La línea de investigación en Celdas de Combustible Microbiana (CCM) se ha abordado por el equipo proponente tanto desde la perspectiva de materiales de electrodos, como de optimización de condiciones de operación e ingeniería de biopelícula, considerando el crecimiento de las bacterias electroactivas cómo componente crítico de la celda, ya que el proceso de transformación de la energía química contenida en la materia orgánica a energía eléctrica depende directamente del metabolismo bacteriano. La ejecución de la línea de investigación en CCM para el tratamiento de aguas residuales y generación de energía eléctrica por el equipo proponente, ha logrado validar un prototipo de CCM con un consorcio de bacterias electrogénicas seleccionadas a escala de laboratorio, lo cual se logró incluyendo el área de materiales y de la microbiología para la generación de preguntas de investigación críticas en esta materia. Por lo tanto, se puede citar por una parte el estudio de la propiedad de biocompatibilidad de materiales anódicos como: i) tela de carbón, ii) grafeno reducido, iii) grafeno funcionalizado con nanopartícula de oro y nickel y su impacto en el desempeño eléctrico de la CCM, que además metodológicamente permitió validar un procedimiento de fabricación de ánodos de grafeno reducido. Por otro lado, se han generado resultados relevantes para optimizar condiciones de operación de la CCM como la selección de una resistencia externa, contrastando condiciones como el efecto del uso de: i) 10 Ω, ii) 48 Ω, iii) 500 Ω y iv) 1000 Ω, así como también, en la evaluación de la distancia entre electrodos comparando el efecto de un distanciamiento entre 5 y 10 cm. Además, en consideración de la problemática global de esta tecnología que se refiere a su baja eficiencia energética, se ha profundizado en la comprensión de la formación de la biopelícula electrogénica y mecanismos involucrados en la transferencia de electrones extracelular al ánodo, como una brecha crítica de investigación, ya que los avances en la investigación del área de la ingeniería y de materiales, no ha logrado resolver aspectos del bioproceso que están directamente relacionados al metabolismo y cinética de bacterias electrogénicas que realizan el proceso de transformación desde la oxidación de la materia orgánica a la generación de energía eléctrica, por la entrega de electrones por diferentes mecanismos utilizados por los microorganismos. En este sentido se ha identificado variables críticas que han correlacionado significativamente (P<0,05) con la máxima densidad de potencia alcanzada en el prototipo de CCM validado en laboratorio, las cuales han sido contrastadas con cultivos de bacterias electrogénicas puras como Shewanella oneidensis y Geobacter sulfurreducens, así como con muestras de agua residual de sanitaria (facilitados por Essbio S.A.), donde se han caracterizado según tipo de reactor y se ha logrado seleccionar efluentes más idóneos, como los provenientes de clarificadores primarios, que en estudio de comunidades microbianas a través de metagenómica del gen 16 S ribosomal, ha presentado una mayor abundancia de taxones de bacterias electroactivas, como las provenientes del género Geobacter sp. Entre principales resultados de investigación a escala de laboratorio, en la línea de investigación en celdas de combustible microbiana, se destaca la fabricación de electrodos anódicos para CCM, la evaluación de la propiedad de biocompatibilidad de ánodos en función de materiales utilizados, lo cual también permitió caracterizar la estructura de la biopelícula formada en los diferentes materiales anódicos, condiciones operacionales de CCM, donde hubo diferencias significativas relacionadas a la distancia entre electrodos en la configuración de la CCM y en el uso de resistencias externas, donde se demostró que la resistencia externa de 10 ohm tuvo un efecto significativamente superior para optimizar el desempeño eléctrico de la CCM. A partir de condiciones de operación que mostraron mejor resultados de desempeño eléctrico de la CCM, se seleccionó tipo de agua residual que se caracterizó y determinó abundancia de bacterias electrogénicas, destacándose la presencia de bacterias del género Geobacter, así como cepas del consorcio electrogénico de Shewanella sp. y Geobacter sp., cuyos parámetros cinéticos se validaron para su crecimiento, estructura de biopelícula, expresión génica de citocromo involucrado en transferencia de electrones, que en análisis de correlación múltiple, dio lugar a un modelo matemático que explicó la maximización del desempeño eléctrico en relación a propiedades de la biopelícula electrogénica.

Qué problema resuelve esta capacidad

Se ha estimado que la generación de aguas residuales es de 380 millones de m3 al año a nivel global, sin embargo, este valor probablemente es una subestimación del valor real, en consideración que aún la completitud de datos de monitoreo es un reto y el desglose de las fuentes de aguas residuales (hogares, servicios, industria y agricultura) no son informadas representativamente para la población mundial. De este modo, el reporte de ONU y OMS (2021) sobre monitoreo de aguas residuales que se tratan adecuadamente antes de su vertimiento se divide en tres categorías principales: i) totales ii) industriales y iii) domésticos y se informa cada una de manera individual. Respecto al total de aguas residuales generadas y tratadas, basado en la comunicación validada por 42 países en 2015 (representando sólo el 18% de la población mundial), sólo el 32% recibieron algún tipo de tratamiento. Respecto a aguas residuales industriales tratadas, 14 países comunicaron sus datos validados por sus gobiernos en 2015, de cuyo volumen total, sólo el 30% recibió al menos un tipo de tratamiento, representando el 4% de la población mundial. Por último, respecto a aguas residuales de los hogares tratadas de manera adecuada, el 56% de lo generado tuvo un tratamiento adecuado según datos validados en 2020 por 128 países, representando un 80% de la población mundial. En general se estima que alrededor del 50% de la producción de aguas residuales mundiales se vierte al medio ambiente sin tratamiento alguno. Por otro lado, se espera que la producción mundial de aguas residuales municipales aumente en un 24% para el 2030 y en un 51% para el 2050, respecto a niveles actuales (Qadir et al., 2020). Por lo tanto, el tratamiento de aguas residuales aún es una problemática vigente a nivel global, pero que podría ser resuelta desde un enfoque de economía circular, donde la implementación de nuevas tecnologías verdes podría dar lugar a la promisoria alternativa de “Waste to Energy” que se refiere a la conversión de residuos en energía (Bhowmik et al., 2023 ; Kumar et al., 2023). En Chile, la norma D.S. MOP n° 609/1998 proporciona un estándar de calidad de servicio para requerir a las empresas sanitarias el control de los residuos industriales líquidos (RILES) que se descarguen directamente al alcantarillado público o en las plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS) concesionadas. Según el último informe de gestión del sector sanitario (2021), el volumen total de aguas servidas (origen urbano) tratadas alcanzó un valor de 1.238 millones de metros cúbicos en 2021, siendo un 2% superior al 2020 (SISS, 2021). Por otro lado, se alcanzó una generación de 784 mil m3 de lodos deshidratados al año, que representó un incremento de un 11% respecto al 2020. Respecto a la descarga de RILES al alcantarillado o directamente a PTAS alcanzó el 50% durante el 2021, considerando los establecimientos industriales controlados durante este año con una generación de 38 millones de m3 al año (SISS, 2021). El contenido energético de un agua residual está determinado por componentes como proteínas (14,4 kJ/g de DQO), azúcares (14,6 kJ/g de DQO), ácidos grasos volátiles (13,6 kJ/g de DQO), substancias húmicas (15,7 kJ/g de DQO), entre otros (Escapa et al., 2019). Por otro lado, se ha cuantificado que el tratamiento de 1 m3 de aguas residuales municipales (a 300 mg/L DQO) requiere entre 0,21 y 0,6 kWh de energía, ahora bien, las aguas residuales en sí, contienen alrededor de 16,1 Kj/g de DQO de energía química con potencial adicional para la recuperación de nutrientes, que las tecnologías convencionales permanecen sin explotar (Dai et al., 2019). Por lo tanto, el potencial teórico de recuperación energética de aguas residuales basado en un contenido de DQO referencial (300 mg/L DQO) sería estimativamente de 1,9 KWh/m3, donde la tecnología de celdas de combustibles microbianas es considerada una tecnología idónea para la generación de energía eléctrica a partir de estos residuos (Din, 2021 ; Ramya & Kumar, 2022 ; Siddiqui et al., 2021 ; Verma et al., 2022), que podría implementarse complementariamente a la recuperación que se realiza en algunas plantas PTAS con digestores anaerobios para la producción de biogas, dada su flexibilidad para integrarse a infraestructura existente

Cuáles son las ventajas competitivas de esta capacidad

A continuación se resumen listado de atributos diferenciadores de la solución que podrían considerarse ventajosas sobre otras estrategias para la optimización del desempeño eléctrico de Celdas de Combustible Microbiana (CCM) 1. _Mayor Eficiencia Energética_ : Los microorganismos electrogénicos pueden aumentar la eficiencia en la producción de energía en celdas de combustible microbianas al aprovechar los procesos metabólicos naturales para generar electricidad. 2. _Menor Dependencia de Combustibles Fósiles_ : Esta estrategia reduce la dependencia de combustibles fósiles al utilizar microorganismos para degradar materia orgánica y producir electricidad. 3. _Aplicaciones Versátiles_ : Los microorganismos electrogénicos se pueden utilizar en diversas aplicaciones, como tratamiento de aguas residuales, generación de energía renovable y sensores biológicos. Comparación con Otras Estrategias: 1. _Ventajas sobre Celdas de Combustible Convencionales_ : Los microorganismos electrogénicos pueden ser más sostenibles y económicos que las celdas de combustible convencionales, ya que no requieren combustibles caros ni metales preciosos. 2. _Diferencias respecto a Pilas de Combustible de Hidrógeno_ : A diferencia de las pilas de combustible de hidrógeno, las celdas de combustible microbianas con microorganismos electrogénicos pueden utilizar una variedad de sustratos orgánicos, lo que las hace más versátiles en términos de materias primas. 3. _Comparación con Baterías Convencionales_ : Las celdas de combustible microbianas tienen la ventaja de una mayor capacidad de almacenamiento de energía en comparación con las baterías convencionales, pero pueden tener tasas de generación de energía más bajas.

Qué más deberías saber sobre esta capacidad

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