Publicado en abril de 2011
EDUARDO CESARLa biocélula con jugo de caña es sometida a medición en el laboratorio de la UFABCEDUARDO CESAR
El jugo de caña de azúcar, ese aliado de los pasteles salados fritos de las ferias libres callejeras en Brasil, es un firme candidato a producir energía eléctrica en unas pequeñas cajas plásticas destinadas funcionar como baterías de celulares, reproductores de MP3 o incluso notebooks. Estos dispositivos, en los cuales los azúcares del guarapo actúan como combustible, y que llevan el nombre de biocélulas, constituyen una de las promesas más recientes surgidas en el campo de las fuentes energéticas alternativas. En 2007, la empresa Sony mostró uno de esos prototipos –existen varios en el mundo– alimentado con glucosa, destinado a abastecer de energía a un pequeño reproductor de música. Además de los azúcares, pueden utilizarse otros combustibles: etanol, metanol y agua de alcantarillado. En lo atinente al jugo de caña, la primera demostración estuvo a cargo de un grupo de investigación de la Universidad Federal del ABC (UFABC), con sede en la ciudad de Santo André, Región Metropolitana de São Paulo. La producción de electricidad a base de jugo de caña fue posible merced a la síntesis de una enzima en laboratorio que potencia la reacción química encargada de convertir el azúcar en electricidad.
Las biocélulas de combustible han surgido con una creciente importancia científica y tecnológica en los últimos años. Las publicaciones de estudios referentes a dichos dispositivos treparon desde comienzos de los años 1990. De los cinco artículos que salieron en revistas científicas en 1989 a los 240 publicados en 2010, de acuerdo con un trabajo de la profesora Adalgisa de Andrade, del Departamento de Química de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de la localidad paulista de Ribeirão Preto, de la Universidad de São Paulo (USP). Son estudios normalmente realizados en asociación entre diversas instituciones. Adalgisa, por ejemplo, desarrolla biocélulas que se valen del etanol como combustible, y mantiene una colaboración con la profesora Chelley Minteer, de la Universidad de Utah, Estados Unidos, coordinadora de un grupo que ya ha producido varios trabajos en el área. Frank Nelson Crespilho, coordinador del Grupo de Materiales y Métodos Avanzados de la UFABC que utiliza el jugo de caña en sus biocélulas, mantiene colaboraciones con la Universidad de Corea del Sur, la Universidad de Grenoble, Francia y, en el ámbito del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Electrónica Orgánica (Ineo), con la Universidad Federal do Piauí.
Uno de los focos de estos estudios relacionados con las biocélulas de combustible es la potencia, que aún es muy baja, lo que se transforma en un obstáculo para su implementación comercial. La biocélula elaborada en la UFABC, con jugo de caña y la nueva enzima, genera 60 milivatios (mW) por centímetro cuadrado (cm2) operando con una tensión de 0,39 voltios (V), lo que representa un 26% del voltaje de una pila tipo AAA, de 1,5 V. “Puede aumentarse el voltaje poniendo varias células a funcionar en serie”, afirma el profesor Frank Crespilho, coordinador del estudio. Ésa fue la fórmula hallada por Sony en su prototipo que generó 1,5 milivatio por cm2 y 0,8 V en total. El experimento de la empresa contó con el apoyo científico del profesor Kenji Kano, de la Universidad de Kioto, Japón.
La carrera tecnológica actual apunta precisamente a aumentar la potencia y el tiempo de funcionamiento de estos artefactos, que supera actualmente las 10 horas. Otras vertientes de los estudios tienen que ver con la generación de energía a partir de los desagües, al extraer electrones de la materia orgánica, y con la miniaturización que haría posible la instalación de estas células en el propio organismo humano. El combustible en ese caso, en lugar de ser el jugo de la caña de azúcar, podría ser la propia glucosa de la sangre. “Uno de los actuales retos con relación a las biocélulas de combustible consiste en ponerlas en microchips; elaborar una microbiocélula o una nanobiocélula implantable y que funcione como una batería de marcapasos, para liberar medicamentos en el organismo o para detectar niveles de glucosa”, dice el profesor Crespilho, quien, a los 32 años, es también jefe de la División de Propiedad Intelectual del Núcleo de Innovación Tecnológica de la UFABC. Para medir corrientes muy bajas en biocélulas extremadamente pequeñas, Crespilho y su equipo desarrollaron un software y compraron un aparato destinado a eliminar los ruidos de los cables de artefactos electrónicos y tratar las señales del ambiente, con financiamiento de la FAPESP.
Alta eficiencia
Las biocélulas funcionan de manera análoga a una batería, convirtiendo energía química en electricidad y en forma muy parecida a lo que sucede en las células de combustible que producen energía eléctrica –artefactos ya fabricados a pedido por algunas empresas, incluso en Brasil– con el hidrógeno como principal combustible. Son aparatos que normalmente poseen más de cinco kilovatios de potencia, lo suficiente como para abastecer con electricidad cómodamente a una casa para cuatro personas. Las biocélulas de combustible que están en la fase de investigación científica y tecnológica constituyen una promesa de producción de energía eléctrica alternativa porque, a ejemplo de sus primas mayores, tienen una alta eficiencia energética, pues gastan poco combustible en la conversión de energía en comparación con los motores de gasolina o gasoil, por ejemplo. Todo esto de manera silenciosa y sin dejar gran cantidad de gases o residuos contaminantes.
La ventaja que se vislumbra con esos pequeños aparatos radica en el aspecto biológico presente en los catalizadores, de origen orgánico, producidos con enzimas o microorganismos. Éstos promueven la reacción química necesaria para la producción de electricidad, en lugar del platino de las células de combustible, que es muy caro, por ejemplo. De esta forma, el equipo coordinado por Crespilho logró desarrollar una enzima sintetizada bajo la forma de un compósito formado por nanoestructuras de oxihidróxidos de hierro y un polímero orgánico llamado polidialidimetilamonio (PDAC), que se aplica en el cátodo, uno de los polos de un sistema electrolítico, es decir, una batería, que produce o deja fluir los electrones, en este caso extraídos de los azúcares del jugo de la caña, del lado del ánodo (vea en la ilustración). Otra mejora del grupo fue el uso de poliamida en la estructura de la célula, un producto barato y elegido casi que por casualidad en la visita a una fábrica de plásticos de Santo André.
Para entender este estudio bioelectroquímico, al cual, debido a la adopción de compuestos nanotecnológicos se le ha dado en llamar nanobioelectroquímica, es necesario recordar que las células de combustible –y también las bio– requieren elementos oxidantes y reductores para perder y ganar electrones. En las células se instala una membrana polimérica llamada membrana de intercambio de protones, emparedada entre los lados del ánodo y el cátodo de la biocélula. Como la corriente es continua, los electrones fluyen hacia el otro lado, y son recibidos en el otro polo. En la membrana pasan únicamente los átomos sin electrones, los protones. Crespilho también estudia biocélulas sin membranas entre ambos polos. “En ese caso, producimos una biocélula en la cual los electrodos se sumergen en una solución con glucosa, agua, peróxido de hidrógenio (H2O2), más conocido como agua oxigenada, y dos tipos de enzima, una glucosa oxidasa y la otra que es nuestra enzima con nanopartículas de óxido de hierro. Esa biocélula mostró su eficacia con una mayor velocidad en la reacción electroquímica que algunas que figuran en la literatura”, dice Crespilho.
“La enzima sintética que desarrollamos mimetiza un mecanismo natural de enzimas del tipo de las peroxidasas. De este modo, mientras se extraen los electrones de los azúcares para el ánodo, otros electrones se inyectan en el cátodo y la enzima sintética acelera la rotura de las moléculas de peróxido de hidrógeno”. De acuerdo con los investigadores, una enzima biomimética es más barata, estable y eficiente que las naturales. El trabajo desarrollado por el alumno de doctorado Marccus Victor Martins consistió en envolver el óxido de hierro en una capa del polímero orgánico sintetizado en forma de agujas. La enzima inmovilizada sobre un electrodo que contiene fibras de tela de carbono es sumergida en un medio salino, con el jugo de caña y otros aditivos que forman el ambiente natural de la enzima. “El problema mayor es mantener la estabilidad de la misma durante más de 10 horas. Si la enzima se degrada, la corriente cae”, dice Crespilho, quien encabeza el grupo desde hace tres años en la universidad inaugurada hace cinco años.
Sin perturbar
Los experimentos del grupo de Crespilho también abarcan otra posibilidad ubicada en el mundo de las biocélulas: el uso de microorganismos como la levadura Saccharomyces cerevisiae, la misma presente en la fermentación del etanol, del pan y la cerveza. “Son microorganismos que digieren el azúcar”, dice Crespilho. “La mayor dificultad consiste en extraer electrones sin perturbar o matar a la Saccharomyces”. Mediante una serie de estrategias químicas, los investigadores lograron tanto mantener al microorganismo como producir electricidad con éste inmovilizado en un electrodo de carbono. De acuerdo con la literatura científica, más de 20 microorganismos, principalmente bacterias, se han utilizado con éxito en experimentos con biocélulas.
El uso de electrodos con microorganismos no se encuentra en el campo de estudios de la profesora Adalgisa de Andrade, de la USP de Ribeirão Preto, quien escribió un artículo en el cual efectúa un resumen de las actividades relacionadas con las biocélulas enzimáticas en todo el mundo en 2010. Andrade desarrolla biocélulas que emplean etanol como combustible, compuestas por enzimas que rompen el alcohol, como las deshidrogenasas presentes incluso en el hígado para la digestión de bebidas alcohólicas. El más reciente resultado del grupo que ella lidera es el desarrollo de ánodos con nanoestructuras inmovilizadas, que contienen polímeros orgánicos y deshidrogenasas más estables, con mayor densidad de corriente eléctrica y que funcionan hasta 90 días.
“Hicimos un trabajo de mezclar enzimas y polímeros y ponerlos encima de la superficie de carbono preparada para recibir electrones, además de orientar esas capas para que el electrodo se vuelva más estable y con una potencia mayor”, dice Adalgisa, quien contó durante los estudios con la colaboración de la posdoctoranda Juliane Forti. Con estos nuevos arreglos, su grupo logró que una biocélula con una potencia de 0,28 milivatios por cm2 funcionase con etanol. Adalgisa y Frank Crespilho forman parte de un selecto grupo de investigadores que heredaron el desarrollo de las biocélulas del profesor Michael Potter, de la Universidad de Durham, en el Reino Unido, quien en 1912 demostró la producción de electricidad con bacterias Escherichia coli en un sustrato orgánico. La primera biocélula elaborada únicamente con enzimas surgió más de 50 años después, en 1964, de la mano de un grupo de investigadores de la empresa Space-General Corporation, de California, Estados Unidos. Es un largo camino que, al cabo algunos años más, podrá resultar en una nueva alternativa energética.
Los proyectos
1. Interacción entre biomoléculas y sistemas celulares con nanoestructuras OD, 1D, 2D utilizando métodos electroquímicos n. 2009/ 15558-1 2. Desarrollo de una biocélula de combustible utilizando enzimas alcohol dehidrogenasa inmovilizadas por automontaje n. 2008/ 05124-1 Modalidad 1 y 2 – Ayuda Regular a Proyecto de Investigación Coordinadores 1. Frank Nelson Crespilho – UFABC 2. Adalgisa Rodrigues De Andrade – USP Inversión 1. R$ 92.262,80 y US$ 50.821,57 (FAPESP) / 2. R$ 73.622,30 y US$ 29.031,76 (FAPESP)
Artículos científicos
1. Martins, M.V.A.; Bonfim, C.; Silva, W.C.; Crespilho, F.N. Iron (III) nanocomposites for enzyme-less biomimetic cathode: A promising material for use in biofuel cells. Electrochemistry Communications. v.12, n.11, p. 1.509-12. 2010.
2. Aquino Neto, S.; Forti, J.C.; Zucolotto, V.; Ciancaglini, P.; De Andrade, A. R. Debelopment of nanostructured bioanodes containing dendrimers and dehydrogenases enzymes for application in ethanol biofuel cells. Biosensors and Bioelectronics. v. 26, p. 2.922-26. 2011.
