La pila de combustible microbiano: electricidad de las levaduras Teach article

Traducido por Alejandra Pazo Fernández. Todos sabemos que las levaduras se utilizan para producir cerveza y pan – pero electricidad? Dean Madden del Centro Nacional para la Educación en Biotecnología, Universidad de Reading, UK, nos muestra cómo es posible.

Unas pinzas de cocodrilo
Imagen cortesía de Jobalou /
iStockphoto

Introducción

Durante décadas, los microbios capaces de generar electricidad eran una curiosidad biológica. En cambio hoy los investigadores prevén su utilización en relojes y cámaras, como fuente de energía y como biorreactores capaces de generar electricidad a partir de residuos orgánicos. La pila de combustible microbiana que se describe a continuación genera una corriente eléctrica mediante el desvío de electrones de la cadena de transporte de la levadura. Emplea un “mediador” (en este caso azul de metileno) que recoge los electrones y los transfiere a un circuito externo. Este proceso no es muy eficiente, de modo que en esta práctica la pila de combustible generará solo una corriente de baja intensidad. En clase, este experimento puede facilitar una introducción muy estimulante al estudio de la respiración, además de permitir el estudio de algunos de los factores que influyen en la respiración microbiana.

Equipamiento y materiales

Puede realizarse por cada estudiante de modo individual o en grupo

Equipamiento

La fibra de carbón empleada
para producir los electrodos
está granulada. Para
asegurarnos que la “cola”
larga del electrodo no se
rasga y encaja fácilmente en
el agujero de la pila, es
necesario cortar y plegar el
electrodo tal y como se
muestra en la imagen. Hay
que cortar alrededor de la
mitad de la pieza superior
como se muestra, luego
doblarla a la mitad y doblarla
de nuevo para formar la
“cola” del electrodo. Haga clic
sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de Dean
Madden
  • Una célula de combustible de Plexiglás, cortada de una lámina de Plexiglás de 4 mm de grosor
  • 2 juntas de neopreno
  • Una membrana de intercambio catiónico, cortada a modo que encaje entre las cámaras de la pila. La membrana puede utilizarse de modo indefinido, pero corre el riesgo de derretirse si es autoclavada.
  • 2 jeringas de plástico de 10 mL para la dispensión de líquidos
  • Una base o una tapa de placa petri, donde mantener la pila
  • 2 plomos eléctricos con pinzas de cocodrilo
  • Un voltímetro o multímetro de de 0.5 V y/o un motor de baja corriente
  • Tijeras.

Materiales

  • 2 electrones de fibra de carbono recortados para encajar en el interior de la pila
  • 2 trozos de paño de cocina recortados para encajar en el interior de la pila (el propósito es prevenir que los electrodos contacten con la membrana de intercambio catiónico y provoquen un cortocircuito.

Importante: todas las soluciones enumeradas a continuación deben hacerse en un tampón fosfato 1M a pH 7.0, no en agua.

  • Suspensión de levadura seca en un tampón fosfato 0.1 M (no añadir solución de glucosa sin haber previamente rehidratado la levadura en el tampón)
  • 5 mL de azul de metileno 10 mM
  • 5 mL de solución de glucosa 1 M
  • 10 mL de haxacianoferrato III (también llamado ferricianuro de potasio) 0.02 M.

Procedimiento

  1. Cortar dos electrodos de fibra de carbono como se muestra en la imagen
  2. Corta dos piezas de paño de cocina de modo que encajen en el interior de la célula.
  3. Ensambla la célula tal y como se muestra a continuación.
    Coloca la pila ensamblada en la placa Petri a fin de absorber cualquier líquido que pueda exudar de la célula.
  4. Convina volúmenes iguales de suspensión de levadura, solución de glucosa y solución de azul de metileno.
  5. Aplica con la jeringa solución de hexacianoferrato de potasio en el otro compartimento de la célula.
  6. Conecta un voltímetro o multímetro (por medio de pinzas de cocodrilo) a los electrodos terminales. Inmediatamente debe producirse una corriente- si el dispositivo de medida registra cero, comprueba las conexiones y asegúrate de que los electrodos de fibra de carbono no están en contacto con la membrana de intercambio de cationes.

 

Cómo ensamblar una pila de combustible celular (las dimensiones exactas carecen de importancia – la aquí mostrada ronda los 55 mm x 55 mm)
Imagen cortesía de Dean Madden

Resultados esperados

Este tipo de células de combustible suelen generar entre 0.4 – 0.6 mA. Si la célula está cubierta con las soluciones indicadas, continuará generando electricidad durante varios días.

Cómo funciona la pila de combustible celular:
En una de las cámaras de la pila, las células de levadura son alimentadas con una solución de glucosa. Un mediador, el azul de metileno, entra en las células de levadura y toma los electrones de la cadena de transporte. Los electrones, a continuación, pasan al electrodo (ánodo). Los electrones pasan a través de un circuito externo y son aceptados por el hexacianoferrato de potasio (III) en la segunda cámara de la pila. Los iones de hidrógeno pasan a través de la membrana de intercambio de cationes, que separa ambas cámaras.
Las pilas de combustible de este tipo generan, de modo habitual 0.4 – 0.6 V y 3-50 mA. Ello es suficiente para mover un motor de muy baja corriente. Si varias de estas pilas son conectadas en serie, es posible encender un Diodo de Emisión de Luz (LED)

Imagen cortesía de Dean Madden

Seguridad

El hexacianoferrato de potasio es venenoso. Debe manipularse con gafas de protección. Si la solución entra en contacto con los ojos, es necesario lavarlos inmediatamente con agua en abundancia y acudir al médico. Si salpica en la piel, la solución debe ser rápidamente lavada con agua. Para la disposición de la solución es necesario acogerse a las regulaciones locales.

Fórmulas

Para preparar el tampón fosfato 0.1M a pH 7.0 es necesario disolver 4.08 g de
Na2HPO4 y 3.29 g de NaH2PO4 en 500 mL de agua destilada.

Preparación y temporalización

La pila de combustible
celular finalizada. Pincha para
ampliar la imagen. Haga clic
sobre la imagen para
ampliarla

Imagen cortesía de Dean
Madden

Las soluciones de los agentes reactivos deben ser preparados con antelación. No obstante, hay que tener en cuenta de que la solución de glucosa no debe ser preparada más de 24h antes de que se lleve a cabo el trabajo, a fin de evitar el crecimiento de microorganismos contaminantes.

Hay que poner a remojo la membrana de intercambio de cationes en agua destilada 24h horas antes de su utilización.

La levadura seca debe resuspenderse mientras la pila de combustible es ensamblada, además es importante añadirla a una solución buffer en un primer momento, y después adicionar la solución de glucosa al resuspendido. Si se trata de rehidratar la levadura directamente en la glucosa, el efecto osmótico ralentizará el proceso. (Si usamos levadura fresca basta con preparar una breve resuspensión de la misma con el buffer antes de añadir la solución de glucosa.)

Lleva alrededor de 30 minutos comenzar a generar la electricidad tras el ensamblado de la pila de combustible.

Posibilidad para investigaciones de tiempo indefinido

Se pueden unir varias pilas de combustible para obtener un mayor voltaje; sin embargo, la corriente generada se mantendrá constante. En cambio, aumentando el tamaño de la pila, o el área del electrodo) podremos aumentar dicha corriente, pero no el voltaje.

Se pueden utilizar diferentes mediadores y/o tipos de levadura, como la vinícola o la panadera. Hay que tener en cuenta que por rezones de seguridad, no es recomendable el empleo de estas pilas con otros microorganismos.

Es necesario estudiar el efecto de la temperatura en la acción de la pila. Hay que tener en cuenta los controles necesarios para realizar este tipo de comparaciones.

Proveedores

Las pilas de combustible más adecuadas para investigaciones escolares, como las aquí descritas, pueden obtenerse en el Centro Nacional para la Educación Biotecnológica (NCBEw1) de la Universidad de Reading, Reino Unido.

La pila de combustible
celular

Imagen cortesía de Dean
Madden

Para aquellos que prefieran elaborar sus propias pilas de combustible, siguiendo las instrucciones citadas en este artículo, la membrana de intercambio de cationes y los electrodos de fibra de carbono, también están disponibles en el NCBE. Además, la membrana de intercambio de cationes también puede obtenerse en el VWRw2.

Los motores de baja corriente necesarios para la producción de estas pilas son caros y difíciles de conseguir.

Tratamiento de resíduos y reciclado de materiales

La solución de Hexacianoferrato de Potasio es venenosa. Debemos tener en cuenta la reglamentación local a la hora de tratar la solución empleada.

Almacenamiento de materiales

El hexacianoferrato de potasio es sensible a la luz, de modo que debe ser almacenado en una botella de material protector, o una botella normal rodeada de papel de aluminio. No debe mantenerse más de seis meses.

Es recomendable mantener la membrana de intercambio de cationes en una botella de agua destilada, de modo que esté lista para ser utilizada. El agua debe reemplazarse de vez en cuando si la membrana se almacena por un largo periodo de tiempo.

La levadura seca, aun a pesar de almacenarse en un contenedor sellado, tiene un periodo de vida útil limitado. La “Fecha de Caducidad” indicada por el proveedor debe respetarse.

Agradecimientos

La pila de combustible celular fue desarrollada por el Dr. Meter Bennetto, miembro del departamento de Química del Kinas Colege de Londres, Reino Unido. Fue adaptada para el uso escolar por John Schollar y Dean Madden.

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Web References

  • w1 – Para saber más acerca del Centro Nacional de Investigación Biotecnológica (NCBE) y encargar sus pilas celulares, consulta: www.ncbe.reading.ac.uk
  • w2 – Para contactar con VWR, el proveedor de las membranas de intercambio de cationes, consulta: www.vwr.com

Resources

  • Bennetto P (1987) Microbes come to power. New Scientist 114: 36–40
  • Bennetto HP (1990) Electricity generation by micro-organisms. BIO/technology Education 1: 163–168. This article can be downloaded from the NCBE website: www.ncbe.reading.ac.uk or here: http://tinyurl.com/ncf6ql
  • Lovley DR (2006) Bug juice: harvesting electricity with micro-organisms. Nature Reviews Microbiology 4: 497–508. doi: 10.1038/nrmicro1442
  • Sell D (2001) Bioelectrochemical fuel cells. In: Biotechnology. Volume 10: Special Processes (Second edition). Rehm H-J and Reed G (Eds). Frankfurt am Main, Germany: Wiley-VCH. ISBN: 9783527620937

Author(s)

Dr. Dean Madden es un biólogo que trabaja para el Centro Nacional de la Educación Biotecnológica (NCBE)w1 de la Universidad de Reading, UK. El NCBE se estableció en el 1984 y desde entonces ha ganado reputación internacional por el desarrollo de recursos educativos innovadores. Sus materiales han sido traducidos a numerosas lenguas, incluyendo Alemán, Sueco, Francés, Holandés y Danés.


Review

Este artículo describe una práctica de laboratorio para demostrar la cadena de transporte de electrones. Esta práctica resulta de gran importancia para las lecciones de biología acerca de la respiración microbiana. Parece evidente utilizar esta práctica como una extensión a los ejercicios de fermentación.

Esta práctica puede ser empleada como puente entre distintas disciplinas, en el ámbito de la biotecnología y la física, mostrando la aplicación de los microorganismos en la producción de energía. Puede también relacionarse con la producción de bioetanol, como ejemplo de una alternativa biotecnológica para la producción de energía.


Niels Bonderup Dohn, Dinamarca




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CC-BY-NC-SA