Bioconversión de Residuos Sólidos Orgánicos con Suelos de la región Amazónica y Alto Andina del Ecuador en Celdas de Combustible Microbiano de Cámara Simple

 

Bioconversion of Organic solid Wastes with Soils from the Amazonian and High Andean Regions of Ecuador in Single Chamber Microbial Fuel Cells

 

Washington N. Logroño⁽¹⁾, Magdy M. Echeverría⁽¹⁾, Celso G. Recalde⁽¹⁾ y Pietro Graziani⁽²⁾

(1)    Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Grupo de Energías Alternativas y Ambiente, Panamericana Sur Km 1 1/2, Riobamba - Ecuador (e-mail: vintilog@gmail.com, echeverriamagdy@yahoo.com, crecalde672000@yahoo.com)

(2)    ONG ACRA, Via del Lazzaretto 31,20100 Milan - Italia. (e-mail: pietrogra@yahoo.it)

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Resumen

Se monitoreó la generación de electricidad de bacterias electrogénicas en celdas de combustibles microbianas de cámara simple (CCMs), usando electrodos de fibra de carbono, con dos inóculos. El primer inóculo se preparó -con suelo no intervenido y residuos sólidos orgánicos de la región amazónica de Ecuador y el segundo con suelo no intervenido y residuos sólidos orgánicos de la región alto andina de Ecuador. Se monitoreó el proceso durante 171 días sin renovación del combustible microbiano. Se emplearon CCMs con volúmenes de 20 L, 12 L y 4 L, observándose la influencia en el voltaje de salida. El mejor experimento con suelo de la región alto andina fueron las CCMs de 12 L con una generación promedio de 317 mV, mientras que con suelo de la región amazónica fueron las CCMs de 4 L, generando 270 mV.

Palabras clave: celda de combustible microbiano, bioelectricidad, residuos sólidos orgánicos, bacterias electrogénicas, bioconversión

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Abstract

Bioelectricity generation from electrogenic bacteria in single chamber microbial fuel cells (MFCs) was monitored. Carbon fiber as electrodes and two different inoculums were used. The first inoculum was prepared with undisturbed soil and organic solid wastes from the Amazonian region in Ecuador. The second was prepared using undisturbed soil and organic solid wastes from the high Andean region in Ecuador. The process was monitored during 171 days without renovation of microbial fuel. In this work, MFCs with volumes of 20 L, 12 L and 4 L were employed, observing the influence on the output voltage. The best experiment with soil from the high Andean region were the MFCs of 12 L with 317 mV as average generation, while the experiment with soil from the Amazonian region were the MFCs of 4 L, producing 270 mV.

Keywords: microbial fuel cell, bioelectrity, organic solid waste, electrogenic bacteria, bioconversion

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INTRODUCCIÓN

El problema energético global promueve el desarrollo de nuevas tecnologías para reutilizar residuos de origen orgánico y generar energía. Las celdas de combustibles microbianas (CCMs) utilizan microorganismos electrogénicamente activos (Logan, 2009), oxidan metabólicamente compuestos orgánicos en la cámara anódica (CA), liberan electrones que son transferidos al ánodo y mediante un circuito externo al cátodo, los protones producidos en la CA se difunden a través de una membrana de intercambio de protones (MIP) hacia la cámara catódica (CC) donde reaccionan con el oxígeno atmosférico formando H2O (Cheng et al., 2006). La mayoría de investigaciones con CCMs se han desarrollado a escala de laboratorio bajo condiciones controladas mejorando el diseño de las CCMs, tipos de inóculos y materiales del electrodo (Cusick et al., 2011). Recalde et al. (2013) describen el comportamiento de organismos unicelulares estimulados con campos magnéticos en el tratamiento de residuos sólidos orgánicos en campo. Existen dos configuraciones de CCMs: las de cámara doble empleadas para sustratos líquidos (Feng et al., 2013), y, las de cámara simple (Santoro et al., 2013) que son de fácil instalación, los electrodos ánodo y cátodo pueden estar separados por el mismo suelo, el cátodo está expuesto al aire atmosférico evitando el suministro externo mediante aireadores y permiten trabajar con sustratos sólidos, por ejemplo: sedimentos de río o de mar, lodos activados, suelo natural y residuos sólidos orgánicos entre otros.

El interés por las CCMs ha crecido, buscando reducir los costos como medio sostenible para la producción de energía (Rashid et al., 2013). Las CCMs reutilizan componentes orgánicos como proteínas (Lu et al., 2009) y carbohidratos (Ghasemi et al., 2010); además, las CCMs emplean lodos activados y biomasa (Rashid et al., 2013). Los factores como la configuración del bioreactor, material y área del electrodo, distancia entre electrodos, tipo de MIP, temperatura, entre otros, pueden afectar el desempeño de las CCMs (Behera y Ghangrekar, 2009), adicionalmente a esto se ha encontrado evidencia de que el material catódico puede limitar la aplicación práctica de las CCMs (Cheng y Wu, 2013).

Se puede obtener biocombustibles y subproductos a partir de residuos sólidos orgánicos, donde la glucosa es la fuente principal de carbono (Alzate et al., 2008). Sustratos como la glucosa y almidón son fácilmente oxidables para producir bioelectricidad, no así la celulosa (Mathuriya y Sharma, 2009). La tasa de carga del sustrato influye en la generación de bioelectricidad (Mohan et al., 2007). La eficiencia de las CCMs para generar bioelectricidad entre otros factores, depende del sustrato (Lovley, 2008) y para definirlo se debe considerar el costo y su concentración (Revelo et al., 2013). El tipo de inóculo en las CCMs puede provenir de lodos activados (Rashid et al., 2013), aguas residuales domésticas (Stams et al., 2006), aguas residuales industriales (Prasad et al., 2006), sedimentos marinos (Mohan et al., 2008) o sedimentos acuáticos (Lin et al., 2013). En sistemas CCMs de acuerdo a Jiang et al. (2013) los cultivos microbianos mixtos son más estables para la generación de bioelectricidad; en experimentos con CCMs configuradas con suelo natural se ha registrado 50.4% Proteobacteria, 25.1% Firmicutes, y 24.5% Actinobacteria; mientras que en CCMs configuradas con fertilizante orgánico (compost) se identificó 100% de especies dominantes y Proteobacteria (Mocali et al., 2013). No se han encontrado trabajos que estudien los procesos electrogénicos con diversidad microbiológica del suelo alto andino o amazónico del Ecuador. El objetivo de este estudio fue determinar la influencia de los volúmenes de las CCMs de 20 L, 12 L y 4 L sobre la producción de bioelectricidad, las mismas que contenían una mezcla de residuos sólidos orgánicos y suelo no intervenido de la región amazónica y alto andina.

METODOLOGÍA

En este trabajo se utilizaron suelos de dos regiones diferentes del Ecuador, denominados: caso de estudio de la región amazónica (CAM) y caso de estudio de la región alto andina (CAN). Para el CAM, en Febrero del 2013 se obtuvieron muestras de suelo no intervenido, entre 20 a 40 cm de profundidad, localizada en la comunidad amazónica Achuar Kaiptach-Taisha-Morona Santiago (263787E, 9708162N), temperatura ambiental promedio 25 °C; humedad del 81%, 1000 msnm. Por otro lado, para el CAN en Marzo del 2013 se recolectaron muestras de suelo no intervenido a la misma profundidad que el suelo amazónico, localizado en la comunidad alto andina Pichan Central-Guano-Chimborazo (763143E, 9833826N), temperatura ambiental promedio 8,2 °C y humedad del 100%, 4000 msnm. Sin embargo, los experimentos de las CCMs del CAM se realizaron en similares condiciones ambientales, mientras que las CCMs del CAN se monitorearon en el campus universitario de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo en condiciones ambientales diferentes a 2700 msnm.

Se aisló y determinó el número de unidades formadoras de colonias por gramo de suelo (UFC/g suelo) ec. 1 presentes en los suelos de la región amazónica y alto andina, después de 48 horas de incubación a 28° C (Mocali et al., 2013).

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En esta ecuación N es el Número de colonias, FD es la Dilución en la cual se contó N, Vt es el Volumen de la dilución 1/10, mL, V_t es el Volumen inoculado en μL, y S es la Cantidad de suelo empleado para preparar la dilución 1/10 en g.

Se usaron medios enriquecidos con glucosa, almidón y leche como proteína (Mocali et al., 2013), y al mismo tiempo un medio suplementado con agua destilada al final de la experimentación bajo condiciones aeróbicas de cultivo para conocer el comportamiento de los grupos representativos de microorganismos de la cámara anódica y relacionarlos con la producción bioeléctrica.

Los sustratos empleados como combustible microbiano en las CCMs fueron residuos sólidos orgánicos (RSO) en una relación 50:50 peso/peso de frutas-verduras: frutas (Banano: Musa acuminata AAA, Naranja: Citrus sinensis L., Manzana: Pyrus malus L. y verduras (Cascara de arveja: Pisum sativum L., Haba: Vicia faba L., Zapallo: Cucurbita máxima Duchesne., nabo: Brassica pekinensis L.), donde las cantidades de RSO empleadas variaron de acuerdo al volumen de las CCMs (Tabla 1). Los RSO fueron triturados manualmente hasta conseguir tamaños de partículas entre 1 a 2 cm.

Tabla 1: Cantidad de materia orgánica por cada tamaño de CCMs

Las CCMs de cámara simple empleadas en este trabajo se construyeron con cilindros de polietileno a tres volúmenes diferentes V1= 20 L (experimento 1), V2= 12 L (experimento 2) y V3= 4 L (experimento 3), la capa inferior de cada CCMs estuvo formada por una mezcla de suelo y materia orgánica donde los microorganisos metabolizaron el sustrato orgánico generando eletrónes y H⁺; sobre esta capa se ubicó el ánodo que fue cubierto con una combinación de suelo y carbón activado que trabajó como una MIP para favorecer la difusión de los H⁺ desde la CA hacia la CC (Tabla 1), el cátodo se ubicó en la parte superior de las CCMs cubriendo toda la superficie de la celda con el fin favorecer las reacciones entre el oxígeno atmosférico, electrones y los H⁺ difundidos a través de la MIP, finalmente los electrodos ánodo y cátodo estuvieron conectados formando un circuito externo Fig. 1. Se utilizó tejido de carbono como electrodos ánodo y cátodo en todos los experimentos (Moqsud y Omine, 2010) debido a que es el colector de iones comúnmente usado (Cheng y Wu, 2013). El primer y segundo experimentno tuvieron las mismas áreas superficiales de ánodo y cátodo de 750 cm2, mientras que en el tercer experimento los electrodos tuvieron áreas de 360 cm2.

Los experimentos realizados por triplicado (Gajda et al., 2013) operaron en modo batch, el voltaje de salida fue medido diariamente usando un multímetro digital (Digital Multimeter DT-832), registrandose 166 datos en el CAN y 130 datos para el CAM durante los 171 días de monitoreo.

Fig. 1: Prototipo de CCMs de cámara simple

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Al analizar los suelos del CAM y CAN se encontraron diferencias en los parámetros como fósforo (P), potasio (K), óxido de calcio (CaO), óxido de magnesio (MgO), relación carbono/nitrógeno (Rel.C/N) y porcentaje de humedad (%H). Por otro lado, se observaron valores similares en el potencial de hidrógeno (pH), porcentaje de materia orgánica (%M.O), conductividad eléctrica (C.E) y nitrógeno amoniacal (NH₄), Tabla 2.

Tabla 2: Caracterización físico químico inicial del suelo - CAN, CAM

En el análisis inicial de microorganismos se encontró 7,0x10⁷ UFC/g suelo en el CAM y 1,2x10⁸ UFC/g suelo en el CAN, indicando mayor cantidad de UFCs/g suelo en el CAN pero menor diversidad bajo una descripción morfológica y condiciones aeróbicas de incubación Tabla 3.

Tabla 3: Recuento Inicial de colonias bacterianas del suelo - CAN, CAM

Dado que las condiciones de operación en las CCMs establecen que la cámara anódica sea anaeróbica, el cultivo de bacterias de la matriz del compartimiento anódico de las CCMs al final de la experimentación en los diferentes medios enriquecidos con glucosa, almidón y leche bajo condiciones aeróbicas de cultivo sugieren la presencia de microorganismos aerotolerantes dentro de los procesos bioelectrogénicos en la CA que cooperan en la generación de electricidad en ambas regiones y al mismo tiempo indican la diversidad de microorganismos para generar bioelectricidad, mientras que la actividad antagónica y resistencia de los microorganismos se evidenció en el agar agua bajo similares condiciones de cultivo, observándose que el CAM presentó mayor cantidad de UFC/g suelo que el CAN, sin embargo, la producción bioeléctrica es menor, pudiendo deberse a la competencia nutricional de los microorganismos y sugiriendo ser un factor que afectó al desempeño de las CCMs. El aumento de microorganismos en agar-agua, podría deberse a la resistencia adquirida al crecer sin una fuente de carbono fácilmente asimilable, pero al mismo tiempo indica que son activamente antagónicos y compitieron entre sí hasta adaptarse a las nuevas condiciones por sobrevivencia, lo que afectó negativamente en el desempeño de las CCMs tal como se observa en la Fig. 2.

Generación de electricidad desde las CCMs

En la región alto andina se observaron los mejores resultados de producción de voltaje en las CCMs del primer experimento, donde los pesos de la cámara anódica y la MIP estuvieron en relaciones diferentes Tabla 1. Por otro lado, para la región amazónica se observaron los mejores resultados en las CCMs del tercer experimento, observándose un comportamiento diferente entre el voltaje de salida y la región donde se llevó a cabo la experimentación, pudiendo deberse al consorcio microbiano de cada región, las condiciones ambientales, configuración de las CCMs y las características del sustrato.

En ambas regiones el circuito externo estuvo conectado a una resistencia externa-LED NPN, se monitorearon los valores de voltaje y temperatura instantáneos diarios sin encontrarse correlación entre ellos, posiblemente debido a la inercia térmica de las CCMs y la resistencia de los microorganismos a los cambios de temperatura. Los voltajes obtenidos en los experimentos evidencian el transporte de electrones desde las bacterias al electrodo y viceversa Fig. 2, (Lee et al., 2009). Considerando que se experimentó en condiciones ambientales de altura 2700 msnm con variaciones de temperatura mínima promedio 7,6 °C y máxima promedio 20,7 °C, los máximos voltajes obtenidos en las CCMs de la región alto andina varían entre 322 mV y 500 mV, siendo similares a estudios previos revisados en literatura, al mismo tiempo, el rango de voltaje es menos variable entre los tamaños y también son superiores a los generados por las CCMs de la región amazónica que mantuvieron un rango de voltaje entre 133 mV y 545 mV (Tabla 4).

Rashid et al., (2013) explica que la tensión voltaica aumentó cuando los microbios tenían suficiente nutrientes para metabolizar, considerando que las CCMs de este estudio recibieron una sola alimentación al inicio de la experimentación, los máximos voltajes obtenidos son similares a los representados por (Moqsud y Omine, 2010 ) que también utilizó RSO como sustrato, sin embargo, en esta investigación no se logró la estabilidad en producción bioeléctrica, debido al consumo del combustible microbiano en el tiempo, factor que influyó activamente en el desempeño de las CCMs. Los microorganismos metabolizaron los RSO de fácil degradación durante el primer y segundo periodo de tiempo permitiendo alcanzar los máximos voltajes y estabilidad bioeléctrica, sin embargo, los voltajes fueron variables y decrecientes en todas las CCMs en el periodo final de la experimentación debido a que no tuvieron suficiente sustrato de fácil asimilación (Tabla 5). Al final de la experimentación se evidenció que la celulosa de los RSO vegetales no fue degradada y metabolizada por los microorganismos de las CCMs, lo cual pudo generar una nueva selección de microorganismos, esto podría explicar los picos de voltaje y la caída del mismo al final de la experimentación.

En la Fig. 2 se observa un crecimiento exponencial de los voltajes generados por los microorganismos de las dos regiones estudiadas durante los primeros días de la experimentación, manteniéndose alto pero variable hasta el día 40 pudiendo explicarse como el periodo requerido por los microorganismos en adaptarse a las condiciones nutricionales, de diseño y de operación de las CCMs prototipo de este estudio, aunque las réplicas de cada tamaño tuvieron un comportamiento individual, entre 40 a 60 días se observaron los mayores valores de voltaje y estabilidad de producción bioeléctrica en los experimentos V3-CAM y V2-CAN. Aunque la fuente de carbono fue un sustrato complejo (RSO), las CCMs empleadas para el biotratamiento de los RSO y obtención de bioelectricidad tuvieron un desempeño aceptable, sin embargo, la variabilidad del voltaje pudo deberse a la capacidad del consorcio microbiano para degradar RSO como fuente nutricional; la mezcla de suelo y carbón activado adaptada como MIP no fue suficiente para permitir la difusión de H⁺ hacia la CC lo que influyó en el balance químico; el reporte final microbiano del consorcio bacteriano de la matriz anódica indicó una competencia nutricional afectando al desempeño del voltaje de salida de las CCMs. La caída final de voltaje podría deberse a dos razones: el desgaste del material utilizado como electrodo ánodo afectó a la captación de electrones en la CA, y al mismo tiempo a las reacciones que se llevan a cabo en la CC; y, la insuficiencia nutricional provocó competencia, antagonismo y nueva selección en el consorcio bacteriano de la CA que dependiendo de su resistencia al stress nutricional pudo afectar al desempeño en la producción bioeléctrica en las CCMs.

Tabla 4: Voltaje inicial, Máximo y final - CAN -CAM

Fig. 2: Voltaje generado en función del tiempo - (A): Experimento 3 CAM; (B): Experimento 2 CAN: 2A y 3A- réplica 1; 2B y 3B-réplica 2; 2C y 3C: réplica 3

CONCLUSIONES

El tamaño de las CCMs de cámara simple compuestas con suelos de la región amazónica y alto andino del Ecuador y residuos orgánicos influyó en la producción de bioelectricidad de acuerdo al ecosistema testado, en la región alto andina el mayor voltaje se obtuvo en las CCMs de 12 L con una generación promedio de 317 mV, mientras que en la región amazónica se obtuvo 270 mV en las CCMs de 4 L.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo en los materiales experimentales para la instalación de las CCMs al proyecto Gestión de Residuos Sólidos, financiado por la ONG ACRA-Italia. De la misma forma a la SENESCYT, CDF-Italia y el "apoyo" de gestión institucional al proyecto Implementación de dispositivos termosolares de mediana y baja temperatura en la zona Ecuatorial-ESPOCH.

REFERENCIAS

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Recibido Jun. 25, 2014; Aceptado Sep. 8, 2014; Versión final recibida Nov. 25, 2014