Microbial fuel cell with microalgal cathode for organic matter removal, power generation and lipid production

RESUMEN : Los combustibles fósiles suministran un alto porcentaje de nuestra creciente demanda de energía. Desafortunadamente, debido a sus emisiones de dióxido de carbono (CO2), contribuyen al calentamiento global. Por lo tanto, es importante desarrollar nuevas fuentes de energía que sean renovable...

Full description

Autores:: Montoya Vallejo, Carolina

Tipo de recurso:: Doctoral thesis

Fecha de publicación:: 2023

Institución:: Universidad de Antioquia

Repositorio:: Repositorio UdeA

Idioma:: eng

Description
Summary:	RESUMEN : Los combustibles fósiles suministran un alto porcentaje de nuestra creciente demanda de energía. Desafortunadamente, debido a sus emisiones de dióxido de carbono (CO2), contribuyen al calentamiento global. Por lo tanto, es importante desarrollar nuevas fuentes de energía que sean renovables y neutras en carbono. Adicional al problema del calentamiento global y la reducción de las reservas de combustibles fósiles, el incremento de la población en zonas urbanas viene generando el problema de disposición y manejo de residuos generados por las actividades humanas e industriales. Los sistemas biolectroquímicos pueden generar corriente eléctrica a partir de las reacciones de oxidación-reducción que ocurren dentro de los microorganismos vivos, así esta tecnología se posiciona como alternativa emergente para la obtención de energía eléctrica renovable a partir de materia orgánica teniendo aplicación potencial no solamente por ser fuente de energía sino para el tratamiento de residuos orgánicos y síntesis de productos de alto valor agregado. Dentro de los sistemas bioelectroquímicos, esta tesis de doctorado se centra en las celdas de combustible microbiano (MFC) y en las celdas de combustible microbiano con microalgas (mMFC). Una MFC típica contiene una cámara anódica y otra catódica, separadas por una membrana de intercambio de protones (PEM). Los microorganismos pueden metabolizar el sustrato orgánico en la cámara anódica para producir electrones y protones. Los electrones se desplazan a la superficie del ánodo y luego fluyen hacia el cátodo a través de un circuito externo. Mientras tanto, los protones migran al cátodo a través del PEM. Los electrones y los protones se combinan para reducir el oxígeno a agua en la cámara del cátodo La cámara catódica puede ser abiótica cuando la reducción de oxígeno es catalizada por un catalizador inorgánico como el platino. Sin embargo, tales metales pueden aumentar el costo de la MFC. El oxígeno en la cámara catódica es un factor limitante debido al costo del burbujeo y la dinámica de difusión. En las mMFC la cámara catódica funciona como un fotobiorreactor, lo que permite desarrollar un cultivo de microalgas que captura CO2 y produce oxígeno, utilizando la luz de una fuente externa. Las microalgas son una fuente de lípidos y se utilizan como precursores del biodiésel. En este tipo de cámara catódica, las algas también pueden actuar como aceptores biológicos de electrones y, al mismo tiempo, reducir el dióxido de carbono a biomasa, generando además productos de valor agregado. El objetivo de esta investigación fue desarrollar un sistema de eliminación de materia orgánica, captura de CO2, producción de energía eléctrica y generación de lípidos en un solo dispositivo, mediante el cultivo de la microalga Chlorella sorokiniana acoplada al cátodo de una celda de combustible microbiana. Para mostrar el desarrollo de este objetivo la tesis está distribuida en capítulos: En el capítulo 1 se presenta una introducción a los sistemas bio electroquímicos, con énfasis en las celdas de combustible microbiano y celdas de combustible microbiano con microalgas. En el capítulo 2 se presenta la justificación y objetivos de la tesis. En el capítulo 3 se exponen los materiales y métodos generales.El primer objetivo específico se desarrolla en el capítulo 4. Este objetivo fue determinar el efecto de las variables operativas (carga orgánica, mediadores y surfactantes) sobre el desempeño de una MFC. Se utilizó un enfoque experimental para caracterizar dos configuraciones de MFC y dos cepas de E. coli. En la primera serie de experimentos se utilizó E. coli DH5α como microorganismo anódico y se realizó un diseño de experimentos para evaluar el efecto de la concentración de sustrato, la concentración de azul de metileno (MB) como mediador y la concentración de surfactantes, finalmente se evaluó el efecto del cocultivo la bacteria productora de surfactantes. 0.3 mM de MB, 5 g/L de glucosa y surfactina a 10 CMC se determinaron como las mejores condiciones para la producción de electricidad en términos de densidad de corriente (2.3 mA/m2). El cocultivo de E. coli con una bacteria productora de biosurfactante L. plantarum, aumentó la densidad de corriente en comparación con el control pero no alcanzó densidades de corriente mayores que las producidas con mediadores externos, lo que indica que el cocultivo no produjo suficientes surfactantes para facilitar actividad electrogénica. En una segunda serie de experimentos se estudió E. coli ATCC25922 como microorganismo anódico, se modeló su crecimiento mediante un modelo cinético y un modelo fenomenológico con un buen ajuste en ambos casos. El comportamiento electroquímico de la MFC se caracterizó mediante CV y curvas de polarización, se encontraron regiones típicas de sobrepotenciales. El perfil de ácidos orgánicos producidos cambia cuando E. coli está en el MFC, en comparación con el cultivo anaeróbico, mostrando que el metabolismo se vuelve hacia la producción de electricidad. Los resultados de este capítulo confirman la utilidad de los mediadores y los tensioactivos que mejoran la salida de corriente y potencia en MFC debido al aumento de la permeabilidad de la membrana celular y la promoción de la transferencia de electrones. En el capítulo 5 se desarrolla el segundo objetivo que consistió en establecer el efecto de las variables intensidad lumínica y concentración de CO2 en la producción de biomasa y lípidos por la microalga Chlorella sorokiniana. La microalga fue aislada de un lago de agua dulce y se identificó mediante análisis molecular. Se empleó un diseño de experimentos de factor único para evaluar las concentraciones de nitrógeno y fósforo que aumentan la producción de biomasa y lípidos. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta (RSM) con un diseño factorial 32 para modelar la concentración de biomasa, el contenido de lípidos y las tasas específicas de crecimiento, en fotobiorreactores (PBR) tubulares de vidrio de 200 mL, en función de la intensidad de la luz y la concentración de CO2. El medio CHU 13 modificado con 0,67 g/l de KNO3 y 0,82 g/l de K2HPO3 produjo la mayor biomasa (0,705±0,04 g/l) y contenido de lípidos (55,1±4,1 %) sin inhibición del sustrato. Según los resultados, la mayor tasa de crecimiento celular se encontró en condiciones de alta intensidad de luz y bajos niveles de CO2. Las condiciones óptimas se encontraron en 20% CO2 y 2300 lux. Las pruebas de validación de estas condiciones lograron una concentración de biomasa de 1.66 ± 0.09 g/L y un contenido de lípidos de 32.8 ± 5.9. Se ajustó un modelo de base fenomenológica para modelar Biomasa, nitrato, fosfato, oxígeno disuelto y dióxido de carbono y pH, con muy buen ajuste, y permite analizar y correlacionar el crecimiento de algas, y describir el comportamiento del dióxido de carbono y del oxígeno en el sistema. En el capítulo 6 se desarrolla el tercer objetivo, que consiste en evaluar una celda de combustible microbiana que utilizaran microalgas en la cámara catódica. Para el desarrollo de este objetivo se plantearon dos sistemas de MFC, el primero usando E. coli ATCC25922 en la cámara anódica, sin presencia de mediadores. En el segundo se usaron lodos activos en la cámara anódica. En ambos casos los sistemas en la cámara catódica fueron modificados, para introducir variaciones que permitieran analizar los mecanismos de acción de la microalga en la cámara catódica. Cuando se usa E. coli en la cámara anódica no se obtuvo una mejora en la densidad de corriente máxima al usar microalgas en la cámara catódica, comparado con la aireación externa en el cátodo (3.13 mA/m2 y 6.5 mA/m2, respectivamente). Cuando se usan lodos activos en la cámara anódica se observa un mejor desempeño de la celda al utilizar microalgas en la cámara catódica, al comparar con aireación externa (12.6 mA/m2 y 3.8 mA/m2, respectivamente), el uso de azul de metileno como mediador en la cámara catódica y de bicarbonato de sodio incrementan también la capacidad electrogénica de la celda (17.8 mA/m2 y 11.7 mA/m2, respectivamente). En ambos sistemas anódicos se pudo observar actividad electroquímica de la celda en presencia del biofilm de microalgas. El contenido de lípidos de las microalgas se ve incrementado cuando esta se encuentra en la cámara catódica, lográndose obtener un porcentaje de lípidos de 39.4% cuando se adiciona bicarbonato, y 40.2% en el sistema acoplado de PBR-mMFC. El principal factor que influye en la producción de energía eléctrica en las MFC estudiadas es el oxígeno disuelto, que se ve mejorado por la presencia de microalgas, este factor está estrechamente relacionado con la intensidad de luz y el fotoperiodo. Cuando se acopla un fotobiorreactor (PBR) a la MFC, no hay una mejora significativa en la energía eléctrica producida, sin embargo, se incrementa el contenido de lípidos de la microalga, lo que indica una interacción positiva de esta con el cátodo de la MFC. El Capítulo 7 presenta el cuarto objetivo, que consistió en identificar las vías metabólicas de la microalga para producir biomasa y lípidos, con énfasis en los mecanismos presentes cuando la microalga se encuentra en la cámara del cátodo de un mMFC. Utilizando un modelo a escala del genoma para la microalga Chlorella vulgaris, se realizó la anotación del genoma de C. sorokiniana utilizando la metodología RAPS. Inicialmente, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad bajo condiciones autótrofas, lo que permitió observar el crecimiento de la biomasa en relación con la intensidad de luz y los flujos de nutrientes. Además, a través de FBA, fue posible comparar la respuesta del modelo con resultados experimentales con un buen ajuste. Finalmente, a partir de una revisión bibliográfica, se pudo identificar que en la interacción de las microalgas con el cátodo, están presentes las especies reactivas de oxígeno (ROS). De esta manera, se agregaron dos reacciones artificiales que permiten la entrada de ROS a la célula, identificando que estas ROS se metabolizan en el glioxisoma y las mitocondrias, y pueden ser producidas externamente por la presencia de corriente eléctrica, su producción puede ser inducida en la microalga. Mediante un análisis de sensibilidad, fue posible determinar que las variaciones en los flujos de ROS influyen en la formación de biomasa y lípidos cuando la microalga se encuentra en la cámara del cátodo de un MFC. En el capítulo 8 se presentan las conclusiones generales, y en el capítulo 9 las recomendaciones. Los resultados de esta tesis permitieron evidenciar que la eficiencia energética de la MFC se incrementa más de 20 veces cuando se pone la microalga Chlorella sorokiniana en la cámara catódica, debido a que la biomasa de la microalga producida tiene alto valor energético, y a que la producción de oxígeno por la microalga disminuye los costos de suministro de aire, además de incrementar la energía producida por la MFC. A través de los resultados experimentales se pudo evidenciar que el contenido de lípidos y biomasa se incrementaron en un 6-8% y 6-18% cuando la microalga está en contacto con el cátodo, incrementos similares pudieron observarse a través del análisis del modelo metabólico. Los resultados de esta tesis permitieron describir posibles mecanismos desde el punto de vista electroquímico, cinético y metabólico de lo que puede ocurrir a una microalga en una mMFC.

Microbial fuel cell with microalgal cathode for organic matter removal, power generation and lipid production

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