Proyecto i a (Celda de Combustibles Microbiana)
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INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA
PERFIL DEL PROYECTO INTEGRADOR IA
TERCER NIVEL
ELABORACIÓN DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS PARA LA
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO
PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI DE MONJAS PROVINCIA DE
PICHINCHA Y EL USO DE DIFERENTES COMPUESTOS ORGÁNICOS.
GRUPO DEL PROYECTO
David Bolaños
Luis Domínguez
Elio López
Gabriel Zambrano
Sangolquí, 24 de marzo del 2015
Tabla de contenido
1. Título del proyecto......................................................................................................3
2. Definición y Justificación del Problema........................................................................3
3. Objeto de estudio........................................................................................................4
4. Campo de actuación....................................................................................................4
5. Sistema de objetivos....................................................................................................4
Objetivo general.....................................................................................................................4
Objetivos específicos...............................................................................................................4
6. Hipótesis.....................................................................................................................5
7. Marco Teórico.............................................................................................................5
Composición del suelo............................................................................................................6
Minerales................................................................................................................................6
Aire y Agua.............................................................................................................................6
Materia Orgánica....................................................................................................................6
8. Metodología..............................................................................................................10
Recolección de muestras.......................................................................................................10
Construcción de la celda de combustible microbiana.............................................................10
Preparación de compuestos orgánicos..................................................................................11
Pruebas y recolección de datos..............................................................................................12
Análisis de datos...................................................................................................................13
9. Resultados esperados................................................................................................13
10. Viabilidad................................................................................................................14
11. Diagrama de Gantt...................................................................................................17
12. Bibliografía..............................................................................................................20
1. Título del proyecto
Elaboración de celdas de combustible microbianas para la producción de
electricidad con sedimentos de agua del rio Pita, sedimentos de la montaña de
Auqui de Monjas provincia de Pichincha y el uso de diferentes compuestos
orgánicos.
2. Definición y Justificación del Problema
En la actualidad la mayoría de nuestras actividades están relacionadas con la
tecnología, esta funciona principalmente con electricidad; por lo que somos
dependientes de ella. Por este motivo existe un creciente interés en la
investigación de nuevas formas de obtener energía renovable, limpia y no
contaminante.
Un claro ejemplo de esta dependencia es el uso de pilas y baterías que utilizan
energía química para producir electricidad y las cuales utilizamos en aparatos tan
comunes como un reloj, celulares, computadoras portátiles, juguetes, entre otros.
Cuando dejan de ser útiles normalmente no se las desecha de la forma correcta
por lo que producen contaminación, afectando al suelo y agua de nuestro planeta.
En la actualidad el desarrollo de nuevas energías alternativas ha tomado un gran
impulso, buscando mejorar el rendimiento de las mismas para poder aplicarlas a
gran escala, utilizando recursos de fácil acceso como los desechos orgánicos;
además son amigables con el medio ambiente contribuyendo a su conservación.
Las celdas de combustible microbianas son una nueva alternativa a la solución de
este problema, aprovechando la presencia de microorganismos capaces de
generar electricidad por su metabolismo. Su estudio ha tomado gran interés para
poder aplicar esta energía produciendo un beneficio significativo para la
producción de electricidad.
ELABORACIÓN DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI DE MONJAS
PROVINCIA DE PICHINCHA Y EL USO DE DIFERENTES COMPUESTOS ORGÁNICOS.
3PROYECTO INTEGRADOR IA
3. Objeto de estudio
El siguiente proyecto tiene como objeto de estudio la producción de energía
eléctrica mediante el uso de diferentes compuestos orgánicos en una celda de
combustible microbiana.
4. Campo de actuación
LÍNEA: Energía
SUBLÍNEA: Energías renovables
5. Sistema de objetivos
Objetivo general
Elaborar celdas de combustible microbianas con un diseño práctico y
eficiente con sedimentos de agua del río Pita, sedimentos de la montaña de
Auqui de Monjas de la provincia de Pichincha para la producción de energía
eléctrica.
Objetivos específicos
Realizar dos prototipos de celda de combustible microbiano para
comparar y seleccionar el más eficiente.
Recolectar sedimentos de agua con las características adecuadas para
que la celda de combustible microbiana funcione.
Utilizar diferentes compuestos orgánicos en la celda de combustible
microbiano.
ELABORACIÓN DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI DE MONJAS
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4PROYECTO INTEGRADOR IA
Comparar la cantidad de energía eléctrica producida en la celda de
combustible microbiano con cada compuesto orgánico.
6. Hipótesis
La producción de electricidad en una celda de combustible microbiana varía representativamente con el uso de diferentes compuestos orgánicos
Variable independiente Uso de diferentes compuestos orgánicos
AcetatoGlucosaSolución de materia orgánica
Variable dependiente Producción de electricidad
7. Marco Teórico
Los suelos se consideran como sistemas biogeoquímicos, multicomponentes y
abiertos, sometidos a los flujos de masa y energía con la atmósfera, la biósfera y
la hidrósfera, su composición es altamente variable. Siendo este un sistema
dinámico de 3 componentes: partículas minerales, detritos y organismos que se
alimentan de estos (TULAS)
En el suelo existe una gran cantidad de microorganismos tales como: bacterias, hongos,
algas y protozoos, dichos microorganismos pueden actuar de manera beneficiosa en la
recuperación de los suelos.
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CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI DE MONJAS
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5PROYECTO INTEGRADOR IA
Composición del suelo
Fuente: 1 Modificado de Cepeda Juan, Química de Suelos, 1991
Minerales
Al ocupar el 45% en la composición del suelo es el principal componente
estructural, entre los minerales predomina el dióxido de silicio (SiO2), en menor
cantidad están presentes el Aluminio (Al) y el Hierro (Fe), y aún en menor cuantía
el Calcio (Ca), Magnesio (Mg), Potasio (K), Titanio (Ti), Manganeso (Mn),
Nitrógeno (N), Asufre (S), Sodio (Na) y Fósforo (P). (M, 1991)
Aire y Agua
El agua y Aire constituyen el volumen de los poros del suelo y varían
considerablemente dependiendo de la húmedad de este.
Materia Orgánica
Con el 5% en la composición del suelo, la materia orgánica proviene de residuos
animales, residuos vegetales y productos del metabolismo microbiano llamado
Humus, gracias al humus en donde se encuentra gran número de
microorganismos se logra establecer una vía para la recuperación de suelos
contaminados y ciertos usos biológicos.
Una celda de combustible microbiana utiliza la energía química de un compuesto
para producir energía eléctrica mediante la acción bacteriana. Las bacterias del
género Geobater son las más utilizadas para este fin.
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Las bacterias Geobacter están presentes en sedimentos de agua dulce,
sedimentos marinos anóxicos, sedimentos de sal de pantano, ambientes
subterráneos y acuíferos, y todos estos tienen como características principales la
presencia de nitratos y sulfatos, y son lugares con ausencia de oxígeno puro.
(Romero, Vásquez, & Gonzáles, 2012).
El doctor Derek Lovley y un equipo de investigadores de la Universidad de
Massachusetts Amherst descubrieron la Geobacter en 1978 en el sedimento de
agua dulce del río Potomac en Washington D.C, y se les asignó el nombre de
Geobacter metillireducens. Se las asociaron con la capacidad de producir
magnetita en ambientes sedimentarios terrestres en primer lugar, posteriormente
se descubrió su capacidad de respirar uranio nocivo para el medio ambiente y
convertirlo en un elemento neutro, biodegradación de compuesto aromáticos del
petróleo y la capacidad de generar electricidad utilizando materia orgánica.
(Vásquez, 2007)
Para construir celdas de combustible microbianas se pueden usar diferentes
grupos de bacterias pero el género Geobacter son los más empleados debido a su
mayor eficiencia por la presencia de nano cables microbianos y por un gran
número se citocromos y proteínas especializadas que existen en su superficie
facilitando así la transferencia de electrones. (Juárez, 2014)
Las bacterias del genero Geobacter están dentro del grupo Deltaproteobacteria de
la familia Geobacteraceae, son Gram-negativas, en general con forma recta o
curvada ligeramente con un tamaño de 1.2 a 2.0 um de longitud y de 0.5 a 0.6 um
de diámetro, y en general poseen dos tipos de apéndices celulares: Flagelos, los
cuales permiten el desplazamiento de la bacteria en su hábitat, pudiendo ser 2 y
son imprescindibles en la búsqueda de hierro III y metales, además buscar otra
partícula sólida cuando se acaba el óxido respirable. El otro tipo de apéndice son
los Pili que son estructuras eléctricamente conductoras de proteínas,
encargándose de transmitir electrones desde la superficie externa de la bacteria
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hasta materiales que se logran reducir; y existen entre 100 y 1000 de estas
estructuras por cada bacteria. (Romero, Vásquez, & Gonzáles, 2012)
Esta clase de bacterias están presentes en sedimentos de agua dulce, marinos
anóxicos, de sal de pantano, ambientes subterráneos y acuíferos, con
características similares como la presencia de sulfatos y nitratos pero
principalmente son lugares que no tienen oxígeno puro. (Bond & Lovley, 2003)
El crecimiento y reproducción del género Geobacter ocurre a medida que los
nutrientes son procesados e incorporados como nuevo material de célula. El
proceso reproductivo de esta bacteria es fisión binaria, donde las células
individuales se duplican a una tasa característica. El tiempo que requiere una
célula de Geobacter en duplicarse es aproximadamente 19±3.6 h en laboratorio. El
crecimiento de esta población se compone de una serie de fases. En la primera
etapa (fase lag) las células se ajustan a su nuevo ambiente. En la segunda etapa
se entra a la fase exponencial, en la cual la población se duplica a intervalos
regulares, este es el período de más rápido crecimiento bajo condiciones óptimas
de pH y temperatura. Cuando el número de células que son producidas es igual al
número de células que mueren, se establece un equilibrio dinámico en el cual el
crecimiento bacteriano se detiene, esta etapa se denomina fase estacionaria y se
debe a un agotamiento de algún nutriente. La fase de muerte o declinación se
alcanza cuando la tasa de destrucción supera la tasa de crecimiento. (Romero,
Vásquez, & Gonzáles, 2012)
Existen dos tipos de celdas de combustible microbianas, las primeras utilizan
cultivos aislados en dispositivos controlados en laboratorio y las otras son las
celdas microbianas de sedimento, estas ocupan materia orgánica disponible de
fondos acuáticos (marinos y de agua dulce) para producir electricidad, además ya
se utilizan en varios sitios como aporte de energía para que dispositivos de
monitoreo marinos funcionen teniendo como ventaja que no requieren de
mantenimiento y duran varios años, y esto propone que se podría utilizar esta
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energía en lugares remotos donde no se puede emplear celdas solares. (Juárez,
2014)
Las pilas de combustible microbianas son la principal herramienta de la
bioelectrogénesis, utilizando microorganismos electrogénicos para generar
corriente eléctrica por su metabolismo oxidativo, generado gracias a la capacidad
de respirar un electrodo polarizado constituido de grafito o también de otros
materiales como oro por parte de estos microorganismos. (Borjas, 2012)
Una celda de combustible es un reactor bio-electroquímico capaz de convertir la
energía química en energía eléctrica a través de reacciones químicas catalizadas
por el Geobacter en condiciones anóxicas, ausencia de oxígeno puro (O¿¿2)¿,
pero con presencia de sustancias tales como nitratos o sulfatos como agentes de
oxidación cuando se descompone la materia orgánica. La celda de combustible
microbiano o MFC por sus siglas en inglés consiste básicamente en dos
compartimentos, anódico y catódico, que están separados por una membrana
permeable de intercambio de protones. El compartimiento anódico se debe
conservar en condiciones anaeróbicas donde una biopelícula del Geobacter
sobrepuesto en el ánodo oxida la materia orgánica y genera dióxido de carbono,
protones y electrones. Los electrones viajan a través de una resistencia que
conecta el ánodo y el cátodo, originando una pequeña corriente que puede ser
medida y utilizada para realizar trabajo. Los protones son transferidos por medio
de la membrana permeable al compartimiento catódico que se encuentra
normalmente en condiciones aeróbicas, en esta cámara se combinan los protones,
los electrones y el oxígeno con el fin de generar agua. La transferencia de
electrones sobre el electrodo es directa, no necesita de un agente oxidante gracias
a los Pili, que se adhieren a los electrodos y permiten que los electrones se
transfieran desde la materia orgánica hasta el ánodo directamente. (Huitzil, 2010)
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8. Metodología
Recolección de muestras
La recolección de muestras con estas características se realizará en el río Pita,
además de sedimentos de la montaña de Auqui de Monjas de la provincia de
Pichincha debido a que estos lugares presentan las características deseadas para
obtener muestras con la presencia de bacterias Geobacter las cuales son las más
utilizadas y las que generan mayor cantidad de electricidad.
Se recolectarán 6 muestras de 750 cm3 de cada lugar para realizar seis celdas de
combustible microbianas de las cuales 3 se harán con un prototipo con minas de
lápiz como electrodos y 3 con otro prototipo que tiene láminas de cobre como
electrodos, para poder comparar entre los prototipos elaborados y los compuestos
orgánicos utilizados.
Construcción de la celda de combustible microbiana
La celda de combustible microbiana se compone de dos cámaras, una de las
cuales es aeróbica y la otra anaeróbica. En la cámara anaeróbica deben estar
presentes sustratos orgánicos que son oxidados por la acción de los
microorganismos, generando electrones, protones y dióxido de carbono (CO2). Se
colocará un electrodo en cada una de las cámaras (ánodo en cámara anaeróbica y
cátodo en cámara aeróbica) y estos se encuentran conectados entre sí para
formar un circuito y permitir el paso de electrones que se produce por la acción de
las bacterias dentro del cátodo con la materia orgánica. (Scielo, 2013)
Con cada muestra se construirá una pila de combustible microbiana utilizando 2
frascos, dentro del primero se colocara el ánodo junto con el barro y la materia
orgánica a descomponer, mientras que en el otro se coloca el cátodo y agua.
El ánodo y cátodo varían para cada prototipo a elaborar: para el primer prototipo
se utilizarán minas de lápiz en reemplazo de las minas de grafito las cuales son
las más utilizadas en la construcción de celdas de combustible microbianas. En el
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segundo prototipo se utilizara láminas de cobre y serán moldeadas para formar los
electrodos necesarios para recolectar los electrones que generan las bacterias por
la descomposición de materia orgánica.
Los electrodos se unirán con cables conductores a una resistencia, en nuestro
caso será un voltímetro para poder comprobar el voltaje que se produce en cada
celda y anotar todos los datos para realizar el análisis respectivo.
Además entre los dos frascos se colocará un puente salino para mantener la
neutralidad en los frascos evitando la acumulación de carga en ellos y permitiendo
el flujo de electrones. El mismo estará elaborado con papel filtro embebido en
cloruro de sodio (NaCl) el cual es un electrolito inerte, envuelto con cinta aislante y
conectado en los frascos por orificios realizados en los costados y sellados
correctamente.
Prototipo 1 Prototipo 2
Preparación de compuestos orgánicos
Las bacterias del género Geobacter utiliza compuestos orgánicos para obtener
electrones por medio de su metabolismo y transfiere una gran cantidad de ellos al
electrodo por los “Pili” considerados como nano cables que están conectados con
el electrodo, por lo tanto compuestos como el acetato, glucosa y soluciones con
alto contenido de materia orgánica como residuos vegetales; estos pueden ser los
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adecuados para utilizar en la celda de combustible microbiana. (Romero, Vásquez,
& Gonzáles, 2012)
Para observar la diferencia en la producción de energía eléctrica por el uso de un
compuesto orgánico específico se utilizará vinagre para controlar la cantidad de
voltaje que se produce debido a la presencia de ácido acético, el cual se
encuentra en una concentración de 5% y es el que se utiliza normalmente en la
cocina de nuestros hogares. También se utiliza glucosa la cual se encuentra
libremente en la miel de abeja, además se debe tener en cuenta que existen
cantidades menores de fructosa y sacarosa; se prepara una solución con la miel
de abeja para poder alcanzar una concentración del 5% (7,5 g de miel en 100ml
de agua) y asi comparar los diferentes compuestos orgánicos en las mismas
condiciones. Además se utilizará materia orgánica en descomposición para el
tercer compuesto orgánico a comparar utilizando residuos de vegetales y frutas
como la cascara de guineo y hojas de verduras para realizar una solución con la
misma concentración de los demás compuestos utilizados.
Pruebas y recolección de datos
Se realizará la medición del voltaje de cada celda de combustible microbiana,
posteriormente se colocará cada compuesto orgánico en la cámara anaeróbica
donde están presentes las bacterias para que por medio de su metabolismo
transfieran los electrones a través de los electrodos y poder controlar el voltaje
producido, inmediatamente después de colocar en el sistema; en las próximas 2
horas cada 30 minutos se medirá el voltaje obteniendo 6 valores en total a ser
registrados para cada celda, este proceso se realizará diariamente durante una
semana, con esto poder comparar como afecta los diferentes sustratos, el tiempo
que está disponible el compuesto en la celda de combustible microbiana y la
cantidad de energía eléctrica que se produce en cada caso.
La experimentación con cada compuesto orgánico se realizará durante una
semana (7 días) utilizando los 2 prototipos de celdas combustible microbiana
manteniéndolos en las mismas condiciones ambientales de temperatura; una vez
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finalizada la semana se realizará el mismo proceso con el siguiente compuesto
orgánico registrando todos los datos obtenidos en la tabla respectiva para su
posterior análisis estadístico.
Análisis de datos
Todos los datos recolectados en las tablas se ingresarán al programa de
estadística R para poder realizar un análisis estadístico completo y comparar el
voltaje producido en cada uno de los casos; conocer cómo influye el uso de cada
uno de los compuestos orgánicos en la eficiencia de la celda, presentar los datos
para su análisis y obtención de conclusiones.
9. Resultados esperados
Producir impulsos eléctricos mediante diferentes compuestos orgánicos
con sedimentos de agua del río Pita, sedimentos de la montaña de Auqui
de Monjas de la provincia de Pichincha en una celda de combustible
microbiana.
Generar una alternativa de producción de energía eléctrica renovable.
Determinar cuál es el mejor prototipo para la elaboración de una celda de
combustible microbiana.
Seleccionar el compuesto orgánico que influye en la mayor producción de
voltaje en la celda de combustible microbiana.
10. Viabilidad
Técnica: disponemos de los materiales necesarios para realizar la
investigación así como también el campo del cual del recogerán las
muestras.
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Humana: el grupo de estudiantes es el responsable de llevar a cabo los
procesos necesarios para la investigación contando con el apoyo y
dirección de los docentes pertinentes.
Financiera: los gastos financieros requeridos serán solventados por el
grupo de estudiante conjuntamente con el apoyo de la Universidad de las
Fuerzas Armadas ´´ESPE´´ y sus instalaciones.
Ambiental: al trabajar con materiales de desecho y muestras de suelo, no
se producirá un impacto ambiental fuerte en ningún sentido, lo que se
pretende con esta investigación es proporcionar fuentes energéticas
renovables y limpias.
Financiera:
MATERIALES PRECIO UNITARIO
PRECIO TOTAL
Sustrato (reciclado) USD 0 USD 0
12 Frascos de 1L USD 5 USD 60
10 m Cables conductores
USD 0.30 USD 3
Voltímetro USD 50 USD 50
Papel filtro USD 3 USD 3
12 Láminas de cobre USD 2 USD 24
12 Minas de lápiz USD 1 USD 12
Vinagre USD 0.70 USD 0.70
Miel USD 2.50 USD 2.50
TOTAL USD 155.2
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11. Diagrama de Gantt
Orden
Meses-semanas
ResponsablesNoviembre
Diciembre
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio
1Determinación y aprobación
del temax X
investigadores
2Elaboración de
objetivos e hipótesis
X
3Elaboración del perfil del
proyectox x X
4Recopilación
de información bibliográfica
x x x x
5
Localización del lugar de
donde conseguir
sedimentos con
características desaedas.
x x X
6
Elaboración de los primeros
prototipos con 1 muestra
x x
7
Obtención y recolección
de todas las muestras
x x x x x
8
Elaboración de las celdas de combustible microbianas
x x x
9
Preparación de los
diferentes compuestos
x x
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12. Bibliografía
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Vásquez, S. (6 de Diciembre de 2007). El faro. From Bacterias generadoras de
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Buitrón, G., & Pérez, J. (2011). PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN
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ELABORACIÓN DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS PARA LA PRODUCCIÓN DE
ELECTRICIDAD CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI
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18PROYECTO INTEGRADOR IA
EFECTO DE LA DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS. Revista Especializada en
Ciencias Químico-Biológicas , 5-11.
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TULAS. Norma de calidad ambiental del recurso suelos y criterios de
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ELECTRICIDAD CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI
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