Universidad Católica de Santa María Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas Escuela Profesional de Ingeniería Biotecnológica “GENERACIÓN Y ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO SISTEMAS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS (MFC) INOCULADAS CON LODOS ACTIVOS PROCEDENTES DE LA PTAP “LA TOMILLA”-AREQUIPA” Tesis presentada por la Bachiller: Heillen Melisa Calderón Castillo Para Optar el Título profesional de: Ingeniera Biotecnóloga Asesor: Mg. Javier Roque Rodríguez Arequipa-Perú 2017 I Agradecimientos Quiero agradecer ante todo a mis padres, Nicolás y Eleana, por acompañarme a lo largo de este camino; a mi hermano Jesús, a Ximena, Lizbeth y JeanPaul, grandes personas que me sirvieron de apoyo y referencia en toda mi etapa universitaria. Y por último agradecer a mi pequeño Athos, por ser estar siempre a mi lado. II Índice de Contenidos Agradecimientos .......................................................................................................... II Índice de Contenidos .................................................................................................. III Índice de Figuras ........................................................................................................ VI Índice de Tablas ......................................................................................................... IX Glosario ....................................................................................................................... X Resumen ..................................................................................................................... XI Abstract ................................................................................................................... XIII Introducción ................................................................................................................. 1 Objetivos ...................................................................................................................... 3 Objetivo Principal ........................................................................................................ 3 Objetivos Secundarios .................................................................................................. 3 Hipótesis ....................................................................................................................... 4 Capítulo I ...................................................................................................................... 5 1. Marco Teórico ................................................................................................... 5 1.1. Revisión necesidades energéticas: Perú ........................................................... 5 1.2. Celdas de Combustible Microbianas ................................................................ 6 1.3. Membranas en la producción energética .......................................................... 8 1.4. Electrodos ....................................................................................................... 10 1.4.1. Ánodo ............................................................................................................. 12 1.4.2. Cátodo ............................................................................................................ 13 1.5. Microorganismos electrogénicos .................................................................... 14 1.6. Mecanismos de transferencia de electrones ................................................... 14 1.7. Inóculos de cultivos bacterianos puros ........................................................... 19 III 1.8. Inóculos de consorcios bacterianos ................................................................ 20 1.9. Lodos activos de plantas de tratamiento de agua potable como fuente microbiana electrogénica ........................................................................................... 21 1.10. Sustratos en celdas de combustible microbianas ............................................ 21 1.11. Agua residual sintética en MFC ..................................................................... 22 1.12. Diseño de MFC .............................................................................................. 23 1.13. Diseño celdas de combustible en ausencia de membrana de intercambio protónico. (ML- MFC) ............................................................................................... 29 1.14. Electricidad, Corriente eléctrica ..................................................................... 32 1.15. Circuitos en serie ............................................................................................ 32 Capítulo II .................................................................................................................. 34 2. Materiales y Métodos ...................................................................................... 34 2.1. Lugar de ejecución y recolección de muestras ............................................... 34 2.2. Materiales ....................................................................................................... 34 2.2.1. Vidrio ............................................................................................................. 34 2.2.2. Unidades Biológicas ....................................................................................... 34 2.2.3. Reactivos Químicos y Bioquímicos ............................................................... 34 2.2.4. Instrumentación y Equipos ............................................................................. 35 2.2.5. Otros ............................................................................................................... 35 2.3. Recolección y tratamiento del material biológico .......................................... 36 2.4. Tratamiento membrana de intercambio protónico .......................................... 37 2.5. Diseño Y Construcción ML-MFC .................................................................. 37 2.6. Construcción MFC ......................................................................................... 38 2.7. Pre-operación MFC y ML-MFC .................................................................... 38 2.8. Comparación performance bioelectrogénica entre las celdas ML-MFC y MFC41 2.9. Conexión en serie: Aplicación energética ...................................................... 41 IV 2.10. Determinación de potencia ............................................................................. 43 2.11. Determinación de densidad de potencia ......................................................... 43 2.12. Determinación energía total producida .......................................................... 43 2.13. Análisis estadístico ......................................................................................... 44 Capítulo III ................................................................................................................. 45 3. Resultados ....................................................................................................... 45 3.1. Recolección material biológico ...................................................................... 45 3.2. Tratamiento membrana de intercambio protónico ......................................... 45 3.3. Diseño y construcción ML-MFC ................................................................... 46 3.4. Construcción MFC ......................................................................................... 50 3.5. Pre-operación MFC y ML-MFC .................................................................... 51 3.6. Comparación performance bioelectrogénica entre las celdas ML-MFC y MFC…………………………………………………………………………………65 3.7. Conexión en serie: Aplicación energética ...................................................... 66 3.8. Determinación de potencia ............................................................................. 69 3.9. Determinación densidad de potencia (DP) ..................................................... 69 3.10. Determinación de energía total producida ..................................................... 71 Capítulo IV ................................................................................................................. 74 4. Conclusiones ................................................................................................... 74 5. Recomendaciones ............................................................................................ 75 Referencias Bibliográficas ......................................................................................... 76 Anexos ....................................................................................................................... 85 V Índice de Figuras Figura 1. Esquema componentes básicos de una MFC ................................................ 7 Figura 2. Materiales de carbón tradicionalmente usados como electrodos en MFCs. 11 Figura 3. Representación esquemática del biofilm de G. sulfurreducens en el ánodo, mostrando la representación de varios citocromos a través del biofilm. ................... 16 Figura 4. Mecanismos de Transferencia de electrones. [18] ...................................... 18 Figura 5. Diagrama de flujo de una planta convencional de tratamiento de agua potable ........................................................................................................................ 22 Figura 6. Reactor en forma de cubo con cátodo aire.................................................. 24 Figura 7. Reactor uni-cámara, cátodo aire con brazo lateral. ..................................... 24 Figura 8. Reactor tipo SMMFC ................................................................................. 25 Figura 9. Diversas configuraciones de MFC de dos cámaras. ................................... 25 Figura 10. Bushing MFC presentado por You en 2006 ............................................. 26 Figura 11. Reactores tubulares de lecho empacado ................................................... 27 Figura 12. Fotografía y esquema de MFC apiladas ................................................... 28 Figura 13. Diseños de MFC para la producción de Bio-hidrógeno ........................... 29 Figura 14. Celdas de combustible microbianas en ausencia de PEM ....................... 31 Figura16. Diagrama conexiones seriadas en ML-MFC y MFC, para el almacenamiento de energía. ....................................................................................... 42 Figura 17. Diagrama ventilador portátil conectado a la batería, para la utilización de la energía. ................................................................................................................... 42 Figura 18. Tratamiento de Activación de membrana Nafion 117. ............................. 46 Figura 19. Diseño lazo electrolítico diseñado ............................................................ 47 Figura 20. Lazo electrolítico diseñado para ML-MFC. ............................................. 47 Figura 21. Configuración general ML-MFC .............................................................. 48 VI Figura 22. Sistemas tipo ML-MFC totalmente ensamblado y en funcionamiento .... 49 Figura 23. Sistema de aireación ideado para MFC y ML-MFC. ............................... 49 Figura 24. Configuración general MFC ..................................................................... 50 Figura 25. Sistemas tipo MFC totalmente ensamblado y en funcionamiento............ 51 Figura 26. Resultados del análisis de Oxígeno disuelto,al inicio y al final de la experimentación ......................................................................................................... 52 Figura 27. Intervalos de cc inicial DO (ppm) para ML-MFC vs MFC y cc final (ppm) para ML-MFC vs MFC .............................................................................................. 54 Figura 28. Valores individuales de cc inicial DO (ppm) para ML-MFC vs MFC y cc final DO (ppm) para ML-MFC vs MFC .................................................................... 54 Figura 29. Resultados conductividad en uS/cm. ........................................................ 55 Figura30. Intervalos de cc inicial de Conductividad (uS/cm) vs cc final Conductividad (uS/cm) para ML-MFC y MFC. ........................................................ 57 Figura 31. Valores individuales cc inicial dde conductividad (uS/cm) vs final conductividad (uS/cm) para ML-MFC y MFC. ......................................................... 57 Figura 32. Gráfico de barras resultados análisis Total de sólidos disueltos en ppm . 58 Figura 34. Valores individuales cc (inicial) TDS de ML-MFC vs MFC, y cc (final)TDS de ML-MFC vs MFC ............................................................................... 60 Figura 35. Resultado análisis % disminución de CDO .............................................. 61 Figura 36. Intervalos de COD inicial de MFC y ML-MFC vs COD final de MFC y ML-MFC .................................................................................................................... 63 Figura 37. Intervalos de % disminución de COD de ML-MFC vs MFC ................... 63 Figura 38. Sistemas MFC y ML-MFC en funcionamiento y monitorización. ........... 65 Figura 39. Resultados diferencia de potencial ........................................................... 67 Figura 40. Evolución recolección energética en las baterías de almacenamiento. .... 68 Figura 41. Mini-ventilador portátil en funcionamiento con la energía producida y almacenada. ................................................................................................................ 68 VII Figura 42. Intervalos de Máxima Densidad de Potencia (mW/m2) de ML-MFC vs MFC ........................................................................................................................... 70 Figura 43. Gráfico de barras Producción energética en Joules .................................. 71 Figura 44. Gráfica para valores de producción energética total en Joules para ML- MFC vs MFC ............................................................................................................. 73 Figura 45. Materiales utilizados como ánodos en MFCs [16] ................................... 85 Figura 46. Microorganismos y sustratos utilizados en MFCs [29] ............................ 86 Figura 47. Típico desempeño de diversas configuraciones de MFCs [18] ................ 87 Figura 48. Resultados de análisis de azúcares reductores totales para las muestras después de la fase experimental. Laboratorio de Control de Calidad de la UCSM ... 98 Figura 49. Diseño Lazo electrolítico. ......................................................................... 99 Figura 50. Diseño ML-MFC. ................................................................................... 100 Figura 51. Diseño MFC ........................................................................................... 101 VIII Índice de Tablas Tabla 1. Composición Agua Residual Sintética ....................................................... 39 Tabla2. Parámetros fisicoquímicos evaluados con el Multiparámetro Hanna H9829……………. ............................................................................ ………………40 Tabla 3. Resultados caracterización inicial lodos activos ........................................ 45 Tabla 4. Método T-student para OD de ML-MFC y MFC ...................................... 53 Tabla 5. T-student para dos muestras OD ................................................................ 53 Tabla 6. Método .T-student para Conductividad (uS/cm)........................................ 56 Tabla 7. T-student para dos muestras Conductividad .............................................. 56 Tabla 8. Método T-student para TDS (ppm) ............................................................ 59 Tabla 9. T-student para las medias TDS .................................................................. 59 Tabla 10. Método T-student para % de disminución de CDO ................................... 62 Tabla 11. T-student para las medias % disminución de CDO ................................... 62 Tabla 12. Resultados del análisis de azúcares reductores totales............................... 64 Tabla 13. Máximo voltaje registrado obtenido por sistema ....................................... 66 Tabla 14. Máxima densidad de Potencia obtenida en los sistemas. ........................... 69 Tabla 15 .Método T-student para máxima densidad de potencia............................... 70 Tabla 16. T-student para medias de Máxima Densidad de Potencia ......................... 70 Tabla 17. Producción energética total por sistemas, expresado en Joules ................. 72 Tabla 18. T-student para Producción energética total en Joules ................................ 72 Tabla 19. T-student para producción energética total ................................................ 72 IX Glosario A: amperaje, intensidad de corriente. CE: corriente COD: Demanda química de oxígeno, por sus siglas en inglés DE: Desviación estándar DP: Densidad de potencia DO: Oxígeno disuelto, por sus siglas en inglés FC: Celdas de combustible, por sus siglas en inglés I: Intensidad de corriente, amperaje MFC: Celdas de Combustible Microbiana, por sus siglas en inglés ML-MFC: Celdas de combustible microbiana sin membrana, por sus siglas en inglés P: Potencia PEM: Membrana de intercambio protónico, por sus siglas en inglés PTAP: Planta de Tratamiento de Agua Potable SCMFC: Single Chamber Microbiological Fuel Cell RAFA: Reactor anaeróbico de flujo ascendente TDS: Total de sólidos disueltos, por sus siglas en inglés V: Diferencia de potencial, voltaje X Resumen Las celdas de combustible microbianas son una tecnología emergente, que va cobrando importancia en el campo de las energías renovables, así como en el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, esta novedosa tecnología presenta diversos desafíos. En la presente investigación se diseñó y construyó una celda de combustible microbiana en ausencia de membrana de intercambio protónico, y se comparó con un sistema control, es decir con una celda de combustible microbiano con membrana Nafion 117 de esta manera se intentó demostrar que se puede excluir a las costosas membranas en la construcción de las MFC reduciendo costos de manera exponencial. Los sistemas fueron inoculados con lodos activos de la PTAP “La tomilla”. El sistema construido en ausencia de membrana, tomó como principio el flujo unidireccional a través de un lazo electrolítico. Ambos sistemas se mantuvieron funcionando por 25 días de manera continua, produciendo una media de producción energética de 631.33 Joules (DE=15.5), y una media de máxima densidad de 2 potencia de 200.22 mW/m (DE=4.93), para los sistemas sin membrana. Mientras que los sistemas control produjeron una media de producción energética de 622.3 2 Joules (DE=17.7) y una media de máxima densidad de potencia de 197.7mW/m XI (DE=5.60). El análisis estadístico realizado demostró que no existía diferencia significativa entre los resultados de los sistemas con y los sin membrana, por lo tanto, se demostró que las membranas de intercambio protónico pueden ser removidas de los diseños de dichos sistemas sin tener repercusiones negativas en la producción energética. Palabras clave: celdas de combustible microbianas, membrana de intercambio protónico, lazo electrolítico. XII Abstract Microbial fuel cells are an emerging technology, which is gaining importance in the field of renewable energy, as well as in the treatment of wastewater. However, this new technology presents several challenges. In the present investigation, a microbial fuel cell was designed and constructed in the absence of a proton exchange membrane, and compared to a control system, with a Nafion 117 membrane microbial fuel cell, in this way it was tried to demonstrate that the expensive membranes can be excluded in the construction of the MFC reducing costs exponentially. The systems were inoculated with activated sludge from PTAP "La tomilla". The system built in the absence of membrane, took as a principle the unidirectional flow through an electrolytic loop. Both systems continued to operate for 25 days continuously, producing an average energy output of 631.33 Joules (DE=15.5), and an average maximum power density of 200.22 mW/m2 (DE=4.93), for systems without a membrane. While membrane systems produced an average energy output of 622.3 Joules (DE=17.7), and an average maximum power density of 197.7 mW/m2 (DE=5.60). The statistical analysis showed that there was no significant difference between the results of the systems with and without membranes, therefore it was demonstrated that the proton exchange membranes can be removed from the designs of these systems without having negative repercussions on the energy production. Key words: microbial fuel cells, proton exchange membrane, electrolytic loop XIII Introducción El siguiente trabajo de investigación se realizó como parte del proyecto PIAP-2-P- 810-14, de título: “Evaluación e implementación de un sistema de generación de energía electroquímico, debido a la actividad microbiana mixta, de efluentes residuales vacuno, cunícola, avícola y porcina. Donde se plantea la generación eléctrica en cedas de combustible microbiana con membrana de intercambio protónico, para su captura y almacenamiento en baterías”. Las celdas de combustible microbiana, están consideradas dentro del campo de la bioelectricidad, y es considerada una tecnología altamente atractiva, debido a que son dispositivos que pueden utilizar el metabolismo bacteriano para producir una corriente eléctrica procedente de una amplia gama de sustratos orgánicos, sin producir la emisión significativa de gases contaminantes, agregando que paralelamente a la producción de energía, se realiza la limpieza de los efluentes de desechos utilizados [1]. Para mejorar aún más la tecnología MFC se requiere una comprensión de las limitaciones y microbiología de estos sistemas, así como mayor estudio de los materiales usados. Algunos investigadores están descubriendo que el mayor valor de la tecnología MFC tal vez no sea la producción de electricidad, pero sí la capacidad de los microbios de electrodo asociada para degradar los residuos y productos químicos tóxicos [2]. Dentro del mencionado proyecto se abarcó el tema de mejoramiento en el diseño y elementos de las MFC, siendo el tema de mayor interés la membrana de intercambio protónico. Un típico diseño de MFC está compuesto por una cámara anódica y una cámara catódica, las cuales se encuentran conectadas por una membrana intercambio de protónica (PEM), esta permite que los protones se muevan a través del ánodo al cátodo; la principal desventaja de las PEM, es el alto de las mismas [3,4]. El presente trabajo se enfoca en la remoción del elemento PEM, dando lugar a una significante reducción en los costos. Virdis y sus colegas inventaron el modelo de bucle para eliminar MFC de carbono y nitrógeno en las aguas residuales, en la que algunos H + y 4 NHþ podrían transferir desde la cámara de ánodo a la cámara de cátodo a través del bucle de electrolitos [4]. 1 Se plantea un nuevo diseño de MFC, sin membrana de intercambio protónico el cual será comparado con el típico diseño de dos cámaras con membrana de intercambio protónico, se espera una producción energética igual o incluso mayor, con el nuevo diseño; además se propone desarrollar una conexión seriada de sistemas ML- MFC, para una mayor acumulación energética y posterior aplicación de la energía generada. 2 Objetivos Objetivo Principal Generar y acumular energía eléctrica utilizando sistemas de celdas de combustible microbianas (MFC) inoculadas con lodos activos procedentes de la PTAP “La Tomilla” Objetivos Secundarios 1. Diseñar y construir una celda de combustible microbiana en ausencia de membrana de intercambio protónico (ML-MFC). 2. Comparar la performance bioelectrogénica de celdas de combustible microbianas con y sin membrana de intercambio protónico (MFC y ML-MFC). 3. Determinar la evolución de los parámetros fisicoquímicos (COD, DO, ART, conductividad, TDS), que caracterizan la performance de cada sistema de bioelectogeneración. 4. Analizar estadísticamente los resultados obtenidos a través de un sistema triplicado aplicando análisis de varianza, prueba T pareada y T-student, con el uso del software Minitab versión 17.2.1. 3 Hipótesis Es posible generar y acumular energía eléctrica utilizando sistemas de celdas de combustible microbianas (MFC) inoculadas con lodos activos procedentes de plantas potabilizadoras de agua; y generar energía eléctrica en una MFC reemplazando la membrana de intercambio protónico (PEM), con un lazo electrolítico, igualando e incluso superando la producción energética de una MFC que sí cuente con la presencia de una membrana de intercambio protónico. 4 Capítulo I 1. Marco Teórico 1.1. Revisión necesidades energéticas: Perú Las necesidades energéticas se encuentran en creciente demanda, del año 2007 al 2015 hubo un crecimiento en la demanda energética del Perú de 7,4% por año. Para el año 2030 se espera que la demanda de electricidad alcance y exceda los 1,632 KWh. Siendo el sector industrial el de mayor demanda con 66% de consumo, seguido por el sector residencial 24%, comercial 19% y por último iluminación pública 3%, divididas entre las fuentes de energía termoeléctrica e hidroeléctrica [5]. Debido a las crecientes necesidades energéticas, el Gobierno Peruano decidió apoyarse en la energía proveniente del gas natural; esta alternativa si bien puede cubrir las demandas energéticas, sería sólo una solución temporal [6]. La energía hidroeléctrica es considerada como el único recurso renovable explotado en nuestro país, el complejo del Mantaro de capacidad de 1,008w, es el más grande del Perú y es operada por ElectroPerú, en 2006 las dos plantas del complejo, tenían la capacidad de generar más de un tercio del suministro total del Perú [7]. La energía eólica y la energía solar, son dos tipos de energía renovable que el Perú está empezando a considerar como alternativas ante la demanda energética. Según el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología [8], estima un potencial de energía de origen eólico de 19 GWh/año; siendo las provincias de Laguna Grande, Marcona, Punta Ático y Talara las de mayor potencial; lamentablemente la contribución de este tipo de energía hacia el 2006 alcanzaba sólo los 0,7 MW. La energía solar resulta otra atractiva alternativa de fuente energética, aún sin explotar, en cordillera situada al sur del país, se estima que la energía solar podría alcanzar e incluso superar los 6 kWh/m2/día, resultando de los más altos de mundo [9]. Otro tipo de energías renovables estarían siendo consideradas como microturbinas, que aprovecharían la energía cinética, entre otros. Siendo las celdas de combustible microbianas, las únicas que ofrecen un “plus” a la producción energética, que sería el tratamiento de efluentes de desechos. 5 1.2. Celdas de Combustible Microbianas El primer reporte de una celda de combustible microbiana, fue en 1912 con el Profesor M.C. Potter, de la universidad de Durham, quien logró producir electricidad de una bacteria E.coli; sin mucha notoriedad. No fue hasta 1931 que su hallazgo fue revisado por Barnet Cohen, quien desarrolló diversas celdas conectadas, que lograron una diferencia de potencial de 35 voltios. Lewis en 1966 fue el primero en lograr avances prácticos en cuanto al diseño y materiales utilizados; llegando por fin a ser un verdadero campo de interés en 1993 con Allen y Bennet. Sin embargo, todos los experimentos logrados en este lapso de tiempo, requirieron de mediadores químicos. No fue hasta 1999 con Kim, que se descubrió que el uso de mediadores no era imperativo; las investigaciones en MFC siguen en constante progreso, siendo la interacción bacteriana uno de los campos más desafiantes [10,11]. Una celda de combustible microbiana se describe como un sistema el cual genera energía eléctrica a partir de la energía química de un compuesto (generalmente orgánico), mediante la acción bacteriana. Una MFC está conformada por: cámara anódica; cámara catódica; electrodos, medio de intercambio protónico, inóculo bacteriano, aceptor de electrones y sustrato [12]. En el compartimiento anaeróbico (cámara anódica), el combustible es oxidado por los microorganismos, generando electrones y protones; los electrones son transferidos a la cámara catódica a través de un circuito eléctrico externo; mientras que los protones son transferidos a través del medio de intercambio de iones [13]. Bajo las condiciones aeróbicas necesarias, las bacterias utilizarán el oxígeno (o nitrato) como aceptor final de electrones y formará agua; sin embargo, en la cámara anódica no hay oxígeno, por lo que la bacteria se ve obligada a cambiar su aceptor natural de electrones a un aceptor insoluble; tal como un ánodo de MFC [14]. Gracias a la habilidad de la bacteria de transferir electrones hacia un aceptor insoluble de electrones, es que se puede recolectar los electrones del metabolismo microbiológico [15,16]. Uno de los principales componentes en las MFC es el separador físico o membrana, para “aislar” la cámara anódica de la catódica, mientras permite el transporte selectivo de protones del ánodo al cátodo. El separador ideal debe ser un buen conductor iónico, aislador electrónico, ion selectivo (conductor de protones), durable, químicamente estable, biocompatibe, de difícil obstrucción y de bajo costo [17]. 6 Figura 1. Esquema componentes básicos de una MFC. El desempeño de una MFC depende de muchos factores tales como: la fuente de combustible, temperatura, inóculo (especie o comunidad microbiana), composición electrodos, material del separador y aceptor de electrones [18]. Se han propuesto una variedad de diseños escalables para la construcción de una MFC. En la mayoría de los estudios, la configuración comúnmente adoptada fue la tradicional doble cámara en forma de H, en la que dos vasos (cámaras o compartimentos) están conectados por un medio de intercambio protónico, tal como muestra en la Figura 1[19]. Inicialmente, los reactores utilizaban un puente salino como el canal de intercambio de iones entre el ánodo y el cátodo de la cámara, pero este fue remplazado posteriormente por membranas de intercambio de protones [20]. Muchas de las modificaciones de los modelos existentes se han llevado a cabo buscando aumentar las densidades de potencia, y de mantener una producción de corriente constante [21]. Algunos de los mejores diseños conocidos incluyen un flujo ascendente de tipo tubular [22], un diseño de placa plana [23], un apilado de MFCs [24], y en forma de tubo en U [25]. 7 Las Celdas de Combustible sedimentarias son empleadas en algunos tipos de hábitat naturales donde se obtiene la energía de comunidades bacterianas presentes en el mismo lugar (nativas), tal como describe Lenny en 2008 [26], este tipo de MFC ofrece la alternativa de obtener energía eléctrica, de una manera directa del suelo; ya sea de sedimentos marinos como Scott quien registró densidades de potencia de 55 mW/m2 en sedimentos marinos; o partir de cultivos de arroz, entre otros [1]. Las MFC tienen un alto potencial de aplicaciones en distintas áreas incluidas: (i) tratamiento de aguas y recuperación energética; (b) energía renovable proveniente de biomasa; (c) generación insitu en áreas remotas y proveedor de energía de sensores utilizando combustibles biodegradables autóctonos; (d) biorremediación de contaminación del petróleo en las aguas subterráneas [18]. 1.3. Membranas en la producción energética Las membranas cuentan con diversas aplicaciones en la producción energética y diversos bioprocesos. Existen membranas de separación, que se utilizan en la ósmosis reversa, nano-filtración, ultrafiltración y microfiltración, separación de gases, pervaporación; membranas de reactores y membranas de contacto, utilizadas para procesos de destilación y emulsificación. Gugliuzza en 2014, describió diversas combinaciones de procesos con membranas en la tecnología de energías renovables [27], los más destacados son: (i) Energía renovable producto de la desalinización: La energía renovable es utilizada como suministro de energía de la planta de desalinización de membrana; cuyo proceso suele ser de alto consumo energético. Los procesos de membrana como ósmosis inversa, electrodiálisis, y destilación de membrana, pueden ser utilizados en la generación de energía solar, eólica, fotovoltaica (PV), energía de olas y de presión hidrostática (ii) Membranas para procesamiento de biocombustiles y para la producción y purificación de biogás: se utilizan las membranas para la filtración y modernización de biogás. (iii) Celdas de combustible microbiológicas: la membrana actúa como un separador y electrolito sólido, cuya función es el transporte selectivo de protones a través de la celda, en funcionamiento. 8 La función ideal de la membrana en las MFC, es separar la reacción de la cámara anódica y catódica, en el sistema electroquímico mientras permite el transporte selectivo de protones del ánodo al cátodo, previniendo la difusión de oxígeno hacia la cámara anódica [18]. Reacción en cámara anódica a partir de Glucosa Reacción en cámara catódica Las desventajas de trabajar con membranas en las MFC son el alto costo que añaden al sistema y que pueden influenciar de manera negativa al sistema. Nafion tiene un precio promedio de $1400/m2, a diferencia de una simple membrana de intercambio de $80/m2; estos costos hacen imposible la utilización de Nafion en aplicaciones a gran escala. A pesar del costo Nafion 117 (dipont Corp.) de 0,019 cm de grosor, sigue siendo la membrana más utilizada por el momento [19]. La estructura base de la membrana Nafion está diseñada para incluir una amplia cantidad de regiones hidratadas, que permitirán una migración eficiente de protones. Nafion es una membrana polimérica , cuya estructura base está formada por un polímero de polietineo, en el cual se reemplaza el hidrógeno con flúor, formando una estructura conocida como politetrafluoroetileno (PTFE); de esta manera Nafion se transforma en una estructura químicamente resistente, estable y duradera. El electrolito se logra añadiendo bisulfito (HSO3-), a la estructura base del polímero PFTE. El bisulfito añadido en su forma iónica es SO3-, se une los protones H+. Esta estructura con PTFE hidrofóbico y bisulfito hidrofílico tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de agua [15]. Al hidratarse la membrana, los protones son débilmente atraídos a las regiones SO3- con alta negatividad electrónica, lo que permite que sean transportados con facilidad. Nafion, se comporta como un elemento lleno de agua, el cual se conecta mediante canales, que corresponderían a los iones SO3-, y la fase líquida móvil correspondería a los iones H+ y el agua; los iones H- (u otros iones), pueden moverse libres en estos canales bajo una gradiente de potencial; así mismo al resultar la membrana como un conductor de protones altamente efectivo, logra actuar como un 9 aislante de electrones. La conductividad de Nafion incrementa exponencialmente con la temperatura, e incrementa de manera linear con el contenido de agua, como ya se mencionó [15]. Nafion™117, si bien es la membrana más utilizada no es la única. En el mercado también podemos encontrar otras membranas de la familia perfluorosulfónico, como Flemion™ (Asahi Glass), membrana Hyflon™ (Solvay-Solexis, Italy), Zirfon™ (Perl,Agfa), y Aquivion™ (Solvay) [28,29]. Hyflon está compuesta por una cadena lateral corta de perfluoropolímero, y presenta mejor estabilidad química, así como mayor conductividad en comparación a la ya mencionada Nafion [30]. Sin embargo, presenta una resistencia interna más alta que Nafion, lo que repercute en la producción energética. Por último, Zifron está compuesto de un material órgano-mineral macroporoso, presenta una resistencia específica mucho menor en comparación a Nafion, su mayor desventaja es la alta permeabilidad de oxígeno que presenta es perjudicial para las reacciones anódicas, así como para los materiales filtrantes- porosos [29]. Este tipo de membranas permiten mayor velocidad en el intercambio protónico, y por lo tanto mayor producción energética. Kim en 2007, comparó el desempeño de una membrana CEM, AEM, de micro-filtración (UFM), con Nafion™117, demostrando que la energía producida por otras membranas aún no logran igualar la lograda con Nafion, es por ello que a pesar de ser la de mayor costo, sigue siendo la más utilizada en pruebas de laboratorio [27]. El efecto adverso en el uso de membranas es el incremento en la resistencia interna que lleva a un decaimiento en la producción energética. Otros tipos de materiales de menor costo y mayor accesibilidad han sido utilizados como medios de intercambio catiónico como: telas, fibra de vidrio, nylon, filtros de celulosa, filtros de policarbonato, entre otras; sin mucho éxito [30,31]. 1.4. Electrodos El electrodo debe ser de un material que cumpla con las siguientes características: ha de ser un material conductivo, bio-compatible y químicamente estable en la solución del reactor [32]. El material más utilizado en las investigaciones son los electrodos de carbón en diversas formas como: barras de grafito, fieltro de grafito, tela de carbón, papel carbón, esponja de carbón o espuma, cátodos platinizados a base de 10 papel carbón revestido, grafito revestido; además de electrodos de otros metales, como titanio y acero inoxidable. La literatura indica que estructuras tipo brush de papel, fieltro y tela, logran una mayor producción que electrodos del mismo material, pero distinta configuración (barras, placas, etc). Sin embargo, estas estructuras suelen ser de mayor precio y de difícil accesibilidad. La modificación de la superficie de los electrodos, así como las aleaciones con metales o el pre-tratamiento, podrían ayudar a mejorar la producción de energía y la reducción de costos [33]. En la Figura 2. Se muestran los materiales de carbón tradicionalmente utilizados como electrodos en las MFCs, donde (a) papel carbón, (b) tela carbón, (c) malla carbón, (d) filtro carbón, (e) placa grafito, (f) grafito granulado, (g) carbono reticulado vitrificado, (h) cepillo carbón [18] Figura 2. Materiales de carbón tradicionalmente usados como electrodos en MFCs. 11 1.4.1. Ánodo Diversos investigadores han demostrado que las características de la superficie del ánodo y su afinidad hacia las bacterias, son factores decisivos en la adhesión bacteriana al ánodo y en las conexiones eléctricas. Con el fin de favorecer esta afinidad, se han desarrollado diversas estrategias, que incluyen modificaciones en los tradicionales ánodos de carbono [18]. Como ya se mencionó el carbón no es el único material utilizado como cátodo, se ha probado que otros metales, tales como: (i) cobre, (ii) titanio, (iii) oro, (iv) acero inoxidable, podrían conducir a una mayor conductividad energética. (i) Cobre: Pruebas con electrodos de cobre, demostraron que a pesar de alcanzar una corriente mayor en comparación a una MFC con tela carbón (en la etapa inicial), resulta altamente corrosible y tóxico para los microorganismos, e incluso lleva a una mayor contaminación del efluente tratado [18]. (ii) Titanio: Fue propuesto especialmente como aceptor de corriente, se realizó una comparación de titanio, titanio-revestido en Pt, y grafito. Los resultados mostraron corriente nula para el titanio no revestido [43]. (iii) Oro: Los ánodos de oro han sido utilizados en micros-MFC, demostrando ser biocompatibles, de alta conductividad, e idóneo a la micro-fabricación convencional [34,35]. Sin embargo, el oro no resulta un material viable, en temas económicos, ni siquiera como revestimiento. (iv) Acero inoxidable: Se considera como un ánodo viable, debido a las mejores propiedades mecánicas en tiempos largos de operación, así como en aplicaciones de escalamiento; en comparación a electrodos de carbono [18]. El acero inoxidable, así como el titanio, presentan problemas debido a la lisa superficie del metal, la cual no permite una adhesión de fuerza sobre las bacterias inoculadas; además de formar óxidos no conductores sobre la superficie [18]. Una lista de materiales de ánodos utilizados en investigaciones, en el Anexo1. En 2002, y 2003, Park y Seikus desarrollaron ánodos de carbón-metal, por ejemplo: ánodo de grafito-manganeso (iv) y grafito-rojo neutro (NR), siendo la primera combinación la de mejor desempeño; llegando a ser superar incluso, y no por poco, a 12 los electrodos de grafito normales [33,34]. El fomento de nuevos ánodos basados en materiales compuestos, se encuentra aún en su etapa inicial, diversos investigadores se encuentran en la búsqueda de materiales de bajo costo, estables a largo plazo, y de entender el mecanismo de interacción entre la bacteria y el electrodo [18]. A partir de diversos estudios sobre el ánodo, han surgidos diversas tendencias que podrían incrementar el rendimiento de las MFC; como incrementar la carga superficial del ánodo de manera que afecte directamente la adhesión microbiana y la transferencia de electrones en la superficie del ánodo. Otra tendencia sería la integración con materiales nano-compuestos que ofrecen la ventaja del efecto sinérgico de dos o más componentes y el desarrollo de un ánodo macroporoso 3D que incrementa la interacción ánodo-microbio, convergiendo en una mayor transferencia de electrones [18]. 1.4.2. Cátodo El cátodo suele ser del mismo material del ánodo, mayormente carbón y suele revestirse con metales preciosos tales como platino, cobalto y hierro; cuya función es aumentar la velocidad de reducción del oxígeno [38]. En la cámara catódica se da la captura de electrones, por lo que se necesita un aceptor de electrones en el medio. El oxígeno, es el aceptor más recomendado, debido a su accesibilidad, bajo costo en caso de escalamiento y no toxicidad [32,39]. El medio en el cual se esparce el aceptor, aún no ha sido completamente estudiado, debido a que se da mayor interés al mismo aceptor de electrones, diversos investigadores han utilizado, agua destilada [40], buffer fosfato [41], agua de mar [42], entre otros, sin haber representado influencias significativas en la producción energética. Otros aceptores también han sido ampliamente utilizados como el ferrocianuro, peróxido de hidrógeno, iones férricos y permanganato; dichos aceptores han probado ser grandes conductores de electrones y de producir mayor densidad de potencia. A pesar de ello, el uso de estos aceptores es considerado no sustentable, debido al costo, requerimiento de continuo reemplazo y que puede contaminar la solución tratada a través de la transferencia por el medio separador [19, 43, 44]. 13 1.5. Microorganismos electrogénicos El factor más importante para que una MFC genere una corriente de electrones que pueda ser utilizada es, sin duda alguna, los microorganismos utilizados para llevar a cabo el proceso de degradación de la materia orgánica a compuestos como CO2 , H2O y la liberación de electrones al sistema [32]. Los microorganismos que pueden oxidar totalmente compuestos orgánicos empleando un electrodo como único aceptor de electrones, son los que contribuyen principalmente a la producción de energía. La diversidad de bacterias con capacidad electrogénica sigue aún en constante descubrimiento; siendo dos los géneros que han cobrado mayor importancia: Shewanella y Geoacter, la disponibilidad del genoma de ambos géneros ha permitido aprender más acerca de la naturaleza fundamental del fenómeno electrogénico [45]. El análisis de la comunidad microbiana encontrada en los biofilms ha demostrado que existe una mayor cantidad de microorganismos exoelectrogénicos, a la inicialmente esperada. Una comunidad microbiana óptima para trabajar en una MFC, es obtenida de sedimentos, digestores anaeróbicos, lodos activos de plantas de tratamiento; llegando a producir incluso más energía que los cultivos puros; mientras que los cultivos puros suelen ser obtenidos mediante la aislación de sedimentos de MFCs o mediante la identificación de microrganismos Fe(III) reductores [46]. Usualmente los microorganismos reductores de Fe (III) son altamente efectivos en entregar electrones al electrodo; debido a la capacidad de estos microorganismos de donar los electrones a un electrodo artificial; cabe mencionar que no todos los reductores de Fe (III) son capaces de donar electrones al electrodo; al igual que no todas las bacterias de actividad electrogénica tienen la capacidad de reducir Fe (III). A pesar de los grandes avances logrados en microorganismos electrogénicos, aún se desconoce el mecanismo de transporte de electrones, de la gran mayoría, desde la célula hacia un aceptor extracelular [19]. 1.6. Mecanismos de transferencia de electrones Las comunidades microbianas ya sean mixtas o puras, forman un biofilm que envuelve el ánodo, es aquí donde se realiza la transferencia de electrones. Existen dos 14 mecanismos conocidos para la transferencia de electrones al ánodo: transferencia directa vía citocromos tipo c de la membrana externa y transferencia de electrones solubles con ayuda de mediadores [47]. Transferencia directa con la participación de citocromos Microorganismos anodofílicos: Geobacter y Rhodoferax. Cuentan con mecanismos de transporte de electrones interno y no requieren la ayuda de mediadores [29]. Se conoce que las bacterias que tienen la capacidad de donar electrones hacia un electrodo, utilizan citocromo Tipo-c, como transporte del exterior de las células hacia el electrodo. Los citocromos de Tipo-C son proteínas redox que contiene uno o más grupos hemo, cuya función es el transporte de electrones en la cadena respiratoria de diversos organismos; estas proteínas multihemos, se localizan en la membrana de las bacterias [48]. Este es el caso de Geobacter sulfurreducens, que posee más de 100 tipos de citocromos Tipo-C la gran mayoría en su membrana exterior; gracias a ellos es que puede transferir electrones desde su membrana interna hacia la superficie externa celular; sin embargo, poco se sabe acerca del exacto mecanismo de transporte de electrones [18]. La colaboración de distintos citocromos demostró que las bacterias no utilizan el mismo mecanismo para reducir elementos o un electrodo. Por ejemplo, G. sulfurreducens forma un biofilm bastante gruesos en el ánodo, cuyas células son metabólicamente activas a través del biofilm, es por ello que se asume que debe tener un mecanismo para transferir electrones hacia el electrodo a unos micrómetros de distancia; es aquí donde entran los pilis o “nanoclables” tipo IV [18]. La representación de la transferencia de electrones vía citocromos se muestra en la Figura 3, donde cuadrado abierto: OmS en pili tipo IV, Estrella: OmcZ [18]. Posteriores investigaciones encontraron citocromos localizados a lo largo de los pilis; este descubrimiento nos lleva a suponer que el transporte de electrones podría ocurrir a través de un túnel de electrones vía pili o por el salto de electrones de citocromo a citocromo, usando los pilis como puente entre citocromos [49]. Esta teoría ha sido llamada la Teoría del súper- intercambio y algunos grupos de investigación han encontrado evidencia de su existencia [42]. A pesar de ello, otros investigadores se oponen a esta teoría abduciendo que los citocromos se encuentran 15 demasiado separados entre ellos por lo que el salto de electrones no sería posible y que los pilis pueden ser conductores aún si los citocromos se encuentran desnaturalizados, es decir; los citocromos en realidad sólo facilitan al pili, la transferencia de electrones hacia el ánodo [18]. Este debate entre grupos de investigadores aún permanece vigente, y probablemente tendrá solución en años venideros, según avancen las investigaciones. Thermincola ferriacetica, es otra bacteria con actividad electrogénica; esta bacteria forma gruesos biofilms al igual que G.sulfurreducens; por lo tanto también tiene la capacidad de transferir electrones a través de largas distancias; pero a diferencia G. sulfurreducens, Thermicola es una bacteria Gram-positiva sin citocromos del tipo-C; por lo que se desconoce cómo podría transportar los electrones a través de la pared celular Gram-positiva [50]. Figura 3. Representación esquemática del biofilm de G. sulfurreducens en el ánodo, mostrando la representación de varios citocromos a través del biofilm. Transferencia con ayuda de mediadores externos o producidos por el mismo organismo El compuesto que actúa como mediador tiene la capacidad de entrar en la célula, aceptar los electrones, desde la célula en estado reducido y los dona a los electrodos. Los mediadores pueden ser producidos por las mismas células o ser añadidos de 16 manera externa, estos métodos fueron descritos por Scott y Hao en 2016 y se describen a continuación: (a) Mediadores externos Son especies redox de bajo peso molecular que sirven para transportar los electrones hacia los electrodos; solían ser añadidos a las MFC rutinariamente. El mediador debía ser soluble, químicamente estable en su estado reducido y oxidado en la solución electrolítica , en estado de oxidación debía poder penetrar la membrana de las bacterias para alcanzar las especies reducidas en su interior, igualar el potencial de reducción del metabolito, sus estados de oxidación no debían interferir con otros procesos metabólicos, además debía poder escapar fácilmente a través de la membrana bacteriana, y ser no apto para la absorción de células bacterianas en la superficie del electrodo [18]. Una gran variedad de químicos ha sido utilizados como mediadores tales como: Rojo neutro; anthraquinone-2-6, disulfonato (ADQS) [18], Tionina [38], Ferrocianto de potasio [51], violeta de metilo [42], 2-hidroxi-1,4-naftoquinona [40], y resazurin [52]. Pero al ser mediadores artificiales presentan la desventaja de que podrían resultar tóxicos hacia las bacterias, además de aumentar el costo de la MFCs y de alejar a las MFCs de una aplicación industrial debido a que podrían llevar a una contaminación del efluente tratado [19] b) Mediadores secretados por bacterias En 2005 Rabaey y colegas, demostraron que no era necesario el uso de mediadores externos debido a que las mismas comunidades microbianas (mixtas o puras), podrían producir mediadores endógenos que resultarían en excelentes transportadores de electrones [22]. Los mejores mediadores excretados por bacterias electrotóficas son derivados de fenazina producidos por Pseudomonas aeruginosa como: piocianina (PYO) y fenazina-1-carboxamida; y flaninas producidas por Shwanella como: riboflavinas (vitamina B2, RF) y flavina mononucleótidas (FMN) [18]. Además, las flavinas pueden interactuar con otros microorganismos y generar corriente eléctrica en microorganismos considerados no-electrogénicos; tal es el caso de Bacillus sp, y levaduras [53]. Los distintos tipos de transferencia de electrones, se muestran en la Figura 4 mediante un resumen esquemático de los dos mecanismos de transferencia para el uso de un aceptor de electrones de estado sólido. 17 Las flechas invertidas representan la absorción de electrones de un donante de electrones de estado sólido. (1a) Un microorganismo puede realizar EET poniendo directamente en contacto el electrodo con redes de redox u otras moléculas de transferencia de electrones, (1b) Variación de 1a en la que los nanocables conductores permiten la transferencia de electrones a distancias micrométricas. En este último mecanismo aún no se han observado reacciones de absorción de electrones. (2a) Un microorganismo puede utilizar una lanzadera de electrones o el transporte de electrones hacia / desde la célula. Las moléculas segregadas por microbios, así como los compuestos artificiales añadidos, pueden actuar como lanzadera electrónica. (2b) Variación en 2a donde los electrones son transferidos por metabolitos primarios tales como H2 Figura 4. Mecanismos de Transferencia de electrones. [18] 18 Modificaciones en la membrana celular Un nuevo método de transporte de electrones, ha sido desarrollado mediante la introducción de oligoelectrolitos conjugados (COEs), en las MFCs. Los COEs se integran a la membrana de las bacterias, por lo que no puede ser considerado como mediador [54,55]. El mecanismo de funcionamiento de los COEs aún no se encuentra claro, pero se supone que los COEs pueden transportar electrones a través de sus π-orbitales presentes en anillo aromático presente en la estructura de la molécula. Mediante la intercalación de COEs en la membrana, los electrones pueden dejar la cadena respiratoria, sin importar el terminal de electrones presentes en la membrana. Otra teoría indica que los COEs deforman la membrana celular, de manera que se da un mejor transporte de electrones [56]. 1.7. Inóculos de cultivos bacterianos puros La bacteria Geobacter metallireducens, electrogénica comprobada [39], es probablemente la más conocida y la más estudiada, de todas las bacterias electrogénicas descubiertas. Las bacterias del género Geobacteraceae tienen la capacidad de transferir electrones insolubles tales como Fe (III), lo cual sugiere que las superficies de los electrodos actúan como receptores de electrones [31]. Esta capacidad del Geobacteraceae de transferencia de electrones, se debe a tres habilidades: a) habilidad de oxidar completamente los donadores de electrones usando únicamente un electrodo como aceptor de los mismos; (b) puede realizar la transferencia de electrones a electrodos aún en ausencia de mediadores; (c) la unión de la población de la células a los electrodos, hacen que las velocidades de transporte de electrones sean similares a las reportadas a las observadas en el transporte de electrones al citrato de Fe(III) [42]. Vale agregar que las bacterias del género Geobacter logran acoplar la respiración anaeróbica a la reducción de metales en el ambiente, pudiendo remediar varios metales pesados tales como: Uranio (VI), Vanadio (VI), Cromo (VI); e incluso biorremediar contaminantes orgánicos como hidrocarburos monoaromáticos [31,40]. Otras bacterias electrogénicas comprobadas serían usadas sin mediadores son: Clostridium beijerinckii, Clostridium butyricium, Desulfotomaculum reducens, 19 Rhodobacter capsulatus, Thiobacillus ferroxidans, e incluso bacterias del género Geovibrio y Rhodoferax ferrireducens. A pesar del numeroso grupo de bacterias electrogénicas, la eficiencia de muchas de ellas, aún se encuentran muy por debajo de las inicialmente mencionadas, debido a la competencia entre las mismas funciones celulares características de las mismas bacterias, dejando en segundo plano la transferencia de protones y posterior generación energética. Son pocos los estudios comparativos realizados respecto al uso de consorcios bacterianos y cultivos puros, debido a la dificultad de aislar bacterias electrogénicas comprobadas y al alto precio de los medios requeridos para el aislamiento; lo que hace casi imposible el uso de cultivos bacterianos puros en la ingeniería del mundo real [39, 47, 57]. El segundo género de electrogénicas más utilizada es S. putrefaciens, esta bacteria ha demostrado mayor estabilidad en el funcionamiento, que el género Geobacter; si bien no alcanza el rendimiento aún superior de este último, debido a su estabilidad se considera a Shewanella como idónea en la industria de biosensores [19]. 1.8. Inóculos de consorcios bacterianos Los cultivos mixtos utilizados como inóculo pueden llegar a generar mayor energía en comparación al empleo de ciertos cultivos puros, esto se debe a las interacciones sinérgicas que se presentan en el ánodo y a la participación de cepas con capacidades metabólicas complementarias [57]. Algunas ventajas de trabajar con consorcios bacterianos, es la robustez del sistema, dando mayor flexibilidad en cuanto al tipo de sustrato utilizado, mayor resistencia al cambio de temperatura, y la posible simbiosis bacteriana que podría significar una mayor degradación de sustratos; así como una mayor transferencia iónica [39]. El inóculo puede provenir de lodos activos [58], lodos anaeróbicos [22], aguas residuales domésticas [59], aguas residuales industriales [60], sedimentos marinos [42] o sedimentos acuáticos [61]. Aunque los mejores resultados se han obtenido empleando lodos de plantas de tratamiento Sin embargo qué especies o como llegarán a poblar el ánodo, se mantiene aún como un misterio; pero se sabe que tendrá influencia directa en la producción energética; así como en el tratamiento de residuos, evaluado mediante COD, esta simbiosis de microorganismos puede influir de manera positiva o negativa en el rendimiento 20 energético de una MFCs; se sabe también que el uso cultivos mixtos pueden llevar a una remoción más rápida de sustrato, sin tener como resultado , en algunas ocasiones, la producción energética [19]. 1.9. Lodos activos de plantas de tratamiento de agua potable como fuente microbiana electrogénica Los lodos producidos durante el tratamiento de agua contienen óxidos-hidróxidos metálicos y contaminantes orgánicos e inorgánicos como: microorganismos, arcilla y arena, y son recolectados en la etapa de floculación y sedimentación. En la Figura 5, se muestra el diagrama de flujo de una planta convencional de tratamiento de agua potable. La calidad de este tipo de inóculo varía mucho dependiendo de su origen, época de recolección de la muestra y la planta en la cual se realiza el tratamiento. Los microorganismos que conforman los lodos son bacterias metanogénicas, fermentativas y sulfa-reductores. Entre ellas destaca la presencia de bacteria del género Geobacter, Methanobacteriaceae, Shewanella, Pseudomonas aeruginosa, Desulfuromonaceae, Alteromonadaceae, Enterobacteriaceae, Pasteurellaceae, Aeromonaaceae , Comaonadaceae, las cuales tendrían cierta actividad electrogénica; también se encuentran Legionella pneumophila, Aeromonas, Mycobacterium, Flavobacterium, Naegleria fowleri, Acanthamoeba spp., Clostridium perfringens [57]. Este tipo de inóculo suele ser utilizado en los procesos de digestión anaeróbica en la producción de biogás, logrando notorios resultados [62]. Debido a la presencia de bacterias patógenas, así como el elevado número de metanogénicas presentes, diversos autores sugieren tratar los lodos activados e inhibir patógenos y metanogénicas [3,63]. 1.10. Sustratos en celdas de combustible microbianas La materia orgánica residual de diversos orígenes, resulta hasta ahora la alternativa de sustrato más atractiva, debido a la alta carga orgánica que contiene, y más importante aún, que al tratarse de efluentes de desecho, se estaría ayudando en el tratamiento de tales aguas, al mismo tiempo que se genera energía eléctrica [64]. Se ha reportado una relación directamente proporcional entre la carga orgánica presente en el sustrato y la producción energética que da lugar a producción energética e incluso a 21 un balance económico positivo [29]. Entre los sustratos utilizados podemos encontrar efluentes de desecho provenientes de: industrias lácteas [65], industrias cerveceras [66], origen agrícola [67], derivadas de la melaza [68], la producción de aceite de palma [69]; entre otros. Figura 5. Diagrama de flujo de una planta convencional de tratamiento de agua potable Recientes investigaciones han demostrado que cualquier componente degradable por bacterias puede ser convertido en electricidad. El rango de componentes que podían utilizar como posibles sustratos es bastante amplio, la lista incluye: acetato, glucosa, almidón, celulosa, paja de trigo, piridina, fenol. Estos últimos suelen ser añadidos, con fin de enriquecer el sustrato elegido, y favorecer el crecimiento inicial bacteriano [39]. En el Anexo 2. Se muestran una tabla de diversos microorganismos, así como el sustrato utilizado para su desarrollo. 1.11. Agua residual sintética en MFC El agua residual sintética, es un medio fabricado en el laboratorio que emula la composición básica de aguas residuales, este medio suele ser utilizado en el estudio de MFCs a nivel laboratorio, presentan la ventaja de permitir reproducir de manera exacta las condiciones del medio, dando mayor confiabilidad a las comparaciones entre sistemas, en especial en estudios que modifican el diseño o aquellos que prueban 22 inóculos de nuevas bacterias que se presumen podrían tener un potencial electrogénico.. MFCs han demostrado altos porcentajes de remoción de carbón de agua residual sintética, 90% aproximadamente, utilizando como fuente de carbono, glucosa, sucrosa, acetato y xilosa; siendo mayor que la obtenida en sustratos de origen natural que alcanza una remoción entre 70%-86% [29,70,71,17]. 1.12. Diseño de MFC Existen diversos diseños de MFCs, la arquitectura de cada uno de ellos se desarrolla en relación a los objetivos de la investigación a desarrollar. Dentro de los diseños más estudiados encontramos: Cátodo aire, SCMFC, dos cámaras, Bushing MFC, Reactores tubulares de lecho empacado, MFC apiladas, MFC de bio-hidrógeno. a) Cátodo Aire Este diseño excluye el uso de una bomba de aireación, presentando una aireación de manera pasiva, gracias a la exposición del cátodo al ambiente. Liu y Logan en 2004, presentaron uno de los diseños más efectivos de cátodo aire, un reactor en forma de cubo (Figura 6). Este diseño también utilizó una membrana de intercambio catiónico, la cual fue adherida al cátodo con calor (140°C a 1780 kPa por 3 min). Sin embargo se desconoce como este tratamiento de adhseión podría afectar a la calidad de la membrana, desencadenando repercusiones negativas en la producción energética. Es por ello que Liu y Logan, probaron el sistema cátodo aire en ausencia de membrana, los resultados no fueron los esperados, la producción de energía sufrió una disminución en más de un 50% [19]. Siguiendo el concepto del reactor cubo, Kim en 2007 desarrolló un sistema de dos cámaras con cátodo de aire, este sistema fue desarrollado específicamente para la comparación de distintos medios de intercambio (AEM, Nafion, entre otros); y obtuvo resultados bastante similares a los obtenidos en los sistemas de una sola cámara, anteriormente mencionados de 514- 610mWm2. El último diseño que ha surgido a partir del concepto del cátodo aire, es la Botella Reactor MFC, este diseño se desarrolló con el fin de trabajar cultivos puros que necesitan ser autoclavados y esterilizados de manera constante. En la Figura 7 se muestra una botella reactor, conformada por una botella del tipo uni-cámara, y un brazo lateral; este brazo fue diseñado con un diámetro considerable, de esta manera los investigadores buscaron 23 incrementar la transferencia de oxígeno hacia el cátodo, este brazo se instaló la membrana de intercambio. Estos sistemas lograron una producción de 1430 mW/m2, añadiendo catolitos del tipo Pt o CoTMPPP [19]. Figura 6. Reactor en forma de cubo con cátodo aire Figura 7. Reactor uni-cámara, cátodo aire con brazo lateral. b) SCMFC El concepto de SCMFC (SingleChamberMicrobiologicalFuelCell), desarrollado por Liu y colaboradores en 2004, fue el primero que logró insertar el concepto de una 24 MFC, en el tratamiento de aguas residuales. Este diseño se basó en un diseño tubular con cátodo aire, el cátodo fue localizado en el centro del tubo de acrílico con ocho barras de grafito dispuestos de manera concéntrica alrededor del cátodo (Figura 8). La membrana fue adherida al cátodo, siguiendo el tratamiento de calor anteriormente mencionado, este reactor logró 80% de disminución de DCO y producción energética similar a la obtenida en los reactores, cubo. [19] Figura 8. Reactor tipo SMMFC c) Dos cámaras (Tipo H) Figura 9. Diversas configuraciones de MFC de dos cámaras. 25 El diseño más simple y conocido de las MFC es el diseño tipo H, consiste en dos cámaras unidas por un medio de intercambio (puente salino, membranas de intercambio u otros), cátodo suspendido en agua el cual es rociado con aire de manera continua. Este sistema es el más utilizado por los investigadores que enfocan sus investigaciones únicamente en la producción energética, y presenta varios desafíos como el consumo energético producto de la implementación de bombas de aireación. En la Figura 9 se muestran varios tipos de MFC del tipo H. (A) Sistema con dos cámaras ambas con conexión para esparcimiento de gases, el ánodo con nitrógeno para mantener las condiciones anaeróbicas, y el cátodo con aire. (B) El tamaño de PEM puede ser incrementado con el fin de aumentar la producción energética. Desventajas, en el precio y difusión de oxígeno. (C) Reactores modificados para mantener las condiciones anaeróbicas en ambas cámaras. (D) Diseño simple de una botella crimp- top con un puerto simple de muestreo en la cámara anódica. [19] d) Bushing MFC. Figura 10. Bushing MFC presentado por You en 2006 Este modelo fue insertado por You en 2006, utilizando permanganato de catolito. El modelo se construyó con un envase circular en cuyo interior se colocaron 4 barras, las cuales contenían al elemento PEM; el cátodo fue insertado de forma concéntrica dentro del envase y logró una producción de 3990 mW/m2 de densidad de potencia, valor significativo. En la Figura 10 se muestra el diseño del Reactor bushing diseñado por You en 2006, que utilizó como catolito permanganato, (B) se muestra la fotografía del diseño elaborado. 26 e) Reactores tubulares de lecho empacado Este tipo de MFC fue específicamente diseñado para poder ser operados bajo flujo continuo y aumentar el volumen de los efluentes tratados; fue insertado por Liu en 2004. Una de las desventajas de este tipo de sistema es que si la materia orgánica no es eficientemente removida en la cámara anódica, seguirá su rumbo hacia la cámara catódica, creando una demanda de oxígeno y el efluente dejará el sistema sin ser tratado. En la Figura 11 se muestran dos tipos de MFCs tubulares. (AyB), (C). (A)Esquema y (B) es la fotografía del sistema empacado con flujo ascendente para recirculación, con PEM con inclinación. (C) Esquema de sistema empacado con flujo ascendente, PEM colocada en forma U y grafito reticulado [19]. Figura 11. Reactores tubulares de lecho empacado f) MFCs apiladas Un sistema MFC a pesar de los diversos avances, sigue produciendo un bajo voltaje que muchas veces imposibilita una derivación de la energía en una aplicación práctica. Por este motivo, surgieron las celdas apiladas conectadas en series con el fin de incrementar el voltaje final gracias a las conexiones seriadas e incluso paralelas. Estos sistemas aún bajos las mismas condiciones, al ser monitoreados de forma individual presentaron diversos voltajes por celda, con incluso datos negativos de voltaje. Este comportamiento aún no ha sido estudiado con profundidad, pero es necesario comprender tales fenómenos para lograr una mejora sustancial en la producción energética final [19]. En la Figura 12 se presenta un sistema de celdas de combustible 27 apiladas, donde (A) es la fotografía del diseño presentado por Aelterman en 2006, mientras que (B) y (C) son los diseños de las cámaras individuales que conforman el sistema apilado. Figura 12. Fotografía y esquema de MFC apiladas g) MFCs de bio-hidrógeno Schofer y colaboradores introdujeron las MFC para la generación de H2 a partir de la fermentación bacteriana. Este tipo de sistema podría ser considerado como una celda de combustible de hidrógeno, pero debido a la presencia bacteriana es considerada como una MFC. La corriente y la densidad de potencia alcanzada por este tipo de sistemas pueden resultar bastante más elevadas que aquellas alcanzadas por MFCs tradicionales. Sin embargo este sistema presenta diversas desventajas tales como: sustrato no presenta una degradación completa, tan sólo un 17% del sustrato es transformado en hidrógeno. Con el fin de incrementar la oxidación del sustrato Rosenbaum introdujo en 2005 las fotobiológicas MFCs; presentando densidades de potenciales significantes; lamentablemente este sistema depende de la luz solar para su funcionamiento y no logró alcanzar los niveles de oxidación de sustratos alcanzado por las MFC tradicionales. En la Figura 13, se muestra en (A) un esquema de una MFC de biohidrógeno, donde en el primer vesel se da el proceso de fermentación, mientras que en el segundo se da la generación de electricidad. (B) Fotobiological MFC desarrollada por Resenbaum en 2005. (C) Reactor desarrollado por Logan en 2006. [19] 28 Figura 13. Diseños de MFC para la producción de Bio-hidrógeno El diseño de los sistemas MFC, en esta investigación se basó en el modelo de celda tipo H, el modelo más usado y de mayor eficiencia, hasta ahora presentado [72], se planteó como medio de intercambio el uso de una membrana de intercambio protónico TM (PEM), Nafion 117 de 183 um de porosidad; considerada adecuada para el intercambio protónico. Debido al alto precio de la PEM los diseños fueron realizados sólo en escala de laboratorio [73]. A pesar de los costos ya sean energéticos y económicos, se considera necesaria la implementación de sistemas de flujo continuo, con el fin de tratar mayores volúmenes de efluentes [74]. El flujo continuo trae la desventaja de la necesidad de implementar bombas peristálticas que, alimenten de manera continua a los sistemas. El gasto de estas bombas puede muchas veces superar la producción energética de las MFC, es por ellos que diversos investigadores tienen a excluirlas de sus diseños. Fangzhou en 2011 implementó un sistema de flujo continuo en ausencia de bombas, pues se basó en un sistema por gravedad, colocando las distintas cámaras en distintas alturas, similar al utilizado en los equipos médicos, sin notorios resultados. 1.13. Diseño celdas de combustible en ausencia de membrana de intercambio protónico. (ML- MFC) Inicialmente se tomó la membrana como un medio necesario para la separación entre las cámaras anódicas y catódicas, lamentablemente el uso de estas membranas resultó en más de un problema operacional (Otras configuraciones y su desempeño, se muestran en Anexo 3). El elevado costo, la transferencia retardada de protones, que 29 resulta en la acumulación de iones cargados negativamente en la cámara anódica, y el aumento de la resistencia interna en MFCs, afectan negativamente el rendimiento de MFCs [75]. Expuestas estas dificultades, diversos investigadores intentaron remover o reemplazar dicho elemento por otros de mayor accesibilidad y menor costo, sin modificar la estructura básica tipo H [46, 31,39]. Algunos de los separadores alternativos, se construyeron a base de fibra de vidrio, telas, nylon, filtros de celulosa, filtros de policarbonato, etc. [75,76]. No obstante dichas nuevas membranas no logran alcanzar la energía producida por los sistemas de “membranas no alternativas”, que logran 461 mV, 248 mV [48,65], baja en comparación a los 850 mV alcanzados por Tardosky en 2009 utilizan un sistema tipo H con membrana Nafion 117. Es por ello que la nueva tendencia indica la remoción total del elemento responsable del intercambio catiónico; siendo dos los diseños de mayor expectativa: a) Celdas de Combustible Microbianas en ausencia de PEM de una sola cámara, en la cual la cámara anódica y catódica, se encuentran en contacto. Este sistema al mantener en contacto ambos medios, presenta una alta difusión de oxígeno, perjudicial para las reacciones microbiológicas, en su mayoría anaeróbicas; también se presenta la difusión de sustrato y menor eficiencia colúmbica [17, 77,78]. b) Celdas de Combustible Microbianas unidas por un lazo electrolítico. Este sistema aún no ha sido muy estudiado, sin embargo presenta prometedores avances. Fue Virdis y sus colegas en 2008 quienes propusieron el modelo de lazo en las MFC, este modelo pionero fue utilizado para remover carbón y nitrógeno presente en aguas de desecho. En este modelo probaron que es posible la transferencia a través de un lazo electrolítico, de la cámara anódica hacia la cámara catódica de H+ and NHþ4 [47]. Citando las Palabras de Virdis (2008). “Aquí está la hipótesis, los MFC pueden operar suavemente con flujo continuo de electrólito (de la cámara del ánodo a la cámara del cátodo), en lugar del uso de la membrana de intercambio iónico, para realizar la transferencia protones” [79,40]. 30 Figura 14. Celdas de combustible microbianas en ausencia de PEM. A partir de la teoría de Virdis (2008), se diseñó el sistema utilizado en la siguiente investigación que dejó como único medio de intercambio protónico, el lazo electrolítico, este sistema presenta mayores facilidades en el escalamiento; así como mayor energía producida, cabe mencionar que en 2013 Wang reportó que la degradación del sustrato se daba en ambas cámaras; por lo que permite trabajar con mayores volúmenes de efluentes y por lo tanto mayor producción energética [71, 80]. El diseño del presente trabajo, tomó referencia el diseño realizado por Du Fangzhou en 2011, el cuál utilizaba un lazo electrolítico con válvulas médicas, como medio de transporte de electrones y un sistema similar al utilizado de los sueros fisiológicos, como impulsor del flujo del sistema. Este sistema alcanzó 160.7 mV con un resistor de 1000 Ω y un pico de 24.33 mW/m3 de densidad de potencia. Tardast en 2012, realizó un diseño similar, usando el lazo electrolítico, logrando 490mV y 80.129 mW/m3 de densidad de potencia; superando la producción reportada por Du Fangzhou. Ambos investigadores guardaron reserva acerca de mayores especificaciones en los diseños presentados; por lo que el diseño presentado en la siguiente investigación es de creación propia. En la Figura 14, se puede apreciar los sistemas en funcionamiento de ambos investigadores, donde (A) Modelo de Du Zhuwei et al. 2008, de una sola cámara. (B) modelo de Tardast 2012, dos cámaras unidas por un lazo electrolítico. 31 1.14. Electricidad, Corriente eléctrica El desempeño de una MFC se puede evaluar mediante diversos factores, como diferencia de potencial, densidad de corriente (j), potencia (P), y corriente (CE). El concepto básico de electricidad es la carga eléctrica. La carga se define como la propiedad eléctrica de las partículas atómicas, medida en Coulombs. La capacidad de la carga para poder realizar un trabajo, se llama Potencial. En una batería o celda convencional se tienen dos cargas distintas, por lo tanto, existe diferencia de potencial o también llamado tensión o voltaje [81,82]. La unidad básica de la diferencia de potencial es el vol (V), y es definido como la energía requerida para mover una carga unitaria a través de un elemento conductor [81]. En un elemento conductor, los electrones libres son cargas que podemos poner en movimiento; la corriente es el agrupamiento de electrones, producto de la aplicación de la diferencia de potencial, desde el punto de carga negativa Q-, hacia el punto de carga positiva Q+, a través de un elemento conductor. La corriente se encuentra representada por el símbolo I, siendo su unidad básica el ampere (A) [83]. Las celdas de combustible microbianas, corresponden al mismo principio que las celdas electroquímicas y baterías, las cuales producen corriente continua o directa; llamada así por la corriente presente en el circuito o conductor que se mueve en una única dirección. El movimiento unidireccional es provocado por las fuentes de voltaje, ya sea celdas o baterías, que mantienen la misma polaridad en su voltaje de salida [84]. El circuito eléctrico para ser considerado como tal, debe estar formado por un dispositivo que cree una diferencia de cargas; que en este caso sería las celdas de combustible microbianas; y un circuito por el cual se realiza el paso de electrones; como un cable de cobre [84]. 1.15. Circuitos en serie Los circuitos en serie conectan entre sí varias baterías o celdas, de manera continua; dando un solo camino a la energía eléctrica. Estos circuitos se caracterizan por que la intensidad de la corriente es la misma en todos los lugares del circuito, a diferencia de la tensión (voltaje), que Aelterman en 2006, describe que existen perdidas de manera 32 individual por celda al ser unidas, por lo que el voltaje final obtenido, no siempre resulta en la suma de los voltajes individuales. Este tipo circuito en MFC ha sido estudiado en muy pocas investigaciones, por lo que aún se desconoce las causas de la pérdida de voltaje e incluso la presencia de voltaje de inversión; algunos investigadores especulan que la causa de dichas anomalías radica en la misma naturaleza biológica de los sistemas y que podría ser contrarrestada con la implementación de un diodo a los sistemas. Una conexión seriada se define como: 33 Capítulo II 2. Materiales y Métodos 2.1. Lugar de ejecución y recolección de muestras La presente investigación fue realizada en las instalaciones de la Universidad Católica de Santa María, en los laboratorios F-402, H-101 y H-402. Las muestras de lodos activados fueron obtenidas de la planta de tratamiento de aguas “La tomilla”. 2.2. Materiales 2.2.1. Vidrio 1. Balones de 250 mL y 500 mL 2. Erlenmeyers 250 mL y 500 mL 3. Vasos de precipitados 250 mL y 500 mL 4. Probetas 10 ml, 100 ml, 500 mL y 1000 mL 5. Baguetas 6. Pipetas 1mL, 5mL y 10 mL 7. Propipetas 8. Micropipetas 10 uL, 100uL y 1000 uL 9. Tips diversos para micropipetas 10. Frascos de vidrio esmerilados 11. Botellas de vidrio 1L 12. Varillas de vidrio de 0,6 cm 13. Varilla de vidrio de 1,2 cm 2.2.2. Unidades Biológicas 1. Lodos activos 2.2.3. Reactivos Químicos y Bioquímicos 1. Fosfato monopotásico, grado reactivo analítico, Merk. 2. Fosfato de sodio dibásico heptahhidratado, grado reactivo analítico, Merk. 34 3. Cloruro de Amonio, grado reactivo analítico, Merk. 4. Cloruro de Calcio, grado reactivo analítico, Merk. 5. Sulfato de Magnesio, grado reactivo analítico, Merk. 6. Cloruro de hierro hexhidratado, grado reactivo analítico, Merk. 7. Hidróxido de sodio, grado reactivo analítico, Sigma. 8. Cloruro de Sodio, grado reactivo analítico, Merk. 9. Peptona 10. Glucosa 11. Ácido Clorhídrico concentrado, grado reactivo analítico, J. Baker. 12. Ácido Sulfúrico concentrado, grado reactivo analítico, Merk. 13. Peróxido de hidrógeno, Erza 14. Agua destilada 15. Viales de digestión COD, Hach 16. Solución estándar COD, Hach 17. Alcohol grado medicinal 96% 2.2.4. Instrumentación y Equipos 1. Multiparámetro, Hanna Multiparameter H9829 2. Multímetro, Keysight Technologies U1272A 3. Adquisitor de Datos, Keysight Technologies 3472A LX1 Data Adquisition/Switch unit 4. Reactor digital COD, DRB200, Hach. 5. Colorímetro portátil, Hach. 6. Balanza analítica de cuatro decimales 7. Estufa 8. Autoclave 9. Cámara de flujo laminar 10. Cintas pH 2.2.5. Otros 1. Cables de cobre 2. Caimanes 3. Barras de Grafito 35 4. Unión universal de 1 ¼ pulgada 5. Llaves de tres vías de uso médico 6. Llaves de tres vías con sonda 7. Equipo de venoclisis, de uso médico 8. Jeringas de 1mL y 5 mL 9. Parafilm 10. Cinta aislante 11. Manguera de pecera 12. Bombas de aire de pecera 13. Bombas peristálticas de pecera 14. Filtros de salida de gases 15. Envases plásticos de cierre hermético de 560 mL 16. Envases plásticos de cierre herméticos de 1L 17. Planchas de isopropileno expandido de 10 cm x 30 cm x 90 cm 18. Resistencias de 1 Ω 19. Lija para metal 20. Soldimix 21. Moldimix 22. Cinta teflón 23. Barras de silicona 24. Pistola de silicona 25. Mini-ventilador portátil, casa&ideas 2.3. Recolección y tratamiento del material biológico. En el presente trabajo se utilizó un inóculo bacteriano proveniente de lodos activos de la planta de tratamiento de aguas en la Tomilla, Arequipa. El inóculo de aproximadamente un litro, fue entregado por personal de la planta y conservado a 4ªC, hasta su uso. Según las características de los lodos fueron considerados dos caminos a seguir, a) realizar la inoculación de las MFCs directamente con los lodos sin tratamiento alguno [70]; b) realizar una filtración en un matiz de 1mm y posterior calentamiento a 100ªC 36 por 15 minutos y enfriar a temperatura ambiente [85]. El tratamiento (a), se sigue en caso de lodos sin mucha carga orgánica, se procede a la inoculación de forma directa. En caso de encontrar partículas de gran tamaño, así como olores fuertes. Se procede al tratamiento (b), el cual facilitará la degradación de la carga orgánica, así como, inhibirá parte de las bacterias presentes, quitando la competitividad posible entre las mismas [86]. Tras la caracterización inicial de los lodos recolectados, se decidió por el tratamiento (a), es decir la inoculación directa, la cual se realizó a una concentración de 10ml/L, 12 horas antes de iniciar el funcionamiento continuo de las celdas, [70]. 2.4. Tratamiento membrana de intercambio protónico La membrana de Intercambio Protónico Nafion 117 fue adquirida de la empresa Fuel Cell Store de Estados Unidos, por ser la más usada en el campo de las MFC y se procedió a su activación según indicaciones del fabricante (Product Bulletin-12, Fayetteville, USA). Se cortó la membrana según las dimensiones requeridas (r = 4,4 cm), seguidamente se procedió a hervir durante una hora (respectivamente), en agua destilada, peróxido de hidrógeno al 3%, ácido sulfúrico 0,5 M y agua destilada (3veces). Finalizado este procedimiento, se almacenó la membrana ya tratada en recipientes cerrados con agua destilada a temperatura ambiente, hasta su uso. 2.5. Diseño Y Construcción ML-MFC El diseño de los sistemas ML-MFC se basó en el modelo unidireccional de Virdis implementado en un modelo tipo H de MFC. Se diseñó un lazo electrolítico como medio de intercambio de protones que reemplazaría al elemento PEM. Para la construcción de este elemento se tomaron los principios de la aceleración de caudal, producto de la variación de diámetros [87], al acelerar el caudal hacia la cámara catódica, se logró asegurar la uni-dirección el flujo, además de evitar la difusión de oxígeno hacia la cámara anódica. A este fenómeno se le conoce como efecto venturi, y se describe en la Figura 15. Para la construcción del lazo electrolítico, es importante utilizar materiales resistentes, que soporten los procesos de desinfección, sin afectar su integridad. La ecuación de continuidad se escribe v1S1=v2S2 [87]. 37 Esta ecuación indica, por lo tanto, que la velocidad del fluido en el tramo de mayor diámetro, será menor a la velocidad en el tramo de menor diámetro. Se describe como: Si S1>S2, se concluye que v1 0.05), entonces no existe diferencia estadística al nivel de confianza de 95%. 97 Anexo 5 Figura 48. Resultados de análisis de azúcares reductores totales para las muestras después de la fase experimental. Laboratorio de Control de Calidad de la UCSM 98 Anexo 6: Diseño lazo electrolítico (A) (B) (C) Figura 49. Diseño Lazo electrolítico. (A)Vista perfil, (B) vista alzado, (C) vista planta 99 Anexo 7: Diseño Celda ML-MFC (A) (B) Figura 50. Diseño ML-MFC. (A) Vista alzado, (B) Vista perfil 100 Anexo 8: Diseño celda MFC (A) (B) Figura 51. Diseño MFC (A) Vista alzado, (B) Vista perfil 101