DOI: 10.26820/recimundo/4.(4).octubre.2020.161-173
URL: http://recimundo.com/index.php/es/article/view/884
EDITORIAL: Saberes del Conocimiento
REVISTA: RECIMUNDO
ISSN: 2588-073X
TIPO DE INVESTIGACIÓN: Artículo de Revisión
CÓDIGO UNESCO: 3303 Ingeniería y Tecnología Químicas
PAGINAS: 161-173
Microorganismos como fuente de energía alternativa
Microorganisms as a source of alternative energy
Microorganismos como fonte alternativa de energia
Sany Soa Robledo Gáleas
1
; Stalin Fabián Martínez Mora
2
; Nelly Cecilia Navarrete Freire
3
;
María Fernanda Vélez León
4
RECIBIDO: 10/07/2020 ACEPTADO: 26/08/2020 PUBLICADO: 30/10/2020
1. Diploma Superior en Gestión de Desarrollo de los servicios de Salud; Magister en Gerencia de Servicios de Salud; Licen-
ciada en Laboratorio Clínico; Tecnólogo Médico en Laboratorio Clínico; Universidad Técnica de Babahoyo; Babahoyo,
Ecuador; srobledo@utb.edu.ec; https://orcid.org/0000-0002-0102-2557
2. Magister en Microbiología Mención Biomédica; Químico y Farmacéutico; Docente en la Universidad Técnica de Babahoyo;
Babahoyo, Ecuador; smartinez@utb@edu.ec; https://orcid.org/0000-0002-8547-5288
3. Magister en Microbiología Mención Biomédica, Química y Farmacéutico; Universidad Técnica de Babahoyo; Babahoyo,
Ecuador; nenafrei19@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-6142-841X
4. Magister en Microbiología Avanzada; Mención industrial; Química Farmacéutica; Universidad de Guayaquil; Guayaquil,
Ecuador; maria.velezle@ug.edu.ec; https://orcid.org/0000-0002-4184-3413
CORRESPONDENCIA
Diego Rafael Mosquera Hallo
dyego.mh@hotmail.com
Quito, Ecuador
© RECIMUNDO; Editorial Saberes del Conocimiento, 2020
RESUMEN
Las fuentes de energía alternativas ampliamente conocidas son, en general, las fuentes de energía renovables como
las células solares, las pilas de combustible y la energía eólica. En este momento, varios tipos de pilas de combustible
basadas en hidrógeno y metanol funcionan de forma adecuada y ya existen aplicaciones para, por ejemplo, ordenadores
portátiles. Sin embargo, cabe preguntarse si esta generación de energía es realmente sostenible. Además, es posible
que al cliente no le guste transportar gas hidrógeno (incluso capturado dentro de una matriz de hidruro metálico) o me-
tanol. Pero las pilas de combustible microbianas pueden funcionar en una gran variedad de sustratos que están fácil-
mente disponibles, incluso en cualquier supermercado. Los sustratos como el azúcar natural y el almidón son fáciles de
almacenar, contienen más energía que cualquier otro tipo de alimento por unidad de volumen y son fáciles de dosificar,
además, tienen una imagen más "ecológica" que, por ejemplo, el metanol. Adicionalmente, se pueden desarrollar celda
de combustible microbiana (CCM) que sean respetuosos con el medio ambiente en términos de composición del material.
Cuando los microorganismos funcionan como biocatalizadores que motivan la degradación de materiales orgánicos para
producir electrones, que viajan a través de un circuito eléctrico, la celda de combustible se denomina celda de combus-
tible microbiana. Este artículo cubre una introducción a los CCM, el estado actual de los CCM y las amplias aplicaciones
de la tecnología CCM.
Palabras clave: Celdas de combustible microbianas, Celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero,
Sustratos, Tratamiento de aguas residuales.
ABSTRACT
The widely known alternative energy sources are, in general, renewable energy sources such as solar cells, fuel cells and
wind energy. At this time, various types of hydrogen and methanol based fuel cells are working well and there are already
applications for, for example, notebook computers. However, one wonders if this power generation is really sustainable.
Also, the customer may not like to transport hydrogen gas (even captured within a metal hydride matrix) or methanol. But
microbial fuel cells can work on a wide variety of substrates that are readily available, even in any supermarket. Substrates
such as natural sugar and starch are easy to store, contain more energy than any other type of food per unit of volume
and are easy to dose, in addition, they have a more "ecological" image than, for example, methanol. Additionally, microbial
fuel cell (CCM) can be developed that are environmentally friendly in terms of material composition. When microorganisms
function as biocatalysts that motivate the degradation of organic materials to produce electrons, which travel through an
electrical circuit, the fuel cell is called a microbial fuel cell. This article covers an introduction to CCMs, the current state of
CCMs, and the broad applications of CCM technology.
Keywords: Microbial Fuel Cells, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, Substrates, Wastewater Treatment.
RESUMO
As fontes alternativas de energia mais conhecidas são, em geral, fontes renováveis de energia como células solares,
células a combustível e energia eólica. Atualmente, vários tipos de células a combustível à base de hidrogênio e metanol
estão funcionando bem e já existem aplicações para, por exemplo, notebooks. Porém, questiona-se se essa geração de
energia é realmente sustentável. Além disso, o cliente pode não gostar de transportar gás hidrogênio (mesmo capturado
em uma matriz de hidreto de metal) ou metanol. Mas as células a combustível microbianas podem funcionar em uma
ampla variedade de substratos que estão prontamente disponíveis, mesmo em qualquer supermercado. Substratos como
açúcar natural e amido são fáceis de armazenar, contêm mais energia do que qualquer outro tipo de alimento por unidade
de volume e são fáceis de dosar, além de terem uma imagem mais "ecológica" do que, por exemplo, o metanol. Além
disso, podem ser desenvolvidas células a combustível microbiana (CCM) que são ambientalmente amigáveis em termos
de composição de material. Quando os microrganismos funcionam como biocatalisadores que motivam a degradação de
materiais orgânicos para produzir elétrons, que viajam através de um circuito elétrico, a célula a combustível é chamada
de célula a combustível microbiana. Este artigo cobre uma introdução aos CCMs, o estado atual dos CCMs e as amplas
aplicações da tecnologia CCM.
Palavras-chave: Células de combustível microbianas, células de combustível de membrana de eletrólito de polímero,
substratos, tratamento de águas residuais.
163
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
Introducción
Las fuentes de energía alternativas se co-
nocen como las fuentes de energía renova-
bles entre las que se destacan las células
solares, las pilas de combustible y la ener-
gía eólica. “Las pilas de combustible son
dispositivos electroquímicos que convierten
la energía química almacenada en un com-
bustible directamente en energía eléctrica”
(Ruiz & Marrero, 2006).
Los autores Ruiz & Marrero, (2006) exponen
que “las pilas de combustible tienen varias
ventajas en comparación con las fuentes
de energía convencionales, como los mo-
tores de combustión interna o las baterías”.
Los beneficios incluyen: mayor eficiencia
en comparación con los motores diésel o
de gas, su funcionamiento está libre de rui-
do y contaminación por CO2 y no necesita
combustibles convencionales como el pe-
tróleo o el gas y, por lo tanto, puede reducir
la dependencia económica de los países
productores de petróleo y el combustible
principal (H2) puede ser producido a partir
de la fuente de agua natural, etc.
Las baterías convencionales tienen varios
inconvenientes:
• deben cargarse durante varias horas
para poder utilizarse;
• son perjudiciales para el medio ambien-
te debido al contenido de metales pe-
sados;
• se necesita electricidad para encender-
los.
Por lo tanto, se desarrollan diferentes tipos
de pilas de combustible de la siguiente ma-
nera:
• pilas de combustible alcalinas;
• pilas de combustible de membrana de
intercambio de protones;
• pilas de combustible de metanol directo;
• pilas de combustible de ácido fosfórico;
• pilas de combustible de carbonato fun-
dido;
• pilas de combustible de óxido sólido.
La pila de combustible alcalina son una de
las tecnologías de pila de combustible más
desarrolladas. “Utilizan electrolitos alcalinos
como hidróxido de potasio en agua y fun-
cionan a 70 ° C. Emplean catalizadores de
metales no nobles más baratos, como el ní-
quel y la plata” (Wagner, Schulze, & Gulzow,
2004). Las pilas de combustible de mem-
brana de intercambio de protones, también
conocidas como pilas de combustible de
membrana de electrolito polimérico (PEM),
son un tipo de pila de combustible que se
está desarrollando para aplicaciones de
transporte.
Emplean una membrana de polímero ácido,
a base de agua, conductora de protones
como electrolito y operan a temperaturas re-
lativamente bajas. Las pilas de combustible
de metanol directo son una subcategoría de
las pilas de combustible de membrana de
intercambio de protones, siendo el combus-
tible el metanol. Utiliza una membrana de
polímero como electrolito y funciona entre
60 ° C y 130 ° C (Hacquard, 2005).
Las pilas de combustible de ácido fosfórico
“emplean ácido fosfórico líquido puro o alta-
mente concentrado como electrolito. Sien-
do el catalizador platino finamente disper-
so, operan entre 150 ° C y 220 ° C” (Georgi
& Leccese, 2013). Las pilas de combusti-
ble de carbonato fundido representan una
tecnología de pilas de combustible de alta
temperatura.
Emplean sal de carbonato fundido como
electrolito y no requieren un catalizador me-
tálico. Funcionan a unos 650 ° C. Las pilas
de combustible de óxido sólido son otro tipo
de pilas de combustible de alta temperatu-
ra cuya temperatura de funcionamiento os-
cila entre 800 ° C y 1000 ° C. Utilizan una
cerámica sólida como el óxido de circonio
estabilizado como electrolito y no necesitan
un catalizador metálico. Son ampliamente
MICROORGANISMOS COMO FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
164
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
utilizados para la generación de energía es-
tacionaria. (Georgi & Leccese, 2013).
La celda de combustible microbiana con-
vencional “es un sistema de dos cámaras,
que consta de cámaras de ánodo y cátodo
que están separadas por un electrolito sóli-
do o líquido que transmite partículas carga-
das eléctricamente a través de ellas” (He,
Zhou, & Yang, 2014).
Adicionalmente
En el extremo del ánodo, el combustible se
oxida y libera electrones. En el cátodo, se
produce una reducción de oxígeno. El elec-
trolito conduce iones de un electrodo a otro,
dentro de una celda de combustible. El ca-
talizador acelera una reacción química. El
reformador extrae hidrógeno puro de los hi-
drocarburos. (He, Zhou, & Yang, 2014).
Las pilas de combustible microbianas se
han convertido en una alternativa prome-
tedora para la generación de electricidad,
el cultivo de biomasa y el tratamiento de
aguas residuales. “Si las celdas de com-
bustible microbianas utilizan energía so-
lar para generar electricidad, entonces se
denominan celdas de combustible micro-
bianas fotoeléctricas. Si utilizan algas foto-
sintéticas para producir electricidad, enton-
ces se denominan células de combustible
microbianas de algas fotosintéticas” (He,
Zhou, & Yang, 2014).
Se cree que las pilas de combustible mi-
crobianas sirven como una alternativa tec-
nológica viable al tratamiento convencional
de aguas residuales. Pueden recolectar
electricidad de la energía disponible en las
aguas residuales orgánicas, Rabaey, (2003)
afirma.
Microorganismos como Chlorella vulgaris,
Leptothrix discophora, Klebsiella pneumo-
nia, Thiobaccillus ferrooxidance, Pseudo-
monas fluroscens, Rhodospirillum rubrum,
G. metallireducens, D. desulfuricans y otras
bacterias aeróbicas y anaeróbicas se han
utilizado hasta ahora en pilas de combus-
tible microbianas. También se cree que
pocos otros microorganismos, como las
cianobacterias y algunas microalgas, des-
empeñan funciones notables si se emplean
en pilas de combustible microbianas. Im-
provisar el funcionamiento de estas células
para dar rendimientos exponenciales será
el futuro esperado del campo. (p.24)
Las pilas de combustible son dispositivos
electroquímicos que convierten la energía
química almacenada directamente en ener-
gía eléctrica. Se consideran altamente fia-
bles debido a su alta eficiencia y emisión
baja o nula. Cuando los microorganismos
funcionan como biocatalizadores que moti-
van la degradación de materiales orgánicos
para producir electrones, que viajan a tra-
vés de un circuito eléctrico, la pila de com-
bustible se denomina pila de combustible
microbiana.
Metodología
Para el desarrollo de este proceso investi-
gativo, se plantea como metodología la en-
caminada hacia una orientación científica
particular que se encuentra determinada
por la necesidad de indagar en forma preci-
sa y coherente una situación, en tal sentido
Davila, (2015) define la metodología “como
aquellos pasos anteriores que son seleccio-
nados por el investigador para lograr resul-
tados favorables que le ayuden a plantear
nuevas ideas” (p.66)
Lo citado por el autor, lleva a entender que
el desarrollo de la acción investigativa bus-
ca simplemente coordinar acciones enmar-
cadas en una revisión bibliográfica con el
fin de complementar ideas previas relacio-
nadas Microorganismos como fuente de
energía alternativa a través de una revisión
de literatura, para así finalmente elaborar un
cuerpo de consideraciones generales que
ayuden a ampliar el interés propuesto.
ROBLEDO GÁLEAS, S. S., MARTÍNEZ MORA, S. F., NAVARRETE FREIRE, N. C., & VÉLEZ LEÓN, M. F.
165
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
Tipo de Investigación
Dentro de toda práctica investigativa, se
precisan acciones de carácter metodológi-
co mediante las cuales se logra conocer y
proyectar los eventos posibles que la deter-
minan. En este sentido, la presente inves-
tigación corresponde al tipo documental,
definido por Castro (2016), “se ocupa del
estudio de problemas planteados a nivel
teórico, la información requerida para abor-
darlos se encuentra básicamente en mate-
riales impresos, audiovisuales y / o electró-
nicos”. (p.41).
En consideración a esta definición, la orien-
tación metodológica incluye la oportunidad
de cumplir con una serie de actividades in-
herentes a la revisión y lectura de diversos
documentos, donde se encuentran ideas
explicitas relacionadas con los tópicos en-
cargados de identificar una característica
inmersa en el estudio. Por lo tanto, se rea-
lizaron continuas interpretaciones con el
claro propósito de revisar aquellas aprecia-
ciones propuestas por diferentes investiga-
dores en relación al tema de interés, para
luego dar la respectiva argumentación a los
planteamientos, en función a las necesida-
des encontradas en la investigación, apoya-
dos en las herramientas tecnológicas para
la búsqueda de trabajos con valor científico
disponibles en la web que tenían conexión
con el objetivo principal de la investigación.
Fuentes Documentales
El análisis correspondiente a las caracterís-
ticas que predomina en el tema selecciona-
do, llevan a incluir diferentes fuentes docu-
mentales encargadas de darle el respectivo
valor científico y en ese sentido cumplir con
la valoración de los hechos a fin de gene-
rar nuevos criterios que sirven de referen-
cia a otros procesos investigativos. Para
Castro,(2016) las fuentes documentales
incorporadas en la investigación documen-
tal o bibliográfica, “representa la suma de
materiales sistemáticos que son revisados
en forma rigurosa y profunda para llegar
a un análisis del fenómeno” (p.41). Por lo
tanto, se procedió a cumplir con la lectura
previa determinada para encontrar aquellos
aspectos estrechamente vinculados con el
tema, con el fin de explicar mediante un de-
sarrollo las respectivas apreciaciones gene-
rales de importancia.
Técnicas para la Recolección de la Infor-
mación
La conducción de la investigación para ser
realizada en función a las particularidades
que determinan a los estudios documenta-
les, tiene como fin el desarrollo de un con-
junto de acciones encargadas de llevar a
la selección de técnicas estrechamente vin-
culadas con las características del estudio.
Bolívar, (2015), refiere, que es “una técnica
particular para aportar ayuda a los procedi-
mientos de selección de las ideas primarias
y secundarias”. (p.71).
Tal como lo expresa, Bolívar, (2015) “Las
técnicas documentales proporcionan las
herramientas esenciales y determinantes
para responder a los objetivos formulados
y llegar a resultados efectivos” (p. 58). Es
decir, para responder con eficiencia a las
necesidades investigativas, se introdujeron
como técnica de recolección el método in-
ductivo, que hizo posible llevar a cabo una
valoración de los hechos de forma particu-
lar para llegar a la explicación desde una vi-
sión general. El autor Bolívar, (2015) tambien
expresa que las técnicas de procesamiento
de datos en los estudios documentales “son
las encargadas de ofrecer al investigador la
visión o pasos que deben cumplir durante
su ejercicio, cada una de ellas debe estar
en correspondencia con el nivel a emplear”
(p. 123). Esto indica, que para llevar a cabo
el procesamiento de los datos obtenidos
una vez aplicadas las técnicas selecciona-
das, tales como: fichas de resumen, textual,
registros descriptivos entre otros, los mis-
mos se deben ajustar al nivel que ha sido
seleccionado.
MICROORGANISMOS COMO FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
166
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
Resultados
Componentes de una celda de combus-
tible
La celda de combustible microbiana con-
vencional “es un sistema de dos cámaras,
que consta de cámaras de ánodo y cáto-
do que están separadas por un electrolito
sólido o líquido que transmite partículas
cargadas eléctricamente a través de ellas”
(Tender, Reimers, & Stecher, 2002). En el
extremo del ánodo, el combustible se oxida
y libera electrones. En el cátodo, se produ-
ce una reducción de oxígeno. El electrolito
conduce iones de un electrodo a otro, den-
tro de una celda de combustible. El cata-
lizador acelera una reacción química. El
reformador extrae hidrógeno puro de los
hidrocarburos.
Tipos de células de combustible
Pilas de combustible alcalinas
La pila de combustible alcalina (PCA), tam-
bién conocida como pila de combustible
Bacon por su inventor británico, es una de
las tecnologías de pila de combustible más
desarrolladas, Georgi & Leccese, (2013)
expone que:
Los PCA utilizan electrolitos alcalinos como
el hidróxido de potasio en el agua. Se sabe
que son las pilas de combustible de mejor
rendimiento de las pilas de combustible
de hidrógeno-oxígeno convencionales que
funcionan a temperaturas inferiores a 200 °
C. Las temperaturas de funcionamiento tí-
picas rondan los 70 ° C. Emplean cataliza-
dores de metales no nobles más baratos,
como níquel y plata y pueden ofrecer una
alta eficiencia eléctrica. (p. 34)
Los PCA son ventajosos sobre otras celdas
de combustible que utilizan catalizadores
de metales preciosos, como la Descompo-
sición Catalítica de Metano (DCM), de las
siguientes maneras:
1. El problema de la lenta cinética del elec-
trodo que encuentran las otras pilas no
se encuentra en las pilas de combusti-
ble alcalinas porque es un hecho bien
establecido que la cinética del electrodo
de reducción de oxígeno se mejora en
un medio alcalino.
2. Utilizan metales no preciosos como ca-
talizadores, como catalizadores de pla-
ta, catalizadores de níquel y óxidos de
tipo perovskita, que son menos propen-
sos al cruce de metanol.
3. El envenenamiento por CO del cataliza-
dor de platino a bajas temperaturas es
otro problema que encuentran otras pi-
las de combustible, pero no las pilas de
combustible alcalinas.
El único problema con estas pilas de com-
bustible es la carbonatación progresiva de
la solución alcalina, debido a la liberación
de dióxido de carbono del producto del
combustible. “Esto reduce el pH de la so-
lución alcalina, disminuyendo así la reacti-
vidad para la electro oxidación del metanol
en última instancia, sin embargo, se van a
establecer investigaciones en esta área de
pilas de combustible alcalinas que podrían
rectificar este problema de carbonatación”.
(Georgi & Leccese, 2013)
Pilas de combustible de membrana de in-
tercambio de protones
Las pilas de combustible de membrana de
intercambio de protones, también conoci-
das como pilas de combustible de mem-
brana de electrolito polimérico, son un tipo
de pila de combustible que se está desarro-
llando para aplicaciones de transporte, así
como para aplicaciones de pilas de com-
bustible de oficina.
La celda PEM utiliza una membrana de po-
límero ácido, a base de agua, conductora
de protones como electrolito. La membra-
na polimérica utilizada es impermeable a
los gases pero conduce protones. Entre las
membranas de las células de combustible
ROBLEDO GÁLEAS, S. S., MARTÍNEZ MORA, S. F., NAVARRETE FREIRE, N. C., & VÉLEZ LEÓN, M. F.
167
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
de membrana de intercambio de protones
alimentadas con hidrógeno, las membra-
nas a base de ácido perfluoro-sulfónico, en
su mayoría Nafion de DuPont, muestran un
dominio completo sobre otras membranas
comercializadas (Neburchilov, Martin, &
Wang, 2007).
Las pilas de combustible de membrana de
intercambio de protones funcionan a tempe-
raturas relativamente bajas (por debajo de
100 ° C). Los desafíos enfrentados al operar
estas celdas a baja temperatura incluyen
impurezas de combustible, tolerancia al CO
y rechazo de calor. Sus deficiencias podrían
superarse en un funcionamiento a altas tem-
peraturas. La temperatura alta puede ser de
hasta 200 ° C. Pero el problema principal al
operar a altas temperaturas es que la hume-
dad relativa es directamente proporcional a
la conductividad de la membrana de Nafion
de las células.
Por lo tanto, siempre que hay una caída en
la humedad relativa de la celda, la conduc-
tividad de la membrana de Nafion también
desciende. Las células no pueden producir
una conductividad de membrana alta en un
rango de (> 0,1cm – 1) a menos que un sub-
sistema de humidificación externo funcione
con el sistema de pila de combustible. La
salida eléctrica es generalmente variable y
son ideales para vehículos. Se ha informado
que muestran un 50% más de eficiencia de
conversión de combustible que el motor de
un automóvil. En condiciones favorables, su
eficiencia puede ser de casi el 60% cuan-
do el motor de un automóvil ha alcanzado
solo el 30%. (Neburchilov, Martin, & Wang,
2007).
Sin embargo, el autor expresa que Vishn-
yakov, (2016), “existen ciertos factores que
afectan el rendimiento de los PEM-FC”. Son
los siguientes:
1. Presiones parciales de reactivos y varia-
ciones de presión a través de la mem-
brana, mientras la celda está funcionan-
do.
2. Suministro de hidrógeno en el ánodo.
3. Falta de oxígeno en el cátodo.
4. Conductividad de la membrana deshi-
dratada.
5. Por otro lado, la presencia de demasia-
da agua en los canales de la placa pos-
terior también reduce la eficiencia de la
celda.
6. Hidrofobicidad de la superficie de la
membrana.
7. Deshidratación en el ánodo.
8. Falta de asistencia para difundir el agua
producida en el cátodo.
Teniendo en cuenta los factores antes men-
cionados, se podrían superar las deficien-
cias actuales de estas pilas de combustible
y se podría argumentar que son las más
sencillas y altamente eficientes.
Pilas de combustible de metanol directo
Las pilas de combustible de metanol di-
recto son una subcategoría de las pilas de
combustible de membrana de intercambio
de protones, el combustible es el metanol.
Se considera ventajoso sobre los otros tipos
de celdas por el uso de combustible líquido
(metanol), fácil repostaje, bajo costo y facili-
dad en el transporte del metanol.
Además, el metanol es denso en energía,
pero razonablemente estable en todas las
condiciones ambientales. Sin embargo,
el metanol es muy volátil y tóxico, lo que
puede plantear problemas graves cuando
se utiliza en dispositivos electrónicos DCM
portátiles.
Aparte de esto, el envenenamiento por CO
de los catalizadores de platino y el cruce
de metanol son los otros problemas impor-
tantes con DCM. Se están llevando a cabo
investigaciones sobre la electro oxidación,
con alcoholes polihídricos en soluciones
alcalinas utilizando electrodo de platino y
se ha encontrado que el etilenglicol mues-
tra la reactividad más alta entre los alcoho-
MICROORGANISMOS COMO FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
168
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
les examinados en soluciones de KOH y
K2CO3. También se cree que el etilenglicol
soluciona el problema de la carbonatación,
debido a la liberación de CO2 del producto
del combustible. Es mucho menos tóxico y
volátil que el metanol y se supone que es
más seguro. (Zhang, Ahn, & Logan, 2014)
Los DCM utilizan una membrana de polí-
mero como electrolito como el PECCM. De
acuerdo con McGrath, (2014):
Se encuentra que los catalizadores más
efectivos son platino-rutenio con soporte de
carbono o sin soporte en el ánodo y platino
en el cátodo.Operan a temperaturas entre
60 ° C y 130 ° C y poseen una densidad
de energía teórica de 6094 W h / kg y una
cosecha práctica de 1000–3000 W h / kg.
Su diseño de celda compacta los hace ade-
cuados para diversas aplicaciones estacio-
narias y no estacionarias
Pilas de combustible de ácido fosfórico
Las pilas de combustible de ácido fosfórico
desarrolladas a mediados de la década de
1960 recibieron el nombre de su electroli-
to de trabajo, que es ácido fosfórico líqui-
do altamente concentrado o puro, saturado
en una mezcla de carburo de silicio. Usan
catalizador de platino finamente disperso
sobre carbón. Por lo general, “el ácido fos-
fórico está rodeado por un par de matrices
porosas incrustadas en una matriz cerámi-
ca. El ácido fosfórico es un mal conductor y
la celda necesita de 150 ° C a 220 ° C para
funcionar con eficacia” (McGrath, 2014).
Al ser las primeras pilas de combustible co-
mercializadas, se emplean ampliamente en
generadores de energía para generar de
100 kW a 400 kW. Tienen una amplia gama
de aplicaciones en plantas de calefacción
central, hospitales, dormitorios, piscinas,
edificios de oficinas, lavandería y cocina.
Su única desventaja es que no pueden ser
compatibles con aplicaciones de vapor tér-
mico a alta temperatura.
El autor McGrath, (2014) también expone
que “hay una serie de beneficios en el uso
común de pilas de combustible de ácido
fosfórico. Son los siguientes:
1. Son beneficiosas para el medio am-
biente porque solo emiten agua, que
también es muy pura. Se hacen circular
dentro del sistema de pila de combusti-
ble como refrigerante y la liberación de
una pequeña cantidad de agua al medio
ambiente no provocará contaminación.
2. Son muy eficientes en combustible con
un poder calorífico superior del 36% y
un poder calorífico inferior del 40%.
3. Se pueden configurar de tal manera que
proporcionen respaldo de energía.
4. Son emisores de bajo ruido que son de-
masiado bajos en comparación con las
tecnologías de combustión tradiciona-
les.
5. Son lo suficientemente flexibles como
para ubicarse en áreas urbanas.
Los estudios han demostrado que la adi-
ción de pequeñas cantidades de compues-
tos orgánicos fluorados o compuestos de
silicona, que tienen una presión de vapor
menor que la del ácido fosfórico, mejora la
solubilidad del oxígeno y la difusividad del
electrolito. Además, existe el hecho de que
la disminución de la polarización del cátodo
aumenta la eficiencia de la celda. El uso de
electrolito modificado aumenta la eficiencia
de la celda al disminuir la polarización ca-
tódica.
Pilas de combustible de carbonato fundido
Las pilas de combustible de carbonato fun-
dido representan una tecnología de pilas
de combustible de alta temperatura. “Usan
sales de carbonato fundido de metales al-
calinos como electrolito. Su ánodo o cátodo
está hecho de óxido de níquel u óxido de co-
balto u óxido de elemento de tierras raras”
(Georgi & Leccese, 2013). “Su temperatura
de funcionamiento alcanza los 650 ° C. Por
eso, en lugar de utilizar un metal precioso
ROBLEDO GÁLEAS, S. S., MARTÍNEZ MORA, S. F., NAVARRETE FREIRE, N. C., & VÉLEZ LEÓN, M. F.
169
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
como el platino, se prefiere como cataliza-
dor un metal relativamente barato como el
níque” (Rozendal, Hamelers, & Buisman,
2006). Pueden funcionar con combustibles
de hidrocarburos como metano, gas natu-
ral o gases reformados con carbón. “Dado
que se ha informado que su eficiencia es
del 45%, que también puede elevarse hasta
un 60-70%, podrían considerarse alternati-
vas potenciales para el petróleo” (Georgi &
Leccese, 2013).
A pesar de todas sus ventajas, una pila de
combustible de carbonato fundido que uti-
liza un electrolito de carbonato de metal al-
calino encuentra los siguientes problemas.
1. La presencia de oxígeno forma grietas
en el electrodo, particularmente cuando
se usa una placa de níquel poroso sinte-
rizado como cátodo.
2. El tamaño de partícula de la placa de ní-
quel poroso sinterizado tiene efectos de
desaceleración en la salida cuando el
tamaño de partícula es grande.
3. El uso de una placa de níquel poroso
sinterizado en el ánodo disminuye el
área superficial del electrodo por el fe-
nómeno de sinterización del níquel y,
por lo tanto, disminuye la producción de
la celda.
Estas deficiencias podrían superarse en-
contrando un electrolito alternativo que ca-
rezca de las desventajas mencionadas an-
teriormente y sea muy activo, incluso a altas
temperaturas de funcionamiento.
Pilas de combustible de óxido sólido
Las pilas de combustible de óxido sólido
son otro tipo de pilas de combustible de alta
temperatura, los autores Georgi & Leccese,
(2013) expresan:
La temperatura de funcionamiento varía en-
tre 700 ° C y 1000 ° C (pila de combustible
de óxido sólido, foco). Utilizan una cerámica
sólida como óxido de circonio estabilizado,
iones de oxígeno, un protón o un conductor
mixto de iones de oxígeno y protones, que
es impermeable a los gases y un aislante
electrónico y no necesitan un catalizador
metálico. Se informa que su eficiencia es
del 60%, teóricamente hasta el 80% y se
utiliza ampliamente para la generación de
energía estacionaria. (p.45)
Las pilas de combustible de óxido sólido
son muy ventajosas sobre otras pilas de
combustible en los siguientes aspectos:
1. Tienen un alto rendimiento incluso en un
rango de temperatura de 1000 ° C y la
actividad del electrodo es extremada-
mente alta.
2. No requieren el uso de catalizadores
costosos como el platino.
3. La escala de los equipos generalmente
no influye en la eficiencia de la pila de
combustible.
4. Tienen una capacidad de conversión de
alta energía debido a la baja polariza-
ción y al alto voltaje de salida.
Las pocas desventajas de SOFC es la re-
sistencia óhmica exhibida por el electrodo
de combustible y el electrodo de aire, que
influye en la generación de energía.
[50] y sobretensión con hidrógeno y mo-
nóxido de carbono. Se están realizando es-
tudios para rectificar estas discrepancias y
poner de manifiesto la eficacia de la pila de
combustible al máximo.
Pilas de combustible microbianas
Las pilas de combustible microbianas son
dispositivos que convierten la energía quí-
mica presente en los compuestos orgáni-
cos en energía eléctrica a través de catali-
zadores microbianos. Emplean bacterias en
el ánodo para llevar a cabo la oxidación de
materias orgánicas y bacterias o microalgas
en el cátodo para someterse a reducción.
Tipos de CCM basados en los modelos de
MICROORGANISMOS COMO FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
170
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
reactor
Las CCM se pueden clasificar en dos tipos
según los modelos de reactor:
En el primer tipo de CCM, los electrones se
transfieren de las bacterias al ánodo sin la
intervención de un producto de fermenta-
ción intermedio.
Dado que los microorganismos actúan
como catalizadores en la transferencia de
electrones del sustrato al ánodo, la selec-
ción de un consorcio microbiano de alto
rendimiento (ya sea cultivo puro o mixto)
es de crucial importancia en estas pilas de
combustible microbianas. La transferencia
de electrones de la bacteria al ánodo puede
proceder de forma directa desde la mem-
brana bacteriana a la superficie del ánodo o
indirectamente por medio de un mediador.
(Ruiz & Marrero, 2006)
Ambas transferencias a través del contac-
to bacteriano con el electrodo y a través de
lanzaderas solubles pueden considerarse
mediadas. En el primer caso, “una enzima
redox bacteriana, inmovilizada en la pa-
red celular, proporciona la transferencia de
electrones. Ejemplos de tales bacterias son
Geobacter sulfurreducens y Rhodoferax
ferrireducens” (Georgi & Leccese, 2013).
Cuando se usa un mediador soluble, los
electrones son transportados por moléculas
mediadoras entre la (s) enzima (s) redox de
las bacterias y la superficie del electrodo, lo
que facilita el transporte de electrones.
Los mediadores son típicamente “molé-
culas redox (p. Ej., Ubiquinonas, tintes y
complejos metálicos) que pueden formar
parejas redox reversibles, son estables tan-
to en forma oxidada como reducida, no se
degradan biológicamente y no son tóxicas
para el consorcio microbiano” (Park & Zei-
kus, 2013).
Componentes de una célula de combusti-
ble microbiana
Las pilas de combustible microbianas con-
vencionales contienen un ánodo, un cátodo,
una membrana de intercambio de protones
y una resistencia a través de la cual pasan
los electrones al ánodo.
El ánodo generalmente está inmovilizado
con un consorcio bacteriano y el comparti-
miento del cátodo contiene la fuente micro-
biana. A veces, el compartimento del ánodo
se carga con la fuente de combustible o el
material orgánico a oxidar. Después de la
oxidación, los protones pasan a través de
la membrana de intercambio de protones
hasta el cátodo, donde se reducen a agua.
(Park & Zeikus, 2013)
El segundo tipo de células microbianas,
que funciona con un sistema de tres elec-
trodos, también se emplea en el tratamiento
de aguas residuales y otras aplicaciones.
Estas pilas de combustible microbianas
contienen tres electrodos: el electrodo de
trabajo, el contra electrodo y el electrodo de
referencia.
El electrodo de trabajo “es el cátodo que al-
berga las microalgas o bacterias. Puede ser
un electrodo de carbono vítreo o un electro-
do de platino sobre el que se inmovilizan las
microalgas o bacterias. El contra electrodo
funciona como conductor de electricidad. El
electrodo de referencia es el estándar o el
electrodo de referencia. La plata o la plata
en cloruro de potasio son los electrodos de
referencia más utilizados. La corriente ge-
nerada se lee con la ayuda de un voltímetro
cíclico. (Zhao & Hamisch, 2016)
Aplicaciones de células de combustible
microbianas
Las pilas de combustible microbianas se
han convertido en una alternativa prome-
tedora para la generación de electricidad,
el cultivo de biomasa y el tratamiento de
aguas residuales. Si las celdas de combus-
tible microbianas utilizan energía solar para
generar electricidad, entonces se denomi-
ROBLEDO GÁLEAS, S. S., MARTÍNEZ MORA, S. F., NAVARRETE FREIRE, N. C., & VÉLEZ LEÓN, M. F.
171
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
nan celdas de combustible microbianas fo-
toeléctricas. Si utilizan algas fotosintéticas
para producir electricidad, entonces se de-
nominan células de combustible microbia-
nas de algas fotosintéticas. Por lo tanto, las
celdas de combustible foto microbianas y
las celdas de combustible microbianas fo-
tosintéticas podrían considerarse los dos
tipos diferentes de celdas de combustible
microbianas.
Células de combustible microbianas en
generación de electricidad
Aunque el lanzamiento de las pilas de com-
bustible microbianas se remonta a finales
del siglo XVIII, cuando Luigi Galvani “infor-
mó por primera vez sobre la bioelectricidad
conectando las ancas de rana a un con-
ductor metálico, es en los últimos tiempos
cuando se han desarrollado para recolectar
electricidad, proporcionando así oportuni-
dades para aplicaciones prácticas” (Schro-
der, 2003).
Mecanismo de producción de electrici-
dad
La reacción de oxidación y reducción que
interviene en la cámara de ánodo y cátodo
de una celda de combustible microbiana
contribuye al flujo de electrones, que pasan
a través de una resistencia para producir
corriente. “Se construye una celda de com-
bustible microbiana de tres cámaras con el
ánodo inmovilizado con un consorcio bac-
teriano y el cátodo que contiene cualquier
microorganismo, como bacterias o microal-
gas” (Rabaey, 2003). Por tanto, las vías me-
tabólicas emprendidas por la bacteria son
las únicas responsables del flujo de electro-
nes y protones microbianos.
Para comprender cómo un CCM produce
electricidad, se debe comprender cómo las
bacterias capturan y procesan la energía.
Las bacterias crecen catalizando reaccio-
nes químicas y aprovechando y almace-
nando energía en forma de trifosfato de
adenosina (ATP). En algunas bacterias, los
sustratos reducidos se oxidan y los elec-
trones se transfieren a las enzimas respi-
ratorias por el NADH, la forma reducida
del dinucleótido de nicotinamida y adeni-
na (NAD). Estos electrones fluyen por una
cadena respiratoria, “una serie de enzimas
que funcionan para mover protones a través
de una membrana interna, creando un gra-
diente de protones. Los protones regresan
a la célula a través de la enzima ATPasa,
creando 1 molécula de ATP a partir de 1
difosfato de adenosina por cada 3-4 proto-
nes. (Park & Zeikus, 2013)
Los electrones finalmente se liberan a un
aceptor de electrones terminal soluble,
como nitrato, sulfato u oxígeno.
Sin embargo, el potencial del ánodo de-
termina el metabolismo de las bacterias.
“Cuando la corriente del CCM aumenta,
eventualmente disminuye el potencial del
ánodo, lo que obliga a las bacterias a entre-
gar electrones a través de complejos más
reducidos (Rabaey, 2003). A altos potencia-
les anódicos, las bacterias pueden utilizar
la cadena respiratoria en un metabolismo
oxidativo. “Normalmente, la corriente de un
CCM es inhibida por varios inhibidores de
la cadena respiratoria. Al mismo tiempo, los
procesos que utilizan fosforilación oxidativa
producen un 65% de células MF de alta efi-
ciencia” (Rabaey, 2003).
A bajos potenciales de ánodo y en presen-
cia de un aceptor de electrones alternati-
vo como el azufre, los electrones tienden
a depositarse sobre estos componentes y
la producción de metanol es alta, lo que in-
dica que una bacteria no usa el ánodo. Si
no hay presentes aceptores de electrones
como azufre o nitrato, la fermentación será
la reacción principal que producirá un máxi-
mo de un tercio de los electrones del sus-
trato de hexosa. Por tanto, la optimización
del potencial del ánodo puede aumentar la
eficiencia de una pila de combustible mi-
MICROORGANISMOS COMO FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
172
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
crobiana.
El rendimiento de un CCM está determina-
do por muchos factores, como la configura-
ción del reactor, el pH, el cultivo de semillas
o el sustrato, la resistencia a los electrolitos,
etc. A pesar de eso, convierten una amplia
gama de donantes de electrones con gene-
ración de energía efectiva a temperaturas
bajas y moderadas, incluso cuando el do-
nante de electrones se proporciona a bajas
concentraciones. Esto los convierte en una
de las fuentes de combustible alternativas
incomparables.
Células de combustible microbianas en
la producción de hidrógeno
Los CCM también se pueden modificar
para producir hidrógeno gaseoso (H2). De
acuerdo con Rozendal, (2006)
Eliminando oxígeno en el cátodo y agregan-
do un pequeño voltaje a través del proceso
de reactor microbiano asistido bioelectro-
químicamente (BEAMR) o el biocata, proce-
so de electrólisis lisado. Las bacterias pro-
ducen un potencial de trabajo del ánodo de
~ –0,3 V. Los protones y electrones que se
producen en el ánodo pueden combinarse
en el cátodo para producir H2 con sólo un
potencial celular total adicional de 0,11 V.
En la práctica, sin embargo, se deben po-
ner 0,25 V o más en el circuito para producir
H2, debido al sobrepotencial en el cátodo.
Células de combustible microbianas en
el tratamiento de aguas residuales
Se cree que las pilas de combustible micro-
bianas sirven como una alternativa tecnoló-
gica viable al tratamiento convencional de
aguas residuales. Los tratamientos conven-
cionales de aguas residuales para la elimi-
nación de contaminantes orgánicos consu-
men mucha energía y son costosos debido
a la necesidad de aireación y eliminación
del exceso de lodo generado en el proceso.
Los CCM pueden recolectar electricidad a
partir de la energía disponible en las aguas
residuales orgánicas. “Están construidos
con sistemas rentables, como cátodos de
carbón activado y ánodos de escobillas de
fibra de grafito” (Ruiz & Marrero, 2006). Más
específicamente, las PACCM, que se cons-
truyen con una microalga inmovilizada en el
cátodo, pueden contribuir generosamente
a la producción de bioelectricidad, produc-
ción de biomasa y tratamiento de aguas re-
siduales.
Bioremediación
El CCM “no se utiliza para producir electri-
cidad; en su lugar, se puede poner energía
en el sistema para impulsar las reacciones
deseadas para eliminar o degradar las sus-
tancias químicas, como convertir el U (VI)
soluble en U (IV) insoluble” (Zhang, Ahn, &
Logan, 2014). Las bacterias no solo pueden
donar electrones a un electrodo, sino que
también pueden aceptar electrones del cá-
todo. Colocando los electrodos a –500 mV,
Georgi & Leccese, (2013) “pudieron preci-
pitar uranio directamente sobre un cátodo
debido a la reducción bacteriana. El nitrato
también se puede convertir en nitrito cuan-
do se utilizan electrodos como donantes de
electrones”.
Conclusión
Es evidente que las Celdas de Combustible
Microbianas (CCM) han atraído la atención
de muchos investigadores de todo el mun-
do. En el escenario actual, se están llevando
a cabo diferentes tipos de investigaciones
para poner de manifiesto la potencia de es-
tas células. Hasta ahora, microorganismos
como C. vulgaris, L. discophora, K. pneu-
monia, T. ferrooxidance, P. fluroscens, R.
rubrum, G se han empleado como pilas de
combustible microbianas al igual que otras
bacterias aeróbicas y anaerobias. También
se cree que algunos otros microorganis-
mos, como las cianobacterias y algunas
microalgas, desempeñan funciones nota-
bles si se emplean en pilas de combustible
ROBLEDO GÁLEAS, S. S., MARTÍNEZ MORA, S. F., NAVARRETE FREIRE, N. C., & VÉLEZ LEÓN, M. F.
173
RECIMUNDO VOL. 4 Nº 4 (2020)
microbianas. Improvisar el funcionamien-
to de estas células para dar rendimientos
exponenciales será el futuro esperado del
campo. Aparte de su aplicación en la pro-
ducción de bioelectricidad, tratamiento de
aguas residuales y producción de biomasa.
Sin embargo, muy a pesar de que las CCM
han mostrado un aumento notable en la
producción de energía en los últimos años,
no pueden considerarse como formas de
suministro de energía. Actualmente, toda-
vía, se requiere la optimización e identifica-
ción de suficientes materiales resistentes y
membranas alternativas para los sistemas
convencionales con el fin de superar las de-
ficiencias aún presentes. Más estudio para
expandir las aplicaciones de los CCM más
allá de la generación de energía representa
una máxima necesidad.
Bibliografía
Georgi, L., & Leccese, F. (2013). The open fuel cells
jour. 1–20.
Hacquard, A. (2005). Thesis submitted to the faculty
of Worcester Polytechnic Inst.
He, H., Zhou, M., & Yang, J. (2014). Simultaneous
wastewater treat-ment, electricity generation
and biomass production by an immobilized pho-
tosyn-thetic algal microbial fuel cell. Biopro.
Biosyst. Eng, 873- 880.
McGrath, M. (2014). Direct methanol fuel cells. J.
Ind. Eng. Chem, 1063–1080.
Neburchilov, V., Martin, J., & Wang, H. (2007). A re-
view of polymer electro-lyte membranes for direct
methanol fuel cells. J. Pow. Sourc, 221–238.
Park, D., & Zeikus, J. (2013). Improved fuel cell and
electrode designs for pro-ducing electricity from
microbial degradation. Biotechnol. Bioeng, 348–
355.
Rabaey, K. (2003). A microbial fuel cell capable of
converting glucose to electricity at high rate and
efficiency. Biotechnol. Lett, 1531–1535.
Rozendal, R. A. (2006). Principle and Perspectives of
Hydrogen Production through Bio-catalyzed Elec-
trolysis. Int. J. Hydrogen Energy.
Rozendal, R., Hamelers, H., & Buisman, C. (2006).
Effects of membrane cation transport on pH and
microbial fuel cell performance. Environ. Sci. tech-
nol.
Ruiz, J., & Marrero, D. (2006). Pilas de combustible.
Researchgate, 22.
Schroder, A. (2003). Generation of microbial fuel cells
with current outputs boosted by more than one or-
der of magnitude. Chem. Int. Ed. Engl, 2880–2883.
Tender, M., Reimers, C., & Stecher, H. (2002). Har-
nessing microbially gener-ated power on the sea-
floor. Nat. Biotechnol, 821–825.
Vishnyakov, V. (2016). Proton exchange membrane
fuel cells. Vacc, 1053– 1065.
Wagner, N., Schulze, M., & Gulzow, E. (2004). Long
term investigation of silver cath-odes for alkaline
fuel cells. J Pow. Sourc, 264–272.
Zhang, F., Ahn, Y., & Logan, B. (2014). Treating refi-
nery wastewaters in microbial fuel cells using se-
parator electrode assembly or spaced electrode
configurations. Bio-res. Technol, 46–52.
Zhao, F., & Hamisch, F. (2016). Challenges and cons-
traints of using oxygen cathodes in microbial fuel
cells. Environ. Sci. Technol, 5193.
CITAR ESTE ARTICULO:
Robledo Gáleas, S. S., Martínez Mora, S. F., Navarrete Freire, N. C., & Vé-
lez León, M. F. (2020). Microorganismos como fuente de Energía Alternativa.
RECIMUNDO, 4(4), 161-173. https://doi.org/10.26820/recimundo/4.(4).octu-
bre.2020.161-173
MICROORGANISMOS COMO FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
