Microbial fuel cell performancedesign, operation and biological factors

Resumen

Una pila microbiana de combustible es un sistema bioelectroquímico en el cual las bacterias oxidan materia orgánica y transfieren los electrones a un electrodo produciendo electricidad. La eficiencia de este sistema depende de la actividad metabólica de los microorganismos creciendo en el ánodo, pero también de un gran número de factores relacionados con el diseño y la operación del sistema. El objetivo de esta tesis es contribuir al análisis y control de algunos de estos factores, así como ayudar a determinar el papel de los diferentes mecanismos de transferencia de electrones en el funcionamiento de estos dispositivos. En primer lugar, este trabajo analiza factores relacionados con el diseño que afectan al rendimiento de una pila microbiana. Así, se centra en el efecto de diferentes catalizadores abióticos así como en la relación entre las áreas del cátodo y ánodo necesarias para no afectar la potencia obtenida. Los resultados revelan que catalizadores solubles permiten potencias mucho mayores, y por tanto necesitan menor relación entre las áreas de cátodo y ánodo que en el caso de las pilas con cátodos de platino. No obstante, a largo plazo, las pilas con catalizadores solubles de hierro muestran un descenso progresivo del rendimiento de la celda de combustible que las hace poco adecuadas para aplicaciones que requieren operaciones de larga duración. Recientemente, la búsqueda de catalizadores adecuados para el cátodo ha llevado a los investigadores a explorar el posible uso de biocátodos. En esta tesis se demuestra la capacidad de Shewanella oneidensis MR-1 para catalizar la reacción del cátodo tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas, siendo capaz de aceptar la corriente proporcionada por las bacterias presentes en el ánodo. El potencial de las bacterias que se encuentran en el ánodo para la producción de corriente no sólo depende de los niveles de actividad microbiana y de la supresión de las limitaciones producidas por el cátodo, sino que es afectada también por factores relacionados con el funcionamiento del sistema. Nosotros mostramos la importancia de una operación ininterrumpida como otro factor relevante para determinadas aplicaciones. Periodos de interrupción del circuito producen una alteración en los valores de corriente en forma de picos, que aparecen cuando el circuito es cerrado tras un periodo de interrupción y que caen lentamente hasta alcanzar valores normales de corriente. Mediante análisis más exhaustivos de este fenómeno se demuestra la capacidad de Shewanella oneidensis MR-1 para almacenar carga eléctrica en ausencia de aceptores de electrones. Finalmente, se estudió la contribución en la producción de corriente de los diferentes mecanismos de transferencia de electrones en pilas con comunidades microbianas complejas. La pila con el ánodo descubierto muestra que los mecanismos de transferencia directa son responsables de la mayor parte de la corriente generada. La comunidad microbiana formada se encuentra relacionada con la vía de transferencia de electrones disponible con especies microbianas como Shewanella, Aeromonas, Pseudomonas o Propionibacterium. Los mecanismos de transferencia mediante mediadores le siguen en importancia, siendo los responsables del 40% de la corriente producida. Esta pila cuya corriente depende de la producción de mediadores muestra una gran cantidad de especies redox en el anolito, algunas de ellas no relacionadas con mediadores ya descritos. Por último, en la pila con el electrodo cubierto de nafion, la única especie química capaz de llegar a la superficie del ánodo es el hidrógeno. En este caso, la producción de corriente es sostenida gracias a la relación entre algunos organismos como Comamonas, Alicycliphilus, Diaphorobacter o la archaea Methanosaeta y el ánodo. La oxidación de acetato mediante estos microorganismos resulta en la producción de hidrógeno, el cual es oxidado en la superficie del ánodo tras cruzar el nafion.