Con el fin de satisfacer las demandas energéticas del mundo, los investigadores han centrado su atención en las MFC como una nueva alternativa energética, donde los grandes protagonistas de este sistema son los microorganismos debido al amplio potencial biotecnológico que presentan, el cual es aprovechado para la obtención de energía eléctrica renovable que genere un impacto ambiental mínimo. Las MFC existen desde 1911, fecha donde M.C. Potter evidenció por primera vez la producción de bioelectricidad por Escherichia coli utilizando este sistema. Hasta la actualidad, han sido incesantes los estudios realizados en los sistemas MFC para optimizar la producción de bioelectricidad.
“Actualmente, los MFC se han convertido en un área interesante y prometedora de investigación y futuras aplicaciones que ayudará a reducir el uso de combustibles fósiles y permitirá obtener ganancias de energía de los desechos”. Gobalakrishnan y Bhuvaneswari, 2019.
Características de un sistema MFC
Las MFC son sistemas bioelectroquímicos que utilizan microorganismos electroquímicos activos (EAM) como biocatalizadores para la producción de energía eléctrica. Estos EAM convierten la energía química almacenada en sustratos orgánicos e inorgánicos a energía eléctrica mediante reacciones biocatalíticas de oxidación y reducción.
De manera general, las MFC consisten en cámaras que contienen los electrodos de ánodo y cátodo, estas cámaras están separadas internamente por una membrana de intercambio de protones (PEM) y conectadas externamente por un cable conductor de electrones hecho de titanio que está unido a una resistencia eléctrica.
En las cámaras de ánodo y cátodo se albergan los electrodos que están constituidos por papel de carbono o grafito, cuentan con un sistema catalizador de electrones hecho de platino. Sin embargo, existe una diferencia entre la cámara de ánodo ya que contiene adicionalmente los EAM y el combustible o sustrato en comparación a la cámara de cátodo.
Principio bioelectroquímico de un sistema MFC
La forma en cómo funcionan los sistemas de MFC es similar a una batería eléctrica, con la gran diferencia que en este sistema se utiliza a los EAM para la generación de bioelectricidad. En principio, los EAM oxidan los sustratos orgánicos produciendo electrones y protones que son liberados en el ánodo de la cámara del ánodo, los electrones viajan a través del circuito externo al cátodo, mientras que los protones se conducen al cátodo a través de los electrolitos.
En la cámara del cátodo, los electrones y protones reaccionan con oxígeno para formar agua. Debido a que los EAM cuentan con un sistema de transferencia de electrones extracelulares (EET), la transferencia de sus electrodos al ánodo es inmediata, en caso no cuenten con un sistema EET, los electrones serán transportados por un mediador (compuesto químico añadido externamente).
Entonces, cuando los EAM llevan a cabo la reacción de oxidación en el ánodo, los electrones liberados por su sistema EET, viajan al cátodo a través del circuito externo, en este proceso intermedio se genera la energía eléctrica, que es captada por la resistencia que conecta ambas cámaras de los electrodos.
Tipos de sistemas MFC
Actualmente, los investigadores han aprovechado los avances en biotecnología microbiana para proponer numerosas variantes en los sistemas MFC. Uno de los sistemas más prometedores son los MFC fotosintéticos (PMFC), que utilizan microalgas como EAM debido a al metabolismo fotosintético que presentan, ya que simultáneamente pueden mitigar los efectos de gases de invernadero y producir bioelectricidad.
“Los PMFC pueden utilizar bacterias electrogénicas en el ánodo, inoculado en las aguas residuales domésticas, y la microalga Scenedesmus acutus en la cámara del biocátodo. La comunidad microbiana degrada las aguas residuales generando bioelectricidad y las microalgas utilizan el CO2 procedentes de degradación residual como fuente de carbono para la fotosíntesis y producción de oxígeno”. Angioni, S. et al., 2018.
Sin embargo, los sistemas de MFC microfluídicas, utilizan bacterias EAM que no necesitan mediadores de electrones, haciendo más rápido y fácil el transporte de estos. Además, destacan por su bajo costo de producción y microdimensionamiento para la alimentación de dispositivos médicos implantables, incursionando así de manera progresiva en el campo biomédico.
Cabe resaltar que, hoy en día los sistemas MFC ya han experimentado un importante desarrollo científico y tecnológico hasta el punto de ser comercializados. EcoVolt, es un sistema de MFC para el tratamiento de aguas residuales y recuperación de energía eléctrica comercializado por Cambrian Innovation desde el 2006. Al igual que MICROrganic Technologies, que comercializa el sistema VIVA MFC con el mismo propósito.
Perspectivas futuras
En mi opinión, las perspectivas futuras de las MFC son muchas, principalmente debido a la utilidad multifacética de estos sistemas, ya que pueden producir bioelectricidad y simultáneamente a eso tratar aguas residuales, recuperar metales pesados o preciosos, biorremediación e incluso se puede llegar a la creación de nuevos prototipos de baterías que utilicen EAM para pequeños aparatos electrónicos, teléfonos móviles o robots.
Por lo tanto, puedo inferir que, en los próximos años, el número y la variedad de estas tecnologías aumentarán, lo que justificará una mayor investigación sobre el desarrollo de MFC, ya que es una tecnología prometedora para la generación de energía sostenible y ofrece un servicio respetuoso con el medio ambiente.
También considero oportuno resaltar como las investigaciones en biotecnología microbiana han ido incursionando a lo largo del tiempo en la búsqueda microorganismos que ayuden a desarrollar nuevas técnicas para la obtención de energías renovables. Un claro ejemplo de estos avances son los ya mencionados sistemas de MFC que explotan todo el potencial biotecnológico de los EAM, debido a la gran versatilidad que tienen para adaptarse a estos sistemas.
“La corona de investigación de la tecnología MFC se está expandiendo continuamente debido a la necesidad de fuentes de energía verde alternativas”. Mathuriya, 2018.
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