Células de Electrosíntesis Microbiana: Energía renovable eficiente y sostenible mediante biotecnología, aprovechando microbios para generar electricidad limpia.
Células de Electrosíntesis Microbiana | Energía Renovable, Eficiencia y Biotecnología
La búsqueda de fuentes de energía renovable y sostenibles ha llevado a la exploración de diversas tecnologías emergentes. Una de estas tecnologías es la de las células de electrosíntesis microbiana (MEC, por sus siglas en inglés), que combina principios de la microbiología, electroquímica y biotecnología para producir energía limpia. En este artículo, exploraremos los fundamentos de las MEC, las teorías utilizadas, algunas fórmulas asociadas y su potencial en el contexto de la energía renovable.
Fundamentos de las Células de Electrosíntesis Microbiana
Las MEC son dispositivos que utilizan microorganismos para convertir energía eléctrica en compuestos químicos útiles o biocombustibles mediante procesos de reducción electroquímica. Estos microorganismos actúan como biocatalizadores en la que la energía eléctrica es suministrada a la célula, fomentando la síntesis de productos químicos a partir de dióxido de carbono (CO2).
Un sistema básico de MEC consta de dos electrodos: un ánodo y un cátodo. El ánodo suele estar integrado en un medio donde los microorganismos electroactivos pueden oxidar compuestos orgánicos, generando electrones y protones. Estos electrones viajan a través de un circuito externo hacia el cátodo, donde ocurren reacciones de reducción electroquímica facilitadas por los microorganismos en dicho electrodo.
Microorganismos Electroactivos
Los microorganismos electroactivos son esenciales para el funcionamiento de las MEC. Estos microorganismos tienen la capacidad de transferir electrones hacia o desde un electrodo, un proceso conocido como transferencia extracelular de electrones (EET, por sus siglas en inglés). Entre los microorganismos más comunes que participan en estas reacciones se encuentran las bacterias del género Geobacter y Shewanella.
Reacciones Electroquímicas en las MEC
Las reacciones electroquímicas en una MEC pueden describirse simplificadamente mediante las siguientes ecuaciones:
- En el ánodo (oxidación):
- En el cátodo (reducción):
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e–
CO2 + 4H+ + 4e– → CH4 + 2H2O
En el ánodo, una molécula orgánica como la glucosa (C6H12O6) se oxida a dióxido de carbono (CO2), y en el cátodo, el dióxido de carbono es reducido, bajo la acción de los microorganismos y los electrones, a un biocombustible como el metano (CH4).
Teorías Utilizadas en las MEC
La teoría principal detrás de las MEC es la electroquímica microbiana, la cual combina conceptos de la microbiología y la química electroquímica. Algunos de los conceptos clave incluyen:
- Potenciales Redox: El potencial redox es una medida de la tendencia de una sustancia a ganar o perder electrones. En las MEC, los microorganismos facilitan la transferencia electrónica entre un donante orgánico y un aceptador (el electrodo).
- Capacidad de Transferencia de Electrones: La capacidad de los microorganismos para transferir electrones a través de sus membranas hacia un electrodo es central en el diseño y la eficiencia de las MEC.
- Resistencia Interna: La resistencia al flujo de electrones dentro de la célula afecta la eficiencia de la conversión de energía. Un diseño adecuado de los materiales y la configuración de los electrodos puede reducir esta resistencia.
El modelo matemático para la eficiencia de una MEC puede representarse mediante la ecuación de Butler-Volmer, que describe la densidad de corriente en función del potencial aplicado y los parámetros cinéticos de las reacciones redox del sistema microbiano:
j = j0 * [exp((1-α) * F * η / R * T) – exp(-α * F * η / R * T)]
donde:
- j es la densidad de corriente.
- j0 es la densidad de corriente de intercambio.
- α es el coeficiente de transferencia de carga.
- F es la constante de Faraday.
- η es el sobrepotencial.
- R es la constante de los gases.
- T es la temperatura absoluta.
La eficiencia de conversión de energía en las MEC también depende de la cinética de transferencia de electrones entre los microorganismos y los electrodos, así como de la resistencia ohmica del sistema y las posibles pérdidas por difusión de masas.
Aplicaciones de las MEC en Energía Renovable
Las MEC tienen un vasto potencial de aplicaciones en el campo de la energía renovable debido a su capacidad para convertir recursos biológicos en productos químicos valiosos y biocombustibles. Algunas de las aplicaciones más prometedoras incluyen:
- Producción de Hidrógeno: A través de la reducción electroquímica del agua en el cátodo, las MEC pueden generar hidrógeno, una fuente de energía limpia que puede utilizarse en celdas de combustible.
- Tratamiento de Aguas Residuales: Las MEC pueden tratar aguas residuales al oxidar materia orgánica y al mismo tiempo generar energía, haciendo el proceso sostenible.
- Producción de Biocombustibles: La reducción electroquímica del CO2 en el cátodo puede producir metano y otros hidrocarburos, que pueden ser utilizados como combustibles.