Pilas de combustibles biológicos (BFC) y bioproducción de hidrógeno
Una pila de combustible biológica (BFC) o una pila de combustible microbiana (MFC) es un tipo de pila de combustible que convierte la energía bioquímica en energía eléctrica. Al igual que otros tipos de pilas de combustible, una pila de combustible biológica consta de un ánodo, un cátodo y una membrana que conduce iones. En el compartimento anódico, el combustible es oxidado por microorganismos y el resultado son protones y electrones. En el compartimento catódico se consumen iones y el subproducto es agua. En los BFC, existe una reacción redox entre el sustrato de carbohidratos (como la glucosa y el metanol) y el catalizador, que es un microorganismo o enzima. La celda de combustible biológica se ilustra en la Figura 1. La principal diferencia entre una celda de combustible estándar y una BFC es que el catalizador es un microorganismo o enzima. Por lo tanto, los metales nobles no son necesarios para el catalizador de los BFC. La pila de combustible funciona en un medio líquido en un entorno casi neutro y a baja temperatura. Las aplicaciones potenciales de las pilas de combustible biológicas son (1) fuentes de energía de bajo consumo; (2) sensores basados en interacciones directas de electrodos; y (3) síntesis electroquímica de sustancias químicas.
Figura 1: Una pila de combustible biológica (BFC)
Durante la última década se han realizado mejoras en la selección de microorganismos, la cinética del proceso y el uso de diferentes mediadores para mejorar la transferencia de electrones. Además, se han estudiado muchos tipos de electrodos para determinar la eficiencia de la reacción.
En las células bacterianas, las mitocondrias sirven como unidad de almacenamiento de energía al acumular o liberar energía química en forma de sustancias como nicotinamida adenina dinucleótido con hidrógeno de alta energía (NADH) o nicotinamida adenosina dinucleótido fosfato (NADPH). El NADH y el NADPH actúan como vías de transferencia de electrones desde el sustrato a los metabolitos. La relación NADH/NAD aumenta a medida que la limitación de oxígeno se vuelve más grave.
La mayor parte del sustrato se convierte en una sustancia electroactiva mediante el control del metabolismo de las bacterias. Sin embargo, las reacciones biológicas mencionadas anteriormente sólo tienen lugar en medios acuosos diluidos, lo que no siempre es adecuado para reacciones de transferencia de carga. La transferencia de electrones de estas sustancias electroactivas al electrodo es un proceso lento. Por lo tanto, se necesita un mediador redox adecuado para mejorar la transferencia de electrones y la reacción del electrodo.
En un estudio realizado por la Universidad Helinski de Toronto, se utilizó un mediador 2-hidroxi-1,4-naftoquinona (HNQ) para mejorar la transferencia de electrones. Cuando esta sustancia mediadora está presente en el sistema, el color en el reactor de biopelícula cambia. Los cambios de color se producen debido a la actividad metabólica del reactor de biopelícula y a la transferencia de electrones en el ánodo de la pila de combustible. Por tanto, ofrece un método sencillo de seguimiento y control de funciones de la pila de combustible.
Las pruebas experimentales de las pilas de combustible bacterianas han arrojado varias conclusiones. En primer lugar, la tasa de conversión de energía eléctrica es menor (entre un 15 y un 25 por ciento) que la de las pilas de combustible químicas debido a las reacciones complejas. En segundo lugar, la densidad de corriente por volumen de ánodo aumenta cuando disminuye el tamaño de la pila de combustible. Finalmente, la producción de energía aumenta si se inmovilizan las bacterias. Otro tipo similar de pila de combustible que se ha investigado es la pila de combustible enzimática. Reemplazar las bacterias con una enzima podría hacer que el proceso sea más fácil de controlar porque las reacciones enzimáticas son más simples. Según investigadores de la Universidad Tecnológica de Helinski, se espera que la tasa de conversión de la pila de combustible enzimática (EFC) sea superior al 50 por ciento. Los experimentos han demostrado que la tasa está en el rango del 40 al 55 por ciento para la pila de combustible bacteriana cuando el sustrato es glucosa. De manera similar, es probable que la densidad de corriente del EFC mejore significativamente en comparación con la de la pila de combustible bacteriana.
Bioproducción de hidrógeno
Además de utilizar bacterias o enzimas para crear energía en los BFC, también existen diferentes formas de producir hidrógeno mediante métodos biológicos. Tres categorías principales de creación de hidrógeno a través de procesos biológicos son:
• Fotosíntesis utilizando organismos unicelulares que utilizan reacciones de hidrogenasa o nitrogenasa.
• Bacterias que producen hidrógeno anaeróbicamente.
• Procesos que utilizan una combinación de bacterias para descomponer moléculas orgánicas complejas en un compuesto que puede transformarse en hidrógeno utilizando organismos productores de hidrógeno.
Introduciremos brevemente los procesos de fotosíntesis y digestión que se encuentran actualmente en desarrollo.
Fotosíntesis
La fotosíntesis consiste en la conversión de energía luminosa en energía bioquímica mediante una reacción fotoquímica y la reducción del dióxido de carbono atmosférico a compuestos orgánicos como azúcares. Ciertas plantas y algas absorben energía solar, y varios tipos de algas y cianobacterias producen hidrógeno en lugar de azúcares durante la fotosíntesis. Estos organismos tienen enzimas hidrogenasa o nitrogenasa para catalizar la formación de hidrógeno.
Varios tipos de algas verdes producen hidrógeno. Algunos de los más comunes que se han investigado son Scenedesmus, Chlamydomonas, C. reinhardtii, Anabaena Cylindrica, Synechococcus, Rhodobacter sp, Rubrivivax gelatinosus, Rhodovulum sulfidophilum, R. sphaeroides y muchos otros. Scenedesmus produce hidrógeno al exponerse a la luz después de haber sido mantenido en la oscuridad en condiciones anaeróbicas. Esta alga verde es un organismo que «divide el agua», lo que significa que realiza biofotólisis utilizando hidrogenasa para reducir el agua a hidrógeno. Se han realizado trabajos de investigación adicionales con un mutante de Chlamydomonas para producir un reactor de flujo continuo utilizando este tipo de algas. Aunque se han obtenido altas eficiencias de luz: hidrógeno, la reacción de la hidrogenasa es muy sensible al oxígeno, lo que ha impedido avances en el desarrollo con este tipo de bacterias. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) ha desarrollado nuevos métodos para mejorar el hidrógeno mediante el control del oxígeno y el azufre en el entorno de C. reinhardtii. El cultivo de algas se cultiva en condiciones normales y luego se le priva de oxígeno y azufre, lo que hace que cambie a un metabolismo alternativo para producir hidrógeno. Este ciclo se puede repetir continuamente para generar hidrógeno.
Una cianobacteria fijadora de nitrógeno, Anabaena Cylindrica, produce hidrógeno y oxígeno simultáneamente en una atmósfera de argón durante varias horas. La producción de hidrógeno se produce en condiciones atmosféricas normales, pero a un ritmo mucho más lento que la fijación de nitrógeno. La producción de hidrógeno se puede aumentar privando a las algas de nitrógeno.
La mayoría de los sistemas fotosintéticos que se están estudiando tienen baja eficiencia. Sin embargo, los avances recientes en ingeniería genética pueden ayudar a crear sistemas más eficientes. Un ejemplo es R. Sphaeroides, que tiene una conversión de fotoenergía del 7 por ciento, lo que parece bajo; sin embargo, es significativo considerando que la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos es del 10 por ciento.
Procesos de digestión
El hidrógeno también puede producirse mediante la digestión microbiana de materia orgánica en ausencia de luz. Muchos de estos tipos de bacterias producen hidrógeno con ácidos de bajo peso molecular. Desafortunadamente, las velocidades de reacción son bajas y no se genera mucho hidrógeno debido a la inhibición de las hidrogenasas microbianas, junto con la reacción del hidrógeno con otras especies. El hidrógeno normalmente reacciona con especies orgánicas o dióxido de carbono, lo que produce metano. Así, uno de los principales retos en los procesos de digestión es inhibir la producción de metano para favorecer la producción de hidrógeno. Aumentar la temperatura en este tipo de sistemas no es un método eficaz para mejorar la eficiencia del proceso porque esto suele desnaturalizar enzimas y bacterias. Algunas de las bacterias más prometedoras incluyen Escherichia coli, Aerobacter aerogenes, Aerobactin cloacae, Pseudomonas sp y Clostridium butyricum. Clostridium butyricum ha producido 35 mmol (784 ml) de hidrógeno por hora a partir de 1 g de microorganismo a 37 ºC. El uso de procesos biológicos para la producción de hidrógeno se encuentra en un punto de desarrollo de sistemas técnicos, y los sistemas de fotosíntesis-algas-bacterias parecen ser actualmente los más prometedores.
Conclusión
Los sistemas de energía biológica tienen muchas ventajas sobre los sistemas químicos tradicionales debido a su funcionamiento a baja temperatura y materiales no peligrosos. Estos sistemas tienen el potencial de eliminar el transporte y almacenamiento de grandes cantidades de hidrógeno porque el hidrógeno se crea in situ. Además, el BFC elimina la aparición de envenenamiento del catalizador con el tiempo debido al uso de catalizadores biológicos. Estos sistemas naturales representan el futuro de la producción de energía para sistemas portátiles y estacionarios.
