Facultad de Ingeniería Ambiental Escuela de Ingeniería de Higiene y Seguridad Industrial
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA UTILIZANDO BACTERIAS PRESENTES EN LAS AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS QUE SON VERTIDAS A CITRAR-UNI Vladimir Garcés, Keate Córdova, Alexander Montalvo, Diana Vidal, Alex Inga, Renzo Núñez Asignatura: Microbiología Ambiental Asesor: Mg. Alejandro Mendoza
1. ANTECEDENTES Liliana Alzate en su estudio denominado:” EVALUACION DEL DESEMPEÑO E IDENTIFICACION DE EXOELECTROGENOS EN DOS TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS CON DIFERENTE CONFIGURACION EN EL ANODO” compara dos celdas de combustible microbianas con diferente configuración en el ánodo de las cuales se aislaron las respectivas muestras microbianas para identificar el tipo de bacterias presentes, el sustrato empleado fue agua residual sintética (ARS). En la CCM1 se utilizó grafito de superficie plana y en la CCM2 grafito granular, en el cátodo se utilizó un electrodo acuoso saturado de oxígeno.
En la investigación de la Magister Dolly M. Revelo (Universidad de NariñoColombia) denominada: “CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (CCMs): UN RETO PARA LA REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA Y LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA” Se presentan y discuten los aspectos más importantes de una celda microbiana tanto como su arquitectura, la función de estos microbios y el tipo de sustratos.
En otra investigación de la Dr. Liliana Alzate denominada: “ GENERACION DE ELECTRICIDAD A PARTIR DE UNA CELDA DE COMBSUTIBLE MICROBIANA TIPO PEM” se empleó una celda de combustible microbiana a escala de laboratorio separadas por una membrana de intercambio protónico(PEM) para la generación de electricidad, se utilizó como sustrato agua residual sintética (ARS).Se determinó la influencia de la temperatura y el pH sobre el rendimiento de la CCM encontrando que la mayor densidad de potencia fue generada a la temperatura de 35°C a 40°C Y pH entre 5 y 6, este sistema resulta atractivo para la generación de electricidad y a la vez para la degradación de la fracción orgánica.
2. JUSTIFICACIÓN
En nuestra sociedad actual, se observa una serie de necesidades y urgencias como la falta de recursos hídricos en determinados lugares de nuestro país, y una alternativa actual es la utilización de agua tratada para el riego de parques y jardines para un ahorro necesario de agua; pero en este contexto surge la necesidad de encontrar nuevas maneras de cómo hacer el tratamiento de aguas residuales domésticas, el implementar una red de plantas de tratamiento de aguas es una alternativa en la que se requiere una considerable inversión; otra alternativa muy interesante es el de realizar el tratamiento a una escala mucho menor de una planta de tratamiento mediante el uso de estas aguas residuales domésticas como combustible en las celdas de combustible
microbiana; ya que las bacterias presentes en este sistema con su actividad metabólica realizan una limpieza y tratamiento a estas aguas domésticas; contribuyendo de manera indirecta con el ahorro y cuidado de nuestros recursos hídricos. Además, en la actualidad, existe un problema mundial, del cual el Perú no es ajeno, y es la necesidad de buscar nuevas fuentes de energía que sean sostenibles y no dañinas a nuestro ambiente, es por eso que encontramos en este proyecto –no muy investigado- una nueva forma de producir energía eléctrica utilizando la capacidad de metabolismo de las bacterias, sin duda alguna es un reto mejorar y masificar este tipo de tecnología para aportar con el cuidado de nuestro ambiente.
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Este proyecto está contextualizado en poder encontrar la respuesta a la siguiente interrogante: ¿Es posible la obtención de energía eléctrica utilizando bacterias provenientes de aguas residuales como elemento principal?
4. MARCO TEÓRICO ÁNODO: Es el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación (CHANG, 2002) ANIÓN: Es un ión cargado negativamente; un átomo o grupo de átomos que han ganado uno o más electrones. (CHANG, 2002) AGENTE OXIDANTE: Es una especie química que en un proceso redox acepta electrones y en consecuencia tanto se reduce. (CHANG, 2002) AGENTE REDUCTOR: Es una especie química que en un proceso redox pierde electrones y en consecuencia se oxida. (CHANG, 2002) BIOCÁTODO: Es el cátodo que contiene bacterias, las cuales cumplen un rol importante en las reacciones de reducción que se llevan a cabo en el electrodo. (MORTIMER, 1995) CÁTODO: Es el electrodo donde se efectúa la reducción. (MORTIMER, 1995) CATIÓN: Es un ion cargado positivamente; un átomo o grupo de átomos que han perdido uno o más electrones. (CHANG, 2002) CELDA DE COMBUSTIBLE: La celda de combustible funciona, con base en un proceso electroquímico que consiste en hacer reaccionar hidrógeno en presencia de aire (oxígeno) para producir agua y energía. El hidrógeno se ioniza produciendo protones y electrones. Los electrones se mueven por un conductor produciendo un flujo de electrones que es lo mismo que una corriente eléctrica. Gregor, H. (2003)
La celda de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de convertir directamente en electricidad la energía contenida en un combustible. Esta obtención de electricidad, en forma de corriente continua, se lleva a cabo sin la necesidad de ningún proceso de combustión, ya que la oxidación del combustible y la reducción del comburente se producen en lugares físicos diferentes. La conversión electroquímica asegura un elevado rendimiento en el proceso de transformación energética, mayor del que se obtendría de las maquinas térmicas, ya que estas presentan la limitación impuesta por el ciclo de Carnot. Desde este punto de vista, los motores de combustión actuales podrían ser también considerados como generadores de electricidad, pero esto no sucede de forma directa, sino que se la energía contenida en el combustible debe pasar por varias transformaciones antes de convertirse en electricidad; este proceso se resume en el siguiente esquema: E. Química→ E. Térmica→ E. Mecánica→ E. Eléctrica La celda de combustible transforma directamente en electricidad la energía contenida en un combustible, mediante un proceso isotermo que aprovecha la entalpia libre interna del combustible a temperatura de operación. E. Química→ E. Eléctrica De este modo, no está afectada por las limitaciones que imponen el segundo principio de la termodinámica y el ciclo de Carnot. En la Figura se pueden observar los diferentes elementos que intervienen en la reacción electroquímica, así como los componentes básicos de las estructura (electrodos, electrolito, placas bipolares y membranas difusoras).
El elemento básico de una pila es una celda Electroquímica formada por dos electrodos (ánodo y cátodo), y un electrolito que los pone en contacto. En el ánodo se produce la reacción de oxidación del combustible, en la que se liberan electrones incapaces de atravesar el electrolito, por lo que se ven forzados a atravesar un circuito externo. Los iones resultantes de la oxidación se mueven a través del electrolito para llegar al cátodo, lugar en el que se produce la reacción de reducción. La sustancia oxidante se reduce, ganando los electrones obtenidos en el ánodo y se recombina con los cationes correspondientes, formando así una especie neutra.
CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA: Son dispositivos que emplean bacterias como biotransformadores para oxidar materia orgánica o inorgánica y generar corriente eléctrica. (LOGAN, 2006) Una celda de combustible microbiana (MFC, siglas del inglés, Microbial Fuel Cell ) consiste básicamente en dos cámaras, una llamada anódica y otra catódica, separadas por una membrana intercambiadora de protones. Las bacterias que actúan como biocatalizadores están presentes en el compartimiento del ánodo y participan en la oxidación del sustrato (combustible) para producir electrones. El combustible que se oxida en el ánodo, resulta en electrones, protones y un producto oxidado. Los electrones generados pasan desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo, donde se combinan con el oxígeno presente en el aire burbujeado, y con los protones que llegan hasta el compartimiento del cátodo a través de la membrana selectiva de protones, se genera una corriente eléctrica. Un esquema del funcionamiento de una celda de combustible microbiana se muestra en la Figura. el sustrato es metabolizado por las bacterias y los electrones resultantes son transferidos al ánodo. Este proceso ocurre a través de la membrana o de un medidor redox.
Figura. Funcionamiento de una celda de combustible microbiana
COMBUSTIBLE: Sustancia oxidable que, bajo unas determinadas condiciones, produce combustión. (COSTA, 2005) CORRIENTE ELÉCTRICA: Es el flujo de cargas eléctricas. (COSTA, 2005) ENERGÍA: Es la capacidad para efectuar un trabajo. (CHANG, 2002) ENERGÍA DE ACTIVACIÓN: Es la diferencia en energía entre la energía potencial de los reactivos de una reacción y la energía potencial del complejo activado. (MORTIMER, 1985) MICROORGANISMOS ASOCIADOS AL ELECTRODO: Son aquellos que emplean al electrodo como material de soporte. (WALL, 2008) OXIDACIÓN: Parte de una reacción óxido-reducción caracterizada por el aumento algebraico del número de oxidación o por pérdida de electrones. (MORTIMER, 1995) REDUCCIÓN: Parte de una reacción óxido-reducción caracterizada por la disminución algebraica del número de oxidación o por ganancia de electrones. (MORTIMER, 1995) SOBREPOTENCIAL: Es una medida de polarización del electrodo a consecuencia de los procesos que tienen lugar en él durante el paso de corriente. Su valor depende de la naturaleza del electrodo, incluido el estado de su superficie. (COSTA, 2005) VOLTAJE DE CELDA: Es la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo. (CHANG, 2002)
5. MARCO LEGAL Artículo 119.- Del manejo de los residuos sólidos 119.1 La gestión de los residuos sólidos de origen doméstico, comercial o que siendo de origen distinto presenten características similares a aquellos, son de responsabilidad de los gobiernos locales. Por ley se establece el régimen de gestión y manejo de los residuos sólidos municipales. 119.2 La gestión de los residuos sólidos distintos a los señalados en el párrafo precedente son de responsabilidad del generador hasta su adecuada disposición final, bajo las condiciones de control y supervisión establecidas en la legislación vigente. Artículo 120.- De la protección de la calidad de las aguas 120.1 El Estado, a través de las entidades señaladas en la Ley, está a cargo de la protección de la calidad del recurso hídrico del país. 120.2 El Estado promueve el tratamiento de las aguas residuales con fines de su reutilización, considerando como premisa la obtención de la calidad necesaria para su reuso, sin afectar la salud humana, el ambiente o las actividades en las que se reutilizarán. Artículo 121.- Del vertimiento de aguas residuales El Estado emite en base a la capacidad de carga de los cuerpos receptores, una autorización previa para el vertimiento de aguas residuales domésticas,
industriales o de cualquier otra actividad desarrollada por personas naturales o jurídicas, siempre que dicho vertimiento no cause deterioro de la calidad de las aguas como cuerpo receptor, ni se afecte su reutilización para otros fines, de acuerdo a lo establecido en los ECA correspondientes y las normas legales vigentes.
Artículo 122.- Del tratamiento de residuos líquidos 122.1 Corresponde a las entidades responsables de los servicios de saneamiento la responsabilidad por el tratamiento de los residuos líquidos domésticos y las aguas pluviales. 122.2 El sector Vivienda, Construcción y Saneamiento es responsable de la vigilancia y sanción por el incumplimiento de LMP en los residuos líquidos domésticos, en coordinación con las autoridades sectoriales que ejercen funciones relacionadas con la descarga de efluentes en el sistema de alcantarillado público. 122.3 Las empresas o entidades que desarrollan actividades extractivas, productivas, de comercialización u otras que generen aguas residuales o servidas, son responsables de su tratamiento, a fin de reducir sus niveles de contaminación hasta niveles compatibles con los LMP, los ECA y otros estándares establecidos en instrumentos de gestión ambiental, de conformidad con lo establecido en las normas legales vigentes. El manejo de las aguas residuales o servidas de origen industrial puede ser efectuado directamente por el generador, a través de terceros debidamente autorizados a o a través de las entidades responsables de los servicios de saneamiento, con sujeción al marco legal vigente sobre la materia. 6. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL Demostrar cualitativamente que a partir del metabolismo de bacterias se puede obtener energía sostenible.
OBJETIVOS SECUNDARIOS
Encontrar una nueva forma de tratamiento de aguas residuales basado en la degradación de materia orgánica a menor escala y menor costo que una planta de tratamiento.
Identificar las bacterias presentes en aguas residuales domésticas que se vierten en la planta de tratamiento CITRAR-UNI y relacionarlas con su capacidad productora de electrones en su metabolismo.
7. METODOLOGÍA La metodología a utilizar se basa en 2 procesos, que son los pilares de nuestro proyecto.
Proceso físico En esta parte de la metodología, lo que se realizará es el diseño y la creación de todo el sistema que se utilizará. Para ello se comenzará con el diseñar la arquitectura que se va a utilizar, esta función se delegará a dos integrantes quienes trabajarán en el ambiente de una casa de uno de nuestros compañeros. Posteriormente se ensamblarán las piezas: Cámara anódica, cámara catódica, puente salino, conexión con la cámara de oxígeno, puesta de los electrodos, y el circuito externo. De esta unción serán encargados tres integrantes.
Proceso biológico En este proceso, se realizará la identificación de las bacterias que están presentes en las aguas residuales (AR). Para ello se tomaría una muestra de la planta de tratamiento CITRAR-UNI, para analizarla en el laboratorio. La toma de muestra debe ser muy delicada, tratando de evitar en lo posible el contacto con otros ambientes microbianos, como el aire. La muestra -puesta en un cooler- se llevará al laboratorio. En el laboratorio se realizará primero, una siembra, en este caso en estría (ya con el medio preparado): Con el asa estéril tomamos la muestra y hacemos extensiones en la placa. Volvemos a esterilizar el asa de siembra y extendemos parte de la extensión anterior en otra dirección. Volvemos a esterilizar el asa de siembra y volvemos a extender parte de la segunda extensión en otra dirección. Esterilizamos y repetimos la operación. Incubamos a 37 º durante 24 horas y, en la primera zona, ha brá un amasijo de células. En la segunda, parte de la primera zona estará mejor extendida, y en la tercera y en la 4ª mejor aún. Luego se procederá a la lectura de las colonias utilizando las técnicas de coloración y microscopía. De todo este proceso biológico estarán encargados tres integrantes. Al final de tener toda la arquitectura de la celda y la muestra a usar, así como el combustible o sustrato, se procederá a la ejecución del sistema, para lo cual estarán presentes todos los integrantes.
8. RECURSOS Este proyecto se realizará con los siguientes recursos: Humanos
Para realizar este proyecto se dispone de personas adecuadas y capacitadas Alumnos: Córdova Colonia, Keate Garcés Villegas, Vladimir Montalvo Rimari, Alexander Inga Yarasca, Alex Núñez Román, Renzo Vidal Vega, Diana
Profesor asesor: Mg. Alejandro Mendoza Rojas
Logísticos
Se utilizará el ambiente del laboratorio de Microbiología como lugar de trabajo y los materiales a utilizar se especificarán en el acápite de presupuesto.
9. PRESUPUESTO El presupuesto proyectado es el costo de todos los materiales a emplear. N° 2
Materiales Electrodos de grafito 1.5 L de agua residual doméstica de CITRAR UNI 250 g de Glucosa Agar Bomba de oxígeno
Precio S/. 70 30 -
2 2 1 1 1 1 6 1 4 1 1 1 3 -
Taper de plástico trasparente 2 L Frascos de plástico trasparente 2L Frasco de vidrio ¼ L Galonera plástica 1gl Cinta aislante de color Pistola para silicona Siliconas Cable eléctrico 3m Cocodrilos (cable eléctrico) Batería (Pila) Sal 1kg Agua destilada Foco led TOTAL
10.00 10.00 5.00 5.00 3.50 5.00 4.50 4.00 3.00 150.00
10. FINANCIAMIENTO El financiamiento de este proyecto consiste pues en la obtención de los recursos de capital en condiciones más favorables y ventajosas, que se obtendría de las instituciones y personas, los cuales servirían para costear el proyecto.
