Hacia un microcosmos de luz:el problema de la eficiencia energética

Teresa Elvira Lorilla

Jimena Solana González

Marta Román Navarro

Luis de Benito Aparicio

IES Félix Rodríguez de la Fuente (Burgos)

Llamamos microcosmos a ecosistemas artificiales que se encuentran encerrados en un contenedor de pequeño tamaño y que tienen la peculiaridad de que las especies que conviven en él funcionan de forma eficiente a la hora de reciclar elementos químicos. Esto posibilita que la vida se pueda mantener durante generaciones dentro de él.

¿Qué es un microcosmos?

Los microcosmos pueden ser usados como modelos experimentales de ecosistemas para estudiar el efecto de la temperatura sobre la fotosíntesis y la respiración, la invasión de especies alóctonas o los efectos de la eutrofización.

En nuestro caso tratamos de utilizarlos para matizar una afirmación que se dice en Ecología: “La energía en los ecosistemas sigue un ciclo abierto, entrando en forma de energía luminosa y saliendo en forma de energía calorífica que ya no puede reutilizarse para mantener otro ecosistema en funcionamiento.”

Las bacterias electrogénicas, cuando oxidan la materia orgánica en condiciones anaerobias, producen CO2, electrones y protones. Estos electrones pueden ser transferidos a un ánodo, mientras que los protones se difunden hasta un cátodo, que está en un ambiente rico en O2. Los electrones procedentes del ánodo reaccionan con los protones del cátodo y el O2 formando agua.

Para formar nuestro microcosmos empleamos dos componentes presentes en el ecosistema de las lagunas de Cantalejo (Segovia): unas algas verdes y unas bacterias electrogénicas.

Si situamos un voltímetro en el cable que va del ánodo al cátodo, podemos registrar el paso de una corriente eléctrica.

A partir de estos dos componentes se trató de crear un microcosmos donde las bacterias electrogénicas produjeran luz mediante un led, gracias a la electricidad que generaban. Esta luz serviría a las algas para realizar la fotosíntesis, y generarían a su vez compuestos orgánicos que, al ser oxidados por las bacterias electrogénicas, producirían electricidad, y así sucesivamente en un ciclo infinito.

Sin embargo, este modelo teórico que llamamos microcosmos de luz presentó los siguientes problemas:

1. El problema de la eficiencia fotosintética, EfLlamamos eficiencia fotosintética al traspaso de energía que se da

desde la explotación de un recurso (en este caso, la luz del led) hasta la conversión de parte de la energía en producción neta (materia orgánica fabricada por las algas).

En los microcosmos la producción neta varía en función del grado de desarrollo del mismo. En los ecosistemas naturales maduros la eficiencia fotosintética varía entre un 0,8-2%.

Diversos factores disminuyen la eficiencia fotosintética, que se ha estimado que alcanza un 5% en cultivos.

Para determinar el grado de desarrollo de nuestro microcosmos, medimos la variación de concentración de CO2 y de algas durante dos semanas en un cultivo de 0,5 L de algas verdes a 20 ºC.

La fuente de luz fue una bombilla de 20 led que consumía 5W.

Tras dos semanas calculamos la diferencia de biomasa entre el cultivo inicial y el final:

Pn = biomasa final – biomasa inicial = 0,29 – 0,04 = 0,25 g por cada 50 mL de cultivo

2. El problema de la eficiencia coulómbica, EcLlamamos eficiencia coulómbica a la relación entre el número de

coulombios realmente transferidos al ánodo desde el sustrato y el número máximo posible de coulombios transferidos si todo el sustrato fuera capaz de producir corriente.

La eficiencia coulómbica se ve afectada por diversos factores. Para el mismo tipo de sustrato, la eficiencia coulómbica varía entre 40-55% en dispositivos con membrana y un 9-12% en dispositivos sin membrana.

Para determinar el número de coulombios experimentales (Cp) empleamos cuatro baterías, dispuestas en serie, a las que añadimos una disolución de glucosa (1 g/L) . Se monitoreó la variación de intensidad durante 14 días.

La Cp se calculó integrando el área que hay bajo la curva corriente/tiempo desde t=0 hasta t=14, momento en el que la corriente vuelve al valor de inicio del experimento. Con esta integración se obtiene la carga total (Cp) en coulombios, de 775 C.

Los coulombios totales teóricos producibles se obtienen estimando que las

bacterias consumen un determinado tipo de compuesto químico (en este caso,

glucosa). Para el cálculo de la cantidad teórica de coulombs que pueden ser

producidos por un determinado compuesto se emplea la ecuación:

Cti = (98485 x 24 x 1 x 0,5 ) / 180 = 6565,6 C

donde F: constante de Faraday (98485 C/mol de electrones), b: número de moles

de electrones producidos por mol de sustrato, S: concentración de sustrato (g/l),

v: volumen de líquido, y M: peso molecular del sustrato.

Por lo que la eficiencia coulómbica de las MFC es:

Ec = (775 / 6565,6) x 100 = 11,8 %

Que es la cantidad de materia orgánica que se recupera como electricidad

3. El problema de un sistema amplificador de corriente

Las pilas que generan electricidad gracias a la actividad de microbios reciben el nombre de MFC. Las MFC que construimos eran capaces de producir 2 V, voltaje insuficiente para encender un led de luz blanca, que requiere 3 V y 20 mA.

Para solucionar este problema decidimos construir un amplificador de corriente, que consta de cuatro MFC conectadas en serie y cuatro condensadores de 35 V y 10 μF (C1 ,C2 ,C3 y C4) que se cargan en paralelo (figura de la izquierda) y descargan simultáneamente en serie (figura de la derecha). La carga y descarga es controlada por una placa robótica conectada a un ordenador.

La descarga simultánea de los capacitadores en serie suma la carga que ha sido suministrada por las pilas microbianas a cada uno de ellos en paralelo, pudiendo alcanzar los 8 V de salida. Como el voltaje de salida es superior al que precisa un led, ajustamos dicho voltaje con una resistencia de 250 Ω.

Calculamos el tiempo de carga necesario, que resultó ser de 2 horas, y fuimos reduciendo los tiempos de carga de los condensadores que permitían que el led se encendiera. El valor más pequeño que alcanzamos fue 1 segundo de led encendido por cada 200 segundos de tiempo de carga.

Conclusiones

Un microcosmo de luz trata de aunar tres tendencias que hay hoy día en la Biotecnología: la fabricación de alimentos a partir de biorreactores, la reducción de la carga orgánica de las aguas residuales y la obtención de energía a partir de pilas no convencionales.

En un futuro, cuando se mejoren las eficiencias energéticas, tal vez seamos capaces de producir microcosmos de luz capaces de transformar su carga orgánica en alimento o energía según nuestra voluntad.