Electrodos bio-híbridos crioestructurados para la generación de corriente eléctrica a partir de orina

Abstract

El presente trabajo de Tesis se centra en el desarrollo y caracterización de electrodos cerámicos porosos de óxidos de titanio sub-estequiométricos (Ti 4 O 7 ) con estructura laminada, para su uso como plataformas para el crecimiento de bacterias electro-activas capaces de degradar orina humana y generar corriente eléctrica en sistemas bio-electroquímicos. El descubrimiento de bacterias - denominadas electro-activas - capaces de oxidar materia orgánica y transferir electrones a superficies conductoras ha dado lugar en los últimos años al desarrollo de dispositivos bio-electroquímicos conocidos como celdas de combustible microbianas (MFCs). Estas celdas, constituidas en su configuración habitual por un compartimiento anódico y uno catódico, funcionan como una ́pila biológica ́. La cámara anódica emplea bacterias electro-activas para oxidar la materia orgánica que se utiliza como combustible de la celda, en conjunto con electrodos (ánodos) capaces de colectar los electrones provenientes de la oxidación. La conexión de este compartimiento anódico con uno catódico (en donde ocurre, por ejemplo, la reducción de oxígeno) permite generar corriente eléctrica útil. En los últimos años ha surgido una idea disruptiva basada en el funcionamiento de las MFCs, pero poniendo el foco de atención en una nueva fuente de materia orgánica: la orina humana. El uso de MFCs alimentadas con orina constituye al día de hoy una de las únicas pruebas en campo de esta tecnología; sin embargo, estas celdas aún muestran un desempeño lejano al óptimo. Uno de los principales factores que afectan la eficiencia de generación de corriente en estos sistemas bio-electroquímicos está asociado a limitaciones metabólicas de las bacterias electro-activas que crecen sobre la superficie del ánodo. La formación de agregados bacterianos (denominados biofilms) de cientos de micrones de espesor sobre la superficie anódica conduce a una caída de potencial interna debida a la resistencia eléctrica intrínseca del propio biofilm, lo que provoca la disminución de la corriente producida por la comunidad bacteriana en su conjunto. A partir de esta limitante se ha hecho evidente que, para mejorar el desempeño de los ánodos microbianos que se utilizan en las MFCs, es necesario que la mayor cantidad de bacterias esté en contacto directo con la superficie del electrodo. En este escenario se ha demostrado que la utilización de ánodos porosos aumenta considerablemente la corriente producida por el sistema al aumentar el área disponible para el crecimiento bacteriano. Sin embargo, no solo el aumento de la superficie es fundamental para alcanzar un óptimo desempeño, sino también el desarrollo de poros con un tamaño, geometría y tortuosidad adecuados, de manera de garantizar la accesibilidad microbiana al interior del electrodo y de favorecer a su vez los fenómenos de transporte de materia orgánica necesarios para la replicación de los microorganismos. La originalidad del presente trabajo radica en el uso de un material de electrodo bio-compatible con excelentes propiedades eléctricas (Ti 4 O 7 ) para el desarrollo de electrodos porosos con estructura laminada, capaces de ser colonizados por bacterias electro-activas y de producir corriente eléctrica a partir de orina humana. La búsqueda de una estructura laminar para los electrodos se focalizó en la posibilidad de contar con ánodos que puedan emplearse bajo una modalidad de flujo continuo de orina a través de su estructura porosa, favoreciendo los fenómenos de transporte de nutrientes a lo largo de todo el volumen del electrodo. A su vez, el desarrollo de electrodos laminados - de distancia interlaminar variable y controlable - permitió modular la superficie electroquímicamente activa por unidad de volumen de ánodo y la accesibilidad microbiana al interior del electrodo, buscando un balance adecuado entre colonización bacteriana y superficie específica para alcanzar el óptimo funcionamiento de los electrodos bio-híbridos. El trabajo se desarrolló de acuerdo con tres ejes: (1) la obtención, a partir de lodos cloacales, de bacterias electro-activas capaces de degradar orina humana y producir corriente eléctrica en sistemas bio-electroquímicos; (2) el diseño y preparación de estructuras porosas eléctricamente conductoras de Ti 4 O 7 con morfología laminar; y (3) el estudio de la colonización de los electrodos de Ti 4 O 7 con bacterias electro-activas para su uso como ánodos microbianos en la producción de corriente eléctrica a partir de orina. Los estudios realizados en esta Tesis demostraron que: es posible aislar, a partir de lodos cloacales domésticos, consorcios bacterianos capaces de degradar orina humana y producir corriente eléctrica en celdas bio-electroquímicas. existe un rango de concentraciones de orina en el cual es posible mantener la viabilidad de las bacterias electro-activas, más allá del cual se producen efectos inhibitorios que provocan la pérdida de la actividad microbiana y la caída de la corriente eléctrica producida. es posible variar a voluntad el área electroquímicamente activa y el grado de colonización bacteriana de los electrodos de Ti 4 O 7 mediante el control del espaciado interlaminar de los mismos. existe un límite a la máxima densidad de corriente que es posible obtener, la cual depende del espaciado interlaminar y la superficie electroquímicamente activa de los electrodos, así como también de la concentración de orina utilizada. la densidad de corriente máxima obtenida con los electrodos laminados (5.2 kA/m 3 ) es un orden de magnitud mayor que las reportadas a la fecha para sistemas bio-electroquímicos alimentados con orina humana. Mail de los autores Mariano Prudente <prudente@fi.mdp.edu.ar>