Evaluación de la
eficacia de las biobaterías en la generación de
energía eléctrica
Evaluation of the effectiveness of biobatteries in generating electrical energy
Edw Shandey Santa Cruz Camara 1,a, Donetsi Mercedes
Pando Ibarra 1,a, Michelle Jeftzibá Moreno
Ríos 1,a, Estéfano Marcelo Infante Morales 1,a
Filiación y grado académico
- Ministerio de Desarrollo Agrario y Riego,
Huánuco, Perú.
- Estudiante de Ingeniería Ambiental
Autor 1: Edw Shandey Santa Cruz Camara
edwshandeysantacruzcamara@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0009-0008-3127-6495
Autor 2: Donetsi Mercedes Pando Ibarra
donetsipando@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0009-0002-2387-0060
Autor 3: Michelle Jeftzibá Moreno Ríos
mijemr17@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-4008-2569
Autor 4: Estéfano Marcelo Infante Morales
Makarov_15_@hotmail.com
ORCID:
https://orcid.org/0009-0002-3070-0916
EMI:
diseño experimental, recolección de datos y redacción del artículo.
MJM:
procesamiento de datos, análisis de resultados y revisión final del manuscrito.
ESC:
construcción del prototipo y trabajo de laboratorio.
DPI:
revisión bibliográfica y elaboración de figuras y tablas.
Fuentes de financiamiento
La
investigación fue realizada con recursos propios.
Conflictos de interés
Los
autores declaran no tener conflictos de interés.
Aspectos éticos
Este
estudio no involucró experimentación con seres humanos ni animales; por lo
tanto, no requirió de aprobación por parte del comité de Ética.
Agradecimientos
Niler
Rosario, Chahua García
niler.chahua@udh.edu.pe
ORCID:
0000-0003-3517-5751
RESUMEN
El
crecimiento de la demanda energética y la dependencia de combustibles fósiles
representan desafíos ambientales significativos, especialmente en comunidades
rurales con acceso limitado a la energía. En este contexto, las biobaterías basadas en celdas de combustible microbianas
(CCM) surgen como una alternativa sostenible para la generación de energía
eléctrica. El objetivo del siguiente estudio fue evaluar la eficacia de las biobaterías en la generación de energía eléctrica mediante
CCM. Se realizó un estudio de tipo experimental con enfoque cuantitativo y
alcance explicativo. Se utilizaron CCM elaboradas con electrodos de grafito y
sustratos orgánicos locales. Se emplearon instrumentos, como multímetros
digitales y espectrofotómetros UV-Vis, para registrar y medir la energía
eléctrica a través del voltaje, la corriente y el análisis del sustrato. Los
resultados revelaron que las biobaterías generan un
voltaje promedio de 0,7 a 1,2 V en condiciones controladas. Se observó que
variables, como el tipo de electrodo, influyen ligeramente en el rendimiento
del sistema. La generación de energía fue estable durante cinco semanas. Se
concluye que las biobaterías muestran una alta
eficacia en la generación de energía eléctrica bajo condiciones experimentales,
siendo viables para su implementación en zonas rurales como solución energética
sostenible.
Palabras
clave: bacteria; eficacia; electrolisis; combustible;
voltaje
ABSTRACT
The
growth in energy demand and dependence on fossil fuels represent significant
environmental challenges, especially in rural communities with limited access
to energy. In this context, biobatteries based on
microbial fuel cells (MFCs) emerge as a sustainable alternative for power
generation. The objective of the following study was to evaluate the effectiveness
of biobatteries in the generation of electric energy
by means of MCC. An experimental study with a quantitative approach and
explanatory scope was carried out. MCCs made with graphite electrodes and local
organic substrates were used. Instruments such as digital multimeters
and UV-Vis spectrophotometers were used to record and measure electrical energy
through voltage, current and substrate analysis. The results revealed that the biobatteries generate an average voltage of 0.7 to 1.2 V
under controlled conditions. Variables, such as electrode type, were found to
slightly influence system performance. Power generation was stable for five
weeks. It is concluded that the biobatteries show a
high efficiency in the generation of electric energy under experimental
conditions, being viable for their implementation in rural areas as a
sustainable energy solution.
Keywords: bacteria;
efficacy; electrolysis; fuel; voltage.
INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas, el incremento sostenido de la
demanda energética ha generado una fuerte dependencia de fuentes no renovables,
como los combustibles fósiles. Según Osman et al.
(2022), el uso continuado de combustibles fósiles ha sido responsable de más
del 75 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero y del 90 %
del CO₂, lo que genera
contaminación en el aire, suelo y agua, y refuerza la fuerte dependencia
energética de fuentes no renovables. Este escenario ha incentivado la búsqueda
de tecnologías limpias y sostenibles para la generación de energía. Una de las
alternativas emergentes son las celdas de combustible microbianas (CCM),
también conocidas como biobaterías, que permiten
producir electricidad a partir de la actividad metabólica de microorganismos
que degradan la materia orgánica (Busalmen, 2010).
Algunos estudios recientes respaldan el potencial de
las biobaterías como sistemas viables para la
generación de energía eléctrica en contextos descentralizados y rurales. Estos
han demostrado el potencial de estas tecnologías. Por ejemplo, Cárdenas et al.
(2022) evaluaron las CCM utilizando aguas residuales del procesamiento de café,
consiguiendo lograr una densidad de potencia de 89 μW/cm².
Así mismo, De La Cruz Noriega et al. (2021) demostraron la eficiencia de las
CCM de bajo costo usando electrodos de cobre y zinc, para generar energía a
partir de aguas residuales. Sin embargo, aún existe escasa implementación
práctica, especialmente en zonas rurales donde esta tecnología podría brindar
soluciones accesibles y sostenibles.
Según Kato (2015), ciertas
especies de bacterias electroactivas pueden
transferir electrones directamente a electrodos sólidos mediante respiración
extracelular, lo que permite convertir materia orgánica en energía eléctrica de
forma eficiente. Además, investigadores como Wang (2024) observaron que
bacterias como la Geobacter sulfurreducens
y la Shewanella oneidensis
desarrollan biofilms conductores que transfieren
electrones directamente a superficies sólidas (ánodos) sin mediadores químicos;
por su parte, Shi et al. (2016) describen el uso de pili y citocromos tipo-c en estos microorganismos, para la
respiración extracelular eficiente. Por último, Reguera, G. et al. (2006)
confirmaron que el uso de nanocables bacterianos en Geobacter sulfurreducens
mejoran notablemente la generación de corriente eléctrica.
Por
otra parte, según Jacobs et al. (2024), en países de
bajos ingresos, y especialmente en áreas rurales con acceso limitado a fuentes
convencionales, las bacterias electrogénicas en
sistemas tipo CW‑MFC
(celda de combustible microbiana de humedal construido) no solo transfieren
electrones directamente a electrodos, sino que además alcanzan densidades de
potencia desde 15 mW/m² hasta más de 1 000 mW/m². Estos sistemas descentralizados, sostenibles y de bajo
coste podrían proporcionar energía autónoma y tratamiento de agua de manera
simultánea en comunidades rurales.
Dado el contexto actual, esta investigación tuvo como
objetivo evaluar de manera integral la eficacia de las biobaterías
en la generación de energía eléctrica mediante CCM en condiciones controladas.
Para alcanzar este fin, se buscó evaluar la capacidad de generación de energía
eléctrica de las biobaterías y analizar la
estabilidad del flujo de energía eléctrica producido por las biobaterías en un intervalo de tiempo de cinco semanas, identificando posibles fluctuaciones en
el voltaje. Con ello se esperaba observar la viabilidad de esta tecnología en
espacios rurales, donde la energía es escasa e inaccesible, tratando de
contribuir de esta manera a generar fuentes de energía optimas y de bajo costo.
MÉTODOLOGÍA
El
presente estudio fue de tipo experimental, con enfoque cuantitativo y de
alcance explicativo, ya que se buscó establecer relaciones causales entre los
componentes de las biobaterías (electrodos,
sustratos, configuración) y la generación de energía eléctrica. La
investigación se llevó a cabo en el Laboratorio Experimental “Start Lab” de la Universidad de
Huánuco, en la ciudad de Huánuco, en Perú, entre los meses de septiembre y
agosto del año 2024.
Las CCM fueron construidas y evaluadas con una cámara modificada, a diferencia del diseño convencional de doble cámara, lo que permitió mayor eficiencia en la transferencia de electrones y reducción de costos. Se usó el sistema de CCM, ya que, según Garbini et al. (2023), cuando se alimenta una celda de combustible microbiana con aguas residuales, la generación de voltaje y corriente eléctrica permite inferir la presencia de bacterias electroactivas en el sustrato, ya que estas son las responsables de formar biofilms en el ánodo, capaces de transferir electrones hacia el electrodo, sin necesidad de identificarlas directamente a nivel taxonómico. Por lo que se implementaron tres configuraciones experimentales, cada una con diferente combinación de electrodos metálicos y sustratos biodegradables (ver Tabla 1 y Figura 1).
El artefacto estuvo conformado por distintas
configuraciones de biobaterías construidas a partir
de celdas microbianas con bacterias electrogenicas
seleccionadas por su alta capacidad de transferencia energética, como en el
estudio realizado Busalmen (2010). La Tabla 1 muestra
los tres tipos de configuraciones experimentales.
Como
criterios de exclusión fueron considerados los factores de viabilidad técnica y
económica. Así mismo, fueron descartados los materiales y configuraciones cuya
adquisición implicara un costo elevado o una limitada disponibilidad en
contextos rurales o de bajos recursos, donde se proyecta aplicar este tipo de
tecnología. Por tal motivo, se priorizó el uso de placas de cobre y zinc, debido
a su accesibilidad, bajo costo y
adecuada conductividad eléctrica, así como el uso de agua residual doméstica como sustrato, ya que representa una
fuente abundante y de fácil acceso, lo que permite mantener la funcionalidad de
las celdas microbianas con una buena eficiencia y bajo mantenimiento (Feregrino-Rivas et al., 2022). Estas decisiones buscan
garantizar la replicabilidad del sistema en
escenarios reales de aplicación.
Materiales y equipos
Para
la construcción de las biobaterías se utilizaron
materiales accesibles y de bajo costo. Los electrodos consistieron en barras de
grafito (5 mm de diámetro y 5 cm de longitud), conectadas con alambres de cobre
y láminas de zinc, configuradas como ánodo y cátodo (ver Figura 1). El sustrato
fue agua residual recolectada de zonas locales, complementada con restos
vegetales fermentados, como cáscaras de frutas y residuos orgánicos. Se empleó
una membrana protónica para separar los compartimentos del ánodo y cátodo,
permitiendo el paso de protones, siguiendo el principio descrito por Tibaquirá (2009). Además, se utilizaron filtros de carbón
activado entre los compartimentos, para evitar el paso de microorganismos. El
voltaje del sistema se midió con un multímetro digital, de acuerdo con Pilco
(2018), y la formación de biopelículas en los
electrodos fue observada mediante un microscopio óptico para verificar la
actividad microbiana.
Construcción de las biobaterías
Se
construyeron 3 biobaterias, cada una con una
configuración de electrodos y sustratos diferentes, como los mencionados
anteriormente: batería 1, batería 2 y batería 3 (ver Tabla 1). Se utilizaron
frascos plásticos de 0,65 l como cámaras únicas. En el interior se colocaron
dos electrodos (ánodo y cátodo) sumergidos parcialmente y conectados mediante
cables conductores. La membrana protónica se instaló entre ambos electrodos,
siguiendo la estructura propuesta por Tibaquirá (2009),
que fue fijada con silicona no conductora. Posteriormente, se añadió el
sustrato biodegradable y los cultivos bacterianos al interior de la celda (ver
Figura 1).
Funcionamiento del sistema
Las
bacterias iniciaron el proceso de degradación de la materia orgánica presente
en el sustrato, liberando electrones. Estos electrones fueron transferidos
desde el ánodo hacia el cátodo a través de un circuito externo, generando
corriente eléctrica. Al mismo tiempo, los protones cruzaron la membrana
protónica, completando el circuito iónico y permitiendo el funcionamiento
continuo del sistema. Mayor detalle del flujo del funcionamiento del sistema en
la Figura 2.
Monitoreo y recolección de datos
Durante
cinco semanas, se registraron diariamente los valores de voltaje y la
estabilidad del voltaje para evaluar el rendimiento de las biobaterías.
Cada configuración fue evaluada en tres réplicas para garantizar la
reproducibilidad de los resultados. La variable independiente fue la
configuración de la biobatería, que incluye el tipo
de electrodo y el tipo de sustrato. Las variables dependientes fueron el
voltaje generado (V) y la estabilidad del sistema, la cual es medida por la
duración de la generación constante de energía en las mismas unidades de medida
(V).
Análisis de datos
Se
aplicaron estadísticas inferenciales, como el análisis de varianza (ANOVA) para
evaluar las diferencias y para determinar la mayor eficiencia energética entre
semanas y entre biobaterías. Además, se utilizó la
prueba post-hoc de Tukey a un nivel de significancia
del 95 % o p < 0,05, para
determinar qué grupos eran diferentes. Los datos fueron organizados y
procesados con Microsoft Excel y mediante el software estadístico de Infostat, versión
2020.
RESULTADOS
Durante
el periodo experimental de cinco semanas, se observó una generación constante
de energía eléctrica en las tres configuraciones de biobaterías.
El voltaje promedio osciló entre 0,8 V y 1,2 V, con picos máximos alcanzados en
la tercera semana. La configuración con electrodos de grafito y sustrato de
agua residual domestica mostró el mejor rendimiento, mientras que la
configuración con agua y materia vegetal generó menor voltaje, pero estable.
Según el análisis de varianza (ANOVA) realizado para los grupos de biobaterías durante las cinco semanas de evaluación, se observaron diferencias estadísticas altamente significativas (p < 0,001) entre las semanas y en la interacción entre semana y biobatería, pero no entre las biobaterías en sí. Estas últimas mostraron un comportamiento similar a lo largo del período evaluado (p > 0,05). La Figura 3 muestra la dinámica del voltaje de las biobaterías durante todo el ensayo.
El análisis post-hoc de Tukey,
realizado con un nivel de significancia del 95 % (p < 0,05), permitió identificar las diferencias específicas
entre semanas y biobaterías, representadas mediante
letras mayúsculas distintas. Los resultados indican que la semana 1 difiere
significativamente del resto, con niveles más bajos de producción energética. A
partir de la segunda semana, todas las biobaterías
tienden a estabilizar su voltaje, manteniéndose entre 0,84 V y 0,99 V en
promedio hasta la quinta semana. Por otro lado, al comparar directamente las biobaterías dentro de cada semana evaluada, no se
encontraron diferencias significativas entre ellas, lo que se refleja en el uso
de letras iguales en la representación de los resultados.
En
la Figura 4 se presenta la cuantificación de la estabilidad del flujo
energético generado por tres biobaterías durante un
período de cinco semanas. En general, las biobaterías
2 y 3 mantuvieron los valores de voltaje más altos a lo largo del tiempo,
mientras que la biobatería 1 mostró una disminución
en la semana 5, registrando 0.80 V, el valor más bajo observado, lo que podría
indicar una leve pérdida de eficiencia o un inicio de deterioro del sistema.
Del mismo modo, la biobateria 3, en la misma semana 5
mostró el mayor promedio (0,96 V), lo que parece asociado a una recuperación
del flujo energético. No obstante, según el análisis de varianza (ANOVA), la
estabilidad del flujo energético no presentó diferencias estadísticas
significativas entre las semanas ni entre las biobaterías
(p > 0,05). Por lo tanto, se puede
mencionar que la estabilidad del flujo energético fue consistente en todas las biobaterías a lo largo del tiempo.
DISCUSIÓN
Según
reporta Busalmen (2010), el uso de Geobacter sulfurreducens
demuestra ser efectivo como biocatalizador, aunque en nuestra investigación no
se pudo identificar esta bacteria, al ser una tarea costosa. Suponemos como Garbini et al. (2023), que nuestros resultados fueron
influenciados por la existencia de bacterias electrogénicas.
La estabilidad del voltaje a lo largo del tiempo también refuerza la viabilidad
de estas tecnologías para aplicaciones prácticas, como dar iluminación
eléctrica en zonas rurales alejadas y la carga, aunque lenta, de baterías de
pequeños dispositivos eléctricos.
Los
resultados obtenidos en este estudio muestran que las biobaterías
desarrolladas con sustratos derivados de aguas residuales y electrodos de
grafito lograron una generación de voltaje estable entre 0,8 V y 1,2 V durante
cinco semanas. Este rango supera lo reportado por De La Cruz Noriega et al.
(2021), quienes utilizaron electrodos de cobre y zinc en celdas de combustible
microbianas de bajo costo, alcanzando valores picos de 0,35 V ± 0,21 V, los
cuales fueron menores a los nuestros. En nuestro caso, el uso de grafito,
aunque más económico que otros metales como a la plata o el tungsteno, ofreció
una combinación efectiva de conductividad y compatibilidad con las bacterias,
lo que se tradujo en una mejora en el rendimiento eléctrico del sistema.
Un aporte distintivo de esta investigación fue el
diseño de una biobatería de una sola cámara, a
diferencia del modelo de doble cámara comúnmente empleado en otros estudios,
como los de Sánchez et al. (2021) o Plasencia-Verde et al. (2021). Este
rediseño permitió una mayor eficiencia en la transferencia de electrones,
simplificó el proceso constructivo y redujo costos, sin comprometer la
capacidad de generación energética.
Comparando los hallazgos con los de Cárdenas et al.
(2022), quienes emplearon electrodos de grafito modificado y lograron un
voltaje de 0,650 V y una densidad de potencia de 89 μW/cm²,
nuestro estudio no se centró en la densidad de potencia y demostró un
comportamiento sostenido del voltaje, lo cual es crucial para aplicaciones prácticas
de uso continuo. Esto respalda el potencial del grafito como electrodo
económico y eficaz.
Además, en el trabajo de Enríquez-León et al. (2020),
que usó frutas descompuestas como sustrato y electrodos de plomo y cobre, se
reportaron fluctuaciones energéticas. En cambio, en nuestra investigación se
utilizó un sustrato de agua residual domestica que, combinado con los
electrodos de grafito, ofreció una producción más estable, ideal para
aplicaciones en zonas rurales.
CONCLUSIONES
Las
biobaterías basadas en celdas de combustible
microbianas que utilizan bacterias electrogénicas han
demostrado ser eficaces en la generación de energía eléctrica y ser estables en
su funcionamiento, dando voltajes entre 0,8 V y 1,2 V y para que estos voltajes
no suban o bajen drásticamente en un corto periodo de tiempo implicando, lo que
implica su inestabilidad. Diversos factores influyen en el rendimiento de estas
celdas de combustible, siendo el tipo de sustrato utilizado como fuente de
alimento y energía para las bacterias electrogénicas,
así como el material de los electrodos, aspectos determinantes en la cantidad
de voltaje generado.
Estas
tecnologías emergentes representan una alternativa energética viable,
sostenible y de bajo costo, especialmente atractiva para comunidades rurales o
regiones aisladas, con acceso limitado o nulo a las redes eléctricas
convencionales. Además, al aprovechar desechos orgánicos como sustrato, las biobaterías contribuyen a la gestión de residuos y la
reducción del impacto ambiental, alineándose con los principios de economía
circular y desarrollo sustentable.
REFERENCIAS
Busalmen, J. P. (2010). Bacterias
electrogénicas: De los sedimentos a las celdas de
combustible microbianas. CONICET. https://ri.conicet.gov.ar/handle/11336/12626
Cárdenas, D., Villegas, J. R.,
Solís, C., Sanabria-Chinchilla, J., Uribe, L., y Fuentes-Schweizer,
P. (2022). Evaluación del desempeño de una celda de combustible microbiana con
electrodo de grafito modificado para el tratamiento de agua residual del
procesamiento del café. Revista
Colombiana de Química, 51(1), 40-47. https://doi.org/10.15446/rev.colomb.quim.v51n1.101185
De La Cruz Noriega, M.,
Rojas-Flores, S., Benites, S. M., Otiniano, N. M.,
Cabanillas-Chirinos, L. A., Rodriguez-Yupanqui, M., Valdiviezo-Dominguez, F., y Rojas-Villacorta, W. (2021).
Generación bioelectricidad a partir de aguas residuales mediante celdas de
combustible. En Proceedings of the 19th LACCEI International
Multi-Conference for Engineering, Education and Technology. https://doi.org/10.18687/LACCEI2021.1.1.129
Enríquez-León, R., Rojas-Flores, S.
J., Agüero Quiñones, R., Angelats Silva, L., y Benites
Castillo, S. M. (2020). Bioelectricidad mediante celdas de combustible
microbiana a partir de frutas descompuestas usando electrodos de plomo y cobre. En Proceedings of the 18th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education and Technology. https://doi.org/10.18687/LACCEI2020.1.1.17
Feregrino-Rivas, M., Ramírez-Pereda, B., y Estrada-Godoy, F.
(2022). Estudio estadístico de la influencia de la distribución geométrica del
cátodo en la producción de energía eléctrica en una celda de combustible
microbiana de sedimentos. Revista de
Ciencias Tecnológicas, 5(1). https://doi.org/10.37636/recit.v518095
Garbini, G. L., Barra Caracciolo,
A., & Grenni, P. (2023). Electroactive
Bacteria in Natural Ecosystems and Their Applications in Microbial Fuel Cells for Bioremediation: A Review. Microorganisms, 11(5),
1255. https://doi.org/10.3390/microorganisms11051255
Jacobs, D.G., Kachienga L.O., Rikhotso M.C., Abia L.K., Traoré A. N., & Potgieter, N.
(2024). Assessing the current situation of constructed wetland-microbial
fuel cells as an alternative power generation and wastewater treatment in
developing countries. Front. Energy Res.
(Sec. Bioenergy and Biofuels), 1.
https://doi.org/10.3389/fenrg.2024.1448730
Kato S. (2015). Biotechnological Aspects of Microbial
Extracellular Electron Transfer. Microbes
and environments, 30(2), 133-139.
https://doi.org/10.1264/jsme2.ME15028
López Pilco, D. F. (2018). Desarrollo de un equipo de monitoreo inalámbrico de sensores alimentado mediante celdas de combustible microbianas para el CEAA [Tesis
de pregrado, Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo]. https://dspace.espoch.edu.ec:8080/server/api/core/bitstreams/0acffa4d-f4a9-43c5-9972-7eadda5f218b/content
Osman, A., Chen, L., Yang, M., Msigwa,
G., Farghali, M., Fawzy, S.,
Rooney, David., & Yap, P. (2022). Cost, environmental impact, and
resilience of renewable energy under a changing climate: a review. Environ Chem Lett.
https://doi.org/10.1007/s10311-022-01532-8
Plasencia-Verde, C. C., Grabiel-Ríos, K. S., Luque, J. A., y Best,
I. K. (2021). Evaluación del
potencial energético de residuos de cacao (Theobroma
cacao L.) por medio de celdas de combustible microbiano (CCM). Información Tecnológica, 32(4), 89-98. https://doi.org/10.4067/S0718-07642021000400089
Reguera, G., Nevin, K. P., Nicoll,
J. S., Covalla, S. F., Woodard, T. L., & Lovley, D. R. (2006). Biofilm and nanowire production leads
to increased current in Geobacter sulfurreducens
fuel cells. Applied and environmental
microbiology, 72(11),
7345-7348. https://doi.org/10.1128/AEM.01444-06
Sánchez, M., Fernández, L., y
Espinoza-Montero, P. (2021). Generación de energía eléctrica y tratamiento de
aguas residuales mediante celdas de combustible microbianas. Revista Digital Novasinergia,
4(1), 164-180. https://doi.org/10.37135/ns.01.07.10
Shi, L., Dong, H., Reguera, G., Nealson,
K. H., Fredrickson, J. K., & Zachara,
J. M. (2016). Extracellular electron transfer mechanisms between microorganisms and minerals. Nature Reviews Microbiology, 14(10),
651–662. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2016.93
Tibaquirá G., Juan, E., y Posner, J.
D. (2009). Diseño y construcción de una celda de combustible tipo membrana de
intercambio protónico. Scientia et Technica, 2(42). https://doi.org/10.22517/23447214.2569
Wang, M. H. (2024). Study on electron transfer
mechanisms of electroactive bacteria in microbial fuel Cells. Journal of Energy
Bioscience, 15(2), 87-97. doi:10.5376/jeb.2024.15.0009
