Microbial electromethanogenesis for co2 valorisation and electrical energy storage

Resumen

La captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) es un grupo de tecnologías fundamentales para la descarbonización de la economía. CCUS es un concepto general que engloba cualquier tecnología que reduzca o elimine la emisión de CO2 a la atmósfera, al tiempo que puede redirigir el carbono a un sumidero de carbono sostenible. La electrometanogénesis microbiana (EM) puede incluirse dentro de este grupo de tecnologías, ya que es capaz de convertir el CO2 en compuestos orgánicos y combustibles utilizando microorganismos como biocatalizadores. Además, el proceso de EM requiere una cierta cantidad de electricidad para llevarse a cabo, lo que lo hace capaz de convertir cualquier excedente de energía eléctrica en una energía más fácilmente almacenable, como el gas combustible. Esta característica permite agrupar el EM no sólo dentro de las CCUS, sino también dentro de las tecnologías "power-to-gas". Sin embargo, antes de alcanzar un desarrollo comercial, la EM necesita enfrentarse a una serie de retos, como la conversión eficiente del CO2, el uso de materiales de electrodo compatibles o la mejora de las eficiencias coulómbicas. Por ello, el objetivo de esta tesis es avanzar hacia la aplicación práctica de la EM como tecnología de almacenamiento de energía y CCUS (operada en modo autónomo o integrada con otras biotecnologías), abordando algunas de las cuestiones clave mencionadas anteriormente. En el proceso de integración del sistema EM con otras biotecnologías, es necesario comprender los retos que implica el uso de residuos complejos como sustratos. Esta tesis compara la eficiencia de tratamiento de la digestión anaerobia (AD) asistida por celdas de electrólisis microbiana (MEC) y la AD convencional para dos residuos orgánicos reales: i) caldo de fermentación de sarmientos de vid agotado (EVS) procedente de la corriente final de un proceso de desgasificación y ii) residuos de suero de queso (CW) de la industria láctea. En el tratamiento del EVS, el sistema MEC-AD produjo 7 veces más metano que el AD tradicional, además mejoró la capacidad eléctrica y la resistencia del sistema. Para las pruebas de valorización del CW, tanto el MEC-AD como los reactores AD fueron suplementados con dos materiales carbonosos diferentes (carbón activado (AC) y argán pirolizado (PA)). La adición de AC permitió una puesta en marcha más rápida, aunque afectó negativamente a la productividad de metano. El PA no tuvo ningún beneficio visible en términos de producción de metano en comparación con la AD no suplementada. Sin embargo, aumentó ligeramente la tasa de producción de metano, algo que podría aportar ventajas prácticas en instalaciones de AD reales. Otro aspecto que debe abordarse antes de escalar la EM son las densidades de corriente que aún son relativamente bajas en los biocátodos metanogénicos. Los resultados positivos obtenidos con bioánodos modificados con óxido de grafeno nos indujeron a explorar el uso de este material en biocátodos. La densidad de corriente generada por los electrodos modificados con grafeno fue casi un 30% superior a la del electrodo de fieltro de carbono de control, con un aumento simultáneo de la abundancia microbiana. También se estimó que, para producir biogás de alta calidad (>95% de concentración de metano), se requería una tasa de alimentación de CO2 del orden de 15- 30 g de CO2 por m2 de electrodo por día. En determinadas circunstancias, los biocátodos pueden comportarse como supercondensadores biológicos, lo que permite utilizarlos no sólo para el almacenamiento de energía a largo plazo, sino también a corto plazo. Esta tesis investiga la capacidad de almacenamiento de carga eléctrica de bioelectrodos, utilizando fieltros de carbono modificados con grafeno. Los resultados parecen indicar que las modificaciones del grafeno tienen un efecto positivo en el rendimiento electroquímico de los bioelectrodos pero deterioran tanto la cinética como la capacidad de almacenamiento de carga de los cátodos abióticos. Por último, esta tesis también evalúa la viabilidad técnica de integrar un sistema EM en plantas reales de producción de biogás (caso de estudio). Se ha comprobado que el uso de esta tecnología para la mejora de biogás o para la valorización de corrientes ricas en CO2 puede producir un biogás con una composición similar a la del gas natural. Los resultados también mostraron que la EM permite una mejora del 38-54% en la producción de metano en comparación con el escenario de referencia (digestión anaerobia convencional).