Fecha de recepción 15/05/2023
Fecha de aceptación: 10/01/2024
Pp 46 Pp. 63
ARK: https://n2t.net/ark:/87558/tekhne.27.1.4
Diseño de una configuración bajo el esquema de las celdas de
combustible microbianas-vegetal para la producción de electricidad a
partir de la fotosíntesis de plantas vivas
Raymond Daniel Rodriguez Martinez
1
rdarodriguezm@unimet.edu.ve
1
Universidad Metropolitana
1
, Caracas, Venezuela
Departamento de producción industrial
1
Resumen
El desarrollo e implementación de nuevas fuentes de energía renovables es fundamental para abastecer la
creciente demanda energética y, especialmente, para atender la crisis del cambio climático, pero resulta
necesario a su vez, proponer alternativas de fácil accesibilidad y al alcance de todos. En este sentido, el
presente trabajo tiene como objetivo proponer una configuración para una celda de combustible microbiana-
vegetal en función de las celdas construidas en investigaciones realizadas anteriormente por distintos autores
bajo la premisa de generar un diseño de fácil alcance y fabricación. Para ello se tomaron como referencia
parámetros de diseño tales como la geometría, el tamaño y material de los electrodos, la ubicación de los
mismos, y la adición o ausencia de una membrana de intercambio. Luego, se construyeron las celdas bajo la
configuración planteada empleando las mismas especies usadas en la bibliografía de referencia. Entre ellas,
la planta de sábila (Aloe vera), de maíz (Zea mays) y musgo (Dicranidae), obteniéndose un voltaje máximo de
587 mV, 233 mV y 884 mV respectivamente. De esta manera se verificó la factibilidad del diseño propuesto y
establecieron algunas recomendaciones claves para futuros diseños de celdas de combustible microbianas-
vegetal.
Palabras clave: celdas de combustible, energía renovable, fotosíntesis, plantas.
Diseño de una configuración bajo el esquema de las celdas de combustible
microbianas-vegetal para la producción de electricidad a partir de la fotosíntesis
de plantas vivas
RAYMOND DANIEL RODRÍGUEZ MARTINEZ
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cualquier uso no-comercial otorgando el reconocimiento respectivo al autor.
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Design of a plant-microbial fuel cell configuration for electricity
production from photosynthesis of living plants
Abstract
The development and implementation of new renewable energy sources is essential to meet the growing
energy demand and, especially, to address the climate change crisis, but it is also necessary to propose
alternatives that are easily accessible and affordable for everyone. In this sense, the present work aims to
propose a configuration for a microbial-vegetable fuel cell based on the cells built in previous research carried
out by different authors under the premise of generating a design that is easy to reach and manufacture. For
this purpose, design parameters such as geometry, electrode size and material, electrode location, and the
addition or absence of an exchange membrane were taken as a reference. Then, the cells were constructed
under the proposed configuration using the same species used in the reference literature. Among them, the
aloe vera plant (Aloe vera), corn (Zea mays), and moss (Dicranidae), obtaining a maximum voltage of 587 mV,
233 mV, and 884 mV respectively. This verified the feasibility of the proposed design and established some
key recommendations for future microbial-vegetable fuel cell designs.
Key words: fuel cells, renewable energy, photosynthesis, plants.
Conceção de uma configuração de célula de combustível planta-
microbiana para a produção de eletricidade a partir da fotossíntese de
plantas vivas
Resumo
O desenvolvimento e a implementação de novas fontes de energia renováveis são essenciais para atender à
crescente demanda energética e, principalmente, para enfrentar a crise das mudanças climáticas, mas
também é necessário propor alternativas de fácil acesso e ao alcance de todos. Nesse sentido, o presente
trabalho tem como objetivo propor uma configuração para uma célula a combustível microbiano-vegetal
baseada nas células construídas em pesquisas anteriores realizadas por diferentes autores sob a premissa
de gerar um design de fácil alcance e fabricação. Para tal, foram tomados como referência parâmetros de
design como a geometria, o tamanho e o material dos eléctrodos, a localização dos eléctrodos e a adição ou
ausência de uma membrana de permuta. Em seguida, as células foram construídas sob a configuração
proposta usando as mesmas espécies utilizadas na literatura de referência. Entre elas, a planta aloe vera
(Aloe vera), o milho (Zea mays) e o musgo (Dicranidae), obtendo-se uma tensão máxima de 587 mV, 233 mV
e 884 mV, respetivamente. Isto verificou a viabilidade do projeto proposto e estabeleceu algumas
recomendações fundamentais para futuros projectos de células de combustível microbianas-vegetais.
Palavras chave: células de combustível, energia renovável, fotossíntese, plantas.
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i. INTRODUCCIÓN
La búsqueda de nuevas fuentes de energía ha
propiciado el desarrollo de distintas alternativas
renovables, las cuales abarcan la energía
proporcionada directa e indirectamente por el sol
[1], por lo cual poseen un emisión cero de
carbono, y aunque pueden ser consideradas
como las fuentes de energía más antiguas si se
toma en cuenta que la energía eólica impulsó la
era dorada de la exploración y la fuerza del agua
permitió la mecanización temprana [2], en la
actualidad tan solo han llegado representar el
11,2% de la producción de energía total a nivel
mundial [3].
El uso de los recursos energéticos se encuentra
ampliamente presentes en la cotidianidad,
resultando ser elementos primordiales para la
mayoría de las actividades diarias. Sin embargo,
un 17% de la población mundial no cuenta con
acceso a dicho servicio de forma continua [4]. En
otras palabras, existe una desigualdad en torno al
acceso a fuentes energéticas cuya disponibilidad
está dada en gran medida por la demografía, el
desarrollo tecnológico y los costos, siendo
factores importantes para acceder a dichas
fuentes.
La aplicabilidad de las energías renovables aún
necesita seguir siendo desarrollada con la
finalidad de fomentar su presencia en la
cotidianidad, entre ellas las celdas de combustible
microbiana-vegetal. Las celdas de combustible
microbiana-vegetal son biorreactores cuya
producción energética depende del
abastecimiento de un sustrato biológico producto
del proceso fotosintético de las plantas. En este
sentido, las celdas de combustible microbianas-
vegetal representan una oportunidad para reducir
la brecha de desigualdad entre la población con
acceso permanente a la energía eléctrica con
respecto al sector menos abastecido. Sin
embargo, a pesar de ser una tecnología de fácil
construcción con respecto a los componentes que
la integran, la necesidad de una membrana de
intercambio iónico y la adición de metales nobles
sobre los electrodos para mejorar el rendimiento
de la celda representan una barrera ante el ideal
de mitigar esta desigualdad. En este sentido, aún
es necesario optimizar el desempeño de este tipo
de celdas, especialmente debido a la variedad de
factores que pueden influenciar su rendimiento,
entre ellos: la configuración de la celda.
El presente trabajo tiene como objetivo proponer
el diseño de una configuración de una celda de
combustible microbiana-vegetal al describir las
celdas construidas en investigaciones en función
de los parámetros de diseño más importantes de
acuerdo con las configuraciones adoptadas en
dichas experiencias pasadas. En este sentido, se
pretende proponer una nueva configuración para
el esquema de las celdas microbianas-vegetal y
llevarla a la práctica mediante su construcción
empleando distintas especies de plantas cuyos
voltajes se hallen disponible en la bibliografía a
modo de referencia.
Celda de combustible microbiana-vegetal
Una celda de combustible microbiana-vegetal, o
plant-microbial fuel cell (P-MFC), es un
biorreactor donde se emplea un sustrato para
generar energía eléctrica mediante el
aprovechamiento de la actividad metabólica de
bacterias electroquímicamente activas junto con
la disposición de un par de electrodos [5]. Para
cualquier sistema P-MFC, la oxidación anódica de
los rizodepósitos está dada por la siguiente
semirreacción:
Mientras que la reducción catódica del oxígeno al
agua está representada por la siguiente
semirreacción:
En general, el mecanismo por el cual las P-MFCs
producen energía se basa en aprovechar el
proceso de rizodeposición de compuestos
orgánicos producidos a partir de la fotosíntesis de
las plantas, los cuales son empleados por las
bacterias para la generación de electricidad. En
realidad, el sistema radicular de las raíces excreta
diferentes compuestos orgánicos, que pueden
incluir exudados, como azúcares y ácidos
orgánicos; secreciones de carbohidratos
poliméricos y enzimas, lisados y materiales de
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desprendidos de raíces o células muertas [6].
Dicho conjunto de procesos de liberación es
denominado rizodeposición y los productos del
proceso, los rizodepósitos, son utilizados en la P-
MFC como sustrato bioenergético. Luego, los
microorganismos electroquímicamente activos
presentes en la tierra utilizan los rizodepósitos
como sustrato principal para su propio
metabolismo a la vez que liberan CO
2
, protones y
electrones en el medio circundante. Estos
electrones son captados por el ánodo, el cual está
acoplado mediante una carga externa, mientras
que los protones liberados en el lado del ánodo
viajan hacia el cátodo, donde es reducido el
oxígeno junto con los protones y los electrones
formando agua [7].
Por otra parte, se suele añadir una membrana de
intercambio iónico la cual cumple la función de
separador. Este componente también se encarga
de evitar que el oxígeno, o cualquier otro agente
oxidante, compita con el ánodo como aceptor
final de electrones, además de favorecer la
difusión de los protones desde el ánodo hasta el
cátodo, también sirve para separar la celda en
dos cámaras diferentes. A pesar de ello, la
presencia de la membrana no es obligatoria para
el funcionamiento de la P-MFC. Sin embargo,
omitir el uso de una membrana, la ausencia de
un separador podría incrementar la difusión de
oxígeno y de sustrato, lo que significa una menor
eficiencia coulómbica y una disminución de la
actividad de los microorganismos presentes en el
ánodo [8].
Configuraciones en P-MFCs
En general, se pueden distinguir dos tipos de
configuraciones típicas empleadas en las P-
MFCs, las correspondientes al diseño tubular y al
diseño de placa plana.
La configuración del diseño tubular (Figura 1) se
caracteriza por tener un ánodo con forma tubular
que envuelve el seno de la celda, mientras que se
ubica una membrana separadora en la parte
inferior del tubo, e inmediatamente debajo de ella
se encuentra el cátodo. En general, esta
configuración presenta altos valores de
resistencia interna ya que la distancia de
transporte promedio recorrida por un protón
desde hasta el cátodo es relativamente larga, lo
que se puede traducir en pérdidas por transporte
y por tanto, menores densidades de potencia [9].
Figura 1: Configuración tubular de una P-MFC. Donde
A es el ánodo, C el cátodo, M la membrana y d
an
es la
distancia promedio entre el ánodo y membrana [9].
En cuanto a la configuración de placa plana
(Figura 2), el ánodo y el cátodo son placas
ubicadas uno junto a la otra, por lo que la
distancia desde el ánodo hasta el cátodo es
menor en comparación con la configuración
tubular, y solo están separadas por la membrana
iónica, sin embargo, este último no es
indispensable para el funcionamiento del sistema.
Este hecho permite establecer dos tipos de
celdas dentro de la configuración de placa plana
cuya principal diferencia se basa en el uso de la
membrana para separar la celda en dos
secciones diferentes, en caso contrario, se trata
de una celda compacta en un solo compartimento
[9].
Figura 2: Configuración de placa plana de una P-MFC.
Donde A es el ánodo, C el cátodo, M la membrana y
d
an
es la distancia promedio entre el ánodo y
membrana [9].
Cuando se hace uso de la membrana se suele
disponer el ánodo bajo la tierra junto al sistema
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radicular de la planta, mientras el cátodo se
sumerge en agua contenida en otro
compartimiento para proveer oxígeno al sistema a
través del oxígeno disuelto en conformidad con la
semirreacción catódica. En realidad, esta
configuración posee las ventajas que trae consigo
el uso de la membrana, pero las pérdidas por
evaporación se convierten en un factor importante
sobre el desempeño al poseer dos
compartimentos diferentes en la celda. En la parte
del ánodo la pérdida de agua es causada por la
demanda de agua por las raíces y la evaporación
de la superficie del agua, mientras que en la parte
del ánodo la pérdida es sólo por evaporación,
siendo necesaria la reposición regular del agua
[7].
Figura 3: Esquema en una P-MFC con configuración
de placa plana con membrana en dos compartimentos
separados por una membrana [5].
En el caso donde se omite el uso de la membrana
(Figura 4), ambos electrodos se suelen ubicar en
el sistema radicular de la planta bajo la tierra, por
lo cual la celda estaría conformada por un único
compartimento. Esta tierra en el seno de la celda
cumple la función de la membrana y a la vez
representa el medio de difusión iónico, por tanto,
el rendimiento de la P-MFC estaría dado por la
conductividad de dicho electrolito en estado sólido
y su vez, a la resistencia interna de la misma. No
obstante, las ventajas de emplear esta
configuración radican en los bajos costos,
facilidad en la construcción de las celdas y mayor
versatilidad en cuanto a su aplicabilidad.
Figura 4: Esquema en una P-MFC de musgo con
configuración de placa plana sin membrana en un
único compartimiento
ii. MATERIALES Y MÉTODOS
Para el diseño de la celda de combustible
microbiana-vegetal se tomó en cuenta la
configuración adoptada por diferentes autores al
momento de llevar a cabo investigaciones
experimentales recalcando el uso de especies de
fácil adquisición para la construcción de las
celdas y el valor del voltaje obtenido. Para
caracterizar los puntos más importantes de dichas
investigaciones, se elaboró una tabla comparativa
de las celdas construidas en función la
configuración adoptada, condiciones de operación
y resultados obtenidos en términos del voltaje,
para facilitar la selección y justificación del diseño.
Se definió el diseño de la celda microbiana-
vegetal a partir de investigaciones previas y
material disponible para la determinación
experimental del voltaje asociado a una especie
en particular. Para ello, se tomaron en cuenta los
procedimientos experimentales realizados en
“Electricidad a partir de plantas vivas” [10], donde
fueron empleadas plantas de Maíz (Zea mayz),
Geranio (Geraium), Fitonia (Fittonia) y Corazón
de Jesús (Caladium andreanum), y “Generación
de electricidad a base de fotosíntesis” [11], donde
se estudió la producción de energía utilizando
Sábila (Aloe vera), Lengua de tigre (Dracaena
trifasciata), Citronela (Cymbopogon nardus) y
Gazania (Gazania), en adición de otras
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investigaciones que se reflejan en la literatura.
Adicionalmente, se tomaron como referencia las
configuraciones adoptadas en términos de
construcción bajo el esquema de las celdas de
combustible microbianas-vegetal a partir de la
bibliografía, abarcando la ubicación de los
electrodos y el material base de los mismos, uso
de una membrana o separador y los efectos de
estos parámetros sobre el voltaje de acuerdo con
el trabajo “Potenciales anódicos, generación de
electricidad y comunidad bacteriana afectados por
la planta raíces en celdas de combustible
microbianas de sedimentos: Efectos de las
ubicaciones de los ánodos” [12].
Con el fin de evaluar la repetitividad y
reproducibilidad de las mediciones, se trabajó por
duplicado cada especie seleccionada con la
finalidad de comparar si existiese algún cambio
entre las dos muestras de la misma planta en
función del voltaje. También se construyó una
celda en blanco, es decir, sin planta alguna en el
sistema, para cuantificar el voltaje producido bajo
el esquema de una celda de combustible
microbiana con el mismo sustrato empleado en
cada P-MFC.
Dada la necesidad de asegurar las mismas
condiciones de operación para todas las celdas,
el sustrato de la P-MFC donde crecen las plantas
y se ubican los electrodos, se preparó como una
mezcla de 50% tierra y 50% de abono en la
mayor medida de lo posible. Asimismo, todas las
plantas fueron regadas dos veces al día, en la
mañana y en la tarde, con 50 ml de agua, a
excepción del musgo, que además del riego con
los 50 ml de agua, se mantuvo húmedo mediante
un rociador de agua, lo cual no supondría una
diferencia en las condiciones de operación con
respecto a las demás especies, puesto que se
trata de un agua superficial cuya adición no
afectaría el sistema interno de la celda.
Inicialmente se cultivaron las plantas en macetas
separadas con antelación a la construcción de las
P-MFCs, mientras que el musgo fue adquirido de
un vivero local. Luego, cada muestra fue
trasplantada a cada contenedor que sirvió como
recintos de las celdas.
Para la construcción de las celdas de combustible
se reunieron envases plásticos reciclados de
polietileno tereftalato (PET), material mayormente
utilizado para envases desechables comerciales,
ya que es un material inerte y altamente
resistente a la degradación ambiental [13], los
cuales fueron ajustados a las especificaciones del
diseño planteado.
Después de ser construidas las celdas, se les
permitió a las plantas, y por tanto a la comunidad
bacteriana alrededor de los electrodos,
acondicionarse en el recinto antes de llevar a
cabo las mediciones continuas.
Para el registro del voltaje se realizaron
mediciones manuales empleando un multímetro
DT9208A, cuya apreciación es de ±0,5%. Las
mediciones fueron tomadas cada 6 horas durante
7 días continuos. Al cabo de ese tiempo se realizó
un seguimiento del voltaje sin un patrón en
específico de medición con la finalidad de
observar la tendencia en distintos periodos del día
y poner en evidencia la evolución del sistema
para cada celda.
Finalmente, la evaluación de las P-MFCs se
realizó en función de los valores del voltaje
registrados para cada una de las muestras
correspondientes a las especies de trabajo.
Además, se determinó la resistencia interna de
cada celda como un parámetro para caracterizar
el desempeño del diseño al comparar los datos
de corriente y voltaje medidos al adicionar en
serie una resistencia conocida con respecto al
voltaje en vacío de la fuente, es decir, sin el
efecto del resistor [14]. Para ello se utilizaron las
siguientes ecuaciones:
(1)
(2)
Donde
Rint: resistencia interna de la batería en Ohm.
V0: voltaje de la batería en vacío en V.
Vc: voltaje de la batería con la carga aplicada en
V.
Rc: resistencia de la carga aplicada en Ohm.
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I: intensidad de corriente suministrada por la
batería con la carga en A.
iii. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación, la tabla I resume los aspectos
más importantes en términos de configuración,
condiciones de operación y resultados obtenidos
en diferentes estudios, cuyas características se
tomaron en cuenta para la elaboración del diseño
de la celda y su construcción.
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Tabla I. Resumen de celdas microbianas construidas por diferentes investigadores.
Investigación
Configuración
Condiciones de operación
Resultados
Electricidad a partir de
plantas vivas [10]
Celda compacta, ánodo de zinc
y cátodo de cobre, ambas
contenidas en la tierra del
recinto.
No hay mención sobre el
material de la celda ni el
volumen exacto de la misma.
Plantas de Geranio, Maíz, Fitonia y
Corazón de Jesús.
Ánodo: clavos de Zinc en serie
Cátodo: placa circular de cobre de
4,2 cm de diámetro.
Membrana de agar-agar y potasio
Obtención del voltaje para cada
especie durante 4 días
Geranio: 0,78 V
Maíz: 0,78 V
Fitonia: 0,88 V
Corazón de Jesús: 0,98 V
Potenciales anódicos,
generación de
electricidad y comunidad
bacteriana afectados por
la planta
raíces en celdas de
combustible microbianas
de sedimentos: Efectos
de las ubicaciones de los
ánodos [12]
Celda compacta, con el ánodo
ubicado en diferentes
profundidades bajo tierra, y
cátodo sumergido en el agua
acumulada sobre la superficie
de la tierra.
La celda se basó en un cilindro
de vidrio con 7cm de diámetro
interno y 15 cm de altura.
Planta de
Acorus tatarinowii
Ánodo: placa circular de grafito
con 5,8 cm de diámetro.
Cátodo: placa rectangular de
grafito (3 x 8,6 x 0,5 cm), revestido
con Pt.
Sin uso de membrana
Influencia de la locación del ánodo
(perfiles de oxígeno, efecto de las
raíces de las plantas en la
generación de electricidad, efecto
de las raíces podridas, análisis de
la comunidad bacteriana)
Voltaje generado de 0,70-0,80 V
Generación de
electricidad a base de
fotosíntesis [11]
Celda compacta, anodo y
catodo contenidas en la tierra.
No hay mención sobre el
material empleado para la
fabricación de las celdas, ni de
su capacidad volumétrica.
Plantas de
Sábila, Lengua de Tigre, Citronela
y Gazania.
Ánodo: Desconocido
Cátodo: Desconocido
No hay mención sobre el uso de
una membrana
Obtención del voltaje para cada
especie durante 6 días
Sábila: 0,43-0,80 V
Lengua de tigre: 0,21-0,53 V
Citronela: 0,67-0,74 V
Gazania: 0,78-0,95 V
Análisis eléctrico de pila
de combustible
microbiana en fase sólida
con compost [15]
Celda de compacta con ánodo
en el fondo de la cámara y
cátodo enterrado a lo largo de la
superficie de contacto entre los
sustratos y el aire (celda en fase
sólida).
Celda con placas acrílicas, de
5cm de largo, 5cm de ancho y
7cm de alto, y 200 mL de
capacidad.
No se utilizaron plantas.
Ánodo y cátodo de fieltro de
carbono previamente preparados
con peróxido de hidrógeno al 10%
a 90ºC durante 3 horas (4 x 4 x 0,5
cm).
Sin membrana
Efecto de diferentes sustratos en
el rendimiento eléctrico de la celda
microbiana (MFC) con y sin la
adición de bioenzimas.
Se obtuvo un voltaje máximo de
605 mV con la adición de bio-
enzimas, mientras que para la
celda sin la adición de enzimas fue
de 200 mV.
Producción de
electricidad verde con
plantas vivas y bacterias
en una pila de
combustible [7]
Celda de combustible dividida
en dos compartimientos
separados por la membrana.
Se construyeron celdas a partir
de un cilindro de vidrio con un
diámetro de 3,5 cm y 30 cm de
altura.
Planta Glyceria maxima
Ánodo: fieltro de grafito en la parte
inferior (3,5 cm de diámetro y 3
mm de espesor)
Cátodo: lámina de fieltro de grafito
(8 x 8 cm y 3 mm de espesor)
Membrana de intercambio
catiónico FuMA-Tech con un área
de superficie de 8,5 cm
2
Obtención del potencial de la celda
y para los electrodos por
separado, después de haber
preparado la tierra añadiendo
elementos nutritivos para la planta
y favoreciendo a los
microorganismos.
Voltaje obtenido de 217 mV
(planta-MFC 2, día 66) y 253mV
(planta-MFC 1, día 72)
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A partir de las configuraciones propuestas en la
revisión bibliográfica, se tomó como base la
configuración de placa plana sin el uso de una
membrana, al igual que las investigaciones [15] y
[12]. La configuración de placa plana posee una
distancia media menor en cuanto al recorrido de
los protones desde el ánodo al cátodo en
comparación con la configuración tubular, lo que
se traduce en menores pérdidas. Además, se
decidió omitir el uso de un separador con la
finalidad de disminuir los costos de fabricación
bajo el enfoque de proponer una alternativa
energética accesible y al alcance de cualquiera
sopesando la posibilidad de no contar con un
componente especializado como lo es una
membrana de intercambio iónico.
Asimismo, a pesar de sus puntos débiles de la
configuración de placa planta en cuanto a la
difusión de los iones en el medio u intrusión de
agentes oxidantes, se le dio importancia a la
mitigación de la resistencia interna de la celda
debido al efecto de la presencia de las raíces de
la planta al excretar materia orgánica en el medio
[12]. De hecho, al omitir el separador la celda se
puede construir como un único compartimiento
para ambos electrodos, lo que le confiere mayor
versatilidad bajo condiciones de diseño
orientadas a su fácil aplicación y fabricación para
la puesta en práctica.
Se seleccionaron electrodos de grafito por ser
ampliamente utilizados bajo el esquema de las P-
MFCs, además de poseer una alta porosidad, lo
cual conlleva una amplia superficie de contacto
para la colonización bacteriana. Por otro lado, en
cuanto a la separación entre el ánodo y el cátodo,
y la distancia con respecto a superficie del
sustrato, se planteó ubicar el primer electrodo
entre 7,5-8,5 cm por debajo de la superficie de la
tierra, mientras el segundo electrodo se ubicó a 7
cm de distancia del ánodo, es decir, entre 14,5-
15,5 cm de profundidad con respecto a la
superficie (Figura 5).
Figura 5: Diseño propuesto para la construcción de las
P-MFCs.
El suministro de agua se estableció como una
condición común para todas las celdas, de 50 mL.
Sin embargo, también se consideró la
dependencia de las plantas ante la necesidad de
la presencia humana para el regado. Para mitigar
esta dependencia y acercar el sistema a las
condiciones de encharcamiento de la
configuración de placa plana separado en dos
compartimientos, el envase fue dividido
transversalmente con la finalidad de obtener
secciones con usos diferentes: un compartimiento
inferior destinado para ser utilizado como una
reserva con al menos 1L de agua, en el que
además se depositó el agua adicionada mediante
el regado en la superficie; y un compartimiento
superior en el cual se ubicó la planta junto con los
demás componentes de la celda. Gracias a esto,
la propia planta contó con un suministro adicional
de agua para su desarrollo debido a la propiedad
de adhesión o capilaridad del agua, permitiendo
que las moléculas del fluido se adhieran a las
fibras de un cordón colocado entre ambos
compartimientos con la función de ser el puente
entre ambas secciones y el transporte del agua
hacia la tierra en el envase superior [16].
Para los electrodos se dispusieron láminas de
fieltro de grafito de 4 x 4 x 0,3 cm, las cuales
fueron acopladas a 15 cm de cableado calibre 12.
Para cada conexión se expusieron 4 cm del cobre
en su interior, dicha sección de cobre expuesta
fue destinada a atravesar los 0,3 cm de espesor
de cada electrodo a modo de abarcar su ancho y
servir como la superficie intermediaria entre el
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grafito y el resto del cableado. En el extremo
opuesto de la conexión, el extremo externo, se
tomaron 1,5 cm de longitud para exponer otra
sección de cobre con la finalidad de contar con un
punto de contacto al momento de medir el voltaje.
Los electrodos fueron ubicados de acuerdo con el
diseño planteado con 7 cm de separación entre
sí, a excepción de las muestras 1 y 2 de musgo
donde los electrodos se colocaron a 7 y a 5,5 cm
respectivamente bajo la idea de verificar que tan
beneficioso es disminuir la distancia entre los
electrodos con tal de disminuir la resistencia
interna de una P-MFC. En realidad, para contar
con más información sobre ello, se construyó una
tercera celda con musgo, cuyo diseño no se basó
en el aplicado para las celdas en general, sino
que los electrodos que lo integran se ubicaron a 1
cm de separación y el musgo se colocó
directamente sobre el ánodo, separados
simplemente por la capa de lodo donde creció el
musgo antes de su adquisición. Esta tercera
celda con musgo también se empleó para
verificar si el agua depositada en el
compartimiento inferior del diseño se trataba de
una solución electrolítica con una alta presencia
de bacterias electroquímicamente activas y de
elementos iónicos. Para ello se expuso el ánodo
al retirar la capa de musgo, se midió el voltaje en
ese momento y luego se vertió parte de dicha
solución sobre al ánodo para ir registrando la
variación del voltaje, e inclusive, se repitió el
mismo procedimiento empleando agua potable
para comparar el comportamiento evidenciado
con el agua depositada con respecto al
comportamiento producido a partir de una
solución libre de los desechos de la celda.
En cuanto a la distancia entre el primer electrodo
y la superficie de la tierra, se había estimado
construir celdas de hasta 20 cm de altura con
respecto al diseño planteado, pero la distancia en
cuestión debió ser ajustada con el fin de evitar el
contacto directo entre la superficie del ánodo y las
raíces de cada planta [12], por lo que el primer
electrodo se ubicó a 9 cm por debajo de la
superficie a excepción del musgo, ubicado a 7
cm, como se muestra en la tabla II.
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Tabla II. Parámetros de diseño asociados a las celdas construidas.
Especie
Nro.
Distancia entre el
ánodo y la
superficie del
sustrato (cm)
Distancia entre
los electrodos
(cm)
Dimensiones
del
compartimient
o superior
Material de los
electrodos y
dimensiones
Material de la
celda
Sábila
1
9,0
7,0
19,5 cm de
altura
15,5 cm de
diámetro
Lamina de grafito
de 4x4 cm
PET
2
Maíz
1
9,0
7,0
19,5 cm de
altura
15,5 cm de
diámetro
Lamina de grafito
de 4x4 cm
PET
2
Musgo
1
7,0
7,0
19,5 cm de
altura
15,5 cm de
diámetro
Lamina de grafito
de 4x4 cm
PET
2
7,0
5,5
3
1,0
1,0
3,0 cm de
altura
14,5 cm de
diámetro 1
En blanco
1
9,0
7,0
19,5 cm de
altura
15,5 cm de
diámetro
Fieltro de grafito
(4x4 cm)
Lamina de
grafito
de 4x4 cm
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Por otro lado, la tabla III resume los voltajes
obtenidos frente a los esperados según la
biografía. También se muestran algunos
parámetros asociados a la medición del voltaje,
además de la resistencia interna determinada a
partir de las ecuaciones 1 y 2.
Tabla III. Tabla comparativa entre el voltaje obtenido y el reportado en investigaciones previas.
Especie
Nro
Voltaje
promedio
(mV)
Desviación
estándar del voltaje
Rango del
voltaje (mV)
Resistencia
interna (Ohm)
Voltaje según
la bibliografía
(mV)
Sábila
1
141,21
107,52
1,10-587,00
1,24.10
6
615,00
2
127,62
49,35
38,50-198,00
1,77.10
5
Maíz
1
62,23
34,35
28,60-233,00
1,79.10
5
780,00
2
60,63
43,20
12,30-194,20
1,62.10
5
Musgo
1
390,87
296,07
28,20-884,00
2,33.10
5
500,00
2
439,42
224,46
60,90-699,00
2,01.10
5
3
33,17
14,99
10,40-52,80
2,09.10
5
En blanco
1
23,85
24,19
1,20-24,19
1,64.10
5
200,00
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Para evaluar de forma objetiva el desempeño del
diseño en términos del voltaje, fue necesario
considerar la influencia del ambiente sobre el
estado de la planta, como la temperatura, además
de factores internos en la celda: el oxígeno
disuelto, la influencia de la ubicación del ánodo, el
efecto de las raíces de las plantas y la resistencia
interna.
Sábila
Figura 6: Voltaje generado por las P-MFCs con las
muestras 1 y 2 de sábila
De acuerdo con la figura 6, se puede apreciar un
aumento del voltaje para ambas muestras en
conformidad con la colonización del ánodo. Sin
embargo, la muestra 1 sufrió una caída abrupta
de voltaje en coincidencia con el cambio de agua
del compartimiento inferior luego de la medición
36 (día 11), lo cual sugiere que el sistema pudo
haber sido perturbado en cuanto al oxígeno libre
o al disuelto en el agua residual sobre la
comunidad bacteriana, e inclusive, el oxígeno
posee una gran capacidad de oxidación,
convirtiéndose en el aceptor final de electrones. A
partir de ahí, el agua depositada no fue cambiada
nuevamente, a la vez que el voltaje de la muestra
1 comenzó a aumentar nuevamente hasta
alcanzar un máximo en la medición 63 (día 56).
Por otro lado, la muestra 2 no sufrió una caída de
voltaje después de cambiar el agua residual por
agua potable, y aunque se puede deber a una
comunidad bacteriana mejor establecida en dicha
muestra, a partir de ahí se observó una leve
tendencia de disminución en los valores del
voltaje de dicha muestra. Inclusive, la resistencia
de la P-MFC con la muestra 2 fue de 1,77x10
5
Ω,
mientras la resistencia interna correspondiente a
la muestra 1 fue de 1,24x10
6
Ω, en otras
palabras, en la celda con la muestra 1 hay mayor
dificultad en términos de difusión iónica, y al paso
de los electrones, para que la celda entregue
mejores valores de voltaje.
Maíz
Figura 7: Voltaje generado por las P-MFCs con las
muestras 1 y 2 de maíz
Aunque no existe una gran diferencia entre las
medias del voltaje de ambas muestras, las
tendencias observadas para cada una de ellas en
la figura 23 poseen comportamientos diferentes
(Figura 7). La muestra 1 presentó un incremento
del voltaje hasta 115,50 mV en el número de
medición 11 (día 4), a partir de allí el voltaje
comenzó a decaer levemente. En cambio, la
muestra 2 osciló un poco para luego mostrar un
incremento sostenido del voltaje en el transcurso
de la investigación. Sin embargo, cabe resaltar
que ambas plantas de maíz fueron reemplazadas
en la fecha correspondiente a la medición 15-16
(día 6) ya que presentaban signos de sequía en
sus hojas, lo que sugiere que plantas no pudieron
adaptarse adecuadamente en la celda. De hecho,
al trasplantar las muestras de maíz al momento
de construir ambas celdas hubo complicaciones
con respecto a liberar las raíces de la tierra donde
fueron cultivadas inicialmente, se trataba de un
sistema radicular bastante entretejido entre la
tierra y compuesto principalmente por raíces finas
y delicadas, por lo que no se descarta la
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posibilidad de haber dañado las raíces de ambas
muestras al momento de transplantarlas,
afectando el sistema de suministro de agua de la
planta y por lo tanto, afectando su capacidad para
abastecerse de dicho fluido. Por último, las
nuevas plantas de maíz demostraron adaptarse
bien al sistema y siguieron creciendo en buen
estado, a la vez que hubo una mejora en el
voltaje.
Aunque no existe una gran diferencia
entre los promedios muestrales, se considera que
la muestra 2 tuvo un mejor desempeño en cuanto
al comportamiento del voltaje producido en
comparación con la muestra 1, este hecho
pudiera asociarse a que la muestra 2 tuvo una
resistencia interna de 1,62x10
5
Ω, mientras la
celda de la muestra 1 tuvo una Rint de 1,79x10
5
Ω.
Musgo
Figura 8: Voltaje generado por las P-MFCs con las
muestras 1 y 2 de musgo
A groso modo, como puede apreciarse en
la figura 8, las celdas con las plantas de musgo
generaron mayores valores de voltaje a lo largo
de la investigación. El hecho de mantener
húmeda la superficie del musgo pudiera haber
creado una capa de agua cuya presencia limitó el
acceso del oxígeno desde la superficie hacia el
ánodo, reduciendo así la posibilidad de que el
oxígeno haya actuado como aceptor final de los
electrones, traduciéndose en mayores valores de
voltaje.
Tomando como referencia los valores
registrados, se puede concluir que la muestra 1
mantuvo un mejor desempeño en términos del
voltaje, pero su comportamiento no fue del todo
constante, al contrario, sufrió una caída desde la
medición 32 (día 10) hasta la 42 (día 13), periodo
en el cual se sustituyó el agua depositada en el
compartimiento inferior, siendo desconocida
cuánta influencia pudo haber tenido el oxígeno
disuelto en el agua depositada al ser cambiada.
Luego se recuperó volviendo a generar altos
voltajes, pero al haber sido sometida a estrés por
deshidratación, se registraron valores sin
tendencia alguna. En contraste, la muestra 2
mantuvo un comportamiento estable a lo largo de
la investigación, apreciándose un crecimiento
progresivo del voltaje, sin embargo, al haber sido
sometida a la escasez de agua, se registraron
valores impredecibles hasta decaer al igual que la
muestra 1.
Además, la muestra 2 presentó una resistencia
interna de 2,01x10
5
Ω, mientras la celda
correspondiente a la muestra 1 presentó una
resistencia interna de 2,33x10
5
Ω. Estos valores
explican por qué la celda con la muestra 2
presentó un mayor valor puntual de voltaje en
comparación con la muestra 1, y encaja con la
hipótesis de que al disminuir la distancia entre los
electrodos disminuye la resistencia interna de la
celda, de hecho, se puede decir que la muestra 2
tuvo menores dificultades en torno a la resistencia
del medio interno.
Por otra parte, para evaluar el efecto de la
posición de los electrodos se construyó una
tercera celda con musgo cuya construcción se
basó en la determinación de la resistencia interna
con una separación de entre los electrodos de 1
cm, en lugar de los 7 y 5 cm ajustados en las
muestras 1 y 2 del musgo. No obstante, se puede
decir que los bajos valores registrados para la
muestra 3, en comparación con las muestras 1 y
2, radican en el poco tiempo que tuvo la
comunidad bacteriana para colonizar el electrodo,
además, al colocar al musgo casi sobre la
superficie del ánodo se limitó en gran medida el
espacio donde pudieran haberse acumulado los
rizodepositos a degradar por los
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microorganismos. Por tanto, se muestra la figura
9 con los sus valores respectivos.
Figura 9: Voltaje generado por la celda
correspondiente a la muestra 3 de musgo
Al determinar experimentalmente la
resistencia interna de la celda con la muestra 3 se
obtuvo un valor de 2,09x10
5
Ω, similar a la
muestra 2. Por ello, se podría decir que, al
disminuir la separación entre los electrodos, para
a su vez reducir la resistencia interna, se alcanzó
un límite mínimo, y su vez, ello pudiera no
apreciarse a distancias muy cortas con el
procedimiento llevado a cabo mediante las
ecuaciones.
En añadidura, la P-MFC con la muestra 3 se
sometió a dos pequeñas pruebas con la finalidad
de describir el contenido del agua residual
depositada en el compartimiento inferior. Esta
agua adquirió una coloración marrón, debido al
agua proveniente del regado en contacto con la
mezcla tierra-abono, y comenzó a emanar un olor
levemente fétido. Por lo cual, se intuía la
presencia de desechos orgánicos,
microorganismos y iones, en otras palabras, se
quiso comprobar si se trataba de una solución
altamente conductora con buenas propiedades
electrolíticas.
Para ello, se retiró el musgo de la celda dejando
al descubierto la superficie del ánodo y luego se
vertió sobre la superficie del electrodo un poco del
agua residual para comparar la variación del
voltaje frente al valor inicial antes de la prueba,
como se muestra en la siguiente figura 10.
Figura 10: Voltaje generado por la celda
correspondiente a la muestra 3 de musgo durante la
prueba con agua depositada.
De acuerdo con la figura 10, la celda partió de un
valor de voltaje inicial, 21,90 mV, y al adicionarle
el agua residual presentó un incremento de
voltaje, hasta 34,40 mV, luego disminuyó hasta
mantenerse cercano a los 29,5 mV. En resumen,
la celda mejoró su desempeño en comparación
con el voltaje reportado antes de la prueba, y
luego se mantuvo estable en el valor de 30 mV
(±14,99) superior a la inicial, lo que sugiere dos
posibilidades: la primera, se le suministro al
electrodo una solución cargada iónicamente, la
segunda, perturbar el sistema pudo haber
estimulado alguna carga ajena a los filamentos
del conductor. Sin embargo, serían requeridos
estudios más especializados para validar la
presencia de microorganismos en el agua.
Luego se realizó la adición de agua potable sobre
el electrodo bajo el mismo procedimiento
experimental para contar un patrón de
comparación, obteniéndose los resultados
evidenciados en la figura 11.
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Figura 11: Voltaje generado por la celda
correspondiente a la muestra 3 de musgo durante la
prueba con agua potable.
Antes de verter el agua potable sobre el
electrodo, el voltaje inicial fue de 38,40 mV, luego,
al adicionar el agua, el voltaje aumento un poco
por la perturbación del sistema debido a que
luego decayó entre valores erráticas de valores
en menos de un minuto, para finalmente
establecerse alrededor del 24,00 mV y luego
decaer lentamente. A partir de esto, la prueba con
agua potable sirvió para reforzar la idea de
considerar al agua residual como una solución
altamente conductora con buenas propiedades
electrolíticas, e inclusive, para confirmar la
presencia de bacterias electroquímicamente
activas producto de la mezcla tierra-abono.
Figura 12: Voltaje generado por la celda en blanco
(MFC).
De acuerdo con la figura 12, se observa que el
voltaje en la celda en blanco partió desde un valor
inicial de 71,10 mV, luego mostró signos de
oscilar para después decaer gradualmente. Los
altos valores de voltaje registrados al inicio de las
mediciones están asociados a la materia orgánica
presente al momento de preparar la mezcla de
tierra y abono, y luego ocurrió una disminución
paulatina del voltaje bajo la hipótesis de
consumirse la biomasa necesaria para que la
comunidad bacteriana rindiera en su función
generadora de electrones conforme metabolizan
su propio alimento. A partir de la medición 47 (día
22) se evidenció un aumento del voltaje, en otras
palabras, de alguna manera el sistema pudo
superar las condiciones adversas para la
producción de energía eléctrica, probablemente
también se trate de una hidrolización de raíces
muertas presentes al momento de elaborar el
sustrato para la celda, y en el tiempo donde se
registró la caída del voltaje se hubieron estado
descomponiendo compuestos complejos a
compuestos de bajo peso molecular hidrolizados
de la celulosa favoreciendo la aparición de
rizodepósitos disponibles para el metabolismo
bacteriano [12].
Adicionalmente, se considera que la celda en
blanco produjo bajos valores de voltaje en
comparación con su homólogo teórico donde se
alcanzó un voltaje máximo de 200 mV. Estos
bajos valores obtenidos se pueden justificar si se
considera que esta celda, no posee los beneficios
del efecto de las raíces de las plantas en cuanto a
la mitigación de la resistencia interna, además de
la composición química del sustrato mismo. De
hecho, se determinó de forma experimental el
valor de su resistencia interna de 1,65x10
5
Ω,
resultando ser una resistencia menor a la
obtenida en las celdas construidas donde se
incluyó una planta. En ese sentido, se podría
pensar que la resistencia interna de una MFC es
menor a la resistencia interna de una P-MFC,
puesto que en un principio la planta misma junto a
su sistema radicular pudiera representar una
contribución sobre la resistencia interna.
iv. CONCLUSIONES
En general, aunque el diseño propuesto
contempló parámetros empleados en
investigaciones anteriores, como la ubicación de
los electrodos y grafito como material base de los
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mismos, además de demostrar ser de fácil
aplicabilidad y accesibilidad con respecto a su
construcción y costos asociados; plantear una
configuración con dos posibles vías de acceso a
favor de agentes oxidantes, como lo es el
oxígeno, resulta poco beneficioso. En otras
palabras, la configuración planteada presentó una
alta influencia ante la intrusión del oxígeno por
medio del compartimiento inferior por parte del
oxígeno disuelto, y a través de la superficie de la
tierra por el oxígeno libre.
No obstante, el diseño basado en omitir el uso de
una membrana de intercambio iónico demostró
ser factible en la práctica considerando que se
obtuvieron valores de voltaje comparables a las
investigaciones previas, especialmente en torno
al musgo. En este sentido, la configuración de
placa plana sin incluir un separador puede
representar una oportunidad para mitigar la
ausencia de energía eléctrica en sectores donde
predomina la presencia de las plantas. Y
adicionalmente, una mayor accesibilidad del
esquema de las celdas de combustibles
microbianas-vegetal puede conllevar el darles un
rol protagónico a las plantas en la cotidianidad del
día a día contribuyendo con la dimisión del CO
2
presente en exceso en la atmósfera, y a su vez,
con el futuro por el que debemos apostar.
v. RECOMENDACIONES
En principio se recomienda establecer
diseños donde la configuración no permite la
intrusión de agentes externos hacia el seno de la
celda, ya sea oxígeno atmosférico y el oxígeno
disuelto en agua. Adicionalmente, la ubicación de
los electrodos y el material de estos, son factores
importantes para considerar, por lo que se
recomienda estudiar a fondo el efecto de emplear
distintos materiales y determinar a fondo la
ubicación óptima de los mismos en función del
tamaño de la celda y las raíces de las plantas.
Además, para futuros trabajos se recomienda
verificar el efecto de la composición química del
sustrato con respecto a minerales y nutrientes en
la tierra sobre el voltaje entregado por la celda.
Por último, dada la gran influencia del
ambiente sobre el estado de las plantas, y a la
larga sobre el desempeño de la celda a la larga,
es recomendable prever el uso de plantas acorde
a la temporada y a las condiciones climáticas
adecuadas para su crecimiento.
vi. AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar su más profundo
agradecimiento hacia la Dra. María Eugenia
Álvarez por su guía, apoyo y disposición durante
el desarrollo del presente trabajo investigativo.
vii. REFERENCIAS
[1] O. Ellaban, H. Abu-Rub, F. Blaabjerg, “Renewable
energy resources: Current status, future prospects
and their enabling technology”, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, vol. 39, no. 1, pp.
748-764, August 2014.
[2] J. Greenblatt, N. Brown, R. Dlaybugh, T. Wilks, E.
Stewart, S. McCoy, “The future of low-carbon
electricity”, Annual Review of Environment and
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RAYMOND DANIEL RODRÍGUEZ MARTINEZ
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Revista TEKHNÉ Nº 27.1
Semestre septiembre-enero 2024
ISSN electrónico: 2790-5195
ISSN: 1316-3930
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