MSc Thesis Alessandro Carmona 2008

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS
DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD ZACATENCO
DEPARTAMENTO DE BIOTECNOLOGÍA Y BIOINGENIERÍA
Obtención de energía eléctrica directa de una celda de combustible microbiana mediante el tratamiento de lixiviados de la producción fermentativa de H2
Tesis que presenta
Ing. Amb. Alessandro Alfredo Carmona-Martínez
Para obtener el grado de
MAESTRO EN CIENCIAS
EN LA ESPECIALIDAD EN BIOTECNOLOGÍA
Co-directores de la Tesis:
Dr. Héctor Mario Poggi-Varaldo
Dr. Omar Solorza-Feria
México, D.F. Abril de 2008.

El trabajo experimental de esta tesis se realizó en el laboratorio de Biotecnología Ambiental del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería bajo la co-tutoría del Prof. Héctor Mario Poggi-Varaldo y en el laboratorio de H2 y Celdas de Combustible del Departamento de Química bajo la co-tutoría del Dr. Omar Solorza-Feria, en el laboratorio de Química Analítica en Biotecnología bajo la asesoría de la Profa. Elvira Ríos-Leal y en el laboratorio de Genómica Ambiental del Departamento de Genética y Biología Molecular, bajo la asesoría del Dr. Jaime García-Mena del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados de Instituto Politécnico Nacional.
Para el desarrollo de esta tesis de Maestría se tuvo el apoyo del CONACYT mediante la beca No. 199930 para Alessandro Alfredo Carmona-Martínez.

OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE MICROBIANA
i
Índice
Página
Índice de figuras x
Índice de tablas xii
Notación xiii
Resumen 1
Abstract 3
1 Introducción y antecedentes 5
1.1 Controversia en el uso de combustibles fósiles 5
1.2 Contaminación del medio ambiente por uso de combustibles fósiles 5
1.3 Nuevas alternativas energéticas 6
1.4 Principio de una Celda de Combustible Microbiana 7
1.5 Inóculos utilizados 9
1.6 Desempeño del proceso 13
1.7 Materiales de construcción y condiciones de operación 13
1.8 Perspectivas en el uso de celdas de combustible microbianas 16
2 Justificación 17
3 Hipótesis 18
3.1 Hipótesis general 18
3.2 Hipótesis específica 18
4 Objetivos 19
4.1 Objetivo general 19
4.2 Objetivos específicos 19
5 Materiales y métodos 20
5.1 Plan de trabajo 20
5.2 Actividad 1: Procuración del inóculo, influente sintético e influente real 22
5.2.1 Arranque y operación del Reactor inoculador metanogénico 22
5.2.2 Arranque y operación del Reactor inoculador sulfato reductor 24
5.2.3 Arranque y operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico 26
5.2.4 Lavado de los sólidos gastados provenientes del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico y Determinación de ácidos y solventes orgánicos 29
5.2.5 Procedimiento de alimentación y purga de los reactores inoculadores y del digestor anaerobio 29
5.2.6 Cambio en la alimentación del Reactor inoculador sulfato reductor 30

ii
5.3 Actividad 2: Diseño y Construcción de la celda de combustible microbiana 32
5.3.1 Primer diseño de la celda de combustible microbiana 32
5.3.2 Segundo diseño de la celda de combustible microbiana 33
5.3.3 Configuración de la celda de combustible microbiana 34
5.3.4 Activación de la membrana Nafión® 35
5.3.5 Preparación y depósito de la tinta catalítica 35
5.3.6 Deformación de la membrana de intercambio protónico 36
5.3.7 Cambio en la configuración de la celda de combustible microbiana 38
5.4 Actividad 3: Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana 39
5.4.1 Configuración de la celda de combustible 39
5.4.2 Inóculo y agua de alimentación 39
5.4.3 Condiciones experimentales e instrumentos de medición 40
5.5 Actividad 4: Caracterización y Ensayos de la celda de combustible microbiana en lote con alimentación sintética 41
5.5.1 Significado de la curva de polarización 41
5.5.2 Construcción de la curva de polarización 42
5.5.3 Configuración de la celda de combustible microbiana para la construcción de la curva de polarización 42
5.5.4 Descripción del ensayo en lote con dos inóculos distintos de la celda de combustible microbiana 44
5.6 Actividad 5: Disminución de la resistencia interna de la celda de combustible microbiana y aumento del desempeño 45
5.6.1 Protocolo de inoculación y condiciones de operación 45
5.7 Actividad 6: Desarrollo de las técnicas de biología molecular y del análisis por microscopía electrónica de barrido 47
5.7.1 Estrategia experimental para la caracterización de la comunidad microbiana presente en la celda de combustible microbiana a través de técnicas de biología molecular 47
5.7.2 Procedimiento para la extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible microbiana 48
5.7.3 Procedimiento para la extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana 49
5.7.4 Protocolo para el estudio de la biomasa soportada en la superficie del ánodo por microscopia electrónica de barrido 50
5.8 Cálculos 52
6 Resultados 56
6.1 Procuración de inóculo, influente sintético e influente real 58
6.1.1 Reactor inoculador metanogénico: alcalinidad 58
6.1.2 Producción de biogás y variación del pH 59
6.1.3 Evolución de la remoción de materia orgánica 60
6.1.4 Análisis del desempeño promedio 61
6.1.5 Reactor inoculador sulfato reductor: alcalinidad 62
6.1.7 Evolución de la remoción de materia orgánica 64
6.1.9 Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico: alcalinidad 66
6.1.11 Producción de metabolitos 68

iii
6.2 Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana 70
6.2.1 Desempeño preliminar en la operación de la celda de combustible microbiana 70
6.3 Caracterización y ensayos de la celda de combustible microbiana en lote con alimentación sintética 71
6.3.1 Obtención de la resistencia interna utilizando un inóculo metanogénico y uno sulfato reductor 71
6.3.2 Ensayo en lote de la celda de combustible microbiana: influencia del tipo de inóculo 77
6.4 Disminución de la resistencia interna y aumento del desempeño de la celda 83
6.4.1 Desempeño de la celda de combustible microbiana en operación semi-continua: producción inesperada de biogás 83
6.4.2 Generación de electricidad 85
6.4.3 Aumento en la densidad de potencia 85
6.4.4 Remoción de materia orgánica 86
6.4.5 Desempeño electroquímico y bioquímico promedio 88
6.5 Extracción de ácidos nucleicos del licor de la celda de combustible microbiana 91
6.6 Extracción de ácidos nucleicos de la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana 92
6.7 Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la biomasa soportada en la superficie del ánodo 93
6.7.1 Ánodo testigo no utilizado en la operación de una celda de combustible microbiana 93
6.7.2 Ánodo utilizado en la operación de una celda de combustible microbiana 94
6.7.3 Descripción de la morfología microbiana observada en el análisis de microscopia electrónica de barrido. 97
7 Conclusiones 99
8 Referencias 102
9 Publicaciones originales producto de esta tesis 108
9.1 Capítulos en libro 108
9.2 Artículos in extenso en congresos internacionales 108
9.3 Artículos in extenso en congresos nacionales 109
10 Reconocimientos 110
10.1 Primer lugar en “the Student Paper Competition at The Sixth International Conference on Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds” 110
10.2 Primer lugar en el área de Energías renovables en “The Second International Meeting on Environmental Biotechnology and Engineering” 110
Apéndice A: Diseño de la celda de combustible microbiana en lote 111
Apéndice B: Diseño de la celda de combustible microbiana en continuo 113
Apéndice C: Métodos 115

iv
Comité tutorial
Prof. Héctor Poggi Varaldo (1) (Co-Director)
Dr. Omar Solorza Feria (3) (Co-Director)
Profa. Elvira Ríos-Leal (1) (Asesora)
Dr. Jaime García Mena (2) (Asesor)
Prof. Fernando José Esparza García (1) (Asesor)
(1) CINVESTAV del IPN, Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, Grupo de Biotecnología Ambiental y Procesos Anaerobios, Apartado Postal 14-740, C.P. 07000, México D.F.
(2) CINVESTAV del IPN, Departamento de Genética y Biología Molecular, México D.F., México.
(3) CINVESTAV del IPN, Departamento de Química, México D.F., México.

v
DEDICATORIA
A mi madre, Yolanda, quien ha dado todo por mi y ha sido el mejor ejemplo de dedicación y perseverancia.
A mi hermano, Jesús, a quien he seguido desde pequeño tratando de aprender lo mejor de él.
A Ariana, quien ha estado a mi lado y me ha brindado incondicionalmente su amor y sobre todo, su gran paciencia y comprensión.
A mi familia, Clotilde, Elena (madre), Mario, Rosa, María, Eduardo, Elena (hija) y Francisco quienes siempre me han motivado a emprender nuevos proyectos de vida.
A mis hermanos scouts, Carlos, Karim, Edder y Erick con quienes conocí el Escultismo e importante de la lealtad.
A mis amigos, Alejandro, Verónica, Tania, Berenice, Gil y Luz, con quienes compartí gratamente mis últimos años en la Tierra del Sol.
A Javier, mi amigo, con quien entablé conversaciones tan enriquecedoras sobre la levedad del ser.

vi
AGRADECIMIENTOS
Se agradece profundamente la colaboración del personal del 1) Grupo de Biotecnología Ambiental (M. en C. Rafael Hernández; Ing. Teresa Sánchez; Lic. David Portilla; Ing. Jorge Acevedo; M. en C. Ireri Robles; M. en C. David Herrera y al Biol. Héctor Suárez); 2) Laboratorio de Química Analítica en Biotecnología (IQ. Cirino Rojas); 3) Grupo de H2 y Celdas de Combustible (Ing. Andrés Rodríguez; Ing. Sebastián Citalán y al Ing. José Luis Díaz Bernabé); 4) Grupo de Genómica Ambiental (Biol. Alberto Piña; C. Rodrigo García y a la M. en C. Liliana Domínguez-Malfavón); 5) Laboratorios Centrales (QFB. Sirenia González) y 6) Talleres del CINVESTAV I.P.N. (Mtro. José Luis López).
Grupo de Biotecnología Ambiental:
Mediante este apartado agradezco al M. en C. Rafael Hernández, Auxiliar de Laboratorio, por todo su apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34 del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en técnicas utilizadas dentro del Plan de seguimiento y análisis tanto para el Reactor inoculador metanogénico como del Reactor inoculador sulfato reductor, así como en los procedimientos básicos de la logística del laboratorio.
A su vez agradezco a la Ing. Teresa Sánchez, Técnico de Laboratorio, por todo su apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34 del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en técnicas utilizadas dentro de la Caracterización de la alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.
Por este medio me gustaría mostrar mi agradecimiento al Lic. David Portilla, Técnico de Laboratorio, por todo su apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34 del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en las medidas de prevención de accidentes en laboratorio, uso correcto de sustancias reactivas y así como en la disposición adecuada de residuos biológico infecciosos.

vii
Durante la fase inicial de este trabajo se arrancó un reactor inoculador sulfato reductor el cual se cargó parcialmente con un inóculo proporcionado por el Ing. Jorge Acevedo quien de no haber atendido tan pronto y tan amablemente la solicitud del que presenta esta tesis no habría sido posible enriquecer este trabajo como se ha hecho al día de hoy, gracias.
Agradezco sinceramente las sugerencias hechas por la M. en C. Ireri Robles en el arranque y operación de ambos Reactores inoculadores, tanto el metanogénico como el sulfato reductor, así como de manera general en el Plan de Seguimiento y Análisis para ambas unidades.
También quisiera agradecer los comentarios críticos y sugerencias al trabajo diario de laboratorio del ahora Técnico Académico Asistente del Laboratorio Nacional de Biotecnología Ambiental y Agroecológica delColegio de la Frontera Sur, el M. en C. David Herrera López quien gracias a su apoyo me permitió llevar a cabo de mejor manera determinaciones químicas y técnicas de biología molecular diversas (DQO, SST, SSV, alcalinidad, extracción de ácidos nucleicos, de plásmidos, transformación de células, generación de gradientes químicos, preparación de reacciones de PCR y de secuencia, corrimiento de Geles por electroforesis, entre otras).
Finalmente, con respecto al personal del Grupo de Biotecnología Ambiental agradezco al Biol. Héctor Suárez, Auxiliar de Laboratorio, por todo su apoyo durante mi estancia en el Laboratorio 33 y 34, especialmente por el asesoramiento y adiestramiento en técnicas de biología molecular para la Caracterización de la Biomasa soportada en la superficie del ánodo de la Celda de Combustible Microbiana (extracción de ácidos nucleicos, de plásmidos, transformación de células, generación de gradientes químicos, preparación de reacciones de PCR y de secuencia, corrimiento de Geles por electroforesis, entre otras).
Laboratorio de Química Analítica en Biotecnología:
Debido a todo el apoyo brindado en la elaboración del presente trabajo quisiera mostrar mi agradecimiento al Ing. Q. Cirino Rojas, Auxiliar de Laboratorio, por haberme asesorado y capacitado en la determinación del uso de técnicas concernientes a la cromatografía de gases aplicada a la determinación de metabolitos orgánicos, así como en la determinación de compuestos gaseosos de interés para el Grupo de Biotecnología Ambiental como hidrógeno, metano y dióxido de carbono.

viii
Grupo de H2 y Celdas de Combustible:
En el trabajo concerniente al área tan fascinante de la electroquímica me gustaría hacer mención de las personas que colaboraron en los logros de este trabajo. Agradezco al Ing. Andrés Rodríguez Castellanos, Auxiliar de Laboratorio, quien proporcionó sugerencias sustanciales que me permitieron diseñar la celda de combustible microbiana utilizada en el presente trabajo. Por otro lado agradezco que me haya capacitado en la operación de la Estación de Adquisición de Datos ubicada en el Departamento de Química y con la cual se realizaron pruebas preliminares de las celdas de combustible microbianas.
En segundo lugar quisiera hacer mención del Ing. Sebastián Citalán, Auxiliar de Laboratorio, quien dio sugerencias significativas sobre el tipo de materiales utilizados en la construcción de las celdas de combustible microbianas así como el haber proporcionado la caja de resistencias que me permitió caracterizar exitosamente las celdas.
Por último en el Grupo de H2 y Celdas de Combustible, agradezco al Ing. José Luis Díaz Bernabé, Auxiliar del Departamento de Química, con quien intercambié diferentes posibilidades de funcionamiento del multímetro utilizado en este trabajo para estudiar las respuestas electroquímicas de la celda de combustible microbiana y quien adicionalmente ideó el logaritmo con el cual comunicar el multímetro a un ordenador para la captura automática de datos que lamentablemente por falta de más tiempo no fue posible implementar en la práctica.
Grupo de Genómica Ambiental:
En esta sección quisiera mostrar mis agradecimientos al Biol. Alberto Piña, Auxiliar de Laboratorio, por haber proporcionado asesoría sobre diversos procedimientos de biología molecular dirigidos específicamente a la caracterización de la comunidad microbiana presente en la celda de combustible microbiana; como extracción de ácidos nucleicos y plásmidos, así como la preparación de reacciones de PCR y de secuenciación.

ix
Adicionalmente me gustaría agradecer la participación constante del Técnico de Laboratorio Rodrigo García, quien proporcionó oportunamente todo el material necesario para poder realizar diariamente las actividades de caracterización de la comunidad microbiana presente en la celda de combustible microbiana dentro del Laboratorio de Genómica Ambiental del Departamento de Genética y Biología Molecular.
Por último en el Grupo de Genómica Ambiental, agradezco a la M. en C. Liliana Domínguez-Malfavón quien hizo comentarios críticos sobre las técnicas de biología molecular llevadas a cabo. Además agradezco que a través de su trabajo me haya motivado para el estudio mediante microscopía electrónica de la comunidad microbiana de la celda de combustible microbiana.
Laboratorios Centrales:
En la última fase de este trabajo se estudió la comunidad microbiana de la celda de combustible microbiana mediante microscopía electrónica de barrido, por lo cual me gustaría mostrar mi agradecimiento a la QFB. Sirenia González, quien se encuentra cargo, entre otras actividads, del Microscopio Electrónico de Barrido. Mediante su colaboración, fue posible tratar previamente las muestras a analizar y posteriormente obtener micrografías representativas de la comunidad microbiana.
Talleres del CINVESTAV I.P.N.:
Finalmente quisiera dar mi reconocimiento al trabajo técnico y artesanal del Mtro. José Luis López quien atentamente fabricó los diseños propuestos de las celdas de combustible microbianas y que además gracias a su valiosa experiencia fue posible incluir de último momento adecuaciones al diseño que impactaron favorablemente la sustentabilidad del mismo.
Finalmente es necesario mencionar que sin el apoyo brindado por CONACYT a través de la Beca: 199930 para el Ing. Alessandro Alfredo Carmona-Martínez este trabajo no habría sido posible.

x
Índice de figuras
Página
Figura 1. Transición global de los sistemas energéticos. Adaptado de Dunn, 2002. 5
Figura 2. Proyección de las emisiones de CO2 para el año 2010. Adaptado del Protocolo de Kyoto, 1997. 6
Figura 3. Estructura molecular de diversos tipos de combustibles. Adaptado de Dunn, 2002. 7
Figura 4. Principio de una celda de combustible microbiana de doble cámara. Adaptado de Carmona-Martínez et al., 2006 a. 8
Figura 5. Principio de una celda de combustible microbaina de una sola cámara. Adaptado de Schröder, 2007. 9
Figura 6. Micrografías de organismos inoculados en celdas de combustible microbianas. 12
Figura 7. Densidad de Potencia en base a datos actualmente publicados. Adaptado de Logan y Reagan, 2006.14
Figura 8. Diferentes configuraciones de celdas de combustible microbianas 15
Figura 9. Configuración del Reactor inoculador metanogénico. 23
Figura 10. Configuración del Reactor inoculador sulfato reductor. 25
Figura 11. Configuración del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 28
Figura 12. Configuración de los reactores inoculadores. 30
Figura 13. Apariencia final del Diseño A de la celda de combustible microbiana. 32
Figura 14. Apariencia final del Diseño B de la celda de combustible microbiana. 33
Figura 15. Configuración de la Celda de Combustible Microbiana. 34
Figura 16. Prensa y aereógrafo utilizado pata la deposición del catalizador. 36
Figura 17. Vista real en perspectiva de la celda de combustible microbiana y de la membrana de intercambio protónico corrugada y con la carga de Pt. 37
Figura 18. Inclusión de tela de Carbón Toray en la configuración del cátodo. 38
Figura 19. Estación de adquisición de datos. 40
Figura 20. Muestreo realizado de la Tela de Carbón Toray analizadas por Microscopía electrónica de barrido. Adaptado de García-Mena, 2006. 47
Figura 21. Muestreo realizado de la Tela de Carbón Toray analizadas por Microscopía electrónica de barrido. 51
Figura 22. Adaptación de la Resistencia externa a la celda de combustible microbina. 54
Figura 23. Variación de la alcalinidad en la operación del reactor inoculador metanogénico. La línea intermitente indica el valor óptimo del parámetro alfa- 58
Figura 24. Producción de biogás y variación del pH en la operación del reactor inoculador metanogénico. Los círculos llenos (●) indican la variación del pH y los círculos vacíos (○) indican la variación en la producción de biogás durante 440 d. 59
Figura 25. Evolución de la remoción de materia orgánica en la operación del reactor inoculador metanogénico. 60
Figura 26. Variación de la alcalinidad en la operación del reactor inoculador sulfato reductor. 62
Figura 27. Producción de biogás y variación del pH en la operación del reactor inoculador sulfato reductor. Los círculos llenos (●) indican la variación del pH y los círculos vacíos (○) indican la variación en la producción de biogás durante 200 d. 63
Figura 28. Evolución de la remoción de materia orgánica en la operación del reactor inoculador sulfato reductor. 64
Figura 29. Variación de la alcalinidad en la operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 66
Figura 30. Producción de biogás y variación del pH en la operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. Los círculos llenos (●) indican la variación del pH y los círculos vacíos (○) indican la variación en la producción de biogás durante 3500 h. 67
Figura 31. Producción de metabolitos orgánicos en el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 68
Figura 32. Dinámica del comportamiento del voltaje, corriente y potencia en el ensayo preliminar. Los círculos llenos (●) indican la variación de Voltaje con respecto a la corriente y los círculos vacíos (○) indican la variación de la Potencia con respecto a la corriente. 71
Figura 33. Dinámica del comportamiento del voltaje, corriente y potencia en el ensayo preliminar. 72

xi
Figura 34. Voltaje a circuito abierto y sometido a una resistencia externa para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (▲, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (■, cuadros llenos). 73
Figura 35. Voltaje y Corriente en función de una Resistencia externa variable para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico y sulfato reductor. Los círculos (●) indican la variación de Voltaje con respecto a una resistencia externa variable y los cuadrados (■) indican la variación de la de la Corriente con respecto a una resistencia externa variable. 74
Figura 36. Método gráfico para encontrar la Resistencia interna para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (▲, triángulos llenos) y con inóculo sulfato reductor (■, cuadros llenos). 75
Figura 37. Potencia máxima obtenida para la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico (…) y con inóculo sulfato reductor (▬). 76
Figura 38. Generación de electricidad mediante las celdas de combustible microbianas utilizando dos tipos de inóculo. Los círculos (○) indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos (▲) indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico. 78
Figura 39. Densidad de potencia de las celdas de combustible microbianas usando dos tipos de inóculo. Los círculos (●) indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos (▲) indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico. 79
Figura 40. Corriente de las celdas de combustible microbianas usando dos tipos de inóculo. Los círculos (●) indican el voltaje de la celda de combustible microbiana cargada con inóculo sulfato reductor, mientras que los triángulos (▲) indican la celda de combustible microbiana cargada con inóculo metanogénico. 80
Figura 41. A) Producción de biogás y B) Evolución del voltaje en función del tiempo en la operación semi- continua de la celda de combustible microbiana. 84
Figura 42. A) pH y B) Densidad de potencia en función del tiempo en la operación semi-continua de la celda de combustible microbiana. 86
Figura 43. A) Concentración inicial de la Demanda química de oxígeno en la alimentación y B) Remoción de la Demanda química de oxígeno en función del tiempo en la operación semi-continua de la celda de combustible microbiana. 87
Figura 44. Electroforesis en Gel de Agarosa al 0.5%; extracción de DNA total de la biomasa suspendida en el licor de la celda de combustible microbiana. Condiciones de corrimiento: Gel de agarosa (0.5 %); 2 μL de DNA de 50 μL; 120 V; 0.3 μL EtBr. Los carriles 1-10 corresponden a los muestreos A, B, C, D-1, D-2, D-3, D-4, D-5, D-61, D-7. 91
Figura 45. Electroforesis en Geles de Agarosa al 0.5%; extracción de DNA total de la biomasa soportada en la tela de carbón Toray utilizada como ánodo de la celda de combustible microbiana. Condiciones de corrimiento: Gel de agarosa (0.5 %); 2 μL de DNA de 50 μL; 120 V; 0.3 μL EtBr. Los carriles 1-6 corresponden a los muestreos 001, 002, 003, 004, 005 y 006. Los carriles 8-13 corresponden a los muestreos 007, 008, 009, 010, 011 y 012. Los carriles 7 y 8 corresponden a la extracción testigo para cada procedimiento. 92
Figura 46. Muestra testigo (corte 0014) NO utilizada en algún ensayo de la celda de combustible microbiana. 93
Figura 47. Corte 0001 del ánodo utilizado en el ensayo de la celda de combustible microbiana en semi-continuo. 95
Figura 48. Cortes correspondientes al ánodo utilizado en el ensayo de la celda de combustible microbiana en semi-continuo: 0014, 0002 y 0007. 96
Figura 49. Aumentos 6000x de los cortes 0002, 0003, 0005, 0006, 0008, 0009, 0010 y 0012. 98

xii
Índice de tablas
Página
Tabla 1. Algunos trabajos publicados sobre celdas de combustible microbianas y sus especificaciones técnicas. 10
Tabla 2. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador metanogénico. 22
Tabla 3. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador metanogénico. 23
Tabla 4. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor. 24
Tabla 5. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor. 25
Tabla 6. Parámetros de operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 26
Tabla 7. Composición del sustrato de alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 27
Tabla 8. Seguimiento y análisis para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 28
Tabla 9. Cambio en la composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor. 31
Tabla 10. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor. 31
Tabla 11. Composición del Extracto Modelo. 43
Tabla 12. Composición del Extracto Modelo. 44
Tabla 13. Diseño experimental en la disminución de la resistencia interna de la celda de combustible microbiana. 46
Tabla 14. Desempeño promedio del Reactor inoculador metanogénico. 61
Tabla 15. Desempeño promedio del Reactor inoculador sulfato reductor. 65
Tabla 16. Desempeño promedio del Digestor anaerobio de sustrato sólido acidogénico. 69
Tabla 17. Caracterización de las celdas de combustible microbianas: resultados promedio. 77
Tabla 18. Desempeño de la celda de combustible microbiana usando dos tipos de inóculo: resultados promedio. 81
Tabla 19. Comparación del desempeño de este trabajo con trabajos publicados actualmente. 82
Tabla 20. Desempeño electroquímico promedio de la celda de combustible microbiana. 88
Tabla 21. Desempeño bioquímico promedio de la celda de combustible microbiana. 89
Tabla 22. Cuantificación del DNA Genómico de la biomasa suspendida en el licor y soportada en el ánodo e la celda de combustible microbiana. 92

xiii
Notación
bDQO Moles de electrones producidos a partir de la DQO
CCM Celda de combustible microbiana
CRS Carga eléctrica real debida al sustrato
CTS Carga eléctrica teórica debida al sustrato
DASSA Digestor anaerobio de sustrato sólido acidogénico
DQO Demanda química de oxígeno
DQOi DQO inicial
DQOf DQO final
ECCM Voltaje generado por la celda
ECCMCA Voltaje a circuito abierto
Fi Constante de Faraday
Ibg Productividad de biogás
ICCM Intensidad de corriente generada por la celda
ICCM-máx Intensidad de corriente máxima
ICCM-prom Intensidad de corriente promedio
IAn Densidad de corriente generada por la celda
IAn-máx Densidad de corriente máxima
IAn-prom Densidad de corriente promedio
In-M Inóculo metanogénico
In-SR Inóculo sulfato reductor
IV Corriente volumétrica generada por la celda
MDQO Peso molecular de la DQO
MIP Membrana de intercambio protónico
PCCM Potencia generada por la celda
PCCM-máx Potencia máxima
PCCM-prom Potencia promedio
PAn Densidad de potencia generada por la celda
PAn.prom Densidad de potencia promedia
PV Potencia volumétrica generada por la celda
Qt Tiempo de operación
Qbg Producción de biogás
RI-CH4 Reactor inoculador metanogénico
RI-SR Reactor inoculador sulfato reductor
TRH Tiempo de retención hidráulica
TRM Tiempo de retención másica
rcf Relative centrifugal force
VCCM Volumen de la CCM
Ybg Rendimiento de biogás
Caracteres Griegos
ηDQO Remoción de la demanda química de oxígeno
ηCoul Eficiencia coulombimétrica
α Parámetro alfa

1
Resumen
La producción de H2 mediante la fermentación anaerobia de residuos sólidos orgánicos ha recibido un gran interés en los últimos 10 años. Este tipo de proceso genera una cantidad significativa de H2 biológico (para su uso como combustible en celdas de combustible convencionales, mediante combustión, o como materia prima en la industria), así como sólidos gastados que contienen una concentración substancial de ácidos y solventes de bajo peso molecular. Los extractos de los sólidos gastados pueden ser obtenidos con aguas residuales municipales para dar una corriente con componentes orgánicos concentrados y degradables. Es por eso que los extractos provenientes de los sólidos gastados tienen el potencial para generar energía adicional cuando son tratados mediante una Celda de Combustible Microbiana (CCM). El objetivo principal de este trabajo fue evaluar la producción de electricidad y el desempeño general de una CCM a escala laboratorio, en el tratamiento en lote y lote repetido de los extractos provenientes de los sólidos gastados de la producción fermentativa de H2.
Como parte del objetivo principal de este trabajo se caracterizó la celda de combustible microbiana en conjunto mediante una curva de polarización probando dos tipos de inóculo distintos, metanogénico y sulfato reductor provenientes de dos reactores inoculadores. La curva de polarización mostró que la resistencia interna del sistema cargado con inóculo metanogénico fue cuatro veces más alta que con un inóculo sulfato reductor (33 y 8 kΩ, respectivamente), lo cual afectó en la disminución de la corriente y en la potencia de la celda de combustible microbiana (inóculo metanogénico: 5x10-7 e inóculo sulfato reductor: 1x10-5 W).
Una vez caracterizada la celda de combustible microbiana con dos tipos de inóculo distintos se procedió a la realización de ensayos en lote con cada uno de los inóculos, metanogénico y sulfato reductor. Los potenciales obtenidos a circuito abierto se compararon favorablemente con los reportados en literatura (0.4-0.6 V). La densidad de potencia obtenida con el inóculo sulfato reductor estuvo en el orden promedio de lo reportado actualmente por otros grupos con celdas de combustible microbianas, bajo diferentes condiciones de inóculo y de sustrato (12.31 mW/m2), mientras que con un inóculo metanogénico se encuentra del lado bajo de las reportadas en literatura (1.96 mW/m2). El desempeño en lote de las celdas de combustible microbianas se midió en función de la remoción de la demanda química de oxígeno y en función de la eficiencia Coulombimétrica. En los ensayos en lote la remoción de la demanda química de oxígeno no fue mayor al 50% tanto para un inóculo metanogénico

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como para el sulfato reductor (inóculo metanogénico: ηCOD=25% e inóculo sulfato reductor: ηCOD=43%). La eficiencia Coulombimétrica para ambos inóculos probados fue muy baja lo que indicó como responsable al alto valor de la resistencia interna de la celda de combustible microbiana en el orden de kilo ohmios (inóculo metanogénico: ηCoul=0.13% e inóculo sulfato reductor: ηCoul=1.22%).
Debido a que se encontraron altos valores de resistencia interna para la celda de combustible microbiana diseñada se propuso una estrategia que permitiera disminuir la resistencia y así mejorar el desempeño global de la celda. Se utilizó el inóculo sulfato reductor el cual arrojó los mejores resultados en los ensayos en lote, sin embargo se aumentó la concentración de inóculo en la celda modificando la alimentación del reactor inoculador sulfato reductor incorporando lodos activados. Durante la operación de la celda en lote repetido se generó electricidad de manera estable por más de 504 h (ECCM =0.2239- 0.2284 V). La operación de la celda se llevó a cabo bajo una resistencia externa igual a 1000 ohmios con lo cual se corroboró que el protocolo de inoculación fue exitoso al disminuir este valor de 10 000 a 1000 Ω y mejorar el desempeño de la celda (de PAn=12.31 mW/m2 en lote a 27.34 mW/m2 en lote repetido). El desempeño electroquímico de la celda fue mejor cuando la concentración de la alimentación fue menor, demostrando así un efecto inhibitorio por parte de la concentración de la alimentación. Por otro lado, el desempeño bioquímico (como remoción de la demanda química de oxígeno) de la celda fue mejor cuando la concentración de la alimentación fue mayor, indicando la capacidad adicional del consorcio microbiano para el tratamiento de efluentes contaminados (lote: ηCOD=43% y lote repetido: ηCOD=62%).
Finalmente para corroborar la presencia de microorganismos fijados sobre la superficie del ánodo, capaces de lograr la conversión de sustrato a energía eléctrica, se llevó a cabo un análisis de la biomasa soportada al ánodo por microscopía electrónica de barrido. En la tela de carbón Toray utilizada como control no se observó crecimiento microbiano mediante el método microscópico utilizado. En el ánodo utilizado para el ensayo de la celda de combustible microbiana en lote repetido se observaron diferentes morfologías no sólo correspondientes a lo que podrían ser bacterias sulfato reductoras, sino también correspondientes a arqueas metanogénicas. Cabe mencionar que se carece de información suficiente como para corroborarlo. Se observó mayor biomasa soportada del lado de la tela de carbón Toray que se encontraba en contacto con el licor de la CCM y no así en contacto con la lámina de acero inoxidable que compuso el ánodo.

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Abstract
Coupling of hydrogen production from the anaerobic fermentation of organic solid wastes with post-treatment of its spent extracts in microbial fuel cells, can substantially increase the energy efficiency from municipal organic wastes. Therefore, the aim of this work was to evaluate the electricity production and the general performance of a lab scale microbial fuel cell (MFC) during the batch treatment of extracts from depleted solids generated in fermentative hydrogenogenic process.
As part of the main objective of this work, the microbial fuel cell was characterized by the construction of a polarization curve testing two different inocula, methanogenic and sulfate-reducing. The polarization curve showed that the internal resistance of the microbial the cell load with a methanogenic inoculum was four times higher than the cell load with a sulfate-reducing inoculum (33 y 8 kΩ, respectably). The high internal resistance of both inocula affected the current and the power from the microbial fuel cell (methanogenic inoculum: 5x10-7 and sulfate-reducing inoculum: 1x10-5 W).
After the microbial fuel cell was characterized with two types of inocula, batch essays were conducted with each type of inocula: methanogenic and sulfate-reducing. The voltage at open circuit was very similar to those reported in literature (0.4-0.6 V). The power density produced by the sulfate-reducing inoculum was similar also in comparison to other research groups with microbial fuel cells under different conditions of inocula and substrate (12.31 mW/m2), whereas with a methanogenic inoculum the power density was low (1.96 mW/m2). the performance in batch of the microbial fuel cells was measured as a function of the chemical oxygen demand decrease and as a function of the Coulombic efficiency. The decrease of the chemical oxygen demand was no greater than the 50% for the batch essays (methanogenic inoculum: ηCOD=25% and sulfate-reducing inoculum: ηCOD=43%).
Because of the high values for the internal resistance for the microbial fuel cells, a procedure was carried out in order to diminish this resistance and in that way to improve the general performance of the cell. The sulfate-reducing inoculum was used because it has proven a better performance at the batch tests, however the concentration of inoculum load to the cell was greater by modifying the feed for the sulfate-reducing reactor adding activated sludge. During the operation of the cell in repeated batch electricity was produced constantly

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for more than 504 h (ECCM =0.2239-0.2284 V). The operation of the cell was carried out under an external resistance equal to 1000 Ω, this was used to corroborate that the inoculation protocol was successful because the internal resistance of the cell decrease from 10 000 to 1000 Ω and to improve the cell performance (from PAn=12.31 mW/m2 in batch test to 27.34 mW/m2 in repeated batch test). The electrochemical performance was better when the concentration of the feed was lower, showing an inhibitory effect. In other way, the biochemical performance (as decrease of the chemical oxygen demand) was better when the feed cell concentration was higher, indicating the additional capacity of the microbial consortium for the treatment of polluted effluents (batch: ηCOD=43% and repeated bacth: ηCOD=62%).
Finally to corroborate the presence of fixed microorganisms over the surface of the anode, an analysis by scanning electron microscopy was carried out. On the flexible carbon- cloth Toray used as a control microbial growth was not found. On the anode used in the repeated batch test different microbial shapes were found (coccus, sarcina, resembling methanosarcina and methanosaeta), not only for what could be sulfate-reducing bacteria but also for metahanogenic archae. It is necessary to mention that there was not enough experimental evidence to corroborate this statement.

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1 Introducción y antecedentes
1.1 Controversia en el uso de combustibles fósiles
Para satisfacer sus necesidades, la humanidad ha utilizado diversos combustibles que le provean de la energía necesaria para comunicarse, iluminar sus hogares, producir alimentos y transportarse. El uso de los combustibles ha sido muy diverso (Fig. 1), desde madera y carbón, hasta petróleo y gas natural. Debido a éstos últimos, las sociedades del siglo XX son llamadas correctamente “sociedades de hidrocarburos” utilizando diez veces más energía que en el siglo XIX (Dunn, 2002). Este aumento de la demanda fue satisfecho principalmente por combustibles fósiles (90% del mercado mundial). Se espera que el uso de carbón y petróleo aumente en un 30 y 40 % respectivamente (McNeill, 2000).
Figura 1. Transición global de los sistemas energéticos. Adaptado de Dunn, 2002.
1.2 Contaminación del medio ambiente por uso de combustibles fósiles
Los combustibles fósiles además de ser no renovables, generan durante su combustión gases nocivos para el medio ambiente y la salud humana, como son NOx, SOx y COx, por mencionar algunos (Das y Vezirolu, 2001; Yue et al., 2001). Si su uso continuú aumentando, los problemas de contaminación del aire en las ciudades lo harán también. Por ejemplo Delhi, Beijing, y la Ciudad de México por mencionar algunas, son urbes que experimentan

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miles de muertes al año relacionadas con la calidad del aire (McKinley et al, 2003). Aunado a lo anterior; el uso de petróleo y carbón en el sector eléctrico y de transporte, incrementará anualmente las emisiones globales de CO2, (Figura 2). La tendencia pronosticada es de 7100 a 8100 millones de toneladas por año para el 2015 (Protocolo de Kyoto, 1997), acelerando así el cambio climático (Dunn, 2002). Es por eso que el desarrollo de nuevas alternativas energéticas es un tema preponderante (Dincer, 2000).
Figura 2. Proyección de las emisiones de CO2 para el año 2010. Adaptado del Protocolo de Kyoto, 1997.
1.3 Nuevas alternativas energéticas
Dentro del desarrollo de alternativas energéticas renovables y sostenibles, es posible mencionar a la energía solar, eólica, hidráulica y aquella que puede ser obtenida a partir de biomasa, dentro de la cual se encuentran los llamados combustibles no convencionales, como metanol, etanol o biogás (Elam, 2001; Wünschiers y Lindbland, 2002). Sin embargo, la energía solar y eólica, por ejemplo, están restringidas para ciertas localidades que cuenten con áreas “ricas” en sol y corrientes de viento, lo cual las limita a ser intermitentes (Elam et al., 2003). Por otro lado, la energía obtenida a partir de biomasa representa una fuente de obtención renovable y sostenible a futuro.

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Por ejemplo, el tratamiento de residuales municipales mediante procesos anaerobios genera biogás como combustible que con algunas modificaciones del proceso se obtienen cantidades importantes de H2 (Valdez-Vazquez et al., 2006b; Valdez-Vazquez et al., 2006a; Valdez-Vazquez et al., 2005b; Valdez-Vazquez et al., 2005a). Este último conocido por ser un combustible ambientalmente amigable (Lay et al., 2003), debido a su carencia de átomos de carbono u otros elementos precursores de contaminantes en su molécula (Fig. 3). Como una alternativa adicional la obtención de energía eléctrica se presenta como una tecnología atractiva e innovadora mediante la cual materia orgánica soluble genera una diferencia de potencial traduciéndose en corriente eléctrica.
Figura 3. Estructura molecular de diversos tipos de combustibles. Adaptado de Dunn, 2002.
1.4 Principio de una Celda de Combustible Microbiana
Las celdas de combustible microbianas (CCM) se han utilizado experimentalmente para el tratamiento de aguas residuales municipales principalmente (He et al., 2005; Liu et al., 2004), sin embargo cabe destacar la utilización de este tipo de sistemas en la generación de electricidad en sedimentos marinos o de origen lagunar como una aplicación tecnológica para comunidades distantes al suministro de energía (Bond et al., 2002; Holmes et al., 2005).

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El objetivo principal en tales tecnologías ha sido la obtención de energía en forma de electricidad o hidrógeno, con la adicional disminución de la demanda química de oxígeno (Park y Zeikus, 2000; Kim y Logan, 2005; Rabaey et al., 2003). El proceso global se desarrolla en la CCM compuesta de dos cámaras separadas por una membrana polimérica, la cual es permeable al paso de protones. La Fig. 4 muestra éste proceso, en la primera cámara se encuentra el ánodo, el cual captura los electrones liberados en el medio como consecuencia de la degradación de la materia orgánica (Kim et al., 2005; Liu et al., 2005 B; Rhoads et al., 2005). Estos electrones que se generan, fluyen hacia el cátodo a través de un circuito externo a la celda, lo que permite la generación de corriente eléctrica. Por otro lado, los protones pasan a través del polímero permeable. Una vez dentro de la cámara catódica, los protones reaccionan con electrones y oxígeno contenido en el aire asperjado al medio para formar agua (Chang et al., 2005; Liu et al., 2005a: Logan et al., 2005; Min y Logan, 2004).
Figura 4. Principio de una celda de combustible microbiana de doble cámara. Adaptado de Carmona- Martínez et al., 2006 a.

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Por otro lado, existe una configuración considerada novedosa, en la cual el oxígeno que es necesario en el cátodo, se suministra mediante convección natural (Fig. 5). Esto gracias a que el cátodo se encuentra en contacto directo con el ambiente, evitando de esta forma asperjar aire al medio o mejor aún suministrar aire u oxígeno puro al sistema como en el caso de las celdas electroquímicas de H2 convencionales (Kim et al., 2007; Logan et al., 2006; Logan y Regan, 2006; Oh y Logan, 2006; Logan, 2005).
Figura 5. Principio de una celda de combustible microbaina de una sola cámara. Adaptado de Schröder, 2007.
1.5 Inóculos utilizados
La Tabla 1 muestra una compilación de diversos trabajos en el área de CCM´s. Los estudios con cultivos puros parecen predominar (miembros de la familia proteobacteriana Geobactereace), aunque hay algunos estudios recientes donde consorcios microbianos como aquellos presentes en aguas residuales son utilizados como inóculos (Fig. 6). La razón de utilizar cultivos puros en vez de consorcios microbianos ha sido principalmente la ventaja que representa estudiar CCM’s con biocatalizadores en los cuales un modelo predecible puede obtenerse acerca de cómo la transferencia de electrones es llevada a cabo (Hernandez and Newman, 2001).

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Tabla 1. Algunos trabajos publicados sobre celdas de combustible microbianas y sus especificaciones técnicas.
Celda
Inóculo
Sustrato
Operación
Desempeño
Membrana
Ref.
Doble cámara
G. sulfurreducens
Acetato [5 mM]
T=30ºC, Ot=960h, pH=6.8
PAn=16 mW/m2,
Sin membrana
[1]
Doble cámara
G. fermentans
Acetato, propionato, malato, lactato y succinato [5mM]
Ot=960h
N.M.
Nafion 117
[2]
Cátodo concéntrico
G. metallireducens
Agua residual
T=30ºC; HRT=33d
PAn=26 mW/m2; ηCoul=12%
Nafion 117
[3]
Doble cámara
R. ferrireducens
Glucosa [2mM]
25ºC, Ot=1000h
Ian=30 mA/m-2
Nafion 117
[4]
Flujo ascendente
Lodo anaerobio
Sacarosa [0.25-1.0 g/L]
T=35ºC; TRH=1d
PAn=170 mW/m2; ηCoul=8,1%
CMI-7000
[5]
Doble cámara
Lodo anaerobio
Agua residual modificada
T=30ºC; Ot=50h
Nafion 117
[6]
Una cámara
Lodo anaerobio
Agua residual modificada con glucosa
T=30ºC; Ot=120h
Nafion 117
[7]
Una cámara
Agua residual
Agua residual modificada con acetato
T=32-20ºC
PAn=1200 mW/m2; ηCoul=61,4%
Sin membrana
[8]
Una cámara
Agua residual
Agua residual modificada con butirato
Ot=60h
Sin membrana
[9]
Doble cámara
Sedimento marino
Acetato [0.1 mM]
22ºC, pH=6.8, Ot=1920h
N.M.
Nafion 118
[10]
Notas:
PAn: Densidad de Potencia; IAn= Densidad de Corriente; ηCoul: Eficiencia Coulombimétrica; N.M.: No mostrado; Ot=Tiempo de Operación de la celda; HRT: Tiempo de Retención Hidráulico.
1. Bond et al. (2002). 2. Bond y Lovley (2002). 3. Liu et al. (2004). 4. Chaudhuri and Lovley. (2003). 5. He et al. (2003). 6. Kim et al. (2005). 7. Liu and Logan. (2004). 8. Liu et al. (2005b). 9. Liu et al. (2005a). 10. Holmes et al. (2005).
Se ha propuesto que diversas especies del género Geobacter y Shewanella pueden liberara electrones al ánodo a través de acarreadores ya sea producidos por los mismos microorganismos o suministrados artificialmente. De estos últimos se desprenden desde compuestos pequeños como la antroquinona 2, 6-disulfo hasta compuestos orgánicos complejos como las sustancias húmicas. En este sentido Bond y Lovley (2002) utilizaron para

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su estudio Geobacter sulfurreducens (ATCC 51573) en un medio con la siguiente composición (por litro): 0.1 g de KCl, 0.2 g de NH4Cl, 0.6 g de NaH2PO4, 10 ml de mezcla de vitaminas y 10 ml de trazas de medio mineral.
El pH del medio fue ajustado a 6.8, 2 g de NaHCO3 fueron adicionados, y el medio fue gaseado con N2-CO2 (80:20) para remover el oxígeno antes de esterilizar el medio en frascos tapados. Ácido acético fue utilizado como el donador de electrones (5 mM). Para mantener las células viables, óxido de hierro (III) fue utilizado como aceptor de electrones antes de inocular la celda (100-120 mM). Las células entonces fueron transferidas a un medio que contenía 40 mM de fumarato como el aceptor de electrones antes de ser inoculadas a las cámaras que contenían los electrodos. El medio contenido en las cámaras fue modificado con 2.9 g de NaCl. Cuando el medio fue reemplazado con una solución amortiguadora salina anóxica en los experimentos del electrodo, la solución amortiguadora contenía (por litro) lo siguiente: 0.1 g de KCl, 0.6 g de NaH2PO4, 2.9 g de NaCl, y 2 g de NaHCO3.
En un estudio realizado posteriormente, Bond y Lovley (2005) utilizaron el microorganismo Geothrix fermentans. El microorganismo creció en un medio con acetato como el donador de electrones y fumarato como el aceptor. Las células fueron recolectadas vía centrifugación y resuspendidas en un volumen igual de medio carente de aceptores y donadores de electrones. El medio en las cámaras fue idéntico al de crecimiento (Bond y Lovley, 2002), sólo que fumarato fue omitido y 1mM de acetato fue adicionado como el donador de electrones. La adición de propionato (5 mM), lactato (5 mM), o succinato (5mM) resultó en mayores velocidades de producción de corriente que acetato.
Adicionalmente Chaudhuri y Lovley (2003) utilizaron una cepa de Rhodoferax ferrireducens en un medio compuesto por Glucosa (2mM) en el medio anódico, la cual consumida permitió la producción de corriente y el crecimiento de Rhodoferax ferrireducens. Una vez que la generación de corriente se estabilizó, un 10% del inóculo de la cámara anódica fue transferido a una nueva cámara. La corriente continuó siendo producida mientras que la glucosa fue consumida. La producción de corriente fue asociada al crecimiento celular, y demostrado por un incremento en la proteína celular microbiana en el medio después del tiempo. Con respecto a consorcios de microorganismos utilizados como inóculos, He et al. (2005) usaron un inóculo obtenido de lodo anaerobio granular de un biodigestor anaerobio de flujo ascendente mesofílico, el cual trataba agua residual de una cervecería (Fig. 6B). Antes

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de la inoculación, el lodo fue molido y entonces filtrado a través de un poro de 0.25mm de amplitud para remover las partículas grandes. La celda fue alimentada con una solución de sacarosa como el donador de electrones, mientras tanto, la CCM de flujo ascendente generó electricidad con un máximo de densidad de poder de 170 mW/m2. Adicionaron un acarreador de electrones, el cual fue hexacianoferrato en la cámara catódica. La CCM fue operado a 35 ºC y continuamente alimentada a un flujo de 0.37 mL/min con una solución de sacarosa a un tiempo de retención hidráulica de 1.0 día y una tasa de alimentación de 0.3-3.4 g DQO/L/día.
Figura 6. Micrografías de organismos inoculados en celdas de combustible microbianas.
Notas:
A. Bond y Lovley. (2003). B. He et al. (2003). C. Lee et al. (2003). D. Pham et al. (2003). E. Gregory et al. (2004). F. Holmes et al. (2004).
Holmes et al. (2004), trabajaron con una CCM que contenía al microorganismo Geopsychrobacter electrodiphilus (Fig. 6F). En su estudio, concluyeron que los donadores de electrones podrían ser acetato o benzoato. También determinaron que los aceptores de electrones podrían ser óxido de hierro (III) cristalino, pirofosfato, pirofosfato de hierro (III) y óxido de hierro (III). Kim y Logan (2005), utilizaron como fuente de microorganismos inóculo lodo anaerobio (10 mL). El medio de la CCM fue agua residual filtrada con el objetivo de remover las bacterias (0.2 μm el diámetro del poro) la cual fue modificada con acetato (20 mM) y entonces usada como medio enriquecido para los experimentos. Después de la

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modificación del medio, éste fue modificado con una solución reguladora (pH=7.0), la cual contenía NH4Cl (0.31 g/l), KCl (0.13 g/l), NaH2PO4·H2O (2.69 g/l), Na2HPO4 (4.33 g/l); metales (12.5 ml) y solución de vitaminas (12.5 ml).
1.6 Desempeño del proceso
Sobresale el uso de Pt como catalizador en la composición de electrodos y material para conectar el circuito externo. Sin embargo, recientemente algunos trabajos han propuesto la utilización de cátodos biológicos (biocátodos) en vez de cátodos abióticos (He and Angenent, 2006). Adicionalmente existe también un gran esfuerzo en la búsqueda de diferentes materiales a utilizarse en ánodos y cátodos que demuestren un mejor desempeño (Niessen et al., 2004b; Zhao et al., 2007). Además, estudios con sustratos sintéticos o semi-sintéticos predominan, como glucosa, acetato o agua residual modificada.
Respecto al desempeño de la CCM, un parámetro ampliamente utilizado ha sido el cálculo de la Densidad de Potencia la cual es la Potencia normalizada de acuerdo al área del ánodo (Logan et al., 2006). Antes del año 2002 existían solamente trabajos con densidades de potencia menores a 0.1 mW/m2, existiendo en la actualidad reportes con densidades de potencia del orden de 1000 mW/m2 (Logan y Regan, 2006; Fig. 7). Esto representa un avance importante en el mejoramiento de CCM’s, lo cual se ha traducido en la construcción de un complejo de CCM´s a escala piloto en Yatala, Queensland, Australia (http://www.microbialfuelcell.org/: Nota: revisar el área “Research/Publications/Technology/ Pilot MFC/News”).
1.7 Materiales de construcción y condiciones de operación
La mayoría de trabajos han reportado una CCM a escala laboratorio de dos cámaras, como la mostrada en el esquema de la Fig. 4 y los mostrados en la Tabla 1 y Fig. 8. Por ejemplo la Fig. 8A, B, E y F muestran diseños de CCM´s en los cuales la cámara anódica y catódica se encuentran separadas por una Membrana de Intercambio Protónico (PEM por sus siglas en inglés -Proton Exchange Membrane-), ya sea una membrana Nafión® o una Ultrex CM1700 (Tabla 1). A diferencia de las configuraciones de CCM´s existen algunos diseños en los cuales se utiliza cátodos aerobios que se encuentran expuestos al ambiente para proveer a la CCM el oxígeno necesarios para llevar a cabo la producción de agua (Fig. 8C y H).

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.
Figura 7. Densidad de Potencia en base a datos actualmente publicados. Adaptado de Logan y Reagan, 2006.
La CCM de la Fig. 8F muestra el trabajo publicado por Min y Logan (2004), en el cual diseñaron una CCM de lámina que fue operada con flujo pistón, usando un sistema combinado de electrodo/membrana de intercambio de protones (MIP). El digestor o CCM consistió de un canal simple, formado entre dos láminas no conductivas, separadas a la mitad por el montaje electrodo/MIP. Cada electrodo fue colocado en un lado opuesto de la MIP, con el ánodo en contacto con una cámara que contenía la fase líquida y el cátodo sólo en contacto con aire (Fig. 8F). Por otro lado, Min et al. (2005) construyeron una CCM constituida de dos frascos de 300 mL de capacidad con electrodos de papel carbón (Fig. 8A). Los frascos se encontraban unidos mediante un puente de vidrio que contenía la MIP sostenida por una abrazadera entre las terminales del tubo de vidrio. Por su parte Liu y Logan (2004), examinaron la generación de energía en una CCM con un cátodo en contacto con aire, la celda contenía electrodos de carbón en la presencia y ausencia de una MIP polimérica similar a la CCM de la Fig. 8C.

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Figura 8. Diferentes configuraciones de celdas de combustible microbianas
Notas:
A. Min et al. (2005). B. Rabaey et al. (2005). C. Liu y Logan (2004). D. Rosenbaum et al. (2005b). E. He et al. (2005). F. Min y Logan (2004). G. Rosenbaum et al. (2005a). H. Liu et al. (2004).
Liu et al. (2004) llevaron a cabo el estudio de la generación de energía usando una celda de combustible microbiana de una sola cámara, la cual contenía ocho electrodos de grafito (ánodos) y un solo cátodo aireado por convección natural. El sistema fue operado bajo condiciones de flujo continuo con un efluente primario clarificado obtenido de una planta local de tratamiento de agua (Fig. 8H). Un diseño muy singular fue el que lograron Rabaey et al. (2003). La CCM se constituyó de una cámara tubular que generaba grandes cantidades de energía usando una matriz de grafito granular como el ánodo y solución de ferrocianuro como el cátodo. Dos tapones de vidrio, cada uno con una entrada y una salida, fueron insertados en ambos lados del cilindro. Por último, He et al. (2005) diseñaron una CCM basándose en un digestor de flujo ascendente. La celda, se constituyó de dos cámaras de vidrio con un diámetro de 6cm. La cámara del cátodo se colocó en la parte superior del dispositivo. Ambos, tanto la cámara anódica como la catódica, contenías carbón granular como electrodos, el cual tenía una gran porosidad de tal manera que se prevenía el atascamiento (Figura 8E).

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1.8 Perspectivas en el uso de celdas de combustible microbianas
Las celdas de combustible microbianas se plantean como una alternativa energética que a la luz de los avances obtenidos por diversos grupos alrededor del mundo (Estados Unidos, Alemania, Australia, Korea, etc.) podría satisfacer en un futuro no muy lejano las necesidades de lugares específicos como plantas de tratamiento de aguas residuales (haciéndolas autosustentables energéticamente hablando), localidades rurales o inclusive dando tratamiento a residuales orgánicos provenientes de procesos anaerobios para la obtención de biocombustibles (producción biológica de hidrógeno).
Aunado al punto anterior, el acercamiento de este tipo de tecnología dependerá en gran medida en sustituir algunos materiales actualmente utilizados como catalizadores en celdas de combustible microbianas por materiales de origen biológico que actúen como catalizadores finales del sistema o los también denominados cátodos biológicos. Finalmente es necesario enfatizar la importancia del conocimiento de las celdas de combustible microbianas, no sólo electroquímico o del proceso, si no también desde un enfoque biológico donde se conozca la identidad de los microorganimos responsables de su funcionamiento y se aprovechen en su totalidad los procesos de transferencia de electrones como conversión de sustrato en electricidad en beneficio de la aplicación práctica pronta de este tipo de sistemas.

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2 Justificación
Para satisfacer nuestras necesidades como sociedad, es indispensable la utilización de energía, la cual puede ser provista tanto de fuentes no renovables como de renovables. Dentro de las primeras, los más demandados han sido los combustibles fósiles, los cuales presentan diversas desventajas, y que además de escasear en un futuro cercano, tienden a emitir diversos contaminantes en su combustión.
Por otro lado los combustibles renovables presentan una alternativa promisoria debido al “mínimo” impacto negativo al ambiente. Sin embargo la disponibilidad de algunas de estas opciones depende de la localización geográfica de tales sistemas, por lo tanto el factor primordial a evaluar es la cantidad de materia prima de la cual extraer energía. Es por eso que la obtención de energía a partir de biomasa y desechos es un objetivo permanente y preponderante.
Dentro de los procesos alternativos de obtención de energía que utilizan biomasa se destacan principalmente aquellos que incluyen microorganismos, ya que al utilizar biomasa como materia prima, se da un doble enfoque al proceso, por un lado el tratamiento de la biomasa y por otro, la obtención de energía aprovechable del mismo.
En los procesos que se utiliza biomasa como sustrato, se busca la degradación completa de la misma. En ocasiones esto no es posible, como es el caso de la obtención de H2 a partir de biomasa, mediante la utilización de inhibidores de la metanogénesis, en la cual, sólo se logra la degradación parcial de la biomasa adicionada al sistema, lo que conlleva a la consecuente generación de metabolitos orgánicos extraíbles. Estos últimos son candidatos a utilizarse para la generación adicional de energía, ya sea por un sistema acoplado metanogénico o por medio de bacterias fototróficas capaces de producir H2 como combustible o por medio de una celda de combustible microbiana.
De forma novedosa, existe la posibilidad de utilizar celdas de combustible microbianas capaces de alimentarse de electrones y protones liberados por las reacciones bioquímicas de los microorganismos, de tal forma que se genera una corriente eléctrica factible de utilizarse en actividades ordinarias como iluminar nuestros hogares, de respaldo para energizar electrodomésticos y electrónicos portátiles.

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3 Hipótesis
3.1 Hipótesis general
Se podrá obtener energía adicional complementaria a la existente, de una celda de combustible microbiana utilizando extractos provenientes de la generación de H2 a partir de residuos sólidos orgánicos.
3.2 Hipótesis específica
En la operación de la celda de combustible microbiana el desempeño de los parámetros principales como la densidad de potencia y la eficiencia coulombimétrica dependerá del tipo y concentración de inóculo.

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4 Objetivos
4.1 Objetivo general
Construir, operar y evaluar el desempeño de una Celda de Combustible Microbiana para el procesamiento de extractos provenientes de la generación de H2 a partir de residuos sólidos orgánicos, con el fin de producir energía eléctrica y disminuir la carga contaminante de dichos extractos.
4.2 Objetivos específicos
ƒ Obtener inóculo para la celda de combustible microbiana mediante el arranque y operación de un reactor inoculador metanogénico y un reactor inoculador sulfato reductor.
ƒ Preparar la alimentación a suministrarse a la celda de combustible microbiana mediante extractos provenientes de la operación de un digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.
ƒ Diseñar y construir una celda de combustible microbiana a escala laboratorio.
ƒ Determinar curvas de polarización (densidad de corriente-voltaje) de la celda, eficiencia coulombimétrica y remoción de la demanda química de oxígeno durante la operación de la celda de combustible microbiana con influente sintético.
ƒ Evaluar el desempeño (densidad de corriente-voltaje-densidad de potencia) de la celda de combustible microbiana en régimen lote con los extractos de la producción de H2.
ƒ Describir por microscopía electrónica de barrido la biomasa microbiana fija a la superficie del ánodo y correlacionarla con los cambios en la operación de la celda.

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5 Materiales y métodos
5.1 Plan de trabajo
El plan de trabajo estuvo compuesto por tres fases divididas en 7 actividades. El trabajo experimental comprendió desde el arranque de reactores inoculadores y procuradores de alimentación para la celda, diseño y construcción de éstas, hasta la obtención del perfil de comunidades microbianas presentes en el sistema.
Fase 1
Actividad 1. Procuración del inóculo, influente sintético e influente real
Se arrancaron y operaron dos reactores anaerobios en fase líquida para la obtención del inóculo a utilizar en la celda de combustible microbiana (CCM). El primer reactor inoculador se encontró en ambiente metanogénico (RI-CH4), mientras que el segundo se encontró en ambiente sulfato reductor (RI-SR). Por otro lado, se arrancó un digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico (DASSA) para la obtención de extractos a utilizarse como influente real de CCM. Por su parte la composición del influente sintético se determinó mediante cromatogrfía de gases y estuvo sujeta a los constituyentes predominantes encontrados en los extractos de la producción biológica de H2 a partir de residuos sólidos orgánicos (Valdez-Vázquez et al., 2005).
Actividad 2. Diseño y Construcción de la celda de combustible microbiana
Mediante una exhaustiva búsqueda bibliográfica se analizaron los distintos diseños de celdas de combustible microbianas utilizados hasta la fecha y se optó por diseñar una celda adecuada a las necesidades y recursos del laboratorio. Posteriormente, el diseño se envió a los Talleres de esta Centro de Investigación para dar seguimiento y completar su construcción.

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Actividad 3. Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana
Una vez construida la CCM, se evaluó la factibilidad del diseño mediante la realización de ensayos presuntivos en lote en los cuales se corroboró le hermeticidad del material, así como la integridad de la membrana de intercambio protónico.
Fase 2
Actividad 4. Caracterización y Ensayos de la CCM en lote con alimentación sintética
Cuando la factibilidad del diseño y la integridad de la membrana fueron corroboradas se procedió a la realización de una curva de polarización para la caracterización de la celda con distintos tipos de inóculo. Así mismo, se realizaron ensayos en lote con alimentación sintética para evaluar el comportamiento de la celda en función de la potencia, remoción de la demanda química de oxígeno y eficiencia coulombimétrica.
Actividad 5. Disminución de la resistencia interna y aumento del desempeño de la celda
Cuando el comportamiento de la celda fue estudiado con alimentación sintética y con dos tipos de inóculos, ésta se sometió a un protocolo dirigido a disminuir la resistencia interna y así mejorar las variables de respuesta del sistema, como son: potencia, remoción de la demanda química de oxígeno y eficiencia coulombimétrica en un régimen semi-continuo.
Fase 3
Actividad 6. Desarrollo de las técnicas de biología molecular
En esta actividad se adecuaron las técnicas de biología molecular de acuerdo al sistema biológico utilizado (inóculo de un digestor anaerobio en fase líquida y afluente de una celda de combustible microbiana).
Actividad 7. Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la biomasa soportada en la superficie del ánodo
A través de técnicas de microscopia electrónica de barrido (MEB) se analizó la biomasa fija la ánodo para correlacionar su presencia con los cambios en la operación de la celda de combustible microbiana.

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Fase 1
5.2 Actividad 1: Procuración del inóculo, influente sintético e influente real
5.2.1 Arranque y operación del Reactor inoculador metanogénico
El propósito de esta actividad fue la obtención de inóculo metanogénico para la celda de combustible microbiana. El reactor inoculador metanogénico se operó en fase líquida de acuerdo al siguiente procedimiento.
1 Kg de excreta de vaca se mezcló con 3 L de agua de la llave sin tratar, ésta mezcla se filtró utilizando un tamiz No. 35 y con apertura de poro de 0.46 mm. Posteriormente se utilizó 1500 mL de la mezcla filtrada y se mezcló con 1500 mL de lodos activados suspendidos, los cuales se obtuvieron de la Planta de Tratamiento de Agua de San Juán Ixhuatepec (Av. La Presa, Tlalnepantla, Estado de México, México). En el arranque del reactor metanogénico se adicionaron 15 g de azúcar como una fuente fácilmente asimilable de carbono y energía, y 13.5 g se carbonato de calcio como componente amortiguador.
Tabla 2. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador metanogénico.
Componente
Concentración (g/L)
Sacarosa
5.0
NaHCO3
3.0
K2HPO4
0.6
NaCO3
3.0
NH4Cl
0.6
CH3COOH glacial
1.5
El diseño experimental de esta actividad consistió en 4 factores a 1 nivel y 1 sola réplica: temperatura, concentración de la alimentación, volumen del reactor, y tiempo de retención hidráulico. La operación del reactor fue semi-continua, el volumen de operación fue de 3 L, se incubó en un cuarto mesofílico a 37ºC, con un TRH de 25 d, con una concentración de la alimentación de 5.0 g/L y con una carga orgánica inicial de 2512.98 mgDQO/L d. Se alimentó diariamente (120 mL) con una solución de composición conocida por Litro mostrada en la

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Tabla 2: 5 g de sacarosa, 3 g de NaHCO3, 0.6 g K2HPO4, 3 g NaCO3, 0.6 g NH4Cl, 1.5 g CH3COOH glaciar.
Por otro lado, se determinó diariamente el pH y la alcalinidad del digestor de acuerdo a la Tabla 3. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, por otro lado la alcalinidad se mantuvo en un valor menor a 0.5 (Robles-González, 2003). La Fig. 9 muestra la conformación del digestor de vidrio utilizado.
Tabla 3. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador metanogénico.
Parámetro
Alimentación
Efluente
Licor
Gas
Método
pH
-
3/sem
-
-
Standard Methods 4500-H+
DOQ
1/sem
3/sem
-
-
Standard Methods 5220-C
SSV
-
-
3/sem
-
Standard Methods 2540-E
Coeficiente α
-
3/sem
-
-
Ripley et al., 1986
Volumen de biogás
-
-
-
1/día
Poggi-Varaldo et al., 1987
CH4
-
-
-
2/sem
Poggi-Varaldo et al., 1987
La mayoría de las determinaciones se realizaron de acuerdo al Standard Methods, sin embargo el coeficiente alfa se determinó de acuerdo a Ripley et al., 1986, en donde se considera que el estado estable de un digestor anaerobio se puede determinar con respecto al factor alfa, el cual debe oscilar alrededor de 0.3.
Figura 9. Configuración del Reactor inoculador metanogénico.

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5.2.2 Arranque y operación del Reactor inoculador sulfato reductor
El propósito de esta actividad fue la obtención de inóculo sulfato reductor para la celda de combustible microbiana. Para el arranque del reactor sulfato reductor se utilizó inóculo proporcionado por el Ing. Ambiental Jorge Acevedo-Benítez quien previamente lo había traído de la zona de “Los Azufres” en Morelia Michoacán, México.
El procedimiento de arranque consistió en que 4 g de inóculo fueron reactivados durante 1 semana en un medio compuesto como sigue (por litro): 5.0 g NaHCO3, 2.0 g NaCl, 1.0 g (NH4)2SO4, 0.5 g K2HPO4, 0.1 g MgSO4, 2.0 g Extracto de levadura y 0.1 g Na2S⋅H2O (Icgen et al., 2006). Al concluir una semana1 Kg de excreta de vaca se mezcló con 3 L de agua de la llave sin tratar, ésta mezcla se filtró utilizando un tamiz No. 35 y con apertura de poro de 0.46 mm. Posteriormente se utilizó 1000 mL de la mezcla filtrada, se mezcló con 1000 mL de lodos activados suspendidos, los cuales se obtuvieron de la Planta de Tratamiento de Agua de San Juán Ixhuatepec (Av. La presa, Tlalnepantla, Estado de México, México) y con 1000 mL del cultivo reactivado de inóculo sulfato reductor descrito anteriormente. En el arranque del reactor inoculador sulfato reductor se adicionaron 15 g de azúcar como una fuente fácilmente asimilable de carbono y energía, y 13.5 g se carbonato de calcio como componente amortiguador.
El diseño experimental de esta actividad consistió en 4 factores a 1 nivel y 1 sola réplica: temperatura, concentración de la alimentación, volumen del reactor, y tiempo de retención hidráulico. La operación del reactor fue semi-continua, el volumen de operación fue de 3 L, se incubó en un cuarto mesofílico a 37ºC, con un TRH de 25 d, y con una carga orgánica inicial de 2512.98 mgDQO/L d. Se alimentó diariamente (120 mL) con una solución con composición conocida mostrada en la Tabla 4.
Tabla 4. Composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor.
Componente
K2SO4
17.0
Sacarosa
5.0
NaHCO3
3.0
K2HPO4
0.6
NaCO3
3.0
NH4Cl
0.6
CH3COOH glacial
1.5

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Por otro lado, se determinó diariamente el pH y la alcalinidad del reactor de acuerdo a la Tabla 5. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, por otro lado la alcalinidad se mantuvo en un valor menor a 0.5. La Figura 10 muestra la conformación del reactor inoculador de vidrio.
Tabla 5. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor.
Parámetro
Alimentación
Efluente
Licor
Gas
Método
pH
-
3/sem
-
-
DOQ
1/sem
3/sem
-
-
SSV
-
-
3/sem
-
Coeficiente α
-
3/sem
-
-
Ripley et al., 1986
Volumen de biogás
-
-
-
1/día
Poggi-Varaldo et al, 1987
SO4
-
-
-
2/sem
La mayoría de las determinaciones se realizaron de acuerdo a Standard Methods, sin embargo el coeficiente alfa se determinó de acuerdo a Ripley et al., 1986, en donde se considera que el estado estable de un digestor anaerobio se puede determinar con respecto al factor alfa, el cual debe oscilar alrededor de 0.3.
Figura 10. Configuración del Reactor inoculador sulfato reductor.

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5.2.3 Arranque y operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico
El propósito de esta actividad fue la obtención de extractos a utilizarse como sustrato en los ensayos de la celda de combustible microbiana. Para el arranque y operación del digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico se procedió de acuerdo a la metodología descrita por Poggi-Varaldo et al. (1997) y Valdez-Vázquez et al. (2005b).
En el arranque de este digestor su composición estuvo constituida por 1/3 de kilogramo de los siguientes materiales: estiércol vacuno sin tratar, lodos activados sedimentados mediante un cono Imhoff (Poxygrid® Imhoff Cone) y tierra de jardín cribada utilizando un tamiz No. 35 y con apertura de poro de 0.46 mm. Se utilizó como digestor un recipiente de vidrio el cual fue cerrado herméticamente por un tapón de goma. El digestor fue provisto de una salida de biogás, la capacidad total del digestor fue de 1500 g, con un peso de operación de 850 g de sólidos húmedos.
El diseño experimental de esta actividad consistió en 5 factores a 1 nivel y 1 sola réplica: volumen de operación, temperatura, tiempo de residencia másico, flujo de alimentación y caga orgánica. Se incubó a 55 ºC según las condiciones de operación mostradas en la Tabla 6.
Tabla 6. Parámetros de operación del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.
Parámetro
Valor
Volumen/Peso de operación
850g
Temperatura
55ºC
Tiempo de residencia másico
21d
Flujo de alimentación
40,5g/d
Carga orgánica
12,3gSV / Kg·d
Una vez arrancado el digestor se operó inicialmente en lote para alcanzar una producción constante de biogás. Cuando esto sucedió, el digestor fue alimentado con sustrato sólido dos veces por semana bajo condiciones de anoxia a un tiempo de residencia másico promedio de 21 días (TRM).
Por otro lado, de acuerdo a la Tabla 7, la alimentación de los digestores para la obtención de extractos consistió de una mezcla de residuos de fruta y verdura secados

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durante toda la noche (60%) y residuos de papel de oficina (40%), ambos en base seca. Posteriormente la humedad de esta mezcla fue ajustada a 25% se sólidos totales mediante la adición de una solución reguladora conteniendo 44 g NaHCO3 y 73.6 g K2HPO4 por litro.
Por otro lado, se determinó el pH y la alcalinidad del digestor de acuerdo a la frecuencia mostrada en la Tabla 8. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, de manera similar, se buscó que el parámetro alfa y la producción de biogás presentaran una relación directa para determinar de esta manera el estado estable del sistema. La Figura 11 muestra la conformación del digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.
Tabla 7. Composición del sustrato de alimentación para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.
Componente
Valor
Sustrato sólido
-Residuos de fruta/vegetales
60 % en base seca
-Residuos institucionales
40 % en base seca
ST
35.5 ± 3.25 %
SV
20.99 ± 0.85 %
pH
7.34 ± 0.15
Alcalinidad
35.09 ± 0.05 mgCaCO3/gbase seca
Nitrógeno Total (Kjedahl)
1.93 ± 0.80 %
Celulosa
26.2 ± 6.5 %
Lignina
19.4 ± 5.1 %
Nota:
Extraída de Valdez-Vasquez et al. (2005b).
La operación en laboratorio del digestor anaerobio en sustrato sólido se llevó a cabo de la siguiente manera. El digestor se alimentó dos veces por semana, agregando la cantidad de sustrato específica para los siete días que componen la jornada semanal. La producción de biogás se midió diariamente mediante el desplazamiento de salmuera.

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Tabla 8. Seguimiento y análisis para el Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.
Parámetro
Alimentación
Purga
Gas
Método
pH
1/lote
2/sem
-
ST
1/lote
2/sem
-
SV
1/lote
2/sem
-
Alcalinidad
1/lote
2/sem
-
Standard Methods 2320-B
Coeficiente α
1/lote
2/sem
-
Ripley et al., 1986
Metabolitos orgánicos
-
2/sem
-
Valdez-Vasquez et al. (2005b)
Volumen de biogás
-
-
1/día
Poggi-Varaldo, 1996
El digestor estuvo dotado de un puerto muestreador de biogás para la determinación de CH4 y H2. Además contó con una salida del biogás que iba directamente a un salmuerómetro, en el cual se midió el volumen desplazado. Este volumen, mediante el principio de Arquímedes fue igual al volumen de biogás producido por el consorcio presente en el digestor.
Figura 11. Configuración del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico.

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5.2.4 Lavado de los sólidos gastados provenientes del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico y Determinación de ácidos y solventes orgánicos
La extracción de los metabolitos orgánicos se realizó de acuerdo a Valdez-Vasquez et al., 2005. Los metabolitos orgánicos fueron determinados de extractos acuosos obtenidos del Digestor anaerobio en sustrato sólido acidogénico. 5 g de Sólidos gastados homogéneos fueron vigorosamente mezclados con 25 mL de agua destilada. La suspensión fue posteriormente centrifugada a 8000 crf durante 10 min. Por otro lado, una alícuota del sobrenadante fue analizada mediante cromatografía de gases con el siguiente programa: temperatura inicial 50°C durante 5 minutos. Progresivamente se fue incrementando la temperatura 12°C cada minuto hasta alcanzar 230°C. Se utilizó una Columna FFAP a 220°C mientras que la temperatura del Detector fue de 270°C.
5.2.5 Procedimiento de alimentación y purga de los reactores inoculadores y del digestor anaerobio
En la Figura 12 se muestra de manera esquemática la configuración de los reactores inoculadores (Robles-González et al., 2006) y el digestor en fase sólida (Valdez-Vazquez et al., 2006). El proceso general se describe a continuación. El consorcio microbiano se encuentra contenido en el reactor o digestor en donde se degrada el sustrato suministrado (flecha 1), ya sea como una mezcla de componentes químicamente conocida o un sustrato modelo como el del digestor en fase sólida. Una vez degradado el sustrato, ya sea total (en el caso de sustratos simples) o parcialmente (para el caso de un sustrato complejo o modelo) se genera biogás, el cual se midió mediante desplazamiento de salmuera saturada en NaCl acidificada con H2SO4 a pH 3 (Valdez-Vasquez et al., 2005b, corriente 3). El biogás fluye hacia un recipiente que contiene salmuera (punto 5) y en donde antes de llegar a éste es posible colocar un puerto de muestreo (punto 4). El biogás presuriza el contenedor de salmuera obligando a que ésta fluya hacia el receptor de salmuera (punto 7) permitiendo medir la cantidad de biogás generado. Finalmente, dependiendo del tiempo de retención (TRM o TRH) el sistema es purgado para evitar la acumulación de células muertas y componentes celulares excretados (punto 2).

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Figura 12. Configuración de los reactores inoculadores.
5.2.6 Cambio en la alimentación del Reactor inoculador sulfato reductor
El propósito de esta actividad fue aumentar la cantidad de biomasa fija al ánodo, por lo tanto se decidió modificar la alimentación del RI-SR incluyendo lodos activados y alimentando diariamente (120 mL). La operación del reactor fue semi-continua, el volumen de operación fue de 3 L, se operó en un cuarto mesofílico a 37ºC, con un TRH de 25 d, y con una carga orgánica inicial de 2414.63 mgDQO/L d. La preparación del agua de alimentación fue de acuerdo a la Tabla 9, sin embargo, en vez de diluir solamente en agua los componentes mostrados en la Tabla 9, se mezclaron previamente en 1/3 L de lodos activados (3.6 gSST/L) y finalmente se llevó a un aforo de 1 L.

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Tabla 9. Cambio en la composición del agua de alimentación para el Reactor inoculador sulfato reductor.
Componente
K2SO4
17.0
Sacarosa
5.0
NaHCO3
3.0
K2HPO4
0.6
NaCO3
3.0
NH4Cl
0.6
CH3COOH glacial
1.5
Lodos activados-SSV
2.5
Por otro lado, se determinó diariamente el pH y la alcalinidad del reactor de acuerdo a la Tabla 10. El pH se mantuvo en un rango de 7-8, por otro lado la alcalinidad se mantuvo en un valor menor a 0.5.
Tabla 10. Plan de seguimiento y análisis para el Reactor inoculador sulfato reductor.
Parámetro
Alimentación
Efluente
Licor
Gas
Método
pH
-
3/sem
-
-
DQO
1/sem
3/sem
-
-
SSV
-
-
3/sem
-
Coeficiente α
-
3/sem
-
-
Ripley et al., 1986
Volumen de biogás
-
-
-
1/día
Poggi-Varaldo et al, 1987
La mayoría de las determinaciones se realizaron de acuerdo al Standard Methods (pH, DQO, SSV, Volumen de biogás). La alcalinidad intermedia y parcial se analizaron de acuerdo con Ripley et al. (1986) y con Poggi-Varaldo y Oleszkiewicz (1992). El coeficiente alfa se calculó como la razón entre la alcalinidad intermedia y la alcalinidad parcial. Valores por debajo de 0.5 en reactores anaerobios indican una adecuada capacidad reguladora de los ácidos generados al medio (Garibay-Orijel et al., 2005; Robles-González et al., 2006)

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5.3 Actividad 2: Diseño y Construcción de la celda de combustible microbiana
5.3.1 Primer diseño de la celda de combustible microbiana
El propósito de esta actividad fue diseñar y construir la celda de combustible microbiana tanto a utilizar en los ensayos preliminares, caracterización del sistema, ensayos en lote como en lote repetido. Como se mencionó previamente en la sección de materiales y métodos, el Diseño A se ideó como una celda de una cámara, con los electrodos colocados en los extremos de la misma. En la Figura 13 se muestra la apariencia final del Diseño A (Apéndice A).
Figura 13. Apariencia final del Diseño A de la celda de combustible microbiana.
Como es apreciable, en el cuadro 1 de la Figura 13, el cátodo se encuentra en contacto con el aire para proporcionar a la celda una aereación pasiva. Por otro lado, en el cuadro 2 se aprecia el material con el cual están hechos los electrodos que “salen” de la estructura para cerrar el circuito que permitirá determinar la corriente generada en el sistema (flechas). Tanto en el cuadro 3 y 4 se aprecian los conectores que permitirán alimentar y purgar al sistema

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(flechas). Por último, se puede observar que la celda estará sellada por la presión ejercida por los tornillos sobre la cámara central. Consultar Apéndice A para detalles adicionales.
5.3.2 Segundo diseño de la celda de combustible microbiana
El propósito de esta actividad fue diseñar y construir la celda de combustible microbiana tanto a utilizar en ensayos en régimen continuo que como se comentaré posteriormente se sustituyeron por estudios en lote repetido utilizando el Diseño A de la celda de combustible microbiana. A diferencia del Diseño A, el diseño B cuenta con mamparas perpendiculares a los electrodos, lo cual se muestra en la Figura 14. Tales mamparas de idearon con la intención de favorecer la transferencia de sustrato en la celda una vez que ésta se encuentre en operación continua con el propósito de minimizar cortocircuitos entre la entrada y la salida de la celda (Apéndice B).
Figura 14. Apariencia final del Diseño B de la celda de combustible microbiana.
En el cuadro 1 de la Figura 14 se observa la colocación de las mamparas a lo largo de la celda (flechas). Las mamparas se encuentran colocadas a 1/3 de distancia una de la otra con respecto a la longitud del diámetro de la cámara. Por otro lado, en el cuadro 4 se observa la disposición de las mamparas de manera perpendicular a los extremos de la cámara central (flechas). Consultar Apéndice B para detalles adicionales.

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5.3.3 Configuración de la celda de combustible microbiana
La celda de combustible microbiana se muestra en la Fig. 15 y consistió de un ánodo y un cátodo colocados en sitos opuestos de una cámara cilíndrica de plexiglás. El espacio efectivo de la cámara tuvo las siguientes dimensiones: 78 mm de largo, con un diámetro de 49 mm y un volumen de operación de 150 ml. El área superficial del ánodo por unidad de volumen fue de 18.8 m2/m3. El electrodo del ánodo estuvo constituido de una lámina de acero inoxidable con un diámetro de 49 mm y con perforaciones con diámetro 2 mm (ver Fig. 18). Por otro lado, el cátodo además de estar constituido de una lámina de acero inoxidable con las mismas dimensiones y condiciones que el ánodo, tuvo una membrana de intercambio protónico (MIP) entre la fase acuosa y la lámina de acero, y entre éstas se colocó tela de carbón Toray con un diámetro similar al de la lámina de acero y con una concentración final de 0.5 mg Pt/cm2.
Figura 15. Configuración de la Celda de Combustible Microbiana.

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5.3.4 Activación de la membrana Nafión®
El propósito de esta actividad preparar la Membrana de Intercambio Protónico (MIP) tanto a utilizar en los ensayos preliminares, caracterización del sistema, ensayos en lote como en lote repetido. La activación de una membrana protónica Nafion® precedió al depósito del catalizador. Este pre-tratamiento se llevó a cabo mediante “lavados” secuenciales a una temperatura de 80°C. El procedimiento llevado a cabo se enlista a continuación (Rodríguez- Castellanos, 2005).
1. Inmersión de la membrana en una solución de H2O2 al 30% (% v/v) durante 1 h con la intención de remover impurezas orgánicas de la superficie.
2. Inmersión de la membrana en H2O desionizada durante 1 h para hidratar la superficie de la membrana y remover impurezas que hayan quedado en ésta.
3. Inmersión de la membrana en una solución de H2SO4 0.5M durante 1 h que removerá iones metálicos contaminantes de la superficie.
4. Inmersión de la membrana en H2O desionizada durante 1h con lo cual se remueve el H2SO4 de la superficie y se hidrata la membrana.
5.3.5 Preparación y depósito de la tinta catalítica
El propósito de esta actividad fue agregar el catalizador, Pt, a la MIP utilizada en los ensayos preliminares, caracterización del sistema, ensayos en lote como en lote repetido. Se preparó la tinta catalítica de acuerdo a una concentración de 0.5 mg Pt/cm2. Fue necesario colocar previamente en un vial, y pesando en balanza analítica, la cantidad de platino a utilizar (8.3 mg Pt), esto con respecto a un área superficial de 16.62 cm2. Una vez pesada la cantidad de platino requerida, al vial se le agregó 700 μl de etanol y 40 μl de solución Nafion al 5%. Por último, se agitó la mezcla de los componentes anteriores en un sonicador durante 5 minutos hasta observar una consistencia homogénea.

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Por otro lado, el catalizador en forma de tinta se depositó mediante aspersión en una membrana activada. Cuando la tinta se depositó en la membrana y después de 5 minutos de ser expuesta a la luz de una lámpara para garantizar que el catalizador secara, la membrana entintada fue colocada en una prensa (Fig. 16). El objetivo de colocar la membrana en la prensa fue garantizar una mayor adhesión del catalizador, esto se logró al utilizar una temperatura de 120°C y 4 kg/cm2 durante 2 minutos (SPECAC: Prensa hidráulica manual con una carga máxima de 15 toneladas).
Figura 16. Prensa y aereógrafo utilizado pata la deposición del catalizador.
5.3.6 Deformación de la membrana de intercambio protónico
El propósito de esta actividad fue verificar el estado de los materiales internos que compusieron la CCM y con respecto a esto realizar adecuaciones al diseño. Como se mencionó anteriormente, la CCM fue diseñada de tal forma que en el lado del cátodo, se colocara una cruz del mismo material que la CCM (acrílico) para favorecer el contacto de la MIP, del Pt con la lámina de acero inoxidable.

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La Fig. 17 cuadro 1 muestra la cruz de acrílico que se ideó para mantener en contacto el Pt fijado en la membrana y el electrodo de metal. La Fig. 17 cuadro 2 muestra la MIP pintada con Pt y que se había utilizado para los ensayos preliminares.
Figura 17. Vista real en perspectiva de la celda de combustible microbiana y de la membrana de intercambio protónico corrugada y con la carga de Pt.
Con respecto a esta situación, al abrirse la CCM después de los ensayos preliminares para verificar que los componentes estructurales se encontraran en buen estado, se logró detectar que la MIP se encontraba corrugada en aquellos lugares en los que no estaba en contacto con la cruz de acrílico. De la situación observada se tomó la decisión de cambiar la manera en que el Pt como catalizador fuera incluido en el sistema y la forma en que se asegurara el máximo contacto físico entre la MIP y la tela de carbón Toray. Por lo cual se tomó la sugerencia de modificar la construcción del cátodo y utilizar tela de carbón Toray que ya contenía 0.5 mg Pt/cm2 en vez de pintar una MIP con Pt a esa concentración. Además la cruz de acrílico se sustituyó por una lámina circular perforada con broca de taladro para lograr orificios de 2 mm de diámetro.

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5.3.7 Cambio en la configuración de la celda de combustible microbiana
En la Fig. 18 se muestra la configuración que actualmente tiene la CCM, en específico se puede observar que en el lado del cátodo, entre la lámina de acero y la membrana de intercambio protónico ahora se incluyó tela de Carbón Toray, la cual proporciona la misma concentración de platino utilizada anteriormente (0.5 mg Pt/cm2). También se ha adicionado una placa de acrílico perforada que por sugerencia del Ing. Andrés Rodríguez-Castellanos del Departamento de Química del Cinvestav, evite que la membrana de intercambio protónico se corrugue nuevamente como se mostró en la Fig. 17 cuadro 1.
Figura 18. Inclusión de tela de Carbón Toray en la configuración del cátodo.

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5.4 Actividad 3: Ensayo hidráulico y pruebas de la celda de combustible microbiana
El propósito de esta actividad fue verificar la factibilidad del diseño con respecto a la operación de la CCM y de acuerdo a esto proponer modificaciones al diseño de ser necesarias.
5.4.1 Configuración de la celda de combustible
Se realizaron diversos ensayos exploratorios para los cuales se utilizaron inóculos proporcionados por los reactores inoculadores mencionados previamente (ver sección 6.3 y 6.4). La celda de combustible microbiana se muestra en la Figura 18 y consistió de un ánodo y un cátodo colocados en sitos opuestos de una cámara cilíndrica de plexiglás. El espacio efectivo de la cámara tuvo las siguientes dimensiones: 78 mm de largo, con un diámetro de 48 mm y un volumen de operación de 150 ml. El área superficial del ánodo por unidad de volumen fue de 12.8 m2/m3. El electrodo del ánodo estuvo constituido de una malla de acero inoxidable con un diámetro de 6 cm. Por otro lado, el cátodo además de estar constituido de una malla de acero con las mismas dimensiones que el ánodo, tuvo una membrana de intercambio protónico entre la fase acuosa y la malla de acero, y entre éstas se colocó papel carbón Toray con un diámetro similar al de la malla de acero. La membrana de intercambio protónico tuvo una concentración final de 0.5 mg Pt/cm2. Para la activación de la membrana antes de agregársele el catalizador fue como sigue: de manera secuencial, la membrana Nafion 117 fue sumergida en una solución de H2O2 (30% v/v), H2O desionizada, H2SO4 0.5M y H2O desionizada, por 1h cada ciclo a 80°C. Una vez agregado el catalizador a la membrana, ésta fue colocada en una prensa caliente a 120°C y una presión de 4 kg/cm2 durante 2 minutos.
5.4.2 Inóculo y agua de alimentación
Como fuente de biocatalizador se utilizó la purga de un reactor inoculador metanogénico que había presentado un periodo de estabilización de alrededor de 4 meses. El pH del inóculo fue de 7.67 y al terminar el ensayo no varió sustancialmente (pH= 8.71 después de 10h). Por otro lado, la DQO del inóculo fue de 272.72 mg DQO/L. El agua de alimentación estuvo

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compuesta de la siguiente manera (por litro): Sacarosa 5 g; NaHCO3 3 g; K2HPO4 0.6 g; Na2CO3 3g; NH4Cl 0.6g; CH3COOH glacial 1.5 mL. La DQO del agua de alimentación fue de 2805.19 mg DQO/L.
5.4.3 Condiciones experimentales e instrumentos de medición
La celda de combustible microbiana fue llenada con inóculo obtenido del RI-CH4 (~203 ml). Posteriormente la celda fue alimentada con ~8.5 ml. No se tomaron medidas adicionales para procurar y mantener condiciones anóxicas dentro de la celda. El voltaje y la corriente fueron medidos a través de un potenciostato con un sistema de adquisición de datos (Fig. 19) y convertido posteriormente a densidad de potencia de acuerdo a la ecuación 4.
Figura 19. Estación de adquisición de datos.
En la Fig. 19 se muestra el modulo de pruebas utilizado para la medición de voltaje y corriente en el ensayo preliminar. En la parte superior de la imagen se observa el monitor a través del cual se aprecia en tiempo real el desempeño del sistema estudiado en función de las variables mencionadas previamente. En la parte intermedia de la imagen se aprecia que mediante este equipo es posible regular los flujos de hidrógeno y oxígeno que se serían necesarios suministrar en caso de tratarse de una celda de hidrógeno convencional.

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