La generación de energía microbiana abre las puertas al futuro de la energía: una visión para una sociedad respetuosa con el medio ambiente, elaborada por DNP, la Universidad Metropolitana de Osaka y TMEIC.

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— ¿Podría explicarnos cómo surgió el proyecto conjunto tripartito?

DNP Ishikawa (en adelante, Ishikawa): Todo comenzó en 2021 cuando escuché la presentación de investigación del profesor Tokonami en el programa "Wakasapo", un programa de apoyo para jóvenes investigadores dirigido por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (NEDO). Se mostró una fotografía de la estructura de panal, que es el sustrato necesario para recolectar microorganismos, y en el momento en que la vi, sentí instintivamente que "la tecnología de DNP seguramente será útil".

Llevo mucho tiempo involucrado en el desarrollo de la litografía, una técnica de modelado que crea con precisión formas finas (patrones) en la superficie de los materiales. La tecnología de microfabricación, fundamental para la impresión, se utiliza a menudo en campos como las pantallas y los semiconductores, pero pensé que también podría aplicarse a temas como el medio ambiente y la energía. Con esto en mente, contacté de inmediato con el profesor Tokonami para hablar sobre la posibilidad de una investigación conjunta.

— Mencionaste que sentiste que podías "darle uso" en el momento en que viste las fotos. ¿Cómo se relaciona eso con la tecnología de impresión de DNP?

Ishikawa: En concreto, se trata de una tecnología para crear con precisión sustratos con estructura de panal para la recolección de microorganismos. DNP posee la tecnología para fabricar y producir en masa de forma estable estructuras que van desde 1 micrómetro (μm: una millonésima de metro) hasta la nanoescala (una milmillonésima de metro) mediante tecnología de microfabricación.

Cuando el profesor Tokonami me dijo que estaba buscando una empresa que se encargara de la producción en masa de placas de circuitos impresos, le respondí: "Bueno, no hay nadie más que pueda hacerlo excepto nosotros".

Universidad Metropolitana de Osaka, Tokonami (en adelante, Tokonami): En aquel momento, nuestro laboratorio realizaba experimentos con celdas cuadradas de 2 cm (las unidades que componen una batería), pero no teníamos forma de aumentar más el área de las celdas y nos costaba escalar la producción. Creíamos que esta colaboración sería fundamental para acelerar nuestra investigación y llevarla a la práctica.

— ¿Cómo funciona la generación de energía microbiana?

Tokonami: Cuando los microorganismos descomponen la materia orgánica, liberan electrones, que son captados por electrodos y transformados en electricidad. Los microorganismos utilizados son extremadamente pequeños, de tan solo 2-3 μm, lo que equivale aproximadamente a 1/100 del grosor de un cabello humano. Por ejemplo, para generar suficiente electricidad para encender una bombilla LED, es necesario acumular unos 30 millones de microorganismos en una sola célula y conectar tres de estas células en serie.

Nuestra investigación consiste en generar electricidad utilizando aguas residuales que contienen microorganismos, provenientes de fábricas, comercios y hogares. Al mismo tiempo, buscamos purificar estas aguas residuales mediante la descomposición de la materia orgánica por parte de los microorganismos.

—¿Necesitas microorganismos especiales?

Tokonami: No. Son microorganismos que se encuentran a nuestro alrededor. Claro que hay ciertos microorganismos que producen una alta energía eléctrica, pero el objetivo de la generación de energía que pretendemos comercializar no es algo que exista solo en lugares o situaciones específicas.

Universidad Metropolitana de Osaka, Iida (en adelante, Iida): La generación de energía microbiana es una tecnología conocida desde hace mucho tiempo, pero no se había aplicado en la práctica durante muchos años. Esto se debía a que la electricidad que se podía extraer mediante la generación de energía microbiana era demasiado débil. Fue entonces cuando el profesor Tokonami propuso la idea de que "sería interesante acumular microorganismos que contribuyeran a la generación de energía a alta densidad", y así comenzó mi investigación conjunta con el profesor Tokonami.

Uno de los proyectos de investigación colaborativa en los que participo es la "fotoconcentración", una técnica que utiliza la luz para agrupar microorganismos. En esta técnica, primero se forma una fina película de oro sobre un sustrato con estructura de panal que actúa como electrodo celular, y luego se ilumina con luz láser. Al exponer la película de oro a la luz láser, los electrones vibran, generando calor localmente. Este calor calienta el agua circundante, provocando convección vertical, y posteriormente se produce un flujo (convección horizontal) sobre una amplia zona del líquido en el sustrato para compensar la dilución. Los microorganismos dispersos en el área circundante son transportados por esta convección hacia la estructura de panal.

Además, la irradiación con luz láser genera pequeñas burbujas, y el flujo relacionado con la densidad de la superficie de estas burbujas también contribuye a la acumulación de microorganismos.

Por otro lado, si la temperatura dentro de la célula aumenta demasiado, los microorganismos morirán. Por lo tanto, se utiliza un polímero con baja conductividad térmica para las paredes celulares. Al usar este polímero, el calentamiento se limita al área alrededor del septo donde se irradia el láser, y se suprime el aumento general de la temperatura dentro de la célula. Como resultado, es posible mantener un ambiente interno adecuado para los microorganismos mientras se continúa de manera estable la acumulación y la generación de energía.

—¿Cómo se involucró TMEIC?

Kitagaki de TMEIC (en adelante, Kitagaki): TMEIC no fabrica baterías, pero contamos con una amplia experiencia y altas capacidades técnicas en áreas como el control de sistemas de generación y almacenamiento de energía, así como en la conversión de energía. Nos centramos en el hecho de que la generación de energía microbiana tiene la característica de poder generar electricidad utilizando biomasa no utilizada (recursos biológicos renovables), como aguas residuales industriales y domésticas que contienen materia orgánica como materia prima, y que es un método de generación de energía limpia que produce electricidad mediante reacciones químicas sin combustión, similar a las pilas de combustible.

Una tecnología similar a la generación de energía microbiana es la generación de energía a partir de biogás. Esta consiste en utilizar bacterias para convertir la biomasa en gas metano, que luego se emplea para generar electricidad en turbinas de gas, etc. Sin embargo, debido a que implica combustión, se producen gases de escape. En cambio, la generación de energía microbiana en este proyecto no implica un proceso de combustión, por lo que no se producen gases de escape. Decidimos participar porque nos atrajo esta ventaja.

— ¿Cómo se integran los conocimientos y las tecnologías de las tres partes, y cuál es la división de funciones entre ellas?

Tokonami: Como parte de nuestra investigación básica, la Universidad Metropolitana de Osaka es responsable de cómo extraer electrones de manera eficiente de los microorganismos y de la tecnología de "fotoconcentración", que utiliza la luz para agrupar microorganismos.

Ishikawa: La función de DNP es fabricar con precisión los sustratos con estructura de panal para la recolección de estos microorganismos. Logramos microestructuras que van desde 1 μm hasta la nanoescala mediante un diseño que equilibra resistencia y eficiencia.

Kitagaki: TMEIC es responsable de la tecnología de deposición de películas delgadas para electrodos, la tecnología para convertir la potencia de salida de la batería, la tecnología de almacenamiento de energía y también actúa como integrador de sistemas para integrar todo esto.

La investigación fundamental de la Universidad Metropolitana de Osaka, la tecnología básica de producción masiva de DNP y el sistema de TMEIC para conectarse a la sociedad como fuente de electricidad: solo cuando estos tres elementos se combinan, la generación de energía microbiana puede ir más allá de la etapa de investigación y convertirse en una vía viable para su aplicación práctica.

— ¿Cómo procedieron las tres partes con el desarrollo hacia la aplicación práctica?

Ishikawa: Si bien enseguida expresamos nuestro interés, para ser honestos, cuando supimos de ello por primera vez, no teníamos una idea clara de cómo podría aplicarse en la práctica. En aquel entonces, cada célula era muy pequeña, así que nos preguntábamos si realmente sería capaz de generar suficiente energía para un uso práctico. Por eso, le preguntamos directamente al profesor Tokonami. Él nos explicó en detalle el proceso de fotoconcentración, que consiste en agrupar microorganismos, y nos pareció un enfoque muy original, no solo en teoría, sino también en cuanto a su viabilidad de implementación. Como estábamos tan convencidos desde el principio, pudimos hablarlo con la empresa con entusiasmo.

Estaba muy nervioso cuando le entregué al profesor Tokonami la primera muestra de la placa de circuito impreso fabricada con tecnología de microfabricación. Dudaba de su utilidad, pero pronto recibí un mensaje que decía: "¡Los resultados son significativamente mejores que antes!". Fue entonces cuando realmente sentí las ventajas técnicas.

Tokonami: Hasta entonces, habíamos estado fabricando sustratos de vidrio, que a veces se rompían durante las mediciones, lo que suponía una limitación importante para la continuidad de nuestros experimentos. DNP nos ha proporcionado cientos de sustratos de tereftalato de polietileno (PET), lo que nos ha permitido verificar ampliamente las condiciones experimentales y acelerar significativamente nuestra investigación. Como resultado, hemos logrado duplicar aproximadamente nuestra producción anual.

Iida: Lo que me impresionó fue el proceso mediante el cual las empresas identificaron los desafíos. Por ejemplo, cuando solicitaron crear una base de datos de condiciones experimentales, como componentes y composición, para la fabricación de baterías, al principio dudé porque pensé que supondría una gran carga para los investigadores del Laboratorio Tokonami. Sin embargo, DNP y TMEIC crearon una base de datos exhaustiva con todos los desafíos. Este enfoque es poco común en el entorno de investigación de las universidades con personal limitado, y me pareció una diferencia significativa.

Kitagaki: Para promover la implementación social, creo que es necesario visualizar los desafíos, incluidos los que rodean el núcleo de la investigación, y resolverlos compartiendo esa información. En este proyecto, hemos categorizado los desafíos en aquellos que deben resolverse en colaboración con la universidad y aquellos que deben abordarse mediante la aplicación de tecnologías existentes.

Tokonami: Aun así, surgían nuevos desafíos con cada ampliación. Cada vez que aumentábamos el tamaño de la celda de 2 cm² a 4 cm², y luego a 10 cm², surgían problemas inesperados. En cada ocasión, consultábamos con DNP y TMEIC, preguntándoles: "¿Pueden resolver esto?", e implementábamos mejoras. Una vez que superábamos un desafío, inevitablemente aparecía otro. Era un ciclo continuo.

Kitagaki: En general, la investigación universitaria tiende a centrarse en la exploración exhaustiva a escala de laboratorio (a pequeña escala en las etapas iniciales), mientras que en las empresas solemos apuntar a la ampliación para la aplicación práctica. Supongo que esa es la diferencia entre investigación y desarrollo y desarrollo tecnológico. A pesar de estas diferencias de perspectiva, en este proyecto, las tres partes colaboran hacia el objetivo común de la "aplicación práctica" en una relación muy horizontal, intercambiando opiniones con franqueza, sin verse limitadas por sus posiciones, y abordando los desafíos. Creo que esto es bastante inusual en un proyecto de colaboración entre la industria y la academia, y es una relación valiosa.

Dado que la generación de energía microbiana aún no es una tecnología consolidada, el hecho de que todavía estemos en el proceso de construir un camino hacia su aplicación práctica mediante ensayo y error puede ser una de las razones de nuestra relación poco desarrollada.

— La generación de energía microbiana de los profesores Tokonami e Iida ha alcanzado un nivel de producción sin precedentes. ¿Qué es lo que la hace tan superior?

Iida: Existen otros estudios sobre la generación de energía microbiana, pero la singularidad y las características del enfoque de nuestra investigación, en la que el profesor Tokonami y yo hemos estado trabajando, radican en que podemos utilizar la luz para recolectar instantáneamente microorganismos con una densidad órdenes de magnitud superior a la de los métodos convencionales.

Tokonami: En otras investigaciones sobre generación de energía microbiana, es necesario aumentar el número de microorganismos, es decir, cultivarlos, lo que plantea el reto de no poder empezar a generar energía inmediatamente cuando se necesita. Se requiere cierto tiempo antes de que sea posible una generación de energía estable. Por otro lado, en nuestra investigación, podemos recolectar decenas de miles de células en cuestión de segundos o minutos mediante la fotoconcentración, por lo que la generación de energía es posible en muy poco tiempo. Creemos que esta inmediatez es una gran ventaja.

— ¿Cuánta electricidad puede generar realmente?

Tokonami: Actualmente, hemos logrado encender LEDs conectando tres celdas en serie. Planeamos ampliar este proceso para asegurar un nivel práctico de generación de energía.

Kitagaki: A nivel de laboratorio, hemos logrado aumentar el tamaño de las celdas a 10 cm cuadrados. También hemos conseguido generar aún más energía apilando celdas que antes funcionaban como una sola unidad.

Sin embargo, por otro lado, también hemos detectado algunos problemas de estabilidad. Como siguiente paso, optimizaremos el sistema para garantizar la estabilidad tanto en la generación de energía como en el tratamiento de aguas residuales. Al mismo tiempo, buscamos aumentar su tamaño.

— Cuando habló en la Exposición Universal, mencionó que "las plantas de tratamiento de aguas residuales se convertirán en centrales eléctricas". ¿Podría hablarnos del futuro que ustedes tres vislumbran?

Tokonami: El verano de 2025 registró temperaturas récord, lo que hizo que el cambio climático se sintiera más inminente. Al pensar en el futuro, siento una profunda preocupación al considerar si la Tierra seguirá siendo un entorno sostenible para la próxima generación y las venideras. Consciente de estos desafíos, creo que la generación de energía microbiana puede desempeñar un papel importante como una de las tecnologías energéticas sostenibles.

Actualmente, las plantas de tratamiento de aguas residuales consumen enormes cantidades de energía para tratar el agua, pero si la generación de energía microbiana se vuelve viable, será posible recuperar energía del propio proceso de tratamiento. Esto significa que las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden transformarse de instalaciones de consumo eléctrico a instalaciones de generación de energía. Definimos este sistema como «generación de energía microbiana para la purificación ambiental».

Kitagaki: Si la generación de energía microbiana se vuelve práctica, será posible consolidar las plantas de tratamiento de aguas residuales y las centrales eléctricas en un mismo lugar. Además, la capacidad de diseñar de forma flexible la escala del sistema según la aplicación y sus características representa una gran ventaja. Dado que puede construirse no solo como una instalación centralizada a gran escala, sino también como un sistema autónomo descentralizado de tamaño pequeño a mediano, creo que es una tecnología que puede contribuir a resolver problemas sociales que enfrenta Japón, como la sobreconcentración de población en las grandes ciudades y la despoblación de las zonas rurales.

Ishikawa: Sin liberar calor ni _CO2 al medio ambiente, podemos obtener simultáneamente tres beneficios de las aguas residuales: agua purificada, oxígeno y electricidad. Limpia el agua y el aire. Creemos que es un sistema de generación de energía con características sin precedentes.

DNP Inouchi comenta: Actualmente, DNP también se está esforzando por generar valor en el nuevo campo de la energía, y dentro del concepto de "generar energía en la vida cotidiana", la generación de energía microbiana es el proyecto más avanzado. En la Expo Osaka-Kansai 2025, presentamos este proyecto en la Future Life Experience (FLE), dentro de la zona de cocreación "Future Life Village", y atrajo el interés de muchos visitantes.

Iida: Espero que, tras leer este artículo, surjan nuevas empresas y socios que piensen: «Esto suena interesante» o «Quiero participar». Espero que esta generación de energía microbiana respetuosa con el medio ambiente se extienda por todo Japón y el mundo, mejorando el entorno de regiones enteras y, al mismo tiempo, contribuyendo a la consolidación de la sociedad en su conjunto mediante la energía sostenible. Espero que este futuro se haga realidad.

— Por favor, cuéntenos sobre sus metas futuras.

Tokonami: Inicialmente, consideramos 2030, año en que se prevé alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), como un hito. Queremos mostrar un camino concreto hacia la aplicación práctica de la generación de energía microbiana y consolidarla como una tecnología que contribuye a la neutralidad de carbono.

Kitagaki: En este momento, creo que uno de los objetivos para 2030 será generar electricidad y, al mismo tiempo, contribuir a la purificación ambiental en nuestras comunidades locales. Por ejemplo, la idea es comercializar un dispositivo de tratamiento de aguas residuales del tamaño aproximado de una fosa séptica doméstica, que utilice las aguas residuales de baños e inodoros para su purificación y generación de energía. En términos de producción eléctrica, prevemos que será suficiente para alimentar el propio dispositivo y cargar teléfonos móviles, etc.

Tokonami: Además, estamos considerando sistemas de tratamiento de aguas residuales a mayor escala. Si logramos implementar sistemas de generación de energía microbiana en las zonas costeras de todo Japón, incluida la bahía de Osaka, teóricamente podríamos ampliar el sistema para suministrar electricidad a millones o incluso decenas de millones de hogares.

Ishikawa: Me atrajo este proyecto por su atractivo tecnológico, pero a menos que podamos convertirlo en algo útil para la sociedad, no generará ningún valor para la empresa. Trabajaremos constantemente para lograr el objetivo final de su implementación social.

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