Dispositivo biofotovoltaico de cianobacterias impresas para generar electricidad
Actualizado el jueves, 23 marzo, 2023
En este artículo científico, se demuestra cómo con una impresora estándar de tinta se pudo crear un dispositivo biofotovoltaico con cianobacterias impresas en él, capaz de generar electricidad para aparatos o dispositivos de bajo consumo, lo que abre las puertas a nuevas fuentes de energía para el futuro.
Presentación
“Electricity generation from digitally printed cyanobacteria” (“Generación de electricidad a partir de cianobacterias impresas digitalmente”), es un artículo científico publicado en la revista Nature Communications en Noviembre de 2017, realizado por Sawa, M., Fantuzzi, A., Bombelli, P., Howe, C. J., Hellgard, K., y Nixon, P. J.; en el que se demuestra la viabilidad de utilizar una impresora de inyección de tinta comercial simple para fabricar una célula biofotovoltaica que consiste en una capa de células de cianobacterias impresas sobre una superficie conductora de nanotubos de carbono, para generar electricidad para dispositivos de baja potencia.
Actualmente, existe un gran interés en utilizar microorganismos vivos para producir corriente eléctrica para uso en “electrónica verde”. Durante mucho tiempo, el foco principal ha sido el uso de bacterias heterótrofas para convertir los sustratos de carbono orgánico en una salida eléctrica, en las llamadas celdas de combustible microbianas (MFC). Más recientemente, se han utilizado con éxito cianobacterias fotoautotróficas y algas unicelulares para producir un tipo mínimo de MFC, denominado célula biofotovoltaica (BPV), que funciona en ausencia de una materia prima de carbono adicional. En su lugar, cuando hay luz, los electrones se liberan durante el proceso de fotosíntesis oxigénica, y en la oscuridad, durante la oxidación de carbohidratos u otros compuestos que contienen carbono sintetizados a partir de dióxido de carbono, y utilizando agua como fuente de electrones. Por lo tanto, los dispositivos BPV, son capaces de proporcionar energía tanto en la luz como en la oscuridad, en contraste con los sistemas fotovoltaicos que son impulsados únicamente por la luz. Además, las células biofotovoltaicas, pueden reparar el daño inducido por la luz en el aparato fotosintético, por lo que son más duraderos. Estas características, sugieren que los dispositivos BPV podrían jugar un papel como fuentes de alimentación respetuosas con el medio ambiente para su uso en aplicaciones de bajo consumo.
Los dispositivos BPV convencionales, se fabrican mediante la deposición inducida por la gravedad de las células del cultivo líquido sobre una superficie de electrodo. Esto, tiene varios inconvenientes para la escalabilidad: los dispositivos son relativamente voluminosos debido a la presencia de un depósito de líquido, el proceso de sedimentación es prolongado, y existe un margen limitado para la ingeniería de precisión del electrodo.
Investigando sobre posibles alternativas, los científicos de este trabajo nos describen tres innovaciones para mejorar la miniaturización y la producción a gran escala de celdas BPV. Así pues, demuestran la viabilidad de usar una impresora de inyección de tinta comercial simple para fabricar una célula biofotovoltaica basada en una película delgada de papel, que consiste en una capa de células de cianobacterianas impresas sobre una superficie conductora de nanotubos de carbono, las cuales son capaces de generar una corriente eléctrica sostenida tanto en la oscuridad (como una ‘bio-batería solar’), como en respuesta a la luz (como un ‘panel bio-solar’), con aplicaciones potenciales en dispositivos de baja potencia.
En segundo lugar, también demuestran que la impresión de inyección de tinta se puede utilizar para fabricar las partes no biológicas y biológicas de un ‘bioelectrodo’, y que este bioelectrodo impreso, produce una corriente eléctrica a niveles similares al bioelectrodo tradicional utilizado en dispositivos BPV y es capaz de alimentar un pequeño reloj digital o luz LED de baja potencia.
Y finalmente, utilizaron la impresión por chorro de tinta para fabricar una celda BPV “semiseca de película delgada”, en la que se usa un gel absorbente de agua para reemplazar el incómodo depósito de líquido. Este tipo de dispositivo BPV, es capaz de producir una corriente sostenida durante más de 100h.
Métodos de trabajo
A continuación, os contamos lo métodos de trabajo que siguieron los investigadores para realizar sus experimentos.
Preparación celular y suspensión celular de biotinta
Se usó Synechocystis sp. PCC 6803 para los experimentos de electroquímica y para la prueba de viabilidad, y el tipo salvaje tolerante a la glucosa (WT-G) 50, para el experimento de fluorescencia de clorofila Modulado por Amplitud de Pulso (PAM). Synechocystis es un género de cianobacterias de agua dulce, representado principalmente por la cepa Synechocystis sp. PCC6803, capaz de crecer tanto en condiciones de luminosidad, realizando la fotosíntesis oxigénica (fototrofia), como en oscuridad, mediante glucólisis y fosforilación oxidativa (heterotrofia). Su expresión genética está regulada por un reloj circadiano, por lo que el organismo puede anticipar eficazmente las transiciones entre las fases de luz y oscuridad.
La cepa WT-G se cultivó en medio BG-11 50 y Synechocystis PCC 6803, en medio BG-11 que contenía NaCl al 3,6%, sedimentado por centrifugación y resuspendido en 1/100 de medio BG-11 fresco. Las resuspensiones de células concentradas, se reconstituyeron para formar un “bioink” o “biotinta” en un tubo Falcon, y se mantuvieron en dicho recipiente hasta antes del proceso de impresión.
Para el experimento de crecimiento, un cultivo líquido de la cianobacteria Synechococcus sp. se cultivó en medio A + 49 complementado con micronutrientes, las células se concentraron como antes, y después se cultivaron a 30°C, con una irradiancia de 20-30µE m -2 s -1 de luz blanca fluorescente; y el papel utilizado, fue un papel de copia, blanco, A4, 80gm, sin ningún tipo de recubrimiento o manipulación.
Preparación de los cartuchos de impresión
Para ayudar a minimizar la obstrucción o el daño a Synechocystis durante la impresión, se utilizó una impresora de inyección de tinta Deskjet 340 Hewlett-Packard (HP) que contiene un cartucho de tinta con una boquilla de 50µm de ancho, una de las más grandes disponibles comercialmente. Además, la tecnología de inyección de tinta térmica utilizada por dicha impresora, también es más benigna para la impresión de celdas que la tecnología de inyección de tinta piezoeléctrica.
Así pues, los cartuchos de tinta Hewlett-Packard (HP) Deskjet 340 y HP 33, se utilizaron para la impresión de las cianobacterias sin ninguna modificación. El cartucho se vació de la tinta, se limpió y se esterilizó, enjuagándolo con agua desionizada y etanol. El cartucho estéril, se llenó luego con el bioink, usando una micropipeta. Se dejó reposar el cartucho lleno durante un máximo de 10 minutos para estabilizar la presión del aire interior. Siguiendo este proceso, se insertó en el dispositivo de impresión. El interior de la impresora se esterilizó con etanol cuando fue posible. Las hojas del papel de copia se calentaron con microondas en fundas protectoras de plástico durante 3 a 5s, para la esterilización, y se introdujeron en la impresora.
Las primeras impresiones se hicieron para eliminar el agua restante (de la limpieza) en la cámara de presión y el cabezal de impresión. Las celdas impresas en papel, se dejaron secar al aire en condiciones ambientales y la “impresión” se transfirió a la placa de agar dentro de la hora de impresión. Para el crecimiento, la placa fue incubada.
Impresión del bioelectrodo
El patrón del circuito del electrodo impreso se diseñó utilizando el software de diseño gráfico Adobe Illustrator. En primer lugar, los CNT se imprimieron con la misma impresora de inyección de tinta en cinco capas, para preparar un circuito de electrodos a medida sobre papel, con electrodos de ánodo y de cátodo con una relación de tamaño de 1:2. En segundo lugar, las células de Synechocystis se imprimieron en cinco superposiciones sobre las áreas anódicas impresas.
Los módulos impresos BPV, consistían en un ánodo y un cátodo en zigzag, con áreas de superficie de 1,36cm 2 y 2,73cm 2, respectivamente. Para los experimentos de estabilidad, se conectaron en serie dos módulos BPV impresos con el patrón de zigzag. Las células recién impresas en los módulos de BPV, se transfirieron a una placa de agar BG-11 dentro de la hora de impresión y se incubaron a 30°C, bajo iluminación continua de 10W m −2 s −1 de lámparas fluorescentes blancas durante 3-4 días.
Análisis de viabilidad de cianobacterias impresas
La viabilidad celular de Synechocystis PCC 6803 impresa, se analizó comparando el número de colonias antes y después de la impresión. El cultivo se hizo crecer en medio con alto contenido de sal, y las células se sedimentaron y resuspendieron para formar bioink. Usando la misma impresora y cartucho de tinta, como se describió anteriormente, el bioink se imprimió digitalmente en un cubreobjetos de vidrio microscópico y las células impresas se resuspendieron inmediatamente con agua destilada y se recogieron como una solución. Se midió que la DO 730 de la suspensión era de 0,066, usando un espectrofotómetro Shimadzu UV-1601. Se tomó una muestra de la suspensión de células antes de la impresión del bioink no utilizado y se ajustó su DO 730 a la de la suspensión de células impresas. La suspensión de células se diluyó en serie (x 0,1, x 0,01, x 0,001), se colocó una gota de 3µl de cada una de las suspensiones en medio sólido (BG-11, agar 1,5% p/p), y se incubó a 30°C, bajo iluminación continua de 40µE m −2 s −1 de lámparas fluorescentes blancas. Después, se extrajo la clorofila y se determinó la cantidad.
Sistemas BPV híbridos e impresos para probar el bioelectrodo impreso
El bioelectrodo impreso se probó en dos sistemas diferentes: uno con bioánodo impreso emparejado con un cátodo de carbono platinizado (sistema híbrido BPV), y el otro, con ánodo y cátodo impresos (sistema BPV impreso).
En el bioelectrodo híbrido, se usó como un ‘bioánodo’ de cianobacterias impresas colocado sobre un cátodo hecho de papel carbón-Pt. El ánodo y el cátodo se ensamblaron de tal manera que se evitara el contacto directo, para evitar cortocircuitos. Se usó una malla metálica de acero inoxidable de grado marino como contacto para el cátodo, y un anillo de acero inoxidable de grado marino para poner en contacto el bioánodo impreso. Se utilizó un vaso de plexiglás para crear la cámara anódica, en el que se colocaron ~ 60ml de medio BG-11 por encima de las células.
El sistema BPV impreso, por su parte, se montó primero incubando un bioelectrodo impreso, formado por ánodo y cátodo, en la placa de agar durante 4 días y luego retirándolo de la placa y cubriéndolo con una película de hidrogel sobre el ánodo y el cátodo. El hidrogel tenía un espesor de aproximadamente 1mm que contenía el medio y actuaba como un puente salino entre el ánodo y el cátodo. Además, el hidrogel era transparente, lo que permitió una iluminación sin obstáculos sobre la superficie de las células fotosintéticas depositadas. Los contactos de los electrodos fueron secados, limpiados y conectados con conectores de carbono. Los contactos se aislaron para evitar la interferencia de la humedad durante las mediciones. El sistema ensamblado, se colocó luego dentro de un acuario esférico, donde se controló el 100% de humedad relativa y la iluminación LED blanca (50µE m −2 s −1).
Alimentando un reloj digital y un LED
Para alimentar el reloj digital, se organizó una matriz formada por 9 celdas híbridas BPV en 3 grupos conectados en paralelo, donde cada grupo tenía 3 unidades conectadas en serie.
Por su parte, el intermitente LED de corriente ultra baja, fue fabricado por el Taller de Electrónica, Departamento de Psicología, Universidad de Cambridge. Para alimentar dicho LED, la matriz de las 9 células BPV se organizaron en serie. Se colocó un circuito de generación de impulsos entre el LED y la matriz de BPV.
En ambos casos, se utilizaron un voltímetro y un amperímetro para medir el potencial (Volt) y la corriente (Amperio), respectivamente, y se proporcionó iluminación constante en todo (100µE m −2 s−1).
Pruebas de electroquímica
Para el sistema híbrido BPV, las curvas de polarización se registraron realizando voltametrías de barrido lineal (LS) en ausencia y en presencia de luz (100µE m −2 s −1). Las mediciones se llevaron a cabo con un Autolab PGSTAT12 (Metrhom / EcoChimie, Países Bajos), conectado a un ordenador. La corriente se midió conectando el dispositivo BPV a un potenciostato, con un sistema de dos electrodos y ajustando el voltaje a 0V, para medir la salida de corriente máxima.
Para el sistema BPV impreso, la corriente se midió con un multímetro digital con una carga de 1MΩ, conectado en paralelo. La iluminación se proporcionó mediante LEDs blancos (50 µE m −2 s −1) y se colocó a aproximadamente 50cm por encima de la superficie del BPV impreso, momento en el que se midió la intensidad de la luz.
Resultados del experimento de usar cianobacterias impresas en un dispositivo biofotovoltaico
A continuación, se explican los resultados obtenidos por los científicos, tras aplicar los métodos de trabajo en sus experimentos con cianobacterias impresas para obtener electricidad.
Cianobacterias impresas
Los experimentos iniciales revelaron que las células de Synechocystis impresas en papel ordinario, podían crecer sobre una placa de agar. El papel se considera cada vez más como un candidato atractivo para el desarrollo de productos electrónicos desechables, debido a las ventajas de bajo costo, disponibilidad generalizada, flexibilidad y respeto por el medio ambiente.
El análisis de la fluorescencia de la clorofila utilizando un fluorómetro Modulado por Amplitud de Pulso (PAM), confirmó que las células incubadas eran fotosintéticamente competentes. La eficiencia cuántica máxima del fotosistema II (PSII), se encontró que era de aproximadamente 0,4, lo cual está en buena concordancia con los valores medidos para cianobacterias en cultivos líquidos.
El proceso de impresión no afectó la viabilidad celular, en base a una comparación del número de unidades formadoras de colonias antes y después de la impresión. Para la suspensión celular más diluida tomada después de la impresión, se contaron 90.5 ± 10.6 colonias, mientras que se contaron 87.5 ± 12.0 colonias antes de la impresión, donde la diferencia entre estos valores no es estadísticamente significativa. Asimismo, la concentración de clorofila de las células impresas en papel después de la incubación, fue de aproximadamente 50µg cm −2, que es similar a la de una hoja de planta.
El crecimiento de células de cianobacterias impresas en otros soportes porosos (papel de arroz comestible, nano papel, tela tejida) y no porosos (plástico recubierto por inyección de tinta, poli tereftalato de etileno revestido con óxido de indio y estaño (ITO-PET)), fue mucho menor que en el papel, probablemente debido a que estos materiales carecen de la estructura microporosa del papel, requerida para una alta absorción de agua, y la matriz fibrosa necesaria para una absorción eficiente. También se probó una metodología alternativa basada en impresoras de inyección de tinta de microválvulas neumáticas, adoptadas en la impresión de celdas para biofabricación; sin embargo, los grandes volúmenes dispensados por este sistema, llevaron a una sobre humectación del sustrato de papel, lo que dificultó la deposición precisa y uniforme de las células cianobacterianas.
Construcción del bioelectrodo impreso
Para probar las propiedades electrogénicas de las cianobacterias impresas, fabricaron un bioelectrodo, que se define como la combinación de organismos fotosintéticos con un material de electrodo inerte. El bioelectrodo de cianobacterias impresas, se imprimió en un proceso de dos pasos: en primer lugar, el electrodo se imprimió en el sustrato de papel utilizando una tinta de inyección de tinta conductora inorgánica y, en segundo lugar, las cianobacterias se imprimieron en el patrón de electrodos en el papel.
La tinta de inyección de tinta conductora elegida fue la “Nink-1000: multiwall” (NanoLab, EE. UU.), que consta de nanotubos de carbono (CNT) en suspensión acuosa. Los CNT se han utilizado anteriormente como patrones conductores en sustratos de papel y se ha demostrado que son compatibles con el crecimiento y el análisis electroquímico de las cianobacterias. Encontraron que se podían imprimir de 5 a 6 superposiciones de la tinta conductora para obtener una superficie conductora con una resistividad en el rango de 5 a 10kΩcm y que las cianobacterias podían imprimirse y cultivarse directamente en el electrodo CNT en papel.
Con el fin de comparar el rendimiento de dicho bioelectrodo impreso con el bioelectrodo formado por la deposición por gravedad de las células, la caracterización se llevó a cabo formando una célula biofotovoltaica “híbrida” que consistió en el bioelectrodo impreso con el electrodo de cátodo de carbono platinado utilizado en BPV convencional, lo cual se muestra en la siguiente Figura, donde 1: tornillos de sujeción, 2: anillo de acero inoxidable para contacto con el ánodo CNT, 3: ánodo CNT impreso en negro con organismos fotosintéticos impresos en verde, 4: hidrogel, 5: vaso de plexiglás, 6: papel de carbón-Pt como cátodo, 7: junta tórica de silicona, 8: placa de acero inoxidable para sujetar todos los componentes.
Se utilizaron curvas de polarización que pueden observarse en la figura anterior d, para caracterizar el bioelectrodo de Synechocystis impreso, las cuales se registraron realizando voltametrías de barrido lineal (LS) en ausencia y en presencia de luz. Se encontró que la salida de densidad de corriente máxima generada por las celdas impresas, era de poco más de 4mAm −2 en la luz y 3mAm −2 en la oscuridad. Este rango, es aproximadamente de 3 a 4 veces mayor que el registrado para la misma cepa de Synechocystis depositada en un electrodo ITO-PET utilizando el método convencional.
Las curvas de potencia (Figura 2e), derivadas de las curvas de polarización que utilizan la ley de Ohm, mostraron un claro efecto de la luz con una salida de potencia máxima de 0.38 ± 0.07mWm −2 y 0.22 ± 0.07mWm −2 en la luz y en la oscuridad, respectivamente. Este rango, nuevamente es de 3 a 4 veces más alto que el registrado anteriormente; mientras que en ausencia de celdas, la salida de potencia máxima fue considerablemente menor (0.07 ± 0.01 mW m −2; símbolos negros en la Figura 2e) e insensible a la presencia de luz (datos no mostrados).
El sistema impreso, se caracterizó, además, por la cronoamperometría, que controla la salida de corriente en función del tiempo y registra los cambios inducidos por estímulos externos como la luz. Los experimentos cronoamperométricos se realizaron a tres intensidades de luz diferentes (100, 250 y 500µE m −2 s −1), separadas por períodos de 1h en la oscuridad. Los aumentos en la producción de corriente se observaron solo en las muestras con las cianobacterias impresas, mientras que no se observaron cambios en los controles. Como se muestra en la siguiente Figura, las corrientes medidas en presencia de luz fueron más altas que en la oscuridad y sus magnitudes fueron comparables a las medidas en los posibles experimentos de exploración. La Figura 3b muestra los valores de la carga total acumulada en función de la intensidad de la luz.
Prueba de alimentación de un reloj digital
Para evaluar la capacidad del bioelectrodo impreso para alimentar un dispositivo electrónico pequeño, como un biosensor, los investigadores probaron si la unidad BPV híbrida podría alimentar un reloj digital, ya que esta prueba, permite la comparación directa con informes en los que se ha demostrado que los dispositivos BPV convencionales alimentan un reloj digital cuando están conectados en serie. Para ello, se realizaron nueve réplicas de la unidad híbrida de BPV en tres grupos conectados en paralelo, cada grupo tenía tres unidades conectadas en serie, tal y como puede observarse en la primera imagen de la siguiente figura. Esta configuración, produjo una salida de voltaje general de 1.4–1.5V y una salida de corriente general de 1.5–2µA, un buen compromiso basado en las especificaciones del fabricante del reloj.
Tras esto, vieron que el reloj digital fue alimentado con éxito durante períodos de “ENCENDIDO” de 30 minutos, alternados con intervalos de “APAGADO” de otros 30 min., para permitir que los dispositivos de BPV se recuperen (Figura 4b), lo cual se ve representado en las curvas de cronovoltametría y cronoamperometría.
Prueba de encendido de un LED
Para evaluar la capacidad de generar una potencia de salida relativamente alta en ráfagas cortas, también probaron si las unidades híbridas BPV podrían generar destellos de luz de un LED. Así pues, se conectó un LED a un generador de impulsos. Para generar el voltaje requerido, se conectó en serie un grupo de 9 celdas híbridas BPV, de modo que el voltaje de salida sea la suma de las 9 unidades. Para acumular la carga requerida, la matriz de BPV se cargó durante 1h, luego el circuito se cerró durante 60s, durante el cual el LED se pulsó a una frecuencia de un pulso cada 2,5s. Con esto, se detectó un promedio de 24 destellos en este período de 60s, lo que confirma que la matriz BPV podría generar ráfagas de energía suficientes para impulsar el LED.
Inmediatamente después de cerrar el circuito, se observó un corto pico de consumo de corriente (~ 35µA) y una caída potencial (~ 1.5V) que duró ~ 2s. Este vigoroso consumo eléctrico inicial, es un fenómeno esperado debido a la capacitancia del circuito y también se observó un comportamiento similar con el reloj digital. Durante los 58s restantes, la corriente impulsada por la placa se estabilizó en alrededor de 2–3µA, con un potencial de circuito cerrado de ~ 2V.
La recuperación del voltaje después de la descarga del LED, también se monitorizó y su cinética se midió cuando la matriz de BPV se mantuvo en la oscuridad y cuando se expuso a la luz. La Figura 4e, muestra que en presencia de luz (100µE m −2 s −1) la recuperación fue más rápida, lo que sugiere que las reacciones fotosintéticas en las cianobacterias aceleran la recuperación del sistema después de la descarga. La Figura 4f, muestra el consumo de energía en cada destello de la luz LED. El régimen de oscuridad/luz, no causó ninguna variación significativa en el consumo de energía. Como se esperaba, la energía suministrada por el generador de impulsos, fue independiente de la actividad de la matriz de BPV, ya que la energía se entregó al LED solo cuando el condensador del generador de impulsos estaba cargado.
Diseño y prueba de un sistema biofotovoltaico semiseco de película delgada
Habiendo demostrado la capacidad del bioelectrodo impreso (como un bioánodo) para generar una potencia de salida sostenida en un sistema híbrido de BPV, los científicos también fabricaron una celda de BPV impresa donde no solo el ánodo, sino también el cátodo, se modelaron e imprimieron en papel. Diseñaron un patrón de electrodos en zigzag, con el fin de permitir la conducción de iones entre el ánodo y el cátodo, al tiempo que se reduce la longitud total de los electrodos. Además, el área de superficie del cátodo se hizo más grande que la del ánodo, para mejorar la exposición al oxígeno y reducir las limitaciones catalíticas.
Al igual que en caso anterior, se usó un proceso de impresión de inyección de tinta en dos etapas, para hacer que el sistema BPV con las cianobacterias impresas, se depositara precisamente en el ánodo en zigzag. Así, vieron que, de 5 a 6 superposiciones de dicha tinta impresa, obtuvieron una superficie conductora con una resistividad del orden de 100kΩ cm. Este valor, es más alto que el observado anteriormente, debido a la variabilidad entre los diferentes lotes de tinta Nink-1000.
El módulo de bioelectrodo hecho con células de cianobacterias impresas, se montó en una configuración de película delgada, cubriendo el ánodo y el cátodo con un gel absorbente de agua (hidrogel). Los hidrogeles se han utilizado anteriormente para encapsular microorganismos en los MFC, pero en esta aplicación, el hidrogel que cubre el biofilm, funciona como un puente salino que conecta el ánodo y el cátodo, y como suministro de medio de crecimiento mínimo y agua para las células impresas. Desempeña una función equivalente al depósito de líquidos voluminosos en los sistemas BPV convencionales y, junto con el sistema de cultivo sólido basado en papel, reduce sustancialmente el volumen del dispositivo.
Como esta configuración era difícil de conectar a un electrodo de referencia externo, la caracterización electroquímica se llevó a cabo con un voltímetro y una carga externa. Se encontró que la salida de potencia registrada es más pequeña que la medida en el sistema híbrido BPV o en los valores de un sistema convencional BPV. Dicha reducción, podría deberse a un aumento en la resistencia interna del circuito impreso, ya que la magnitud de la disminución en la salida de potencia coincidió con el aumento en la resistividad de la tinta.
Se evaluó la estabilidad a largo plazo de la potencia de salida durante un ciclo de 10h de luz y 14h de oscuridad, durante 4 días. En cada ciclo de luz/oscuridad, la potencia máxima alcanzó un máximo dentro de dos a tres horas y luego se mantuvo estable hasta que se apagó la fuente de luz, después de lo cual, la potencia volvió al valor estable registrado en la oscuridad. En general, se observó una salida de potencia estable, durante los ciclos de luz/oscuridad y en todo el período de más de 100h.
Discusión de los resultados de este estudio con cianobacterias impresas
En este trabajo, sus autores describieron un enfoque radicalmente diferente para la construcción de celdas biofotovoltaicas (BPV) que utiliza la impresión de inyección de tinta para imprimir digitalmente, tanto los componentes de cianobacterias, como los de electrodo. Las células cianobacterianas sobrevivieron al proceso de impresión y pudieron crecer en el electrodo impreso para formar un cultivo sólido que ayuda a reducir el volumen del cultivo de partida, mejorando así la eficiencia del uso del agua, una consideración importante al ampliar la escala. El crecimiento de una capa sólida de cianobacterias, permitió reemplazar el depósito de líquido que normalmente se usa en los dispositivos de BPV convencionales, por un gel para formar una célula de BPV de ‘película delgada semiseca’, que tiene potencial para la miniaturización, así como para abrir nuevas vías para grandes producciones a escala.
Las pruebas del bioelectrodo impreso en una célula híbrida BPV, revelaron una potencia de salida de 0,38mW m −2 en la luz y 0,22mW m −2 en la oscuridad. Este rango de potencia, se compara bien con los resultados anteriores obtenidos con dispositivos BPV basados en cultivo líquido convencionales (0.2–0.3mW m -2).
La potencia en los dispositivos BPV se genera por reacciones fotosintéticas en los microorganismos impresos en el ánodo y, a diferencia de los MFC tradicionales, no depende de la concentración de metabolitos orgánicos en el compartimento anódico. Aunque la potencia de salida del dispositivo BPV semiseco de película delgada fue menor en la oscuridad que en la luz, se mantuvo estable durante varias horas una vez que se apagó la luz. Este es un fenómeno general observado con organismos fotosintéticos en dispositivos BPV y, probablemente, se deba al hecho de que la corriente aún puede generarse a partir del metabolismo de las reservas de almacenamiento interno, producidas mediante la fotosíntesis durante el período de iluminación. Por lo tanto, dicho dispositivo, funcionaría como un panel bio-solar durante el día y como una bio-batería durante la noche.
Asimismo, se demostró que la salida eléctrica de la celda BPV impresa, se puede mantener en ciclos de luz/oscuridad durante >100h, una clara ventaja sobre los MFC basados en papel, que solo pueden funcionar durante aproximadamente 1h, probablemente debido a la difusión de anolito y catolito a través del papel.
Debido a la potencia de salida máxima actual del bioelectrodo impreso digitalmente (0,38mW m −2), este dispositivo es muy prometedor para aplicaciones de baja potencia, como los biosensores que utilizan entre 10 y 100μW a 1–2V, aunque los esfuerzos son actualmente dirigidos a disminuir el consumo de energía de biosensores desechables. Por tanto, los campos realistas de uso, serían proporcionar energía para los dispositivos de diagnóstico de punto de atención, donde solo se necesita una pequeña ráfaga de energía en la fase de detección. Así pues, se ha confirmado la viabilidad de una aplicación de este tipo, demostrando la capacidad de dicho sistema para entregar potencia sostenida a un reloj digital y para una ráfaga de potencia relativamente alta para encender un LED, al conectar 9 módulos de la celda híbrida BPV en serie y/o en paralelo. Además, la estabilidad a largo plazo reportada aquí, sería adecuada para una fuente de alimentación pequeña para la capa de detección de biosensores basados en monitoreo ambiental.
Asimismo, la celda BPV de película delgada basada en papel, podría formar la base de una fuente de alimentación desechable y ecológica para su uso en dispositivos analíticos basados en papel (PAD), que han atraído una atención considerable para aplicaciones en el punto de atención, combinando las ventajas del bajo costo y la facilidad de uso, con la sensibilidad, especificidad, robustez y desechabilidad. Por lo tanto, podemos imaginar aplicaciones futuras en las que los PAD, los dispositivos electrónicos desechables y las fuentes de alimentación BPV de película delgada basadas en papel, estén completamente integrados en un solo chip biodegradable basado en papel.
Desde una perspectiva de diseño, la escalabilidad potencial y la creatividad de este dispositivo de bioelectricidad basado en papel imprimible digitalmente, sugieren que se podrían desarrollar tamaños de impresión o sistemas de módulos mucho más grandes, incluido, posiblemente, papel de pared de bioenergía.
No obstante, todavía existe un potencial considerable para mejorar la potencia de salida del sistema. Para las partes no biológicas, esto podría incluir: mejorar el rendimiento catalítico del cátodo CNT impreso, que se considera un factor limitante en el rendimiento de la pila de combustible microbiana y que actualmente es un área de investigación intensiva; aumentar la conductividad del circuito mediante el uso de tintas de inyección de tinta con base de metal o no metal más conductoras, combinado con el aislamiento de las pistas del circuito a base de papel con polímero hidrofóbico imprimible con inyección de tinta, y optimizando el diseño de la celda. Por ejemplo, una estructura en sándwich, con el hidrogel entre un ánodo y un cátodo paralelos, mejoraría la potencia de salida, al exponer el cátodo a más aire y aumentar el campo eléctrico y la movilidad iónica. Además, para limitar la evaporación de agua del hidrogel, la adición de una membrana permeable al gas, representa una solución simple.
Y asimismo, también hay margen para mejorar la parte biológica. El uso de cianobacterias y algas de mayor potencial electrogénico y/o mayor resistencia a la deshidratación y a los efectos dañinos de la luz intensa (como las cianobacterias del desierto), podrían mejorar la producción de electrones y disminuir drásticamente la necesidad de hidrogel, agar y humedad; reduciendo así aún más los costos de materiales y energía de la ampliación.
Fuente de este artículo
Este artículo fue publicado originalmente en la revista “Science Communications”, bajo la referencia: Sawa, M., Fantuzzi, A., Bombelli, P. et al. “Electricity generation from digitally printed cianobacteria”. Nat Commun 8, 1327 (2017). https://www.nature.com/articles/s41467-017-01084-4; y el cual está disponible con acceso libre en la propia web de Nature.
