Diseño de una Celda de Combustible Microbiológica con Uso de Bacterias

Oxidantes de Azufre y HierroMEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL QUÍMICO E INGENIERO CIVIL EN BIOTECNOLOGÍA

UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICASDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOTECNOLOGÍA

IGOR MARCOS SAAVEDRA SALAS 

PROFESOR GUÍA:TOMÁS VARGAS VALERO

 MIEMBROS DE LA COMISIÓN:BLANCA ESCOBAR MIGUEL

FRANCISCO GRACIA CAROCA 

SANTIAGO DE CHILEMAYO 2012

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Generación Eléctrica País (GWh)

IntroducciónEnergía y Bioelectricidad

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Distribución Eléctrica según Sector (GWh)Minero Industrial Residencial Comercial Agricola Otros

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Generación Eléctrica según Tipo (GWh)Térmica Ciclo Combinado Hidráulica ERNC

• Matriz de Energía Eléctrica Chilena• Crecimiento• Tipo de Demanda• Tipo de Oferta• Sustentabilidad

• ERNC• Fuentes y

tecnologías• Eficiencia

energética

Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas www.ine.cl

IntroducciónEnergía y Bioelectricidad

ERNC

Solar

Celda Fotovoltaica

Celda Fotoelectrolítica

Eólica Bioenergías

Biocombustibles

Celda Electrolítica Microbiológica

Celda Electrolítica Enzimática

Bioelectricidad

Celda de Combustible Microbiológica

Celda de Combustible Enzimática

Geotérmica Marinas y Estuarios

Celda de Electrodiálisis Reversa

Tecnologías

IntroducciónEnergía y Bioelectricidad

• Matriz de Energía Eléctrica Chilena• Crecimiento• Tipo de Demanda• Tipo de Oferta• Sustentabilidad

• ERNC• Fuentes y

tecnologías• Eficiencia

energética 2001

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Generación Eléctrica según Tipo (GWh)Térmica Ciclo Combinado Hidráulica ERNC

Energía Química

Energía Eléctrica

Energía Térmica

(Calor)

Energía Mecánica

(Trabajo)

CELDA DE COMBUSTIBLE

COMBUSTIÓN

MÁQUINA TÉRMICA

GENERADOR

IntroducciónDescripción del Proyecto

ánodo: S0 + 4H2O → SO42- + 8H+ + 6e- 0,22 V vs NHE, pH 1,6

cátodo: O2 + 4H+ + 4e- → 4H2O 1,08 V vs NHE, pH 2,3

fem = 0,86 V

IntroducciónObjetivos, Alcances y Justificación

• Objetivo General• Diseñar, montar y operar configuración de celda descrita para

probar la generación de bioelectricidad• Objetivos Específicos

• Estudiar procesos bioelectroquímicos asociados• Medir el desempeño eléctrico de la celda• Estimar la eficiencia energética, rendimiento del combustible y

potencial costo de la energía• Discutir aplicaciones tecnológicas

AntecedentesCeldas de Combustible Microbiológicas

• Definiciones• Principios de

operación

V

ÁN

OD

O CÁ

TOD

OSE

PAR

AD

OR

Combustible

Combustible oxidado

H+Oxidantereducido

Oxidante

e-

e-

e-

e-

ánodo: H2 → H+ + e- 0 V vs NHEcátodo: O2 + 4H+ + 4e- → 4H2O 1,23 V vs NHE

fem = 1,23 V

AntecedentesCeldas de Combustible Microbiológicas

• Definiciones• Principios de

operación• Ec. de Nernst

V

ÁN

OD

O CÁ

TOD

OSE

PAR

AD

OR

Combustible

Combustible oxidado

H+Oxidantereducido

Oxidante

e-

e-

e-

e-

∆𝐺𝑐𝑜𝑚𝑏=∆𝐺𝑐𝑜𝑚𝑏0 +𝑅𝑇𝑙𝑛 (𝛱 )

𝑓𝑒𝑚=−𝛥𝐺𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑛𝑓𝑢𝑒𝑙𝐹

𝐸=𝐸0+𝑅𝑇𝑛𝐹 𝑙𝑛 (𝐶𝑂

𝐶𝑅)

𝒇𝒆𝒎=𝑬𝒂𝒏−𝑬𝒄𝒂𝒕

∆ 𝑬𝒄𝒆𝒍𝒅𝒂= 𝒇𝒆𝒎− (𝚺𝜼𝒂+|𝚺𝜼𝒄|+ 𝑰 𝑹𝒆𝒍𝒆𝒄 )

AntecedentesCeldas de Combustible Microbiológicas

• Definiciones• Principios de

operación• Curva i-E

AntecedentesCeldas de Combustible Microbiológicas

• Definiciones• Principios de

operación• Curva de

potencia

AntecedentesCeldas de Combustible Microbiológicas

• Definiciones• Principios de

operación• Mediadores

exógenoendógeno

V

ÁN

OD

O CÁ

TOD

O

SE

PAR

AD

OR

Combustible

Combustible oxidado

MOX

MedRED

H+Oxidantereducido

Oxidante

Microorganismos

e- e-

e- e-

Citocromos de la membrana externa

e-

Cadena transportadora de electrones

MedRED/OX Mediador

AntecedentesCeldas de Combustible Microbiológicas

• Definiciones• Principios de

operación• Mediadores

exógenoendógeno

• Transferencia directa

• Pilis eléctricos

V

ÁN

OD

O

CÁ

TOD

O

SE

PAR

AD

OR

Combustible

Combustible oxidado MOX

MedRED

H+Oxidantereducido

Oxidante

Microorganismos

e- e-

e- e-

e-

Citocromos de la membrana externa

e-

Cadena transportadora de electrones

MedRED/OX Mediador

Electrodo SemireacciónE0

V vs NHE

CondicionesE

V vs NHE

ánodo 0,357 [SO42-]=10mM pH=1,6 0,211

  0,187 [HCO3-]=5mM [CH3COO-]=5mM pH=7 -0,300

  0,014 pH=7 -0,428

cátodo 1,229 pO2=0,2 pH=7 0,805

  1,229 pO2=0,2 pH=2,3 1,083

  0,695 pO2=0,2 pH=7 [H2O2]=5mM 0,370

  0,361 [Fe(CN)63-]=[Fe(CN)6

4-] 0,361

  1,229 [Mn+2]=5mM pH=7 0,470

  0,77 [Fe3+]=[Fe2+] pH ácido 0,77

Tabla 1. Potencial redox estándar y teórico para reacciones y condiciones típicas de celdas de combustible microbiológicas a 25 ºC de temperatura. Fuente: Logan (2008)

AntecedentesBacterias Oxidantes de Azufre y Hierro

Diversidad• Depósitos de minerales sulfurados • Hábitats microbiológicos extremadamente complejos• Acidófilos extremos pH opt. < 3, adaptación a distintos

sustratos de azufre y rangos de temperatura.• Número limitado de bacterias caracterizadas (Watling,

2006)

Organismo Sustrato de crecimiento reportado CaracterísticasAcidianus ambivalens S oxidación y reducción HipertermófilosAcidianus brierleyi Sulfidos pH opt 1,5 – 2,5Acidianus infernus

Pobre, si hay alguna, Fe oxidación  “Acidianus tengchongensis ”

Acidimicrobium ferrooxidansMixotrofíaFe oxidación y reducción, Sulfuros (pobre)

Termófilo moderadopH opt 2

Acidiphilum spp Heterótrofos obligados Mesófilos

Acidiphilium SJH S oxidaciónFe(III) reducción pH opt 2 – 3∼

Acidiphilium acidophilumAutótrofo facultativoS oxidaciónFe(III) reducción

MesófilopH opt 2 – 3∼

Acidithiobacillus albertensis Autótrofos MesófilosAcidithiobacillus ferrooxidans S oxidación, sulfuros

(Af, Fe(II) oxidación; Fe(III) reducción como anaerobio facultativo)

pH range 2 – 4Acidithiobacillus thiooxidans

Acidithiobacillus caldus MixótrofoS oxidación, sulfuros

Termófilo moderadopH opt 2 – 2,5

Acidolobus aceticus Heterótrofo Hipertermófilo

Alicyclobacillus sppS reducción to H2SS oxidación, sulfuros

pH opt 3,8Mesófilos — termófilos moderados

“Alicyclobacillus disulfidooxidans” (Ad, facultative autotroph,; At, mixótrofo, Fe(III) reducción) pH 1,5 – 2,5

“Alicyclobacillus tolerans”

“Ferrimicrobium acidiphilium”HeterótrofoFe(II) oxidación, sulfurosFe(III) reducción

MesófilopH opt 1,7 – 1,8

Ferroglobus placidus Fe oxidación TermófilopH neutral

“Ferroplasma acidarmanus” Posible autótrofo Termófilos moderados“Ferroplasma cyprexacervatum” Fe oxidación pH rango 1 – 2Ferroplasma acidophilum

Pirita oxidación pobre  Ferroplasma MT17

Tabla 2. Microorganismos acidófilos oxidantes de azufre y hierro. Fuente: Watling (2006).

Organismo Sustrato de crecimiento reportado Características

Hydrogenobaculum acidophilus S, H oxidación para producer ácido sulfúrico

TermófilopH opt 3 – 4

Leptospirillum ferriphilum Fe oxidación Mesófilos, algunas cepas termotolerantesLeptospirilum thermoferrooxidans Pirita pH rango 1,6 – 1,9Leptospirillum ferrooxidans Fe oxidación, pirita Mesófilo, pH opt 1,5–1,7Metallosphaera sedula S oxidación TermófilosMetallosphaera prunae Sulfuros pH 1 – 4“Metallosphaera hakonensis”

Sulfobacillus acidophilus Fe(II) y S oxidación; Fe(III) reducción, Sulfuros

Termófilos moderados

Sulfobacillus thermosulfidooxidans S y Fe(II) oxidación pH 1 – 2.5Sulfolobus metallicus Quimiolitoautótrofo estricto Hipertermófilo“Sulfolobus rivotincti”

S oxidación, sulfuros Varios pHs en rango 1 – 4,5Sulfolobus shibatae“Sulfolobus tokodaiiSulfolobus yangmingensis“Sulfolobus” JP2 y JP3Sulfolobus acidocaldarius Heterótrofos HipertermófilosSulfolobus solfataricus No S oxidación pH 2 – 4,5Sulfurococcus yellowstonensis S y Fe oxidación HypertermófiloThiobacillus prosperus S y Fe oxidación, sulfuros Mesófilo, halófilo, pH opt. 2Thiomonas cuprina S oxidación, sulfuros Mesophile, pH opt. 3 – 4

AntecedentesBacterias Oxidantes de Azufre y Hierro

Aciditihobacillus ferrooxidans• Gram negativa• Forma de bastón con un flagelo polar• Fisión binaria, no forma esporas.• Acidez 1,4 ≤ pH ≤ 6,0 • Mesófila 20 ºC ≤ T° ≤ 35 ºC• Aerobia y anaerobia facultativa

• O2 y Fe+3 aceptor terminal de electrones• Otros posibles Mo+6, Co+2, Cu+2, U+6 y V+5

(Sugio et al. 1988; Rawlings 2005; Sugio et al. 1990; Gargarello et al. 2010; Bredberg et al. 2004)

• Quimiolitoautótrofa• S0, Fe+2, MS dador de electrones

AntecedentesBacterias Oxidantes de Azufre y Hierro

Aciditihobacillus ferrooxidans

Trabajo ExperimentalMateriales• Reactivos y cepa

• Cepa bacteriana Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 19859 (Lab. de Biohidrometalurgia, FCFM – U. de Chile)

• Medio basal K9 modificado: 0,4 g/L (NH4)2SO4; 0,056 g/L K2HPO4·3H2O y 0,4 g/L MgSO4·7H2O • Azufre elemental (S0) granular y pulverizado tratado• Ácido sulfúrico (H2SO4) concentrado para ajustes de pH• Agua destilada (dH2O)

• Electrodos y celda• Grafito en barras (CAS# 7782-42-5) (Alfa Aesar, UK)• Grafito masivo cilíndrico (Lab. de Biohidrometalurgia, FCFM – U. de Chile)• Grafito granular (Aldrich)• Membrana de intercambio de cationes Nafion®

• Balones de gas licuado de O2 y N2 • Electrodo de referencia Ag/AgCl• Capilar de Luggin con solución 3 M KCl y Gel-Rite

• Equipos• Electroanalizador BAS100B (BASinc)• Medidor de pH• Multímetro• Termostato

ELE

CTR

OD

O

DE

TR

AB

AJO

ELE

CTR

OD

O

AU

XIL

IAR

i

Aire

pH 1,6 25 ºC

Agua caliente

Agua tibia

RE

FER

EN

CIA

DC

V

A B C

Trabajo ExperimentalMetodologíaEstudio de electroactividad de biofilms• Electrodos

• Auxiliar: resorte de Pt• de Trabajo: grafito en barra• 1 cara expuesta circular de 3

mm diám. • área del electrodo ≈ 0,14 cm2

• Variables• Presencia de biofilm (A/B)• Deposición de azufre (G/S)• Tipo de electrolito (C/E)

• Parámetros• pH• Tiempo de cultivo• Temperatura

• Series repetidas• Electrodos A,B y C

Trabajo ExperimentalMetodologíaEstudio de electroactividad de biofilms

AGE AGC

BGC BGE

ASE BSC

Trabajo ExperimentalMetodología

Simbología de los gráficos

A o B exposición o no a bacterias (potencial formación de biofilm)

G o S contacto directo o no del grafito con azufre elemental (inmersión en polvo o azufre depositado sobre la superficie)

E o C electrolito es medio basal estéril o de cultivo (contiene bacterias y sus productos extracelulares)

pH-,- pH del electrolito-- h tiempo de formación del biofilm-- h’ tiempo de cultivo del medio-- min tiempo de aplicación de ultrasonido al electrodo (medio de remoción parcial del

biofilm)-- g gramos de azufre elemental sublimado/ebullido (medio de deposición sobre el

grafito)N se mide burbujeando N2

O se mide burbujeando O2

P electrodo repulido (remoción total del biofilm)GG grafito granular

Trabajo ExperimentalMetodologíaMontaje de la celda prototipo• Electrodos

• grafito masivo• discos de 1,6 cm diám.

ambas caras expuestas• área de electrodo ≈ 4,02 cm2

• Celda• vol. anódico ≈ 135 mL• vol. catódico ≈ 35 mL• CEM de 2 cm diám.• área membrana ≈ 6,3 cm2

• Fuentes• de E: S0 granular añadido

progresivamente 1 4 g• de C: CO2(d) del aire en

comp. catódico; NaHCO3(s) 1g en compartimento anódico

MedredMedox

ÁNODO e-

CÁTODO e-

SEPARADOR (CEM)

S0

SO42-

H+

O2 H2OO2 H2O

V

e-

e-

e-

e-

Trampa de agua

Aire

¿ Med = SxOy2- ?

pH 1,6

pH 2,3

Azufre elemental

Acidithiobacillus ferrooxidans

N2

25 ºC

Agua caliente

Agua tibia

REFERENCIA

Resultados y DiscusiónElectroactividad de Biofilms

• Voltametrías cíclicas de biofilms• Serie A, B y C

• Acumulación de especies electroactivas en el medio de cultivo. (Bhavaraju et. al., 1993)• Tiosulfato S2O3

2-, sulfito SO32-, pirosulfito S2O5

2-, tetrationato S4O62-,

politionatos SnO62-

• Procesos bioelectroquímicos• Biofilm electroactivo• Pares redox asociados E’ = 0,36 ; 0,47 V vs Ag/AgCl• Influencia del O2

• Deposición de azufre• Aislación eléctrica: ~1,5 Ω ~1 MΩ • Hidrofobicidad de la superficie

Resultados y DiscusiónOperación de Celda Prototipo

• Voltametrías cíclicas• Serie anódica (anóxica) y catódica (aeróbica)

• Evolución en el tiempo• Curvas de polarización (i-E)• Curvas de potencia• Potencial de electrodo en circuito abierto (OCP)• Voltaje en circuito abierto (OCV)

• Eficiencia energética y rendimiento

VoltajeV

RendimientokWh/kgS0

Costo¢USD/kWh

Eficiencia

OCVteo 0,86 4,31 2,32 100%

OCVexp 0,46 2,30 4,35 53%

VMPP 0,13 0,64 15,6 15%

Conclusiones y PerspectivaConclusiones

• Diseño, montaje y confirmación de generación de bioelectricidad• At. ferrooxidans como biocatalizador• S0 como combustible

• Aparente adaptación anodofílica y formación de biofilms electroactivos • Ondas redox características aparecieron sólo voltagramas de condición

biótica• Pics de densidad de corriente aumentan en función del tiempo de

formación del biofilm y/o la edad del medio de cultivo. • Estimación del desempeño

• Potencia máxima registrada ~9 W/m2 ; OCVexp = 0,108 V; i = 12,3 mA/cm2

• Rendimiento del combustible < 0,64 kWh/kgS0 (máx teo. 4,31 kWh/kgS0)

Conclusiones y PerspectivaProyecciones

• Biofilm electroactivo• Sensor de actividad micriobiológica

• Celda de combustible microbiológica• Biolixiviación de sulfuros metálicos electrogeneradora• Bioelectrogeneración con relaves ricos en sulfuros metálicos

• Proceso integrado

MFCAzufre

Oxidantes

MFC Sulfato

ReductorasNaSH

Subproducto NaSH

NaOH

H2SH2SO4MSfuel

M+

Bioelectricidad Bioelectricidad

Materia orgánica(fuel)

Conclusiones y PerspectivaRecomendaciones

• Repetir la experiencia• Disminuyendo errores experimentales• Mejorando la medición de variables

• Avanzar en la investigación • Complementando con otras técnicas analíticas• Comprobar anodifilia de At ferrooxidans• Aislar e identificar mediadores• Experimentar con sulfuros metálicos

• Rol de iones Fe• Evaluar otros monocultivos y cultivos mixtos

• Construcción de un piloto (9W/m2)• Comparar potencia consumida vs generada• Determinar diseño óptimo: operación continua, fed-batch o batch

GRACIAS POR SU ATENCIÓN