Un nuevo estudio sobre la optimización de las pilas de combustible microbianas muestra que el material de los electrodos puede marcar la diferencia
En la actualidad, las pilas de combustible microbianas se utilizan principalmente en laboratorios de investigación para generar electricidad. Para que en el futuro puedan considerarse aplicaciones industriales, las pilas de combustible deben seguir desarrollándose para que puedan producir cantidades de electricidad superiores a las actuales. En un reciente estudio publicado en la revista "Biotechnology for Biofuels and Bioproducts", un equipo de investigación de la Universidad de Bayreuth ha investigado los factores que intervienen en este sentido. La elección del material de los electrodos resulta especialmente importante para aumentar la estabilidad y el rendimiento.
Meshack Imologie Simeon M.Sc., Universidad de Bayreuth, investiga las pilas de combustible microbianas para el tratamiento de aguas residuales y la generación de electricidad.
UBT / Chr. Wißler
El circuito eléctrico de las pilas de combustible microbianas se mantiene en funcionamiento gracias al metabolismo de los microorganismos: Éstos se alimentan de compuestos orgánicos, liberando electrones que se transfieren al ánodo de la pila de combustible y de aquí al cátodo. En sus investigaciones para optimizar las pilas de combustible microbianas, el equipo de Bayreuth probó dos materiales de electrodo diferentes: Fieltro de carbono y malla de acero inoxidable modificada. Los mejores resultados se obtuvieron cuando los electrodos de las pilas se fabricaron con malla de acero inoxidable, cuya superficie se modificó con negro de humo altamente conductor y aglutinante polimérico respetuoso con el medio ambiente. La distancia óptima entre el ánodo y el cátodo era de unos cuatro centímetros. De este modo se generaron cantidades fiables de electricidad que pueden utilizarse en la práctica, por ejemplo, para alimentar sensores de vigilancia ambiental en regiones remotas, sin necesidad de conectarlos a la red eléctrica. Estas pilas de combustible también permiten descontaminar suelos contaminados con hidrocarburos de petróleo al tiempo que producen energía eléctrica. Como muestra el estudio, la eficacia de tales estrategias de desintoxicación puede aumentar considerablemente si se dispone de los electrodos adecuados para capturar los electrones metabólicos.
"El rendimiento significativamente mayor que pudimos conseguir con la pila de combustible microbiana utilizando los electrodos de nuevo desarrollo puede explicarse por el hecho de que este material proporciona una mayor superficie específica con la que pueden interactuar los microorganismos y características capacitivas para almacenar internamente la bioelectricidad. Por lo tanto, el número de electrones liberados por el metabolismo microbiano que entran en el circuito es particularmente alto aquí", afirma el primer autor del estudio, Meshack Imologie Simeon M.Sc. Como estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Ingeniería de Bioprocesos de la Universidad de Bayreuth, está investigando las posibilidades de producción de energía sostenible basada en la bioelectricidad. Entró en contacto por primera vez con científicos que trabajaban en este tema en Bayreuth cuando era estudiante de máster en la Universidad de Ibadán y ayudante de investigación en la Universidad Federal de Tecnología de Minna (Nigeria).
Como muestra el estudio, la estabilidad de las pilas de combustible y la cantidad de electricidad generada también se ven influidas por los intervalos de tiempo en que se alimenta a los microorganismos. La alimentación flexible en el tiempo, que entra en acción cuando se percibe un debilitamiento de la generación de energía, demostró ser especialmente eficaz. Se comprobó que contribuía más a aumentar el rendimiento de la pila de combustible que la alimentación regular a intervalos de tiempo iguales.
El equipo de investigación de Bayreuth realizó sus estudios con una pila de combustible basada en el suelo (Soil Microbial Fuel Cells): Este tipo de pila de combustible funciona con bacterias y otros microorganismos, como los que se encuentran en los suelos cultivables o forestales. Para identificar los distintos tipos de microorganismos que intervienen en la generación de energía en la pila de combustible, se tomaron secuencias de ADN microbiano de los electrodos. Estas secuencias se analizaron para determinar su origen bajo la dirección del Dr. Alfons Weig en el Laboratorio Central de Análisis de ADN de la Universidad de Bayreuth. Las proteobacterias representaban la mayor proporción, pero otra cepa bacteriana - Firmicutes - también estaba representada con frecuencia.
"Nuestros estudios demuestran que los suelos naturales contienen una mezcla de distintas cepas bacterianas capaces de transferir electrones directamente y que pueden utilizarse en pilas de combustible para generar bioelectricidad. Hasta donde hemos podido determinar, la proporción de estas cepas en la mezcla no tiene una influencia significativa en la estabilidad y el rendimiento de la pila de combustible. La mayor influencia la ejercen los materiales de los electrodos, de los que dependen la resistencia óhmica en el circuito y la capacidad eléctrica de las pilas de combustible", subraya la Prof. Dra. Ruth Freitag, Catedrática de Ingeniería de Bioprocesos de la Universidad de Bayreuth.
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Publicación original
Imologie Meshack Simeon, Alfons Weig and Ruth Freitag: Optimization of soil microbial fuel cell for sustainable bio-electricity production: combined efects of electrode material, electrode spacing, and substrate feeding frequency on power generation and microbial community diversity. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (2022) 15:124
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