Microorganismos que generan hidrógeno

Un estudio concluye que las células de electrolisis microbianas son un prometedor acercamiento para la producción de hidrógeno como fuente de energía renovable y sostenible.

 

[Carmen M. Pérez]

Haciendo una revisión de los materiales, arquitecturas, rendimiento y eficacia energética de las nuevas células de electrolisis microbianas (MECs), se ha encontrado que los sistemas MECs  puedan convertir de forma eficiente una amplia gama de materia orgánica en hidrógeno, y por tanto, disponemos de una tecnología prometedora para la producción de hidrógeno, a partir de materias primas orgánicas.

 

Sin embargo los investigadores han concluido que hay una serie de preguntas pendientes que deben resolverse para que los MECs se conviertan en una tecnología madura para la producción comercial de hidrógeno. Esto se publicó online el día 1 de noviembre en la revista Environmental Science & Technology, de la ACS.

 

Hace varios años dos grupos de investigación descubrieron de forma independiente que las bacterias podían utilizarse para generar hidrógeno a partir de los procesos de electrolisis basados en las células de combustible microbianas (MFCs). Un grupo fue dirigido por el doctor Bruce E. Logan del estado de Pensylvania, y el otro por el doctor René A. Rozendal de la Universidad de Queensland (Australia)

 

El sistema MEC consiste en un reactor de electrolisis que produce hidrógeno, mientras que una MFC es una célula de combustible que produce electricidad.

 

En una célula de combustible microbiana (MFC), las bacterias oxidan la materia orgánica liberando dióxido de carbono y protones dentro de la disolución y electrones en uno de los electrodos (ánodo). Los electrones fluyen desde el ánodo a través de un circuito eléctrico al cátodo donde se utilizan para la reducción del oxígeno. Cuando el oxígeno está presente en el cátodo, se produce una corriente, pero si no hay oxígeno, la generación de corriente no es espontánea. Sin embargo, esta corriente puede generarse si se aplica un pequeño voltaje (>0.2 V) entre el ánodo y el cátodo, produciéndose hidrógeno en el cátodo a partir de la reducción de los protones (Figura 1). El sistema basado en este proceso se denomina células de electrolisis microbianas.

 

Figura 1.- Esquema de dos sistemas MECs A) dos células; B) una célula simple sin membrana. Las bacterias (óvalos verdes), crecen en el ánodo y donan electrones, pero también puede funcionar como biocatalizador en el cátodo (óvalos verdes punteados). En el primer caso el C02 y el H2 son recogidos en la parte alta del ánodo y el cátodo respectivamente, sin embargo en el caso B) ambos gases son recogidos en la parte alta del ánodo.

 

 

Los sistemas MEC se basan en una serie de componentes:

 

-Microorganismos: Algunos autores señalan que se sabe poco acerca de la composición de las comunidades microbianas en los sistemas MECs. El único estudio de una comunidad microbiana en un sistema MEC encontró que la Pseudomonas spp. y la Shewanella spp. estaban presentes en el ánodo. También se han observado microorganismos que se acoplan al cátodo, pero no está claro en qué medida afecta a la función del MEC.

 

Figura 2.- La bacteria puede transferir electrones directamente al electrodo.

 

Otra cuestión a resolver es que las altas concentraciones de hidrógeno también favorecen el crecimiento de “methanogens”, reduciendo la producción de hidrógeno y contaminando el producto con metano.

 

-Materiales: El material del ánodo en un MEC puede ser el mismo que en una MFC (p.e. carbono, grafito, grafito granulado…). La producción de hidrógeno en un sistema MEC tiene lugar en el cátodo. Debido a que la evolución de hidrógeno desde los electrodos de carbono es muy lenta, se requiere un alto sobrepotencial para impulsar la producción de hidrógeno. Para reducir este sobrepotencial, generalmente se suele utilizar el platino como catalizador. Algunos autores han señalado algunos inconvenientes en cuanto al uso del platino, entre ellos el alto coste y el negativo impacto medioambiental ocasionados durante su extracción. Se está estudiando los biocátodos.

 

Otros materiales incluyen membranas (aunque algunos MECs no utilizan membrana), colectores y tubos de gases.

 

Entre las posibles fuentes de materia prima para los sistemas MECs están las aguas residuales y la biomasa celulósica.

 

Los sistemas MECs han alcanzado una densidad de corriente máxima de 186 A/m3. Según los autores este valor es mucho menor que los obtenidos a partir de las MFCs (5600 A/m3, 10 A/m2), pero es probable que con investigaciones futuras, se logrará un aumento de densidad de corriente con los MECs.

 

Los sistemas MECs muestran un alto rendimiento para la producción de hidrógeno ya que necesitan una parte relativamente pequeña de energía eléctrica de entrada. Debido a estas interesantes propiedades, los MECs  podrían llegar a ser una tecnología viable para producir hidrógeno como fuente renovable de energía, ya que entre sus aplicaciones más destacadas tenemos las del transporte y la industria.

 

Los combustibles para el transporte representan actualmente entre un 20 y un 25% del consumo mundial de combustibles fósiles. Debido al cambio climático y a la situación de inestabilidad en el mercado de los combustibles fósiles, existe un gran interés en el hidrógeno como combustible para el transporte (economía del hidrógeno). Por otra parte, incluso sin la economía del hidrógeno, existe una gran demanda del mismo.

 

En el año 2000, el consumo mundial de hidrógeno ya se estima  en 50 millones de toneladas por año, con cerca de dos tercios utilizados por la industria petroquímica. Este hidrógeno se utiliza para mejorar los combustibles fósiles y la síntesis de los productos químicos industriales como el amoniaco y el metanol. Otras industrias que consumen grandes cantidades de hidrógeno incluyen la industria alimentaria (la saturación de grasas y aceites) y la industria del metal (como un agente reductor para metales).

 

Los MECs pueden contribuir de manera significativa a estas demandas de hidrógeno mediante la producción de grandes cantidades de hidrógeno a partir de fuentes renovables como la biomasa y las aguas residuales. El concepto de estas nuevas células de electrolisis está demostrado y en pocos años se han hecho importantes avances con respecto a su desarrollo desde su descubrimiento.

 

Fuente: Bruce E. Logan, Douglas Call, Shaoan Cheng, Hubertus V. M. Hamelers, Tom H. J. A. Sleutels, Adriaan W. Jeremiasse, and René A. Rozendal. “Microbial Electrolysis Cells for High Yield Hydrogen Gas Production from Organic Matter”. Environ. Sci. Technol., 2008, 42 (23), 8630-8640.

 

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Comentarios

Me interesa mucho el tema de combustibles alternativos y en este caso la produccion de hidrogeno fotobiologica aparte de las Pseudomonas spp. y Shewanella spp. se sabe de alguna otra especie que produzca nitrogeno? y que especies se alojan en el catodo?. Gracias y felicitaciones por sus avances en este campo.

Atentamente

Julio Piedra.

La evolución que han tenido estas células de electrolisis microbianas (MECs), ha llegado a un nuevo punto que hace casi obsoletos los anteriores, consiste que en vez de producir hidrógeno producir combustible por modificación genética de estos microorganismos, que en este caso son los precursores de la terra-formación, a como es en la actualidad. Así estos organismos la energia que necessitan la obtienen por fotosintesis y a cambio crecen para dar más combustible. Para volver a las condiciones de CO2 de hace unos 100 años se pueden obtener billones de litros de combustibe y a la vez el utilizado, que daria CO2 se vuelve a reutilizar. Con esto no desaparece por siempre la crisis energética. Estamos hablando de estructuras vivas que sólo necesitan CO2 y humedad, que és lo que tenemos o podemos tener en la mayoria de nuestros entornos, sólo que estos huertos crecen y aumenta su producción.- http://www.agrodigital.com/PlArtStd.asp?CodArt=68590

Es interesante esta noticia, en lo personal hace mucho tiempo con un grupo de alumnos logramos procesar basura o RSM (residuos sólidos municipales)en un biodigestor y obtubimos biogas (metano) biol y biosol en un medio anerobio, con bacterias termofílicas y mesofílicas pero en ente caso veo que se puede llegar a producir o bien electricidad o hidrogeno, seguramente se tendra que tendra que hacer algunas adaptaciones para dirigir la digestión a la producción de hidrogeno evitando entre en reacción con el carbono.

hola mi nombre es edwin estoi mui interezado en este sistema solo quiero saber que si la menbrana de intercanbio de iones tiene que ser de sierta clase o si es la normal que se encuentran en los filtros de purificasion de agua dicho en otras palabras puedo utilizar como menbrana una menbrana de purificasion de agua porfavor agradesco mucho su orientacion gracias

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