ferredoxinred.
Ferredoxinred + 2H+ + 2e– Hydrogenase Ferredoxinox + H2.
H2 2H+ + 2e– (at anode).
VOLTAJE: 0.95
CORRIENTE: 40mA/cm2

EN EL COMPARTIMIENTO ANÓDICO DE LA CELDA SUPLEMENTADAS CON HIDRÓGENO
PARA GLUCOSA:

Pyruvate
Pyruvate–formate lyaseFormate.
HCOO– CO2 + H+ + 2e– (to anode). (10)
H2 2H+ + 2e– (at anode).

PARA LACTATO:
Lactate + SO4
2– + 8H+ Bacteria
S2– + 4H2O + Pyruvate.
S2– + 4H2O SO4
2– + 8 H+ + 8e– (to anode).
2S2– + 3H2O S2O3
2– + 6H+ + 8e– (to anode).

CORRIENTE: 1.5 mA/cm2

SIN SUPLEMENTO, CON MEDIADORES
REQUERIMIENTOS DEL MEDIADOR:
1-en el estado oxidado debe atravezar la pared bacteriana
2-el potencial redox del mediador debe coincidir con el del
metabolito reducido.
3-el mediador no debe interferir con otros procesos metabólicos.
4-en el estado reducido debe poder salir de la celula bacteriana.
5-ambos estados del mediador deben ser estables en la solución, solubles en la misma y no ser adsorbidos.
6-su cinética debe ser rápida.

SIN MEDIADOR NI SUPLEMENTO
BACTERIAS REDUCTORAS DE Fe(III) CON
CITOCROMOS EN LA MEMBRANA EXTERNA:

C6H12O6 + 6H2O + 24Fe(III)
6CO2 + 24Fe(II) + 24H+ + 24e–.
VENTAJAS:
1-recarga rápida
2-ciclo de vida razonable
3-baja perdida de capacidad en lugares abiertos y almacenaje prolongado
4-crecimento bacteriano mantenido por la energía del proceso mismo.

Utiliza enzimas
REQUIERE MEDIADORES SALVO LAS HEMOPROTEÍNAS.
ENZIMAS Y COFACTORES: NAD+/NADP+/FAD/ALCOHOL DESHIDROGENASA/LACTATO DESHIDROGENASA/DESHIDROGENASA DEPENDIENTE DE NAD+/OTROS.
ÁNODOS BASADOS EN :

BIOELECTROCATÁLISIS DE NADH:
UTILIZA PIRROLOQUINOLINAQUINONA (PQQ)

NADH + PQQ + H+ NAD+ + PQQH2.
PQQH2 PQQ + 2H+ + 2e– (to anode).

VOLTAJE: 0.8
DENSIDAD DE CORRIENTE: 0.68 mW/cm2

BIOELECTROCATÁLISIS DE FAD:
TAMBIÉN UTILIZA PQQ.

FAD + Glucose + 2H+ + 2e– FADH2
+ Gluconic acid.

FADH2 + PQQ FAD + PQQH2.
PQQH2 PQQ + 2H+ + 2e– (to anode).

[Heme–Fe(III)] + e– [Heme–Fe(II)]. (21)
[Heme–Fe(III)] + H2O2
[Heme–Fe(IV) = 0]•+ + H2O. (22)
[Heme–Fe(IV) = 0]•++ e– (from cathode) + H+ 
[Hemme–Fe(IV)–OH]. (23)
[Heme–Fe(IV)–OH] + H+ + e– (from cathode) 
[Heme–Fe(III)] + H2O.

Resultados experimentos
Con una resistencia menor se registra una mayor corriente
Los consorcios microbianos generan mayor densidad de potencia que los cultivos puros
Utilizando acetato se obtuvieron eficiencias de 65%. Con glucosa, las EC fueron de 89%. Con aguas residuales las EC fueron de 12%, y empleando lactato y ferrocianuro de potasio la eficiencia fue de 2,4%
Las mayores densidades de potencia ocurrieron en valores de pH entre 5,5 y 6,0
La producción de voltaje en la MFC sigue una cinética de saturación
Los ánodos de grafito recubiertos con una capa de nanopartículas de oro, puede ayudar a producir 20 veces más cantidad de electricidad que los ánodos de grafito, sin el revestimiento
CÓMO ELABORAR UNA CELDA CASERA
Materiales:
Dos botellas plásticas desechables de 600 ml con las tapas.
2. Dos latas de cerveza.
3. Un frasco de suero fisiológico.
4. Agar- Agar (material usado en repostería o panadería) mínimo 3 gramos. (se usan 3
gramos por litro de agua).
5. Cable de cobre o alambre de cobre 3 mts.
6. Una bascula para pesar de 100 gramos en adelante.
7. Una gramera (bascula para pesar pocos gramos).
8. Tijeras.
9. Bisturí.
10. Metro o regla.
11. Silicona liquida.
12. Tubo de pvc, (10 cms) con los dos codos (usado en construcción para conexiones
eléctricas).
13. Lija.
14. Un motor para acuario.

CONCLUSIÓN
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