Pilas de combustible microbianas de agua residual. Un poco de historia.

Las pilas de combustible microbianas (Microbial Fuel Cells, MFCs) son sistemas bioelectroquímicos capaces de digerir un amplio rango de sustancias orgánicas, incluyendo distintos tipos de aguas residuales, y generar energía eléctrica en ese proceso de digestión. En el caso de aguas residuales esto equivale a decir que las MFCs son capaces de reducir la demanda química de oxígeno del agua al tiempo que producen electricidad a partir de esa materia contaminante eliminada.

[Amor Larrosa Guerrero, IMDEA AGUA]

Las reacciones que tienen lugar en el sistema son la oxidación de materia orgánica en el ánodo y reducción de un oxidante (e.g. oxígeno) en el cátodo. En la cámara anódica todos los contaminantes orgánicos presentes en el agua residual pueden potencialmente ser oxidados por la microflora presente y actuar como dadores de electrones para el circuito de la pila.

El lugar de las MFCs en una planta de tratamiento de aguas está en la etapa de tratamiento secundario o biológico, en su versión anaerobia; bien sea sustituyendo o bien complementando a tratamientos anaerobios actuales. Una combinación de MFCs y tratamiento anaerobio tradicional, situando cada uno de ellos en el punto de la planta donde las características del influente contribuyen a que el proceso se desarrolle de forma óptima en cada uno de los sistemas, parece la opción más efectiva. Las MFCs por ejemplo, responden a bajas concentraciones de materia orgánica y a bajas temperaturas más eficazmente que la digestión anaerobia no electrogénica (Rabaey et al., 2007; Rozendal et al., 2008). En comparación con otras tecnologías de depuración anaerobia de aguas las MFCs generan menor cantidad de fangos con el consiguiente ahorro en costes que el tratamiento y eliminación de éstos ocasionan, además de aumentar la velocidad de depuración (velocidad de digestión de la materia orgánica contaminante) del agua y reducir (por la generación de electricidad) de aporte externo de energía necesario para los distintos procesos de depuración. Aunque aún en plena etapa de desarrollo (primeras pruebas con agua residual en el 2001), la tecnología de pilas de combustible microbianas puede ser una aportación significativa en el camino hacia una gestión de la salubridad de las aguas servidas cada vez más sostenible y asequible. (Aelterman et al., 2006)

 En 1910, el botánico inglés M.C. Potter llevó a cabo el primer intento de utilizar microbios para producir electricidad (Potter, 1910). Sus resultados fueron ampliamente difundidos en 1931 cuando el químico americano B. Cohen, apoyándose en el conocimiento generado por sus colegas investigadores durante el siglo previo, creó las primeras medias pilas microbianas, que conectadas en serie fueron capaces de proporcionar un voltaje de 35v a una corriente de 2mA (Cohen, 1931)

Durante los años 1950 y 1960, en paralelo al primer proyecto de pila de combustible de hidrógeno, algunos programas espaciales lanzados por los Estados Unidos dieron lugar a una etapa de desarrollo de las pilas de combustible microbianas como posible sistema de gestión de residuos orgánicos en lanzamientos espaciales. Al mismo tiempo, la creación de sistemas de abastecimiento energético para marcapasos utilizando biopilas de combustible, utilizando enzimas aisladas, empezó a ser también objeto de proyectos de investigación (Bullen et al., 2006).

El primer prototipo de pila de combustible microbiana (microbial fuel cell, MFC) similar a las configuraciones actuales fue lanzado por S. Suzuki en 1973. Al final de la década de los 70,  se generó el primer modelo computacional de pila de combustible biológica (di Salvo et al., 1979 a y b).

En la década de los 80, el interés alrededor de las pilas de combustible microbianas creció de forma significativa y las bases reguladoras del consorcio microbiano como catalizador anódico empezaron a ser investigadas en trabajos llevados a cabo con cultivos puros, mediadores para la transferencia de electrones entre bacterias y electrodos y fuentes de carbono no complejas (Bennetto Delaney and Mason, 1985; Thurston et al., 1985; Delaney et al., 1984; Roller et al., 1984; Bennetto et al., 1983; Stirling et al., 1983; Tanaka et al., 1983; Suzuki and Aizawa, 1980). Durante los años 90 la avidez por una mejor comprensión de estos sistemas hizo proliferar la experimentación con distintas configuraciones de reactor y combinaciones de fuentes de carbono, y las eficiencias coulombicas conseguidas aumentaron de forma considerable (Cooney et al., 1996; Bennetto H.P., 1990). En esta etapa, microorganismos capaces de transferir por sí mismos (sin mediadores) los electrones al electrodo como aceptor final fueron identificados, se exploraron distintas aplicaciones de las MFCs como biosensores (Kim et al., 1999) y se generaron nuevos modelos del proceso (Zhang and Halme, 1995). En esas dos décadas (80s y 90s) el trabajo de M.J. Allen and H.P. Bennetto es especialmente notable. Ellos empezaron a concebir los sistemas MFC como una opción complementaria para la generación de electricidad, especialmente en países en desarrollo (Bennetto, 1993).

Desde el principio del siglo XXI, fuentes de carbono tan complejas como el agua residual o los purines se consideraron como posibles combustibles para estos sistemas y fueron testadas con éxito. Se demostró que es posible depurar el agua residual y extraer simultáneamente energía de la materia orgánica contaminante en ella (Scott and Murano, 2007; Aelterman et al., 2006; You et al., 2006b; He et al., 2005; Min et al., 2005; Logan, 2004; Park and Zeikus, 2001).

En la actualidad grupos de investigación de todo el mundo trabajan en el análisis y desarrollo de esta tecnología que, por su naturaleza, se da de forma interdisciplinar, incluyendo desde aspectos de biología molecular (Lovley, 2006; Bond and Lovley, 2005; Rabaey et al., 2004; Rabaey et al., 2005; Rabaey et al., 2007; Kim et al., 2002) a cuestiones de electroquímica e ingeniería (Ieropoulos et al., 2005a; Ieropoulos et al., 2005b; Menicucci Jr et al., 2005; Liu et al., 2004; Oh et al., 2004). Figura 1.

Figura 1. Esquema general de los principales retos en el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible microbianas para el tratamiento de agua residual y técnicas empleadas para la comprensión y evolución de la misma.

La primera MFC a escala piloto fue instalada en 2007 en Brisbane, Australia (Chem.Eng., 2007) y pequeñas empresas empiezan a emerger fruto del avance de esta tecnología (i.e. Emefcy. Bioenergy systems)

En los últimos años el número de publicaciones en este área de investigación ha crecido de forma exponencial y el fenómeno de bioelectrogénesis ha dado lugar a variantes de las MFCs con distintas aplicaciones como eliminación de otros contaminantes en el agua residual (i.e. nitritos, sulfatos), biorremediación de suelos, la síntesis de compuestos o la desalación de aguas acoplada a la depuración de residuos (Boltes K. Et al., 2012; Cao et al, 2009).

 REFERENCIAS

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