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Número 16 Vol. 2 (2016)
REVISIÓN DEL DESARROLLO DE LA TECNOLOGÍA MFC PARA
LA PRODUCCIÓN DE BIOELECTRICIDAD A PARTIR DE RESI-
DUOS ORGÁNICOS - ESPOCH
Se propone una tecnología autosustentable en la biodegradación de residuos sólidos a medida que
se produce bioelectricidad incentivando estudios aplicativos de las celdas de combustible microbia-
no (MFC). Se desarrollaron tres proyectos experimentales aprovechando las capacidades oxido-re-
ductoras de bacterias de suelos del páramo Pichan Central para producir bioelectricidad. Sustratos
orgánicos compuestos de frutas y verduras fueron empleados en los dos primeros casos de estudio,
mientras que en el tercer caso se utilizó aguas residuales sintéticas de lavado de arroz. En el caso dos
se encontró, que la generación de voltaje más alta y estable fue en celdas que contenían las relaciones
proporcionales en la cantidad de residuos orgánicos (frutas-verduras). Para el tercer caso se propuso
estudiar la incidencia de aguas residuales sintéticas en la producción de bioelectricidad.
Los valores de bioelectricidad fueron monitoreados en términos de voltaje de circuito abierto, obte-
niendo valores máximos de 500 mV en la mejor de las réplicas. Se establecieron relaciones signi-
cativas entre las proporciones de diferentes sustratos orgánicos como también en la Carga Orgánica
(DBO) presente de las aguas residuales del lavado de arroz en la generación de bioelectricidad. A tra-
vés del presente documento se pretende comunicar los hallazgos recientes y proponer los lineamien-
tos y parámetros considerados para el desarrollo de la tecnología MFC, como también un preámbulo
aplicativo de la degradación de la DBO de aguas residuales sintéticas, todo esto en un contexto en
países en vías de desarrollo, buscando promover su aplicación en los mismos.
Palabras Clave: Residuos Orgánicos, Bioelectricidad, Celdas de Combustible Microbianas MFC.
A self-sustaining technology is proposed in the biodegradation of solid waste, while the produced
bioelectricity is the by-product, encouraging to study applications of microbial fuel cells (MFCs).
Three pilot projects were developed, taking advantage the capabilities oxide-reducing ooring Pára-
mo Central Pichán to produce bioelectricity. As substrates for the rst two cases, it was used organic
waste of fruit and vegetable, and for the third case synthetic sewage washing rice was used. In case
two, the cell with more stable voltage generation was used, setting proportional relationships in the
amount of organic waste. For the third case was to examine the incidence of synthetic wastewater in
the production of bioelectricity.
Bioelectricity values were denoted in terms of voltage, obtaining maximum values of 500 mV at best
replicas. signicant relationships between the proportions of different organic substrates as in the
organic load (BOD) present wastewater from washing rice in the generation of bioelectricity were
established. The guidelines will be dened and parameters for the development of technology MFC,
as well an application preamble in the biodegradation of BOD of synthetic wastewater
Ing. *Alex- Fernando Guambo
1
, Ing. Washington-Nelson Logroño
2
, Benito Mendoza
3
1
Centro de Investigación de Energías Alternativas y Ambiente, Facultad de Ciencias, Escuela Superior Poli-
técnica de Chimborazo (ESPOCH), Panamericana Sur Km 1 ½, Chimborazo EC060155, Ecuador.
2
University of Szeged Hungary.
Email: alexfernag@gmail.com
3
Universidad Nacional de Chimborazo (UNACH).
R
esumen
A
bstract
KeyWords: Organic Waste, Bioelectricity, MFC Microbial Fuel Cells.
Revista Cientíca
ISSN 1390-5740
ISSN 2477-9105
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INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas las investigacio-
nes se han centrado en sustituir la de-
pendencia creciente de combustibles de
origen fósil en fuentes de energías alter-
nativas con eciencia similar, capaz de
competir con el petróleo motivadas en
razones ambientales y económicas, fa-
voreciendo a la reducción de emisiones
toxicas al ambiente (1), buscando inicia-
tivas de generación energética renovable
vinculadas al tratamiento de residuos y
biorremediación de contaminantes.
Las Celdas de combustible microbia-
nas o Pila de Combustible Microbiana
(CCM), son dispositivos bio-electroquí-
micos utilizados para generar bioelec-
tricidad a partir de una amplia gama de
sustratos mediante el uso de microorga-
nismos electrogénicos, y tienen especial
interés para abastecer la demanda de
energía para los pequeños dispositivos
y al mismo tiempo como una fuente de
energía renovable y autosustentable. (2).
El diseño típico de una MFC consiste en
dos cámaras: una anaeróbica (ánodo) y
otra aeróbica (cátodo); las mismas que
están unidas a través de una Membranas
de Intercambio Catiónico PEM (3), don-
de la transferencia de electrones entre
reductor y oxidante; es comprendida
como la energía utilizada por microor-
ganismos y es inuenciado por la dife-
rencia de potencial entre ánodo y cátodo
que con O
2
del ambiente forma H
2
O;
formando un circuito externo; las MFCs
presentan diferentes conguraciones en
su estructura física que se adapta acuer-
do a la propuesta de funcionamiento y al
n que se desea analizar, aprovechar y
generar. (2-7).
Las celdas de combustible microbiana,
pueden generar electricidad a partir de
sustratos orgánicos de varias fuentes, ta-
les como: aguas residuales domésticas,
residuos vegetales, residuos de procesa-
miento de almidón, el chocolate indus-
trial de aguas residuales, etilo, etanol, y la glucosa. Tam-
bién se pueden usar como un aceptor de electrones en el
tratamiento de sustancias orgánicas como compuestos de
diésel, al igual que para la decoloración en el tratamiento
de aguas residuales (6). Esta tecnología abarca también
como fuentes de energía para sensores ambientales; sien-
do útil en la comprensión y modelización de ecosistemas
en especial en ríos y entornos de aguas profundas don-
de es difícil su acceso; además de conducir reacciones
deseadas para eliminar o degradar sustancias químicas;
en el ámbito de biocombustibles en la producción de hi-
drógeno y producción de energía renovable a partir de
biomasa de residuos orgánicos e inorgánicos (8)
En el presente documento se hace una revisión de tres de
las principales publicaciones realizadas por el Centro de
Energías Alternativas y Ambiente de la ESPOCH, línea
de trabajo que inició con el propósito de aprovechar resi-
duos orgánicos en producción de bioenergía, vericando
y comprobando la acción electrogénica de consorcios mi-
crobianos mixtos de diferentes provincias (Macas- Ama-
zonía), y (Andes- Pichan Central). En el primer estudio
se obtuvo que la conguración de MFC con 12, l tuvo un
comportamiento más estable (9), la que fue empleada, en
el segundo caso con proporciones diferentes de sustra-
tos (10), nalmente en el tercer estudio buscando nes
aplicativos se investigó la inuencia de la DBO de aguas
residuales de lavado de arroz en la generación de bioelec-
tricidad en una MFC como biosensor (11).
La conguración MFC seguirá evolucionando de acuer-
do al propósito de requerimiento energético y biodegra-
dación o tratamientos de desechos orgánicos, donde las
células bacterianas en el ánodo del MFC consumirán el
sustrato como combustible y la transferencia de electro-
nes se dará al electrodo, generando bioelectricidad a me-
dida de la degradación del sustrato. En el primer trabajo
se alcanzó voltajes máximos en promedio de 364, 50 mV;
en el segundo caso fue de 110, 52 mV; y en el tercer caso
como estudio de la MFC como biosensor de la DBO sus
valores fueron de 33, 16 mV.
MATERIAL Y METODOS
Se desarrollaron tres tipos de experimentos en los cuales
se utilizaron para todos los casos consorcios microbianos
mixtos provenientes del suelo del páramo Pichan Cen-
tral 763143E - 9833826N. La adecuación de las celdas se
estableció en recipientes de polietileno para todos los ca-
sos, operados a temperatura ambiental, y el oxígeno fue
el aceptor nal de electrones provisto desde la atmosfera
Guambo, Logroño
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Celdas de Combustible Microbianas 12 L
Celdas de Combustible Microbiano de 4 litros
Caso 2. Prueba con diferentes sustra-
tos
Se conguraron celdas de cámara sim-
ple de 12 litros, (Figura 2); con 3 pro-
porciones distintas con 3 réplicas co-
rrespondientes; siendo la MFC de mejor
generación y estabilidad en producción
de bioelectricidad, se instalaron senso-
res de temperatura (Sensor de tempera-
tura DS18B20), y pH (American Marine
PINPOINT pH Probe Arduino) colo-
cados en la pared interna de las celdas
situados en el compartimento anódico
y sensores de voltaje conectados a una
tarjeta electrónica (Arduino Mega 2560
R3) para su respectivo monitoreo, la
transmisión de datos fue de forma ina-
lámbrica a un servidor receptando cada
10 minutos durante 60 días utilizando
módulos XBEE PRO S2. El diseño y
control del sistema de adquisición se lo
realizó en Labview y procesamiento de
datos se utilizó Excel (10). En el cuadro
2 se puede observar la relación de resi-
duos orgánicos.
Cuadro 2. Relación proporción de Residuos Orgá-
nicos – Suelo de Páramo
Figura 1. Caso 1. Celda de Combustible Microbianas con Residuos Or-
gánicos Celdas de Combustible Microbianas 20 L
natural.
Caso 1. Amazonía-Andes.
Se estructurarón Celdas de Combustibles Microbianas de
cámara simple, el compartimento anódico estuvo forma-
da por una mezcla de suelo y materia orgánica; sobre esta
capa se ubicó una capa de combinación de suelo y carbón
activado (9) y esto en contacto directo con el compar-
timento catódico (Figura. 1), se estableció tres volúme-
nes de prueba 4, 12 y 20 litros con 3 repeticiones cada
una, y mediante conexiones hacia el exterior se formó
un circuito. El monitoreo diario se realizó manualmente
a través de un multímetro (Digital Multímetro DT-832)
por el transcurso de 171 días. (9). La Relación sustrato
utilizado en la conformación de una MFC se observa en
el cuadro 1.
Cuadro 1. Relación Sustrato MFC - Suelo de Páramo
Fuente: Logroño, W. 2014
Figura 2. Caso 2. Celda de 12 Litros Indicar con
echas los sensores en las fotos, y describir en la
leyenda de la gura
Fuente Armas, P., Ramirez, G. 2014
CASO 1
Volumen
MFC (L)
Cantidad
total de
Suelo (Kg)
Cantidad
de Residuos
Orgánicos
Total (Kg)
Cantidad
de Carbono
Vegetal (g)
20 10.5 4.5 200
12 6.3 2.7 120
4 2.1 0.9 40
CASO 2
Relación de las
proporciones
Cantidad de Re-
siduos Orgánicos
Frutas (g)
Cantidad de Re-
siduos Orgánicos
Vegetales (g)
Proporción 1 50:50 125 125
Proporción 2 75:25 63 188
Proporción 3. 25:75 188 63
CASO 3
MFC Cantidad de
Materia
Orgánica
DBO
(ppm)
Preparación del Agua
Residual Almidonada
SMFC1 10 1000 ml de Agua Destilada + 14.175 g de arroz
SMFC2 100 1000 ml de Agua Destilada + 56.7 g de arroz
SMFC3 200 1000 ml de Agua Destilada + 226.8 g de arroz
Revista Cientíca
ISSN 1390-5740
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Caso 3. MFC- Biosensor
Se utilizó una conguración de cáma-
ra simple con un volumen útil de 3.5
L invertido donde el compartimento
superior anódico servía para la entrada
del agua residual sintética de lavado de
arroz saturando a una velocidad de ali-
mentación de 94 ml cada 24 h con el n
de evitar la sobresaturación en la matriz
MFC. El uido descendía por efecto de
la gravedad al compartimento aeróbico
(11). Se observó una interacción entre la
producción de voltaje y la concentración
de DBO del agua sintética (Figura 3). El
monitoreo y la transmisión de datos se
efectuó a través de una tarjeta electróni-
ca (Arduino Mega 2560 R3) conectado
a un servidor y asistido por el software
Labview (11). Las diferentes concentra-
ciones y la cantidad necesaria de agua
residual sintética proporcionada en la
MFC se muestran en el cuadro 3.
Cuadro 3. Relación Sustrato – Agua Residual Sin-
tética
Figura 3. Caso 3. MFC- sensor
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Características del Suelo – Páramo
Pichan
Se estableció que el suelo de Paramo Pi-
chan Central posee una cantidad de ca-
tiones elevados, más aun encontrándose
porcentajes considerables de materia or-
Cuadro 4. Caracterización Física- Química de Suelo- Páramo Pichan
Central
PRODUCCIÓN DE BIOELECTRICIDAD
Figura 4. Producción de Bioelectricidad (MFC de mayor productividad
y estabilidad)
Fuente: (Logroño., W. 2015 - 2016)
En la Figura 4 se observa un crecimiento exponencial de
los voltajes generados por los microorganismos de la re-
gión Andes de la celda de 12 Litros; durante los primeros
días de la experimentación, manteniéndose alto pero va-
riable, pero en términos generales un desempeño acepta-
ble (9)
Guambo, Logroño
gánica a profundidades de hasta 40 cm
CASOS DE
ESTUDIO
MÉTODO OLSEN
PH %MO CE
(μS)
NH4
(mg/L)
P
(mg/L)
K
(mg/L)
CASO 1
“Producción de
Bioelectricidad
a partir de resi-
duos orgánicos”
24/02/2013
(9)
4.6 Ac 3.2M 138.7 no
salino
22.5B 79,5A 957,3A
CASO 2
“Generación de
bioelectricidad
con diferentes
matrices”
20/05/2014
(10)
5.5
Lac.
3,7M 203 no
salino
11.5B 68.1A 0,24B
CASO 3.
“Estudio DBO
con respecto a
la generación de
bioelectricidad”
02/12/2014
(11)
5.4
Lac.
2.0B 170 no
salino
9.1B 40.3A 0.96A
CASO 3
MFC Cantidad de
Materia
Orgánica
DBO
(ppm)
Preparación del Agua
Residual Almidonada
SMFC1 10 1000 ml de Agua Destilada + 14.175 g de arroz
SMFC2 100 1000 ml de Agua Destilada + 56.7 g de arroz
SMFC3 200 1000 ml de Agua Destilada + 226.8 g de arroz
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La Figura 5 identica una inestabilidad del voltaje de sa-
lida que puede ser explicado por condiciones experimen-
tales y de la operación de las MFCs. Al nal del experi-
mento, los residuos ricos en celulosa no sufrieron ningún
cambio signicativo; mientras que los residuos de frutas
se observaron completamente degradados, lo que sugie-
re la preferencia por consorcios microbianos a residuos
fácilmente biodegradables, en medios enriquecidos con
glucosa, almidón y proteínas (10).
En la gura 5 se observa la celda con proporción 1 y
proporción 3 generando picos de voltajes superiores a
los 230 mV, y mínimos de 30 mV. El principal hallazgo
en este estudio fue que las celdas de combustible micro-
bianas que recibieron cantidades mayores de residuos de
frutas, indicaron una mejor actividad microbiana en la
degradación de materia orgánica y consecuentemente en
la actividad electrogénica.
Figura 6. Producción de Bioelectricidad a partir de aguas residuales
sintéticas del lavado de arroz
Considerando las celdas conformadas en la Amazonia
y Andes (Pichán Central) se establece que es favorable
utilizar consorcios microbianos de Andes; sugeridos de
acuerdo a su alta actividad electrogénica. En la Figura 4
se observa los valores máximos de voltaje de 496 mV y
mínimos de 2.5 mV con un promedio de generación de
296 mV para el caso más estable y de mayor producti-
vidad, por tal motivo datos y/o valores de voltaje para el
caso de la Amazonía no han sido mostrados.
Figura 5. Producción de Bioelectricidad a diferentes proporciones de
residuos orgánicos
Los resultados de la Figura 6 indicaron
que el voltaje de salida de la CCM1 fue
casi dos veces la de CCM2, y requiere
menos tiempo para alcanzar la fase es-
table, por lo tanto esta sugerido que la
concentración de DBO tenía incidencia
en el voltaje de las CCM (11). La canti-
dad de voltaje máximo y mínimo duran-
te la etapa de monitoreo alcanza valores
de 179.6 mV y 0.3 mV, respectivamente
(11).
La producción de bioelectricidad a partir
de aguas residuales sintéticas del lavado
de arroz (Figura 6) muestra una relación
y estabilidad proporcional a la cantidad
de concentración suministrada; indican-
do su actividad como como biosensor
de la Demanda Bioquímica de Oxígeno
(11) (12).
Para producir una cantidad de voltaje
signicativa (> 200 mV) de generación
mínima constante se utilizará congu-
raciones que ocupen residuos orgánicos
(vegetales y frutas) (9). Para establecer
estudios aplicativos la conguración se
podrá mantener o invertir; sin embargo
la producción de voltaje estará en rangos
menores a 50 mV; siendo el objetivo un
previo monitoreo de aguas residuales al-
midonadas obteniendo un valor agrega-
do de producción de bioelectricidad en
sus salidas (11).
CONCLUSIONES Y FUTURAS
PERSPECTIVAS
La evolución en la conguración de una
Celda de Combustible Microbiana está
sujeta a los requerimientos experimenta-
les y miras aplicativas. La evidencia de
los estudios realizados demuestra que
las CCM pueden tener un impacto signi-
cativo en Ecuador, y abre perspectivas
a futuras investigación para desarrollo
de dispositivos que puedan ser aplica-
dos al campo ya sea como biosensores
o que puedan generar requerimientos
energéticos para dispositivos de bajo
consumo. Los estudios preliminares in-
dican que las capacidades oxido reduc-
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toras de los microorganismos del suelo
alto andino pueden ser un objetivo cla-
ro de investigación para indagar futuras
aplicaciones. Esto se conrma mediante
la bioelectricidad que ha sido generada
en las CCM conguradas con Suelos de
Páramo Pichan Central.
La tecnología MFC presenta un gran
potencial ya que busca la integración de
tecnologías para dar valor agregado me-
diante el tratamiento, monitoreo y reuti-
lización de residuos.
AGRADECIMIENTOS
Al Centro de Energías Alternativas y Ambiente en el apo-
yo e interpretación de resultados.
Al Ing. Miguel Carrasco por el apoyo en la adecuación al
formato de la revista.
CONFLICTO DE INTERESES
Los autores no demuestran conicto de intereses
R
eferencias
1. Guambo A, Allauca G. Estudio de la inuencia de la demanda bioquímica de oxígeno de
aguas residuales en la producción de bioelectricidad de una Celda de Combustible Microbiano. [Te-
sis de pregrado]. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Riobamba, Chimborazo, Ecuador,
2015. pp. 20
2. Rodríguez, F.C. Bioenergética microbiana. Biotecnología Ambiental., Madrid., España, Edi-
torial Tebar., 2005., pp., 65-93. E-book.
3. Page S, Anbuky A, Krumdieck S, Brouwer J. Test Method and Equivalent Circuit Modeling
of a PEM Fuel Cell in a Passive State. IEEE Transactions On Energy Conversion. 2007; 22 (3): 764-
773. ISSN: 0885-8969. DOI: 10.1109/TEC.2007.895857. Disponible en https://www.researchgate.
net/publication/3270692_Test_Method_and_Equivalent_Circuit_Modeling_of_a_PEM_Fuel_Cell_
in_a_Passive_State. pp. 764-77
4. Logan Bruce E, et al. Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology. 1 de Septiembre
de 2006, Revista Cientíca: Environmental Science & Technology, Vol. 40, No. 17. DOI: 10.1021/
es0605016. p 40
5. Zhang D, GE W Wang. Study of a Terrestrial Microbial Fuel Cell and the Effects of its
Power Generation Performance by Environmental Factors. Published in: Proceedings of the 2013
International Conference on Advanced Mechatronic Systems, September. Luoyang, China: 27 de
Septiembre de 2013, IEEE Transactions On Energy Conversion. ISSN: 2325-0682. DOI: 10.1109/
ICAMechS.2013.6681825 pp. 25-27
6. Revelo Dolly M, Hurtado Nelson H, Ruiz Jaime O. Celdas de combustible microbianas
(CCMS): un reto para la remoción de materia orgánica y la generación de energía eléctrica. 2013. 6,
La Serena : s.n., 2013, SciELO, Vol. 24, No 6. ISSN 0718-0764. Disponible en http://www.scielo.cl/
scielo.php?pid=S0718-07642013000600004&script=sci_arttext pp. 17-28
7. Chen Chih-Yu, Chen Tzu-Yu, Chung Ying-Chien. A comparison of bioelectricity in microbial
fuel cells with aerobic and anaerobic anodes. 3 de Agosto de 2014. Revista Cientíca: Environmental
Science & Technology. Vol. 35. 2014
8. Logan, Bruce E, Regan John M. Microbial fuel cells-challenges and applications. Environ-
mental Science & Technology, vol. 40. No. 17. 2006. pp. 5172-5180.
9. Logroño Washington N, et al. Bioconversión de Residuos Sólidos Orgánicos con Suelos de
la región Amazónica y Alto Andina del Ecuador en Celdas de Combustible Microbiano de Cámara
Simple. Información tecnológica, 2015, vol. 26, no 2, doi: 10.4067/S0718-07642015000200008. pp.
61-68
Guambo, Logroño
62
Número 16 Vol. 2 (2016)
10. Logroño Washington, et al. Bioelectricity generation from vegetables and fruits wastes by
using single chamber microbial fuel cells with high Andean soils. ELSEIVER/ScienceDirect/Energy
Procedia, The 7th International Conference on Applied Energy – ICAE, 2015, vol. 75, pp. 2009-
2014
11. Logroño Washington, et al. A Terrestrial Single Chamber Microbial Fuel Cell-based Biosen-
sor for Biochemical Oxygen Demand of Synthetic Rice Washed Wastewater. Sensors, 2016, Vol. 16,
No 1, pp. 101
12. Chang In Seop, et al. Continuous determination of biochemical oxygen demand using micro-
bial fuel cell type biosensor. ELSEIVER/ScienceDirect/Biosensors and Bioelectronics, 2004, Vol.
19, No 6, p 607-613
13. Prasertsung Nattakarn, Ratanatamskul Chavalit. Effects of organic loading rate and operating
temperature on power generation from cassava wastewater by a single-chamber microbial fuel cell.
Desalination and Water Treatment, DOI:10.1080/19443994.2013.826405, 2014, Vol. 52, No 4-6, pp.
937-946
14. Liu Hong, Ramnarayanan Ramanathan, Logan Bruce E. Production of electricity during was-
tewater treatment using a single chamber microbial fuel cell. Environmental science & technology,
DOI: 10.1021/es034923g, 2004, vol. 38, no 7, pp. 2281-2285
Revista Cientíca
ISSN 1390-5740
ISSN 2477-9105