Electricidad a partir de aguas residuales: científicos rusos harán que los microbios generen energía

Las celdas de combustible microbiano (CCM) producen electricidad mediante la oxidación de sustancias orgánicas con microorganismos especiales. Las capacidades de estos dispositivos han crecido considerablemente, y los científicos creen que su híbrido con los sistemas de tratamiento de aguas residuales es una fuente prometedora de energía verde.

Expertos de las principales universidades rusas contaron a Sputnik sobre la importancia de la energía microbiana y sus logros en este ámbito.

Algunos microorganismos son capaces de alimentarse en un ambiente desoxigenado debido a la oxidación de la materia orgánica, liberando electrones al entorno exterior.

A principios del siglo XX, los científicos trataron de utilizar los exoelectrógenos para producir electricidad, pero hasta hace poco, el rendimiento de las CCM seguía siendo escaso. Para el funcionamiento de la batería microbiana se pueden utilizar varios productos orgánicos, incluidas las aguas residuales o los desechos de la producción. 

Según los científicos, es muy difícil encontrar la configuración óptima de las CCM. Esta tarea requiere hacer simulaciones matemáticas teniendo en cuenta el material del electrodo, la concentración y la velocidad de aportación del sustrato orgánico, el pH del entorno, la geometría del sistema y otros factores.

"Hemos creado un modelo de CCM complejo que supera a sus análogos porque tiene una mejor pormenorización que también tiene en cuenta el crecimiento de la población microbiana, las tasas de consumo y formación de materia orgánica oxidable, la electromigración de protones entre electrodos, la difusión de componentes orgánicos y la cinética de las reacciones electroquímicas. Utilizando este modelo, calculamos nuevas reglas fundamentales del sistema y optimizamos una de las características clave: la concentración del sustrato orgánico", dijo a Sputnik Violetta Vasilenko, docente de la Universidad Mendeléyev de Tecnología Química de Rusia.

Como sustrato en las baterías se utilizó una solución de glucosa en una mezcla de sales, mientras que los lodos activados, utilizados para el tratamiento de aguas residuales, fueron la fuente de microorganismos. Los resultados del estudio de los científicos de la Universidad Mendeléyev de Tecnología Química de Rusia se publicaron en la revista Energies.

Basándose en los resultados de los experimentos, los científicos precisaron los valores de los parámetros numéricos establecidos en el modelo y luego, con la ayuda del modelo, calcularon la concentración óptima de glucosa en la solución nutritiva. Según los expertos, otros parámetros clave de las CCM pueden ser optimizados mediante el modelo propuesto de manera similar.

El investigador principal de la Facultad de Química de la Universidad Estatal M.V. Lomonósov de Moscú, Anatoliy Antipov, explicó que al aumentar constantemente el consumo de electricidad, también crece la demanda de varios generadores eléctricos basados en materias primas orgánicas renovables.

"El funcionamiento de las CCM está determinado por un conjunto de factores complejos, que van desde las características de la evolución del entorno bacteriano hasta la cinética de las reacciones de electrodos que se están realizando. Por eso resulta que la optimización experimental de las CCM muy a menudo se convierte en una tarea extremadamente laboriosa. El modelo creado por colegas de la Universidad de Tecnología Química de Rusia permite seleccionar parámetros clave basados en pronósticos matemáticos, reduciendo considerablemente la cantidad de trabajo durante los experimentos", dijo Anatoli Antípov.

El estudio fue llevado a cabo por los empleados del Departamento de Tecnologías Informáticas y el Departamento de Biotecnología de la Universidad Dmitri Mendeléyev de Tecnología Química de Rusia, junto con los investigadores del Instituto Frumkin de Química Física y Electroquímica de la Academia de Ciencias de Rusia y la Universidad de Génova (Italia). En el futuro, los científicos de la Universidad de Tecnología Química de Rusia planean utilizar el nuevo modelo para desarrollar un sistema híbrido para depurar aguas residuales y generar electricidad al mismo tiempo.

La Universidad Dmitri Mendeléyev es un plantel de referencia para la industria química rusa y el líder entre las universidades químicas y técnicas. El trabajo de la universidad se centra tanto en el desarrollo de nuevas tecnologías como en su aplicación en la industria. Cuarenta departamentos y veinte laboratorios se encargan de las investigaciones avanzadas y la formación de jóvenes profesionales. La universidad realiza la producción experimental y dispone de un parque científico y un centro de innovación tecnológica.