Un reactor bioelectroquímico es un tipo de biorreactor en el que se utilizan procesos bioelectroquímicos para degradar/producir materiales orgánicos utilizando microorganismos. [1] Este biorreactor tiene dos compartimentos: el ánodo , donde tiene lugar la reacción de oxidación ; y el cátodo , donde se produce la reducción . En estos sitios, los electrones pasan hacia y desde los microbios para impulsar la reducción de protones, la descomposición de desechos orgánicos u otros procesos deseados. [2] Se utilizan en la electrosíntesis microbiana , la remediación ambiental y la conversión de energía electroquímica . Los ejemplos de reactores bioelectroquímicos incluyen celdas de electrólisis microbiana , celdas de combustible microbianas , celdas de biocombustible enzimático , celdas de electrólisis , celdas de electrosíntesis microbiana y biobaterías . [3] [4]
Principios
La corriente de electrones es inherente al metabolismo microbiano . Los microorganismos transfieren electrones de un donante de electrones (especie de menor potencial) a un aceptor de electrones (especie de mayor potencial). Si el aceptor de electrones es un ion o molécula externa, el proceso se llama respiración. Si el proceso es interno, la transferencia de electrones se llama fermentación. El microorganismo intenta maximizar su ganancia de energía seleccionando el aceptor de electrones con el mayor potencial disponible. En la naturaleza, se reducen principalmente los minerales que contienen óxidos de hierro o manganeso. A menudo, los aceptores de electrones solubles se agotan en el entorno microbiano. El microorganismo también puede maximizar su energía seleccionando un buen donante de electrones que pueda metabolizarse fácilmente. Estos procesos se realizan mediante transferencia de electrones extracelular (EET). [5] El cambio teórico de energía libre (ΔG) para los microorganismos se relaciona directamente con la diferencia de potencial entre el aceptor de electrones y el donante. Sin embargo, ineficiencias como la resistencia interna disminuirán este cambio de energía libre. [6] La ventaja de estos dispositivos es su alta selectividad en procesos de alta velocidad limitados por factores cinéticos.
Las especies más estudiadas son Shewanella oneidensis y Geobacter sulfurreducens . [7] [8] Sin embargo, en los últimos años se han estudiado más especies. [9]
El 25 de marzo de 2013, científicos de la Universidad de East Anglia lograron transferir carga eléctrica al permitir que las bacterias toquen una superficie metálica o mineral. La investigación demuestra que es posible "atar" bacterias directamente a electrodos. [10]
Historia
En 1911, M. Potter describió cómo las conversiones microbianas podían crear energía reductora y, por lo tanto, corriente eléctrica. Veinte años después, Cohen (1931) investigó la capacidad de las bacterias para producir un flujo eléctrico y observó que la principal limitación es la pequeña capacidad de generación de corriente en los microorganismos. Berk y Canfield (1964) no construyeron la primera celda de combustible microbiana (CMF) hasta los años 60.
En la actualidad, la investigación de reactores bioelectroquímicos está en aumento. Estos dispositivos tienen aplicaciones reales en campos como el tratamiento de agua, [11] la producción y almacenamiento de energía, la producción, reciclaje y recuperación de recursos.
Aplicaciones
Tratamiento de agua
Los reactores bioelectroquímicos están encontrando una aplicación en los entornos de tratamiento de aguas residuales. Los procesos actuales de lodos activados son ineficientes en términos de energía y costos debido al mantenimiento de los lodos, las necesidades de aireación y las necesidades energéticas. Al utilizar un reactor bioelectroquímico que utiliza el concepto de filtrado por goteo , se pueden abordar estas ineficiencias. [12] Al procesar aguas residuales utilizando este reactor, la nitrificación, la desnitrificación y la eliminación de materia orgánica se llevan a cabo simultáneamente en condiciones aeróbicas y anaeróbicas utilizando múltiples microbios diferentes ubicados en el ánodo del sistema. Aunque los parámetros de procesamiento del reactor afectan la composición general de cada microbio, el género Geobacter y el género Desulfuromonas se encuentran con frecuencia en estas aplicaciones. [12]
En la cultura popular
- En Final Fantasy: The Spirits Within , los soldados usan mochilas de poder basadas en bacterias.
- En Subnautica , el jugador puede construir un biorreactor que cumple el mismo propósito que un reactor bioelectroquímico.
Véase también
Referencias
- ^ Krieg, Thomas; Madjarov, Joana (13 de abril de 2018). "Reactores para electrobiotecnología microbiana" (PDF) . Adv Biochem Eng Biotechnol . Avances en ingeniería bioquímica/biotecnología. 167 : 231–272. doi :10.1007/10_2017_40. ISBN. 978-3-030-03298-2. Número de identificación personal 29651504. Número de identificación personal 4797483.
- ^ Krieg T, Sydow A, Schröder U, Schrader J, Holtmann D (diciembre de 2014). "Conceptos de reactores para síntesis bioelectroquímicas y conversión de energía". Tendencias en biotecnología . 32 (12): 645–55. doi :10.1016/j.tibtech.2014.10.004. PMID 25457389.
- ^ Rabaey K, Angenent L, Schroder U, Keller J, eds. (2010). Sistemas bioelectroquímicos: desde la transferencia de electrones extracelulares hasta la aplicación biotecnológica . Londres: IWA Publishing. ISBN 978-1-84339-233-0.
- ^ Kuntke P, Smiech KM, Bruning H, Zeeman G, Saakes M, Sleutels TH, et al. (mayo de 2012). "Recuperación de amonio y producción de energía a partir de la orina mediante una celda de combustible microbiana". Water Research . 46 (8): 2627–36. Bibcode :2012WatRe..46.2627K. doi :10.1016/j.watres.2012.02.025. PMID 22406284.
- ^ Rabaey K, Angenent L, Schroder U, Keller J, eds. (2010). Sistemas bioelectroquímicos: desde la transferencia de electrones extracelulares hasta la aplicación biotecnológica . Londres: IWA Publishing. ISBN 978-1-84339-233-0.
- ^ Heijnen JJ; Flickinger MC; Drew SW (1999). Tecnología de bioprocesos: fermentación, biocatálisis y bioseparación. Nueva York: JohnWiley & Sons, Inc., págs. 267-291. ISBN 978-0-471-13822-8.
- ^ Krieg T, Sydow A, Schröder U, Schrader J, Holtmann D (diciembre de 2014). "Conceptos de reactores para síntesis bioelectroquímicas y conversión de energía". Tendencias en biotecnología . 32 (12): 645–55. doi :10.1016/j.tibtech.2014.10.004. PMID 25457389.
- ^ Liang Q, Yamashita T, Koike K, Matsuura N, Honda R, Hara-Yamamura H, et al. (noviembre de 2020). "Un reactor de filtro percolador basado en un sistema bioelectroquímico para el tratamiento de aguas residuales". Tecnología de recursos biológicos . 315 : 123798. doi :10.1016/j.biortech.2020.123798. PMID 32707501. S2CID 225536351.
- ^ Zhang X, Rabiee H, Frank J, Cai C, Stark T, Virdis B, et al. (16 de octubre de 2020). "Mejora de la oxidación del metano en un reactor de membrana bioelectroquímica utilizando un mediador electrónico soluble". Biotecnología para biocombustibles . 13 (1): 173. doi : 10.1186/s13068-020-01808-7 . PMC 7568384 . PMID 33088343.
- ^ ¿ Electricidad limpia a partir de bacterias? Investigadores logran un gran avance en la carrera por crear "biobaterías" Sciencedaily , 25 de marzo de 2013
- ^ Liang Q, Yamashita T, Koike K, Matsuura N, Honda R, Hara-Yamamura H, et al. (noviembre de 2020). "Un reactor de filtro percolador basado en un sistema bioelectroquímico para el tratamiento de aguas residuales". Tecnología de recursos biológicos . 315 : 123798. doi :10.1016/j.biortech.2020.123798. PMID 32707501. S2CID 225536351.
- ^ ab Liang Q, Yamashita T, Koike K, Matsuura N, Honda R, Hara-Yamamura H, et al. (noviembre de 2020). "Un reactor de filtro percolador basado en un sistema bioelectroquímico para el tratamiento de aguas residuales". Tecnología de recursos biológicos . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798. PMID 32707501. S2CID 225536351.
Enlaces externos
- Sasaki K, Morita M, Sasaki D, Hirano S, Matsumoto N, Ohmura N, Igarashi Y (enero de 2011). "Comunidades metanogénicas en los electrodos de reactores bioelectroquímicos sin membranas". Journal of Bioscience and Bioengineering . 111 (1): 47–9. doi :10.1016/j.jbiosc.2010.08.010. PMID 20840887.
- Ghafari S, Hasan M, Aroua MK (2009). "Remediación de nitratos en un nuevo reactor bioelectroquímico de flujo ascendente (UBER) utilizando carbón activado de cáscara de palma como material catódico". Electrochimica Acta . 54 (17): 4164–71. doi :10.1016/j.electacta.2009.02.062.
- Goel RK, Flora JR (2005). "Nitrificación y desnitrificación secuencial en un reactor bioelectroquímico de crecimiento unido a células divididas". Environmental Engineering Science . 22 (4): 440–9. doi :10.1089/ees.2005.22.440.
- Watanabe T, Jin HW, Cho KJ, Kuroda M (2004). "Aplicación de un proceso de reactor bioelectroquímico para el tratamiento directo de aguas residuales de decapado de metales que contienen metales pesados y nitrato de alta concentración". Ciencia y tecnología del agua . 50 (8): 111–8. doi :10.2166/wst.2004.0501. PMID 15566194.