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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

Proyecto i a (Celda de Combustibles Microbiana)

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la celda de combustion, biotecnologia, ESPE, QUITO, Proyecto de Biotecnologia, Quimica,

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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

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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

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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.

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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.

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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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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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ELECTRICIDAD CON SEDIMENTOS DE AGUA DEL RÍO PITA, SEDIMENTOS DE LA MONTAÑA DE AUQUI

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