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Introducción
La demanda energética mundial depende actualmente en gran medida de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). La extracción y el consumo de estos combustibles tienen un impacto negativo en el medio ambiente, provocando un aumento en las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) 1), (2), (3.
El crecimiento económico mundial está directamente relacionado con la demanda y el consumo de energía. Actualmente se tiene un desabasto de energía a nivel mundial evidenciado especialmente en términos de transporte, industria y hogar. Por estas y otras razones, investigadores de todas las naciones preocupados por el abastecimiento de combustibles y la sostenibilidad del planeta, han dedicado esfuerzos al estudio de Nuevas Fuentes de Energía Renovable (NFER). Las energías eólica, geotérmica, hidráulica y solar son Fuentes de Energía Renovable (FER) ubicadas en zonas con alto potencial de implementación.
Las zonas geográficas para la instalación y producción de FER deben tener condiciones climáticas favorables para su desarrollo y de esta forma garantizar el suministro de energía actual y futura 4), (5), (6. La preocupación por la crisis energética, los cambios ambientales y la dependencia de las FER de las condiciones climáticas de las zonas de ubicación han traído al foco de atención internacional las NFER. Una de las tecnologías más recientes planteadas en Foros Internacionales son las celdas de combustible microbianas (CCM) 7), (8), (9.
Las CCM son dispositivos que convierten la energía química de un sustrato en energía eléctrica debido a la acción biocatalizadora de microorganismos. Esta nueva tecnología proporciona energía, con perspectivas de desarrollo y se considera amigable con el medio ambiente 10. De manera general una CCM, es un biorreactor electroquímico, también conocido como biobatería o biopila. Una batería es un reactor electroquímico (celda galvánica) donde a partir de reacciones químicas espontáneas se produce energía eléctrica. La celda galvánica es un sistema electroquímico que consta de un par de reacciones químicas, conocido como reacciones REDOX. En el par redox, un agente reductor es capaz de perder electrones y producir una especie oxidada. Los electrones son tomados por un agente oxidante y se obtiene una especie reducida. Ambas reacciones deben ocurrir simultáneamente. El flujo de electrones que ocurre de una especie a otra da lugar a una corriente eléctrica que puede ser aprovechada 11), (12.
En el caso de las CCM los microorganismos son los principales responsables de ceder los electrones al sistema electroquímico mientras otra especie química los toma para asegurar la reacción complementaria del par redox. Para que ocurra la transferencia de electrones se necesita que las especies donadora y receptora estén en contacto con un material conductor, llamado electrodo. El electrodo que capta los electrones desde el donador es conocido como ánodo. Los electrones viajan a través de cables conductores mediante un circuito externo y llegan al electrodo que los recibe, conocido como cátodo 13), (14.
Los electrones cedidos por los microorganismos son obtenidos a partir de los procesos metabólicos de estos, específicamente la oxidación de un sustrato. Se han detallado el uso de numerosos sustratos empleados en CCM como sustratos convencionales 15, aguas residuales 16), (17, lodos activados o anaerobios 18), (19 o cualquier otro tipo de materia orgánica. La materia orgánica es considerada como un componente importante en la fertilidad de los suelos por su aporte de minerales y nutrientes en suelos. Estos componentes aportan energía a los microorganismos que habitan en suelos y sedimentos. Además, se conoce que los minerales y nutrientes son acarreados mediante la acción fluvial de drenajes naturales como arroyos, ríos y finalmente se depositan en los mares, lo cual lleva a pensar que involucra funciones de tipo biológico, químico y físico 20), (21.
El uso de sedimentos como sustrato en CCM es una tecnología innovadora, llamada celda de combustible microbiana de sedimentos (CCM-S). La comunidad microbiana presente de forma natural en los sedimentos de ambientes marinos y fluviales puede generar energía eléctrica 22), (23), (24. Una CCM-S funciona al introducir el ánodo en el sedimento conectado a un circuito eléctrico externo que llega al extremo de conexión con el cátodo. Por su parte, el cátodo se encuentra sumergido o semisumergido en el electrolito, que en muchas ocasiones se emplean aguas tomadas del área donde se obtuvieron los sedimentos.
Al interior de la CCM-S tienen lugar reacciones tanto bioquímicas como electroquímicas; primero la oxidación bacteriana provenientes de la materia orgánica contenida en el sedimento conlleva a la producción de electrones, estos son captados por el ánodo y posteriormente fluyen a través de un circuito eléctrico externo hasta llegar al cátodo. En la superficie del cátodo los electrones entran en contacto con el O2 y en presencia de protones (H+) toma 4 electrones del medio para formar H2O (Ecuación 1) (Figura 1) 25), (26), (27), (28.
Numerosos autores han referido la posibilidad de obtener energía eléctrica a partir de sedimentos. Los trabajos reportados han abordado las investigaciones desde diferentes puntos de vista tales como origen del sedimento, materiales de electrodo, tipo de celda empleada, entre otros. La Tabla 1 muestra algunas de las investigaciones más relevantes en ese sentido.
Tabla 1 Producción de energía recuperada en CCM-S.
| No.1 | Tipo de Celda | Material anódico | Origen del sedimento | Energía producida | Ref. |
| 1 | No Dividida | Placa de Grafito | Sedimentos Marinos | Densidad de corriente 0.67 mA | 21 |
| 2 | No Dividida | Placa de Grafito | Sedimentos Agrícolas | Densidad de potencia 22.19 mW m-2 | 27 |
| 3 | No Dividida | Fieltro Fibra de Carbono | Sedimentos Agrícolas | Densidad de potencia 73 mW m-2 | 29 |
| 4 | No Dividida | Cepillo de Fibra de Carbono | Sedimentos Fluviales | Eficiencia coulómbica 0.56 ± 0.26 V | 30 |
| 5 | No Dividida | Fieltro de Fibra Carbono | Sedimentos Fluviales | Densidad de potencia 28 mW m-2 ± 4 mW m-2 | 31 |
Los resultados resumidos en la Tabla 1 demuestran que las CCM-S no divididas son las que se han empleado con mayor frecuencia debido a ser una configuración sencilla y de fácil implementación y bajos costos al no incluir una membrana de intercambio 32), (33. De la Tabla 1 también destaca que los materiales de carbono se han utilizado ampliamente para la fabricación de electrodos en CCM-S.
Dentro del diseño y configuración de electrodos a base de este tipo de material se pueden identificar subgrupos de acuerdo a la estructura física-química del material. Por ejemplo, materiales de forma plana como la placa de grafito tienen una estructura compacta y una superficie relativamente lisa, lo que puede facilitar la medición cuantitativa de la biomasa por unidad de área en la superficie del electrodo 34. Por otro lado, los materiales como el fieltro y la fibra son más flexibles y porosos, lo que permite una mayor superficie para el crecimiento microbiano 29.
Por último, los materiales 3D como el cepillo de fibra de carbono logra una mayor área superficial, ya que al contar con porosidades grandes se logra tener una buena difusión del sustrato en el interior del cepillo con mayor capacidad de corriente 30. La Figura 2 evidencia la proporción del uso de materiales de carbono que se ha encontrado en los reportes de CCM-S.
Si bien se ha demostrado que es posible la producción de electricidad en este tipo de celdas la cantidad de energía que se obtiene es muy baja (Tabla 1). Al dia de hoy las investigaciones para aumentar la densidad de potencia y por tanto, la eficiencia, en estos tipos de dispositivos sigue siendo de interés por parte de la comunidad científica. Se ha comprobado que el tipo y calidad de sustrato empleado, la comunidad microbiana y la arquitectura de las celdas, son aspectos fundamentales para incrementar la eficiencia de las CCM-S. Sin embargo, además de los anteriores, el estudio de los materiales de electrodos ha recibido una gran atención. Variaciones en el tipo de material, formas geométricas y ubicación dentro de las celdas han demostrado que tienen un impacto directo sobre la producción de energía, debido a que se favorece, entre otras cosas, la cinética del par REDOX. Por ello es importante el estudio de nuevos materiales, así como sus formas y en especial la ubicación dentro de las CCM, para hallar los mejores y aumentar la potencia de salida de las estas 22), (35), (36.
La presente investigación se enfocó en el estudio de la influencia de la distribución geométrica de dos cátodos en la producción de energía eléctrica de una CCM-S. Para esto dos celdas idénticas fueron diseñadas solamente cambiando el área y posición geométrica de los cátodos de ambas celdas. A partir de los resultados obtenidos se realizó un análisis estadístico para seleccionar el cátodo de mayor producción de energía.
2. Metodología experimental
2.1 Muestra de sedimento
Para llevar a cabo el presente estudio se colectaron muestras de agua y sedimento del rio Culiacán (X: 241286 y Y: 2743591 UTM (Universal Transverse Mercator)). Los sedimentos fueron colectados a una profundidad de 20 cm por debajo de la interfaz agua-sedimento dentro del río. El agua fue colectada de las zonas donde se tomaron los sedimentos. Para su traslado al laboratorio y su preservación todas las muestras fueron conservadas a 4 °C.
2.2 Sistema experimental
Para realizar el trabajo experimental se diseñó una CCM-S con dos cátodos diferentes. Se empleó un biorreactor de material tipo PET de volumen total 2300 ml, el volumen de trabajo, considerado de manera general, fue de 2000 l, donde 1500 g correspondieron al sedimento y 500 ml de agua proveniente del cuerpo de agua del Río Culiacán. Se seleccionó una Fibra de Carbono Unidireccional (FCU) 12 K como material de electrodo debido a su bajo costo, alta capacidad de transferencia de electrones, alta eficiencia en la producción de energía y alta resistencia a las condiciones ambientales a largo plazo. El ánodo se fabricó con un área total de 81.0 cm2 y en el caso del cátodo se diseñaron dos tipos: el primero se fabricó con un área total de 81 cm2, para mantener una relación con el área anódica (1:1), para el segundo se redujo la relación A.ánodo/A.cátodo a (2:1) con un área total de 40.5 cm2. Dentro de la celda el ánodo se colocó de forma horizontal enterrado en el sedimento a una distancia de 3 cm del fondo, en ambos casos. Por su parte, el primer cátodo se sumergió completamente en el electrolito colocado de forma vertical con respecto a la superficie del electrolito (celda CCM-S/1a) (Figura 3a), mientras el segundo cátodo se colocó de forma horizontal parcialmente sumergido en la interfase electrolito/aire (celda CCM-S/1b) (Figura 3b). Todos los electrodos se reforzaron con barras de grafito para darle estabilidad a la FCU. Para hacer la conexión eléctrica del circuito externo cada extremo de electrodo se conectó a un multímetro a través de un alambre de cobre.
2.3 Condiciones experimentales
Los experimentos se siguieron durante 40 días, se midió la diferencia de potencial eléctrico de las dos celdas estudiadas. Toda la experimentación se realizó en el laboratorio a temperatura ambiente. Los estudios de cada celda se realizaron por duplicado y se trabajó con el promedio de los valores de cada una de las celdas.
2.4 Análisis estadístico
Para determinar y corroborar cuál de las dos CCM-S tuvo un mejor desempeño en cuanto a la producción de energía eléctrica se realizó un análisis estadístico empleando el software R versión 4.0.5 37. Ambas distribuciones de voltaje se caracterizaron empleando técnicas de estadística descriptiva. La existencia de diferencias significativas entre la producción de energía de ambas celdas se comprobó mediante un análisis de varianza avanzado empleando estadística robusta para tratar la falta de normalidad de las distribuciones 38. Se utilizó el test de Welch, se obtuvo el valor de sus estadísticos Fwe y el p-valores de cada análisis con un nivel de confianza del 95%. Comparaciones robustas Lincon fueron usadas para pruebas post hoc.
3. Resultados y Discusión
3.1 Influencia del diseño catódico en la producción de energía CCM-S/1a y CCM-S/1b
Para evaluar la producción de energía eléctrica de sedimentos fluviales y la influencia del diseño catódico se estudiaron dos celdas con cátodos diferentes. En la celda CCM-S/1a el cátodo se colocó sumergido de forma vertical con un área total de 81cm2. Mientras en la celda CCM-S/1b el cátodo se colocó parcialmente sumergido de forma horizontal con un área total de 40.5 cm2. Los resultados demostraron que es posible producir energía eléctrica a partir de sedimentos obtenidos del Río Culiacán. En ambas celdas se identificó un período de adaptación durante los primeros dias, tal y como lo plantean 39 en su reporte. La CCM-S/1a inició con un voltaje de 37.8 mV en el día cero, alcanzando un voltaje máximo de 513.0 mV el día 25, luego alcanza un mínimo sin embargo se recupera hasta 504.8 mV y finalmente decae hasta un voltaje final de 12.0 mV al día 40. Por su parte, la CCM-S/1b comenzó con un voltaje de 156.0 mV en el día cero logrando un voltaje máximo el día 35 con 664.7 mV. Es importante señalar que al finalizar el experimento el día 40, los valores de voltaje de la celda CCM-S/1b se sostenían con un valor medio de 556.8 mV a diferencia de la CCM-S/1b en la cual no fue posible sostener una media máxima de voltaje luego de su punto máximo. La Figura 4 muestra el comportamiento de la producción de energía para ambas celdas de estudio. Los resultados logrados en la investigación son similares a resultados reportados por 40 donde los autores obtuvieron un voltaje a circuito abierto de 515 mV empleando un consorcio bacteriano halófilo en una CCM alimentada con aguas residuales de la industria pesquera. Por otra parte, los voltajes de ambas celdas son superiores al mayor voltaje obtenido por 25 donde solo alcanzaron un promedio de 280 mV en una CCM-S de sedimentos marinos.
Figura 4 Voltaje producido por una CCM-S alimentada con sedimentos fluviales del Río Culiacán, electrodos de FCU 12K. (○) CCM-S/1a cátodo vertical completamente sumergido con Aánodo 81 cm2 y Acátodo 81 cm2. (■) CCM-S/1b cátodo horizontal parcialmente sumergido con Aánodo 81.0 cm2 y Acátodo 40.5 cm2.
Durante el tiempo de experimentación se comprobó una variabilidad en el voltaje, particularmente en la celda CCM-S/1a, este comportamiento puede estar relacionado con la propia naturaleza dinámica del sedimento 41. Además en los sedimentos coexisten múltiples comunidades microbianas que tienen fases de adaptación, crecimiento y muerte diferentes, provocando variación en la energía producida por las celdas. Por otra parte en la celda CCM-S/1b se evidencia una tendencia a lograr períodos de estabilidad de voltaje mayor lo cual es favorable para plantear estrategias ingenieriles de implementación. Tomando en cuenta que ambas celdas fueron mantenidas en condiciones similares el comportamiento del voltaje en la celda CCM-S/1b indica que la distribución geométrica del cátodo mejora el desempeño del dispositivo. La idea anterior también fue reportada por 42, los autores demostraron que al sustituir el material catódico, carbón vegetal por carbón activado, la producción de electricidad fue incrementada debido a que se favoreció la reducción del oxígeno.
Como se evidencia en la Figura 4 existen diferencias entre los valores de diferencia de potencial eléctrico producidos por cada una de las celdas. La CCM-S/1a con el cátodo totalmente sumergido alcanzó valores menores de voltaje durante todo el tiempo que se llevó a cabo el experimento, incluso teniendo un área catódica similar a la anódica y siendo el doble del área del cátodo de la celda CCM-S/1b. Además, se observó una gran variabilidad en su producción de voltaje evidenciado por la presencia de varios máximos y mínimos en su gráfica. Por el contrario, la CCM-S/1b demostró una mayor estabilidad en su producción de voltaje, se observa un mínimo en los primeros días de seguimiento que puede estar asociado a la adaptación de la comunidad microbiana a la restricción de sustrato disponible en el sedimento. Además, se lograron mayores valores de voltaje incluso con una relación Aánodo/Acátodo de (2:1) (Figura 5). Al comparar los valores de voltaje obtenidos para cada celda se demuestra que la producción de energía eléctrica está influenciada por el diseño del cátodo. El cátodo parcialmente sumergido favorece la reducción del oxígeno a agua debido a que se elimina del sistema la trasferencia de masa del aceptor de electrones a través del electrolito, por tanto, se aumenta la velocidad de la reacción catódica y con esto la producción de electricidad 43.
Figura 5 Relación entre Aánodo/Acátodo y voltaje de una CCM-S de sedimentos fluviales del Río Culiacán, electrodos de FCU 12K. (■) CCM-S/1a cátodo vertical completamente sumergido con Aánodo 81 cm2 y Acátodo 81 cm2. (■) CCM-S/1b cátodo horizontal parcialmente sumergido con Aánodo 81.0 cm2 y Acátodo 40.5 cm2.
3.1. Análisis estadístico
A partir de los resultados obtenidos de voltaje para cada CCM-S se realizó un análisis estadístico detallado. La Tabla 2 muestra un resumen de los valores descriptivos de la distribución para cada CCM-S, donde Q1 y Q3 son el primer y tercer cuartil, respectivamente. Los valores demuestran que la media de producción de voltaje para la celda con el cátodo horizontal parcialmente sumergido es un 14% mayor que la media de producción de voltaje para la celda con el cátodo vertical sumergido. Este mismo comportamiento es observado para los máximos voltajes alcanzados en cada CCM-S.
Tabla 2 Estadística descriptiva para las distribuciones de voltaje de las CCM-S
| Celda | Cátodo | Mínimo (mV) | Q1 (mV) | Mediana (mV) | Media (mV) | Q3 (mV) | Máximo (mV) | Desviación estándar (mV) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CCM-S/1a | Vertical sumergido | 12.2 | 199.9 | 343.9 | 298.0 | 385.4 | 513.0 | 163 |
| CCM-S/1b | Horizontal parcialmente sumergido | 156 | 288.4 | 368.5 | 400.2 | 504.2 | 664.7 | 142 |
Para realizar el análisis de varianza de un solo factor primeramente se comprobaron los supuestos de normalidad y homocedasticidad para las distribuciones de voltaje de cada CCM-S. Las Figuras 6 y 7 muestran los resultados obtenidos mediante el gráfico de normalidad y el gráfico de cajas y bigotes, respectivamente. Se encontró que no existe normalidad de los datos ya que los puntos no están en la diagonal del gráfico de normalidad, además los histogramas de distribución de frecuencia de los voltajes para cada biorreactor no coinciden con la forma de una distribución normal (Figura 8). Así mismo, el gráfico de cajas y bigotes muestra diferencia entre las cajas por lo que no se puede admitir una varianza común.
Figura 6 Gráficos de normalidad para las distribuciones de voltaje de las CCM-S. (1a) cátodo vertical sumergido. (1b) cátodo horizontal parcialmente sumergido.
Figura 7 Gráfico de cajas y bigotes para las distribuciones de voltaje de las CCM-S. (1a) cátodo vertical sumergido. (1b) cátodo horizontal parcialmente sumergido.
Figura 8 Histogramas de frecuencia para las distribuciones de voltaje de las CCM-S. (1a) cátodo vertical sumergido. (1b) cátodo horizontal parcialmente sumergido.
Al comprobar que las distribuciones de voltaje no cumplen con los supuestos para un análisis de varianza simple se realizó un ANOVA avanzado. Se comprobó que existen diferencias significativas entre las medias de distribución de voltaje de las CCM-S. La Tabla 3 muestra los resultados obtenidos para el test de Welch donde se obtuvo un p-valor menor a 0.05 lo cual indica que se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa de la existencia de diferencia entre la media de los grupos.
Tabla 3 Resultados del ANOVA avanzado realizado mediante el test de Welch.
| TEST | No. Grupos | Fwe | G.L Tratamientos | G.L Residuos | p-value | Ajuste (%) |
| Welch | 2 | 6.570684 | 1 | 70.30385 | 0.01250846 | 5 |
G.L: grados de libertad
Durante la prueba post hoc realizada mediante la función Lincon se obtuvo un valor del estadístico mayor al del criterio, por tanto, se comprueba que hay diferencia entre los grupos (Tabla 4).
4. Conclusiones
A partir de los resultados obtenidos en el presente trabajo se demostró que el agua y los sedimentos del Río Culiacán funcionan como sustrato natural para la recuperación de energía en CCM-S. La comparación entre los dos cátodos diseñados evidenció que ambos son favorables para la recuperación de electricidad rindiendo un máximo voltaje de 513.0 mV para el cátodo colocado de manera vertical y sumergido completamente, mientras que el máximo para el cátodo horizontal parcialmente sumergido fue 664.7 mV. Igualmente se demostró que al favorecer la reacción catódica se aumenta el voltaje de la celda incluso con un área catódica menor. El ANOVA avanzado realizado mediante el test de Welch demostró que existen diferencias significativas entre las medias de las distribuciones de voltaje de ambas CCM-S con un p-valor igual a 0.0125. Las pruebas post hoc realizadas comprobaron las diferencias entre los grupos.
El trabajo realizado abre la investigación acerca del aprovechamiento de sedimentos de origen fluvial del municipio de Culiacán para la producción de energía eléctrica, que hasta este momento no se contaba con estudios similares en la región. Además se concluye y proporciona el diseño de una CCM-S, específicamente de un cátodo, de fácil construcción e implementación que puede ser empleada para llevar a cabo estudios posteriores.
Los trabajos experimentales que se han realizado con CCM-S muestran que es una tecnología factible para la producción de electricidad, pero aun se requiere ampliar el conocimiento práctico capaz de producir la mayor cantidad de energía posible. Investigaciones tanto en los parámetros de operación de las celdas como en los sedimentos (su calidad, sus propiedades e influencia climatológica en ellos) deben ser realizadas.
Sin dudas la tecnología de CCM-S amplía las posibilidades de obtención de energía de forma sustentable. Las CCM-S son dispositivos sencillos que pueden ser implementados en zonas remotas para satisfacer necesidades energéticas; sin embargo, se debe continuar el trabajo de investigación para mejorar la eficiencia de las celdas.
A partir de este trabajo se evidenció que los sedimentos de cuerpos de agua de la región de Culiacán pueden ser aprovechados para producir electricidad. Se recomienda ampliar el estudio a sedimentos provenientes de cuerpos de agua similares o de distinto origen, pudiéndose incluir sedimentos de origen pecuario debido a la alta presencia de esta actividad en el estado de Sinaloa.
