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CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD ZACATENCO DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGÍA Y BIOINGENIERÍA Obtención de energía eléctrica directa de una celda de combustible microbiana mediante el tratamiento de lixiviados de la producción fermentativa de H 2 Tesis que presenta Ing. Amb. Alessandro Alfredo Carmona-Martínez Para obtener el grado de MAESTRO EN CIENCIAS EN LA ESPECIALIDAD EN BIOTECNOLOGÍA Co-directores de la Tesis: Dr. Héctor Mario Poggi-Varaldo Dr. Omar Solorza-Feria México, D.F. Abril de 2008.

MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

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MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

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CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD ZACATENCO

DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGÍA Y BIOINGENIERÍA

Obtención de energía eléctrica directa de una celda de combustible microbiana mediante el tratamiento de lixiviados de

la producción fermentativa de H2

Tesis que presenta

Ing. Amb. Alessandro Alfredo Carmona-Martínez

Para obtener el grado de

MAESTRO EN CIENCIAS

EN LA ESPECIALIDAD EN BIOTECNOLOGÍA

Co-directores de la Tesis:

Dr. Héctor Mario Poggi-Varaldo

Dr. Omar Solorza-Feria

México, D.F. Abril de 2008.

Page 2: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

El trabajo experimental de esta tesis se realizó en el laboratorio de Biotecnología Ambiental

del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería bajo la co-tutoría del Prof. Héctor Mario

Poggi-Varaldo y en el laboratorio de H2 y Celdas de Combustible del Departamento de

Química bajo la co-tutoría del Dr. Omar Solorza-Feria, en el laboratorio de Química Analítica

en Biotecnología bajo la asesoría de la Profa. Elvira Ríos-Leal y en el laboratorio de

Genómica Ambiental del Departamento de Genética y Biología Molecular, bajo la asesoría

del Dr. Jaime García-Mena del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de Instituto

Politécnico Nacional.

Para el desarrollo de esta tesis de Maestría se tuvo el apoyo del CONACYT mediante la beca

No. 199930 para Alessandro Alfredo Carmona-Martínez.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

i

Índice Página

Índice de figuras x

Índice de tablas xii

Notación xiii

Resumen 1

Abstract 3

1 Introducción y antecedentes 5 1.1 Controversia en el uso de combustibles fósiles 5 1.2 Contaminación del medio ambiente por uso de combustibles fósiles 5 1.3 Nuevas alternativas energéticas 6 1.4 Principio de una Celda de Combustible Microbiana 7 1.5 Inóculos utilizados 9 1.6 Desempeño del proceso 13 1.7 Materiales de construcción y condiciones de operación 13 1.8 Perspectivas en el uso de celdas de combustible microbianas 16

2 Justificación 17

3 Hipótesis 18 3.1 Hipótesis general 18 3.2 Hipótesis específica 18

4 Objetivos 19 4.1 Objetivo general 19 4.2 Objetivos específicos 19

5 Materiales y métodos 20 5.1 Plan de trabajo 20 5.2 Actividad 1: Procuración del inóculo, influente sintético e influente real 22

5.2.1 Arranque y operación del Reactor inoculador metanogénico 22 5.2.2 Arranque y operación del Reactor inoculador sulfato reductor 24 5.2.3 Arranque y operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico 26 5.2.4 Lavado de los sólidos gastados provenientes del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico y Determinación de ácidos y solventes orgánicos 29 5.2.5 Procedimiento de alimentación y purga de los reactores inoculadores y del digestor anaerobio 29 5.2.6 Cambio en la alimentación del Reactor inoculador sulfato reductor 30

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

ii

5.3 Actividad 2: Diseño y Construcción de la celda de combustible microbiana 325.3.1 Primer diseño de la celda de combustible microbiana 32 5.3.2 Segundo diseño de la celda de combustible microbiana 33 5.3.3 Configuración de la celda de combustible microbiana 34 5.3.4 Activación de la membrana Nafión® 35 5.3.5 Preparación y depósito de la tinta catalítica 35 5.3.6 Deformación de la membrana de intercambio protónico 36 5.3.7 Cambio en la configuración de la celda de combustible microbiana 38

5.4 Actividad 3: Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana 39 5.4.1 Configuración de la celda de combustible 39 5.4.2 Inóculo y agua de alimentación 39 5.4.3 Condiciones experimentales e instrumentos de medición 40

5.5 Actividad 4: Caracterización y Ensayos de la celda de combustible microbiana en lote con alimentación sintética 41

5.5.1 Significado de la curva de polarización 41 5.5.2 Construcción de la curva de polarización 42 5.5.3 Configuración de la celda de combustible microbiana para la construcción de la curva de polarización 42 5.5.4 Descripción del ensayo en lote con dos inóculos distintos de la celda de combustible microbiana 44

5.6 Actividad 5: Disminución de la resistencia interna de la celda de combustible microbiana y aumento del desempeño 45

5.6.1 Protocolo de inoculación y condiciones de operación 45 5.7 Actividad 6: Desarrollo de las técnicas de biología molecular y del análisis por microscopía electrónica de barrido 47

5.7.1 Estrategia experimental para la caracterización de la comunidad microbiana presente en la celda de combustible microbiana a través de técnicas de biología molecular 47 5.7.2 Procedimiento para la extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible microbiana 48 5.7.3 Procedimiento para la extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana 49 5.7.4 Protocolo para el estudio de la biomasa soportada en la superficie del ánodo por microscopia electrónica de barrido 50

5.8 Cálculos 52

6 Resultados 56 6.1 Procuración de inóculo, influente sintético e influente real 58

6.1.1 Reactor inoculador metanogénico: alcalinidad 58 6.1.2 Producción de biogás y variación del pH 59 6.1.3 Evolución de la remoción de materia orgánica 60 6.1.4 Análisis del desempeño promedio 61 6.1.5 Reactor inoculador sulfato reductor: alcalinidad 62 6.1.6 Producción de biogás y variación del pH 63 6.1.7 Evolución de la remoción de materia orgánica 64 6.1.8 Análisis del desempeño promedio 65 6.1.9 Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico: alcalinidad 66 6.1.10 Producción de biogás y variación del pH 67 6.1.11 Producción de metabolitos 68 6.1.12 Análisis del desempeño promedio 69

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

iii

6.2 Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana 706.2.1 Desempeño preliminar en la operación de la celda de combustible microbiana 70

6.3 Caracterización y ensayos de la celda de combustible microbiana en lote con alimentación sintética 71 6.3.1 Obtención de la resistencia interna utilizando un inóculo metanogénico y uno sulfato reductor 71 6.3.2 Ensayo en lote de la celda de combustible microbiana: influencia del tipo de inóculo 77

6.4 Disminución de la resistencia interna y aumento del desempeño de la celda 83 6.4.1 Desempeño de la celda de combustible microbiana en operación semi-continua: producción inesperada de biogás 83 6.4.2 Generación de electricidad 85 6.4.3 Aumento en la densidad de potencia 85 6.4.4 Remoción de materia orgánica 86 6.4.5 Desempeño electroquímico y bioquímico promedio 88

6.5 Extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible microbiana 91 6.6 Extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana 92 6.7 Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la biomasa soportada en la superficie del ánodo 93

6.7.1 Ánodo testigo no utilizado en la operación de una celda de combustible microbiana 93 6.7.2 Ánodo utilizado en la operación de una celda de combustible microbiana 94 6.7.3 Descripción de la morfología microbiana observada en el análisis de microscopia electrónica de barrido. 97

7 Conclusiones 99

8 Referencias 102

9 Publicaciones originales producto de esta tesis 108 9.1 Capítulos en libro 108 9.2 Artículos in extenso en congresos internacionales 108 9.3 Artículos in extenso en congresos nacionales 109

10 Reconocimientos 110 10.1 Primer lugar en “the Student Paper Competition at The Sixth International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds” 110 10.2 Primer lugar en el área de Energías renovables en “The Second International Meeting on Environmental Biotechnology and Engineering” 110

Apéndice A: Diseño de la celda de combustible microbiana en lote 111

Apéndice B: Diseño de la celda de combustible microbiana en continuo 113

Apéndice C: Métodos 115

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Comité tutorial

Prof. Héctor Poggi Varaldo (1) (Co-Director)

Dr. Omar Solorza Feria (3) (Co-Director)

Profa. Elvira Ríos-Leal (1) (Asesora)

Dr. Jaime García Mena (2) (Asesor)

Prof. Fernando José Esparza García (1) (Asesor)

(1) CINVESTAV del IPN, Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, Grupo de Biotecnología Ambiental y Procesos Anaerobios, Apartado Postal 14-740, C.P. 07000, México D.F. (2) CINVESTAV del IPN, Departamento de Genética y Biología Molecular, México D.F., México. (3) CINVESTAV del IPN, Departamento de Química, México D.F., México.

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DEDICATORIA

A mi madre, Yolanda, quien ha dado todo por mi y ha sido el mejor ejemplo de dedicación y perseverancia.

A mi hermano, Jesús, a quien he seguido desde pequeño tratando de aprender lo mejor de él.

A Ariana, quien ha estado a mi lado y me ha brindado incondicionalmente su amor y sobre todo, su gran

paciencia y comprensión.

A mi familia, Clotilde, Elena (madre), Mario, Rosa, María, Eduardo, Elena (hija) y Francisco quienes siempre me

han motivado a emprender nuevos proyectos de vida.

A mis hermanos scouts, Carlos, Karim, Edder y Erick con quienes conocí el Escultismo e importante de la

lealtad.

A mis amigos, Alejandro, Verónica, Tania, Berenice, Gil y Luz, con quienes compartí gratamente mis últimos

años en la Tierra del Sol.

A Javier, mi amigo, con quien entablé conversaciones tan enriquecedoras sobre la levedad del ser.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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AGRADECIMIENTOS

Se agradece profundamente la colaboración del personal del 1) Grupo de Biotecnología

Ambiental (M. en C. Rafael Hernández; Ing. Teresa Sánchez; Lic. David Portilla; Ing. Jorge

Acevedo; M. en C. Ireri Robles; M. en C. David Herrera y al Biol. Héctor Suárez); 2)

Laboratorio de Química Analítica en Biotecnología (IQ. Cirino Rojas); 3) Grupo de H2 y

Celdas de Combustible (Ing. Andrés Rodríguez; Ing. Sebastián Citalán y al Ing. José Luis

Díaz Bernabé); 4) Grupo de Genómica Ambiental (Biol. Alberto Piña; C. Rodrigo García y a la

M. en C. Liliana Domínguez-Malfavón); 5) Laboratorios Centrales (QFB. Sirenia González) y

6) Talleres del CINVESTAV I.P.N. (Mtro. José Luis López).

Grupo de Biotecnología Ambiental: Mediante este apartado agradezco al M. en C. Rafael Hernández, Auxiliar de Laboratorio, por

todo su apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34 del Departamento de

Biotecnología y Bioingeniería, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en

técnicas utilizadas dentro del Plan de seguimiento y análisis tanto para el Reactor inoculador

metanogénico como del Reactor inoculador sulfato reductor, así como en los procedimientos

básicos de la logística del laboratorio.

A su vez agradezco a la Ing. Teresa Sánchez, Técnico de Laboratorio, por todo su

apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34 del Departamento de Biotecnología y

Bioingeniería, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en técnicas utilizadas

dentro de la Caracterización de la alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido

acidogénico.

Por este medio me gustaría mostrar mi agradecimiento al Lic. David Portilla, Técnico

de Laboratorio, por todo su apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34 del

Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, especialmente por el asesoramiento y

adiestramiento en las medidas de prevención de accidentes en laboratorio, uso correcto de

sustancias reactivas y así como en la disposición adecuada de residuos biológico

infecciosos.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Durante la fase inicial de este trabajo se arrancó un reactor inoculador sulfato reductor

el cual se cargó parcialmente con un inóculo proporcionado por el Ing. Jorge Acevedo quien

de no haber atendido tan pronto y tan amablemente la solicitud del que presenta esta tesis

no habría sido posible enriquecer este trabajo como se ha hecho al día de hoy, gracias.

Agradezco sinceramente las sugerencias hechas por la M. en C. Ireri Robles en el

arranque y operación de ambos Reactores inoculadores, tanto el metanogénico como el

sulfato reductor, así como de manera general en el Plan de Seguimiento y Análisis para

ambas unidades.

También quisiera agradecer los comentarios críticos y sugerencias al trabajo diario de

laboratorio del ahora Técnico Académico Asistente del Laboratorio Nacional de Biotecnología

Ambiental y Agroecológica delColegio de la Frontera Sur, el M. en C. David Herrera López

quien gracias a su apoyo me permitió llevar a cabo de mejor manera determinaciones

químicas y técnicas de biología molecular diversas (DQO, SST, SSV, alcalinidad, extracción

de ácidos nucleicos, de plásmidos, transformación de células, generación de gradientes

químicos, preparación de reacciones de PCR y de secuencia, corrimiento de Geles por

electroforesis, entre otras).

Finalmente, con respecto al personal del Grupo de Biotecnología Ambiental agradezco

al Biol. Héctor Suárez, Auxiliar de Laboratorio, por todo su apoyo durante mi estancia en el

Laboratorio 33 y 34, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en técnicas de

biología molecular para la Caracterización de la Biomasa soportada en la superficie del

ánodo de la Celda de Combustible Microbiana (extracción de ácidos nucleicos, de plásmidos,

transformación de células, generación de gradientes químicos, preparación de reacciones de

PCR y de secuencia, corrimiento de Geles por electroforesis, entre otras).

Laboratorio de Química Analítica en Biotecnología: Debido a todo el apoyo brindado en la elaboración del presente trabajo quisiera mostrar mi

agradecimiento al Ing. Q. Cirino Rojas, Auxiliar de Laboratorio, por haberme asesorado y

capacitado en la determinación del uso de técnicas concernientes a la cromatografía de

gases aplicada a la determinación de metabolitos orgánicos, así como en la determinación de

compuestos gaseosos de interés para el Grupo de Biotecnología Ambiental como hidrógeno,

metano y dióxido de carbono.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Grupo de H2 y Celdas de Combustible: En el trabajo concerniente al área tan fascinante de la electroquímica me gustaría hacer

mención de las personas que colaboraron en los logros de este trabajo. Agradezco al Ing.

Andrés Rodríguez Castellanos, Auxiliar de Laboratorio, quien proporcionó sugerencias

sustanciales que me permitieron diseñar la celda de combustible microbiana utilizada en el

presente trabajo. Por otro lado agradezco que me haya capacitado en la operación de la

Estación de Adquisición de Datos ubicada en el Departamento de Química y con la cual se

realizaron pruebas preliminares de las celdas de combustible microbianas.

En segundo lugar quisiera hacer mención del Ing. Sebastián Citalán, Auxiliar de

Laboratorio, quien dio sugerencias significativas sobre el tipo de materiales utilizados en la

construcción de las celdas de combustible microbianas así como el haber proporcionado la

caja de resistencias que me permitió caracterizar exitosamente las celdas.

Por último en el Grupo de H2 y Celdas de Combustible, agradezco al Ing. José Luis

Díaz Bernabé, Auxiliar del Departamento de Química, con quien intercambié diferentes

posibilidades de funcionamiento del multímetro utilizado en este trabajo para estudiar las

respuestas electroquímicas de la celda de combustible microbiana y quien adicionalmente

ideó el logaritmo con el cual comunicar el multímetro a un ordenador para la captura

automática de datos que lamentablemente por falta de más tiempo no fue posible

implementar en la práctica.

Grupo de Genómica Ambiental: En esta sección quisiera mostrar mis agradecimientos al Biol. Alberto Piña, Auxiliar de

Laboratorio, por haber proporcionado asesoría sobre diversos procedimientos de biología

molecular dirigidos específicamente a la caracterización de la comunidad microbiana

presente en la celda de combustible microbiana; como extracción de ácidos nucleicos y

plásmidos, así como la preparación de reacciones de PCR y de secuenciación.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

ix

Adicionalmente me gustaría agradecer la participación constante del Técnico de Laboratorio

Rodrigo García, quien proporcionó oportunamente todo el material necesario para poder

realizar diariamente las actividades de caracterización de la comunidad microbiana presente

en la celda de combustible microbiana dentro del Laboratorio de Genómica Ambiental del

Departamento de Genética y Biología Molecular.

Por último en el Grupo de Genómica Ambiental, agradezco a la M. en C. Liliana

Domínguez-Malfavón quien hizo comentarios críticos sobre las técnicas de biología

molecular llevadas a cabo. Además agradezco que a través de su trabajo me haya motivado

para el estudio mediante microscopía electrónica de la comunidad microbiana de la celda de

combustible microbiana.

Laboratorios Centrales: En la última fase de este trabajo se estudió la comunidad microbiana de la celda de

combustible microbiana mediante microscopía electrónica de barrido, por lo cual me gustaría

mostrar mi agradecimiento a la QFB. Sirenia González, quien se encuentra cargo, entre otras

actividads, del Microscopio Electrónico de Barrido. Mediante su colaboración, fue posible

tratar previamente las muestras a analizar y posteriormente obtener micrografías

representativas de la comunidad microbiana.

Talleres del CINVESTAV I.P.N.: Finalmente quisiera dar mi reconocimiento al trabajo técnico y artesanal del Mtro. José Luis

López quien atentamente fabricó los diseños propuestos de las celdas de combustible

microbianas y que además gracias a su valiosa experiencia fue posible incluir de último

momento adecuaciones al diseño que impactaron favorablemente la sustentabilidad del

mismo.

Finalmente es necesario mencionar que sin el apoyo brindado por CONACYT a través de la

Beca: 199930 para el Ing. Alessandro Alfredo Carmona-Martínez este trabajo no habría sido

posible.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

x

Índice de figuras Página

Figura 1. Transición global de los sistemas energéticos. Adaptado de Dunn, 2002. 5 Figura 2. Proyección de las emisiones de CO2 para el año 2010. Adaptado del Protocolo de Kyoto, 1997. 6 Figura 3. Estructura molecular de diversos tipos de combustibles. Adaptado de Dunn, 2002. 7 Figura 4. Principio de una celda de combustible microbiana de doble cámara. Adaptado de Carmona-Martínez

et al., 2006 a. 8 Figura 5. Principio de una celda de combustible microbaina de una sola cámara. Adaptado de Schröder, 2007. 9 Figura 6. Micrografías de organismos inoculados en celdas de combustible microbianas. 12 Figura 7. Densidad de Potencia en base a datos actualmente publicados. Adaptado de Logan y Reagan, 2006.

14 Figura 8. Diferentes configuraciones de celdas de combustible microbianas 15 Figura 9. Configuración del Reactor inoculador metanogénico. 23 Figura 10. Configuración del Reactor inoculador sulfato reductor. 25 Figura 11. Configuración del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 28 Figura 12. Configuración de los reactores inoculadores. 30 Figura 13. Apariencia final del Diseño A de la celda de combustible microbiana. 32 Figura 14. Apariencia final del Diseño B de la celda de combustible microbiana. 33 Figura 15. Configuración de la Celda de Combustible Microbiana. 34 Figura 16. Prensa y aereógrafo utilizado pata la deposición del catalizador. 36 Figura 17. Vista real en perspectiva de la celda de combustible microbiana y de la membrana de intercambio

protónico corrugada y con la carga de Pt. 37 Figura 18. Inclusión de tela de Carbón Toray en la configuración del cátodo. 38 Figura 19. Estación de adquisición de datos. 40 Figura 20. Muestreo realizado de la Tela de Carbón Toray analizadas por Microscopía electrónica de barrido.

Adaptado de García-Mena, 2006. 47 Figura 21. Muestreo realizado de la Tela de Carbón Toray analizadas por Microscopía electrónica de barrido. 51 Figura 22. Adaptación de la Resistencia externa a la celda de combustible microbina. 54 Figura 23. Variación de la alcalinidad en la operación del reactor inoculador metanogénico. La línea intermitente

indica el valor óptimo del parámetro alfa- 58 Figura 24. Producción de biogás y variación del pH en la operación del reactor inoculador metanogénico. Los

círculos llenos () indican la variación del pH y los círculos vacíos () indican la variación en la producción de biogás durante 440 d. 59

Figura 25. Evolución de la remoción de materia orgánica en la operación del reactor inoculador metanogénico. 60

Figura 26. Variación de la alcalinidad en la operación del reactor inoculador sulfato reductor. 62 Figura 27. Producción de biogás y variación del pH en la operación del reactor inoculador sulfato reductor. Los

círculos llenos () indican la variación del pH y los círculos vacíos () indican la variación en la producción de biogás durante 200 d. 63

Figura 28. Evolución de la remoción de materia orgánica en la operación del reactor inoculador sulfato reductor. 64

Figura 29. Variación de la alcalinidad en la operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 66 Figura 30. Producción de biogás y variación del pH en la operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido

acidogénico. Los círculos llenos () indican la variación del pH y los círculos vacíos () indican la variación en la producción de biogás durante 3500 h. 67

Figura 31. Producción de metabolitos orgánicos en el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 68 Figura 32. Dinámica del comportamiento del voltaje, corriente y potencia en el ensayo preliminar. Los círculos

llenos () indican la variación de Voltaje con respecto a la corriente y los círculos vacíos () indican la variación de la Potencia con respecto a la corriente. 71

Figura 33. Dinámica del comportamiento del voltaje, corriente y potencia en el ensayo preliminar. 72

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

xi

Figura 34. Voltaje a circuito abierto y sometido a una resistencia externa para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (, cuadros llenos). 73

Figura 35. Voltaje y Corriente en función de una Resistencia externa variable para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico y sulfato reductor. Los círculos () indican la variación de Voltaje con respecto a una resistencia externa variable y los cuadrados () indican la variación de la de la Corriente con respecto a una resistencia externa variable. 74

Figura 36. Método gráfico para encontrar la Resistencia interna para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (, cuadros llenos). 75

Figura 37. Potencia máxima obtenida para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (…) y con inóculo sulfato reductor (). 76

Figura 38. Generación de electricidad mediante las celdas de combustible microbianas utilizando dos tipos de inóculo. Los círculos () indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos () indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico. 78

Figura 39. Densidad de potencia de las celdas de combustible microbianas usando dos tipos de inóculo. Los círculos () indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos () indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico. 79

Figura 40. Corriente de las celdas de combustible microbianas usando dos tipos de inóculo. Los círculos () indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos () indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico. 80

Figura 41. A) Producción de biogás y B) Evolución del voltaje en función del tiempo en la operación semi-continua de la celda de combustible microbiana. 84

Figura 42. A) pH y B) Densidad de potencia en función del tiempo en la operación semi-continua de la celda de combustible microbiana. 86

Figura 43. A) Concentración inicial de la Demanda química de oxígeno en la alimentación y B) Remoción de la Demanda química de oxígeno en función del tiempo en la operación semi-continua de la celda de combustible microbiana. 87

Figura 44. Electroforesis en Gel de Agarosa al 0.5%; extracción de DNA total de la biomasa suspendida en el licor de la celda de combustible microbiana. Condiciones de corrimiento: Gel de agarosa (0.5 %); 2 μL de DNA de 50 μL; 120 V; 0.3 μL EtBr. Los carriles 1-10 corresponden a los muestreos A, B, C, D-1, D-2, D-3, D-4, D-5, D-61, D-7. 91

Figura 45. Electroforesis en Geles de Agarosa al 0.5%; extracción de DNA total de la biomasa soportada en la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana. Condiciones de corrimiento: Gel de agarosa (0.5 %); 2 μL de DNA de 50 μL; 120 V; 0.3 μL EtBr. Los carriles 1-6 corresponden a los muestreos 001, 002, 003, 004, 005 y 006. Los carriles 8-13 corresponden a los muestreos 007, 008, 009, 010, 011 y 012. Los carriles 7 y 8 corresponden a la extracción testigo para cada procedimiento. 92

Figura 46. Muestra testigo (corte 0014) NO utilizada en algún ensayo de la celda de combustible microbiana. 93 Figura 47. Corte 0001 del ánodo utilizado en el ensayo de la celda de combustible microbiana en semi-continuo.

95 Figura 48. Cortes correspondientes al ánodo utilizado en el ensayo de la celda de combustible microbiana en

semi-continuo: 0014, 0002 y 0007. 96 Figura 49. Aumentos 6000x de los cortes 0002, 0003, 0005, 0006, 0008, 0009, 0010 y 0012. 98

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

xii

Índice de tablas Página

Tabla 1. Algunos trabajos publicados sobre celdas de combustible microbianas y sus especificaciones técnicas.

10 Tabla 2. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador metanogénico. 22 Tabla 3. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador metanogénico. 23 Tabla 4. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor. 24 Tabla 5. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor. 25 Tabla 6. Parámetros de operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 26 Tabla 7. Composición del sustrato de alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 27 Tabla 8. Seguimiento y análisis para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 28 Tabla 9. Cambio en la composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor. 31 Tabla 10. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor. 31 Tabla 11. Composición del Extracto Modelo. 43 Tabla 12. Composición del Extracto Modelo. 44 Tabla 13. Diseño experimental en la disminución de la resistencia interna de la celda de combustible

microbiana. 46 Tabla 14. Desempeño promedio del Reactor inoculador metanogénico. 61 Tabla 15. Desempeño promedio del Reactor inoculador sulfato reductor. 65 Tabla 16. Desempeño promedio del Digestor anaerobio de sustrato sólido acidogénico. 69 Tabla 17. Caracterización de las celdas de combustible microbianas: resultados promedio. 77 Tabla 18. Desempeño de la celda de combustible microbiana usando dos tipos de inóculo: resultados promedio.

81 Tabla 19. Comparación del desempeño de este trabajo con trabajos publicados actualmente. 82 Tabla 20. Desempeño electroquímico promedio de la celda de combustible microbiana. 88 Tabla 21. Desempeño bioquímico promedio de la celda de combustible microbiana. 89 Tabla 22. Cuantificación del DNA Genómico de la biomasa suspendida en el licor y soportada en el ánodo e la

celda de combustible microbiana. 92

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Notación bDQO Moles de electrones producidos a partir de la DQO CCM Celda de combustible microbiana CRS Carga eléctrica real debida al sustrato CTS Carga eléctrica teórica debida al sustrato DASSA Digestor anaerobio de sustrato sólido acidogénico DQO Demanda química de oxígeno DQOi DQO inicial DQOf DQO final ECCM Voltaje generado por la celda ECCMCA Voltaje a circuito abierto Fi Constante de Faraday Ibg Productividad de biogás ICCM Intensidad de corriente generada por la celda ICCM-máx Intensidad de corriente máxima ICCM-prom Intensidad de corriente promedio IAn Densidad de corriente generada por la celda IAn-máx Densidad de corriente máxima IAn-prom Densidad de corriente promedio In-M Inóculo metanogénico In-SR Inóculo sulfato reductor IV Corriente volumétrica generada por la celda MDQO Peso molecular de la DQO MIP Membrana de intercambio protónico PCCM Potencia generada por la celda PCCM-máx Potencia máxima PCCM-prom Potencia promedio PAn Densidad de potencia generada por la celda PAn.prom Densidad de potencia promedia PV Potencia volumétrica generada por la celda Qt Tiempo de operación Qbg Producción de biogás RI-CH4 Reactor inoculador metanogénico RI-SR Reactor inoculador sulfato reductor TRH Tiempo de retención hidráulica TRM Tiempo de retención másica rcf Relative centrifugal force VCCM Volumen de la CCM Ybg Rendimiento de biogás Caracteres Griegos ηDQO Remoción de la demanda química de oxígeno ηCoul Eficiencia coulombimétrica α Parámetro alfa

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Resumen

La producción de H2 mediante la fermentación anaerobia de residuos sólidos orgánicos ha recibido un gran interés en los últimos 10 años. Este tipo de proceso genera una cantidad significativa de H2 biológico (para su uso como combustible en celdas de combustible convencionales, mediante combustión, o como materia prima en la industria), así como sólidos gastados que contienen una concentración substancial de ácidos y solventes de bajo peso molecular. Los extractos de los sólidos gastados pueden ser obtenidos con aguas residuales municipales para dar una corriente con componentes orgánicos concentrados y degradables. Es por eso que los extractos provenientes de los sólidos gastados tienen el potencial para generar energía adicional cuando son tratados mediante una Celda de Combustible Microbiana (CCM). El objetivo principal de este trabajo fue evaluar la producción de electricidad y el desempeño general de una CCM a escala laboratorio, en el tratamiento en lote y lote repetido de los extractos provenientes de los sólidos gastados de la producción fermentativa de H2.

Como parte del objetivo principal de este trabajo se caracterizó la celda de combustible microbiana en conjunto mediante una curva de polarización probando dos tipos de inóculo distintos, metanogénico y sulfato reductor provenientes de dos reactores inoculadores. La curva de polarización mostró que la resistencia interna del sistema cargado con inóculo metanogénico fue cuatro veces más alta que con un inóculo sulfato reductor (33 y 8 kΩ, respectivamente), lo cual afectó en la disminución de la corriente y en la potencia de la celda de combustible microbiana (inóculo metanogénico: 5x10-7 e inóculo sulfato reductor: 1x10-5 W). Una vez caracterizada la celda de combustible microbiana con dos tipos de inóculo distintos se procedió a la realización de ensayos en lote con cada uno de los inóculos, metanogénico y sulfato reductor. Los potenciales obtenidos a circuito abierto se compararon favorablemente con los reportados en literatura (0.4-0.6 V). La densidad de potencia obtenida con el inóculo sulfato reductor estuvo en el orden promedio de lo reportado actualmente por otros grupos con celdas de combustible microbianas, bajo diferentes condiciones de inóculo y de sustrato (12.31 mW/m2), mientras que con un inóculo metanogénico se encuentra del lado bajo de las reportadas en literatura (1.96 mW/m2). El desempeño en lote de las celdas de combustible microbianas se midió en función de la remoción de la demanda química de oxígeno y en función de la eficiencia Coulombimétrica. En los ensayos en lote la remoción de la demanda química de oxígeno no fue mayor al 50% tanto para un inóculo metanogénico

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como para el sulfato reductor (inóculo metanogénico: ηCOD=25% e inóculo sulfato reductor: ηCOD=43%). La eficiencia Coulombimétrica para ambos inóculos probados fue muy baja lo que indicó como responsable al alto valor de la resistencia interna de la celda de combustible microbiana en el orden de kilo ohmios (inóculo metanogénico: ηCoul=0.13% e inóculo sulfato reductor: ηCoul=1.22%).

Debido a que se encontraron altos valores de resistencia interna para la celda de combustible microbiana diseñada se propuso una estrategia que permitiera disminuir la resistencia y así mejorar el desempeño global de la celda. Se utilizó el inóculo sulfato reductor el cual arrojó los mejores resultados en los ensayos en lote, sin embargo se aumentó la concentración de inóculo en la celda modificando la alimentación del reactor inoculador sulfato reductor incorporando lodos activados. Durante la operación de la celda en lote repetido se generó electricidad de manera estable por más de 504 h (ECCM =0.2239-0.2284 V). La operación de la celda se llevó a cabo bajo una resistencia externa igual a 1000 ohmios con lo cual se corroboró que el protocolo de inoculación fue exitoso al disminuir este valor de 10 000 a 1000 Ω y mejorar el desempeño de la celda (de PAn=12.31 mW/m2 en lote a 27.34 mW/m2 en lote repetido). El desempeño electroquímico de la celda fue mejor cuando la concentración de la alimentación fue menor, demostrando así un efecto inhibitorio por parte de la concentración de la alimentación. Por otro lado, el desempeño bioquímico (como remoción de la demanda química de oxígeno) de la celda fue mejor cuando la concentración de la alimentación fue mayor, indicando la capacidad adicional del consorcio microbiano para el tratamiento de efluentes contaminados (lote: ηCOD=43% y lote repetido: ηCOD=62%).

Finalmente para corroborar la presencia de microorganismos fijados sobre la superficie del ánodo, capaces de lograr la conversión de sustrato a energía eléctrica, se llevó a cabo un análisis de la biomasa soportada al ánodo por microscopía electrónica de barrido. En la tela de carbón Toray utilizada como control no se observó crecimiento microbiano mediante el método microscópico utilizado. En el ánodo utilizado para el ensayo de la celda de combustible microbiana en lote repetido se observaron diferentes morfologías no sólo correspondientes a lo que podrían ser bacterias sulfato reductoras, sino también correspondientes a arqueas metanogénicas. Cabe mencionar que se carece de información suficiente como para corroborarlo. Se observó mayor biomasa soportada del lado de la tela de carbón Toray que se encontraba en contacto con el licor de la CCM y no así en contacto con la lámina de acero inoxidable que compuso el ánodo.

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Abstract Coupling of hydrogen production from the anaerobic fermentation of organic solid wastes with

post-treatment of its spent extracts in microbial fuel cells, can substantially increase the

energy efficiency from municipal organic wastes. Therefore, the aim of this work was to

evaluate the electricity production and the general performance of a lab scale microbial fuel

cell (MFC) during the batch treatment of extracts from depleted solids generated in

fermentative hydrogenogenic process.

As part of the main objective of this work, the microbial fuel cell was characterized by

the construction of a polarization curve testing two different inocula, methanogenic and

sulfate-reducing. The polarization curve showed that the internal resistance of the microbial

the cell load with a methanogenic inoculum was four times higher than the cell load with a

sulfate-reducing inoculum (33 y 8 kΩ, respectably). The high internal resistance of both

inocula affected the current and the power from the microbial fuel cell (methanogenic

inoculum: 5x10-7 and sulfate-reducing inoculum: 1x10-5 W).

After the microbial fuel cell was characterized with two types of inocula, batch essays

were conducted with each type of inocula: methanogenic and sulfate-reducing. The voltage at

open circuit was very similar to those reported in literature (0.4-0.6 V). The power density

produced by the sulfate-reducing inoculum was similar also in comparison to other research

groups with microbial fuel cells under different conditions of inocula and substrate (12.31

mW/m2), whereas with a methanogenic inoculum the power density was low (1.96 mW/m2).

the performance in batch of the microbial fuel cells was measured as a function of the

chemical oxygen demand decrease and as a function of the Coulombic efficiency. The

decrease of the chemical oxygen demand was no greater than the 50% for the batch essays

(methanogenic inoculum: ηCOD=25% and sulfate-reducing inoculum: ηCOD=43%).

Because of the high values for the internal resistance for the microbial fuel cells, a

procedure was carried out in order to diminish this resistance and in that way to improve the

general performance of the cell. The sulfate-reducing inoculum was used because it has

proven a better performance at the batch tests, however the concentration of inoculum load to

the cell was greater by modifying the feed for the sulfate-reducing reactor adding activated

sludge. During the operation of the cell in repeated batch electricity was produced constantly

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for more than 504 h (ECCM =0.2239-0.2284 V). The operation of the cell was carried out under

an external resistance equal to 1000 Ω, this was used to corroborate that the inoculation

protocol was successful because the internal resistance of the cell decrease from 10 000 to

1000 Ω and to improve the cell performance (from PAn=12.31 mW/m2 in batch test to 27.34

mW/m2 in repeated batch test). The electrochemical performance was better when the

concentration of the feed was lower, showing an inhibitory effect. In other way, the

biochemical performance (as decrease of the chemical oxygen demand) was better when the

feed cell concentration was higher, indicating the additional capacity of the microbial

consortium for the treatment of polluted effluents (batch: ηCOD=43% and repeated bacth:

ηCOD=62%).

Finally to corroborate the presence of fixed microorganisms over the surface of the

anode, an analysis by scanning electron microscopy was carried out. On the flexible carbon-

cloth Toray used as a control microbial growth was not found. On the anode used in the

repeated batch test different microbial shapes were found (coccus, sarcina, resembling

methanosarcina and methanosaeta), not only for what could be sulfate-reducing bacteria but

also for metahanogenic archae. It is necessary to mention that there was not enough

experimental evidence to corroborate this statement.

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1 Introducción y antecedentes

1.1 Controversia en el uso de combustibles fósiles

Para satisfacer sus necesidades, la humanidad ha utilizado diversos combustibles que le

provean de la energía necesaria para comunicarse, iluminar sus hogares, producir alimentos

y transportarse. El uso de los combustibles ha sido muy diverso (Fig. 1), desde madera y

carbón, hasta petróleo y gas natural. Debido a éstos últimos, las sociedades del siglo XX son

llamadas correctamente “sociedades de hidrocarburos” utilizando diez veces más energía

que en el siglo XIX (Dunn, 2002). Este aumento de la demanda fue satisfecho principalmente

por combustibles fósiles (90% del mercado mundial). Se espera que el uso de carbón y

petróleo aumente en un 30 y 40 % respectivamente (McNeill, 2000).

Figura 1. Transición global de los sistemas energéticos. Adaptado de Dunn, 2002.

1.2 Contaminación del medio ambiente por uso de combustibles fósiles

Los combustibles fósiles además de ser no renovables, generan durante su combustión

gases nocivos para el medio ambiente y la salud humana, como son NOx, SOx y COx, por

mencionar algunos (Das y Vezirolu, 2001; Yue et al., 2001). Si su uso continuú aumentando,

los problemas de contaminación del aire en las ciudades lo harán también. Por ejemplo

Delhi, Beijing, y la Ciudad de México por mencionar algunas, son urbes que experimentan

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miles de muertes al año relacionadas con la calidad del aire (McKinley et al, 2003). Aunado a

lo anterior; el uso de petróleo y carbón en el sector eléctrico y de transporte, incrementará

anualmente las emisiones globales de CO2, (Figura 2). La tendencia pronosticada es de 7100

a 8100 millones de toneladas por año para el 2015 (Protocolo de Kyoto, 1997), acelerando

así el cambio climático (Dunn, 2002). Es por eso que el desarrollo de nuevas alternativas

energéticas es un tema preponderante (Dincer, 2000).

Figura 2. Proyección de las emisiones de CO2 para el año 2010. Adaptado del Protocolo de Kyoto, 1997.

1.3 Nuevas alternativas energéticas

Dentro del desarrollo de alternativas energéticas renovables y sostenibles, es posible

mencionar a la energía solar, eólica, hidráulica y aquella que puede ser obtenida a partir de

biomasa, dentro de la cual se encuentran los llamados combustibles no convencionales,

como metanol, etanol o biogás (Elam, 2001; Wünschiers y Lindbland, 2002). Sin embargo, la

energía solar y eólica, por ejemplo, están restringidas para ciertas localidades que cuenten

con áreas “ricas” en sol y corrientes de viento, lo cual las limita a ser intermitentes (Elam et

al., 2003). Por otro lado, la energía obtenida a partir de biomasa representa una fuente de

obtención renovable y sostenible a futuro.

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Por ejemplo, el tratamiento de residuales municipales mediante procesos anaerobios genera

biogás como combustible que con algunas modificaciones del proceso se obtienen

cantidades importantes de H2 (Valdez-Vazquez et al., 2006b; Valdez-Vazquez et al., 2006a;

Valdez-Vazquez et al., 2005b; Valdez-Vazquez et al., 2005a). Este último conocido por ser

un combustible ambientalmente amigable (Lay et al., 2003), debido a su carencia de átomos

de carbono u otros elementos precursores de contaminantes en su molécula (Fig. 3). Como

una alternativa adicional la obtención de energía eléctrica se presenta como una tecnología

atractiva e innovadora mediante la cual materia orgánica soluble genera una diferencia de

potencial traduciéndose en corriente eléctrica.

Figura 3. Estructura molecular de diversos tipos de combustibles. Adaptado de Dunn, 2002.

1.4 Principio de una Celda de Combustible Microbiana

Las celdas de combustible microbianas (CCM) se han utilizado experimentalmente para el

tratamiento de aguas residuales municipales principalmente (He et al., 2005; Liu et al., 2004),

sin embargo cabe destacar la utilización de este tipo de sistemas en la generación de

electricidad en sedimentos marinos o de origen lagunar como una aplicación tecnológica

para comunidades distantes al suministro de energía (Bond et al., 2002; Holmes et al., 2005).

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El objetivo principal en tales tecnologías ha sido la obtención de energía en forma de

electricidad o hidrógeno, con la adicional disminución de la demanda química de oxígeno

(Park y Zeikus, 2000; Kim y Logan, 2005; Rabaey et al., 2003). El proceso global se

desarrolla en la CCM compuesta de dos cámaras separadas por una membrana polimérica,

la cual es permeable al paso de protones. La Fig. 4 muestra éste proceso, en la primera

cámara se encuentra el ánodo, el cual captura los electrones liberados en el medio como

consecuencia de la degradación de la materia orgánica (Kim et al., 2005; Liu et al., 2005 B;

Rhoads et al., 2005). Estos electrones que se generan, fluyen hacia el cátodo a través de un

circuito externo a la celda, lo que permite la generación de corriente eléctrica. Por otro lado,

los protones pasan a través del polímero permeable. Una vez dentro de la cámara catódica,

los protones reaccionan con electrones y oxígeno contenido en el aire asperjado al medio

para formar agua (Chang et al., 2005; Liu et al., 2005a: Logan et al., 2005; Min y Logan,

2004).

Figura 4. Principio de una celda de combustible microbiana de doble cámara. Adaptado de Carmona-Martínez et al., 2006 a.

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Por otro lado, existe una configuración considerada novedosa, en la cual el oxígeno que es

necesario en el cátodo, se suministra mediante convección natural (Fig. 5). Esto gracias a

que el cátodo se encuentra en contacto directo con el ambiente, evitando de esta forma

asperjar aire al medio o mejor aún suministrar aire u oxígeno puro al sistema como en el

caso de las celdas electroquímicas de H2 convencionales (Kim et al., 2007; Logan et al.,

2006; Logan y Regan, 2006; Oh y Logan, 2006; Logan, 2005).

Figura 5. Principio de una celda de combustible microbaina de una sola cámara. Adaptado de Schröder,

2007.

1.5 Inóculos utilizados

La Tabla 1 muestra una compilación de diversos trabajos en el área de CCM´s. Los estudios

con cultivos puros parecen predominar (miembros de la familia proteobacteriana

Geobactereace), aunque hay algunos estudios recientes donde consorcios microbianos

como aquellos presentes en aguas residuales son utilizados como inóculos (Fig. 6). La razón

de utilizar cultivos puros en vez de consorcios microbianos ha sido principalmente la ventaja

que representa estudiar CCM’s con biocatalizadores en los cuales un modelo predecible

puede obtenerse acerca de cómo la transferencia de electrones es llevada a cabo

(Hernandez and Newman, 2001).

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Tabla 1. Algunos trabajos publicados sobre celdas de combustible microbianas y sus especificaciones técnicas.

Celda Inóculo Sustrato Operación Desempeño Membrana Ref.Doble cámara

G. sulfurreducens Acetato [5 mM]

T=30ºC, Ot=960h, pH=6.8

PAn=16 mW/m2, Sin membrana

[1]

Doble cámara

G. fermentans

Acetato, propionato, malato, lactato y succinato [5mM]

Ot=960h N.M. Nafion 117

[2]

Cátodo concéntrico

G. metallireducens Agua residual T=30ºC;

HRT=33d PAn=26 mW/m2; ηCoul=12% Nafion 117

[3]

Doble cámara

R. ferrireducens Glucosa [2mM] 25ºC, Ot=1000h Ian=30 mA/m-2 Nafion 117

[4]

Flujo ascendente

Lodo anaerobio Sacarosa [0.25-1.0 g/L]

T=35ºC; TRH=1d

PAn=170 mW/m2; ηCoul=8,1% CMI-7000

[5]

Doble cámara

Lodo anaerobio Agua residual modificada

T=30ºC; Ot=50h

PAn=8 mW/m2; ηCoul=40% Nafion 117

[6]

Una cámara

Lodo anaerobio Agua residual modificada con glucosa

T=30ºC; Ot=120h

PAn=262 mW/m2; ηCoul=55% Nafion 117

[7]

Una cámara

Agua residual Agua residual modificada con acetato

T=32-20ºC PAn=1200 mW/m2; ηCoul=61,4%

Sin membrana

[8]

Una cámara

Agua residual Agua residual modificada con butirato

Ot=60h PAn=500 mW/m2; ηCoul=30%

Sin membrana

[9]

Doble cámara

Sedimento marino

Acetato [0.1 mM]

22ºC, pH=6.8, Ot=1920h

N.M. Nafion 118 [10]

Notas:

PAn: Densidad de Potencia; IAn= Densidad de Corriente; ηCoul: Eficiencia Coulombimétrica; N.M.: No mostrado; Ot=Tiempo de Operación de la celda; HRT: Tiempo de Retención Hidráulico.

1. Bond et al. (2002). 2. Bond y Lovley (2002). 3. Liu et al. (2004). 4. Chaudhuri and Lovley. (2003). 5. He et al. (2003). 6. Kim et al. (2005). 7. Liu and Logan. (2004). 8. Liu et al. (2005b). 9. Liu et al. (2005a). 10. Holmes et al. (2005).

Se ha propuesto que diversas especies del género Geobacter y Shewanella pueden

liberara electrones al ánodo a través de acarreadores ya sea producidos por los mismos

microorganismos o suministrados artificialmente. De estos últimos se desprenden desde

compuestos pequeños como la antroquinona 2, 6-disulfo hasta compuestos orgánicos

complejos como las sustancias húmicas. En este sentido Bond y Lovley (2002) utilizaron para

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su estudio Geobacter sulfurreducens (ATCC 51573) en un medio con la siguiente

composición (por litro): 0.1 g de KCl, 0.2 g de NH4Cl, 0.6 g de NaH2PO4, 10 ml de mezcla de

vitaminas y 10 ml de trazas de medio mineral.

El pH del medio fue ajustado a 6.8, 2 g de NaHCO3 fueron adicionados, y el medio fue

gaseado con N2-CO2 (80:20) para remover el oxígeno antes de esterilizar el medio en frascos

tapados. Ácido acético fue utilizado como el donador de electrones (5 mM). Para mantener

las células viables, óxido de hierro (III) fue utilizado como aceptor de electrones antes de

inocular la celda (100-120 mM). Las células entonces fueron transferidas a un medio que

contenía 40 mM de fumarato como el aceptor de electrones antes de ser inoculadas a las

cámaras que contenían los electrodos. El medio contenido en las cámaras fue modificado

con 2.9 g de NaCl. Cuando el medio fue reemplazado con una solución amortiguadora salina

anóxica en los experimentos del electrodo, la solución amortiguadora contenía (por litro) lo

siguiente: 0.1 g de KCl, 0.6 g de NaH2PO4, 2.9 g de NaCl, y 2 g de NaHCO3.

En un estudio realizado posteriormente, Bond y Lovley (2005) utilizaron el

microorganismo Geothrix fermentans. El microorganismo creció en un medio con acetato

como el donador de electrones y fumarato como el aceptor. Las células fueron recolectadas

vía centrifugación y resuspendidas en un volumen igual de medio carente de aceptores y

donadores de electrones. El medio en las cámaras fue idéntico al de crecimiento (Bond y

Lovley, 2002), sólo que fumarato fue omitido y 1mM de acetato fue adicionado como el

donador de electrones. La adición de propionato (5 mM), lactato (5 mM), o succinato (5mM)

resultó en mayores velocidades de producción de corriente que acetato.

Adicionalmente Chaudhuri y Lovley (2003) utilizaron una cepa de Rhodoferax

ferrireducens en un medio compuesto por Glucosa (2mM) en el medio anódico, la cual

consumida permitió la producción de corriente y el crecimiento de Rhodoferax ferrireducens.

Una vez que la generación de corriente se estabilizó, un 10% del inóculo de la cámara

anódica fue transferido a una nueva cámara. La corriente continuó siendo producida mientras

que la glucosa fue consumida. La producción de corriente fue asociada al crecimiento celular,

y demostrado por un incremento en la proteína celular microbiana en el medio después del

tiempo. Con respecto a consorcios de microorganismos utilizados como inóculos, He et al.

(2005) usaron un inóculo obtenido de lodo anaerobio granular de un biodigestor anaerobio de

flujo ascendente mesofílico, el cual trataba agua residual de una cervecería (Fig. 6B). Antes

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de la inoculación, el lodo fue molido y entonces filtrado a través de un poro de 0.25mm de

amplitud para remover las partículas grandes. La celda fue alimentada con una solución de

sacarosa como el donador de electrones, mientras tanto, la CCM de flujo ascendente generó

electricidad con un máximo de densidad de poder de 170 mW/m2. Adicionaron un acarreador

de electrones, el cual fue hexacianoferrato en la cámara catódica. La CCM fue operado a 35

ºC y continuamente alimentada a un flujo de 0.37 mL/min con una solución de sacarosa a un

tiempo de retención hidráulica de 1.0 día y una tasa de alimentación de 0.3-3.4 g DQO/L/día.

Figura 6. Micrografías de organismos inoculados en celdas de combustible microbianas.

Notas:

A. Bond y Lovley. (2003). B. He et al. (2003). C. Lee et al. (2003). D. Pham et al. (2003). E. Gregory et al. (2004). F. Holmes et al. (2004).

Holmes et al. (2004), trabajaron con una CCM que contenía al microorganismo

Geopsychrobacter electrodiphilus (Fig. 6F). En su estudio, concluyeron que los donadores de

electrones podrían ser acetato o benzoato. También determinaron que los aceptores de

electrones podrían ser óxido de hierro (III) cristalino, pirofosfato, pirofosfato de hierro (III) y

óxido de hierro (III). Kim y Logan (2005), utilizaron como fuente de microorganismos inóculo

lodo anaerobio (10 mL). El medio de la CCM fue agua residual filtrada con el objetivo de

remover las bacterias (0.2 μm el diámetro del poro) la cual fue modificada con acetato (20

mM) y entonces usada como medio enriquecido para los experimentos. Después de la

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modificación del medio, éste fue modificado con una solución reguladora (pH=7.0), la cual

contenía NH4Cl (0.31 g/l), KCl (0.13 g/l), NaH2PO4·H2O (2.69 g/l), Na2HPO4 (4.33 g/l);

metales (12.5 ml) y solución de vitaminas (12.5 ml).

1.6 Desempeño del proceso

Sobresale el uso de Pt como catalizador en la composición de electrodos y material para

conectar el circuito externo. Sin embargo, recientemente algunos trabajos han propuesto la

utilización de cátodos biológicos (biocátodos) en vez de cátodos abióticos (He and Angenent,

2006). Adicionalmente existe también un gran esfuerzo en la búsqueda de diferentes

materiales a utilizarse en ánodos y cátodos que demuestren un mejor desempeño (Niessen

et al., 2004b; Zhao et al., 2007). Además, estudios con sustratos sintéticos o semi-sintéticos

predominan, como glucosa, acetato o agua residual modificada.

Respecto al desempeño de la CCM, un parámetro ampliamente utilizado ha sido el

cálculo de la Densidad de Potencia la cual es la Potencia normalizada de acuerdo al área del

ánodo (Logan et al., 2006). Antes del año 2002 existían solamente trabajos con densidades

de potencia menores a 0.1 mW/m2, existiendo en la actualidad reportes con densidades de

potencia del orden de 1000 mW/m2 (Logan y Regan, 2006; Fig. 7). Esto representa un

avance importante en el mejoramiento de CCM’s, lo cual se ha traducido en la construcción

de un complejo de CCM´s a escala piloto en Yatala, Queensland, Australia

(http://www.microbialfuelcell.org/: Nota: revisar el área “Research/Publications/Technology/

Pilot MFC/News”).

1.7 Materiales de construcción y condiciones de operación

La mayoría de trabajos han reportado una CCM a escala laboratorio de dos cámaras, como

la mostrada en el esquema de la Fig. 4 y los mostrados en la Tabla 1 y Fig. 8. Por ejemplo la

Fig. 8A, B, E y F muestran diseños de CCM´s en los cuales la cámara anódica y catódica se

encuentran separadas por una Membrana de Intercambio Protónico (PEM por sus siglas en

inglés -Proton Exchange Membrane-), ya sea una membrana Nafión® o una Ultrex CM1700

(Tabla 1). A diferencia de las configuraciones de CCM´s existen algunos diseños en los

cuales se utiliza cátodos aerobios que se encuentran expuestos al ambiente para proveer a

la CCM el oxígeno necesarios para llevar a cabo la producción de agua (Fig. 8C y H).

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. Figura 7. Densidad de Potencia en base a datos actualmente publicados. Adaptado de Logan y Reagan,

2006.

La CCM de la Fig. 8F muestra el trabajo publicado por Min y Logan (2004), en el cual

diseñaron una CCM de lámina que fue operada con flujo pistón, usando un sistema

combinado de electrodo/membrana de intercambio de protones (MIP). El digestor o CCM

consistió de un canal simple, formado entre dos láminas no conductivas, separadas a la

mitad por el montaje electrodo/MIP. Cada electrodo fue colocado en un lado opuesto de la

MIP, con el ánodo en contacto con una cámara que contenía la fase líquida y el cátodo sólo

en contacto con aire (Fig. 8F). Por otro lado, Min et al. (2005) construyeron una CCM

constituida de dos frascos de 300 mL de capacidad con electrodos de papel carbón (Fig. 8A).

Los frascos se encontraban unidos mediante un puente de vidrio que contenía la MIP

sostenida por una abrazadera entre las terminales del tubo de vidrio. Por su parte Liu y

Logan (2004), examinaron la generación de energía en una CCM con un cátodo en contacto

con aire, la celda contenía electrodos de carbón en la presencia y ausencia de una MIP

polimérica similar a la CCM de la Fig. 8C.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

15

Figura 8. Diferentes configuraciones de celdas de combustible microbianas

Notas:

A. Min et al. (2005). B. Rabaey et al. (2005). C. Liu y Logan (2004). D. Rosenbaum et al. (2005b). E. He et al. (2005). F. Min y Logan (2004).

G. Rosenbaum et al. (2005a). H. Liu et al. (2004).

Liu et al. (2004) llevaron a cabo el estudio de la generación de energía usando una celda de

combustible microbiana de una sola cámara, la cual contenía ocho electrodos de grafito

(ánodos) y un solo cátodo aireado por convección natural. El sistema fue operado bajo

condiciones de flujo continuo con un efluente primario clarificado obtenido de una planta local

de tratamiento de agua (Fig. 8H). Un diseño muy singular fue el que lograron Rabaey et al.

(2003). La CCM se constituyó de una cámara tubular que generaba grandes cantidades de

energía usando una matriz de grafito granular como el ánodo y solución de ferrocianuro

como el cátodo. Dos tapones de vidrio, cada uno con una entrada y una salida, fueron

insertados en ambos lados del cilindro. Por último, He et al. (2005) diseñaron una CCM

basándose en un digestor de flujo ascendente. La celda, se constituyó de dos cámaras de

vidrio con un diámetro de 6cm. La cámara del cátodo se colocó en la parte superior del

dispositivo. Ambos, tanto la cámara anódica como la catódica, contenías carbón granular

como electrodos, el cual tenía una gran porosidad de tal manera que se prevenía el

atascamiento (Figura 8E).

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

16

1.8 Perspectivas en el uso de celdas de combustible microbianas

Las celdas de combustible microbianas se plantean como una alternativa energética que a la

luz de los avances obtenidos por diversos grupos alrededor del mundo (Estados Unidos,

Alemania, Australia, Korea, etc.) podría satisfacer en un futuro no muy lejano las

necesidades de lugares específicos como plantas de tratamiento de aguas residuales

(haciéndolas autosustentables energéticamente hablando), localidades rurales o inclusive

dando tratamiento a residuales orgánicos provenientes de procesos anaerobios para la

obtención de biocombustibles (producción biológica de hidrógeno).

Aunado al punto anterior, el acercamiento de este tipo de tecnología dependerá en gran

medida en sustituir algunos materiales actualmente utilizados como catalizadores en celdas

de combustible microbianas por materiales de origen biológico que actúen como

catalizadores finales del sistema o los también denominados cátodos biológicos. Finalmente

es necesario enfatizar la importancia del conocimiento de las celdas de combustible

microbianas, no sólo electroquímico o del proceso, si no también desde un enfoque biológico

donde se conozca la identidad de los microorganimos responsables de su funcionamiento y

se aprovechen en su totalidad los procesos de transferencia de electrones como conversión

de sustrato en electricidad en beneficio de la aplicación práctica pronta de este tipo de

sistemas.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

17

2 Justificación Para satisfacer nuestras necesidades como sociedad, es indispensable la utilización de energía, la

cual puede ser provista tanto de fuentes no renovables como de renovables. Dentro de las primeras,

los más demandados han sido los combustibles fósiles, los cuales presentan diversas desventajas, y

que además de escasear en un futuro cercano, tienden a emitir diversos contaminantes en su

combustión.

Por otro lado los combustibles renovables presentan una alternativa promisoria debido al “mínimo”

impacto negativo al ambiente. Sin embargo la disponibilidad de algunas de estas opciones depende

de la localización geográfica de tales sistemas, por lo tanto el factor primordial a evaluar es la

cantidad de materia prima de la cual extraer energía. Es por eso que la obtención de energía a partir

de biomasa y desechos es un objetivo permanente y preponderante.

Dentro de los procesos alternativos de obtención de energía que utilizan biomasa se destacan

principalmente aquellos que incluyen microorganismos, ya que al utilizar biomasa como materia

prima, se da un doble enfoque al proceso, por un lado el tratamiento de la biomasa y por otro, la

obtención de energía aprovechable del mismo.

En los procesos que se utiliza biomasa como sustrato, se busca la degradación completa de la

misma. En ocasiones esto no es posible, como es el caso de la obtención de H2 a partir de biomasa,

mediante la utilización de inhibidores de la metanogénesis, en la cual, sólo se logra la degradación

parcial de la biomasa adicionada al sistema, lo que conlleva a la consecuente generación de

metabolitos orgánicos extraíbles. Estos últimos son candidatos a utilizarse para la generación

adicional de energía, ya sea por un sistema acoplado metanogénico o por medio de bacterias

fototróficas capaces de producir H2 como combustible o por medio de una celda de combustible

microbiana.

De forma novedosa, existe la posibilidad de utilizar celdas de combustible microbianas capaces de

alimentarse de electrones y protones liberados por las reacciones bioquímicas de los

microorganismos, de tal forma que se genera una corriente eléctrica factible de utilizarse en

actividades ordinarias como iluminar nuestros hogares, de respaldo para energizar electrodomésticos

y electrónicos portátiles.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

18

3 Hipótesis

3.1 Hipótesis general

Se podrá obtener energía adicional complementaria a la existente, de una celda de

combustible microbiana utilizando extractos provenientes de la generación de H2 a partir de

residuos sólidos orgánicos.

3.2 Hipótesis específica

En la operación de la celda de combustible microbiana el desempeño de los parámetros

principales como la densidad de potencia y la eficiencia coulombimétrica dependerá del tipo y

concentración de inóculo.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

19

4 Objetivos

4.1 Objetivo general

Construir, operar y evaluar el desempeño de una Celda de Combustible Microbiana para el

procesamiento de extractos provenientes de la generación de H2 a partir de residuos sólidos

orgánicos, con el fin de producir energía eléctrica y disminuir la carga contaminante de

dichos extractos.

4.2 Objetivos específicos

Obtener inóculo para la celda de combustible microbiana mediante el arranque y

operación de un reactor inoculador metanogénico y un reactor inoculador sulfato

reductor.

Preparar la alimentación a suministrarse a la celda de combustible microbiana

mediante extractos provenientes de la operación de un digestor anaerobio en sustrato

sólido acidogénico.

Diseñar y construir una celda de combustible microbiana a escala laboratorio.

Determinar curvas de polarización (densidad de corriente-voltaje) de la celda,

eficiencia coulombimétrica y remoción de la demanda química de oxígeno durante la

operación de la celda de combustible microbiana con influente sintético.

Evaluar el desempeño (densidad de corriente-voltaje-densidad de potencia) de la

celda de combustible microbiana en régimen lote con los extractos de la producción de

H2.

Describir por microscopía electrónica de barrido la biomasa microbiana fija a la

superficie del ánodo y correlacionarla con los cambios en la operación de la celda.

Page 35: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

20

5 Materiales y métodos

5.1 Plan de trabajo

El plan de trabajo estuvo compuesto por tres fases divididas en 7 actividades. El trabajo

experimental comprendió desde el arranque de reactores inoculadores y procuradores de

alimentación para la celda, diseño y construcción de éstas, hasta la obtención del perfil de

comunidades microbianas presentes en el sistema.

Fase 1 Actividad 1. Procuración del inóculo, influente sintético e influente real Se arrancaron y operaron dos reactores anaerobios en fase líquida para la obtención del

inóculo a utilizar en la celda de combustible microbiana (CCM). El primer reactor inoculador

se encontró en ambiente metanogénico (RI-CH4), mientras que el segundo se encontró en

ambiente sulfato reductor (RI-SR). Por otro lado, se arrancó un digestor anaerobio en

sustrato sólido acidogénico (DASSA) para la obtención de extractos a utilizarse como

influente real de CCM. Por su parte la composición del influente sintético se determinó

mediante cromatogrfía de gases y estuvo sujeta a los constituyentes predominantes

encontrados en los extractos de la producción biológica de H2 a partir de residuos sólidos

orgánicos (Valdez-Vázquez et al., 2005).

Actividad 2. Diseño y Construcción de la celda de combustible microbiana Mediante una exhaustiva búsqueda bibliográfica se analizaron los distintos diseños de celdas

de combustible microbianas utilizados hasta la fecha y se optó por diseñar una celda

adecuada a las necesidades y recursos del laboratorio. Posteriormente, el diseño se envió a

los Talleres de esta Centro de Investigación para dar seguimiento y completar su

construcción.

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21

Actividad 3. Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana Una vez construida la CCM, se evaluó la factibilidad del diseño mediante la realización de

ensayos presuntivos en lote en los cuales se corroboró le hermeticidad del material, así como

la integridad de la membrana de intercambio protónico.

Fase 2

Actividad 4. Caracterización y Ensayos de la CCM en lote con alimentación sintética Cuando la factibilidad del diseño y la integridad de la membrana fueron corroboradas se

procedió a la realización de una curva de polarización para la caracterización de la celda con

distintos tipos de inóculo. Así mismo, se realizaron ensayos en lote con alimentación sintética

para evaluar el comportamiento de la celda en función de la potencia, remoción de la

demanda química de oxígeno y eficiencia coulombimétrica.

Actividad 5. Disminución de la resistencia interna y aumento del desempeño de la celda Cuando el comportamiento de la celda fue estudiado con alimentación sintética y con dos

tipos de inóculos, ésta se sometió a un protocolo dirigido a disminuir la resistencia interna y

así mejorar las variables de respuesta del sistema, como son: potencia, remoción de la

demanda química de oxígeno y eficiencia coulombimétrica en un régimen semi-continuo.

Fase 3 Actividad 6. Desarrollo de las técnicas de biología molecular En esta actividad se adecuaron las técnicas de biología molecular de acuerdo al sistema

biológico utilizado (inóculo de un digestor anaerobio en fase líquida y afluente de una celda

de combustible microbiana).

Actividad 7. Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la biomasa soportada en la superficie del ánodo A través de técnicas de microscopia electrónica de barrido (MEB) se analizó la biomasa fija la

ánodo para correlacionar su presencia con los cambios en la operación de la celda de

combustible microbiana.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

22

Fase 1

5.2 Actividad 1: Procuración del inóculo, influente sintético e influente

real

5.2.1 Arranque y operación del Reactor inoculador metanogénico

El propósito de esta actividad fue la obtención de inóculo metanogénico para la celda de

combustible microbiana. El reactor inoculador metanogénico se operó en fase líquida de

acuerdo al siguiente procedimiento.

1 Kg de excreta de vaca se mezcló con 3 L de agua de la llave sin tratar, ésta mezcla

se filtró utilizando un tamiz No. 35 y con apertura de poro de 0.46 mm. Posteriormente se

utilizó 1500 mL de la mezcla filtrada y se mezcló con 1500 mL de lodos activados

suspendidos, los cuales se obtuvieron de la Planta de Tratamiento de Agua de San Juán

Ixhuatepec (Av. La Presa, Tlalnepantla, Estado de México, México). En el arranque del

reactor metanogénico se adicionaron 15 g de azúcar como una fuente fácilmente asimilable

de carbono y energía, y 13.5 g se carbonato de calcio como componente amortiguador.

Tabla 2. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador metanogénico.

Componente Concentración (g/L)Sacarosa 5.0 NaHCO3 3.0 K2HPO4 0.6 NaCO3 3.0 NH4Cl 0.6 CH3COOH glacial 1.5

El diseño experimental de esta actividad consistió en 4 factores a 1 nivel y 1 sola réplica:

temperatura, concentración de la alimentación, volumen del reactor, y tiempo de retención

hidráulico. La operación del reactor fue semi-continua, el volumen de operación fue de 3 L,

se incubó en un cuarto mesofílico a 37ºC, con un TRH de 25 d, con una concentración de la

alimentación de 5.0 g/L y con una carga orgánica inicial de 2512.98 mgDQO/L d. Se alimentó

diariamente (120 mL) con una solución de composición conocida por Litro mostrada en la

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

23

Tabla 2: 5 g de sacarosa, 3 g de NaHCO3, 0.6 g K2HPO4, 3 g NaCO3, 0.6 g NH4Cl, 1.5 g

CH3COOH glaciar.

Por otro lado, se determinó diariamente el pH y la alcalinidad del digestor de acuerdo a

la Tabla 3. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, por otro lado la alcalinidad se mantuvo en

un valor menor a 0.5 (Robles-González, 2003). La Fig. 9 muestra la conformación del

digestor de vidrio utilizado.

Tabla 3. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador metanogénico.

Parámetro Alimentación Efluente Licor Gas Método pH - 3/sem - - Standard Methods 4500-H+

DOQ 1/sem 3/sem - - Standard Methods 5220-C SSV - - 3/sem - Standard Methods 2540-E Coeficiente α - 3/sem - - Ripley et al., 1986 Volumen de biogás - - - 1/día Poggi-Varaldo et al., 1987 CH4 - - - 2/sem Poggi-Varaldo et al., 1987

La mayoría de las determinaciones se realizaron de acuerdo al Standard Methods, sin

embargo el coeficiente alfa se determinó de acuerdo a Ripley et al., 1986, en donde se

considera que el estado estable de un digestor anaerobio se puede determinar con respecto

al factor alfa, el cual debe oscilar alrededor de 0.3.

Figura 9. Configuración del Reactor inoculador metanogénico.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

24

5.2.2 Arranque y operación del Reactor inoculador sulfato reductor

El propósito de esta actividad fue la obtención de inóculo sulfato reductor para la celda de

combustible microbiana. Para el arranque del reactor sulfato reductor se utilizó inóculo

proporcionado por el Ing. Ambiental Jorge Acevedo-Benítez quien previamente lo había

traído de la zona de “Los Azufres” en Morelia Michoacán, México.

El procedimiento de arranque consistió en que 4 g de inóculo fueron reactivados

durante 1 semana en un medio compuesto como sigue (por litro): 5.0 g NaHCO3, 2.0 g NaCl,

1.0 g (NH4)2SO4, 0.5 g K2HPO4, 0.1 g MgSO4, 2.0 g Extracto de levadura y 0.1 g Na2S⋅H2O

(Icgen et al., 2006). Al concluir una semana1 Kg de excreta de vaca se mezcló con 3 L de

agua de la llave sin tratar, ésta mezcla se filtró utilizando un tamiz No. 35 y con apertura de

poro de 0.46 mm. Posteriormente se utilizó 1000 mL de la mezcla filtrada, se mezcló con

1000 mL de lodos activados suspendidos, los cuales se obtuvieron de la Planta de

Tratamiento de Agua de San Juán Ixhuatepec (Av. La presa, Tlalnepantla, Estado de México,

México) y con 1000 mL del cultivo reactivado de inóculo sulfato reductor descrito

anteriormente. En el arranque del reactor inoculador sulfato reductor se adicionaron 15 g de

azúcar como una fuente fácilmente asimilable de carbono y energía, y 13.5 g se carbonato

de calcio como componente amortiguador.

El diseño experimental de esta actividad consistió en 4 factores a 1 nivel y 1 sola

réplica: temperatura, concentración de la alimentación, volumen del reactor, y tiempo de

retención hidráulico. La operación del reactor fue semi-continua, el volumen de operación fue

de 3 L, se incubó en un cuarto mesofílico a 37ºC, con un TRH de 25 d, y con una carga

orgánica inicial de 2512.98 mgDQO/L d. Se alimentó diariamente (120 mL) con una solución

con composición conocida mostrada en la Tabla 4.

Tabla 4. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor.

Componente Concentración (g/L)K2SO4 17.0 Sacarosa 5.0 NaHCO3 3.0 K2HPO4 0.6 NaCO3 3.0 NH4Cl 0.6 CH3COOH glacial 1.5

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

25

Por otro lado, se determinó diariamente el pH y la alcalinidad del reactor de acuerdo a la

Tabla 5. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, por otro lado la alcalinidad se mantuvo en un

valor menor a 0.5. La Figura 10 muestra la conformación del reactor inoculador de vidrio.

Tabla 5. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor.

Parámetro Alimentación Efluente Licor Gas Método pH - 3/sem - - Standard Methods 4500-H+

DOQ 1/sem 3/sem - - Standard Methods 5220-C SSV - - 3/sem - Standard Methods 2540-E Coeficiente α - 3/sem - - Ripley et al., 1986 Volumen de biogás - - - 1/día Poggi-Varaldo et al, 1987

Standard Methods 2540-E SO4 - - - 2/sem

La mayoría de las determinaciones se realizaron de acuerdo a Standard Methods, sin

embargo el coeficiente alfa se determinó de acuerdo a Ripley et al., 1986, en donde se

considera que el estado estable de un digestor anaerobio se puede determinar con respecto

al factor alfa, el cual debe oscilar alrededor de 0.3.

Figura 10. Configuración del Reactor inoculador sulfato reductor.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

26

5.2.3 Arranque y operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico

El propósito de esta actividad fue la obtención de extractos a utilizarse como sustrato en los

ensayos de la celda de combustible microbiana. Para el arranque y operación del digestor

anaerobio en sustrato sólido acidogénico se procedió de acuerdo a la metodología descrita

por Poggi-Varaldo et al. (1997) y Valdez-Vázquez et al. (2005b).

En el arranque de este digestor su composición estuvo constituida por 1/3 de

kilogramo de los siguientes materiales: estiércol vacuno sin tratar, lodos activados

sedimentados mediante un cono Imhoff (Poxygrid® Imhoff Cone) y tierra de jardín cribada

utilizando un tamiz No. 35 y con apertura de poro de 0.46 mm. Se utilizó como digestor un

recipiente de vidrio el cual fue cerrado herméticamente por un tapón de goma. El digestor fue

provisto de una salida de biogás, la capacidad total del digestor fue de 1500 g, con un peso

de operación de 850 g de sólidos húmedos.

El diseño experimental de esta actividad consistió en 5 factores a 1 nivel y 1 sola

réplica: volumen de operación, temperatura, tiempo de residencia másico, flujo de

alimentación y caga orgánica. Se incubó a 55 ºC según las condiciones de operación

mostradas en la Tabla 6.

Tabla 6. Parámetros de operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.

Parámetro Valor Volumen/Peso de operación 850g Temperatura 55ºC Tiempo de residencia másico 21d Flujo de alimentación 40,5g/d Carga orgánica 12,3gSV / Kg·d

Una vez arrancado el digestor se operó inicialmente en lote para alcanzar una producción

constante de biogás. Cuando esto sucedió, el digestor fue alimentado con sustrato sólido dos

veces por semana bajo condiciones de anoxia a un tiempo de residencia másico promedio de

21 días (TRM).

Por otro lado, de acuerdo a la Tabla 7, la alimentación de los digestores para la

obtención de extractos consistió de una mezcla de residuos de fruta y verdura secados

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

27

durante toda la noche (60%) y residuos de papel de oficina (40%), ambos en base seca.

Posteriormente la humedad de esta mezcla fue ajustada a 25% se sólidos totales mediante la

adición de una solución reguladora conteniendo 44 g NaHCO3 y 73.6 g K2HPO4 por litro.

Por otro lado, se determinó el pH y la alcalinidad del digestor de acuerdo a la

frecuencia mostrada en la Tabla 8. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, de manera similar,

se buscó que el parámetro alfa y la producción de biogás presentaran una relación directa

para determinar de esta manera el estado estable del sistema. La Figura 11 muestra la

conformación del digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.

Tabla 7. Composición del sustrato de alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.

Componente Valor Sustrato sólido -Residuos de fruta/vegetales 60 % en base seca -Residuos institucionales 40 % en base seca ST 35.5 ± 3.25 % SV 20.99 ± 0.85 % pH 7.34 ± 0.15 Alcalinidad 35.09 ± 0.05 mgCaCO3/gbase seca

Nitrógeno Total (Kjedahl) 1.93 ± 0.80 % Celulosa 26.2 ± 6.5 % Lignina 19.4 ± 5.1 % Nota:

Extraída de Valdez-Vasquez et al. (2005b).

La operación en laboratorio del digestor anaerobio en sustrato sólido se llevó a cabo de la

siguiente manera. El digestor se alimentó dos veces por semana, agregando la cantidad de

sustrato específica para los siete días que componen la jornada semanal. La producción de

biogás se midió diariamente mediante el desplazamiento de salmuera.

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Tabla 8. Seguimiento y análisis para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.

Parámetro Alimentación Purga Gas Método

Standard Methods 4500-H+pH 1/lote 2/sem -

ST 1/lote 2/sem - Standard Methods 2540-E

SV 1/lote 2/sem - Standard Methods 2540-E

Alcalinidad 1/lote 2/sem - Standard Methods 2320-B

Coeficiente α 1/lote 2/sem - Ripley et al., 1986

Metabolitos orgánicos - 2/sem - Valdez-Vasquez et al. (2005b)

Volumen de biogás - - 1/día Poggi-Varaldo, 1996

El digestor estuvo dotado de un puerto muestreador de biogás para la determinación de CH4

y H2. Además contó con una salida del biogás que iba directamente a un salmuerómetro, en

el cual se midió el volumen desplazado. Este volumen, mediante el principio de Arquímedes

fue igual al volumen de biogás producido por el consorcio presente en el digestor.

Figura 11. Configuración del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

29

5.2.4 Lavado de los sólidos gastados provenientes del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico y Determinación de ácidos y solventes orgánicos

La extracción de los metabolitos orgánicos se realizó de acuerdo a Valdez-Vasquez et al.,

2005. Los metabolitos orgánicos fueron determinados de extractos acuosos obtenidos del

Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 5 g de Sólidos gastados homogéneos

fueron vigorosamente mezclados con 25 mL de agua destilada. La suspensión fue

posteriormente centrifugada a 8000 crf durante 10 min. Por otro lado, una alícuota del

sobrenadante fue analizada mediante cromatografía de gases con el siguiente programa:

temperatura inicial 50°C durante 5 minutos. Progresivamente se fue incrementando la

temperatura 12°C cada minuto hasta alcanzar 230°C. Se utilizó una Columna FFAP a 220°C

mientras que la temperatura del Detector fue de 270°C.

5.2.5 Procedimiento de alimentación y purga de los reactores inoculadores y del digestor anaerobio

En la Figura 12 se muestra de manera esquemática la configuración de los reactores

inoculadores (Robles-González et al., 2006) y el digestor en fase sólida (Valdez-Vazquez et

al., 2006). El proceso general se describe a continuación. El consorcio microbiano se

encuentra contenido en el reactor o digestor en donde se degrada el sustrato suministrado

(flecha 1), ya sea como una mezcla de componentes químicamente conocida o un sustrato

modelo como el del digestor en fase sólida. Una vez degradado el sustrato, ya sea total (en

el caso de sustratos simples) o parcialmente (para el caso de un sustrato complejo o modelo)

se genera biogás, el cual se midió mediante desplazamiento de salmuera saturada en NaCl

acidificada con H2SO4 a pH 3 (Valdez-Vasquez et al., 2005b, corriente 3). El biogás fluye

hacia un recipiente que contiene salmuera (punto 5) y en donde antes de llegar a éste es

posible colocar un puerto de muestreo (punto 4). El biogás presuriza el contenedor de

salmuera obligando a que ésta fluya hacia el receptor de salmuera (punto 7) permitiendo

medir la cantidad de biogás generado. Finalmente, dependiendo del tiempo de retención

(TRM o TRH) el sistema es purgado para evitar la acumulación de células muertas y

componentes celulares excretados (punto 2).

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30

Figura 12. Configuración de los reactores inoculadores.

5.2.6 Cambio en la alimentación del Reactor inoculador sulfato reductor

El propósito de esta actividad fue aumentar la cantidad de biomasa fija al ánodo, por lo tanto

se decidió modificar la alimentación del RI-SR incluyendo lodos activados y alimentando

diariamente (120 mL). La operación del reactor fue semi-continua, el volumen de operación

fue de 3 L, se operó en un cuarto mesofílico a 37ºC, con un TRH de 25 d, y con una carga

orgánica inicial de 2414.63 mgDQO/L d. La preparación del agua de alimentación fue de

acuerdo a la Tabla 9, sin embargo, en vez de diluir solamente en agua los componentes

mostrados en la Tabla 9, se mezclaron previamente en 1/3 L de lodos activados (3.6 gSST/L)

y finalmente se llevó a un aforo de 1 L.

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Tabla 9. Cambio en la composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor.

Componente Concentración (g/L)K2SO4 17.0 Sacarosa 5.0 NaHCO3 3.0 K2HPO4 0.6 NaCO3 3.0 NH4Cl 0.6 CH3COOH glacial 1.5 Lodos activados-SSV 2.5

Por otro lado, se determinó diariamente el pH y la alcalinidad del reactor de acuerdo a la

Tabla 10. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, por otro lado la alcalinidad se mantuvo en un

valor menor a 0.5.

Tabla 10. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor.

Parámetro Alimentación Efluente Licor Gas Método

pH - 3/sem - - Standard Methods 4500-H+

DQO 1/sem 3/sem - - Standard Methods 5220-C

SSV - - 3/sem - Standard Methods 2540-E

Coeficiente α - 3/sem - - Ripley et al., 1986

Volumen de biogás - - - 1/día Poggi-Varaldo et al, 1987

La mayoría de las determinaciones se realizaron de acuerdo al Standard Methods (pH, DQO,

SSV, Volumen de biogás). La alcalinidad intermedia y parcial se analizaron de acuerdo con

Ripley et al. (1986) y con Poggi-Varaldo y Oleszkiewicz (1992). El coeficiente alfa se calculó

como la razón entre la alcalinidad intermedia y la alcalinidad parcial. Valores por debajo de

0.5 en reactores anaerobios indican una adecuada capacidad reguladora de los ácidos

generados al medio (Garibay-Orijel et al., 2005; Robles-González et al., 2006)

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32

5.3 Actividad 2: Diseño y Construcción de la celda de combustible

microbiana

5.3.1 Primer diseño de la celda de combustible microbiana

El propósito de esta actividad fue diseñar y construir la celda de combustible microbiana

tanto a utilizar en los ensayos preliminares, caracterización del sistema, ensayos en lote

como en lote repetido. Como se mencionó previamente en la sección de materiales y

métodos, el Diseño A se ideó como una celda de una cámara, con los electrodos colocados

en los extremos de la misma. En la Figura 13 se muestra la apariencia final del Diseño A

(Apéndice A).

Figura 13. Apariencia final del Diseño A de la celda de combustible microbiana.

Como es apreciable, en el cuadro 1 de la Figura 13, el cátodo se encuentra en contacto con

el aire para proporcionar a la celda una aereación pasiva. Por otro lado, en el cuadro 2 se

aprecia el material con el cual están hechos los electrodos que “salen” de la estructura para

cerrar el circuito que permitirá determinar la corriente generada en el sistema (flechas). Tanto

en el cuadro 3 y 4 se aprecian los conectores que permitirán alimentar y purgar al sistema

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33

(flechas). Por último, se puede observar que la celda estará sellada por la presión ejercida

por los tornillos sobre la cámara central. Consultar Apéndice A para detalles adicionales.

5.3.2 Segundo diseño de la celda de combustible microbiana

El propósito de esta actividad fue diseñar y construir la celda de combustible microbiana

tanto a utilizar en ensayos en régimen continuo que como se comentaré posteriormente se

sustituyeron por estudios en lote repetido utilizando el Diseño A de la celda de combustible

microbiana. A diferencia del Diseño A, el diseño B cuenta con mamparas perpendiculares a

los electrodos, lo cual se muestra en la Figura 14. Tales mamparas de idearon con la

intención de favorecer la transferencia de sustrato en la celda una vez que ésta se encuentre

en operación continua con el propósito de minimizar cortocircuitos entre la entrada y la salida

de la celda (Apéndice B).

Figura 14. Apariencia final del Diseño B de la celda de combustible microbiana.

En el cuadro 1 de la Figura 14 se observa la colocación de las mamparas a lo largo de la

celda (flechas). Las mamparas se encuentran colocadas a 1/3 de distancia una de la otra con

respecto a la longitud del diámetro de la cámara. Por otro lado, en el cuadro 4 se observa la

disposición de las mamparas de manera perpendicular a los extremos de la cámara central

(flechas). Consultar Apéndice B para detalles adicionales.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

34

5.3.3 Configuración de la celda de combustible microbiana

La celda de combustible microbiana se muestra en la Fig. 15 y consistió de un ánodo y un

cátodo colocados en sitos opuestos de una cámara cilíndrica de plexiglás. El espacio efectivo

de la cámara tuvo las siguientes dimensiones: 78 mm de largo, con un diámetro de 49 mm y

un volumen de operación de 150 ml. El área superficial del ánodo por unidad de volumen fue

de 18.8 m2/m3. El electrodo del ánodo estuvo constituido de una lámina de acero inoxidable

con un diámetro de 49 mm y con perforaciones con diámetro 2 mm (ver Fig. 18). Por otro

lado, el cátodo además de estar constituido de una lámina de acero inoxidable con las

mismas dimensiones y condiciones que el ánodo, tuvo una membrana de intercambio

protónico (MIP) entre la fase acuosa y la lámina de acero, y entre éstas se colocó tela de

carbón Toray con un diámetro similar al de la lámina de acero y con una concentración final

de 0.5 mg Pt/cm2.

Figura 15. Configuración de la Celda de Combustible Microbiana.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

35

5.3.4 Activación de la membrana Nafión®

El propósito de esta actividad preparar la Membrana de Intercambio Protónico (MIP) tanto a

utilizar en los ensayos preliminares, caracterización del sistema, ensayos en lote como en

lote repetido. La activación de una membrana protónica Nafion® precedió al depósito del

catalizador. Este pre-tratamiento se llevó a cabo mediante “lavados” secuenciales a una

temperatura de 80°C. El procedimiento llevado a cabo se enlista a continuación (Rodríguez-

Castellanos, 2005).

1. Inmersión de la membrana en una solución de H2O2 al 30% (% v/v) durante 1 h con la

intención de remover impurezas orgánicas de la superficie.

2. Inmersión de la membrana en H2O desionizada durante 1 h para hidratar la superficie

de la membrana y remover impurezas que hayan quedado en ésta.

3. Inmersión de la membrana en una solución de H2SO4 0.5M durante 1 h que removerá

iones metálicos contaminantes de la superficie.

4. Inmersión de la membrana en H2O desionizada durante 1h con lo cual se remueve el

H2SO4 de la superficie y se hidrata la membrana.

5.3.5 Preparación y depósito de la tinta catalítica

El propósito de esta actividad fue agregar el catalizador, Pt, a la MIP utilizada en los ensayos

preliminares, caracterización del sistema, ensayos en lote como en lote repetido. Se preparó

la tinta catalítica de acuerdo a una concentración de 0.5 mg Pt/cm2. Fue necesario colocar

previamente en un vial, y pesando en balanza analítica, la cantidad de platino a utilizar (8.3

mg Pt), esto con respecto a un área superficial de 16.62 cm2. Una vez pesada la cantidad de

platino requerida, al vial se le agregó 700 μl de etanol y 40 μl de solución Nafion al 5%. Por

último, se agitó la mezcla de los componentes anteriores en un sonicador durante 5 minutos

hasta observar una consistencia homogénea.

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36

Por otro lado, el catalizador en forma de tinta se depositó mediante aspersión en una

membrana activada. Cuando la tinta se depositó en la membrana y después de 5 minutos de

ser expuesta a la luz de una lámpara para garantizar que el catalizador secara, la membrana

entintada fue colocada en una prensa (Fig. 16). El objetivo de colocar la membrana en la

prensa fue garantizar una mayor adhesión del catalizador, esto se logró al utilizar una

temperatura de 120°C y 4 kg/cm2 durante 2 minutos (SPECAC: Prensa hidráulica manual con

una carga máxima de 15 toneladas).

Figura 16. Prensa y aereógrafo utilizado pata la deposición del catalizador.

5.3.6 Deformación de la membrana de intercambio protónico

El propósito de esta actividad fue verificar el estado de los materiales internos que

compusieron la CCM y con respecto a esto realizar adecuaciones al diseño. Como se

mencionó anteriormente, la CCM fue diseñada de tal forma que en el lado del cátodo, se

colocara una cruz del mismo material que la CCM (acrílico) para favorecer el contacto de la

MIP, del Pt con la lámina de acero inoxidable.

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37

La Fig. 17 cuadro 1 muestra la cruz de acrílico que se ideó para mantener en contacto el Pt

fijado en la membrana y el electrodo de metal. La Fig. 17 cuadro 2 muestra la MIP pintada

con Pt y que se había utilizado para los ensayos preliminares.

Figura 17. Vista real en perspectiva de la celda de combustible microbiana y de la membrana de

intercambio protónico corrugada y con la carga de Pt.

Con respecto a esta situación, al abrirse la CCM después de los ensayos preliminares para

verificar que los componentes estructurales se encontraran en buen estado, se logró

detectar que la MIP se encontraba corrugada en aquellos lugares en los que no estaba en

contacto con la cruz de acrílico. De la situación observada se tomó la decisión de cambiar la

manera en que el Pt como catalizador fuera incluido en el sistema y la forma en que se

asegurara el máximo contacto físico entre la MIP y la tela de carbón Toray. Por lo cual se

tomó la sugerencia de modificar la construcción del cátodo y utilizar tela de carbón Toray que

ya contenía 0.5 mg Pt/cm2 en vez de pintar una MIP con Pt a esa concentración. Además la

cruz de acrílico se sustituyó por una lámina circular perforada con broca de taladro para

lograr orificios de 2 mm de diámetro.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

38

5.3.7 Cambio en la configuración de la celda de combustible microbiana

En la Fig. 18 se muestra la configuración que actualmente tiene la CCM, en específico se

puede observar que en el lado del cátodo, entre la lámina de acero y la membrana de

intercambio protónico ahora se incluyó tela de Carbón Toray, la cual proporciona la misma

concentración de platino utilizada anteriormente (0.5 mg Pt/cm2). También se ha adicionado

una placa de acrílico perforada que por sugerencia del Ing. Andrés Rodríguez-Castellanos

del Departamento de Química del Cinvestav, evite que la membrana de intercambio

protónico se corrugue nuevamente como se mostró en la Fig. 17 cuadro 1.

Figura 18. Inclusión de tela de Carbón Toray en la configuración del cátodo.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

39

5.4 Actividad 3: Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible

microbiana

El propósito de esta actividad fue verificar la factibilidad del diseño con respecto a la

operación de la CCM y de acuerdo a esto proponer modificaciones al diseño de ser

necesarias.

5.4.1 Configuración de la celda de combustible

Se realizaron diversos ensayos exploratorios para los cuales se utilizaron inóculos

proporcionados por los reactores inoculadores mencionados previamente (ver sección 6.3 y

6.4). La celda de combustible microbiana se muestra en la Figura 18 y consistió de un ánodo

y un cátodo colocados en sitos opuestos de una cámara cilíndrica de plexiglás. El espacio

efectivo de la cámara tuvo las siguientes dimensiones: 78 mm de largo, con un diámetro de

48 mm y un volumen de operación de 150 ml. El área superficial del ánodo por unidad de

volumen fue de 12.8 m2/m3. El electrodo del ánodo estuvo constituido de una malla de acero

inoxidable con un diámetro de 6 cm. Por otro lado, el cátodo además de estar constituido de

una malla de acero con las mismas dimensiones que el ánodo, tuvo una membrana de

intercambio protónico entre la fase acuosa y la malla de acero, y entre éstas se colocó papel

carbón Toray con un diámetro similar al de la malla de acero. La membrana de intercambio

protónico tuvo una concentración final de 0.5 mg Pt/cm2. Para la activación de la membrana

antes de agregársele el catalizador fue como sigue: de manera secuencial, la membrana

Nafion 117 fue sumergida en una solución de H2O2 (30% v/v), H2O desionizada, H2SO4 0.5M

y H2O desionizada, por 1h cada ciclo a 80°C. Una vez agregado el catalizador a la

membrana, ésta fue colocada en una prensa caliente a 120°C y una presión de 4 kg/cm2

durante 2 minutos.

5.4.2 Inóculo y agua de alimentación

Como fuente de biocatalizador se utilizó la purga de un reactor inoculador metanogénico que

había presentado un periodo de estabilización de alrededor de 4 meses. El pH del inóculo fue

de 7.67 y al terminar el ensayo no varió sustancialmente (pH= 8.71 después de 10h). Por otro

lado, la DQO del inóculo fue de 272.72 mg DQO/L. El agua de alimentación estuvo

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compuesta de la siguiente manera (por litro): Sacarosa 5 g; NaHCO3 3 g; K2HPO4 0.6 g;

Na2CO3 3g; NH4Cl 0.6g; CH3COOH glacial 1.5 mL. La DQO del agua de alimentación fue de

2805.19 mg DQO/L.

5.4.3 Condiciones experimentales e instrumentos de medición

La celda de combustible microbiana fue llenada con inóculo obtenido del RI-CH4 (~203 ml).

Posteriormente la celda fue alimentada con ~8.5 ml. No se tomaron medidas adicionales para

procurar y mantener condiciones anóxicas dentro de la celda. El voltaje y la corriente fueron

medidos a través de un potenciostato con un sistema de adquisición de datos (Fig. 19) y

convertido posteriormente a densidad de potencia de acuerdo a la ecuación 4.

Figura 19. Estación de adquisición de datos.

En la Fig. 19 se muestra el modulo de pruebas utilizado para la medición de voltaje y

corriente en el ensayo preliminar. En la parte superior de la imagen se observa el monitor a

través del cual se aprecia en tiempo real el desempeño del sistema estudiado en función de

las variables mencionadas previamente. En la parte intermedia de la imagen se aprecia que

mediante este equipo es posible regular los flujos de hidrógeno y oxígeno que se serían

necesarios suministrar en caso de tratarse de una celda de hidrógeno convencional.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

41

Fase 2

5.5 Actividad 4: Caracterización y Ensayos de la celda de combustible

microbiana en lote con alimentación sintética

El propósito de esta actividad fue caracterizar la celda de combustible microbiana para

obtener la resistencia interna del sistema utilizando dos tipos de inóculo distintos. Una vez

caracterizado el sistema también se realizaron ensayos en lote utilizando dos tipos de inóculo

y suministrando una alimentación sintética de composición similar a la de los extractos de la

producción biológica de hidrógeno.

5.5.1 Significado de la curva de polarización

Las curvas de polarización son consideradas como una herramienta muy útil para el análisis

y caracterización de una CCM (Logan et al., 2006). Este tipo de curvas en particular se

utilizan para encontrar los puntos máximos de Potencia (PCCM en mW) y Voltaje (ECCM en V)

con respecto a la Corriente (ICCM en mA) (Oh y Logan, 2006). La manera en que una curva de

polarización se obtiene, es mediante la variación de la resistencia externa (Rext), ya sea en

aumento o en decremento.

Primero es necesario operar la CCM sin necesidad de conectarla a una Rext y analizar

su comportamiento con respecto al Voltaje a circuito abierto (ECCMCA). Una vez que éste

último presente un comportamiento estable (Tender et al., 2002), la CCM se somete a una

Rext, la cual se irá variando hasta obtener una curva que permita conocer el punto máximo

de Potencia y Voltaje de la CCM. También es posible usar dos métodos distintos para la

construcción de una curva de polarización.

El primer método se basa en fijar el circuito bajo una resistencia externa variable

durante un ciclo en lote con el objetivo de estimar el valor de la resistencia interna de la celda

de combustible mcirobiana. Este valor comprende una de las características más importantes

de una celda de este tipo, ya que de acuerdo al Teorema de Jacobi de la “máxima potencia

producida por una fem” (Halliday et al., 2005), una celda de combustible microbiana operada

bajo una resistencia externa igual a su resistencia interna resultará por consecuencia en un

valor de máxima potencia generada (Figura 29).

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

42

El segundo método se basa en operar la celda en un ciclo completo en lote utilizando

una sola resistencia externa y entonces cambiar hacia una nueva resistencia para operar la

celda en el siguiente ciclo en lote (Heilman y Logan, 2006).

5.5.2 Construcción de la curva de polarización

El propósito de esta actividad fue caracterizar la CCM utilizando dos tipos de inóculo y

analizando diversas variables de respuesta principalmente electroquímicas, como son:

voltaje, corriente y potencia para la construcción de una curva de polarización. Se realizó el

siguiente procedimiento independientemente del inóculo utilizado para cada CCM.

Para comenzar a generar la curva de polarización para la CCM fue necesario operar la

CCM en circuito abierto durante poco más de 1h. Una vez logrado el estado estable del

voltaje a circuito abierto se hizo variar la resistencia externa (Rext) desde una valor de 10 kΩ

hasta 1000 kΩ y viceversa.

Al finalizar la variación del voltaje en función de una Rext, nuevamente se operó la

CCM en circuito abierto con lo cual se logró corroborar el estado estacionario del sistema y

también que las condiciones en que se obtuvo la curva de polarización fueron adecuadas. Es

sabido que en la obtención de curvas de polarización al utilizar periodos largos de operación

con alimentación en lote, la concentración del sustrato varía de tal forma que el

procedimiento de caracterización no es válido debido a la demanda de sustrato que ocurre

en el ánodo (Logan et al., 2006).

5.5.3 Configuración de la celda de combustible microbiana para la construcción de la curva de polarización

La CCM consistió de un cilindro horizontal construido de plexiglás, 78 mm de largo (distancia

entre electrodos) y diámetro interno de 48 mm. En un extremo del cilindro, se colocó un

ánodo circular hecho de una lámina de acero inoxidable de 1 mm de grosor. En el otro

extremo, se colocó un cátodo constituido por tres capas circulares (desde adentro hacia

fuera): membrana de intercambio protónico (Nafion 117), papel de carbón Toray con una

concentración de 0.5 mg Pt/cm2 como catalizador, y lámina perforada de acero inoxidable de

1 mm de grosor. El cátodo fue aereado por convección natural, ya que la capa de metal

perforado estuvo en contacto con el aire.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

43

El área superficial del ánodo por unidad de volumen fue de 12.82 m2/m3. Dos puertos de

muestreo (parte superior e inferior) fueron taladrados en el cuerpo del cilindro de la CCM

para alimentar y purgar. La CCM fue inoculada con 143 ml de inóculo proveniente de un

reactor inoculador metanogénico completamente mezclado. La concentración de biomasa en

el inóculo fue de ca. 200 mg SSV/L.

Tabla 11. Composición del Extracto Modelo.

Componente Cantidad (g L-1)Acetona 4.0 Etanol 4.0 Á. Acético 4.0 Á. Propiónico 4.0 Á. Butírico. 4.0 NaHCO3 3.0 K2HPO4 0.6 Na2CO3 3.0 NH4Cl 0.6

La CCM fue cargada con 7 ml de un extracto modelo similar al perfil de metabolitos

generados en la producción biológica de hidrógeno a partir de residuos sólidos municipales

(Valdez-Vazquez et al, 2005). El extracto Modelo fue constituido por una mezcla de los

siguientes ácidos: acético, propiónico y butírico, así como de acetona y etanol y sales

minerales (Tabla 11). La DQO del extracto modelo fue de ca. 16 g DQO/L. La CCM fue

operada en régimen lote por 50h a 37°C. El pH inicial y final fue de 7.66 y 8.32,

respectivamente.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

44

5.5.4 Descripción del ensayo en lote con dos inóculos distintos de la celda de combustible microbiana

La CCM fue cargada con 7 ml de un extracto modelo similar al perfil de metabolitos

generados en la producción biológica de hidrógeno a partir de residuos sólidos municipales

(Valdez-Vazquez et al, 2005). El extracto Modelo fue constituido por una mezcla de los

siguientes ácidos: acético, propiónico y butírico, así como de acetona y etanol y sales

minerales (Tabla 12). La DQO del extracto modelo fue de ca. 16 g DQO/L. La CCM fue

operada en régimen lote por 50h a 37°C. El pH inicial y final fue de 7.66 y 8.32,

respectivamente. La celda de combustible microbiana fue inoculada ya sea con inóculo

metanogénico (In-M) o con inóculo sulfato reductor (In-SR) provenientes de reactores

inoculadores (consultar sección 5.2 y 5.3). La concentración de biomasa en el inóculo fue de

aproximadamente de 200 mgSSV/L. Ambos reactores inoculadores tuvieron un volumen de

operación de 3 L. Los reactores fueron operados en un cuarto con temperatura controlada a

37 °C. El medio para los reactores (Tabla 11 y 12) contenía sacarosa y fue alimentado a un

flujo de 120 mL/d para cada uno.

Tabla 12. Composición del Extracto Modelo.

Componente Concentración (g/L)Sacarosa 5.0 Ácido acético 1.5 NaHCO3 3.0 K2HPO4 0.6 Na2CO3 3.0 NH4Cl 0.6 K2SO4 (sólo In-SR) 10.0

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

45

5.6 Actividad 5: Disminución de la resistencia interna de la celda de

combustible microbiana y aumento del desempeño

El propósito de esta actividad fue disminuir la resistencia interna obtenida en la construcción

de las curvas de polarización durante la caracterización de la CCM. La disminución de la

resistencia interna se logró mediante al aumento de la concentración del inóculo sulfato

reductor (en mgSSV/L) con el objetivo de aumentar la colonización de la superficie del

ánodo.

5.6.1 Protocolo de inoculación y condiciones de operación

La estrategia experimental para este ensayo se compuso del siguiente procedimiento. En un

inicio la CCM se cargó con un inóculo “pesado” compuesto por tres partes proporcionales

dando un total de 150 mL. A diferencia de los inóculos utilizados en los ensayos previos (In-

M o In-SR), éste se compuso de 1/3 de estiércol vacuno, 1/3 lodos activados y 1/3 tierra de

jardín cribada.

El protocolo de inoculación fue propuesto con el objetivo principal de incrementar la

densidad de potencia (PAn), así como la remoción de materia orgánica y la eficiencia

coulombimétrica al favorecer la colonización del ánodo. Así mismo se analizó la posibilidad

de alimentar la CCM con un incremento secuencial en la carga orgánica el cual se muestra

en la Tabla 13. Cabe mencionar que la alimentación estuvo caracterizada por extracto

proveniente de un digestor anaerobio en sustrato sólido con la composición mostrada en la

Fig. 26 así como por ácidos y solventes diluidos en este extracto para reforzar la

concentración del sustrato hasta alcanzar la DQO mostrada en la Tabla 3.

Como se mencionó previamente, en la etapa A la CCM se cargó solamente con un

inóculo 3/3 con 565 mgSSV/L. Después de una semana, de la CCM se purgó 50 mL, o sea

1/3 de su capacidad volumétrica. Una vez concluida la Etapa A, la CCM se cargó con 2181

mgDQO/L (Etapa B) y no se volvió a abrir hasta después de 7 días. Cabe mencionar que

desde la etapa B hubo un cambio sustancial en la alimentación de la CCM, la cual estuvo

compuesta por extracto obtenido de sólidos gastados de la producción biológica de

hidrógeno y por purga proveniente de un reactor inoculador sulfato reductor en la cual se

diluyeron ácidos y solventes orgánicos con la inclusión adicional de sales minerales.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

46

Tabla 13. Diseño experimental en la disminución de la resistencia interna de la celda de combustible microbiana.

Alimentación Duración (d)

Recambio de la alimentación pH Alcalinidad Total

(mgCaCO3/L) SST (mg/L) SSV (mg/L) DQO (mg/L)

Etapa A 7 1 8.2 1530 3522 2495 1090 Etapa B 7 1 5.8 N.D. 3509 2983 2181 Etapa C 7 1 5.4 N.D. 3738 2397 4582 Etapa D 59 8 4.9 N.D. 3565 2423 8072

Nota:

No hubo re-inoculación de la celda posterior a la cantidad de inóculo sulfato reductor cargada en la inoculación de la CCM. La

Alcalinidad Total se calcula utilizando la diferencia de la cantidad de H2SO4 utilizada para titular la muestra hasta un pH igual a 5.75 y a

4.3. Esta diferencia debe arrojar un valor positivo, al no serlo no fue posible determinar la Alcalinidad Total para las Etapas B, C y D.

La decisión de utilizar purga de un RI-SR responde a los resultados obtenidos

previamente en los cuales se compara la influencia del tipo del inóculo sobre la

producción de electricidad en las condiciones de operación utilizadas. La etapa C, con

una duración similar a las dos etapas anteriores (7 días), estuvo caracterizada por un

cambio en la concentración de la alimentación (4581 mgDQO/L). La última etapa (etapa

D) tuvo una duración total de aproximadamente 59 días de operación. Aquí la CCM

recibió una concentración aún mayor de materia orgánica contenida en la alimentación

(8072 mgDQO/L), en comparación con las etapas anteriores. La CCM se operó bajo

condiciones controladas de temperatura en un cuarto mesofílico a 37°C y a un TRH de 21

d. Si se considera que VCCM es de 150 mL entonces se tiene que QCCM es igual a 7.14

mL/d. Ahora si 7.14 mL/d se multiplican por 7 días da como resultado 50 mL que fue

purgado semanalmente de la CCM (Ecuación 14).

El pH inicial de la CCM fue de 7.74 mientras que al día 42 el pH fue de 4.65 mostrando

un decremento gradual a lo largo del periodo de operación, siendo cada vez más bajo que

la etapa anterior. Debido a que al inicio de la corrida se detectó una fuga en la CCM, se

procedió a conectar un recipiente con salmuera ácida similar al de RI-SR pero de menor

tamaño. Esto con el objetivo primordial de medir la cantidad de biogás generada por la

CCM y que por lo tanto ésta se despresurizara.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

47

Fase 3

5.7 Actividad 6: Desarrollo de las técnicas de biología molecular y del

análisis por microscopía electrónica de barrido

El propósito de esta actividad fue desarrollar las técnicas de biología molecular para

caracterizar la comunidad microbiana presente en la CCM, así como el análisis por

microscopía electrónica de barrido de la biomasa soportada en la superficie del ánodo.

5.7.1 Estrategia experimental para la caracterización de la comunidad microbiana presente en la celda de combustible microbiana a través de técnicas de biología molecular

El plan de trabajo estuvo compuesto por 3 fases divididas en 7 actividades. El trabajo

experimental comprendió desde el arranque de reactores inoculadores y procuradores de

alimentación para la celda, diseño y construcción de éstas, hasta la obtención del perfil de

comunidades microbianas presentes en el sistema que se muestra en la Figura 20.

Figura 20. Muestreo realizado de la Tela de Carbón Toray analizadas por Microscopía electrónica de

barrido. Adaptado de García-Mena, 2006.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

48

En esta actividad se planeó estandarizar las técnicas de biología molecular de acuerdo al

sistema biológico utilizado (inóculo de un digestor anaerobio en fase líquida y afluente de una

celda de combustible microbiana). Además mediante técnicas de biología molecular (DGGE),

se planeó realizar un perfil de comunidades microbianas que permitiera discernir de aquellos

microorganismos que se encuentran en mayor concentración durante la obtención de

electricidad en la celda de combustible microbiana.

5.7.2 Procedimiento para la extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible microbiana

La extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda se realizó de las mismas muestras

utilizadas para la determinación de la ηDQO en el ensayo de la celda de combustible

microbiana en lote repetido, es decir de las muestras A, B, C, D-1, D-2, D-3, D-4, D-5, D-6, D-

7. El procedimiento que se siguió se enuncia a continuación:

A. Tomar 500 μL de muestra homogénea del licor de la CCM y agregar a Tubo

Eppendorf de 1500 μL.

B. Centrifugar a 14 000 rcf (relative centrifugal force) por 5 min para formar pastilla.

C. Retirar sobrenadante cuidadosamente.

D. Agregar 100 μL SDA (5%), 100 μL Tris-HCl (pH 8, 1 M), 500 μL Fenol equilibrado y

300 μL H2O.

E. Agregar 0.6 g de perlas de vidrio previamente tratadas con mezcla crómica.

F. Dispersar en un vortex durante 5 min.

G. Centrifugar a 14 000 rcf por 10 min.

H. Recuperar la fase acuosa del tubo y transferir a otro Tubo Eppendorf de 1500 μL,

evitando por completo el Fenol.

I. A la fase acuosa adicionarle 250 μL de Cloroformo para extraer los residuos de Fenol.

J. Dispersar en un vortex durante 2 min.

K. Centrifugar a 14 000 rcf por 10 min.

L. Recuperar la fase acuosa del tubo, evitando por completo el Cloroformo.

M. Agregar a la fase acuosa el 10% del volumen de Acetato de Sodio 3 M a pH 5.2.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

49

N. Agregar 2 volúmenes de Etanol absoluto.

O. Precipitar a -20°C durante 15 min.

P. Centrifugar a 14 000 rcf por 30 min.

Q. Decantar y lavar con 1 volumen de Etanol 70%.

R. Dispersar en un vortex durante 1 min.

S. Centrifugar a 14 000 rcf por 15 min y eliminar el Etanol.

T. Secar el tubo y resuspender en 50 μL de H2O desionizada.

U. Correr en gel de Agarosa al 0.5%.

5.7.3 Procedimiento para la extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana

Se realizó la extracción comparativa de DNA por el método simple fenol-Cloroformo

(Sambrock y Rusell, 2001) empleado ya previamente dentro del grupo de trabajo (Herrera-

López, 2007; Zárate-Segura, 2005; Garibay-Origel, 2006; Valdez-Vazquez, 2007). La

extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda

se realizó de las muestras ubicadas en la misma zona de la; s muestras utilizadas para el

estudio de la biomasa soportada en la superficie del ánodo por microscopia electrónica de

barrido, es decir, de las muestras 001, 002, 003, 004, 005, 006, 007, 008, 009, 010, 011 y

012. El procedimiento que se siguió se enuncia a continuación:

A. Cortar trozos de la tela de carbón Toray no mayores a 0.5 cm.

B. Colocar el trozo de la tela de carbón Toray en Tubo Eppendorf de 1500 μL.

C. Agregar 100 μL SDA (5%), 100 μL Tris-HCl (pH 8, 1 M), 500 μL Fenol equilibrado y

300 μL H2O.

D. Agregar 0.6 g de perlas de vidrio previamente tratadas con mezcla crómica.

E. Dispersar en un vortex durante 5 min.

F. Centrifugar a 14 000 rcf por 10 min.

G. Recuperar la fase acuosa del tubo y transferir a otro Tubo Eppendorf de 1500 μL,

evitando por completo el Fenol.

H. A la fase acuosa adicionarle 500 μL de Cloroformo para extraer los residuos de Fenol.

Page 65: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

50

I. Dispersar en un vortex durante 5 min.

J. Centrifugar a 14 000 rcf por 10 min.

K. Recuperar la fase acuosa del tubo, evitando por completo el Cloroformo.

L. Agregar a la fase acuosa el 10% del volumen de Acetato de Sodio 3 M a pH 5.2.

M. Agregar 2 volúmenes de Etanol absoluto.

N. Precipitar a -20°C durante 15 min.

O. Centrifugar a 14 000 rcf por 30 min.

P. Decantar y lavar con 1 volumen de Etanol 70%.

Q. Dispersar en un vortex durante 1 min.

R. Centrifugar a 14 000 rcf por 15 min y eliminar el Etanol.

S. Secar el tubo y resuspender en 50 μL de H2O desionizada.

T. Correr en gel de Agarosa al 0.5%.

5.7.4 Protocolo para el estudio de la biomasa soportada en la superficie del ánodo por microscopia electrónica de barrido

Para estudiar la morfología de la biocapa soportada en la estructura del ánodo en el ensayo

de la CCM en semi-continuo se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) como una

herramienta ya reportada en la literatura para la caracterización de comunidades microbianas

(Garibay-Origel, 2006; Herrra-López, 2007; Domínguez-Malfavón et al., 2006) presentes en

celdas de combustible microbianas (Bond y Lovley, 2003; He et al., 2005; Carmona-Martínez

et al., 2007; Pham et al., 2003; Gregory et al., 2004 ; Holmes et al., 2004).

Durante la operación inicial de la CCM en semi-contínuo se generó biogás en la parte

superior del cilindro. Cabe mencionar que al cargar la CCM con un inóculo con una

concentración de 565 mgSSV/L se observó que los sólidos sedimentables se encontraban en

la parte inferior del cuerpo de la CCM. Debido a lo anteriormente planteado se realizó

principalmente cortes verticales del material del ánodo partiendo del razonamiento que se

generó una limitante en la disponibilidad del sustrato suministrado a la CCM. En la Fig. 21 se

observan las muestras del ánodo analizadas por MEB.

Adicionalmemnte se contempló analizar muestras de la tela de carbón Toray en

contacto con el licor de la CCM (cortes 0001-0006) así como muestras del mismo material en

Page 66: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

51

contacto con el acero inoxidable que componía el ánodo (cortes 0007-0012) (ver sección

5.12 Configuración de la celda). Con el procedimiento anteriormente ya descrito por

Domínguez-Malfavón (2006) el tratamiento de la muestra fue de la siguiente forma. Se

realizó 12 cortes de 5 x 5 mm de la tela de carbón Toray después de 100 d de operar la CCM

en semi-continuo. Seis de estos cortes serían analizados por la superficie que estaba en

contacto con el licor de la CCM (cortes 0001 a 0006). Los seis restantes serían analizados

por la superficie que se encontraba en contacto con la lámina de acero inoxidable que se

utilizó como material del ánodo (cortes 0007 a 0012).

Figura 21. Muestreo realizado de la Tela de Carbón Toray analizadas por Microscopía electrónica

de barrido.

Cada corte se sumergió en una solución de hidratación constituida por una mezcla de ácidos

y solventes orgánicos (por Litro): acético, 10.0 g; propiónico, 10.0 g; butírico, 10.0 g; acetona,

10.0 g; y etanol, 10.0 g. Finalmente se justó a un pH de 7.2 mediante titulación con una

solución reguladora con NaHCO3, 44 g y K2HPO4, 73.6 g por litro. Posteriormente, cada corte

Page 67: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

52

fue fijado en glutaraldehido al 25% en PBS (mezclar 500 mL de Na2HPO4 0.2 N con 500 mL

de NaH2PO4 0.2 N, pH 7.2) durante 4 h a temperatura ambiente.

Las muestras fueron lavadas en tres ocasiones con Solución de hidratación en periodos

de 5 min cada uno. Al finalizar el lavado se agregó a cada corte OsO4 al 1% en PBS durante

1 h a temperatura ambiente. Nuevamente, las muestras fueron lavadas en tres ocasiones

con Solución de hidratación en periodos de 5 min cada uno. Se deshidrató los cortes con

lavados de C2H5OH a diferentes concentraciones (50%, 60%, 70%, 80%, 90% por 15 min y

100% por 30 min) y secadas a punto crítico (Secador SAMDRI-780 A de Tousimis Research

Co.). Los cortes fueron finalmente sombreados con Au ionizado usando un evaporador de Au

Desk II de Denton Vacuum y observados al microscopio electrónico de barrido (Microscopio

JSM 35 C de JEOL LTD, Tokio, Japan). Adicionalmente se analizó un corte de tela de carbón

Toray utilizada como ánodo en el estudio en lote presentado en esta tesis (corte 0013). Por

otro lado, también se analizó un corte testigo que no fue utilizado en una CCM y que a

diferencia del resto, éste sólo se sometió al sombreado con Au (corte 0014).

5.8 Cálculos

El Voltaje (ECCM) fue medido a través de un Multímetro ESCORT 3146A de 5 ½ dígitos, y con

una pantalla de doble despliegue de datos. La corriente (ICCM) se calculó mediante la Ley de

Ohm:

ext

CCMCCM R

EI = (1)

La Potencia (PCCM) se obtuvo mediante el producto de la Corriente y el Voltaje de acuerdo a:

CCMCCMCCM EIP = (2)

o

ext

CCMCCM R

EP2

= (3)

Page 68: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

53

Con la intención de obtener un índice que permita comparar la Corriente y la Potencia

generada por la CCM, éstos se normalizan con respecto al área efectiva del ánodo como

Densidad de Potencia (PAn) y Densidad de Corriente (IAn):

extAn

CCMAn EA

EP2

= (4)

An

CCMAn A

II = (5)

Donde AAn es el área superficial efectiva del ánodo en m2. Con el objetivo de realizar cálculos

en ingeniería para el tamaño y costo de reactores, la potencia puede ser normalizada

respecto al volumen del reactor:

ext

CCMv vR

EP2

= (6)

Así mismo la Corriente en función del volumen de la celda:

ext

CCMv vR

EI = (7)

La configuración de la resistencia en el sistema se muestra en la Figura 19. En donde se

puede observar que la celda CCM se conectó al multímetro de manera convencional a través

del ánodo (“DC Voltaje” en la Fig. 19) y del cátodo (“Source” en la Fig. 19). Sin embargo,

entre el ánodo y el multímetro se colocó una resistencia de carga que fue variando (“Load” en

la Fig. 22), y ésta, a su vez se conectó al multímetro para calcular la corriente generada en el

sistema.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

54

Figura 22. Adaptación de la Resistencia externa a la celda de combustible microbina.

El desempeño de una CCM se puede medir en función de Remoción de la DQO del sistema

(ηDQO) o a través de la Eficiencia Coulombimétrica (ηCoul). La ηDQO es una técnica distribuida

ampliamente para analizar la remoción de materia orgánica en un sistema (Robles-González,

2003), en la cual interviene la Demanda Química de Oxígeno inicial y final del sistema:

100(%) ×−

=inicial

fnalinicialDQO DQO

DQODQOη (8)

Con respecto a la Eficiencia Coulombimétrica, ésta se refiere a la eficiencia de transferencia

hacia el ánodo de electrones disponibles en el sustrato (Rabaey et al., 2006) y puede ser

calculada mediante la ecuación:

100(%) ×=CTSCRS

Coulη (9)

donde CRS es la Carga eléctrica real debida al sustrato que se convierte en corriente

eléctrica:

∫=

=

=tt

tCCM dtICRS

0

(10)

Page 70: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

55

y CTS es la Carga eléctrica Teórica debida al Sustrato, determinado de la expresión:

( )DQO

CCMfiDQOi

MVDQODQObF

CTS⋅−⋅⋅

= (11)

donde:

Fi: Constante de Faraday (Coulombs/mol e-) bDQO: mol de e- generados por la DQO (mol e-) DQOi: DQO inicial (g/L) DQOf: DQO final (g/L) VCCM: Volumen de la CCM (L) MDQO: Peso molecular de la DQO (16 g O2/mol DQO)

El Flujo de alimentación para el Reactor inoculador metanogénico y para el Reactor

inoculador sulfato reductor se calculó como la razón entre el volumen de operación del

reactor (VR) y el Tiempo de retención hidráulico (TRH) de 25 d determinado como un óptimo

anteriormente para este tipo de sistemas (Robles-González, 2003):

TRHVQ R= (12)

El Flujo de alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico se calculó

como la razón entre el volumen de operación del reactor (VOp) y el Tiempo de retención

hidráulico (TRH) de 21 d determinado como un óptimo anteriormente para este tipo de

sistemas Valdez-Vasquez et al. (2005b):

TRMVQ D= (13)

dml

dmL

TRHV

Q CCMCCM 14.7

21150

=== (14)

Page 71: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

56

6 Resultados El avance de los resultados se mostrará de acuerdo al siguiente listado:

Fase 1 Actividad 1. Procuración del inóculo, influente sintético e influente real.

Desempeño del RI-CH4 Alcalinidad.

Producción de Biogás y variación del pH.

Evolución de la remoción de materia orgánica.

Desempeño del RI-SR Alcalinidad.

Producción de Biogás y variación del pH.

Evolución de la remoción de materia orgánica.

Desempeño del DASSA Alcalinidad.

Producción de Biogás y variación del pH.

Producción de extractos como influente real de la CCM.

Actividad 2. Diseño y Construcción de la celda de combustible microbiana. Diseño y construcción de la CCM

Diseño.

Construcción.

Materiales. Nota: debido a las características de esta actividad, los resultados de la misma también forman parte de la

sección de materiales y métodos.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

57

Actividad 3. Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana. Ensayo hidráulico y pruebas de la celda

Desempeño preliminar en la operación de la celda de combustible microbiana.

Fase 2

Actividad 4. Caracterización y Ensayos de la CCM en lote con alimentación sintética. Caracterización de la celda

Voltaje a circuito abierto y sometido a una resistencia externa.

Voltaje y corriente en función de una resistencia externa.

Método gráfico para encontrar resistencia interna.

Potencia máxima obtenida de la celda.

Ensayos de la CCM en lote con alimentación sintética Generación de electricidad usando dos tipos de inóculo.

Resultados promedio del desempeño de la celda.

Actividad 5. Disminución de la resistencia interna y aumento del desempeño de la celda

Producción inesperada de biogás.

Generación de electricidad.

Aumento en la densidad de potencia.

Remoción de materia orgánica.

Desempeño electroquímico promedio de la celda de combustible microbiana.

Desempeño bioquímico promedio de la celda de combustible microbiana.

Fase 3 Actividad 6: Desarrollo de las técnicas de biología molecular y del análisis por microscopía electrónica de barrido Extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible microbiana

Evidencia experimental de la presencia de biomasa soportada en la superficie

del ánodo.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

58

6.1 Procuración de inóculo, influente sintético e influente real

6.1.1 Reactor inoculador metanogénico: alcalinidad

De acuerdo al trabajo de Ripley et al. (1986), el parámetro alfa es considerado como un

indicador de la estabilidad de un digestor anaerobio. Tal parámetro debe llegar a una relación

de 0,3 entre la alcalinidad intermedia por la alcalinidad parcial y mantenerse alrededor de ese

valor. En la Fig. 23 se muestra el parámetro alfa observado para RI-CH4 a lo largo de

aproximadamente 13 meses de operación. La franja horizontal señala a aquellos valores que

indican la estabilidad del sistema de acuerdo a Ripley et al. (1986).

Figura 23. Variación de la alcalinidad en la operación del reactor inoculador metanogénico. La línea

intermitente indica el valor óptimo del parámetro alfa-

Para el digestor en fase líquida la estabilización del sistema con respecto a este parámetro

se logró alrededor del día 125 de operación. Tal resultado es similar al trabajo realizado por

Robles-González (2003) en el cual se utilizó un digestor anaerobio con condiciones similares

de operación y alimentación para la remoción de una agroquímico presente en el medio.

Page 74: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

59

6.1.2 Producción de biogás y variación del pH

En la Fig. 24 se muestra el desempeño de RI-CH4 con respecto a la producción de biogás,

de la misma manera se puede observar la variación del pH a lo largo del tiempo de

operación. La flecha vertical dentro de la gráfica indica una falla hidráulica. Con respecto a la

producción de biogás se puede observar claramente que ésta fue mayor en los tres meses

intermedios de operación a diferencia del primer y último mes. Por otro lado, la producción

promedio de biogás fue de alrededor de 400 NmL/d.

Figura 24. Producción de biogás y variación del pH en la operación del reactor inoculador metanogénico. Los círculos llenos () indican la variación del pH y los círculos vacíos () indican la variación en la producción de biogás durante 440 d.

Con respecto a la determinación de pH, es posible apreciar que no tuvo una variación

importante. Este parámetro sólo varió en la falla hidráulica mencionada anteriormente. De

manera general se puede ver que el pH promedio del sistema fue 7.78, permitiendo así

posiblemente un crecimiento adecuado de arqueas metanogénicas (García et al., 2000).

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

60

6.1.3 Evolución de la remoción de materia orgánica

La Fig. 25 muestra la remoción de materia orgánica en el sistema, cuantificada como DQO.

EL desempeño del digestor mostró un porcentaje de remoción de DQO mayor al 90%

alrededor de los 100 días de operación. En comparación al trabajo llevado a cabo por

Robles-González (2003), se puede ver que para esta variable, valores mayores al 90%

fueron logrados en menor tiempo. Lo cual se debió posiblemente a que en este estudio no se

adicionó un agroquímico como parte de la alimentación, permitiendo la degradación de la

materia orgánica del medio en una manera más exitosa.

Figura 25. Evolución de la remoción de materia orgánica en la operación del reactor inoculador

metanogénico.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

61

6.1.4 Análisis del desempeño promedio

En la Tabla 14 se muestran los resultados promedio para el desempeño del digestor en fase

líquida. El pH no mostró un cambio importante a lo largo de los 5 periodos analizados. De

una forma similar la Alcalinidad total y el parámetro alfa mostraron el mismo comportamiento,

es decir no presentaron una variación notable. Sin embargo la estabilización del sistema se

alcanzó hasta el último periodo de operación, con lo cual se podría aseverar que hasta este

momento se logró una buena capacidad de neutralizar los ácidos del medio. Con respecto a

la producción de biogás (Qbg) se puede ver que ésta fue mayor en los tres periodos

intermedios lo cual se corrobora al analizar el rendimiento de biogás (Ybg), el cual relaciona la

cantidad de biogás generado por la cantidad de materia orgánica suministrada en la

alimentación. Tal variable, de manera congruente mostró mayores valores en los periodos

intermedios de operación que en los periodos restantes. Por su parte, la productividad de

biogás (Ibg) que relaciona la cantidad de biogás generada por el volumen de operación del

digestor, fue mayor en los periodos intermedios de manera congruente con el rendimiento de

biogás. Por último se ve que la remoción de DQO fue mayor a lo largo del periodo de

operación, siendo máxima por el momento para el quinto periodo, con lo cual se corrobora el

buen desempeño de RI-CH4. Tabla 14. Desempeño promedio del Reactor inoculador metanogénico.

Periodo de operación Parámetro 1 2 3 4 5 pH

7,25 ± 0,94

7,72 ± 0,32 7,74 ± 0,13 7,90 ± 0,13 7,87 ± 0,07

Alcalinidad Total (mgCaCO3/L)

4940 ± 274

4915 ± 272 4720 ± 231 5030 ± 367 5262 ± 755

α

0,79 ± 0,03

0,80 ± ,04 0,74 ± 04 0,58 ± 0,06 0,35 ± 0,11

Qbg (NmLbiogás/d)

1538 ± 57 392 ± 94 450 ± 90 535 ± 200 108 ± 62

ηDQO (%)

66,52 ± 3,12

81,38 ± 6,23 74,79 ± 5,89 87,65 ± 4,76 93,06 ± 5,00

Ybg (NmLbiogás/gDQO) N.A N.A 560 ± 25 610 ± 32 120 ± 14

Ibg (d-1) N.A N.A 16,33x10-2 ± 6,34x10-2

17,58x10-2 ± 6,68x10-2

3,60x10-2 ± 2,05x10-2

SSV (mgSSV/L) 389 ± 105

359 ± 132

349 ± 300

317 ± 193

334 ± 196

Nota: los periodos no hacen referencia a diferentes condiciones de operación. Los datos se presentan de esa forma para mostrar el estado estable del reactor inoculador sulfato reductor a lo largo de 5 trimestres de operación.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

62

6.1.5 Reactor inoculador sulfato reductor: alcalinidad

Se ha descrito previamente que de acuerdo al trabajo de Ripley et al. (1986), el parámetro

alfa es considerado como un indicador de la estabilidad de un digestor anaerobio. Tal

parámetro debe encontrarse por debajo de 0.5 en reactores anaerobios indicando una

adecuada capacidad reguladora de los ácidos generados al medio (Garibay-Orijel et al.,

2005; Robles-González et al., 2006). En la Fig. 26 se muestra el parámetro alfa observado

para RI-SR a lo largo de aproximadamente 12 meses de operación. La franja horizontal

señala a aquellos valores que indican la estabilidad del sistema de acuerdo a Ripley et al.

(1986), Garibay-Orijel et al. (2005) y Robles-González et al. (2006). Para el digestor en fase

líquida la estabilización del sistema con respecto a este parámetro se logró alrededor del día

10 de operación, lo cual es similar al trabajo realizado por Robles-González (2003) en el cual

se utilizó un reactor sulfato reductor con condiciones similares de operación y alimentación

para la remoción del agroquímico 2,4-Diclorofenoxi acético.

Figura 26. Variación de la alcalinidad en la operación del reactor inoculador sulfato reductor.

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63

6.1.6 Producción de biogás y variación del pH

En la Fig. 27 se muestra el desempeño de RI-SR con respecto a la producción de biogás, de

la misma manera se puede observar la variación del pH a lo largo del tiempo de operación.

La producción promedio de biogás fue de alrededor de ca. 2000 NmL/d.

Figura 27. Producción de biogás y variación del pH en la operación del reactor inoculador sulfato

reductor. Los círculos llenos () indican la variación del pH y los círculos vacíos () indican la variación en la producción de biogás durante 200 d.

Con respecto a la determinación de pH, es posible apreciar que no tuvo una variación

importante. Este parámetro no varió y de manera general se puede ver que el pH promedio

del sistema fue de alrededor de 8.58, permitiendo así posiblemente un crecimiento adecuado

de las bacterias sulfato reductoras (Baumgartner et al., 2006; Azabou et al., 2005).

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64

6.1.7 Evolución de la remoción de materia orgánica

La Fig. 28 muestra la remoción de materia orgánica en el sistema, cuantificada como DQO.

EL desempeño del digestor mostró un porcentaje de remoción de DQO mayor al 80%

alrededor de los 100 días de operación. En comparación al trabajo llevado a cabo por

Robles-González (2003), se puede ver que para esta variable, en este trabajo se obtuvieron

valores mayores al 80% en menor tiempo, lo cual se debió probablemente a que en este

estudio no se adicionó un herbicida como parte de la alimentación, permitiendo la

degradación de la materia orgánica del medio en una forma más exitosa.

Figura 28. Evolución de la remoción de materia orgánica en la operación del reactor inoculador sulfato

reductor.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

65

6.1.8 Análisis del desempeño promedio

En la Tabla 15 se muestran los resultados promedio para el desempeño del reactor inoculado

sulfato reductor. El pH no mostró un cambio importante a lo largo de los 5 trimestres

analizados. De una forma similar la Alcalinidad total y el parámetro alfa mostraron el mismo

comportamiento, es decir no presentaron una variación que afectara la operación del reactor.

La estabilización del reactor se logró casi desde el inicio del proceso, debido seguramente a

la aclimatación previa del inóculo. Con respecto a la producción de biogás (Qbg) se puede ver

que ésta fue muy similar en los 5 trimestres de operación, lo cual se corrobora al analizar el

rendimiento de biogás (Ybg), el cual relaciona la cantidad de biogás generado por la cantidad

de materia orgánica suministrada en la alimentación. Por su parte, la productividad de biogás

(Ibg) que relaciona la cantidad de biogás generada por el volumen de operación del digestor,

fue muy similar en los 5 trimestres de operación de manera congruente con el rendimiento de

biogás. Por último se ve que la remoción de DQO fue mayor a lo largo del periodo de

operación, siendo máxima por el momento para el quinto trimestre, con lo cual se corrobora

el buen desempeño de RI-SR.

Tabla 15. Desempeño promedio del Reactor inoculador sulfato reductor.

Periodo de operación Parámetro 1 2 3 4 5 pH

7,78 ± 0,63

7,56 ± 0,32

8,29 ± 0,35

8,06 ± 0,15

7,88 ± 0,45

Alcalinidad Total (mgCaCO3/L) 3321 ± 125

3916 ± 173

3731 ± 141

3460 ± 166

4012 ± 245

α

0,28 ± 0,3 0,25 ± ,02 0,34 ± 05 0,23 ± 0,02 0,35 ± 0,01

Qbg (NmLbiogás/d)

1027 ± 407

2095 ± 904

2010 ± 801

2035 ± 809

2054 ± 402

ηDQO (%)

53,02 ± 6,02

61,28 ± 4,21

72,71 ± 3,26

77,04 ± 6,06

83,26 ± 5,01

Ybg (NmLbiogás/gDQO)

N.A N.A 223 ± 16 246 ± 22 263 ± 24

Ibg (d-1) N.A N.A 6,9x10-2 ± 2,1x10-2

8,4x10-2 ± 1,3x10-2

8,1x10-2 ± 3,1x10-2

SSV (mgSSV/L) 279 ± 95 249 ± 83 236 ± 90 217 ± 83 233 ± 86 Nota: los periodos no hacen referencia a diferentes condiciones de operación. Los datos se presentan de esa forma para mostrar el estado estable del reactor inoculador sulfato reductor a lo largo de 5 trimestres de operación.

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66

6.1.9 Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico: alcalinidad

En la Fig. 29 se muestra la variación del parámetro alfa, representada por el coeficiente que

relaciona la alcalinidad intermedia y la alcalinidad parcial. Al analizar la gráfica se puede ver

que la estabilización del sistema se logró a partir del cuarto mes de operación, ya que el

parámetro alfa osciló alrededor de 0.3, lo cual no fue característico de la fermentación

anaerobia de sustrato sólido acidogénica donde norlamente se tienen valores alfa de 0.4 a

0.5 (Lin y Chang, 2004; Valdez-Vásquez et al., 2005b; Gómez et al., 2006). Por otro lado, es

necesario mencionar que la línea vertical intermitente del lado izquierdo de la gráfica indica el

periodo en el cual el digestor no fue abierto en absoluto y la alimentación fue inyectada

semanalmente en forma de una solución de sacarosa al 10% (20mL). Esta solución también

contenía K2HPO4 y Na2CO3 al 0.1%.

Figura 29. Variación de la alcalinidad en la operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido

acidogénico.

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67

6.1.10 Producción de biogás y variación del pH

La producción de biogás y la variación del pH se muestran en la Fig. 30. Para el periodo de

aclimatación se puede observar que la producción de biogás fue mayor en comparación al

resto del tiempo total de operación del digestor. Sin embargo, al comparar estos resultados

con un sistema biológico similar (Valdés-Ledezma, 1997), es posible apreciar que presentan

una tendencia muy parecida a la reportada anteriormente, donde la producción de biogás

después del periodo de aclimatación permanece constante a lo largo del periodo de

operación con una producción promedio de 350NmL/kg·d.

Figura 30. Producción de biogás y variación del pH en la operación del Digestor anaerobio en sustrato

sólido acidogénico. Los círculos llenos () indican la variación del pH y los círculos vacíos () indican la variación en la producción de biogás durante 3500 h.

Nota:

Las líneas verticales semicontinuas indican periodos de operación mensuales.

Al analizar el pH del sistema se puede ver que se presentó una acidificación del medio

durante el periodo de aclimatación, lo cual pudo deberse probablemente a los pulsos de

sacarosa inyectados, que al ser fácilmente asimilables tienden a favorecer el metabolismo

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

68

microbiano. Por otro lado, se puede decir que el pH promedio del sistema, desde el final del

periodo de aclimatación hasta la operación actual del digestor, fue de alrededor de 7.76 lo

cual no es típicamente un valor de pH la fermentación anaerobia de sustrato sólido

acidogénica (Mu et al., 2006b).

6.1.11 Producción de metabolitos

En la Fig. 31 se muestra el seguimiento de los metabolitos generados en el medio que es de

interés para poder discernir indirectamente el momento en el cual se ha alcanzado la

hidrogenogénesis en el sistema. En comparación a la literatura se ha visto que un sistema

típico regido por la hidrogenogénesis produce alrededor de 15 gDQO/kgbase húmeda (Valdez-

Vasquez et al., 2005b). En este estudio sólo se ha alcanzado como máxima producción de

metabolitos aproximadamente 1 gDQO/kgbase húmeda. Por lo que el sistema aún no es

admisible de considerarse en fase hidrogenogénica debido a la cantidad de metabolitos

orgánicos generados (Mu et al., 2006; Liu et al., 2006).

Figura 31. Producción de metabolitos orgánicos en el Digestor anaerobio en sustrato sólido

acidogénico.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

69

Por otro lado, cabe mencionar que de manera general el perfil de metabolitos encontrado en

DASSA presentó un gradiente de concentración representativo de un proceso anaerobio en

fase sólida: Acetato > Propionato > Butirato (Valdez-Vasquez et al., 2005b). En la Tabla 16

se muestran los resultados promedio para el desempeño de DASS a lo largo de cinco

periodos de operación.

6.1.12 Análisis del desempeño promedio

Con respecto al pH, éste varió desde ~6,30 hasta ~8,28, permitiendo así un ambiente

adecuado para el crecimiento de microorganismos metanogénicos (Madigan et al., 1998).

Por su parte la alcalinidad total no varió considerablemente, registrándose el mayor valor en

el cuarto periodo de operación. Al analizar el parámetro alfa, es posible apreciar que de

acuerdo a Ripley et al. (1986), la estabilidad del digestor se alcanzó hasta el quinto periodo

de operación, registrándose un valor menor a 0.3 (0,24 ± 0,08). Sin embargo, el digestor se

podría considerar en estado estable ya desde el cuarto periodo, en el cual el valor del

parámetro alfa fue de 0,43 ± 0,13.

Tabla 16. Desempeño promedio del Digestor anaerobio de sustrato sólido acidogénico.

Parámetro 1 2 3 4 5

pH N.D. 6,30 ± 0,13 7,67 ± 0,51 8,28 ± 0,27 7,99 ± 0,51

Alcalinidad Total (mgCaCO3/L) N.D. 2720 ± 246 2793 ± 229 3233 ± 1261 1484 ± 990

α N.D. 0,65 ± 0,03 0,66 ± 0,03 0,43 ± 0,13 0,24 ± 0,08

Qbg (NmLbiogás/kg·d) 566 ± 346 491 ± 250 296 ± 67 195 ± 77 273 ± 133

ηSSV (%) N.D. 85,43 ± 1,08 78,42 ± 173 72,0 ± 4,48 70,94 ± 0,81CH4 (%) N.D. N.D. N.D. N.D. 44,65 ± 8,81H2 (%) N.D. N.D. N.D. N.D. 5,42 ± 0,73

Notas:

Cada periodo indica un mes de operación. N.D.: No se determinó. Durante los 5 meses mostrados en la Tabla 16 no existieron distintas condiciones de operación.

Para este digestor en fase sólida, a diferencia al digestor en fase líquida, se puede observar

que la producción de biogás se estabilizó a partir del tercer periodo de operación. La mayor

producción de biogás se registró en el periodo en el cual el digestor se mantuvo

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

70

completamente cerrado, lo cual se podría deber principalmente a un medio

predominantemente anóxico. Por otro lado, se podría deber a que en esta etapa la

alimentación consistió de sacarosa inyectada al digestor en forma de solución en una

concentración al 10%. Por último, para la remoción de sólidos volátiles, se pudo ver que el

mejor resultado se obtuvo en el segundo periodo, en el cual posiblemente aún prevalecían

mayoritariamente condiciones de anoxia, favoreciendo así el desarrollo de microorganismos

metanogénicos. La producción de metano e hidrógeno no se determinó los primeros 4 meses

de la operación del digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. Con respecto al mes 5

es posible apreciar que es mayor la cantidad e metano generada que la de hidrógeno, lo cual

indica que el sistema se comportó más como un digestor metanogénico que como uno

hidrogenogénico. El estado del digestor se corroboró al analizar el pH del sistema

característico más de la metanogénesis que de la producción biológica de hidrógeno.

6.2 Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana

6.2.1 Desempeño preliminar en la operación de la celda de combustible microbiana

La celda fue inoculada en una sola ocasión a lo largo del ensayo con inóculo proveniente del

RI-CH4. El experimento se realizó a temperatura ambiente, a una temperatura promedio de

16 °C. El voltaje alcanzó un valor de 0.25 V aproximadamente a los 24 minutos de haberse

conectado la CCM. De la Fig. 32 es posible apreciar que el voltaje fue en decremento, lo cual

probablemente se encuentra relacionado con el sistema en lote que se utilizó para su

operación y con la disponibilidad de sustrato (He et al., 2005).

La transferencia de protones fue observada mediante el aumento de la corriente a lo

largo del experimento, lo cual estaría posiblemente relacionado en cierta manera con el

aumento del pH del medio, al ser utilizados los protones para la generación de corriente

(Chang et al., 2005). El pH varió de un valor de 7.67 a 8.71 después de 10h de operación.

Después de la tercera hora del ensayo, se observó que la corriente fue en ascenso, hasta

llegar a un valor máximo de 3.8x10-7 A, lo cual se logró en un total de 10 h de operación. Por

otro lado la mayor potencia obtenida fue de alrededor de 4.9x10-7 W.

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71

El ensayo mostró una diferencia de voltaje importante que podría corroborar el éxito

del inóculo utilizado como un generador de electricidad a través de una celda de combustible

microbiana. La cantidad de catalizador empleado mostró ser suficiente para la generación de

electricidad, sin embargo es de interés variar esta cantidad para obtener resultados similares

con una menor proporción de carga de catalizador, platino.

Figura 32. Dinámica del comportamiento del voltaje, corriente y potencia en el ensayo preliminar. Los círculos llenos () indican la variación de Voltaje con respecto a la corriente y los círculos vacíos ()

indican la variación de la Potencia con respecto a la corriente.

6.3 Caracterización y ensayos de la celda de combustible microbiana en

lote con alimentación sintética

6.3.1 Obtención de la resistencia interna utilizando un inóculo metanogénico y uno sulfato reductor

Se incluyen gráficamente ambas evidencias de la construcción de la curva de polarización

para la CCM (Fig. 34), tanto la CCM cargada con inóculo metanogénico (In-M) como con

inóculo sulfato reductor (In-SR). Posteriormente en la Tabla 17 se compilan los resultados de

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la caracterización de la CCM. El ánodo fue conectado con el cátodo a través de una

resistencia externa variable con el objetivo de estimar el valor de la resistencia interna de la

CCM. La resistencia interna de la CCM es una de las características esenciales de la CCM,

ya que de acuerdo con el Teorema de Jacobi de la máxima potencia generada por una fem

(Fig. 33), una CCM operada bajo una resistencia externa igual a su resistencia interna dará la

potencia máxima.

Bajo esta consideración, se llevó a cabo la curva de polarización de la CCM, esto es,

el voltaje de la celda y la intensidad de corriente en función de un valor de resistencia

externa.

Figura 33. Dinámica del comportamiento del voltaje, corriente y potencia en el ensayo preliminar.

Nota: Adaptado de Halliday et al., 2006.

En la Fig. 34 se observa la variación del voltaje a circuito abierto (ECCMCA) para la CCM

cargada con inóculo metanogénico (, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (,

cuadros llenos) y en función de la variación de la Rext. Como se puede apreciar, para poder

generar la curva de polarización para la CCM fue necesario variar la Rext de 10 kΩ hasta

1000 kΩ y viceversa. Adicionalmente, de la Fig. 34 se aprecia que para poder comenzar la

curva de polarización, fue necesario operar la CCM en circuito abierto durante un poco más

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de 1h. Al finalizar la curva de polarización, nuevamente se operó la CCM en circuito abierto

con lo cual se logró corroborar el estado estacionario del sistema y de la misma forma que

las condiciones en que se obtuvo la curva de polarización fueron adecuadas, ya que en

periodos más largos, la concentración del sustrato habría variado debido a la demanda del

mismo que ocurre en el ánodo (Logan et al., 2006).

Figura 34. Voltaje a circuito abierto y sometido a una resistencia externa para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (,

cuadros llenos).

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Con el fin de observar de manera más clara el efecto de la variación de la las Rext en el

comportamiento de la CCM, la Fig. 35 muestra como ECCM y ICCM se ven afectadas al recibir

un impulso externo debido a la manipulación de la Rext.

Figura 35. Voltaje y Corriente en función de una Resistencia externa variable para la celda de

combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico y sulfato reductor. Los círculos () indican la variación de Voltaje con respecto a una resistencia externa variable y los cuadrados () indican la

variación de la de la Corriente con respecto a una resistencia externa variable.

Otro de los beneficios que ofrece estudiar una CCM a través de la realización de una curva

de polarización, es poder dilucidar la resistencia Interna (Rint) del sistema. De acuerdo a

diversos autores (He et al., 2005; Kim et al., 2007; Zhao et al., 2006; Zuo et al., 2006), la Rint

de una CCM se puede extraer mediante la pendiente de la curva de polarización.

Primero, el voltaje a circuito abierto fue monitoreado (~0.36 V y ~0.81 V para el In-M y

para el In-SR, respectivamente). Después de 1 h, la curva de polarización fue determinada

al registrar ECCM y ICCM a valores ascendentes de la resistencia externa y viceversa (Fig. 35).

La curva de polarización promedio no fue lineal. Se calculó la pendiente promedio de la curva

de polarización y dio un valor de ~32 kΩ y ~8 kΩ para la resistencia interna de la CCM

inoculada con In-M y In-SR, respectivamente (Fig. 36).

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Figura 36. Método gráfico para encontrar la Resistencia interna para la celda de combustible microbiana

cargada con inóculo metanogénico (, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (, cuadros llenos).

Más tarde, se monitoreó el voltaje a circuito abierto y se encontró un valor de 0.35 y 0.81 V

para el In-M y para el In-SR, respectivamente (Fig. 34). Lo anterior fue congruente con el

primer valor del voltaje a circuito abierto, con lo cual se validó el procedimiento de la curva de

polarización. La CCM mostró un valor de potencia máximo cercano a 5x10-7 (In-M) y 1x10-5W

(In-SR) (Fig. 36).

Este valor es considerado bajo, y a la vez atribuido al alto valor de Rint, entre otras

pérdidas. Rabaey y Verstraete (2005) han analizado estas pérdidas causadas principalmente

por los materiales de construcción en celdas de combustible microbianas y han encontrado

que otras causas relacionadas a valores altos de resistencia interna son: 1) Pérdidas debidas

a la transferencia de electrones bacteriana, 2) Pérdidas debidas a la resistencia del

electrolito, 3) Pérdidas en el ánodo, 4) Pérdidas debidas a la resistencia interna de la celda

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

76

de combustible microbiana, 5) Pérdidas en el cátodo, 6) Pérdidas debidas a la reducción del

aceptor de electrones. En la literatura sobresale el uso de Pt como catalizador en los

electrodos y en el material para conectar el circuito externo pero éste encarece la

construcción de la CCM. En este estudio Pt como catalizador se utilizó solamente en el

cátodo para catalizar la reacción final en el mismo para producir agua, de la misma forma, el

circuito externo de la celda de combustible careció del metal noble, Pt.

Figura 37. Potencia máxima obtenida para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo

metanogénico (…) y con inóculo sulfato reductor ().

La curva polarización obtenida indica la posibilidad de utilizar la CCM en cuestión para el

tratamiento de extractos de la producción biológica de hidrógeno aunque mostró una

Resistencia Interna alta. Además la curva de polarización brindó los datos necesarios para

caracterizar la CCM al utilizar In-M y a la concentración de catalizador utilizada.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

77

En la Tabla 17 se compilan los resultados de la caracterización de la CCM cargada

con dos tipos distintos de inóculo: In-M y In-SR. Al comparar los resultados de la

caracterización de la celda cargada con dos tipos de inóculo, se puede observar que la CCM

cargada con In-SR la resistencia interna de la CCM fue menor que al utilizar In-M

repercutiendo así en todas las variables analizadas durante la caracterización. La causa de

una menor resistencia interna cuando se cargó la CCM con In-SR puede ser que parte del

metabolismo del In-M se dirigió a la producción de biogás en vez de la transformación del

sustrato a corriente eléctrica. Aunado a lo anterior, se ha encontrado que microorganismos

sulfato reductores comúnmente involucrados en el tratamiento de sitios contaminados con U

(reducción de U+6 a su forma prácticamente insoluble U+5) (Gregory y Lovley, 2005)

demuestran un sistema transmembranal compuesto de citocromos que generan una cadena

de transporte de electrones muy exitosa (Bond y Lovley, 2005).

Tabla 17. Caracterización de las celdas de combustible microbianas: resultados promedio.

Parámetro Inóculo Metanogénico Inóculo Sulfato Reductor Rint (kΩ) 32.20 8.37 ECCM-max (V) 0.28 0.71 ECCM-prom (V) 0.18 ± 0.05 0.59 ± 0.07 ICCM-max (mA) 7.96x10-6 4.78x10-5

ICCM-prom (mA) 2.38x10-3 ± 1.42x10-3 1.08x10-2 ± 8.07x10-3

PCCM-max (W) 5x10-7 1x10-5

PCCM-prom (W) 2.88x10-7 ± 9.38x10-5 5.24x10-6 ± 3.36x10-3

6.3.2 Ensayo en lote de la celda de combustible microbiana: influencia del tipo de inóculo

La Fig. 38 muestra el voltaje a lo largo 50 h de operación de las dos celdas de combustible

microbianas. La celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico mostró

un valor de resistencia interna mayor (33 kΩ) mientras que la celda cargada con inóculo

sulfato reductor tuvo una resistencia interna de 10 kΩ, ambos valores encontrados mediante

una curva de polarización (consultar sección 6.5.3).

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Todas las variables mostraron un mejor desempeño al usar un inóculo sulfato reductor que al

usar un inóculo metanogénico. En la Fig. 38 la línea vertical intermitente indica el momento

en que las CCM’s se conectaron a una Rext indicando que antes de ese momento se tiene el

voltaje máximo a circuito abierto (las dos primeras horas y sin una resistencia en el circuito

externo) de la CCM cargada con inóculo metanogénico fue de 0.4 V, mientras que la CCM

cargada con inóculo sulfato reductor fue de 0.7 V.

Figura 38. Generación de electricidad mediante las celdas de combustible microbianas utilizando dos tipos de inóculo. Los círculos () indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos () indican la celda de combustible microbiana

cargada con inóculo metanogénico.

Por otro lado el voltaje máximo de la celda bajo una resistencia externa fue de 0.26 y 0.46 V

con inóculo metanogénico y sulfato reductor, respectivamente. El voltaje disminuyó cuando la

CCM se conectó a una resistencia externa y fue consecuencia del alto valor de la resistencia

interna de la CCM al ser comparada con otros datos publicados recientemente donde son

reportados bajos valores de resistencias internas (Rozendal et al., 2007; Clauwaert et al.,

2007; Rozendal et al., 2006; Niessen et al., 2006). Se registraron voltajes promedio de 0.10

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(In-M) y 0.37 V (In-SR) durante las 50 h de operación (Fig. 38), con el mejor resultado para la

CCM cargada con In-SR.

La Tabla 18 muestra los mejores resultados y los valores promedio para cada CCM

durante las 50 h de operación. La densidad de potencia anódica fue de 12.31 mW/m2 usando

In-SR, la cual fue 12 veces mayor que la densidad de potencia de la CCM cargada con In-M

(1.04 mW/m2 del ánodo) (Fig. 39). De cualquier forma, las densidades de potencia

registradas fueron menores a los valores seleccionados reportados recientemente (Tabla 18).

Figura 39. Densidad de potencia de las celdas de combustible microbianas usando dos tipos de inóculo.

Los círculos () indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos () indican la celda de combustible microbiana cargada con

inóculo metanogénico.

Por otro lado, los valores de ECCM fueron comparables a aquellos encontrados en la literatura

para otras celdas de combustible microbianas, mientras que ICCM resultó menor que en

aquellos trabajos en donde se utilizaron celdas de combustible microbianas para tratar aguas

residuales con componentes orgánicos diluidos.

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Figura 40. Corriente de las celdas de combustible microbianas usando dos tipos de inóculo. Los círculos () indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato

reductor, mientras que los triángulos () indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico.

Los valores de potencia volumétrica de acuerdo a la ecuación 6 se encontraron en el orden

de los resultados publicados últimamente, de hecho, la potencia volumétrica resultante de la

CCM cargada con In-SR fue considerablemente alta en comparación con los reportes de

literatura (Tabla 18).

La remoción de materia orgánica fue de baja a moderada de acuerdo a la ecuación 8:

25% usando In-M y de 43% en al CCM cargada con In-SR. Estos resultados fueron

consistentes con valores bajos de la eficiencia coulombimétrica (Ecuación 9). Ambos

parámetros podrían incrementarse al aumentar el tiempo de operación (ya que al final de la

corrida la mayoría del sustrato orgánico se encontraba aún disponible) y mediante la

disminución de la resistencia interna de la CCM. Finalmente, la CCM alimentada con In-SR

mostró un mejor desempeño que la CCM cargada con In-M.

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Tabla 18. Desempeño de la celda de combustible microbiana usando dos tipos de inóculo: resultados promedio.

Parámetro Inóculo metanogénico Inóculo sulfato reductor PAn-máx (mW/m2) 1.04 12.31 PAn-prom (mW/m2) 0.15 ± 0.06 7.13 ± 0.71 PV-máx (mW/m3) 13.37 157.81 PV-prom (mW/m3) 1.96 ± 0.82 91.35 ± 9.04 ECCM-máx (V) 0.26 0.48 ECCM-prom (V) 0.10 ± 0.02 0.37 ± 0.02 ICCM-máx (mA) 7.86x10-3 4.91x10-2

ICCM-prom (mA) 2.93 x10-3 ± 5.01x10-4 3.73x10-2 ± 1.72x10-3

PCCM-máx (mW) 2.01x10-3 2.37x10-2

PCCM-prom (mW) 2.95x10-4 ± 2.93x10-3 1.37x10-2 ± 3.73x10-2

ηCOD (%) 25.00 42.86 ηCoul (%) 0.13 1.22

Notas:

PAn-max: Máxima densidad de potencia; PAn-ave: Densidad de potencia promedio; PV-max: Máxima potencia volumétrica; PV-ave: Potencia volumétrica promedio; ηCOD: Remoción de la demanda química de oxígeno; ηCoul: Eficiencia coulombimétrica.

La Tabla 19 muestra una compilación de trabajos de celdas de combustible microbianas.

Estudios con cepas puras parecen predominar (miembros de protobacteria de la familia

Geobacteraceae), aunque hay algunos estudios recientes con consorcios microbianos.

Predominan los estudios de celdas microbianas de dos cámaras y sólo a escala laboratorio.

Se ha generalizado el uso de Pt como catalizador en la composición de electrodos y

para conectar el circuito externo. Además predominan estudios con alimentación sintética y

semi-sintética. En este trabajo, se ha preferido el uso de un consorcio microbiano en vez de

un cultivo puro o un cultivo mixto. La arquitectura de la celda utilizada aquí coincide más con

el diseño de una celda de una sola cámara con un volumen relativamente grande comparado

a otros diseños.

En este estudio, el Pt como catalizador se utilizó sólo en el cátodo para completar la

reacción final para producir agua, el circuito externo careció de platino. Ante esta situación

son comprensibles los bajos valores de densidad de potencia y eficiencia coulombimétrica

comparados con valores obtenidos en otras investigaciones que usan platino en todos los

electrodos, circuitos y conexiones. Por otro lado, existe también la tendencia a la utilización

de cátodos aereados pasivamente, así como la utilización de ácidos orgánicos para alimentar

la celda (ácido acético y ácido propiónico).

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82

Tabla 19. Comparación del desempeño de este trabajo con trabajos publicados actualmente.

Celda Inóculo Sustrato Operación Desempeño Membrana Referencia Doble cámara

G. sulfurreducens Acetato [5 mM] T=30ºC, Ot=960h, pH=6.8

PAn=16 mW m-2, Sin membrana Bond, 2002

Doble cámara

G. fermentans Acetato, propionato, malato, lactato y succinato [5mM]

Ot=960h N.M. Nafion 117 Bond y Lovley, 2005

Cátodo concéntrico

G. metallireducens Agua residual T=30ºC; HRT=33d

PAn=26 mW m-2; ηCoul=12% Nafion 117 Liu et al.,

2004

Doble cámara

R. ferrireducens Glucose [2mM] 25ºC, Ot=1000h Ian=30 mA m-2 Nafion 117 Chaudhuri y Lovley, 2003

Flujo ascendente

Lodo anaerobio Sucrose T=35ºC; TRH=1d

PAn=170 mW m-2; ηCoul=8,1% CMI-7000 He et al.,

2005

Doble cámara

Lodo anaerobio Agua residual modificada T=30ºC; Ot=50h

PAn=8 mW m-2; ηCoul=40% Nafion 117 Kim et al.,

2005

Una cámara

Lodo anaerobio Agua residual modificada con glucose

T=30ºC; Ot=120h

PAn=262 mW m-2; ηCoul=55% Nafion 117 Lui y Logan,

2004

Una cámara

Agua residual Agua residual modificada con acetato T=32-20ºC PAn=1200 mW m-2;

ηCoul=61,4% Sin membrana

Lui et al., 2005 a

Una cámara

Agua residual Agua residual modificada con butirato Ot=60h PAn=500 mW m-2;

ηCoul=30% Sin membrana

Liu et al., 2005 b

Doble cámara

Sedimento marino Acetato [0.1 mM] 22ºC, pH=6.8, Ot=1920h N.M. Nafion 118 Holmes et

al., 2004

Una cámara Consorcio metanogénico

Mezcla de ácidos y solvents orgánicos

T=37°C, Ot=50h

PAn=1.04 mW m-2; ηCoul=0.12%

Nafion 117 Este trabajo

Una cámara Consorcio sulfato redactor

Mezcla de ácidos y solvents orgánicos

T=37°C, Ot=50h

PAn=12.3 mW m-2; ηCoul=1.22%

Nafion 117 Este trabajo

Notas:

PAn: Densidad de potencia; IAn= Densidad de corriente; ηCoul: Eficiencia coulombimétrica; N.M.: No mostrado; Ot=Tiempo de operación; TRH: Tiempo de retención hidráulico.

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83

6.4 Disminución de la resistencia interna y aumento del desempeño de la

celda

6.4.1 Desempeño de la celda de combustible microbiana en operación semi-continua: producción inesperada de biogás

La Fig. 41a muestra la generación de biogás durante la operación de la CCM. Como se

puede apreciar, al inicio de la operación fue cuando se detectó la producción de biogás

más alta, disminuyendo su cantidad a lo largo de las etapas B y C. Al iniciar la etapa D

fue prácticamente indetectable la cantidad de biogás producido de acuerdo al método

utilizado (desplazamiento de salmuera ácida) (Valdez-Vázquez et al., 2005).

La disminución en la producción de biogás y la nula producción de éste a partir de las

etapas C y D podría indicar la adaptabilidad de microorganismos capaces sólo de lograr

la conversión de sustrato a electricidad y no así a algún compuesto gaseoso, como CH4,

H2 o CO2. En el inicio de este ensayo se había propuesto la utilización de un inhibidor de

la metanogénesis (2-Bromoetanosulfonato, Sparling et al., 1997), ya que debido a

cromatografía de gases se detectaba en el biogás alrededor de un 5-10% de metano.

Sin embargo como se puede observar en la Fig. 41a, el uso de un inhibidor de la

metanogénesis no fue necesario, ya que al parecer los microorganismos utilizados como

inóculo habrían mostrado cierta preferencia por el ánodo como aceptor de electrones en

vez de algún otro compuesto orgánico (Gregory et al., 2004). Otra razón por la cual podría

haber disminuido la metanogénesis es debido a la disminución del pH (Machmüller,

2006). Aunque en este estudio no se analizó directamente la capacidad de los electrones

utilizados como aceptores finales de electrones, es posible sugerir con la evidencia

mostrada en este trabajo que al disminuir la cantidad de biogás se corroboraría el flujo de

electrones hacia la generación de corriente eléctrica en vez de la producción de algún

compuesto gaseoso como metano o hidrógeno.

Adicionalmente se puede argumentar que inclusive el flujo de electrones podría haber

sido consecuencia parcial de la oxidación del metano producido en la celda haciendo que

la concentración de éste disminuyera, haciéndolo indetectable debido a la sensibilidad del

método empleado.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

84

Figura 41. A) Producción de biogás y B) Evolución del voltaje en función del tiempo en la operación

semi-continua de la celda de combustible microbiana.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

85

6.4.2 Generación de electricidad

En la Fig. 41b se muestra la evolución del voltaje en función del tiempo en la CCM bajo

una resistencia externa de 1000 Ω. Se muestran los cuatro periodos distintos de

operación, en los cuales como se comentó previamente se ha aumentado la

concentración de la alimentación, desde 1090 hasta 8072 mgDQO/L. Para las primeras

tres etapas del proceso la generación de electricidad mostró un comportamiento muy

sostenible en comparación a trabajos similares.

Por ejemplo Zuo et al. (2007) utilizaron una CCM de dos y tres cámaras en operación

continua, sin embargo, sólo presentan un comportamiento estable por no más de 300 h

mientras que este trabajo, en comparación, muestra la estabilidad del sistema por más de

480h. De la Fig. 40b se puede observar que a partir del día 25 de operación el voltaje

disminuye en un 20% y a partir del día 40 en un 70% con respecto a las primeras etapas

del proceso, lo cual podría estar relacionado con la concentración del sustrato designada

(8072 mgDQO/L).

6.4.3 Aumento en la densidad de potencia

En la Fig. 42b se muestra la densidad de potencia (PAn) que como se comentó en la

sección 5.13 se define como la potencia en función del área superficial del ánodo (Logan

et al., 2006). Para los tres primeros periodos de operación la PAn máxima fue de 29, 38 y

35 mW/m2, lo cual fue contrastante con el último y más largo periodo, en el cual la PAn

disminuyó a un 20% del valor de la PAn original registrado.

En comparación a otros trabajos, Rezaei et al. (2007) obtuvo una PAn alrededor de 3

veces mayor a la obtenida en este ensayo. Sin embargo, después de las 300 h pierde la

estabilidad y la PAn disminuye un 60%, lo cual no sucede aquí si no hasta después de las

600 h.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

86

Figura 42. A) pH y B) Densidad de potencia en función del tiempo en la operación semi-continua de la

celda de combustible microbiana.

6.4.4 Remoción de materia orgánica

En la Fig. 43b se muestra la remoción de materia orgánica como demanda química de

oxígeno. En la Fig. 43a se grafica la concentración inicial en DQO alimentada a la CCM.

Por el otro lado, en la Fig. 43b se grafica la remoción de DQO. Como se puede ver hay

letras acompañando a cada unos de los puntos de la gráfica.

Por ejemplo, las letras minúsculas en la Fig. 43a (a, b, c y d-1 hasta d-7),

correspondientes a la concentración inicial de la DQO hacen referencia a la cantidad de

sustrato suministrada en ese periodo. Por su parte, las letras mayúsculas en la Fig. 43b

(A, B, D y D-1 hasta D-7), indican la correspondiente remoción de DQO para el periodo

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

87

señalado. La remoción de materia orgánica total fue muy similar a la reportada en otros

trabajos de CCM’s. Por ejemplo, Zuo et al. (2006) reportaron una remoción de materia

orgánica de alrededor del 70% en una CCM que trata residuos agroindustriales. En este

estudio la mayor remoción de materia orgánica se dio en la etapa C y fue de

aproximadamente 73%. Nuevamente al comparar con los ensayos en lote realizados, la

remoción de DQO fue superior ya que el valor más alto para aquellos ensayos en lote fue

de tan sólo 42,86% cuando se utilizó un inóculo sulfato reductor.

Figura 43. A) Concentración inicial de la Demanda química de oxígeno en la alimentación y B) Remoción de la Demanda química de oxígeno en función del tiempo en la operación semi-continua de la celda de

combustible microbiana.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

88

6.4.5 Desempeño electroquímico y bioquímico promedio

En la Tabla 20 se muestra el desempeño electroquímico promedio para la operación de la

CCM durante casi 80 días. Como se ha mencionado a lo largo del texto la operación de la

CCM se dividió en 4 etapas ya descritas previamente, cada una identificada por una

carga orgánica volumétrica distinta.

En el Voltaje de la celda (ECCM) es posible apreciar que éste se mantuvo durante los

tres primeros periodos de operación en un valor mayor a 0.22 V. La intensidad de

corriente (ICCM) siguió la misma tendencia de ECCM presentando un máximo valor en la

segunda etapa (0.23 mA). La PAn fue mayor a lo logrado anteriormente en este grupo de

trabajo, con lo cual se corrobora el éxito del protocolo de inoculación al duplicar el

desempeño de la celda en función de la PAn (de 12 a 24 mW/m2).

A pesar de que la celda diseñada en este trabajo cuenta con un volumen de operación

grande en comparación a otras celdas de la literatura, la potencia volumétrica (PV) se

encontró dentro del intervalo de los datos reportados para los trabajos en los cuales se

han utilizado cepas puras (desde 80 hasta 18000 mW/m3) (Rabaey y Verstraete, 2005).

La Tabla 21 muestra el desempeño bioquímico promedio de la celda de combustible

microbiana utilizada en este ensayo. Como se puede notar el pH disminuyó a lo largo del

periodo de operación.

Tabla 20. Desempeño electroquímico promedio de la celda de combustible microbiana.

Etapa ECCM (V) ICCM (mA) PCCM (mW) PAn (mW/m2) IAn (mA/m2) PV (mW/m3)0.2239 0.22 0.05019 26.08 116.33 334.35 A (168 h) ± 0.01 ± 0.01 ± 0.0041 ± 2.10 ± 4.67 ± 26.88 0.2301 0.23 0.05320 27.65 119.58 354.43 B (168 h) ± 0.02 ± 0.02 ± 0.0081 ± 4.22 ± 8.81 ± 54.11 0.2284 0.23 0.0526 27.34 118.67 350.45 C (168 h) ± 0.02 ± 0.02 ± 0.0103 ± 5.34 ± 11.88 ± 68.48 0.1216 0.12 0.0185 9.60 63.20 123.05 D (1008 h) ± 0.06 ± 0.06 ± 0.0191 ± 9.93 ± 31.78 ± 127.30

Notas:

ECCM: Voltaje de la celda; ICCM: Intensidad de corriente; PCCM: Potencia; PAn: Densidad de potencia con respecto al ánodo; IAn: Densidad

de corriente; PV: Potencia volumétrica; Etapa A, B y C: ciclos de 7 días cada uno; Etapa D: ciclo de 59 días.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

89

Esto podría adjudicarse al aumento en la concentración de la alimentación, la cual como

se mencionó previamente fue fortificada con la adición de ácidos y solventes orgánicos

para lograr una concentración de hasta 8000 mgDQO/L. La generación de biogás se

presentó en las tres primeras etapas del proceso que fueron mucho más cortas que la

última etapa. La nula producción de biogás a partir de la última etapa del proceso

(caracterizada por la mayor carga orgánica volumétrica) y al bajo pH se debió

posiblemente a la preferencia del consorcio microbiano por el ánodo como aceptor de

electrones en vez de cualquier otra sustancia orgánica del sistema. Como e sabe, ls

arqueas metanogénicas se inhiben a pH por debajo de 5.5 a 6.0 (Chidthaisong y Conrad,

2000; Das y Veziroglu, 2001).

Tabla 21. Desempeño bioquímico promedio de la celda de combustible microbiana.

Periodo pH Biogás (mL-d)Concentración inicial

de la alimentación (mgDQO/L-d)

ηDQO (%) ηCoul (%)

7.74 70.00 1090.91 46.67 2.06 A (168 h) ± 7.07

5.66 33.57 2181.82 73.33 0.67 B (168 h) ± 24.10

5.24 11.43 4581.82 71.43 0.33 C (168 h) ± 8.52

4.65 0.00 8072.73 62.16 0.11 D* (1008 h) ± 0.10 ± 0.00

Notas:

pH: Potencial de hidrógeno; Carga: Carga orgánica volumétrica; ηDQO: Remoción de la demanda química de oxígeno; ηCoul: Eficiencia

coulombimétrica; Etapa A, B y C: ciclos de 7 días cada uno; Etapa D: ciclo de 59 días; * Para el Periodo D aplica la determinación de la

Desviación estándar debido a que para esta etapa hubo siete recambios de 1/3 del contenido de la CCM.

De manera interesante la remoción de materia orgánica (ηDQO) fue aumentando a lo largo

de la operación de la celda (47 a 71%), superando los valores obtenidos previamente al

utilizar un inóculo sulfato reductor en una celda de combustible microbiana operada en

lote (ηDQO=42.86%) (Ver sección 6.3.2).

La Eficiencia Coulombimétrica aunque no mostró ser mucho mayor que los resultados

obtenidos previamente, (0.13 y 1.22% al usar un inóculo metanogénico y sulfato reductor,

respectivamente) si fueron duplicados en la Etapa A de operación de la CCM en semi-

continuo (2.06%). Como se mencionó previamente en la sección 6.7.1 se esperaba que la

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

90

ηCoul aumentara al modificar el protocolo de inoculación de la CCM y que de esta forma se

favoreciera la colonización del ánodo traduciéndose en una mayor conversión de sustrato

en electricidad, lo cual de acuerdo a los datos experimentales no ocurrió.

Los valores más altos de ηCoul (97%) se han reportado para sustratos fácilmente

degradables y para cultivos puros (Rosenbaum et al., 2006). Con respecto a la utilización

de consorcios microbianos y sustratos complejos (i.e. aguas residuales) la ηCoul más alta

reportada ha sido de 80%, sin embargo los datos mostrados en la literatura provienen de

CCM’s en operación por más de 1 año. Con respecto al pH se puede observar de la Tabla

21 que éste fue disminuyendo hasta un valor de 4.65, lo cual es comprensible debido al

pH que presentó el respectivo lote de alimentación suministrado a la CCM.

El objetivo principal de disminuir el pH de la alimentación fue aumentar la

conductividad del electrolito y así favorecer la transferencia de protones hacia el cátodo.

La mayoría de trabajos ajustan el pH de la CCM cercano a la neutralidad (Kim et al.,

2000; Park y Zeikus, 2000; Oh y Logan, 2007; Kim et al., 2007). Sin embargo

recientemente se ha estudiado el comportamiento de microorganismos capaces de

generar una diferencia de potencial en un electrolito sintetizado en laboratorio y a

diferentes valores de pH (Rosenbaum et al., 2007).

Rosenbaum et al. (2007) encontraron que los valores más altos de densidad de

corriente se presentaron cuando el pH se encontraba cercano a la neutralidad (2.4x104

mA/m2). Por otro lado, aunque los valores más bajos de densidad de corriente se

encontraron a un pH cercano 4 (1x104 mA/m2), los microorganismos continuaron

generando una diferencia de potencial inclusive hasta un pH 1. Cabe mencionar que

Rosenbaum et al. (2007) enriquecieron el inóculo son microorganismos formadores de

esporas mediante un tratamiento térmico, lo cual no sucedió en el presente trabajo y que

podría mostrarse como una posible causa de la disminución del desempeño de la CCM.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

91

6.5 Extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible

microbiana

En la Fig. 44 se muestra la Electroforesis en Gel de Agarosa al 0.5% de la extracción de DNA

total de la biomasa suspendida en el licor de la celda de combustible microbiana (Imagen

capturada con Kodak 1D Image Analysis Software v3.0.2).

Figura 44. Electroforesis en Gel de Agarosa al 0.5%; extracción de DNA total de la biomasa suspendida en el licor de la celda de combustible microbiana. Condiciones de corrimiento: Gel de agarosa (0.5 %); 2 μL de DNA de 50 μL; 120 V; 0.3 μL EtBr. Los carriles 1-10 corresponden a los muestreos A, B, C, D-1, D-

2, D-3, D-4, D-5, D-61, D-7.

La extracción fue exitosa tanto en las muestras de la biomasa suspendida en el licor de la

CCM como en la biomasa soportada de la superficie del ánodo como se muestra en los geles

analíticos de agarosa (Fig. 44 y 45). En la Tabla 22 se muestra el DNA genómico

cuantificado por espectrofotometría a 260 nm, considerando 1.0 unidad A260 ds. DNA = 50 μg

DNA/ml (New England Biolabs, 2003). Cuantificación por dilución en un volumen final de 50

μL.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

92

6.6 Extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada

como ánodo de la celda de combustible microbiana

En la Fig. 45 se muestra la Electroforesis en Gel de Agarosa al 0.5% de la extracción de DNA

total de la biomasa soportada en la tela de carbón Toray de la celda de combustible

microbiana (Imagen capturada con Kodak 1D Image Analysis Software v3.0.2).

Figura 45. Electroforesis en Geles de Agarosa al 0.5%; extracción de DNA total de la biomasa soportada en la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana. Condiciones de

corrimiento: Gel de agarosa (0.5 %); 2 μL de DNA de 50 μL; 120 V; 0.3 μL EtBr. Los carriles 1-6 corresponden a los muestreos 001, 002, 003, 004, 005 y 006. Los carriles 8-13 corresponden a los

muestreos 007, 008, 009, 010, 011 y 012. Los carriles 7 y 8 corresponden a la extracción testigo para cada procedimiento.

Tabla 22. Cuantificación del DNA Genómico de la biomasa suspendida en el licor y soportada en el

ánodo e la celda de combustible microbiana.

Muestra DNA (ng/mL) Muestra DNA (ng/mL) Muestra DNA (ng/mL) A 253 001 183 007 245 B 185 002 187 008 278 C 440 003 307 009 498

D-1 248 004 572 010 385 D-2 592 005 292 011 277 D-3 193 006 450 012 102 D-4 65 - - - - D-5 290 - - - - D-6 272 - - - - D-7 40 - - - -

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

93

6.7 Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la biomasa

soportada en la superficie del ánodo

6.7.1 Ánodo testigo no utilizado en la operación de una celda de combustible microbiana

Después de 100 d de operar la CCM en semi-continuo se dio por finalizado el ensayo y se

procedió a retirar el ánodo para ser analizado por Microscopia electrónica de barrido (MEB).

De manera general se tomaron diversas fotografías a distintos aumentos de cada muestra

analizada, 60x, 200x, 2000x y 6000x.

En la Fig. 46 se observa la muestra testigo en donde se puede apreciar que la tela de

carbón Toray se compone de un tejido plano de fibrillas entrelazadas (Fig. 46a, aumento

60x). En la Fig. 46b se puede observar el aumento 200x y es notable incluso a este aumento

cada una de las fibrillas que componen el material utilizado como ánodo. En la Fig. 46c se

muestra el aumento a 2000x y se puede notar que cada una de las fibras que componen el

tejido tiene un diámetro aproximado de 10 μm.

Figura 46. Muestra testigo (corte 0014) NO utilizada en algún ensayo de la celda de combustible

microbiana.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

94

En la Fig. 46d se muestra el aumento 6000x en donde claramente se observa la

ausencia de objetos con morfología propia de algún microorganismo. Con esto se validaría

que la presencia de microorganismos (que se mostrarán posteriormente en este trabajo) se

debe a la realización del protocolo de inoculación. Por otro lado, fue posible corroborar que la

presencia de microorganismos en el ánodo analizado no se debió a alguna contaminación

en la manipulación del material.

6.7.2 Ánodo utilizado en la operación de una celda de combustible microbiana

La Fig. 47 indica el Corte 0001 que con respecto a la Fig. 20 corresponde a la

muestra localizada en la parte más alta del eje vertical designado para este análisis (ver

Sección 5.7.4). A manera de ejemplo para el resto de las microfotografías tomadas, se puede

ver que contrariamente a lo que se observó en la muestra testigo, la superficie del ánodo en

el aumento correspondiente a 60, 200 y 2000x del Corte 0001 mostró material que se

asemeja a los sólidos presentes en el sustrato suministrado a la CCM en este ensayo. Cabe

mencionar que la alimentación de este ensayo en semi-continuo (a diferencia del ensayo en

lote) estuvo compuesta por los extractos provenientes de la purga de un Digestor anaerobio

en sustrato sólido (ver Sección 5.6.1).

En la Fig.47a se observa una parte más oscura al centro de la fotografía lo cual es

adjudicado a que en el momento de transferir la muestra dentro del microscopio electrónico

de barrido, a ésta se le desprendió un fragmento de biomasa soportada en la superficie y por

lo tanto no fue posible (al menos para esta muestra) observar la conformación del material de

la tela de carbón Toray.

También de manera contraria al material testigo utilizado en este ensayo, en todos los

aumentos de 6000x se observa morfología microbiana correspondiente posiblemente a

Arqueas metanogénicas o a bacterias sulfato reductoras (Fig. 47d-f). Como es sabido la

morfología de arqueas metanogénicas comprende estructuras bacilares, cocoides e inclusive

espirilares, todas de distintos tamaños (Madigan et al., 1999). Por su parte las bacterias

sulfato reductoras tienen estructuras compuestas por bacilos rectos o curvados, células

ovales, cocoides o filamentosas y células en paquetes organizadas en sarcinas (Madigan et

al., 1999).

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Figura 47. Corte 0001 del ánodo utilizado en el ensayo de la celda de combustible microbiana en semi-

continuo.

En alusión a lo descrito anteriormente sobre la imposibilidad de haber observado la

conformación de la tela de carbón Toray, se muestra en la Fig. 48 una comparación de la

cantidad de biomasa soportada en la superficie de la tela de carbón Toray utilizada como

ánodo a un aumento de 60 y 200x. Las Fig. 48a y b muestran el ánodo testigo sin utilizarse

en algún ensayo de CCM. Se observa claramente la conformación de este material. Por otro

lado, las Fig. 48c y d muestran aumentos de la tela expuesta al licor de la CCM en donde se

puede observar que la cantidad de biomasa en comparación a la tela testigo es mucho

mayor.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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De manera similar a las Fig. 48e y f que corresponden a las muestras de la tela de carbón en

contacto con la lámina de acero que compuso al ánodo. En esta fotografía se observa

también biomasa soportada en la superficie sin embargo en menor proporción, lo cual podría

sugerir que la misma tela de carbón habría actuado como un filtro favoreciendo que la

superficie en contacto con la lámina de acero soportara menos biomasa.

Figura 48. Cortes correspondientes al ánodo utilizado en el ensayo de la celda de combustible

microbiana en semi-continuo: 0014, 0002 y 0007.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

97

6.7.3 Descripción de la morfología microbiana observada en el análisis de microscopia electrónica de barrido.

En la Fig 49 se muestran micrografías correspondientes a los aumentos 6000x de los Cortes

designados como 0002, 0003, 0005, 0006, 0008, 0009, 0010 y 0012. Es común para todas

las microfotografías que la morfología podría corresponder a bacterias sulfato reductoras o a

arqueas metanogénicas (Cheung y Gu, 2003; Sossa et al., 2004), sin embargo se carece de

información suficiente como para corroborarlo.

En el caso de los bacilos cortos su tamaño fue de 1 μm de largo por 0.5 μm de ancho

mientras que en los bacilos largos su longitud fue de ca. el doble de tamaño. Por su parte los

cocos podría aseverarse que presentaron un diámetro de aproximadamente 0.5 μm. La

morfología espirular presentó un largo de hasta 5 μm conservando un ancho similar al de los

bacilos cortos. Se presentaron casos como el de la Fig. 49f y g en donde algunas estructuras

posiblemente atribuidas a un origen biológico alcanzaron una longitud mayor a los 30 μm

(Fig. 49f: bacilo muy largo en diagonal de la esquina inferior izquierda a la esquina superior

derecha de la imagen, Fig. 49g: bacilo largo soportado a la derecha de la fibra de la tela de

carbón Toray).

Con respecto a las asociaciones es posible mencionar aquellas mostradas en las Fig.

49a, b y h donde se observa a los microorganismos en “racimos”, asociación común en

ambientes no estériles (Yuan et al., 2007). También es necesario mencionar otra asociación

observada en las microfotografías como por ejemplo en la Fig. 49d en donde un grupo de

bacilos cortos se encuentran unidos por sus extremos transversales para formar una fila de

células a lo ancho de una de las fibras de la tela de carbón Toray.

En la Fig. 49c se observa sobre una de las fibras un microorganismo con morfología

de espirilo lo cual es consistente con la morfología identificadas como bacterias sulfato

reductoras encontradas en microcolonias de tuberías corroídas del sureste Mexicano (Neria-

González, 2006). Con lo que respecta de forma particular a morfología propia de de arqueas

metanogénicas se podría utilizar la Fig. 49d para mencionar que los bacilos cortos son

generalmente un forma de este tipo de microorganismos (Sossa et al., 2004). Dentro de la

morfología de arqueas metanogenicas se podría también ubicar a las estructuras cocales

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

98

encontradas en la Fig, 49d y que se han reportado para microorganismos habitantes de

digestores anaerobios (Yang et al., 2004a; Yang et al., 2004b).

Figura 49. Aumentos 6000x de los cortes 0002, 0003, 0005, 0006, 0008, 0009, 0010 y 0012.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

99

7 Conclusiones Reactor inoculador metanogénico y Reactor inoculador sulfato reductor:

Los comportamientos de ambos reactores inoculadores fue similar al reportado en

literatura en términos de % remoción de DQO, y valores del pH.

El parámetro alfa permitió corroborar la estabilidad del sistema a partir del día 200 de

su funcionamiento.

Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico:

El digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico no mostró características propias

de este tipo de sistemas, más bien su comportamiento fue similar a un digestor

anaerobio en sustrato sólido metanogénico.

El pH del sistema y el parámetro alfa fueron similares a los reportados en la literatura

para reactores metanogénicos (ca. 7 y >0.3) y permitieron corroborar la estabilidad del

sistema a partir del día 200.

El perfil de metabolitos fue similar al comportamiento de digestores anaerobios en

sustrato sólido metanogénicos operados en un régimen termofílico encontrándose la

siguiente proporción de metabolitos: Acetato > Propionato > Butirato.

Caracterización de la celda de combustible microbiana: curva de polarización:

La curva de polarización mostró que la resistencia interna del sistema cargado con

inóculo metanogénico fue tres veces más alta que con un inóculo sulfato reductor, lo

cual afectó a la baja la corriente y la potencia de la celda de combustible microbiana.

De acuerdo a los resultados de la curva de polarización el inóculo de selección fue el

inóculo sulfato reductor.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

100

Ensayos en lote de la celda de combustible microbiana: Los voltajes a circuito abierto se |compararon favorablemente con los reportados en

literatura (0.4-0.6 V).

La densidad de potencia obtenida con inóculo sulfato reductor estuvo en el valor

promedio de lo reportado recientemente por otros grupos con celdas de combustible

microbianas, bajo diferentes condiciones de inóculo y de sustrato, mientras que el

valor presentado en este trabajo con un inóculo metanogénico es menor de las

reportadas en literatura (similares a las obtenidas en trabajos de 2002).

La Eficiencia de remoción de la materia orgánica del efluente (demanda química de

oxígeno) fue baja, mostrando la capacidad de la celda de combustible microbiana para

descontaminar el efluente.

Tanto la corriente como la Eficiencia Coulombimétrica fueron muy bajas, lo que señala

como probable causa al alto valor de la Resistencia interna de la celda de combustible

microbiana en el orden de kilo ohmios.

Ensayo semi-continuo y aumento del desempeño de la celda de combustible microbiana:

Se generó electricidad de manera estable por más de 504 h mediante la operación de

una celda de combustible microbiana a partir de extractos acuosos de los sólidos

gastados provenientes de la producción biológica de hidrógeno.

El protocolo de inoculación fue exitoso al disminuir este valor de 10000 a 1000 Ω, por

tanto, la operación de la celda se llevó a cabo bajo una resistencia externa igual a

1000 ohmios con lo cual se corroboró que.

El desempeño electroquímico de la celda fue mejor cuando la concentración de la

alimentación fue menor, mostrando así un efecto inhibitorio por parte de la

alimentación.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

101

Por otro lado, el desempeño bioquímico (como remoción de la demanda química de

oxígeno) de la celda fue mejor cuando la concentración de la alimentación fue mayor,

indicando la capacidad adicional del consorcio microbiano para el tratamiento de

efluentes contaminados.

El protocolo de inoculación permitió aumentar todas las variables utilizadas para

estudiar el desempeño de una celda de combustible microbiana.

Análisis de la biomasa soportada en la superficie del ánodo por microscopía electrónica de barrido:

En la tela de carbón Toray utilizada como control no se observó crecimiento

microbiano mediante el método microscópico utilizado

Se observaron diferentes morfologías celulares no sólo correspondientes a bacterias

sulfato reductoras, sino también correspondientes a arqueas metanogénicas.

Se observó mayor cantidad de biomasa soportada del lado de la tela de carbón toray

que se encontraba en contacto con el licor de la CCM y no así en contacto con la

lámina de acero inoxidable que compuso el ánodo.

Page 117: MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

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9 Publicaciones originales producto de esta tesis

9.1 Capítulos en libro

The Sixth International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds: Alessandro Carmona-Martínez, Omar Solorza-Feria, Héctor M. Poggi-Varaldo. Design and characterization of a microbial fuel cell for electricity production from leachates. Paper S-12. Proceedings of the Sixth International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds. (May 2008, in Monterey, California).

e-Libros editados por el Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec: Alessandro Carmona-Martínez, Héctor M. Poggi-Varaldo, Omar Solorza-Feria. Energía eléctrica de residuales líquidos orgánicos utilizando pilas decombustible microbianas: avnces y perspectivas. ISBN: en proceso de trámite. Energías Renovables Biológicas, Hidrógeno y Pilas de combustible. Editado por: Héctor M. Poggi Varaldo, Eugenia Bátiz y Solórsano, José Alfred Pineda Cruz, Sergio Caffarel Méndez. (Diciembre 2007, Ecatepec Estado de México).

Second International Meeting on Environmental Biotechnology and Engineering: Carmona-Martínez, A. A., Esparza-García, F., García-Mena, J., Solorza-Feria, O. and Poggi-Varaldo, H. M. Actualidad y perspectivas en celdas de combustible microbianas para la obtención de energía eléctrica a partir de residuales. Environmental Biotechnology and Engineering. Proceedings of the Second International Meeting on Environmental Biotechnology and Engineering (2IMEBE). Edited by: Héctor Mario Poggi-Varaldo, Elvira Ríos-Leal, Jaime García-Mena, Fernando Esparza-García, Ma. Teresa Ponce-Noyola, Ireri Robles-González, Isabel Sastre-Conde, Hervé Macarie, José Luis Sanz, Irene Watson-Craik, Eugenio Foresti, Danny Reible, and Claudio Garibay-Orijel26-29 September, 2006. México City, México. Paper IMEBE 109.

9.2 Artículos in extenso en congresos internacionales The Second International Workshop on Biotechnology and the Second International Meeting on Alternative Energies:

Alessandro Carmona-Martínez, Jaime García-Mena, Elvira Ríos-Leal, Omar Solorza-Feria, Héctor Poggi-Varaldo. Obtención de energía eléctrica en la operación semi-continua de una celda de combustible microbiana. in extenso TL-27-EA. The Second International Workshop on Biotechnology and the Second International Meeting on Alternative Energies. Ciudad de Pachuca, Hidalgo, México del 6 al 9 de noviembre de 2007.

IV International Congress of Biochemical Engineering: Carmona-Martínez, A., Esparza-García F., García-Mena J., Solorza-Feria, Omar, and Poggi-Varaldo H. M. Revisión sobre celdas microbianas de combustible para la obtención de energía eléctrica a partir de residuales. in extenso E487. IV International Congress of Biochemical Engineering. Morelia, Michoacán. April, 4-7, 2006.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

109

9.3 Artículos in extenso en congresos nacionales

VI Congreso de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y las Terceras Jornadas Iberoamericanas de Pilas de Combustible e Hidrógeno:

Alessandro Carmona-Martínez, Jaime García-Mena, Omar Solorza-Feria, Héctor Poggi-Varaldo. Celda de combustible microbiana (CCM) genera electricidad a partir de residuales de la fermentación hidrogenogénica de materiales orgánicos. in extenso 014. VI Congreso de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y las Terceras Jornadas Iberoamericanas de Pilas de Combustible e Hidrógeno. Ciudad de Chihuahua, México del 26 al 28 de septiembre de 2007. Alessandro Carmona-Martínez, Omar Solorza-Feria, Jaime García-Mena, Héctor Poggi-Varaldo. Caracterización de una celda de combustible microbiana (CCM) mediante una curva de polarización. in extenso 015. VI Congreso de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y las Terceras Jornadas Iberoamericanas de Pilas de Combustible e Hidrógeno. Ciudad de Chihuahua, México del 26 al 28 de septiembre de 2007.

1er Congreso Nacional de Energías Alternativas: Alessandro Carmona-Martínez, Jaime García-Mena, Omar Solorza-Feria, Héctor M. Poggi-Varaldo. Operación de una Celda de Combustible Microbiana para la generación de energía eléctrica directa a partir de extractos provenientes de la fermentación hidrogenogénica de residuos sólidos orgánicos. in extenso CC02SO. 1er Congreso Nacional de Energías Alternativas. Ciudad de Querétaro, Qro. 2, 3 y 4 de Julio del 2007. Alessandro Carmona-Martínez, Juan C. Fernández-Ortiz, Jaime García-Mena, Omar Solorza-Feria, Héctor M. Poggi-Varaldo. Caracterización de una Celda de Combustible Microbiana para el tratamiento de efluentes contaminados. in extenso CC01P. 1er Congreso Nacional de Energías Alternativas. Ciudad de Querétaro, Qro. 2, 3 y 4 de Julio del 2007.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

110

10 Reconocimientos

10.1 Primer lugar en “the Student Paper Competition at The Sixth International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds”

Alessandro Carmona-Martínez, Omar Solorza-Feria, Héctor M. Poggi-Varaldo. Design and

characterization of a microbial fuel cell for electricity production from leachates. Paper S-12. Proceedings of

the Sixth International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds. (May 2008,

in Monterey, California).

10.2 Primer lugar en el área de Energías renovables en “The Second International Meeting on Environmental Biotechnology and Engineering”

Carmona-Martínez, A. A., Esparza-García, F., García-Mena, J., Solorza-Feria, O. and Poggi-Varaldo, H. M.

Actualidad y perspectivas en celdas de combustible microbianas para la obtención de energía eléctrica a

partir de residuales. Paper 109. Proceedings of the Second International Meeting on Environmental

Biotechnology and Engineering. (Mexico City, Mexico; September 26-29, 2006). ISBN: 970-95106-0-6.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Apéndice A: Diseño de la celda de combustible microbiana en lote

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Apéndice B: Diseño de la celda de combustible microbiana en continuo

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Apéndice C: Métodos Determinación de pH (Standard Methods 4500-H+) El pH es uno de los parámetros más importantes y frecuentemente utilizados en análisis

químicos para determinar el carácter ácido o básico de una sustancia. La medición de pH se

basa en determinar la actividad de los iones hidrógeno por medio de una medición

potenciométrica utilizando un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia. Se midió el pH

con un potenciómetro Beckman a 25°C calibrado con una solución reguladora a pH 7.

Determinación del Coeficiente alfa (Ripley et al., 1986) El coeficiente alfa es un parámetro que se determina en los reactores anaerobios debido a

que permite indicar si el sistema se encuentra funcionando adecuadamente. el coeficiente

alfa relaciona la alcalinidad intermedia con la alcalinidad parcial del medio, así cuando el

valor alfa es menor a 0.5 indica que el reactor tiene un buen régimen y que la capacidad

reguladora del sistema es adecuada. Se utilizó 25 mL de muestra previamente centrifugada a

5000 rcf durante 15 min. Esta muestra se tituló con H2SO4 0.1 N hasta que se llegó a un pH

de 5.75, en ese momento se registró el gasto. Después, se continuó valorando hasta

alcanzar un pH de 4.3 y se registró el gasto final. Posteriormente se realizaron los cálculos

para determinar la alcalinidad parcial, intermedia y total. Una vez obtenidos estos valores se

determinó el factor alfa que es el cociente entre la alcalinidad intermedia y la alcalinidad

parcial.

Determinación del Volumen de biogás (Poggi-Varaldo et al, 1997) El biogás producido por microorganismos en reactores de biomasa suspendida anaerobios,

está compuesto principalmente por H2S, CO2 y CH4, de menor a mayor proporción. El

volumen de biogás se determinó midiendo el volumen de biogás desplazado de la salmuera

colocada en un frasco colector, el cual se conecta al reactor productor de biogás. El volumen

de salmuera desplazado que se rige por el principio de Arquímedes es igual al volumen de

biogás producido por el consorcio microbiano presente en cada reactor.

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OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA

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Determinación de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) (Standard Methods 5220-C) El método de la demanda química de oxígeno determina la cantidad de oxígeno necesario

para oxidar a la materia orgánica de un desecho, bajo condiciones específicas de un agente

oxidante (K2CrO7 0.25 N), en medio ácido y altas temperaturas, transformándola en bióxido

de carbono y agua. Se preparó tubos con 2.5 mL de muestra, 1.5 mL de solución oxidante,

lentamente y con precaución se le adicionó 3.5 mL de H2SO4 concentrado (99.99 % de

pureza). Se dejó las muestras en reflujo por 2 h a una temperatura entre 250 a 275°C.

Posteriormente, las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente y se titularon con

sulfato ferroso amoniacal (0.05 N) utilizando como indicador fenantrolina.

Determinación de Sólidos Suspendidos Volátiles (Standard Methods 2540-E) La determinación de sólidos suspendidos volátiles es extremadamente valiosa en el análisis

de aguas contaminadas y de aguas residuales, es uno de los mejores parámetros usados

para valorar y determinar la concentración de materia orgánica presente en las muestras.

Esta prueba consiste en un procedimiento de combustión en el cual la materia orgánica se

convierte en CO2 y H2O. La temperatura se controla para prevenir la descomposición y

volatilización de las sustancias orgánicas. La pérdida de peso se interpreta en términos de

materia orgánica. Se utilizó 20 mL de muestra, la cual se colocó en un crisol con papel filtro

(previamente secados en la estufa a 100°C durante 1 h y posteriormente pesados). Por

último se filtró a vacío. En seguida se calcinó la muestra a la mufla a 550°C durante 15 min y

se registró el peso después de enfriar.

Determinación de Metano (Poggi-Varaldo et al., 1997) Se utilizó un cromatógrafo de gases GOW-MAC serie 350 con las siguientes características:

detector de conductividad térmica, integrador HP3395, con una columna FFAP 80/100, 6’ x

1/8’ x 0.085’ ss. Se trabajó a una temperatura de la columna de 220°C y con una

temperatura del detector de 270°C. El programa de trabajo fue el siguiente: 50°C durante 5

min, después una aumento de 12°C cada minuto hasta alcanzar los 230°C. Además se utilizó

como gas acarreador al N2-14, con un flujo de 60mL/min. Se obtuvo la curva de calibración a

partir de un estándar con 50% CO2 y 50% CH4.