Autores
Castro, A.S. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO) ; Franco, J.H. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO) ; Reginatto, V. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO) ; Andrade, A.R. (UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO)
Resumo
Sistemas bioeletroquímicos (BES) vêm se mostrando uma excelente opção na geração
de energia de forma verde e sustentável. Entre os BES estão as MFCs (célula a
combustível microbiana) e as MECs (célula eletrolíticas microbianas) que têm sido
estudadas na investigação de novos meios para a tratar águas residuais, outra
vantagem é o fato das MECs serem empregadas na produção de novos combustíveis
como H2 e CH4, concomitante à produção de produtos químicos de valor agregado.
Assim, o objetivo desde trabalho é apresentar os resultados de técnicas
eletroquímicas afim de analisar e comparar esses dois sistemas (MFC e MEC).
Palavras chaves
eletrólise; energia; bioeletroquímica
Introdução
Nos últimos anos, os processos bioeletroquímicos se tornaram uma tecnologia
emergente na produção de energia elétrica e/ou produtos químicos de forma
sustentável. Nesses processos encontram-se as células à combustível microbiana
(MFCs) e as células de eletrólise microbiana (MECs). Com layout semelhante,
esses reatores contém um ânodo no qual o biofilme é formado por bactérias
exoeletrogênicas que oxidam a matéria orgânica e geram CO2, elétrons e prótons
e; um cátodo no qual ocorre a redução de oxigênio formando água (em MFCs) e
redução de H+ formando hidrogênio (em MECs). A diferença entre eles é que, uma
MFC converte energia química em energia elétrica, sendo uma excelente
alternativa pode eliminar parte dos efluentes e resíduos lançados ao meio
ambiente, e, em uma MEC, aplica-se uma voltagem ou corrente extra para a
produção dos produtos desejados – sendo que o potencial a ser aplicado está
ligado ao potencial de oxidação dos substratos investigados. Assim, o objetivo
do presente trabalho é avaliar a eficiência de um mesmo reator em dois modus
operandi em oxidar o substrato glicerol na câmara anódica, para posterior
aplicação na geração de bio-hidrogênio (bio-H2).
Material e métodos
1. Crescimento do biofilme e aclimatização ao substrato
Foi usado um reator composto por uma câmara anódica e a câmara catódica separada
por uma membrana de Nafion. Como ânodo foi utilizado foi uma bucha de fibra de
carbono e, como cátodo um tecido de carbono com 40% de platina (C/Pt) , prensado
junto com a membrana de Nafion117®. O ânodo e o cátodo foram conectados por uma
R=1000 Ω. Para o crescimento do biofilme no ânodo foi usado inóculo proveniente
de mineradora da região de Araxá/MG juntamente com o meio de cultura (Lovley)
[1]. A aclimatação do microbiota formadora do biofilme no ânodo foi feita como
descrito na literatura [2] com o reator operando como MFC, na qual foi iniciada
com acetato de sódio e aumento da concentração de glicerol até que o biofilme
apresenta-se estabilidade à concentração de 1,5 g/L. Após o crescimento do
biofilme e aclimatação da microbiota ao substrato glicerol, testamos a
eficiência de reatores modus operandi (i) MFC e (ii) MEC.
2. Experimentos eletroquímicos
Todos os experimentos eletroquímicos foram realizados em um
potenciostato/galvanostato AUTOLAB (software NOVA 1.11). Os experimentos de
eletrólise foram realizados através da técnica de amperometria o potencial
constante (0,5 V vs. Ag/AgCl) a 25,0 °C. As eletrólises na presença e ausência
de glicerol foram realizadas por 6 h (21600 s). Todos os experimentos foram
realizados em triplicata e o meio de cultura (Lovley) usado como eletrólito
suporte.
3. Identificação do produto após eletrólise
Os produtos gerados após a eletrólise em massa para oxidação do glicerol por 6 h
foram identificados por HPLC acoplado a um detector UV e RID. Uma coluna Aminex®
HPX-87H foi empregada a 30°C. A coluna Aminex foi composta por uma fase móvel
H2SO4 a uma vazão de 0,6 mL/min.
Resultado e discussão
O teste de potencia mostra que no modo MFC o reator produziu uma potência de 70
mW/m2 e ao operar no modo MEC, o reator chegou a potencia de 80 mW/m2, mostrando
assim uma melhoria na potência do bioanâodo ao aplicarmos uma voltagem extra de
500 mV no sistema. Em termos quantitativos, a oxidação de glicerol com o reator
operando como MEC se tornou 5x mais eficiente ao apresentar a oxidação de 40% da
massa inicial de glicerol (1,5 g/L) contra 8% no modo MFC no mesmo intervalo de
tempo (6h). Análises cromatográficas (HPLC) mostram que possibilidade dos
reatores em formar subprodutos de valor agregado, como o 1,3–propanodiol, entre
outros. Portanto, o reator MEC desenvolvido apresentou boa eficiência ao oxidar
glicerol, deste modo, a próxima etapa será análise do rendimento da produção de
bio-H2, e avaliação do reator MEC desenvolvido neste trabalho como forma
sustentável/renovável para produção de bio-H2.
Conclusões
Portanto, o reator MEC desenvolvido apresentou boa eficiência ao oxidar
glicerol, deste modo, a próxima etapa será análise do rendimento da produção de
bio-H2, e avaliação do reator MEC desenvolvido neste trabalho como forma
sustentável/renovável para produção de bio-H2.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP (Processos: 2014/50945-4, 2019/24916-0 e
2021/010134-7), CAPES (Processo: 88887136426/2017/00) e ao CNPq (INCT 465571/2014-
0)
Referências
1] LLOYD JR, LOVLEY DR, MACASKIE LE. Biotechnological application of metal-reducing microorganisms. Advances in Applied Microbiology. v.53, p.85-128, 2003.
[2] HALFELD, G.G, ALMEIDA, E.J.R, REGINATTO, V., ANDRADE, A.R. Acclimatization of a microbial consortium into a stable biofilm to produce energy and 1,3-propanediol from glycerol in a microbial fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy V. 47, Issue 49, P. 21241-21252 (2022)
