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Bioenergía

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Entendemos como bio-energía a la que proviene de la actividad de algún organismo vivo. En los casos que nos ocupan la energía se origina en la actividad de microorganismos y la obtenemos en forma de electricidad. Para esto utilizamos celdas de combustible microbianas (CCM).
Una CCM es un dispositivo que acopla reacciones electroquímicas de oxidación y reducción que se producen en compartimientos separados por una membrana semipermeable, de manera que los electrones producidos en las oxidaciones circulen por un circuito externo para ser consumidos en las reducciones; lo que permite aprovechar la circulación de corriente.
A diferencia de las baterias, en las que una cierta cantidad de energía química almacenada se transforma en energía eléctrica hasta su agotamiento, en las celdas de combustible hay flujos permanentes de reactivos que alimentan las reacciones anódicas y catódicas y la generación continua de corriente.
En una CCM las reacciones redox son mediadas por microorganismos que funcionan como catalizadores biológicos. En el caso clásico las bacterias consumen (oxidan) la materia orgánica disuelta rindiendo CO2 y electrones. Los electrones se recuperan en forma de corriente eléctrica.

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Microorganismos electrogénicos:

La producción de corriente eléctrica con CCM se basa en la habilidad que presentan algunos microorganismos de intercambiar electrones con una superficie polarizada (electrodo). Desde el punto de vista biológico esta transferencia es una variante del proceso de respiración celular que utiliza al electrodo como aceptor final de electrones, reemplazando a ·sus aceptores usuales (nitratos, sulfatos, hierro, oxígeno, otros). A estos microorganismos se los conoce como reductores de electrodo o simplemente como electrogénicos.

Biofilms electrogénicos:

Los biofilms son la forma de desarrollo preferida por los microorganismos en su ambiente natural. Son comunidades complejas que pueden estar compuestas por uno o varios tipos de microorganismos diferentes y que presentan heterogeneidad estructural, funcional y temporal. Los microorganismos electrogénicos son capaces de formar un biofilms sobre un electrodo polarizado y su desarrollo está directamente relacionado con la producción de corriente. Esto indica que de alguna manera los electrones de cada uno de los individuos que componen el biofilm son canalizados hacia el electrodo. Aunque se sabe que hay involucradas moléculas redox que pueden estar o no asociadas a las células, los mecanismos de transferencia de electrones célula-célula y célula-electrodo en los biofilms electrogénicos aún no han sido definidos completamente y son motivo de intenso estudio. Nuestro trabajo está orientado a comprender dichos mecanismos.

Producción de electricidad:

La electricidad no es otra cosa más que una circulación de electrones. En el caso de la producida por los microorganismos, los electrones provienen directamente del metabolismo central y llegan al electrodo a través de una cadena de transporte compuesta por múltiples proteínas redox que se conoce como cadena respiratoria. La cadena está ubicada en la membrana celular interna, por lo que en la mayoría de las células los electrones son transportados hacia un compuesto aceptor soluble, capaz de ingresar a la misma.

 

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Los microorganismos electrogénicos han evolucionado con una prolongación de la cadena respiratoria hacia el exterior de la célula que les posibilita la comunicación eléctrica con el entorno y por lo tanto la respiración de compuestos insolubles externos. Cuando dicha comunicación se establece con un electrodo, el flujo de electrones desde las células se recoge como una corriente eléctrica.

Celdas sedimentarias

Una variante de CCM son las celdas de combustible sedimentarias (CCS). Estas celdas permiten obtener energía de la diferencia de potencial existente entre ambos lados de una interfase agua sedimento en sedimentos naturales sumergidos.
Los sedimentos de ríos, lagos, lagunas o mares son sistemas anaeróbicos en los que se desarrollan diferentes poblaciones microbianas. A diferencia de los organismos aeróbicos que utilizan oxígeno como aceptor de electrones para la respiración, los microorganismos anaeróbicos utilizan otros compuestos que están presentes en los sedimentos y que son capaces de aceptar los electrones producidos durante los procesos metabólicos. Entre estos posibles aceptores de electrones se encuentran aniones solubles como sulfatos y nitratos y compuestos insolubles como óxidos de hierro y manganeso. La utilización sucesiva de estos aceptores por parte de los microorganismos conduce a una acumulación de compuestos reducidos en los sedimentos que determina la diferencia de potencial redox con el agua aireada al otro lado de la interfase.
Tanto la utilización de aceptores solubles como insolubles por parte de los microorganismos resulta de interés al momento de obtener energía eléctrica a partir de los sedimentos. La respiración de sulfatos por ejemplo, conduce a la formación de ácido sulfhídrico con la posterior precipitación de sulfuros metálicos. Estos sulfuros son susceptibles de ser oxidados electroquímicamente generando una corriente eléctrica que proviene indirectamente de la actividad biológica.
Por otra parte, la utilización de aceptores insolubles está relacionada con la transferencia exocelular de electrones y por lo tanto con el desarrollo de microorganismos electrogénicos en los electrodos de las CCS.
La energía eléctrica obtenida de sedimentos se puede utilizar para alimentar dispositivos electrónicos de bajo consumo y también para la implementación de protección catódica.

 

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