Esta tecnología podría aprovechar la materia orgánica de las aguas residuales para alimentar pequeños sensores sin necesidad de sustituir pilas convencionales.
- 🦠 Electricidad generada por bacterias: utiliza microorganismos como Bacillus subtilis para aprovechar procesos metabólicos y producir energía eléctrica.
- ⚡ 0,75 voltios de tensión: el prototipo consiguió mantener una salida eléctrica estable durante al menos 14 horas en condiciones experimentales.
- 🧬 Inspirada en el intestino humano: reproduce sus pequeñas vellosidades para aumentar la superficie disponible para los microorganismos.
- 💧 Potencial para aprovechar aguas residuales: podría utilizar los nutrientes presentes en las tuberías para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
- 🔬 Flexible y adaptable: incorpora un hidrogel polimérico que permite fabricar estructuras tridimensionales sobre superficies de distintas geometrías.
Investigadores de la Universidad de Binghamton, en Estados Unidos, han desarrollado una biobatería flexible inspirada en las vellosidades del intestino delgado humano. El dispositivo utiliza microorganismos para transformar energía química en electricidad y podría abrir nuevas posibilidades para alimentar pequeños sensores en tuberías de aguas residuales, aprovechando la materia orgánica presente en el agua.
Una batería que imita las vellosidades del intestino humano
El intestino delgado humano posee una característica que lo convierte en un extraordinario sistema de absorción: su superficie interior está cubierta por millones de pequeñas prolongaciones denominadas vellosidades intestinales.
Estas estructuras multiplican la superficie disponible para absorber nutrientes sin necesidad de aumentar considerablemente el volumen del órgano.
Los investigadores de la Universidad de Binghamton decidieron trasladar este principio biológico al diseño de una pila de combustible microbiana.
El proyecto está dirigido por Seokheun «Sean» Choi, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática, junto con los investigadores Ruohan Zhang y Botian Wang.
Su objetivo era superar una de las principales limitaciones de las biobaterías convencionales: conseguir que los microorganismos dispongan de suficiente superficie para desarrollarse y acceder a los nutrientes sin comprometer el funcionamiento del electrodo.
En los diseños planos, el espacio disponible para las bacterias es reducido. Por otra parte, determinadas estructuras porosas pueden sufrir obstrucciones debido a la acumulación de biopelículas.
La arquitectura inspirada en el intestino ofrece una alternativa tridimensional que favorece el contacto entre las bacterias, los nutrientes y los materiales conductores.
Cómo funciona la nueva biobatería bacteriana
El dispositivo pertenece a la familia de las pilas de combustible microbianas, sistemas bioelectroquímicos capaces de aprovechar las reacciones metabólicas de determinados microorganismos para generar corriente eléctrica.
Su funcionamiento combina materiales flexibles, bacterias y electrodos especializados.
Un ánodo de hidrogel con estructura tridimensional
Los investigadores fabricaron el ánodo utilizando un hidrogel polimérico, un material que contiene una elevada proporción de agua y que puede adoptar geometrías complejas.
Sobre su superficie reprodujeron pequeñas prolongaciones similares a las vellosidades intestinales.
Esta configuración aumenta el área de contacto con el medio y proporciona espacios adecuados para alojar los microorganismos.
Bacterias que transforman nutrientes en electricidad
El equipo incorporó bacterias Bacillus subtilis inicialmente inactivas dentro de la estructura.
Cuando encuentran condiciones favorables, los microorganismos pueden recuperar su actividad metabólica y aprovechar los nutrientes disponibles.
Durante estos procesos se producen reacciones de oxidación que permiten liberar electrones. En una pila microbiana, parte de esos electrones puede transferirse al ánodo y circular por un circuito externo.
De esta manera, la energía química de los compuestos orgánicos se convierte parcialmente en energía eléctrica.
Una membrana y un cátodo completan el circuito
El sistema incorpora una membrana de intercambio iónico que separa los compartimentos electroquímicos y permite el transporte de determinados iones.
También dispone de un cátodo fabricado con tejido de carbono modificado.
La combinación de ambos electrodos permite cerrar el circuito y mantener las reacciones necesarias para producir electricidad.
A diferencia de una pila convencional, que contiene una cantidad limitada de reactivos almacenados, este tipo de dispositivo puede seguir funcionando mientras reciba nutrientes y mantenga condiciones adecuadas para los microorganismos.
Consigue mantener una tensión de 0,75 voltios durante 14 horas
Los primeros experimentos permitieron comprobar que la arquitectura tridimensional podía sostener la producción eléctrica durante varias horas.
En condiciones controladas de laboratorio y con un suministro constante de nutrientes, el prototipo mantuvo una tensión aproximada de 0,75 V durante al menos 14 horas.
El resultado demuestra que es posible combinar una estructura inspirada en tejidos biológicos con microorganismos capaces de participar en la generación de electricidad.
Sin embargo, es importante distinguir entre tensión eléctrica y potencia.
Una tensión de 0,75 V no significa necesariamente que el dispositivo pueda alimentar cualquier aparato electrónico. La energía aprovechable depende también de la intensidad de corriente suministrada y de las características de la carga conectada.
Por ahora, sus posibles aplicaciones se concentran en dispositivos de consumo muy reducido.
Tuberías de aguas residuales que alimentan sus propios sensores
Una de las aplicaciones más interesantes que contempla el equipo consiste en integrar estas biobaterías en infraestructuras de saneamiento.
Las aguas residuales contienen compuestos orgánicos procedentes de actividades domésticas, industriales y comerciales. Determinados microorganismos pueden utilizar estos materiales como fuente de nutrientes.
En teoría, una biobatería instalada en una tubería podría aprovechar parte de esa materia orgánica para generar electricidad.
El objetivo sería alimentar pequeños sensores directamente desde el entorno que deben supervisar, reduciendo la dependencia de baterías convencionales.
Esta tecnología podría resultar especialmente interesante para sistemas de monitorización de redes de alcantarillado, instalaciones de tratamiento de aguas y equipos de medición situados en lugares de difícil acceso.
No obstante, todavía se trata de una aplicación potencial.
El funcionamiento en aguas residuales reales plantea dificultades adicionales, como las variaciones en la composición del agua, la presencia de sustancias tóxicas para las bacterias, la acumulación de sedimentos y los cambios de temperatura.
Será necesario comprobar cómo responde el dispositivo ante estas condiciones antes de considerar su utilización fuera del laboratorio.
Una alternativa para reducir el uso de pilas convencionales
El interés ambiental de esta investigación no está relacionado con la producción de grandes cantidades de electricidad.
Las biobaterías microbianas no están diseñadas para competir con instalaciones solares, aerogeneradores o sistemas convencionales de almacenamiento energético.
Su principal atractivo consiste en aprovechar recursos orgánicos disponibles localmente para alimentar dispositivos que necesitan cantidades muy pequeñas de energía.
En determinadas aplicaciones, esto podría disminuir la frecuencia de sustitución de baterías y reducir las intervenciones de mantenimiento.
También permitiría explorar nuevas formas de recuperar una parte de la energía química contenida en residuos que actualmente requieren tratamiento.
Sin embargo, el balance ambiental de una biobatería debe evaluarse considerando todo su ciclo de vida.
La fabricación de hidrogeles, electrodos y membranas también consume materiales y energía. Por tanto, todavía no puede afirmarse que este prototipo sea ambientalmente superior a todas las alternativas existentes.
Tampoco debe confundirse la generación bioeléctrica con la depuración completa del agua: para demostrar una mejora en el tratamiento de aguas residuales sería necesario medir específicamente la eliminación de contaminantes.
Los investigadores quieren fabricar biobaterías más grandes y eficientes
El siguiente paso del proyecto consiste en perfeccionar la fabricación de estas estructuras mediante técnicas de impresión escalables.
Los científicos estudian cómo producir los componentes tridimensionales de manera más sencilla y reproducible, con la posibilidad de fabricar estructuras de mayor tamaño.
También investigan la distribución de las bacterias dentro del hidrogel.
En el intestino humano, los microorganismos asociados a la superficie intestinal interactúan con una capa mucosa que condiciona su distribución y acceso a los nutrientes.
Reproducir mejor esta organización podría ayudar a optimizar la actividad microbiana y mejorar la estabilidad del sistema.
Entre los principales desafíos pendientes se encuentran aumentar la potencia eléctrica, prolongar la vida útil y garantizar un funcionamiento fiable en condiciones ambientales cambiantes.
La investigación, publicada en la revista científica Small, constituye un nuevo ejemplo de biomímesis aplicada a la generación de energía.
Aunque todavía se encuentra en una fase experimental, demuestra cómo una estructura biológica especializada en absorber nutrientes puede inspirar dispositivos capaces de transformar la actividad de microorganismos en electricidad aprovechable.
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