Celdas simples de biocombustibles: el superpoder de la levadura para hornear Teach article

Author(s): Rebecca Grandrath, Claudia Bohrmann-Linde
Translator(s): Kethrin Lases-Johnson

Las reacciones redox que se realizan con levadura para hornear, un ingrediente de precio accesible, pueden ser útiles también para mostrar en el aula lo qué son las celdas de biocombustible.

La transición energética – que va desde la producción de energía a partir de la combustión de fósiles hasta la de fuentes renovables- es uno de los principales retos a nivel global en este siglo. Ya que las celdas de combustible pueden tener un papel clave en la transición energética, deben ser una parte integral en la enseñanza de la química. Además de las celdas de hidrógeno, se pueden utilizar otros sistemas de combustible y de catalizadores, como las celdas de biocombustibles, que pueden tener un gran rango de aplicaciones. Las celdas de biocombustibles también enlazan     diferentes tópicos científicos del plan de estudios, que incluyen varios temas científicos como enzimas, metabolismo, microbiología, reacciones redox y electroquímica, y la producción de energía. Por lo tanto, son una excelente oportunidad para profundizar en el entendimiento de estos conceptos en el contexto del mundo real, y para demostrar la importancia del enfoque multidisciplinario en el ámbito de la ciencia.

Celdas de biocombustibles

A los sistemas que utilizan a los microorganismos o a las enzimas como catalizadores en celdas de biocombustibles, se les denomina celdas de combustibles biológicos. Se operan bajo condiciones suaves, como presión normal y temperaturas que van de 4 a 37°C. Normalmente se construyen como un sistema de dos cámaras.

Ilustración esquemática de una celda de combustible biológica construida como un sistema de dos cámaras.
Imagen cortesía de los autores

El combustible, al cual nos referimos aquí como sustrato, se inyecta del lado del cátodo en donde se oxida. Si se emplea un oxidante inorgánico en el lado del cátodo, a este también se le denomina como sustrato. Para que la celda opere de forma continua, los reactivos correspondientes se deben inyectar en la celda y los productos se deben remover continuamente. Los catalizadores pueden estar inmóviles en uno de los electrodos o distribuidos en la solución circundante. En celdas de combustible microbiano (MFCs por sus siglas en inglés, microbial fuel cells) se puede usar una gran variedad de sustratos, hasta materiales de desecho. El área donde se aplican más ampliamente es en el tratamiento de aguas residuales, junto con la generación simultánea de electricidad.[1,2]

Las celdas de combustible biológico, y por lo tanto las MFC, no están bien representadas en los colegios en la actualidad. En el currículo (alemán) solamente se encuentran las celdas de combustible de hidrógeno-oxígeno, que son el tipo más común actualmente. En este artículo, nos enfocaremos en la levadura para hornear y su aplicación como biocatalizador en experimentos adecuados para realizar en el colegio. Ya que es un biocatalizador que se puede adquirir a un precio razonable en el supermercado, los montajes del experimento son de bajo costo y no son tóxicos. Además, los alumnos/as podrían ya saber acerca del metabolismo de la levadura gracias a sus experiencias en la vida cotidiana, por lo que el principio de cómo funcionan estas celdas se puede entender fácilmente con estos experimentos. Los experimentos son para estudiantes de 11 años en adelante. Pueden explorar cómo se usa la levadura para hornear como biocatalizador (Actividad 1) y cómo funciona en general una celda de combustible (Actividad 2). La Actividad 2 es un experimento modelo de una celda de combustible biológico, que tiene la limitación de que no hay suplemento continuo del sustrato o retiro del producto.

Actividad 1: Demostración de la actividad redox de la levadura para hornear

Este experimento simple demuestra que durante el metabolismo de la levadura para hornear se liberan electrones. Para este propósito, se usa el indicador redox azul de metileno. Cuando el azul de metileno acepta electrones, cambia de color azul a la forma leuco incolora.

Reducción del azul de metileno a la forma leuco incolora
Imagen cortesía de los autores

Esta actividad se puede considerar como introducción al principio del funcionamiento de una celda de combustible microbiano. Las instrucciones ilustradas para la Actividad 1 están disponibles en los materiales de apoyo. La versión básica de esta actividad dura alrededor de 15 minutos. El experimento se puede repetir a diferentes temperaturas para demostrar la influencia de la temperatura en los procesos metabólicos. Por ejemplo, la decoloración tarda menos tiempo a 30°C porque esta temperatura es más cercana a la temperatura óptima del metabolismo que la temperatura ambiente.

Materiales

  • Un vaso de precipitado de 25 ml
  • Barra agitadora
  • Parrilla de calentamiento
  • Levadura seca (2 g)
  • Agua destilada (30 ml)
  • Glucosa o sacarosa (4 g)
  • Solución de azul de metileno (4 – 6 gotas, c = 0.1 mol/l)
  • Un dispositivo electrónico para tomar una fotografía (ejem. teléfono móvil)

Procedimiento

  1. Suspende 1 g de levadura seca en 15 ml de agua destilada, dentro de un vaso de precipitado.
  2. Agrega 2 g de glucosa o sacarosa a la suspensión de levadura y agita      la mezcla.
  3. Agrega 2-3 gotas de la solución de azul de metileno a la suspensión y agita. Explica a los estudiantes que el azul de metileno es un indicador redox que acepta electrones y se vuelve incoloro en un entorno reductor.
  4. Toma una fotografía de la suspensión como referencia.
  5. Deja la suspensión sin agitar hasta que se observe un cambio significativo de color.
  6. Anota el tiempo que tarda en cambiar de color.
  7. Opcional: repite la actividad sobre una parrilla de calentamiento a 30°C. ¡Cerciórate de agregar una cantidad comparativa de solución de azul de metileno!

Resultados y discusión

Después de unos minutos se puede observar en la solución azul inicial la formación de un gas incoloro y de espuma, así como también la decoloración.

Un vaso de precipitado que contiene un líquido azul (a) y otro vaso de precipitado que contiene un líquido beige (b).
a) La suspensión azul inicial. b) La suspensión después de unos cuantos minutos.
Imagen cortesía de los autores

Se pueden hacer las siguientes preguntas para guiar la discusión sobre el experimento:

  • ¿Qué significa el cambio de color?
  • ¿Qué tipo de reacción ocurre en las células de levadura?
  • ¿De dónde vienen los electrones que causan la decoloración del azul de metileno?
  • ¿Por qué la decoloración tarda menos tiempo a 30°C que a temperatura ambiente?

La hoja con las respuestas se encuentra en los materiales adicionales.

Actividad 2: Una celda de combustible microbiano construida con levadura para hornear

En el sistema que se describe abajo, la levadura para hornear actúa como un biocatalizador. El montaje de la celda de combustible microbiano es simple y solamente incluye los componentes necesarios. La estructura con dos recipientes es muy fácil de construir, ya que es muy similar a la de las celdas galvánicas, que son muy conocidas. Las instrucciones ilustradas para la Actividad 2 se encuentran en el material adicional.

Imagen de un dispositivo electrónico que muestra cómo la levadura para hornear actúa como un biocatalizador.
Una celda de combustible microbiano simple con levadura para hornear
Imagen cortesía de los autores

La construcción y operación de la celda dura alrededor de 20 min.

Materiales

  • Dos vasos de precipitado de 25 ml
  • Dos pinzas cocodrilo y dos cables
  • Dos clavos de fierro/hojas de fierro como electrodos
  • Papel higiénico como puente de electrólitos
  • Multímetro (U, I)
  • Barra agitadora
  • Soporte universal y pinzas
  • Levadura seca (1.5 g)
  • Agua destilada (125 ml)
  • Glucosa o sacarosa (12.5 g)

Procedimiento

  1. Suspende 1.5 g de levadura seca en 25 ml de agua destilada en un vaso de precipitado.
  2. Prepara 100 ml de solución de glucosa o sacarosa (10% en peso) en el otro vaso de precipitado.
  3. Tuerce un pedazo de papel higiénico para que actúe como un puente de sal de bajo costo.
  4. Agrega 2.5 g de glucosa o sacarosa a la suspensión de levadura mientras agitas la mezcla     .
  5. Introduce los electrodos de fierro en la celda y conecta      los dos vasos de precipitado con el puente de sal.
  6. Empieza a medir el voltaje inmediatamente. Mide la corriente después de 10 min.

Resultados y discusión

La diferencia de potencial, y por lo tanto, el voltaje medible se producen a causa de la actividad metabólica de la levadura en el compartimento del ánodo. En esta celda, se mide un voltaje de hasta 400 mV, a una temperatura de 20°C. A medida que disminuye la concentración del sustrato en el compartimento del ánodo y el pH, la actividad metabólica de la levadura decae, por lo que los voltajes bajan hasta cero. La corriente que se mide después de 10 min es de aproximadamente 30 µA, insuficiente para operar una carga.

Las reacciones simplificadas del metabolismo con la glucosa como sustrato se pueden formular para el contexto escolar como se muestra abajo:

Si se lleva a cabo el experimento con sacarosa, esta se separa como glucosa y fructosa. Ambas se oxidan y producen dióxido de carbono, el cual se observa como burbujas de gas. El sustrato preferido de la levadura es la glucosa porque no necesita hidrolisis y se puede convertir directamente en la ruta metabólica de la glucólisis. Por lo tanto, cuando se usa la glucosa, el voltaje se puede medir inmediatamente. Si se usa la sacarosa, el voltaje tarda un momento en incrementar debido a la formación necesaria de los monosacáridos. El oxígeno actúa como el receptor final de electrones dentro de la cadena respiratoria. Esto se demuestra con la reacción en el cátodo.

Las preguntas siguientes pueden ayudar en la discusión de las observaciones y para entender los procesos fundamentales:

¿Qué ocasiona el voltaje que se mide en la Actividad 2?

¿Cómo se puede mejorar la eficiencia?

Enlista los límites del experimento de la celda de combustible, ¿por qué es solo un experimento de demostración?

La hoja con las respuestas se encuentra en el material adicional.

Discusión

Al hacer estas dos actividades los/as estudiantes aprenden el principio básico del funcionamiento de las celdas de combustible. Se ha desarrollado un montaje aún más pequeño, de un solo recipiente, para realizar el experimento con la levadura como biocatalizador en el contexto escolar.[3] La eficiencia es mayor que en el montaje con dos recipientes, pero aún muy baja como para operar un motor pequeño. Sería muy útil hacer estos experimentos en el contexto de la transición energética, quizá en colaboración con el departamento de física. Los/as estudiantes pueden investigar los diferentes tipos de celdas de combustibles y sus aplicaciones potenciales, o hacer una comparación entre las diversas tecnologías para producir energía.

Se pueden encontrar otros materiales sobre diferentes tipos de celdas de combustible microbiano (en alemán) del departamento de educación química de la Universidad de Wuppertal,[4] o se pueden solicitar al autor. Los materiales se traducen constantemente al inglés.

References

[1] Santoro C et al. (2017) Microbial fuel cells: from fundamentals to applications. A review. Journal of Power Sources 356: 225–244. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.03.109

[2] Kumar R et al. (2018) Microbial fuel cell is emerging as a versatile technology: a review on its possible applications, challenges and strategies to improve the performances. International Journal of Energy Research 42: 369–394. doi: 10.1002/er.3780

[3] Grandrath R, Bohrmann-Linde C (2019) Teaching sustainability in the chemistry classroom: exploring fuel cells in simple hands-on experiments with hydrogen, sugar and alcohol. World Journal of Chemical Education 7: 172–178. doi: 10.12691/wjce-7-2-17

[4] Sitio web del grupo de trabajo en educación química de Wuppertal: https://chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/index.php?id=4859&L=0

Resources

Author(s)

Claudia Bohrmann-Linde es una profesora de educación química en la Universidad de Wuppertal, Alemania. La Dra. Rebecca Grandrath es una investigadora postdoctoral dentro del grupo de Bohrmann-Linde. En junio del 2021 concluyó su doctorado enfocado al tema de las celdas de combustible (biológico) en las escuelas.

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CC-BY

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