Ponte las pilas… y cárgate de conocimiento sobre las baterías biológicas

Giovanni Hernández Flores y Jazmin Alaide López Díaz

Desde la infancia, todos hemos aprendido la importancia que tienen las pilas o baterías en nuestra vida diaria. Los juguetes, el control del televisor, el reloj en nuestra pared y muchos otros aparatos electrónicos dejan de funcionar si “se acaban las pilas”, como coloquialmente decimos. Lamentablemente, cuando se agota la energía de las baterías, se convierten en residuos peligrosos por los componentes químicos de los que están hechas y porque una sola pila puede contaminar hasta 3 000 litros de agua, si no son dispuestas adecuadamente en los lugares diseñados para ello. A pesar de saber el impacto negativo que pueden ocasionar, no dejamos de utilizarlas. Afortunadamente, a principios del siglo XX, el descubrimiento de un científico inglés —Potter— comenzó a sonar fuerte porque descubrió bacterias que podían producir electricidad y con esto nació la invención de las pilas biológicas.

Las bases para la invención de las pilas biológicas (también conocidas como baterías microbianas o biobaterías), el cómo funcionan, su importancia y retos, los platicaremos en esta historia.

Potter… pero no Harry Potter

Aunque el apellido Potter y la nacionalidad coinciden con la del famoso mago de una saga inglesa de libros de ciencia ficción, no fue este mago quien hizo el descubrimiento del que queremos platicar. Fue Michael C. Potter quien descubrió a unas verdaderas magas: bacterias capaces de transformar su comida —compuestos orgánicos— en una corriente eléctrica aprovechable como la que producen las pilas o baterías que usamos diariamente.

La mejora en este tipo de invenciones a lo largo de la historia ha sido un proceso largo y complicado. Una de las grandes ventajas que ofrecen las biobaterías es su capacidad para usar residuos fisiológicos como orina y convertirlos en electricidad. Incluso la NASA ha considerado la posibilidad de implementar esta tecnología en sus vuelos espaciales, para el aprovechamiento de los residuos fisiológicos de sus tripulantes.

Antes de entender cómo lo hacen, veamos de qué están hechas estas baterías microbianas tan especiales.

Ánodo: línea de salida de los electrones

Las pilas biológicas, similar a las pilas que conocemos, constan de dos partes principales: un ánodo —lado negativo— y un cátodo —lado positivo—. La fabricación de electrones responsables de generar una corriente eléctrica comienza en la sección anódica, una sección de las pilas biológicas donde se resguarda una especie de “pólvora” que describiremos y que habrá de convertirse en energía (Figura 1).

En el caso de las pilas biológicas, por pólvora nos referimos a los compuestos orgánicos disueltos en el agua que servirán como alimento para un grupo de bacterias que tienen una característica muy particular: no necesitan al oxígeno para respirar. Es más, no debe haber oxígeno en esta sección porque es tóxico para este grupo de bacterias y afecta el funcionamiento de las pilas biológicas.

La sección anódica recibe este nombre porque dentro de este espacio debe haber un material que servirá como “concentrador” y “aspirador” de electrones, al que en el lenguaje científico se le conoce como ánodo. Este material debe reunir ciertas características, pero la principal es que debe ser un buen conductor de la electricidad. El ánodo es la línea de salida donde iniciará la carrera de los electrones para generar una corriente eléctrica a lo largo del camino, hasta llegar a la meta que es el cátodo.

Bacterias tipo anguilas eléctricas: las magas de esta historia

Antes de continuar con la carrera de los electrones y llegar al cátodo, nos gustaría hacer una pausa para hablar del cómo las bacterias —como por obra de magia o más bien ciencia— son capaces de producir los electrones. En el caso de la pólvora convencional, sabemos que es capaz de liberar una gran cantidad de energía que apreciamos como un gran estruendo, luminosidad y/o calor. Sin embargo, podemos tener pólvora, pero mientras no haya una chispa no hay manera de que explote.

En las pilas biológicas, las bacterias son para los compuestos orgánicos lo que la chispa es para la pólvora: la señal de salida para comenzar a producir electrones. Sin embargo, no todas las bacterias tienen la capacidad de convertir los compuestos orgánicos en electrones y generar una corriente eléctrica.

Para empezar, como se mencionó previamente, deben ser bacterias anaerobias, en otras palabras, que no respiren el oxígeno. Estas bacterias son en realidad un grupo de bacterias muy selectas a las que se les conoce con nombres tan sofisticados como “anodofílicas”, “exoeletrógenas” o también como bacterias electroquímicamente activas. Geobacter sulfurreducens y Shewanella oneidensis son las líderes de este grupo. Ellas, al igual que otras que tienen este poder, utilizan los compuestos orgánicos presentes en el agua para alimentarse y, además, se dan el lujo de desperdiciar energía —que les sobra— en forma de electrones, que serán “aspirados” por el ánodo.

Cátodo: la meta de los electrones

Retomando el viaje de los electrones… el ánodo debe estar forzosamente conectado a un cátodo —línea de meta— que se encontrará en algunas ocasiones sumergido en un medio acuoso o que puede ser también un material conductor que esté en contacto directo con el aire. Imaginemos que la conexión entre el ánodo y el cátodo es la manguera de una aspiradora; el ánodo —como ya se mencionó— es la entrada de los electrones al circuito de la competencia; el cátodo funcionará como el “motor de la aspiradora” que “succiona” a los electrones.

Para las biobaterías podemos tener diferentes tipos de motores. El oxígeno es el mejor aceptor de electrones que tenemos naturalmente y es el mejor “motor de aspiradora” para que las baterías microbianas tengan el mejor funcionamiento. Cuando los electrones alcanzan su meta —el oxígeno—, su premio son los protones y se convierten en ganadores —en agua— (Figura 2). Sin embargo, se han evaluado otros compuestos o elementos que también pueden servir como aceptores de los electrones “motor de aspiradora” pero el funcionamiento de producción de bioelectricidad no es el mejor, por ejemplo, utilizando metales pesados oxidados.

La membrana como bolsa interna de una aspiradora

Antes de terminar de hablar de cómo los electrones producen la corriente eléctrica durante su viaje desde el ánodo al cátodo, hace falta mencionar un componente importante en las biobaterías. Como parte de la descomposición de los compuestos orgánicos se producen protones. Estos protones deben llegar al cátodo para reunirse con los electrones y el oxígeno y así completar el ciclo para la generación de la corriente eléctrica. Sin embargo, ellos toman otra ruta para llegar al cátodo.

Retomemos el ejemplo de la aspiradora. Un componente importante de las aspiradoras es la bolsa porosa en su interior que permite retener las partículas de polvo aspiradas y eliminar el aire limpio al exterior. Para el caso de las pilas biológicas, consideraremos que los protones son como el aire limpio que logra pasar la bolsa porosa y que permite que la aspiradora siga funcionando correctamente. Si no existiera esta bolsa o estuviera rota, todo lo aspirado entraría por la manguera y saldrían partículas de polvo por el respiradero de la aspiradora.

Otro caso sería que la bolsa estuviera muy sucia o saturada, de modo que ya no funcionara correctamente y, por tanto, no permitiera el paso de los protones. Solo los protones deben atravesar libremente la membrana, que actúa como la bolsa de la aspiradora, para unirse con los electrones y el oxígeno para completar la producción de corriente eléctrica. En otras palabras, la producción de electrones, su colecta en el ánodo, la conducción a través del circuito, la llegada al cátodo y el viaje de los protones, ocurren al mismo tiempo para generar la bioelectricidad.

Bondades de las biobaterías

A diferencia de las baterías comunes que circulan y usamos diariamente con potencial de contaminar grandes volúmenes de agua, suelo y aire por sus componentes, las biobaterías representan una opción para limpiar el agua residual y transformar sus componentes orgánicos en bioelectricidad, gases combustibles u otros compuestos de valor agregado.

Además, la desintegración de los componentes orgánicos del agua residual se traduce en un método de tratamiento para la recuperación de la calidad del agua (Figura 4). A diferencia de las baterías tradicionales, las baterías microbianas descontaminan el agua. También se ha evaluado la posibilidad de la eliminación de metales pesados a partir de aguas como drenajes ácidos de minas, logrando recuperar, la calidad del agua y, por qué no, se han propuesto como técnica de recuperación de metales a la que podríamos referirnos como bioelectrominería (Figura 3).

Retos para su implementación en la vida diaria

Las pilas biológicas, baterías microbianas o biobaterías como productoras de bioelectricidad aún se encuentran lejos de ser escalables y por supuesto, comercializables. El armazón de estas biobaterías necesita de grandes áreas en el ánodo y cátodo que comprometen su escalabilidad. Además, algunos componentes, como la membrana, siguen siendo muy costosos y llevar a la práctica estas baterías microbianas no es todavía rentable. Sin embargo, no olvidemos que Roma no se construyó en un día. Los científicos siguen apostando en la optimización de esta tecnología para aplicarla en un futuro no muy lejano, debido a todas las bondades que representa.

Lecturas recomendadas

1. Martínez-Castrejón M, Hernández-Flores, G (2022). Biopilas que convierten la orina humana en electricidad. Revista Digital Universitaria (RDU), 23(5): http://doi.org/10.22201/cuaieed.16076079e.2022.23.5.3
2. Cornejo-Martell A, Hernández-Eligio JA, Juárez López K (2019). Limpiado el ambiente y generando energía. Biotecnología en Movimiento 17: 9-11 Disponible en: https://biotecmov.ibt.unam.mx/services/pdfDownloader.php?id=MTcqKl8qKjM=