UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA “Facultad de Ingeniería de r!ce"!"# “E"cuela de Ingeniería Quí$ica#
Cur"!% &icr!'i!l!gía Indu"trial Te$a% GENERACI(N DE ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD E&PLEANDO GEO)ACTER SULFURREDUCENS
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AREQUIPA1 PER2 3456
INDICE
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GENERACI(N DE ELECTRICIDAD E&PLEANDO GEO)ACTER SULFURREDUCENS
57 &ARCO TEORICO Ge!'acter Sul9urreducen" 575 Caracterí"tica" 9i"i!l!gica" Es una proteobacteria; las proteo bacterias se dividen en 5 tipos (Alfa, Beta, Gama, Delta y Epsilon). Las proteobacterias delta abarcan un rupo de !neros predominante aerobios. " un rupo de !neros estrictamente anaerobios #ue contienen la mayor parte de las bacterias reductoras de sulfato ( Desulfovibrio , Desulfobacter , Desulfococcus , Desulfonema, etc.) y de las bacterias reductoras de a$ufre, reductoras del %ierro f!rrico Geobacter. La bacteria Geobacter Sulfurreducens pertenece a la familia de las Geobacteraceae, la cual se compone por microoranismos capaces de reducir el sulfato y sulfito, as& como o'idar componentes de a$ufre y de este modo enerar electricidad. Los oranismos de la familia Geobacteraceae, son capaces de acoplar la respiracin anaerobia a la reduccin de metales en el ambiente. Entre las ventaas #ue presenta Geobacter Sulfurreducens sobre otro tipo de microoranismos encontramos*
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+ransfiere directamente electrones a electrodos Es un microoranismo #ue puede ser cultivado En condiciones de laboratorio, con un adecuado sustrato y aceptor de electrones, el tiempo de duplicacin es de 5 minutos. -eino
Bacteria
Divisin
roteobacteria
/lase
Delta
0amilia
Geobacteraceae
G!nero
Desulfuromonas
Especie
Geobacter 1ulfurreducens
Dimensiones
Lonitud* 2.3 a 2.4 m 6 Di7metro* 3 a
+emperatura ptima de
829 /
p: ptimo de crecimiento
.< a .5, aun#ue puede vivir en un p: entre =.5 a >.5
?utricin
:etertrofa
Esta bacteria puede enerar electricidad de los desec%os or7nicos y materia renovable, mediante el empleo de celdas de combustible microbiano, en adelante //@. La caracter&stica #ue m7s llama la atencin de esta bacteria es la e'istencia de unos filamentos delados llamados ili, los cuales funcionan como cables conductores de electrones. Estos biocables tienen una lonitud de 32 a <2 m y un di7metro apro'imado de 8 a 5 nm, es decir, <2 mil veces m7s delados #ue un cabello, est7n formados de una prote&na llamada pilina. 1e sabe #ue el ili contiene citocromos del tipo /, las citocromos de estas mol!culas.
Geobacter
tienen alrededor de 322 distintos
Los citocromos son prote&nas de color oscuro #ue desempeCan una funcin vital en el transporte de ener&a #u&mica en todas las c!lulas vivas. est7n incorporados en la membrana celular de las bacterias citocromo aceptan y liberan alternativamente electrones, #ue pasan a otro citocromo en una cadena de reacciones #u&micas llamada transferencia de electrones, #ue funciona con liberacin de ener&a. Esta ener&a se almacena en forma de adenos&n trifosfato (A+). /uando la c!lula necesita ener&a, la toma de sus reservas de A+.
&eta'!li"$! En particular el metabolismo celular de la especie Geobacter es #uimioorantrofo anaerobio, es decir, utili$an compuestos or7nicos como fuente de ener&a y de carbono para su crecimiento y desarrollo. El Geobacter posee una red de /itocromos tipo / multi%emo 3, 3, 35, <2, <, <5, una prote&na #ue funciona como mecanismo de transporte electrnico y vincula entre si la membrana interna, el eriplasma y la membrana e'terna, ver 0i. <, con el fin de transferir los electrones desde una sustancia #ue es o'idada a otra #ue se reduce o acepta electrones, por eemplo* la bacteria ad#uiere electrones de la materia or7nica y los cede a un in f!rrico Fe8F (forma insoluble) #ue se reduce en un in ferroso Fe
3.< Origen del $icr!!rgani"$! +iene un metabolismo %etertrofo, es decir viven de los alimentos #ue roban a anfitriones vivos (par7sitos) o de la materia or7nica muerta de todo tipo (saprfaos).
Se encuentran en hábitats acuáticos anaerobios, sedimentos de agua fresca, ambientes marinos, incluso, en el tracto gastrointestinal de animales. Estas bacterias se arupan formando una pel&cula muy delada, tambi!n llamada biofilm. Los biofilms se definen como comunidades de microoranismos #ue crecen embebidos en una matri$ de e'opolisac7ridos (carbo%idratos compleos producidos por las bacterias) y ad%eridos a una superficie inerte o un teido vivo, el crecimiento en biofilms representa la forma %abitual de crecimiento de las bacterias en la naturale$a.
.6 Itilidad del microoranismo en el trabao. 5.6 @!todos anal&ticos e instrumentacin utili$ados en el trabao (identificacin de microoranismo iJo metabolitos) =.6 Ktros m!todos utili$ados (estad&sticos, etc) .6 Descripcin del trabao. >.6 /omentario sobre los resultados del trabao (opinin sobre la forma de reali$arlo, y los resultados obtenidos) Los resultados se presentaron como un resumen de varios trabaos en Geobacter en diferentes pa&ses b7sicamente como EEII, /orea del sur, @!'ico y Arentina
En el medio de crecimiento siempre estuvieron presente el cloruro de amonio (?:/l) y el fosfato di7cido de sodio (?a:<K), encontr7ndose variaciones en el empleo de cloruro de potasio (/l) y bicarbonato de sodio (?a:/K8). Los electrodos en todos los casos fueron de carbn con tamaCos desde 3. %asta 35.> cm de laro, y 3.= a 8.> cm de anc%o. La temperatura promedio de estos estudios fue de 8 /, y el p: promedio fue de =.3. Las resistencias empleadas ten&an valores entre 322 y 222 K%ms. Los valores de /orriente encontrados oscilaron entre 2.2< mA y 2.5 mA. Los valores de Moltae oscilaron entre 2.85mM y 2.< M. Los valores de otencia se encontraron entre 885 y >>2 mNJm< A simple vista podemos ver #ue en EEII tiene el meor m!todo para produccin de ener&a a partir del uso de Geobacter aun#ue para ver cual fue el meor %ubiera sido ideal usar la misma resistencia para todos los estudios de esa manera ver&amos cual fue el medio yJo la celda con meor eficiencia. 1e %an determinado una serie de oficios donde la bacteria puede y ser7 de ran utilidad, como en*
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/eldas de /ombustible
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+ratamiento de auas residuales
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Biorremediacin
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Biosensores
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roduccin de %idreno
>.3 /eldas de combustible 1e piensa usar en viaes espaciales por eemplo el taller de procesamiento de residuos y recuperacin de recursos (Naste rocessin and -esource -ecovery NorOs%op) estim #ue una tripulacin de seis astronautas producir&a, siuiendo una dieta baa en %idratos de carbono, 32,55 Oiloramos de residuos or7nicos al d&a durante un viae a @arte, ante esta cantidad 1ilver calcula #ue se podr&a producir cerca de 3 ON de potencia constante en una //@. La ?A1A %a estimado #ue los sistemas de soporte vital en una nave de este tipo precisar&an apro'imadamente 3 ON por persona durante un viae a @arte. El di'ido de carbono producido por la o'idacin bacteriana de los residuos or7nicos podr&a utili$arse para cultivar alas en c7maras aisladas, obteniendo o'&eno molecular como subproducto. Las alas podr&an usarse tambi!n para alimentar la c!lula de combustible, produciendo m7s electricidad. >.< +ratamiento de auas residuales Las
Geobacter
pueden atacar casi cual#uier contaminante de las auas residuales y
descomponerlo al 42 por ciento, y a la ve$ recuperar casi todos los electrones. El obetivo es descontaminar las auas residuales y enerar ener&a el!ctrica limpia. >.8 Biorremediacion 1e usa la biorremediacin para el tratamiento de auas residuales, para descontaminar el aire o el aua, tambi!n para limpie$a de suelos #ue %ayan recibido contaminantes como %idrocarburos, procedentes sobre todo del petrleo. Asimismo se trata de eliminar o neutrali$ar los metales pesados e incluso residuos nucleares. >. Biosensores El par7metro #ue sirve de medicin es la electricidad enerada por los microoranismos. or este motivo, el e#uipo inmovili$a el cultivo de bacterias sobre la membrana de un electrodo #ue permite censar su actividad biolica.
P1i las bacterias respiran m7s de lo %abitual, eso podr&a indicar la presencia de una mayor acumulacin de nutrientes, es decir es posible #ue e'ista contaminacin or7nica o cloacal.P >.5 roduccin de %idroeno Empleando bacterias del enero Geobacter y sustancias or7nicas como lucosa, vinare y celulosa entre otros compuestos, adem7s de introducir una pe#ueCa corriente el!ctrica desde el e'terior del sistema. Las bacterias situadas en el electrodo positivo de la //@ c7mara rompen las mol!culas or7nicas produciendo protones y electrones. Los protones se difunden %acia el electrodo neativo de la seunda c7mara a trav!s de la membrana, mientras #ue los electrones viaan por fuera a trav!s un cable de un electrodo a otro ayudados por una fuente de voltae e'terna. Ina ve$ se recombinan en la seunda c7mara, se desprende el %idreno aseoso
/onclusiones •
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El género Geobacter tiene características que se pueden controlar fácilmente en celdas de combustible microbiana para su crecimiento, desarrollo y producción de electricidad, por lo tanto si se puede controlar la producción de bacterias controlamos la fuente energética, lo que nos permite evitar el uso de combustibles fósiles y nucleares y sus consecuencias en los aspectos ambientales y sociales. na tecnología basada en bacterias puede generar electricidad, depurar aguas residuales y a la ve! producir hidrogeno lo que la hace bastante atractiva para tratamientos de biorremediación in situ, generación de energía eléctrica y combustibles. "demás esta tecnología es autóctona, no produce dió#ido de carbono, no afecta directamente al ser humano y lo más importante la fuente primaria son por lo general desperdicios orgánicos producidos por los seres vivos, que habitualmente solo alteran el medio ambiente.
