Hydrogen production from wastewater in single chamber microbial electrolysis cellsstudies towards its scaling-up

Abstract

Les cel·les microbianes d’electròlisi (MEC) són sistemes biocatalitzats que ofereixen la possibilitat de valoritzar aigües residuals produint hidrogen, el qual és un bon vector energètic i un reactiu àmpliament utilitzat a la indústria química. L’aportació d’energia és necessària per a dur a terme el procés, i per tant la implementació d’aquesta tecnologia només serà possible si s’assoleix un balanç energètic positiu entre l’energia subministrada i l’energia obtinguda en forma d’hidrogen. La configuració de MEC en una sola cambra i sense membrana redueix els requeriments energètics del procés a més a més de simplificar-ne el disseny i la complexitat en l’operació, sent a priori una configuració més adient de cara a l’escalat del sistema. El principal inconvenient d’aquesta configuració és la disponibilitat de l’hidrogen per altres microorganismes, que en redueix la producció i la puresa. En aquesta tesi, es varen considerar diferents mesures per a millorar el rendiment de MEC en una sola cambra i sense membrana, amb l’objectiu d’augmentar les oportunitats d’escalat d’aquest sistema. El desenvolupament d’un biofilm exoelectrogen adequat va ser clau per a millorar l’eficiència del sistema. L’eficiència coulòmbica es va utilitzar com a paràmetre per a avaluar la inoculació de l’ànode en configuració de cel·la microbiana de combustible, estudiant els efectes de paràmetres de disseny tals com l’àrea de càtode o la resistència externa. Es va observar que una àrea de càtode òptima podria existir i que treballar a la resistència externa òptima era important. El biofilm catòdic també es va investigar, observant-ne un efecte barrera per a l’oxigen que permetia mantenir l’ànode en condicions anaeròbies. Es va observar que l’ús d’elevades resistències externes durant el procés d’inoculació afavoria electroactivitat del biofilm exoelectrogen, i es va investigar com a possible procediment de selecció que permetés créixer biomassa que fes servir de manera eficient l’aportació d’energia en MEC. En vista a l’ús de les MEC per a tractar aigües residuals reals, es va bioaugmentar el biofilm anòdic amb un consorci microbià constituït per bacteris fermentadors amb capacitat de degradar substrats complexes a compostos simples i per bacteris exoelectrògens. Per tal d’augmentar la producció i la puresa de l’hidrogen produït, es va estudiar a llarg termini una estratègia per a reduir el temps de retenció d’hidrogen al sistema i així evitar la metanogènesi en MEC d’una sola cambra. L’estratègia, que consistia en arrossegar l’hidrogen del sistema per bombolleig de nitrogen, va ser efectiva tot i que va presentar limitacions depenent del substrat consumit, indicant la necessitat de combinar aquesta estratègia amb d’altres. A més a més, es va estudiar l’ús d’una pila de combustible com a una eina econòmica de monitorització de producció biològica d’hidrogen a escala de laboratori. La senyal obtinguda correlacionava correctament amb l’hidrogen subministrat, sent tan eficient com la cromatografia de gasos. L’ús d’aquest instrument podria arribar a permetre la implementació d’estratègies de control i optimització en el procés. Finalment, es va investigar l’oportunitat de produir hidrogen del glicerol residual provinent de la indústria del biodiesel en MEC d’una sola cambra, que es veié limitada com a resultat del metabolisme de bacteris homoacetògens. El metanol, sovint contingut en el glicerol residual, es va usar de manera efectiva com a substrat en MEC. L’electrofermentació de glicerol sintètic també es va estudiar com a possible tecnologia per a valoritzar les aigües residuals de la indústria del biodiesel afavorint la producció de 1,3-propanodiol. Amb el treball desenvolupat es va concloure que l’escalat d’una MEC d’una sola cambra per a la producció d’hidrogen té opcions d’implementació si: (i) es desenvolupa un biofilm anòdic adequat, molt electroactiu i amb capacitat de tractar un rang ampli de substrats, (ii) s’usen aigües residuals amb baixa tendència a la proliferació de poblacions metanogèniques i (iii) s’opera a baix temps de retenció de l’hidrogen i baix temps de retenció hidràulic.