En este artículo te presento un experimento que, aunque no es nuevo y ya existen versiones similares en internet, sigue siendo interesante y vale la pena explorar: se trata de una celda de combustible microbiana. Una celda de combustible microbiana es un dispositivo capaz de extraer electricidad a partir de un sustrato o material orgánica. Si bien es verdad que se busca una utilización práctica con estas celdas para el tratamiento de aguas residuales, también se pueden usar plantas para fabricarla.
En esta entrada, te voy a mostrar un experimento en el que intentaré extraer energía eléctrica de las plantas (aunque sea solo de forma anecdótica), y que tú también puedes replicar en casa ya que usaré materiales corrientes y económicos.
Introducción
Las celdas de combustible microbianas (CCMs o MFC, por sus siglas en inglés) son sistemas que aprovechan la actividad de ciertos microorganismos para producir electricidad a partir de materia orgánica. La gran mayoría de estudios y prácticas, con este tipo de celdas, se centran en la utilización de aguas residuales ya que, en el proceso, aparte de obtener energía eléctrica, también se tratan y limpian estas aguas obteniendo el doble de beneficios.
Esta actividad microbiótica también está presente en las raíces de las plantas y es lo que intentaré realizar aquí.
El principio de funcionamiento de estas celdas es sencillo, se tiene un grupo de microorganismos que se alimentan de materia orgánica, concretamente la descomponen. Durante este proceso de descomposición se producen reacciones químicas que liberan electrones. Normalmente, estos electrones se desperdiciarían, pero en una celda de combustible microbiana, estos electrones son capturados y canalizados a través de un circuito, generando electricidad.
Estructura de una celda de combustible microbiana
Su estructura es también sencilla pero ingeniosa: la celda se divide en dos partes, la parte donde se encuentra el ánodo (polo positivo); y la parte donde se encuentra el cátodo (polo negativo de la celda).
En el ánodo es donde se encuentran las bacterias encargadas de llevar a cabo las reacciones químicas con el sustrato o materia orgánica y es la parte de la celda que se oxida (y en este experimento es donde irán las plantas); mientras que en el cátodo se encuentra una solución acuosa que será reducida. Estas dos partes (ánodo y cátodo), están separadas por una membrana especial denominada PEM (Membrana de intercambio protónico, en inglés Proton Exchange Membrane), que permite el paso de protones entre ambas partes. Todo esto se conecta con un circuito eléctrico externo, funcionando como una pila galvánica, pero con microorganismos como protagonistas. Así que sí, básicamente son bacterias generando electricidad mientras realizan una reacción de oxidación-reducción (Redox para los amigos).
Para profundizar un poco, la reacción se queda en algo así:
Parte del ánodo:
C6H12O6 (esto sería la materia orgánica, glucosa para este ejemplo) + 6H2O (agua) –> 6CO2 (dióxido de carbono) + 24H (ion de hidrógeno) + 24e (electrones libres)
Parte del cátodo:
6O2 (oxígeno) + 24e (electrones libres) + 24H (ion de hidrogeno) –> 12H2O (agua)
Y, representado en la celda, se vería parecido a esto:
Al final, y como en todas las celdas/pilas de hidrógeno, lo que hacemos es separar el electrón del núcleo del átomo de hidrógeno y hacerlo pasar por un camino más largo que el del núcleo. Esta diferencia entre los caminos del electrón y el núcleo se traduce con una corriente eléctrica aprovechable.
Materiales
Para realizar este experimento he utilizado:
- 2 botellas de 500ml
- 1 recipiente de plástico
- 4 barras de grafito (recicladas del interior de pilas AA convensionales)
- Cables eléctricos
- Sustrato (tierra normal y corriente)
La membrana PEM la he realizado con una solución saturada de KCl (Cloruro de potasio), la cual he gelificado con Agar Agar. Esto, aproximadamente, es: por cada 50ml de agua unos 4gr de KCl más 3gr de Agar Agar (seguir las instrucciones del Agar Agar para su elaboración).
El Agar Agar es un gelificante alimenticio que proviene de unas algas, es fácil de encontrar en la sección de pastelería de muchas tiendas pero, si no lo encuentras, siempre puedes comprarlo en Amazon desde este enlace (¡y así apoyas este proyecto!)
Las plantas que he seleccionado para este experimento son helechos, suculentas (ombligo de Venus) y musgo.
Para el lado del cátodo, he usado una solución salina (agua con sal) al 2%.
Para comprobar que se genera una corriente eléctrica he usado un multímetro.
Procedimiento
- Empezaremos preparando las botellas de 500ml. En una de ellas, le haremos un recorte de todo un lado longitudinal creando una ventana, con la intención de rellenarla con tierra y colocar las plantas en vertical (se convertirá en la parte del ánodo). También le haremos un agujero en la parte superior para pasar el cable con el ánodo (barra de grafito). En la otra botella, hice cinco agujeros en la parte superior solo para pasar el cable con el cátodo (barra de grafito) y poderla llenar con la solución salina (esta se convertirá en el cátodo).
- Luego cogeremos el recipiente de plástico y haremos dos agujeros en la tapa para poder introducir las botellas y que queden en posición vertical.
- Ahora prepararemos el Agar Agar, tal como he mencionado antes (por cada 50ml de agua unos 4gr de KCl más 3gr de Agar Agar y en caliente), y mientras este caliente lo vertimos en el recipiente, tapamos, colocamos las botellas y esperamos a que se enfrié y solidifique manteniendo todo el conjunto unido. El Agar Agar tiene que llenar la parte inferior de las botellas.
- Una vez solidificado el Agar Agar, rellenaremos con tierra la botella con la ventana lateral hasta que quede 1 cm más o menos para llegar al borde. Ahora introduciremos el ánodo, sujeto al cable eléctrico, por el agujero superior y lo colocaremos a media altura. Seguidamente, pondremos las plantas procurando que las raíces estén lo más cerca posible del ánodo para facilitar la transferencia de electrones. Luego añadiremos un poco más de tierra, si fuera necesario, y lo cubriremos todo con musgo.
- La otra botella la llenaremos hasta la mitad, aproximadamente, con la solución salina e introduciremos el cátodo junto con el cable. Todo esto lo haremos a través de los orificios superiores que le hicimos.
- A partir de aquí, solo queda regar y cuidar las plantas para que crezcan y se desarrollen y comprobar con un multímetro el voltaje que genera la celda.
Resultados
En los primeros días, el voltaje empezaba con valores entre los 30-50mv (milivoltios) y bajaba enseguida situándose alrededor de los 15-20mv. Al cabo de unos pocos días el voltaje subió hasta los 187mv y, esta vez, el voltaje subía ligeramente hasta alcanzar los 200mv estables.
Después de una semana, añadí otro ánodo y cátodo en cada parte del la celda para ver si había más captación de electrones y subía el voltaje. En el momento de hacer esta prueba, el voltaje se situó en unos 80-90mv y tardo otra semana en alcanzar los 200mv que tenía antes de añadir el otro par de ánodo y cátodo.
En los siguientes días y semanas, el voltaje siguió subiendo lentamente hasta alcanzar un poco más de 310mv, siendo este el voltaje más alto registrado.
A continuación, te dejo un gráfico de los valores de voltaje medidos en función de los días que duro este experimento. Los puntos azules y la línea azul corresponden a las lecturas tomadas, las líneas amarillas simplemente unen los puntos en los días que no realice la medición 😅
Conclusión
Este experimento demuestra que es posible generar electricidad a partir de microorganismos presentes en la tierra y en las raíces de las plantas, usando materiales simples y accesibles. Aunque la cantidad de energía obtenida no es suficiente para alimentar dispositivos electrónicos de uso cotidiano, sí representa una forma fascinante de explorar la bioelectricidad y entender mejor cómo los procesos biológicos pueden integrarse con la tecnología.
A lo largo de los días, se observar cómo el sistema evoluciona y cómo el voltaje aumenta progresivamente, lo cual indica que las bacterias están activas y funcionando como pequeñas generadoras de energía.
Este tipo de celdas tienen un gran potencial en aplicaciones como el tratamiento de aguas residuales o sistemas sostenibles de generación de energía a pequeña escala, y aunque este experimento tiene un fin principalmente educativo, puede ser el punto de partida para ideas más avanzadas o proyectos de investigación más completos.
En definitiva, experimentar con celdas de combustible microbianas es una excelente manera de aprender sobre química, microbiología y energías renovables de una forma práctica, entretenida y ecológica.
¡ESPERO QUE TE HAYA GUSTADO!
Puedes ver otra versión de celda bioenergética que publiqué en mi canal de Youtube aquí debajo:
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