Este documento presenta un proyecto de investigación sobre el uso de celdas de combustible microbianas para remover la materia orgánica de efluentes de la industria cafetalera. El proyecto busca determinar el porcentaje de remoción de materia orgánica y la cantidad de energía producida mediante estas celdas. Revisa antecedentes sobre el tratamiento de aguas residuales y generación de energía a partir de estas. Establece los objetivos de caracterizar los efluentes de café, medir parámetros como temperatura y pH, y determinar la t

1. UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS AMBIENTALES
“REMOCION DE LA MATERIA ORGÁNICA DE EFLUENTES DE LA
INDUSTRIA CAFETALERA USANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANA”
PROFESOR : Ing. José Luis Paredes Salazar
CURSO : Tratamiento de Aguas Residuales Industriales
ALUMNOS : -- ESTRADA TERREL, Yulissa
 LIJARZA GALVEZ, Yeshua
 MEDINA DIONICIO, Elvis
 NATORRE CENIZARIO, Geny
 QUISPE SANCHEZ, Gustavo
 RAZURI MATOS, Luis Angel
 RUIZ BALCAZAR, Kevin Alejandro
 RODRIGUEZ EUGENIO, Jhely Valery
 SANTILLAN TELLO, Brayan
 YACHA SOLIS, Cristian
 ZELAYA MOYA, Anhel
CICLO : IX
Tingo María
2016

2. I. INTRODUCCION
En el marco de la Feria Internacional del Café (SCAA 2015), se
ratificó al Perú como el segundo productor y exportador mundial de café orgánico
detrás de México, lo que ha permitido conquistar casi 50 países en el globo que
adquieren nuestro producto, según expresó el ministro de Agricultura y Riego,
Juan Manuel Benites. Sin embargo, se ha demostrado en Costa Rica que el
beneficio o el procesamiento de un 1kg del café equivale a 5 o 6 personas
contaminando diariamente, es un impacto de ambiental demasiado fuerte. Los
procesos de beneficio húmedo de café producen volúmenes incontables de
aguas residuales conocidos como aguas mieles, las cuales se vierten
directamente a los cuerpos de agua cercanas a sus plantas, y en su gran mayoría
sin alguna intervención de tratamiento previo. Este altera el equilibrio natural de
los ambientes acuáticos, debido a la carga orgánica, que lleva consigo, y
diferentes características al agua natural por lo que consecuentemente llevaría
a la extinción de las especies acuáticas que habitan en ella.
Por otro lado, el tratamiento de las aguas residuales presenta varios
problemas como el consumo de considerables cantidades de energía eléctrica
para los procesos de aireación y recirculación, el gran espacio ocupado por los
reactores empleados, los costos derivados de la instalación de las dos
tecnologías necesarias y los costos del almacenamiento de los lodos.
Desde hace varios años se sabe de la presencia de
microorganismos en las aguas residuales que son capaces de degradar materia
orgánica y generar corriente eléctrica. Las celdas de combustible microbianas
(CCM), el nombre que se le ha dado al sistema que aprovecha las características
de los mencionados microorganismos, podría proporcionar una respuesta a
varios de los problemas mencionados anteriormente.
El propósito de este sistema no sería competir con las tecnologías
existentes para generación de electricidad a gran escala, sino tratar el agua
residual y obtener durante el proceso un producto de valor agregado. Es decir,
ver el tratamiento de aguas residuales como un proceso que valoriza la materia
orgánica presente.

3. Bajo condiciones adecuadas de desarrollo tecnológico, este tipo de
proceso podría no solamente ser empleado a gran escala para el tratamiento de
las aguas residuales de una gran ciudad o industria, sino también sería factible
para ser instalado en pequeñas comunidades habitacionales o incluso en
comunidades dispersas o aisladas del país.
Ante lo mencionado surge la siguiente interrogante ¿las celdas de
combustible microbiana serán capaces de reducir la carga orgánica presente en
los dos efluentes de la industria cafetalera?
Creemos que las celdas si logran reducir la carga orgánica y cumple
con los límites máximos permisibles, del mismo modo pensamos que es posible
que las celdas de combustible microbiana si logran reducir la carga orgánica pero
no cumple con los límites máximos permisibles
OBJETIVO GENERAL
- Determinar el porcentaje de remoción de materia orgánica de
efluentes de la industria cafetalera y la cantidad de energía producida
mediante las celdas de combustible microbiana.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Caracterizar las aguas mieles producidas en la industria del café.
- Determinar la variación de los parámetros temperatura, pH, sólidos
totales y conductividad.
- Determinar la tasa de remoción de materia orgánica por las celdas de
combustible microbiana.
- Determinar el potencial electroquímico.
- Diseñar un modelo neuronal para la estimación de la energía
producida y de la remoción de materia orgánica.

4. II. REVISIÓN DE LITERATURA
2.1. Antecedentes
Históricamente, el primer objetivo del tratamiento de aguas
residuales era reducir el contenido en materia en suspensión del agua y la
Demanda Biológica de Oxígeno, pero con el desarrollo industrial y el crecimiento
de las poblaciones, los caudales y las concentraciones de las aguas residuales
han ido aumentando considerablemente razón por la cual se hace indispensable
un tratamiento antes de su disposición final. Cabe mencionar que los métodos
empleados para el tratamiento de las aguas residuales han sufrido una constante
evolución, desarrollo tecnológico y científico en mira al cambio climático y a
factores sociales, económicos y políticos de las poblaciones.
Por otra parte, la creciente atención por el medio ambiente da el
punto de partida para la obtención de energías alternativas las cuales se están
convirtiendo en medidas para mitigar el cambio climático, así como una solución
a problemas de suministro de energía a poblaciones con un escaso suministro y
como ahorro económico.
Las celdas de combustible microbianas han generado gran interés a
nivel internacional no solo por tratarse de una fuente de energía alternativa sino
también por la ventaja de poder tratar aguas residuales simultáneamente al
proceso de generación de energía.
Dado al creciente interés de un sistema de tratamiento de aguas
residuales basado en la utilización de celdas de combustible microbiana para la
generación simultánea de energía eléctrica han proporcionado una gran
oportunidad para el desarrollo científico y tecnológico de este tema, entre los
proyectos existentes podemos destacar:
PISTONESI, Gustavo (2010) en la Universidad Tecnológica
Nacional, realizó un proyecto de investigación titulado: “Energía a partir de las
aguas residuales”. En éste estudia la conversión de la energía química en
eléctrica mediante la utilización de una célula de combustible microbiana
(Microbial Fuel Cell, MFC). En las MFC se utilizan microorganismos para oxidar
el combustible, materia orgánica, y transferir los electrones a un electrodo
(ánodo), que está conectado a un cátodo a través de un material conductor que

5. contiene una resistencia. La oxidación del elemento combustible consiste en la
pérdida de uno o más electrones (de valencia) que son los que capta el elemento
comburente al reducirse. De esta manera, se considera el proceso de
combustión de un elemento combustible frente a otro comburente, como la
cesión de electrones de uno a otro, y la liberación de energía.
El proyecto de grado que lleva por nombre “Descripción y modelado
de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico". Realizado
por MAYANDÍA, Antonio (2009). De la Universidad Carlos III de Madrid, España,
cuyo propósito fue el estudio del diseño y comportamiento de una pila de
combustible de Membrana de Intercambio de Protones, ya que este tipo de pila
ofrece una gran gama de características para sus aplicaciones portátiles y de
automoción, además que es capaz de generar electricidad a partir de hidrógeno
proveniente de diversas fuentes y de oxigeno atmosférico. El autor identifica las
ecuaciones termodinámicas y electroquímicas que regulan el comportamiento de
la pilas tipo PEM, y diseña un modelo en el software Matlab/Simulink, el cual es
solo valido para pilas operadas a bajas temperaturas por debajo de los 100°C.
RAMÍREZ, Héctor Enrique (2013) en la Universidad Nacional
Autónoma de México, desarrolló un proyecto de grado para optar al título de
Ingeniero Químico titulado: “Generación de electricidad de una celda de
combustible microbiana de tipo PEM”. En el mismo se determinó
experimentalmente el efecto de algunos tipos de inóculos sobre la generación de
electricidad de una celda microbiana intercambiadora de protones; los resultados
de este proyecto consistieron en el diseño de la celda con los materiales
adecuados para su correcto funcionamiento, así como la realización de las
pruebas con tres tipos de inóculos: liofilizado, lodos activados y una cepa pura y
por último la comparación de los resultados obtenidos para cada inóculo
utilizado.
Entre los artículos científicos relacionados con el tema podemos
destacar:
“Production of electricity during wastewater treatment using a single
chamber microbial fuel cell”, Autores: HONG Liu, RAMANATHAN
Ramnarayanan y BRUCE Logan (2004) de la Universidad Estatal de

6. Pennsylvania. Demostraron que es posible producir electricidad en una celda de
combustible microbiana, mediante el uso de las aguas residual doméstica,
logrando simultáneamente el tratamiento biológico de la misma, permitiendo la
reducción de la demanda química de oxígeno. El tipo de celda utilizada fue de
una sola cámara con ocho electrodos de grafito en el ánodo y un solo cátodo
aireado. El sistema fue operado en condiciones de flujo continuo con el efluente
de un sedimentado primario obtenido de una planta de tratamiento de aguas
residuales local. El prototipo genero un máximo de 26 mW m-2 de energía,
mientras se quitaba el 80% de la DQO del agua residual.
BUITRÓN, Germán y PÉREZ, Jaime (2011) en la Universidad
Nacional Autónoma de México, desarrollaron una investigación publicada como
artículo científico en la Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas
titulada “Producción de electricidad en celdas de combustible microbiana
utilizando agua residual: efecto de la distancia entre electrodos”, ellos evaluaron
la influencia de la separación de electrodos sobre la producción de electricidad y
la eliminación de materia orgánica en las celdas de combustible microbiana
usando agua residual, su metodología consistió en la construcción de tres celdas
de geometría similar pero con diferentes volúmenes, lograron una eliminación de
materia orgánica del 71% y concluyeron de que la distancia entre los electrodos
no causó efecto negativo en la generación de electricidad pero si en la potencia
volumétrica la cual disminuyo a mayor distancia entre los electrodos; el máximo
voltaje obtenido fue de 660mV en la celda de mayor volumen (120 mL), mientras
que para la celda de 40 y 80 mL fue de 540 mV y 532 mV, respectivamente.
“Generación de electricidad a partir de una celda de combustible
microbiana tipo PEM” Autores: ÁLZATE Liliana, FUENTES Carmen, ÁLVAREZ
Alberto y SEBASTIAN Joshep (2008) de la Universidad Autónoma del Estado de
México, emplearon una celda de combustible microbiana a escala laboratorio
para la generación de electricidad, la celda consistió en dos cámaras separas
por una membrana de intercambio protónico, utilizaron electrodos de papel
carbón y un católico acuoso. Emplearon agua residual sintética (ARS) como
sustrato y las bacterias utilizadas fueron obtenidas de un inóculo mixto anaerobio
de tipo entérico, emplearon resistencias para el circuito externo de 600 y 1000 Ω

7. obteniendo densidades de corriente de 640 y 336 mW m-2 , respectivamente. La
eficiencia de la celda fue determinada con base a la eficiencia coulombica y fue
de 59,8%, concluyeron que es posible la generación de electricidad y a la vez
tratar el agua residual, y sugirieron que un aumento del área de los electrodos
mejoraría la eficiencia de la celda.
En la Universidad Nacional de Colombia los estudiantes IBÁÑEZ
Rodrigo y HERNÁNDEZ Carlos (2010) desarrollaron un proyecto de grado para
optar al título de Ingenieros Eléctricos titulado: “Tratamiento de aguas residuales
y generación simultánea de energía eléctrica mediante celdas de combustible
microbianas” ellos construyeron de manera secuencial varios prototipos de
celdas de combustible microbianas empleando distintos materiales y
dimensiones, utilizaron agua residual sintética y diferentes fuentes de flora
bacteriana como lodos de rio y excremento de animales (gallinaza, porquinaza y
boñiga) , analizaron los comportamientos de voltaje, corriente y potencia en el
tiempo y los cambios de estas variables en función de las dimensiones de los
electrodos. La máxima corriente que obtuvieron fue de 1.8mA y una eficiencia de
remoción de materia organiza del 69.4%.
2.2. Marco legal
2.2.1. Legislación Nacional
- Ley N° 28611 Ley General del Ambiente aprobada el 13 de octubre
del 2005.
- Ley Nº 27446 - Ley del Sistema Nacional de Evaluación de Impacto
Ambiental, y su modificatoria mediante Decreto Legislativo Nº 1078.
- Política Nacional del Ambiente (Decreto Supremo Nº 012-2009-
MINAM).
- Ley N° 29338, Ley de Recursos Hídricos y su Reglamento
aprobado mediante Decreto Supremo N° 001-2010-AG.
- D.S. N° 023-2009-MINAM Aprueban Disposiciones para la
implementación de los ECA para Agua son referente obligatorio para el
otorgamiento de las Autorizaciones de Vertimientos.
- Ley N° 26842, Ley General de Salud, del 20/07/97 – a través de
DIGESA.

8. - Resolución Jefatural N° 010-2016-ANA, Aprueba Protocolo
Nacional de Monitoreo de la Calidad de los Cuerpos Naturales de Agua
Superficial.
- R.D. Nº 2254/2007/DIGESA/SA, Programa Nacional de Vigilancia
de la Calidad Sanitaria de los Recursos Hídricos.
- R.J.Nº 202-2010-ANA, de fecha 22 de marzo del 2010, que
resuelve aprobar la clasificación de las aguas superficiales y marino-costeros.
- Decreto Supremo Nº 001-2010-AG, que aprueba el Reglamento de
la Ley Nº 29338 – Ley de Recursos Hídricos.
- Decreto Supremo Nº 003-2010-MINAM: Aprueba Límites Máximos
Permisibles para los efluentes de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
Domésticas o Municipales.
- Decreto Supremo N° 07-2010-AG, declara de interés nacional la
protección de la calidad del agua en las fuentes naturales y sus bienes
asociados.
- Resolución Jefatural Nº 274-2010-ANA, Programa de Adecuación
de Vertimientos y Reúso de Agua Residual – PAVER.
- Decreto Supremo N° 021-2009-VIVIENDA, Aprueba Valores
Máximos Admisibles (VMA) de las descargas de las aguas residuales no
domésticas en el sistema de alcantarillado sanitario y aprobación de su
reglamento mediante el Decreto Supremo N° 003- 2011-VIVIENDA.
- NTP OS.090 Norma para el Diseño de Plantas de Tratamiento de
Aguas Residuales.
- Artículo 120°.- De la protección de la calidad de las aguas 120.1 El
Estado, a través de las entidades señaladas en la Ley, está a cargo de la
protección de la calidad del recurso hídrico del país. 120.2 El Estado promueve
el tratamiento de las aguas residuales con fines de su reutilización, considerando
como premisa la obtención de la calidad necesaria para su reuso, sin afectar la
salud humana, el ambiente o las actividades en las que se reutilizarán.
- Artículo 121°.- Del vertimiento de aguas residuales El Estado emite
en base a la capacidad de carga de los cuerpos receptores, una autorización
previa para el vertimiento de aguas residuales domésticas, industriales o de

9. cualquier otra actividad desarrollada por personas naturales o jurídicas, siempre
que dicho vertimiento no cause deterioro de la calidad de las aguas como cuerpo
receptor, ni se afecte su reutilización para otros fines, de acuerdo a lo establecido
en los ECA correspondientes y las normas legales vigentes.
- Artículo 122°.- Del tratamiento de residuos líquidos 122.1
Corresponde a las entidades responsables de los servicios de saneamiento la
responsabilidad por el tratamiento de los residuos líquidos domésticos y las
aguas pluviales. 122.2 El sector Vivienda, Construcción y Saneamiento es
responsable de la vigilancia y sanción por el incumplimiento de LMP en los
residuos líquidos domésticos, en coordinación con las autoridades sectoriales
que ejercen funciones relacionadas con la descarga de efluentes en el sistema
de alcantarillado público.
- Artículo 122°.- Del tratamiento de residuos líquidos 122.3 Las
empresas o entidades que desarrollan actividades extractivas, productivas, de
comercialización u otras que generen aguas residuales o servidas, son
responsables de su tratamiento, a fin de reducir sus niveles de contaminación
hasta niveles compatibles con los LMP, los ECA y otros estándares establecidos
en instrumentos de gestión ambiental, de conformidad con lo establecido en las
normas legales vigentes. El manejo de las aguas residuales o servidas de origen
industrial puede ser efectuado directamente por el generador, a través de
terceros debidamente autorizados a o a través de las entidades responsables de
los servicios de saneamiento, con sujeción al marco legal vigente sobre la Para
la implementación del “Decreto Supremo N° 015-2015- MINAM: Modifican los
Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para Agua y establecen
disposiciones complementarias para su aplicación”
2.2.2. Legislación internacional
Nuestro país adolece de límites máximos permisibles para reuso de
aguas residuales tratadas, para ello puede usar la legislación internacional de la
Guías OMS:
- Guías OMS para el uso seguro de aguas residuales, excretas y
aguas grises, Volúmenes 1-4, 3ra edición. 2006.

10. 2.3. Marco conceptual
- Ánodo. Es el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación
(CHANG, 2002).
- Anión. Un ion cargado negativamente; un átomo o un grupo de
átomos que han ganado uno o más electrones (MORTIMER, 1985).
- Agente oxidante. Especie química que en un proceso redox
acepta electrones y por lo tanto se reduce (MORTIMER, 1985).
- Agente reductor. Especiequímica que en un proceso redox pierde
electrones y por lo tanto se oxida (MORTIMER, 1985).
- Biocátodo. Es el cátodo que contiene bacterias, las cuales
cumplen un rol importante en las reacciones de reducción que se llevan a cabo
en el electrodo. Las bacterias pueden catalizar la reducción del aceptor final de
electrones o la oxidación de metales de transición presentes en el catolito
(RISMANI-YAZDI et al., 2008).
- Cátodo. Es el electrodo donde se efectúa la reducción
(MORTIMER, 1985).
- Catión. Un ión cargado positivamente; un átomo o un grupo de
átomos que han perdido uno o más electrones (CHANG, 2002).
- Celda de combustible. Es una celda electroquímica que requiere
un aporte continuo de reactivos para su funcionamiento (CHANG, 2002).
- Celda de combustible microbiana. Son dispositivos que emplean
bacterias como biotransformadores para oxidar materia orgánica o inorgánica y
generar corriente eléctrica (LOGAN et al., 2006).
- Combustible. Sustancia oxidable que, bajo unas determinadas
condiciones, produce la combustión. Por ejemplo, el carbón (COSTa, 2005).
- Corriente eléctrica. Flujo de cargas eléctricas. El sentido adoptado
para una corriente es aquél en que aparentan moverse las cargas positivas; es
decir, desde los puntos de potencial alto a los de potencial más bajo (COSTA,
2005).
- Densidad de corriente. Es la corriente eléctrica producida por
unidad de área del ánodo (LOGAN et al., 2006).

11. - Densidad de corriente volumétrica. Es la corriente eléctrica
producida por unidad de volumen de la CCM (LOGAN et al., 2006).
- Densidad de potencia. Es la potencia producida por unidad de
área del ánodo (LOGAN et al., 2006).
- Energía. Es la capacidad para efectuar un trabajo (CHANG, 2002).
- Energía de activación. Diferencia en energía entre la energía
potencial de los reactivos de una reacción y la energía potencial del complejo
activado (MORTIMER, 1985).
- Energía química. Es una forma de energía que se almacena en
las unidades estructurales de las sustancias (CHANG, 2002).
- Mecanismo de una reacción. Descripción detallada de la forma
como ocurre una reacción con base en el comportamiento de los átomos,
moléculas o iones; puede incluir más de una etapa (MORTIMER, 1985).
- Microorganismos asociados al electrodo. Son aquellos que
emplean al electrodo como material de soporte (WALL et al., 2008).
- Oxidación. Parte de una reacción de óxido-reducción
caracterizada por el aumento algebraico del número de oxidación o por pérdida
de electrones (MORTIMER, 1985).
- Reducción. La parte de una reacción de oxidación-reducción
caracterizada por la disminución algebraica del número de oxidación o por
ganancia electrónica (MORTIMER, 1985).
- Sobrepotencial. Desplazamiento del potencial de un electrodo de
su valor de equilibrio cuando fluye corriente a través del mismo, de la forma
donde es el potencial del electrodo y el potencial de equilibrio. El sobrepotencial
es una medida de la polarización del electrodo a consecuencia de los procesos
que tienen lugar en él durante el paso de corriente. Su valor depende de la
naturaleza del electrodo, incluido el estado de su superficie, de la densidad de
corriente y también de la concentración de la disolución, presión y temperatura
(COSTA, 2005).
- Voltaje de la celda. Es la diferencia de potencial eléctrico entre el
ánodo y el cátodo (CHANG, 2002).

12. 2.4. Marco teórico
2.4.1. Caracterización de aguas residuales
Antes de empezar con las actividades de caracterización, es preciso
conocer las razones que mueven a la industria a realizar el trabajo, lo mismo que
conocer su situación real, tanto desde el punto de vista interno como externo,
con el fin de determinar los límites del estudio y programar el trabajo
adecuadamente. La caracterización de aguas residuales está sujeto a los
objetivos que persigue la Empresa (exigencias de entidades reguladoras,
optimización del recurso, etc.) y está asociada a la información básica que de
ella se tenga.
Dicha información ayuda a determinar el sitio, duración y tipo de
muestreo que se debe realizar y da una idea de los parámetros a analizar en
caso de que la entidad reguladora o quien solicite la caracterización no lo
especifique. Esta información se ampliará de acuerdo con el objetivo que persiga
la industria con la caracterización.
En caso de existir varias descargas, se deberá tener un
conocimiento del tipo de proceso o procesos
En caso de existir varias descargas se deberá tener un conocimiento
del tipo de proceso o procesos que lo generan.
Ya identificado el tipo de descarga, y determinados los sitios de aforo
y muestreo, se realizarán las adecuaciones que sean necesarias para garantizar
confiabilidad en la toma de muestras, ya que de la representatividad de éstos
depende la veracidad de los resultados. Además, se define lo frecuencia de
muestreo y, de acuerdo con los parámetros que se vayan a determinar, la forma
de manejo y preservación de las muestras. Por último, después de realizado la
caracterización, se analizarán los resultados se hará su interpretación de
acuerdo con la información suministrada (Figura 1).

13. Figura 1. Etapas para el desarrollo de una caracterización de aguas residuales.
2.4.1.1. Parámetros fisicoquímicos y biológicos
En términos generales los parámetros básicos en la caracterización
de aguas residuales industriales son:
 DBO5
 DQO
 Solidos totales
 Solidos suspendidos
 Sólidos sedimentables
 Grasas y/o aceites
 pH en sitio
 Temperatura en sitio
 Tóxicos (cadmio, cromo, cobre, níquel, plomo y zinc)
2.4.2. Principio de los procesos biológicos en tratamientos secundarios de
aguas residuales

14. Un proceso biológico de tratamiento o depuración de aguas
residuales es un sistema en el cual se mantiene un cultivo de microorganismos
(biomasa) que se alimenta de las impurezas del agua residual (sustrato o
alimento). Estas impurezas son la materia orgánica biodegradable, el amonio, el
nitrato, el fosfato y otros contaminantes a menor concentración. El lugar donde
se ponen en contacto la biomasa con el agua residual para llevar a cabo el
tratamiento se denomina reactor biológico, o biorreactor, y puede ser de
diferentes tipos. Hay que remarcar que en la mayoría de los casos la biomasa
se genera espontáneamente en el reactor biológico, a partir de pequeñas
concentraciones de microorganismos presentes en el agua residual o en el aire,
y de las reacciones biológicas que en el diseño y operación de la planta se
procura favorecer (RICCIUTI, et al, 2009).
2.4.3. Reacciones biológicas
En la Figura N°6 se observa un esquema general de las actividades
de síntesis y respiración que se producen por las actividades biológicas. Como
se muestra en la figura, hay fuentes nutritivas necesarias como C, O2, H2, N2, P,
ya sea como orgánicas o inorgánicas que deben ser transportadas a la célula en
forma soluble. La energía debe suministrarse como energía contenida en
compuestos orgánicos o como energía radiante de la luz solar. Una fracción de
la energía es usada para la biosíntesis de biomasa y la restante es dispersada
como calor. Los microorganismos producen también productos de desecho que
dependen de las especies consideradas y las condiciones ambientales. Los
productos más deseables son gases como CO2, N2, O2 y CH4, que pueden ser
fácilmente separados de la fase líquida. Otros gases como H2S NH3 y aminas
son indeseables. Un requerimiento importante para la mayor parte de los
procesos biológicos usados en el tratamiento de efluentes es la producción de
microorganismos floculantes, que pueden ser fácilmente separados por medios
físicos como sedimentación por gravedad, centrifugación o filtración. Desde el
punto de vista de la polución el microorganismo debe considerarse como un
producto no deseable. La facilidad de separación y la destrucción por auto
oxidación son también aspectos de gran importancia (RICCIUTI, et al, 2009).

15. Figura N°6. Reacciones biológicas fundamentales.
Las reacciones biológicas pueden influenciar las reacciones
químicas en la fase líquida del medio ambiente. Por ejemplo, el consumo de C02
por las algas durante el día puede aumentar el pH y esto ocasiona la fijación del
SH2 como sulfuro.
La estequiometria de las reacciones involucradas en los distintos
tipos de tratamiento es altamente influenciada por las especies de
microorganismos presentes, los compuestos existentes y las condiciones
ambientales impuestas sobre el proceso. Las reacciones típicas son como sigue
(RICCIUTI, et al, 2009):
Figura N°7. Reacciones típicas.
Estas reacciones pueden ocurrir al mismo tiempo, por ejemplo, en
una laguna: fotosíntesis en la parte superior, aerobiósis en la parte media y
anaerobiosis en la inferior. Un inconveniente de las reacciones fotosintéticas es
que el C inorgánico (CO2) es convertido en C orgánico, que es un agente de
polución.

16. 2.4.4. Arquitectura y funcionamiento de una celda de combustible
microbiano
Una CCM típicamente está compuesta por dos cámaras (Figura
N°8), una anaeróbica y otra aeróbica en medio de las cuales hay un separador.
La cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que al oxidarse por acción
de los microorganismos, generan electrones, protones y CO2. En cada una de
las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la cámara anaeróbica y el
cátodo en la cámara aeróbica una vez los electrones se liberan en la cámara
anódica, éstos son captados por el ánodo y posteriormente transferidos hacia el
cátodo mediante un circuito externo. Simultáneamente, en la cámara anódica se
generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del separador
(Li et al., 2011), donde se combinan con el oxígeno del aire para reducirse a agua
con los electrones que captan directamente del cátodo, debido a que esta
reacción no está catalizada por microorganismos el cátodo se refiere como
abiótico (REVELO, et al., 2013).
Figura N°8. Celda de combustible microbiano.
La celda se fabrica en acrílico o en vidrio, para los electrodos se
pueden utilizar diferentes materiales como cobre, platino, grafito u otros (Du et
al., 2007, cit por REVELO, et al., 2013). El separador, que es un importante
componente del sistema porque es una membrana que impide el paso de

17. electrones de la cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones, puede
ser de varios tipos: membrana de intercambio de cationes (MIC), membrana de
intercambio de aniones, membrana bipolar, membrana de microfiltración,
membrana de ultrafiltración, puente salino, fibra de vidrio, membranas porosas y
otros materiales para filtrado El separador más ampliamente utilizado es la MIC
que también se conoce como membrana de intercambio de protones (MIP) y
entre ellas es muy común la Nafion, un producto de DuPont Inc., USA, que
muestra una alta permeabilidad a los protones Una variante de la CCM de doble
cámara se obtiene eliminando la cámara catódica y exponiendo el cátodo
directamente al aire, transformándose así en una CCM de una sola cámara; este
hecho hace que sea un sistema mucho más sencillo y de menor costo.
En los últimos años se han desarrollado CCMs de biocátodo o de
cátodo microbiano, en las que a diferencia de los cátodos abióticos los
microorganismos son usados como biocatalizadores para aceptar electrones a
partir del cátodo y así reemplazar el uso de catalizadores químicos costosos. Los
biocátodos son de dos tipos: (1) biocátodos aeróbicos que usan oxígeno como
el oxidante y microorganismos que asisten la oxidación de compuestos metálicos
de transición, tales como Mn (II) o Fe (II), para la entrega de electrones al
oxígeno; (2) biocátodos anaeróbicos que usan diferentes compuestos como
aceptores terminales de electrones, tales como: nitrato, sulfato, Mn (IV), Fe (III),
selenato, arsenato, fumarato, perclorato, cloroetenos, 2-clorofenol, ClO4-, U (VI),
Cr (VI), H+, CO2, entre otros (Sharma y Kundu, 2010; Huang et al., 2011). Estos
biocátodos son de gran interés por su bajo costo, capacidad auto-regenerativa y
sostenibilidad y además porque pueden contribuir a disminuir los altos
potenciales catódicos.
2.4.5. Transferencia de electrones desde el microorganismo al ánodo.
En un bioánodo existen bacterias electroquímicamente activas
(Chang et al., 2006) que transfieren los electrones directamente al ánodo a través
de proteínas de membrana como los citocromos tipo c, o de conductos proteicos
denominados pili que sirven como nanoconductores; estudios genéticos han
demostrado que la eficiente transferencia de electrones a través de una

18. biopelícula de Geobacter sulfurreducens requiere de su presencia. Otras
bacterias que no pueden hacerlo debido a la naturaleza no conductiva de su
membrana celular, requieren de mediadores de electrones exógenos o
endógenos. Estos mediadores se reducen durante la oxidación metabólica de
materiales orgánicos y su forma reducida es luego re-oxidada al transportar los
electrones hacia el ánodo, el cual se mantiene a un alto potencial eléctrico
(CHANG, 2002), este proceso cíclico permite una mayor velocidad de
transferencia de electrones incrementando la salida de energía.
Los buenos mediadores deberían poseer las siguientes
características: atravesar la membrana celular fácilmente, tomar los electrones
a partir de la cadena transportadora, poseer una alta velocidad de reacción con
el electrodo, tener una buena solubilidad en el anolito, no biodegradables ni
tóxicos para los microorganismos, de bajo costo y que tengan un potencial de
reducción lo más cercano posible al del componente biológico para mantener
una adecuada transferencia de electrones. Es común usar mediadores exógenos
sintéticos (tintes y metal orgánicos) tales como: rojo neutro, azul de metileno,
tionina, azul de meldola, 2-hidroxi-1,4-naftoquinona, Fe (III) EDTA y otros
compuestos hidrofílicos (Chang, 2002). Desafortunadamente, la inestabilidad de
los mediadores sintéticos, su costo y su alta concentración, que llegaría a ser
tóxica para el microorganismo, limita sus aplicaciones en las CCMs (Chang,
2002); por lo tanto, las CCMs sin mediadores son ventajosas en el tratamiento
de aguas residuales y la generación de energía porque se elimina principalmente
el costo del mediador.
Cuando se utiliza una mezcla de microorganismos es común la
presencia de mediadores endógenos, estos pueden ser metabolitos
secundarios, como en el caso de Shewanella putrefaciens y Pseudomonas
aeruginosa, o metabolitos primarios observados en Escherichia coli y
en Sulfurospirillum deleyianum; los mediadores redox producidos por una
bacteria pueden ser usados por otras para transferir los electrones al ánodo.

19. 2.4.5.1. Microorganismos con capacidad de respiración electrónica
Se ha intentado identificar y aislar las bacterias que tienen la capacidad
de transferir los electrones a un electrodo. Varios estudios indican que la
actividad metabólica más similar a la transferencia de electrones en una MFC es
la reducción desasimilatoria de metales (Bond et al., 2002; Chaudhuri y Lovley,
2003; Bretschger et al., 2007) En ausencia de oxígeno, las bacterias reductoras
desasimilatorias de metal (DMRB por sus siglas en inglés) transfieren sus
electrones a un metal como el hierro o el manganeso, que actúa como receptor
terminal de electrones (Lovley, 1993). En una MFC, el hierro o el manganeso es
sustituido por el ánodo, al cual las bacterias entregan electrones generados
debido a la oxidación de compuestos orgánicos. Sin embargo, no todas las
DMRBs son capaces de transferir electrones hacia el ánodo de un MFC (Miller y
Oremland, 2008). Entre los tipos de reducción de metales posibles, la reducción
de hierro es el proceso más cercano a lo que ocurre en una MFC, por lo tanto la
investigación ha tratado de enriquecer los cultivos con actividad reductora
desasimilatoria de hierro (Chaudhuri y Lovley, 2003; Holmes et al., 2004; Lovley,
2008 citado por SAAVEDRA, I. 2012).
Entre las especies de microorganismos por primera vez reportados con
actividad reductiva del electrodo se encuentran Clostridium, Geobacter,
Aeromonas, Rhodoferax, Desulfobulbus y Shewanella, todos son capaces de
reducción desasimilatoria de metales (especialmente del hierro) (Bretschger et
al., 2007). Los electrones pueden ser transferidos al ánodo en cualquiera de las
siguientes maneras: (i) transferencia directa por medio de estructuras
bacterianas llamada nanocables, (ii) transferencia indirecta, utilizando
lanzaderas intermedias de electrones, la conducción a través de la matriz de
exopolisacáridos (EPS) del biofilm, o una combinación de estos mecanismos
(Logan y Regan, 2006a; Lovley, 2008; Rittmann, 2008). Un importante trabajo de
investigación sobre Shewanella putrefaciens indicó que citocromos específicos
en la membrana celular vuelven a la bacteria electroquímicamente activa cuando
se cultiva en condiciones anaerobias (Kim et al., 2002). Estudios recientes han
encontrado un predominio de Gamma proteobacteria, Beta proteobacteria,
Rhizobial, y Clostridia en la superficie del ánodo de MFC con sustrato orgánico

20. (Lovley, 2008). MFC de cultivos mixtos generan mayores densidades de
potencia que cultivos puros, tal vez debido a las interacciones sinérgicas dentro
de las comunidades en torno al ánodo, ligado a la participación de cepas
actualmente desconocidas y sus respectivos mecanismos de transferencia de
electrones (Jung y Regan, 2007 citado por SAAVEDRA, I. 2012).
2.4.5.2. Microorganismos en la cámara anódica
Presentan una detallada revisión sobre la generación de electricidad
bacteriana en la cámara anódica y señalan que los principales factores que
influyen en la generación de energía son las vías metabólicas que gobiernan el
flujo de electrones y protones, la influencia del sustrato y el potencial del ánodo.
A altos potenciales anódicos, las bacterias pueden usar la cadena respiratoria
en un metabolismo oxidativo y transferir electrones al ánodo, sin embargo, si el
potencial del ánodo disminuye los electrones probablemente se depositan sobre
aceptores de electrones alternativos (sulfato, nitrato, entre otros) y en su
ausencia, ocurrirá la fermentación.
Recientemente se ha demostrado en cultivos mixtos que los
microorganismos fermentativos pueden tener poca o nula capacidad para
transferir electrones al ánodo, sin embargo, su metabolismo contribuye a la
generación de energía en la CCM (Richter et al., 2008) ya que aportan
subproductos que pueden ser utilizados como sustratos por otras poblaciones
microbianas, permitiendo el establecimiento de interacciones sintróficas. Kiely et
al. (2011) discuten diversas publicaciones que caracterizan la comunidad
microbiana de los sistemas bioelectroquímicos, al destacar procesos sintróficos
específicos que capacitan a una biopelícula para la generación de corriente
eléctrica a partir de un sustrato; la sintrofía consiste en que ciertos
microorganismos hidrolizan y fermentan compuestos orgánicos complejos y
otros utilizan los subproductos para la generación de corriente, estableciéndose
una estructura jerárquica con microorganismos dominantes dependiendo del
sustrato empleado.
Con base en lo anteriormente expuesto la formación de una
biopelícula sobre elelectrodo mejora la producción de energía, sin embargo, la

21. microbiología de una biopelícula en la CCM y las implicaciones de la ecología
microbiana sobre el funcionamiento del sistema han sido poco estudiados
(Lovley, 2008; Bretschger et al., 2010), por lo tanto, conocer los procesos de
colonización, invasión y sucesión de las poblaciones microbianas que producen
electricidad permitirá explorar nuevos métodos para la producción de energía
sustentable y renovable (Logan y Regan, 2006).
2.4.6. Cinética de la remoción de materia orgánica.
A partir de las consideraciones termodinámicas y biológicas, varios
investigadores han formulado uno modelos matemáticos para representa la
degradación de la materia orgánica por parte de los microorganismos. Todos
estos modelos reflejan matemáticamente fenómenos bioquímicos.
Adicionalmente se ha encontrado que los microorganismos efectivamente
utilizan en primer término aquellos compuestos orgánicos de estructura simple,
degradándolos según una reacción caracterizada por una constante de orden
cero (remoción lineal), hasta que la concentración de substrato es muy baja. Por
otra parte, los estudios de Goudy indican claramente que hay remoción o
utilización en secuencia de complejidad de los compuestos orgánicos y el
resultado combinado de este fenómeno es una tasa global de remoción de
primero o segundo orden. En la Figura 4 se presenta la remoción de orden cero
para algunos compuestos puros (VALENCIA, G., sd).

22. Figura 9. Remoción de compuestos específicos en sistemas aeróbicos.
2.4.7. Remoción en Celdas de Combustible Microbiano.
Las celdas de combustible microbiano (CCM) son dispositivos que
se encargan de convertir energía bioquímica a energía eléctrica mediante
microorganismos. Las bacterias obtienen la energía transfiriendo electrones
desde un donador de electrones, como el acetato o el agua residual (materia
orgánica), hacia un aceptor de electrones, como el oxígeno. Cuanto mayor sea
la diferencia de potencial entre el donador y el aceptor, mayor será la ganancia
energética para la bacteria y, generalmente, mayor será su tasa de reproducción
y, por lo tanto, de eliminación de la materia orgánica. En una CCM, las bacterias
no transfieren directamente los electrones a un aceptor final de electrones
característico, sino que lo hacen a un electrodo, es decir hacia un ánodo.
Posteriormente, los electrones pasan a través de una resistencia, u otra carga,
hacia un cátodo, por lo que los electrones generados en la reacción son
“cosechados” y convertidos directamente en energía eléctrica. El carbono
orgánico es transformado a CO2 (BUITRON, et al., 2011).

23. La Figura 10 muestra la cinética de la degradación del sustrato,
medido como carbono orgánico total (COT), para las tres CCM. El promedio de
la degradación del carbono de las celdas fue del 71%. En todos los casos la
remoción del sustrato fue acompañada de generación de voltaje. Es interesante
observar cómo el máximo de voltaje se obtiene justo después de una rápida
disminución de materia orgánica. Pasada esta etapa, la velocidad de remoción
de materia orgánica disminuye, al igual que la generación de electricidad
(BUITRON, et al., 2011).
Figura 10. Cinética de remoción de COT y generación de voltaje para tres tipos
de celdas microbianas.
2.4.7.1. Eficiencia de la remoción de materia orgánica usando celdas de
combustible microbiana.
Las celdas de combustible microbiana, MFC se han propuesto como
un método para tratar las aguas residuales, y por lo tanto es importante evaluar
el desempeño global en términos de demanda bioquímica de oxígeno (DBO),
demanda química de oxígeno (DQO), o la remoción de carbono orgánico total
(COT).
Para evaluar el rendimiento de la celda es común centrarse en la
eliminación de la demanda química de oxigeno (DQO), tal parámetro como se

24. ha mencionado anteriormente es fundamental en la eficiencia del tratamiento de
aguas residuales, y además la remoción del DQO es necesaria para los cálculos
de la eficiencia Coulombica y la energía.
La eficiencia de remoción del DQO, denotada como (ECb) puede ser calculada
como el cociente entre el DQO eliminado y el afluente [o el cociente entre el DBO
eliminado y el afluente eliminado, como el caso de la presente investigación].
Este parámetro mide cuanto del combustible disponible se ha convertido en la
MFC, ya sea en corriente eléctrica (a través de la eficiencia Coulumbica) o
biomasa (a través de la producción de crecimiento) o a través de reacciones
competitivas con receptores de electrones alternativos (por ejemplo, oxigeno,
nitrato y sulfato) (CASTRO, 2014).
2.4.8. Potencial de una celda de combustible
Potencial de una celda de combustible. Como anteriormente se ha
mencionado el mayor logro de una celda de Combustible es el hecho de extraer
la energía contenida en un combustible, y transformarla directamente en
electricidad. Para un proceso a presión constante, esta cantidad de energía va a
depender de la entalpia de reacción del combustible utilizado.
Si dicha entalpia se expresa en función de la Energía Interna antes
mencionada, se obtiene la siguiente ecuación:
d H = T dS = dU + dW
De acuerdo con la ecuación, se puede deducir que el calor
desarrollado en una reacción se debe a cambios en la energía interna del
sistema, la cual se produce por cambios y reconfiguraciones de los distintos
enlaces químicos que lo componen. El calor o entalpia de una reacción química
es la diferencia entre los calores de formación de los productos y los reactantes.
2.4.8.1. Potencial Electroquímico
El estudio realizado por Alzate-Gaviria, L., et al. sobre la evaluación
del desempeño e identificación de exoelectrógenos en dos tipos de celdas de
combustible microbianas con diferente configuración en el ánodo, especifican

25. que la arquitectura de las celdas tiene una gran relevancia en la generación de
corriente eléctrica, las dimensión y caracterización del ánodo y también las
variables que intervienen en la potencia eléctrica como el pH y Temperatura.
La relación de generación de corriente y degradación del sustrato no
siempre está directamente proporcional, para eso se debe tener en cuentas
todos los parámetros que intervienen en el proceso. Otros estudios sobre la
potencia eléctrica de las celdas de combustible microbianas usan mediadores
para generar mayor contacto entre los electrones generados por la degradación
de la materia orgánica y el ánodo, en otros estudios se menciona la importancia
de la formación de biopeliculas para que el contacto sea más directo sin
necesidad de usar mediadores.
2.4.8.2. Generación de potencia
La generación de potencia se expresa mayormente en W/m3.
Para determinar la potencia total de CCM se expresa mediante la
fórmula:
Que se obtiene de potencial para el cátodo:
Y se obtiene de potencial para el ánodo:
El electrodo debe presentar mayor área superficial de contacto,
permitiendo así a los microorganismos mayor posibilidad de poblarlo y por tanto
aumentar la producción de electrones. Al aumentar la generación de energía
aumenta también la disponibilidad del sustrato, reflejándose en valores de
remoción de materia orgánica más elevados. La densidad de potencia más alta

26. que reporta las literaturas es de 3600mW/m2, utilizando glucosa como sustrato y
hexacianoferrato de potasio para optimizar el rendimiento del cátodo (Rabaey et
al., 2005). De igual forma, el ferrocianuro es muy popular como aceptor de
electrones en experimentos en CCM y puede producir voltajes mayores
utilizando solo el O2. La gran ventaja del ferrocianuro es el bajo sobrepotencial
utilizando cátodos de carbón plano; sin embargo, la generación de potencia con
ferrocianuro no es sustentable debido a la insuficiente reoxidacion por O2, lo cual
requiere que el catolito sea reemplazado regularmente, contribuyendo a la
generación de pasivos tóxicos recalcitrantes al medio ambiente. Además, a largo
plazo el sistema puede ser afectado por la difusión de ferrocianuro a la cámara
del ánodo (LOGAN y REGAN, 2006).
2.4.9. Correlación de la tasa de remoción y la generación energética
La ECb es otro parámetro que se utiliza para el análisis del
desempeño eléctrico de una CCM y cuantifica la producción de corriente eléctrica
durante todo el ciclo, a diferencia de la Densidad de Potencia cuya medición
refleja la generación de voltaje en un solo punto del ciclo, el cálculo de la ECb se
basa en determinar la carga eléctrica que circula por la resistencia externa con
relación a la carga generada en la cámara anódica, la que se establece a partir
de la remoción de materia orgánica al final del ciclo (REVELO, et al., 2015).
La Eficiencia Columbica ECb, es definida como la relación entre el
total de Culombios que son transferidos al ánodo desde el sustrato, al máximo
Culombios posibles si todo el sustrato consumido produce corriente eléctrica.
Para el flujo continuo a tevés del sistema, se calcula la eficiencia culombica en
base a la corriente generada en condiciones estables como:
Donde, M es el peso molecular de oxígeno, F es la constante de
Faraday, b es número de electrones producidos por mol de oxígeno, ∆DQO es
el cambio en la DQO con tiempo (influente y efluente), y q es la tasa de flujo
volumétrico (CASTRO, 2014).
2.4.10. Influencia de parámetros

27. 2.4.10.1. Influencia del pH
Otro parámetro importante en el desempeño de las celdas de
combustible microbianas es el pH de los ánodos. Durante el presente estudio
que se está analizando se mantuvo en los anolitos un pH de 6,0. Las Figuras 11
y 12 muestran la relación entre la producción de potencia volumétrica de ambos
dispositivos y el pH. Como puede apreciarse, las más altas densidades de
potencia ocurrieron en valores de pH entre 6,3 y 6,9 obteniéndose resultados
que oscilaron desde 4,2 a 11,5W/m3 para la CCM1 y entre 25 y 53W/m3 para la
CCM2. La densidad de potencia mantuvo una tendencia a la estabilidad en
relación al pH. Caberesaltar que la mayoría de las bacterias (bacterias entéricas)
empleadas en estos sistemas no tolera niveles de pH arriba de 7,5 o debajo de
4,0. Además, valores de pH por debajo de 6,8 inhiben la actividad metanogénica
(Metcalf & Eddy 1995; Angenent et al., 2004, cit por CASTRO, 2014).
Figura N° 11. Desempeño de CCM1 en pH y W/m3.
Fuente: Imagen compartido del estudio de Alzate-Gaviria, L., et al.
Figura N° 12. Desempeño de CCM2 en pH y W/m3.
Fuente: Imagen compartido del estudio de Alzate-Gaviria, L., et al.

28. 2.4.10.2. Temperatura en el rendimiento de la CCM
Las cinéticas microbianas son más rápidas a mayor temperatura; sin
embargo, el porcentaje de remoción de solidos volátiles no. Es por ello que una
ventaja importante es que pueden producir electricidad a partir de cualquier
materia orgánica, operando a temperaturas moderadas, entre 15-40 °C (Liu et
al., 2005; Aelterman et al., 2006; Oh y Logan, 2007).
2.4.11. Redes neuronales artificiales.
Las Redes Neuronales son un campo muy importante dentro de la
Inteligencia Artificial. Inspirándose en el comportamiento conocido del cerebro
humano (principalmente el referido a las neuronas y sus conexiones), trata de
crear modelos artificiales que solucionen problemas difíciles de resolver
mediante técnicas algorítmicas convencionales.

29. III. MATERIALES Y METODOS
3.1. Lugar de ejecución. La ejecución del proyecto se realizará en el
Laboratorio de Tratamiento de Aguas Residuales de la Universidad Nacional
Agraria de la Selva.
3.1.1. Ubicación Geográfica:
Latitud Sur : 9° 18’ 33.92”
Longitud Oeste : 75° 59’ 56.94”
Altitud : 664 m.s.n.m
3.2. Materiales y Equipos.
3.2.1. Materiales:
- Agar Agar
- Ceftriaxona
- Papel filtro
- Tubos en U
- Foquitos LED
- Algodón
- Vaso precipitado de 250 mL
- Agua destilada
- Alambre de cobre
- Placa de zinc
- Silicona
- Botellas de plastico de 2.5 L
- Moldimix
- Cuter
- Microorganismos eficientes
- Matraz de 250 mL
- Agar rogoza
3.2.2. Equipos
- Equipo multiparámetro
- Multitester
3.2.3. Reactivos químicos
- KCl

30. - ZnSO4
- CuSO4
- NaCl
3.3. Metodología
3.3.1. Diseño de la celda de combustible microbiano:
El diseño del equipo a utilizar consta de 2 cámaras: una anaeróbica
y otra aeróbica, entre las cuales hay un separador. La cámara anaeróbica
contiene el agua residual que, al oxidarse por acción de los microorganismos,
generan electrones, protones y CO2; para evitar la acumulación de gases, la
cámara anaerobia tendrá una salida de gases conectada a la zona de recogida
de gases, que consta de un recipiente lleno de agua para evitar el ingreso de
oxígeno a la cámara anaeróbica.
En cada una de las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la
cámara anaeróbica (Placa de zinc) y el cátodo (cobre) en la cámara aeróbica,
una vez los electrones se liberan en la cámara anódica, éstos son captados por
el ánodo y posteriormente transferidos hacia el cátodo mediante un circuito
externo (cableado de cobre). Simultáneamente, en la cámara anódica se
generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del separador o
puente salino (cloruro de sodio), donde se combinan con el oxígeno generado
con la aireación de una bomba pequeña, para reducirse a agua con los
electrones que captan directamente del cátodo; ver plano en anexos.
3.3.2. Variables:
Independientes:
 Aguas residuales de la empresa naranjillo 1 (afilador)
 Aguas residuales de la empresa naranjillo 2 (naranjillo)
Dependientes:
 DBO, OD, pH, Temperatura, Sólidos totales, sólidos suspendidos
volátiles, conductividad.
3.3.3. Fase experimental:
3.3.3.1. Elaboración de un puente salino para la celda de
combustible microbiano:

31. Primero se procederá a elaborar el puente salino, realizando una
disolución saturada de cloruro de sodio, para lo cual se utilizarán 40 gramos de
cloruro de sodio en 100 ml de agua, una vez obtenida la solución saturada es
necesario que esta se encuentre en un estado gélido para evitar su mezcla con
los demás líquidos con los que entrará al unir las cámaras anaeróbica y aeróbica,
para lo cual se mezclara con agar, siendo 5 gramos de agar por cada 60 ml de
disolución saturada de cloruro de sodio, además añadieron 0.1050 mg de
antibiótico ceftriaxona, para evitar la proliferación de microorganismos en el
puente salino.
Para probar que exista conductividad de iones en el puente salino,
se elaboraran celdas galvánicas utilizando dos vasos de precipitados, los que
contendrán sulfato de zinc, donde se sumergirá el ánodo (zinc) y sulfato de
cobre, donde se sumergirá el cátodo (cobre), además de las conexiones de cobre
que unirán los electrodos a un multitester para determinar si existe producción
de energía; siendo el caso de que no exista producción de energías, se deberá
a que la concentración de cloruro de sodio se encuentra excedida por la del agar
utilizado, por lo que no se permite la correcta conducción de iones a través del
puente salino.
3.3.3.2. Elaboración de la celda de combustible microbiano:
Siendo 5 litros la cantidad de agua a tratarse, se utilizarán los 2
envases de este volumen como cámaras, se les acoplaran en las tapas la
entrada del cableado al cual se unirán los electrodos (Zinc para la cámara
anaeróbica y cobre para la aeróbica), el ánodo consistirá en una multicapa
compuesta por 5 capaz de placas de zinc y 4 capas de carbón interpuestas,
cubiertas por un saco de tela para evitar su disgregación; en la cámara
anaeróbica se colocará una manguera que la conecte con el colector de gases,
que constara de un recipiente con agua dentro del cual se unirá la manguera,
considerando que la salida de esta se encuentre sumergida, para evitar el
ingreso de oxígeno a la cámara anaeróbica.
En el segundo envase (cámara aeróbica se unirá en la una
manguera pequeña que irá conectada a la bomba de aireación (bomba de

32. pecera); el cableado de cobre se conectará a un multitester para tomar los datos
de voltaje producido.
3.3.3.3. Activación de los microorganismos eficaces a utilizar.
Se utilizaran microorganismos eficaces EM AGUA®, es un cultivo
mixto de microorganismos benéficos de origen natural usado para el tratamiento
de aguas contaminadas y para restaurar el equilibrio natural de los sistemas
acuáticos, trayendo consigo efectos benéficos y sostenibles.
Para la activación de los microorganismos EM AGUA®, se mezclará
al producto con agua destilada en proporción 1:18 (EM AGUA® : agua destilada)
y melaza (EM AGUA® : melaza) y se dejaran activar en un medio anaerobio sin
presencia de luz durante 5 -7 días; cada litro de microorganismos activados
servirá para 20 litros de agua residual a tratar.
3.3.3.4. Caracterizar las aguas mieles producidas en la industria del
café.
Se tomarán muestras de 10 litros de agua de cada efluente
determinado, de las cuales 5 litros serán utilizados para el tratamiento con las
celdas y los otros 5 litros se utilizarán para realizar los análisis de los parámetros
de entrada, los parámetros como conductividad, temperatura y pH se medirán
en el sitio de descarga, además de realizar mediciones adicionales antes de
realizar las pruebas, se medirán los parámetros de:
- DBO5
- OD.
- Solidos totales
- Solidos suspendidos
- Temperatura.
- pH.
- Conductividad.

33. Para las mediciones de OD, temperatura, conductividad y pH se
utilizará un equipo multiparámetro.
Para determinar los sólidos totales, sólidos suspendidos volátiles y
DBO, se realizarán las mediciones en laboratorio:
Para sólidos totales se procederá a pesar un crisol, luego se tomarán
muestras de 50 ml que se colocarán en el crisol pesado, para luego ser
sometidos a baño maría hasta evaporarse, luego serán llevadas a una estufa
(103-105°C) durante 1 hora, para ser llevados a un desecador durante 1 hora,
para luego ser pesados, la diferencia de peso en gramos dividido entre el
volumen utilizado (50 ml) será el valor de los sólidos totales
Para los sólidos suspendidos volátiles se procederá a tomar la
muestra de 50 ml, colocarla en un crisol (pesado anteriormente) y filtrarla, una
vez utilizado el papel filtro, se procederá a colocarlo ya filtrado en la estufa hasta
incinerarlo y luego se pesará los restos; el resto de la muestra filtrada se
evaporará por medio de baño maría para luego serán llevadas a una estufa (103-
105°C) durante 1 hora, luego será llevada a un desecador durante 1 hora, para
luego ser pesados, la diferencia de peso en gramos dividido entre el volumen
utilizado (50 ml) será el valor de los sólidos disueltos, y el peso del papel será el
valor de los sólidos suspendidos; la diferencia entre el valor de los sólidos totales
y de estos datos obtenidos será el valor de los sólidos suspendidos volátiles.
Para las pruebas de DBO se medirá realizará una disolución
utilizando agua embotellada, se medirá el OD inicial y el del agua de disolución,
luego se incubarán las muestras por 5 días y se medirá el OD final, para así
calcular la DBO.
3.3.3.5. Tratamiento de agua residual y medición de variables.
Habiendo caracterizado el agua a tratar y teniendo listos los
microorganismos a utilizar se procederá a el tratamiento del agua residual en la
celda de combustible microbiano, el tratamiento durará 3 días, y se medirá el
voltaje producido a lo largo del tratamiento, para así determinar las fases de
mayor productividad energética y relacionarlas con el proceso de adaptación,

34. picos de mayor actividad de los microorganismos, al final del tratamiento se
medirán las variables de salida:
- DBO5
- OD.
- Solidos totales.
- Solidos suspendidos volátiles.
- pH.
- Temperatura.
- Conductividad.
3.3.4. Análisis de datos:
Para analizar los resultados obtenidos se utilizarán los siguientes métodos para
cumplir con los objetivos propuestos:
3.3.4.1. Para determinar la tasa de remoción de materia orgánica
y sólidos totales.
La remoción se entiende como la capacidad del sistema para
eliminar parte de la concentración de contaminantes que se encuentra en el agua
residual. En este estudio, para el cálculo del porcentaje de la remoción hidráulica,
se usará la siguiente ecuación:
Remoción (%) = (Ci–Cf) x 100/Ci
Donde:
Ci= Concentración inicial
Cf= Concentración final
3.3.4.2. Para determinar el Potencial de la Celda de Combustible
Microbiano
El desempeño de la CCM se medirá en función de la densidad de
potencia (PAn), la potencia volumétrica (Pv), remoción de DBO (ncoul). La potencia
será calculada (Pccm) mediante la siguiente ecuación:

35. Densidad de Potencia se refiere a la potencia por unidad de
superficie en una determinada dirección (W/m2).
Donde:
 E es el Volteos generados en la celda
 I es la Intensidad de corriente
 R resistencia interna de la solución (se medirá con el
multitexter)
Una forma de obtener el índice que permita comparar la corriente y
la potencia generada por la CCM se normalizara estas magnitudes respecto al
área efectiva del anodo o al volumen de la celda, resultando en densidades de
potencia PAn y densidad de corriente IAn y de volumen Pv.
La normalización de la densidad de potencia con respecto al área
del ánodo se refiere al área útil del ánodo que tendrá contacto directo con la
biopelicula del cual recibirá los electrones directamente sin que se pierda en la
solución.
Siendo AAn el área superficial del ando en m2.
Finalmente te tendrá la ecuación normalizada con respecto al
volumen V de la celda y así realizar las respectivas mediciones y posteriores
análisis:

36. La normalización de la densidad de potencia con respecto al
volumen de la CCM se refiere a la actividad de los microorganismos eficaces por
medio de la oxidación de la materia orgánica presente en la cámara anódica.
Así mismo, la corriente en función del volumen de la CCM:
La ndbo será cuantificada para la remoción de materia orgánica del
sistema realizada por los microorganismos eficaces:
ndbo=
𝐷𝐵𝑂𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙−𝐷𝐵𝑂 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
𝐷𝐵𝑂𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑥100 =
𝐷𝐵𝑂𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒−𝐷𝐵𝑂 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
𝐷𝐵𝑂𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑥100
Con respecto a la eficiencia coulombimetrica, se referirá a la
eficiencia de transferencia de electrones disponibles en el sustrato hacia el
ánodo realizada por los microorganismos eficaces y puede ser calculada
mediante la ecuación:
Donde CRS es la carga eléctrica real debido al sustrato que se
convierte en energía eléctrica:
CTS es la carga eléctrica teórica debido al sustrato:

37. CTS =
𝑓.𝐵𝑑𝑏𝑜.( 𝐷𝐵𝑂𝑖−𝐷𝐵𝑂𝑓).𝑉
𝑀𝑑𝑏𝑜
Además:
 F: es la constante de Faraday 96 485.33 Coulombs/mol e-
 Bdbo: mol de e- por la DBO (4 moles de e- cuando la base
de expresión del DBO es oxigeno molecular 02)
 DBOi: DBO inicial (g/ml)
 DBOf: DBO final (g/ml)
 V: volumen de la CCM (L)
 Mdbo: peso molecular del DBO (32 g O2/mol DBO)
Estas variables de respuesta ayudaran a determinar el desempeño
real de una CCM, y a menudo, directa o indirectamente, contribuyen a identificar
cual o cuales perdidas irreversibles son las importantes en la CCM, y así
implementar las modificaciones y mejoras requeridas.
3.3.4.3. Diseño y entrenamiento de un modelo neuronal:
3.3.4.3.1. Análisis de correlación de los parámetros que influyen
en la reducción de la materia orgánica en una celda de
combustible microbiano:
En esta etapa se utilizará el software R y su librería Openair, el cual
tiene una función llamada CorPlot de la que obtendremos una matriz de
correlación de Pearson de los parámetros que influyen en la reducción de
materia orgánica (Temperatura, pH, Sólidos suspendidos volátiles) y la materia
orgánica reducida, asimismo se obtendrá una gráfica que nos permitirá
seleccionar los parámetros influyen en la reducción de esta.
Este procedimiento también será aplicado para la estimar energía
producida por el sistema, pero en este caso se utilizará los siguientes
parámetros: Temperatura, pH, Volumen, conductividad y el área del zinc.

38. 3.3.4.3.2. Diseño de la red neuronal artificial:
Se utilizará la red Perceptron Multicapa del tipo Backpropagation o
de retropropagación ya que diversos estudios han demostrado que se puede
aproximar cualquier función si se escoge una adecuada configuración y cantidad
apropiada de neuronas en la capa oculta (SORIA, 2012). Asimismo, se utilizará
el software Matlab R2014a que cuenta con un toolbox de redes neuronales que
facilitará el diseño de nuestra red.
En el diseño de nuestra red se tendrán las siguientes
consideraciones:
- Cantidad de neuronas:
En esta etapa se aran varias pruebas, hasta llegar al doble de la
cantidad de patrones de entrada como lo recomienda HECHT-NIELSON (1897)
- Normalización de la Base de datos:
Antes de entrenar la Red Neuronal Artificial se realizará la
normalización de los valores para que se encuentren en el intervalo de 0 y 1 pues
las funciones de activación que se utilizaran se encuentran acotadas en ese
rango.
- Funciones de activación:
Para aprovechar la capacidad de las Redes Neuronales Artificiales,
se utilizarán la función Sigmoidal Logística en la capa oculta y una función Lineal
en la capa de salida.
- Elección del valor inicial de los pesos:
SORIA,2009 recomienda que en esta etapa asignar valores
aleatorios, en un rango de -0.5 y 0.5.
- Validación de la Red Neuronal Artificial:
Para verificar la capacidad de generalización de la Red Neuronal
Artificial, una vez obtenido el modelo se utilizarán valores que no hayan sido
utilizados en la etapa de entrenamiento, estos serán suministrados a la red y se
observara los errores de estimación.

39. 3.3.5. Evaluación de la calidad del agua tratada:
Se utilizarán los límites máximos permisibles cuyo cumplimiento es
exigible por el MINAM y los organismos que conforman el Sistema de Gestión
Ambiental para determinar si el tratamiento realizado al agua ha removido
exitosamente la cantidad de materia orgánica, sólidos totales y si los parámetros
de T°, pH cumplen con estos estándares. (Cuadro N°1)
Cuadro N°1: Límites máximos permisibles para vertimiento de aguas residuales.
Parámetro unidad LMP
DBO mg/l 100
pH unidad 6.5 - 8.5
Temperatura °C < 35°
Sólidos Totales mg/l 150

40. IV. COSTOS Y PRESUPUESTOS
4.1. Costos y presupuestos generales
COSTOS Y PRESUPUESTOS: Diseño de una celda de combustibles
microbiana para el tratamiento de aguas mieles de la industria del café
PARTIDAS
Caracterización de las aguas mieles producidas en la industria del café 270
Elaboración del puente salino 150
Solución de prueba 53.5
Electrodo 34.5
Estructura de prueba (prototipo) 24.8
Estructura 39.5
Cubierta para los electrodos 7.5
Microorganismos 119
TOTAL 698.8
4.2. Costos y presupuestos a detalle
COSTOS Y PRESUPUESTOS: Diseño de una celda de combustibles
microbiana para el tratamiento de aguas mieles de la industria del café
Descripción
Unida
d
Metrad
o
Precio
(S/)
Parcia
l
PARTIDA: Caracterización de las aguas mieles producidas en la
industria del café
270
Alquiler de equipo multiparámetro día 3 80 240
Alquiler de los servicio de
Laboratorio
día 1 30 30
PARTIDA: Elaboración del puente salino 150
Agar Agar kg 0.02 500 10
Ceftriaxona g 0.3 15 4.5
KCl kg 0.04 350 14
Papel filtro und 4 3 12

41. NaCl kg 0.04 400 16
Tubos en U und 6 0.5 3
Multitester día 3 25 75
Foquitos LED und 2 1 2
Alquiler de equipo de prueba día 1 10 10
Algodón und 1 3.5
3.5
PARTIDA: Solución de prueba 53.5
Vaso precipitado de 250 mL und 2 3 6
CuSO4 kg 0.05 350 17.5
Agua destilada L 5 3 15
ZnSO4 kg 0.05 300 15
PARTIDA: Electrodo 34.5
Soldadura punto 3 1.5 4.5
Alambre de cobre m 10 2 20
Placa de zinc m2 0.5 20 10
PARTIDA: Estructura de prueba (prototipo) 24.8
Manguera de suero m 2 3.5 7
Silicona und 1 9 9
globos pequeños und 5 0.1 0.5
Botellas de plastico de 2.5 L und 4 0.2 0.8
Moldimix und 1 5 5
Cuter und 1 2.5 2.5
PARTIDA: Estructura 39.5
Recipiente de plastico hermetico und 2 15 30
Manguera de suero m 1 3.5 3.5

42. Recipiente de plastico transparente und 1 6 6
PARTIDA: Cubierta para los electrodos 7.5
Gaza und 1 5 5
Carbón kg 0.5 3 1.5
Hilo und 1 1 1
PARTIDA: Microoganismos 119
Microorganismos eficientes L 1 80 80
Matraz de 250 mL und 2 3 6
Agar rogoza kg 0.006 500 3
Alquiler de los servicios de
laboratorio
día 1 30 30
TOTAL
698.
8

43. V. CRONOGRAMA
ACTIVIDADES
ABR MAY JUN JUL
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3
Recopilación de información del proyecto de investigación x x
Selección y Activación de microorganismo eficientes x x x
Elaboración de las soluciones saturadas, para la realización del puente salino x x
Elaboración de soluciones molares x x
Elaboración de los electrodos x x
Prueba del puente, por medio de las soluciones molares x x
Construcción del prototipo x x
Toma de datos x x
Elaboración de la cubierta de los electrodos x x
Construcción de la CCM x x x
Recolección y Toma de muestras x x x x x x
Evaluación microbiológico, fisicoquímico y potencial eléctrico x x x x x
Análisis e interpretación de datos x x x
Ajustes para el modelo matemático x x x
Elaboración del informe final x x x x

44. VI. REFERENCIA BILBIOGRAFICA
ALZATE-GAVIRIA, L., K. GONZÁLEZ, I. PERAZA, O. GARCÍA, J. DOMÍNGUEZ,
J. VÁZQUEZ, M. TZEC- SIMA Y B. CANTO-CANCHÉ. 2010. Evaluación
del desempeño e identificación de exoelectrógenos en dos tipos de celdas
de combustible microbianas con diferente configuración en el ánodo,
Interciencia.
BECERRA E. 2000. Procesos biológicos aplicados al tratamiento de agua
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