funcionamiento de un microcosmos de luz

1. Hacia un microcosmos de luz:
el problema de la eficiencia energética
Teresa Elvira Lorilla
Jimena Solana González
Marta Román Navarro
Luis de Benito Aparicio
IES Félix Rodríguez de la Fuente (Burgos)

2. ¿Qué es un microcosmos?
Llamamos microcosmos a
ecosistemas artificiales que
se encuentran encerrados en
un contenedor de pequeño
tamaño y que tienen la
peculiaridad de que las
especies que conviven en él
funcionan de forma eficiente
a la hora de reciclar
elementos químicos. Esto
posibilita que la vida se
pueda mantener durante
generaciones dentro de él.

3. Los microcosmos pueden ser
usados como modelos experimentales
de ecosistemas para estudiar el efecto
de la temperatura sobre la fotosíntesis
y la respiración, la invasión de
especies alóctonas o los efectos de la
eutrofización.
En nuestro caso tratamos de utilizarlos
para matizar una afirmación que se dice
en Ecología: “La energía en los
ecosistemas sigue un ciclo abierto,
entrando en forma de energía luminosa
y saliendo en forma de energía
calorífica que ya no puede reutilizarse
para mantener otro ecosistema en
funcionamiento.”

4. Para formar nuestro microcosmos empleamos dos
componentes presentes en el ecosistema de las
lagunas de Cantalejo (Segovia): unas algas verdes
y unas bacterias electrogénicas.
Las bacterias electrogénicas,
cuando oxidan la materia orgánica en
condiciones anaerobias, producen CO2,
electrones y protones. Estos electrones
pueden ser transferidos a un ánodo,
mientras que los protones se difunden
hasta un cátodo, que está en un
ambiente rico en O2. Los electrones
procedentes del ánodo reaccionan con
los protones del cátodo y el O2
formando agua.
Si situamos un voltímetro en el cable que va del ánodo al
cátodo, podemos registrar el paso de una corriente eléctrica.

5. A partir de estos dos componentes se trató de crear un microcosmos
donde las bacterias electrogénicas produjeran luz mediante un led,
gracias a la electricidad que generaban. Esta luz serviría a las algas para
realizar la fotosíntesis, y generarían a su vez compuestos orgánicos que,
al ser oxidados por las bacterias electrogénicas, producirían
electricidad, y así sucesivamente en un ciclo infinito.
Sin embargo, este modelo teórico que llamamos microcosmos de luz
presentó los siguientes problemas:

6. 1. El problema de la eficiencia fotosintética,
Llamamos eficiencia fotosintétiEcaf al traspaso de energía que se da
desde la explotación de un recurso (en este caso, la luz del led) hasta la
conversión de parte de la energía en producción neta (materia orgánica
fabricada por las algas).
En los microcosmos la
producción neta varía en función
del grado de desarrollo del
mismo. En los ecosistemas
naturales maduros la eficiencia
fotosintética varía entre un 0,8-
2%.
Diversos
factores
disminuyen la
eficiencia
fotosintética,
que se ha
estimado que
alcanza un 5%
en cultivos.

7. Para determinar el grado de desarrollo de nuestro
microcosmos, medimos la variación de concentración de CO2
y de algas durante dos semanas en un cultivo de 0,5 L de algas
verdes a 20 ºC.
La fuente de luz fue una bombilla de 20 led que consumía
5W.

8. Tras dos semanas calculamos la diferencia de biomasa entre el cultivo inicial y el final:
Pn = biomasa final – biomasa inicial = 0,29 – 0,04 = 0,25 g por cada 50 mL de cultivo

9. 2. El problema de la eficiencia coulómbica,
Llamamos eficiencia coulómbEicac a la relación entre el número de
coulombios realmente transferidos al ánodo desde el sustrato y el número
máximo posible de coulombios transferidos si todo el sustrato fuera capaz
de producir corriente.
La eficiencia coulómbica se ve afectada por diversos factores. Para el
mismo tipo de sustrato, la eficiencia coulómbica varía entre 40-55% en
dispositivos con membrana y un 9-12% en dispositivos sin membrana.

10. Para determinar el número de
coulombios experimentales (Cp)
empleamos cuatro baterías,
dispuestas en serie, a las que
añadimos una disolución de
glucosa (1 g/L) . Se monitoreó la
variación de intensidad durante 14
días.
La Cp se calculó integrando el área
que hay bajo la curva
corriente/tiempo desde t=0 hasta
t=14, momento en el que la
corriente vuelve al valor de inicio
del experimento. Con esta
integración se obtiene la carga total
(Cp) en coulombios, de 775 C.

11. Los coulombios totales teóricos producibles se obtienen estimando que las
bacterias consumen un determinado tipo de compuesto químico (en este caso,
glucosa). Para el cálculo de la cantidad teórica de coulombs que pueden ser
producidos por un determinado compuesto se emplea la ecuación:
Cti = (98485 x 24 x 1 x 0,5 ) / 180 = 6565,6 C
donde F: constante de Faraday (98485 C/mol de electrones), b: número de moles
de electrones producidos por mol de sustrato, S: concentración de sustrato (g/l),
v: volumen de líquido, y M: peso molecular del sustrato.
Por lo que la eficiencia coulómbica de las MFC es:
Ec = (775 / 6565,6) x 100 = 11,8 %
Que es la cantidad de materia orgánica que se recupera como electricidad

12. 3. El problema de un sistema amplificador
de corriente
Las pilas que generan electricidad gracias a la actividad de microbios
reciben el nombre de MFC. Las MFC que construimos eran capaces de
producir 2 V, voltaje insuficiente para encender un led de luz blanca,
que requiere 3 V y 20 mA.
Para solucionar este problema decidimos construir un amplificador de
corriente, que consta de cuatro MFC conectadas en serie y cuatro
condensadores de 35 V y 10 μF (C1 ,C2 ,C3 y C4) que se cargan en
paralelo (figura de la izquierda) y descargan simultáneamente en serie
(figura de la derecha). La carga y descarga es controlada por una placa
robótica conectada a un ordenador.

13. La descarga simultánea de los capacitadores en serie suma la carga que
ha sido suministrada por las pilas microbianas a cada uno de ellos en
paralelo, pudiendo alcanzar los 8 V de salida. Como el voltaje de salida es
superior al que precisa un led, ajustamos dicho voltaje con una resistencia
de 250 Ω.
Calculamos el tiempo de carga
necesario, que resultó ser de 2 horas, y
fuimos reduciendo los tiempos de carga de
los condensadores que permitían que el led
se encendiera. El valor más pequeño que
alcanzamos fue 1 segundo de led
encendido por cada 200 segundos de
tiempo de carga.

14. Conclusiones

15. Un microcosmo de luz trata de aunar tres tendencias que hay hoy día
en la Biotecnología: la fabricación de alimentos a partir de biorreactores,
la reducción de la carga orgánica de las aguas residuales y la obtención
de energía a partir de pilas no convencionales.
En un futuro, cuando se mejoren las eficiencias energéticas, tal vez
seamos capaces de producir microcosmos de luz capaces de transformar
su carga orgánica en alimento o energía según nuestra voluntad.