Revalorizando los desechos orgánicos para la producción de bioelectricidad

Luis Miguel Rodríguez Torres, Guillermo Antonio Huerta Miranda, Alberto Álvarez Gallegos y Katy Juárez López

Si tomáramos en cuenta la cantidad de basura y desechos que se generan diariamente por las sociedades humanas, nos daríamos cuenta del grave problema que enfrentamos en la actualidad. Sin embargo, podemos ver estos desechos como una oportunidad para emplearlos como materia prima para generar energía limpia en unos dispositivos llamados “celdas microbianas de combustible”, donde los microorganismos son los encargados de transformar estos desechos en energía, la cual podría emplearse para operar dispositivos de baja potencia en sitios de difícil acceso para otro tipo de energías renovables como la solar o la eólica. En otras palabras, se pueden aprovechar los residuos orgánicos para generar energía en vez de simplemente disponer de dichos desechos. La energía generada en estos dispositivos puede emplearse, por ejemplo, para encender algún dispositivo electrónico o proporcionar la energía que se podría emplear para procesos como el tratamiento de aguas residuales (Figura 1).

Ciertos microorganismos que se encuentran en el ambiente son los principales actores en este proceso, ya que tienen la capacidad de extraer la energía de estos residuos y convertirla en electricidad, dentro de dispositivos bioelectroquímicos que pueden ser de diferentes tipos. Nuestro grupo de investigación trabaja con un tipo de éstos, la llamada “celda microbiana de combustible de sedimento”, la cual utiliza sedimentos acuáticos para su funcionamiento. Los sedimentos acuáticos por sí mismos tienen materia orgánica que procede de diversas fuentes y estos por sí solos pueden generar cierta cantidad de energía. Sin embargo, si queremos obtener más energía, la opción es enriquecerlos con más desechos orgánicos para aprovecharlos y transformarlos en energía. No toda la basura o desechos orgánicos pueden emplearse para los procesos antes descritos. En este artículo hablaremos de dos tipos de residuos orgánicos que hemos probado (Figura 2).

El primero proviene de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos o “FORSU” que es la parte de la basura de las ciudades, constituida por residuos de origen orgánico; restos de alimentos y de cocina, estiércol, poda de árboles, barrido de calles, ramas, paja, plantas, entre otros. En 2020, de acuerdo con la SEMARNAT, se estimó que 56 mil 427 toneladas por día de residuos orgánicos podrían ser tratados mediante compostaje o digestión anaerobia a nivel nacional; sin embargo, no todos estos desechos se aprovechaban, ya que menos del 5% fueron separados y tratados en plantas de biodigestión y de compostaje.

El compostaje es la descomposición de la materia orgánica por diferentes organismos (bacterias, hongos, lombrices, escarabajos, entre otros), que dan como resultado productos fertilizantes de alta calidad, denominados composta y lixiviados. Estos productos poseen una alta concentración en sales minerales y otros compuestos orgánicos que pueden ser aprovechados como una fuente de alimento para los microorganismos en las celdas microbianas que estamos estudiando, favoreciendo este tipo de tecnologías limpias y sustentables.

En los últimos años, se han realizado diferentes estudios en los que se adicionó FORSU o un producto derivado del FORSU a celdas microbianas de combustible, encontrándose que, al adicionar los desperdicios de alimento, previamente procesados por microorganismos degradadores, a una celda microbiana de combustible, se generó una densidad de potencia máxima de 6,652 mW/m2 [1]. Esto significa que un solo dispositivo de este tipo fue suficiente para cargar la batería de un teléfono celular de gama baja, en un tiempo de aproximadamente 10 horas. En nuestro laboratorio, actualmente estamos construyendo un tipo de celdas microbianas con sedimentos de la laguna de Coatetelco, Morelos, adicionándolas con lixiviados provenientes del compostaje del FORSU.

El segundo compuesto orgánico de desecho que estamos estudiando, con el fin de alimentar a las celdas microbianas de combustible de sedimento, es la quitina. La quitina proviene de los desechos de la industria alimentaria, específicamente de la pesca de mariscos, los cuales están compuestos por desperdicios sólidos, principalmente cabezas y exoesqueletos. En el caso de los crustáceos, la producción mundial de camarones alcanzó los 5.03 millones de toneladas en 2020. En el mismo año, en México se produjeron 219 mil toneladas. Estos residuos están compuestos entre el 15 y 46% de quitina. La quitina es una sustancia presente en los caparazones de crustáceos y se ha convertido en un componente importante en varios procesos industriales. Se utiliza en las industrias farmacéutica, cosmética, biomédica, biotecnológica y agrícola. Se puede utilizar en el tratamiento de aguas ya que la quitina tiene afinidad por muchas sustancias químicas contaminantes, como colorantes y derivados de medicamentos.

Se ha encontrado que la quitina se puede adicionar a los sedimentos para incrementar la materia orgánica y mejorar la producción de electricidad, permitiendo que las comunidades microbianas presentes en los sedimentos degraden esta materia orgánica y la transformen en energía. Por ejemplo, en algunos estudios en el que se utilizaron sedimentos acuáticos de una laguna de Morelos, con bajo contenido de carbono orgánico y suplementados con quitina, fue posible producir hasta 100 veces más electricidad, en comparación con las celdas sin quitina [2], pero esto aún está en desarrollo para que se puedan usar, por ejemplo, para prender dispositivos en el hogar.

Actualmente, en nuestro laboratorio estamos trabajando con diversos sedimentos, algunos de lagunas cercanas como la Laguna de Coatetelco, Morelos y otros incluso con contaminación de hidrocarburos como los del río Coatzacoalcos, Veracruz, en los que podríamos, además de generar energía, favorecer la remediación de sitios contaminados. La energía que se requiere para restaurar estos sitios es un factor limitante, por lo que se trabaja en hacer más eficiente el proceso para su aplicación (Figura 3).

Para atender la problemática de los desechos orgánicos, existen diversas propuestas de tratamientos industrializados. Sin embargo, para su aprovechamiento energético, las celdas microbianas de combustible de sedimento se han probado para operar diversos dispositivos de baja potencia en entornos remotos. Por ejemplo, en sitios muy profundos donde el cambio de baterías convencionales resulta ser muy costoso o imposible, o bien para la biorremediación, donde lo que persigue, más que generar energía, es restaurar los sedimentos contaminados de compuestos tóxicos como hidrocarburos y/o metales pesados. Sin embargo, a pesar de las prometedoras investigaciones científicas y prototipos propuestos, su uso generalizado no ha permeado todavía en nuestra sociedad, principalmente debido a los desafíos que aún no han sido superados para mejorar su desempeño, como dispositivos que puedan generar una mayor cantidad de energía eléctrica, por lo que se requiere mayor investigación e innovación para superar estas limitaciones.

Referencias

1. Laily, F. N., Juliastuti, S. R., Darmawan, R., Dusabe, S., Hendrianie, N., Rachmaniah, O., Nurhikmah, N., Putraditama, N. R. (2023). Production of electricity from food waste using microbial fuel cell and hydrolytic microorganisms. AIP Conference Proceedings, 2667(1). DOI: 10.1063/5.0112304. Este artículo reúne evidencia del empleo de desechos orgánicos de alimentos que pueden transformarse en energía.
2. Salgado‐Dávalos, V., Osorio‐Avilés, S., Kamaraj, S. K., Vega‐Alvarado, L., Juárez, K., Silva‐Martínez, S., & Alvarez‐Gallegos, A. (2021). Sediment Microbial Fuel Cell Power Boosted by Natural Chitin Degradation and Oxygen Reduction Electrocatalysts. CLEAN – Soil, Air, Water, 49(3). DOI: 10.1002/clen.202000465. En este artículo de nuestro grupo de investigación se describe cómo al adicionar quitina, se incrementa la producción de electricidad en las celdas microbianas de sedimento.

Lecturas recomendadas

1. Revelo, Dolly M.; Hurtado, Nelson H.; Ruiz, Jaime O. (2013) Celdas de Combustible Microbianas (CCMs): Un Reto para la Remoción de Materia Orgánica y la Generación de Energía Eléctrica. Información Tecnológica, 24(6), 17-28. https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-07642013000600004. Este artículo de revisión en español nos habla sobre las bases de las celdas microbianas de combustible y los factores que influyen en su desempeño.
2. Cornejo-Martell, Alan; Hernández-Eligio, José Alberto; Juárez-López, Katy (2019) Limpiando el ambiente y generando energía. Biotecnología en Movimiento, 17, 9-11. https://biotecmov.ibt.unam.mx/services/pdfDownloader.php?id=MTcqKl8qKjM=. En este artículo de divulgación se describe la investigación que se realiza en nuestro grupo de trabajo utilizando la bacteria Geobacter sulfurreducens y las celdas microbianas, así como su importancia para generar energía limpia.