PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: DEPURACIÓN DE AGUA Y PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA

1. PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: DEPURACIÓN DE AGUA Y PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA Dr. Carlos Godínez Seoane Profesor Titular de Universidad Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena Cartagena, 5 de junio de 2008

2. C. Godínez GROUP LEADER Fuel Cells and Polymers F. Hernández Ionic líquids, Supercritical fluids and Membrane technology L.J. Lozano Biofuels and Solvent recovery A. Larrosa (Ph.D. Student) J.M. Moreno J. Bayo A. Ginestá P.M. Díaz A. Pérez de los Ríos (post Doc-student) S. Sánchez (Ph.D. Student) D. Juan A. Barahona J. J. Agüera Proporcionamos asistencia tecnológica diversa en Ingeniería Química, Biotecnológica y Medio Ambiental Grupo INQUICA Ingeniería QUImica CArtagena

3. El grupo Inquica • Pilas de combustible microbianas (MFCs) • Estimación de su potencial • Desarrollo histórico • Estado de la tecnología • Tendencias y campos de aplicación • Reacciones anódicas principales • Tipos de MFCs • El proyecto Pedasur • Índices de rendimiento • Resultados actuales. Otros tests • Propuesta de diseño UPCT

4. Pilas de Combustible Microbianas Sistemas bioelectroquímicos capaces de producir ciertas cantidades de energía mediante la depuración eficaz de aguas residuales e- e- V Microorganismos Tampón fosfato c á t o d o á n o d o H2O Agua residual H+ Materia orgánica O2 Membrana de intercambio iónico 4H++4e- + O2 2H2O

5. Estimación del potencial 21.9 Hm3/año Cartagena: 200000 habitantes a 300 L/persona/dia Carga media = 0.6 g DBO5/L a 14.6 kJ/g-DBO5 Consumo vivienda : media 1.5 kW 6.1 MW Eficiencia: 85% 4 habitantes/casa 14000 habitantes (7% de la población) 3500 viviendas (Cálculos adaptados de Levin et al., Int.J.Hydrogen Energy, 2004, 29, 173-185)

6. Desarrollo histórico

7. P = V·I Anodos en “cepillo” Logan et al. 79 W/m3 Univ. Pennsylvania EEUU 2007 2006 Angenent et al. 20 W/m3 MFC tubular con cátodo en “U” Univ. St. Louis EEUU MFC tubular con mediadores (*) Rabaey et al. 20 W/m3 2005 Univ. Gante Bélgica MFCs de cámara simple 2003 Varios autores 0.5 – 2 W/m3 MFCs de doble cámara (*) La producción energética máxima, de 143 W/m3 , se obtuvo en estos estudios, usando glucosa como combustible, ferricianuro como catolito y microorganismos preseleccionados 2001 Estado de la Tecnología

8. Tendencias de la tecnología y campos de aplicación • TENDENCIAS • Reducción de costes • (ánodos, cátodos, membranas) • Diseños mas eficaces • Modelización • Microbiología • CAMPOS DE APLICACIÓN: • Industria procesadora de alimentos (conservera) • Depuración de aguas residuales urbanas • Piscifactorias y granjas de animales • Plataformas petroliferas • Buques oceanográficos y submarinos • Industria aeroespacial

9. Reacciones anódicas METANOGÉNESIS p.ej.: Methanobrevibacter smithii Methanobacterium thermoautotrophicum ACETOGÉNESIS p.ej. Syntrophomonas wolfeii Syntrophobacter wolini Acetobacterium woodii Clostridium aceticum CO2 + H2 Metano + METANOGÉNESIS p.ej. Methanosarcina barkerii Methanotrix soebugenii Acetico VFAs ACIDOGÉNEIS p.ej.: Clostridium butyricum Propionibacterium OXIDACIÓN ANODOFILICA Aminoácidos Ácidos grasos Glucosa Carbohidratos Lípidos Proteínas HIDRÓLISIS e- + CO2 + H+ Enzimas extracelulares OXIDACIÓN ANODOFILICA p.ej.: Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens y sulfureducens Rodoferax ferrireducens, Aeromonas hydrophilla

10. A C B Tipos de MFCs D Continuas de doble cámara Discontinuas de doble cámara Tubulares Continuas de cámara simple

11. Tipos de MFCs V = 12 V P= 0.5 kW DQO = 5000 mg/L Sin cámaras para sedimentos Planta Piloto (ánodos de cepillo)

12. El Proyecto PEDASUR • GENERALES: • Evaluación la tecnología con aguas del sureste español. • Consolidación de nueva línea de investigación (financiación privada y pública) • PARTICULARES: • Construcción, comisionado, puesta en marcha y evaluación de reactores experimentales • Estudio de materiales alternativos de coste reducido • Estudio de condiciones de operación y variables de diseño en su relación con la eficiencia del sistema • Modelización del proceso; estudio de cambio de escala • Pilas en continuo y planta piloto

13. El Proyecto PEDASUR

14. Índices de rendimiento • Máxima potencia instantánea • Eficiencia coulómbica • Porcentaje de eliminación de DQO • SST, SSV, COT • pH, ácidos grasos volátiles (VFA) • Análisis de diversidad microbiana

15. Numero de bandas • Intensidad de las bandas • Posición de las bandas Diversidad microbiana Índices de rendimiento Análisis de la diversidad microbiana Kit de purificación y protocolo Enzima + nucleótidos+ tampón + cebador 16S rRNA DNA purificado 2.- PCR (Polymerase Chain Reaction) 1.- Extracción del DNA de las bacterias Fragmentos de DNA específicos amplificados ANODO DNA separado en bandas según tamaños 3.- DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) Permite discernir si un determinado tratamiento tiene un efecto seleccionador sobre la comunidad microbiana anódica

16. papel grafito esponja fieltro tela RVC Resultados: materiales anódicos

17. F C1 C2 F1 F2 M G1 G2 P1 P2 M R1 R2 S1 S2 M Ve M C M Estudio de materiales para el ánodo Grafito y tela de carbono muestra el mejor compromiso entre propiedades y coste

18. Estudio de materiales para el cátodo • Propiedades catalíticas deseadas en el material: • Transporte de O2 • Centros activos reductores del O2 • Coste reducido • Materiales prometedores: porfirinas

19. Estudio de materiales para el cátodo Pt = Pt/Ti FePc = Ftalcianina de Fe CoTMPP = Porfirina de Co FeTMPP = Porfirina de Fe KB = carbon Ketjen Evaluación del rendimiento:

20. Estudio de materiales para el cátodo Comparación provisional: Futuros tests: • Variación de la carga de metal en el catalizador • Otros catalizadores: MnOx , perovskitas, espinelas, piroclorina y otras porfirinas • Estudio cinético en semipilas: voltametria de barrido lineal y cíclica

21. Otras áreas: • Evaluación de distintos oxidantes catódicos • Análisis de la influencia de distintas temperaturas sobre el proceso • Estudios de impedancia • Pilas en contínuo; balance de materia

22. membrane (nafion o nada) Wastewater intlet Air outlet separation plate (PE o PP) biofilm perforated separation plate (PE o PP) H+ O2 H+ Wastewater outlet Air intlet catodo (porfirinas?? anodo (filamentos de C-cloth en forma de manta) Canal Catódico (Aire o H2O2 en recirculación??) Canal anódico Diseño UPCT La configuración en espiral tiene ventajas: es mas compacta, tiene alta superficie especifica, mayores coeficientes de transferencia,…

23. Gracias Plantas nómadas. Gilberto Esparza (Méjico)