11/16/2015
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Ante la degradación ambiental del planeta, y una más que probable crisis energética en el futuro, investigadores de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM, trabajan en el desarrollo de una nueva tecnología para obtener energía eléctrica sustentable, hidrógeno como combustible, y agua limpia, a partir del tratamiento del líquido residual, con bacterias presentes en el medio ambiente. En las plantas tradicionales, la materia orgánica que causa la contaminación es degradada por bacterias. Si el proceso es aerobio se inyecta aire para permitir la oxidación y así se obtiene dióxido de carbono, agua y más microorganismos. 


Si es anaerobio no se requiere aire; en este caso, se transforma en metano, dióxido de carbono y más bacterias. En estas reacciones ocurre una transferencia de electrones, llamadas reacciones de óxido-reducción, porque en ellas hay sustancias que se oxidan y otras que se reducen. Ante la interrogante de qué sucede si, en lugar de transferir los electrones en las reacciones químicas, las bacterias los transfieren a un ánodo, que es un electrodo negativo, Germán Buitrón Méndez, coordinador del Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas (LIPATA) de la unidad académica, explicó que se generan electrones que pueden ser ‘cosechados’.

Este proceso se puede llevar a cabo en una celda de combustible microbiana, dispositivo que puede convertir, mediante microorganismos, energía bioquímica, en eléctrica. Para obtenerla, las bacterias transfieren electrones desde un donador de éstos, como el agua residual (materia orgánica), a un aceptor de electrones, como el oxígeno. En esas celdas, las bacterias no los transfieren directamente a un aceptor final de electrones característico, sino a un electrodo, es decir, a un ánodo. Posteriormente pasan, a través de una resistencia u otra carga, a un cátodo, por lo que los electrones generados en la reacción son “cosechados” y convertidos directamente en energía eléctrica. El carbono orgánico es transformado en dióxido de carbono. Para cerrar el ciclo, los protones migran hacia el cátodo en aerobiosis, donde se combinan con el oxígeno para formar agua. “Nuestro objetivo es obtener, a partir del tratamiento de las residuales, líquido limpio, pero también otros productos. Con el tratamiento convencional se obtiene, por medio del suministro de energía, agua tratada. Con esta nueva tecnología logramos un valor agregado: energía eléctrica, hidrógeno y metano”.

La cantidad de energía eléctrica producida mediante esta nueva tecnología depende de las bacterias adheridas al ánodo; así, entre más haya, y mayor sea la superficie de este último, se originará en mayor medida. Su generación no es suficiente para alumbrar grandes ciudades, por ejemplo, pero el esquema resulta mucho más atractivo si se puede conseguir hidrógeno con ella. “Este último elemento contiene un poder calorífico dos y media veces más elevado que el metano. Además, al quemarse sólo produce agua, es decir, no contamina”, señaló Buitrón Méndez. Si en una primera etapa del tratamiento de aguas residuales la materia orgánica se fermenta en anaerobiosis, es posible producir hidrógeno y subproductos como ácidos grasos volátiles (acético, propiónico, butírico), que pueden alimentar a una celda electroquímica microbiana para que produzca más hidrógeno. “Esa celda funciona de una manera diametralmente opuesta a como lo hace una de combustible microbiana: necesita energía eléctrica para transformar la materia orgánica en hidrógeno; en este dispositivo, las bacterias colonizan también un ánodo”.

Con ayuda de los electrones suministrados, los ácidos grasos se transforman en hidrógeno. Es en este punto donde la energía eléctrica generada por la celda de combustible microbiana puede aprovecharse en la celda electroquímica; de este modo, ya no es necesario recurrir a energía eléctrica externa. Los investigadores estudian cómo incrementar la producción de hidrógeno obtenido por la fermentación de la materia orgánica y con una celda electroquímica microbiana. “Esta tecnología se encuentra en desarrollo. Los retos son diseñar y configurar ambos tipos de celdas con materiales no costosos, y hacer que la de combustible microbiana genere la mayor cantidad posible de energía eléctrica; y la electroquímica, de hidrógeno. “Es importante también abordar aspectos más básicos, como qué clase de bacterias colonizan el ánodo y bajo qué condiciones”, concluyó. Buitrón Méndez y sus colaboradores mantienen permanente colaboración con Katy Juárez, del Instituto de Biotecnología, campus Morelos, de la UNAM (quien trabaja con bacterias del género Geobacter); con investigadores de la Arizona State University en Estados Unidos, y con integrantes del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT), todos relacionados con temas de este proyecto.
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