- La batería bacteriana desarrollada por los investigadores se inspira en la estructura de las vellosidades intestinales del intestino delgado humano.
- La batería mantiene una salida de aproximadamente 0.75 voltios durante 14 horas.
- La batería impulsada por bacterias genera electricidad a través de la actividad metabólica de los microorganismos y puede instalarse en tuberías de aguas residuales.
- La investigación aún se encuentra en una etapa temprana y se necesita mejorar la distribución de las bacterias para aumentar el rendimiento.
Investigadores de la Universidad de Binghamton han desarrollado una batería impulsada por bacterias, inspirada en el intestino delgado humano, que mantiene una salida de aproximadamente 0.75 voltios durante un periodo de 14 horas. Este dispositivo utiliza una estructura flexible y similar a dedos, inspirada en las vellosidades intestinales, diseñada para proporcionar más espacio para el crecimiento de las bacterias, al mismo tiempo que mejora la entrega de nutrientes y la eliminación de desechos. Estas pequeñas proyecciones suelen ayudar al intestino a absorber nutrientes, lo que contribuye a mejorar el modelo de generación de electricidad utilizando bacterias formadoras de esporas. El equipo de investigación utilizó un hidrogel de polímero flexible para fabricar estas estructuras, en las que se incorporaron Bacillus subtilis.
Estas estructuras actúan como el ánodo de la batería, y la actividad de las bacterias contribuye a la generación de electricidad. El equipo indicó que esta tecnología podría instalarse en tuberías de aguas residuales, utilizando desechos orgánicos como fuente de nutrientes para generar electricidad para dispositivos de bajo consumo.
Cómo funciona la batería bacteriana
Las baterías impulsadas por bacterias generan electricidad aprovechando la actividad metabólica de los microorganismos. Sin embargo, su rendimiento depende en parte de la efectividad con la que las bacterias absorben nutrientes y eliminan desechos. Los electrodos bidimensionales tradicionales ofrecen una superficie limitada para el crecimiento bacteriano. Aunque los materiales porosos proporcionan espacio adicional, pueden obstruirse a medida que las bacterias forman biopelículas, limitando el movimiento de nutrientes y desechos. "Las estructuras porosas son susceptibles a la formación de biopelículas, por lo que enfrentamos muchos problemas relacionados con la entrega de nutrientes, la acumulación de desechos o el crecimiento desigual de biopelículas", comentó el profesor Choi Seok-Hoon, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Computación de la Universidad de Binghamton.
Para abordar estos problemas, el profesor Choi y sus estudiantes de doctorado, Zhang Ruohan y Wang Botian, se volvieron hacia la estructura del intestino delgado. Las vellosidades intestinales proporcionan una mayor superficie mientras permiten que los nutrientes se muevan a distancias relativamente cortas. Los investigadores intentaron reproducir estas ventajas en los electrodos flexibles de la batería.
Aplicaciones futuras y desafíos
Crearon proyecciones en forma de dedo a partir de un hidrogel de polímero comúnmente utilizado en aplicaciones biomédicas. Este material les permitió construir estructuras tridimensionales que pueden albergar bacterias distribuidas por todo el electrodo. La estructura que contiene las bacterias forma el ánodo, mientras que el cátodo de tela de carbono mejorado se encuentra en el lado opuesto de la membrana de intercambio iónico. Estos componentes trabajan juntos para permitir que el dispositivo genere electricidad cuando las bacterias metabolizan los nutrientes. Los investigadores imaginan colocar versiones futuras de la batería biológica en tuberías de aguas residuales, permitiendo que los microorganismos utilicen materia orgánica en el agua como combustible. "Podemos colocar esta batería biológica en tuberías de aguas residuales porque puede integrarse fácilmente con el entorno circundante", afirmó el profesor Choi.
El hidrogel flexible permite que la batería se adapte a diferentes formas y tamaños de tuberías. Este tipo de sistema podría eventualmente proporcionar energía a pequeños sensores sin necesidad de baterías tradicionales.
Sin embargo, la investigación aún se encuentra en una etapa temprana. El voltaje reportado se mantuvo bajo condiciones de suministro continuo de medio nutritivo, y el equipo aún no ha demostrado el funcionamiento del sistema dentro de tuberías de aguas residuales. Los investigadores también esperan simplificar la fabricación mediante un proceso de impresión de un solo paso, lo que haría que la estructura sea más fácil de producir a gran escala. Otro objetivo es mejorar la distribución de las bacterias dentro del dispositivo. En el intestino humano, los microorganismos se concentran principalmente en la capa de moco cerca de la superficie de las vellosidades intestinales. El diseño actual incorpora bacterias en todo el hidrogel. El trabajo futuro explorará si reproducir más condiciones físicas y químicas del intestino puede ayudar a mantener la actividad de las bacterias y mejorar el rendimiento.
Los resultados de la investigación se han publicado en la revista Small.
Aplicaciones potenciales y direcciones de desarrollo de las baterías bacterianas
El desarrollo de baterías impulsadas por bacterias demuestra el potencial de la biotecnología en el campo de la energía, especialmente en la generación de electricidad a partir de materia orgánica en aguas residuales. Esta tecnología no solo puede proporcionar energía continua para dispositivos de bajo consumo, sino que también puede reducir el impacto ambiental de las baterías tradicionales. Sin embargo, la tecnología enfrenta actualmente desafíos, incluidos problemas de distribución efectiva de las bacterias y formación de biopelículas. La investigación futura se centrará en cómo optimizar estos factores para mejorar el rendimiento de la batería y promover su aplicación comercial.