El uso potencial de desechos orgánicos y microalgas genera bioelectricidad y, por lo tanto, reduce los efectos nocivos sobre el medio ambiente. Estos residuos se aprovechan por su alto contenido en microorganismos generadores de electrones. Sin embargo, hasta el momento, no se han utilizado simultáneamente. Por lo tanto, esta investigación utiliza residuos de mango y la microalga Spirulina sp. en celdas de combustible microbianas de doble cámara para generar bioelectricidad. Las celdas se fabricaron a escala de laboratorio utilizando electrodos de zinc y cobre, consiguiendo una corriente y tensión máxima de 7,5948 ± 0,3109 mA y 0,84546 ± 0,314 V, siendo la conductividad eléctrica máxima del sustrato de 157,712 ± 4,56 mS/cm y un pH de operación óptimo siendo 5.016 ± 0.086. Las celdas mostraron una resistencia interna baja de aproximadamente 205.056 ± 25 Ω y una densidad de potencia máxima de 657.958 ± 21.114 mW/cm2 a una densidad de corriente de 4.484 A/cm2.
Esta investigación brinda una excelente oportunidad para los productores de mango y las empresas exportadoras e importadoras porque pueden usar sus propios desechos para reducir sus costos de electricidad cuando este prototipo se lleve a gran escala.
En los últimos siglos se han vivido dos fenómenos de preocupación mundial, el crecimiento demográfico y la industrialización, que han supuesto un aumento de la demanda energética (Hanif, 2018). Debido a esto, los combustibles fósiles han sido la principal fuente de suministro de energía. Sin embargo, ha llevado a generar serios problemas en el clima, debido al aumento de gases de efecto invernadero en la atmósfera (Shindell y Smith, 2019) acelerando el cambio climático y el calentamiento global, problema mayor que enfrenta la humanidad (Milne et al. .,2021), haciendo insostenible la dependencia de estos combustibles (Wang et al., 2021).
Los dos fenómenos mencionados han sido una de las causas de la generación de residuos. A menudo, los residuos se gestionan de forma inadecuada, lo que hasta ahora representa uno de los principales problemas para la industria alimentaria (Fierascu et al., 2020). Esto conduce a un problema de acumulación en el medio ambiente que a través de la descomposición libera gases de efecto invernadero (GEI) que contribuyen al calentamiento global. Según la Organización para la Alimentación y la Agricultura, se ha estimado que el 8% de los GEI provienen del desperdicio de alimentos (Matei et al., 2021). Una parte de este desperdicio de alimentos son desechos de frutas, y solo en 2017 se produjeron más de 1 billón de toneladas de diferentes frutas en todo el mundo (Fierascu et al., 2020), y se estima que más de 60 millones de toneladas de desechos de estas frutas son descartados globalmente (Castro-Vargas et al., 2019).
El mango (Mangifera indica L.) es una de las frutas tropicales más consumidas y cultivadas alrededor del mundo, siendo la segunda fruta tropical más comercializada en el mundo y la séptima más producida, alcanzando una producción anual de 46 millones de toneladas (Castro -Vargas et al., 2019; Lee et al., 2021; Lorenzo-Santiago et al., 2018; Marcos et al., 2020; Owino et al., 2021). Sin embargo, inevitablemente se generan desechos de toda esta producción global, por ejemplo, en algunas partes del mundo, como en países africanos y asiáticos, la pérdida poscosecha de la fruta del mango puede alcanzar hasta el 50% (Owino et al., 2021), que de no ser gestionada adecuadamente podría acarrear problemas de contaminación ambiental.
Se han propuesto diferentes alternativas biotecnológicas para reutilizar y agregar valor a diferentes mangos residuos (Ahmad Shahrim et al., 2022; Mandha et al., 2021; Manhongo et al., 2021; Tirado-Kulieva et al., 2021) porque es una fuente importante de compuestos fenólicos (Tirado-Kulieva et al., 2021). Una propuesta que ha ganado más interés por parte de los científicos para abordar los problemas ambientales es la tecnología de celdas de combustible microbianas (MFC), que fue propuesta por Michael Potter en 1911 (Gajda et al., 2018). Estos sistemas bioelectroquímicos son una tecnología emergente que explota el metabolismo microbiano para utilizar la energía química contenida en sustratos orgánicos para generar electricidad de manera ambientalmente sostenible (Gul et al., 2021; Hassan et al., 2021).
Por lo general, un MFC consta de una cámara de ánodo y cátodo, un puente de intercambio de protones (PEB) y catalizadores (microorganismos). Además, existe una variedad de modelos y materiales según su utilidad (Mohyudin et al., 2022; Suresh et al., 2022). Por otro lado, las MFC pueden utilizar sustratos orgánicos como residuos de frutas para generar electricidad (Rojas-Flores et al., 2020). Entre los residuos de frutas, algunos componentes ayudan a generar electricidad, por ejemplo, la pulpa de mango contiene una variedad de azúcares reductores, aminoácidos, compuestos aromáticos y compuestos funcionales, como pectina, vitaminas, antocianinas y polifenoles (Lebaka et al. ., 2021), los cuales son oxidados en el metabolismo de los microorganismos para obtener electrones que serán utilizados para generar electricidad. Por lo tanto, se han probado algunos experimentos donde la corriente eléctrica fue generada por MFC utilizando desechos de mango (Rahman et al., 2021). Yaqob et al. (2022) lograron producir una densidad de corriente máxima de 87,71 mA/m2 a partir de desechos de mango en un MFC, mientras que Symonds et al. (2018) han generado un voltaje máximo y una densidad de potencia de 1.133 V y 276.078 mW/m2, respectivamente, a partir de aguas residuales del proceso de pulpa de mango utilizando un MFC con cátodo aireado.
Por otro lado, en la actualidad, el uso de microalgas se ha intensificado en diferentes campos de la ciencia, siendo las MFC una tecnología a la que se pueden acoplar estos microorganismos fotosintéticos (Raja et al., 2022). Han demostrado ser muy útiles para reducir los costes de aireación mecánica ya que liberan oxígeno (O2)
Durante la fotosíntesis (Kannan y Donnellan, 2021). Huarachi-Olivera et al. (2018) han logrado producir energía eléctrica en un MFC de doble cámara utilizando la microalga Chlorella Vulgaris y una comunidad microbiana donde la actividad bioelectrogénica y el potencial aumentaron de 23,17 mW/m2 a 327,67 mW/m2 y 200 mV a 954 mV, respectivamente, durante 32 días. Otro trabajo de investigación pertenece a Rojas-Flores et al. (2021), donde utilizaron Chlorella sp. para generar bioelectricidad a través de un fotobiorreactor, que contó con dos electrodos de cobre y zinc, y obtuvo valores máximos de 0,93179 ± 0,0323 V y 23,79 ± 0,9516 mA, así como una densidad de potencia y corriente máxima de 4,71441 ± 0,12861 W/ cm2 y 401,5873 mA/cm2, respectivamente. Nookwam et al. (2022) también han utilizado microalgas para generar bioelectricidad y tratar aguas residuales mediante el uso de un MFC con cámara fotosintética-cátodo conectada en cascada vertical contribuyendo a la autosostenibilidad por su alta eficiencia en la producción de O2 como aceptor de electrones, mejorando así la eficiencia del cátodo. Esta evidencia sugiere que las microalgas se pueden combinar con éxito con la tecnología MFC para mejorar la producción de energía.
Por lo tanto, el objetivo de esta investigación fue generar corriente eléctrica por medio de celdas de combustible microbianas de doble cámara, utilizando zinc y cobre como electrodos, monitoreando sus valores de voltaje, corriente, pH, conductividad, densidad de potencia y densidad de corriente. durante 35 días, con el fin de desarrollar una solución alternativa eco-amigable a los diversos residuos orgánicos que se producen en la región.
Método y Materiales
Construcción de celdas de combustible microbianas de doble cámara
Se utilizaron dos recipientes herméticos de polietileno de 1 L como cámaras anódica y catódica para cada celda (3 MFC en total), conectados por una membrana de intercambio de protones (10 mL de la concentración de 6 g de KCl más 14 g de agar y 400 mL de H2O) de forma tubular con 10 cm y
2,5 cm de longitud y diámetro, respectivamente. Los electrodos utilizados fueron zinc (ánodo) y cobre (cátodo)
de 100 cm2 de área y 3,5 mm de espesor, las cuales se colocaron en el interior de cada cámara conectadas por un circuito con una resistencia de 100 Ω (ver Fig. 1).
Recolección y preparación de desechos de mango para la cámara anódica
Los residuos de mango (Mangifera indica) se recogieron del SAC del CUC. Moche, Perú. Se lavó cuatro veces con agua destilada para eliminar cualquier impureza (polvo, insectos u otras impurezas). Luego, utilizando un extractor (Maqorito- 400 rpm) se obtuvo 500 mL (150 mL por cada MFC) de extracto de mango.
Preparación de Spirulina sp. cultivos de microalgas para la cámara catódica
La microalga Spirulina sp. se cultivó según la metodología de Huarachi-Olivera et al. (2018), donde se utilizó un medio sintético para algas a base de sales como: peptona (292 mg/L); NaHCO3 (250 mg/L); MgSO4·7H2O (18 mg/L); FeSO4·2H2O (4 mg/L); KCl (19 mg/L); (NH4)2SO4 (382 mg/L); K2HPO4·3H2O
(346mg/L); CaCl2·2H2O (13 mg/L). La relación de volumen para el cátodo fue de 1:1 (microalgas + medio sintético).
Caracterización de pilas de combustible microbianas
El monitoreo diario de corriente y voltaje se realizó utilizando un multímetro Prasek Premium PR-85 y una resistencia externa de 100 Ω. Por otro lado, los valores de densidad de corriente (CD) y densidad de potencia (PD) se obtuvieron utilizando resistencias externas 10 ± 0.2, 40 ± 2.3, 50 ±
2,7, 100 ± 3,2, 300 ± 6,2, 390 ± 7,2, 560 ± 10, 680 ± 12,3,
820 ± 14,5, 1000 ± 20,5 Ω; por la fórmula CD = I/A y PD = IV/A (Segundo et al., 2022), donde I es la corriente con diferentes resistencias externas, V es el voltaje de las celdas en circuito abierto y A es el área (144 ± 5,2 cm2). También se midieron los cambios de conductividad (medidor de conductividad CD-4301) y pH (pH meter 110 Series Oakton), y los valores de resistencia de los MFC se midieron usando un sensor de energía (Vernier ± 30V y
± 1000mA).
Resultados y Análisis
Los valores de voltaje aumentaron desde el primer día (0,3162 ± 0,0037 V) hasta el vigésimo primer día (0,84546 ± 0,314 V) y luego decayó lentamente hasta el último día (0,46335 ±
0,124 voltios; véase la figura 2 (a). El aumento de voltaje se debe al aumento de electrones y protones generados en el ánodo por el aumento de las reacciones redox (Cao et al., 2021), y a la aireación que obtiene la cámara catódica con las algas por el aumento de Reacciones de reducción de O2 (Kannan y Donnella, 2021). Figura 2
(b) muestra los valores de la corriente eléctrica generada, observándose un aumento desde el primer día (3.834 ± 0.035 mA) hasta el decimonoveno día (7.5948 ± 0.3109 mA), y luego disminuyendo hasta el último día (2.374 ± 0.312 mA). En comparación con otras investigaciones, los valores máximos de voltaje y corriente eléctrica obtenidos con residuos de mango fueron menores en comparación con los valores obtenidos a partir de residuos de arándano (1,127 ± 0,096 V y 1,130 ± 0,018 mA) (Rojas-Flores et al., 2021) , mientras que fueron superiores a los valores obtenidos a partir de residuos de papaya (0,736 ± 0,204 V y 5,57 ± 0,45 mA) y piña (0,3484 ± 0,003 V) (Flores et al., 2020). La fermentación de residuos juega un papel importante en la generación de las condiciones ideales para la aclimatación de los microorganismos generadores de electrones, que fluyen desde el ánodo hasta el cátodo generando corriente eléctrica. El aumento de los valores actuales sugiere una adhesión de estos microorganismos, generando un biofilm al electrodo anódico y buena recepción del electrodo catódico (Rojas-Flores et al., 2022; Saravanan et al., 2021). Pero la degradación del sustrato en la etapa final de monitoreo genera un desequilibrio entre la oxidación y la reducción a nivel del ánodo y el cátodo, lo que lleva a una disminución de este parámetro (Yu et al., 2021).
± 0.086 el día 21. Según Kalagbor et al., (2020) las variaciones de pH se deben a la hidrólisis y acidificación de los desechos de la fruta. Asimismo, también se observa que los residuos de mango tienden a pH neutro conforme pasan los días (Azouma et al., 2018). La Fig. 3 (b) muestra las variaciones de los valores de conductividad eléctrica de los residuos de mango, la cual aumentó desde el primer día (102.688 mS/cm) de monitoreo hasta el día 23 (157.712 ± 4.56 mS/cm), y luego disminuyó lentamente hasta el último día (115,4826 ± 6,124 mS/cm).
Las condiciones ácidas iniciales favorecieron los altos valores encontrados en este estudio, mientras que la disminución de los valores se debe principalmente a la sedimentación del sustrato en la etapa final del monitoreo (Gazali y Moqsud, 2019; Pandit et al., 2021).
La Fig. 4 (a) muestra los valores de resistencia interna de la celda de combustible microbiana, que se calcularon utilizando el modelo de la Ley de Ohm, multiplicando la resistencia (R) por la corriente (I) para obtener el voltaje (V), es decir, V = RI, donde la pendiente de la gráfica lineal será la inversa de la resistencia. Dado que el eje x se asignó a valores de potencia y el eje y a los valores actuales, los datos experimentales se ajustan a la ecuación y = 0,0048767 x + 0,305, con R2 = 0,8134. Por lo tanto, la resistencia interna de la celda fue de 205.056 ± 25 Ω, que es bajo en comparación con otros trabajos, y esto demuestra la buena formación de biopelículas (Roy y Bharadvaja, 2020).
La baja resistencia mostrada se debe a los electrodos utilizados (materiales metálicos), los cuales tienen buena conductividad eléctrica y baja resistencia al paso de electrones (Flores et al., 2020). La Fig. 4 (b) muestra los valores de tensión (V) y densidad de potencia (PD) en función de la densidad de corriente (CD), obteniendo una PDmax. de 657,958 ± 21,114 mW/cm2 a 4,484 A/cm2 de CD y un voltaje pico de 810,57 ± 15,47 V. Esta investigación supera la de Prasidha et al. (2020) que han mostrado un DPMAX. de 25,7 mW/m2 en sus celdas de doble cámara en las que utilizaron como sustrato lixiviados de residuos hortofrutícolas con un pH óptimo de 6.9. Del mismo modo, Latif et al. (2020) han logrado generar un DPMAX. de 62 mW/m2 utilizando residuos de frutas tropicales de la India en celdas de combustible microbianas de doble cámara con un voltaje pico de 700 mV. Wang et al. (2021) han utilizado residuos de Sprite, jugo de manzana y jugo de naranja en sus celdas, logrando generar DP de 33,41 W/m2, 20,63 W/m2 y 12,75 W/m2, respectivamente.
Conclusiones
Se generó con éxito bioelectricidad en celdas de combustible de doble cámara, de bajo costo y a escala de laboratorio, utilizando zinc y cobre como electrodos. Residuos de mango y Spirulina sp. los residuos de microalgas se pueden utilizar tanto en la cámara anódica como en la catódica, respectivamente. Se lograron picos de tensión y corriente de 0,84546 ± 0,314 V y 7,5948 ± 0,3109 mA, respectivamente; con un pH óptimo de operación de aproximadamente
5,016 ± 0,086. La conductividad eléctrica máxima de los residuos de mango fue de 157.712 ± 4.56 mS/cm, mientras que las celdas de combustible microbianas mostraron una resistencia interna baja de 205.056 ± 25 Ω. La densidad de potencia máxima fue de 657,958 ± 21,114 mW/cm2 a una densidad de corriente de
4.484 A/cm2. Para futuros estudios se recomienda recubrir los electrodos con compuestos químicos para mejorar la eficiencia de las celdas y estabilizar el pH del sustrato en su valor óptimo de operación. Finalmente, esta investigación busca brindar una alternativa a las empresas para generar su energía eléctrica, y de esta manera, podrían mejorar el manejo de los residuos orgánicos.
