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A Célula de Combustível Microbiana (MFC)

Entre os objetivos do projeto Gilluz está a oferta de energia elétrica à comunidade a baixo custo e de forma renovável. O que é justificado pelo aumento da demanda de energia elétrica e necessidade de desenvolver fontes de energia sustentáveis no mundo, aliado à busca pela a redução das emissões de carbono na atmosfera. Um agravante são as constantes quedas de energia devido à matriz elétrica no Brasil devido ser baseada principalmente em hidrelétricas (Lehnen, 2014).

Assim, a principal ferramenta escolhida pela equipe da iUE é uma MFC, biorreator que converte energia química em energia elétrica pela ação de microrganismos. A tecnologia também tem potencial de biorremediação devido à sua capacidade de biodegradação de matéria orgânica em diferentes substratos, entre eles o chorume. O maior desafio nesse sistema, no entanto, é a geração de energia em larga escala, mas ainda se mostra uma tecnologia sustentável promissora, especialmente dada a ampla gama de aplicações industriais no tratamento de águas residuais (Lehnen, 2014).

O chorume é um líquido contaminante de cor escura e cheiro forte, formado pela decomposição da matéria orgânica presente em aterros e lixões. Além disso, vale ressaltar que o lixiviado é altamente contaminante, devido à sua variedade de compostos, como matéria orgânica, metais pesados, macro componentes inorgânicos e pesticidas (Wiszniowski et al., 2006; Zhang et al., 2013; Renou et al. , 2008). Portanto, seu tratamento é de grande importância. A partir disso, o projeto Gilluz, teve como objetivo a geração de eletricidade por MFC utilizando o chorume do ASB como substrato, lidando assim com o problema da crise energética ao lidar com compostos prejudiciais ao meio ambiente e à saúde humana.

Materiais da MFC


A MFC é composta por uma câmara anódica e uma câmara catódica, separadas por uma membrana semipermeável. Os microrganismos contidos na câmara anódica atuam como catalisadores para a oxidação de compostos orgânicos e inorgânicos, processo que leva à geração de prótons e elétrons. A geração de corrente ocorre pela transferência de elétrons do ânodo para o cátodo, unidos por um material condutor contendo um resistor (Logan, 2006).

Dentre os gêneros de bactérias exoeletrogênicas, sem dúvida um dos mais promissores e eficientes no que diz respeito à transferência de elétrons em MFCs são as do gênero Geobacter. Além disso, em condições estritamente anaeróbicas, as bactérias desse gênero são os organismos mais abundantes na colonização de eletrodos (Lehnen, 2014). Assim, a espécie Geobacter sulfurreducens foi selecionada para o projeto Gilluz, por produzir nanofios microbianos capazes de conduzir elétrons de longo alcance através de múltiplas camadas de biofilme.

Mesmo com bactérias a uma certa distância do ânodo, a transferência de elétrons permanece viável graças aos 'pili' eletricamente condutores, que aumentam a espessura do biofilme sem reduzir sua eficiência. Tudo isso contribui para uma maior densidade de corrente dentro de culturas puras, resultando em alta eficiência de Coulomb (Lehnen, 2013).

Os materiais do ânodo devem ser altamente condutores e não corrosivos para favorecer a liberação de elétrons de microorganismos exoeletrogênicos. Assim, o uso de ânodos de carbono têm se mostrado uma boa opção devido à sua estabilidade química, boa condutividade, boa biocompatibilidade e custo relativamente baixo (Dumitru, 2016). Portanto, para o Projeto Gilluz, o ânodo escolhido foi a manta de carbono devido à sua maleabilidade, porosidade e evidências bibliográficas quanto à sua eficiência em MFC com bactérias do gênero Geobacter e seu biofilme.

Outro componente importante da MFC é a membrana de troca catiônica (CEM), que facilita a transferência de cátions (H⁺, NH₄⁺ e íons metálicos) para a câmara catódica para ter neutralidade de carga no sistema e uma corrente elétrica sustentável (Tharali et al., 2016). Além disso, a CEM deve evitar a transferência de oxigênio e substrato entre as câmaras (Logan, 2006). Para o nosso sistema, a CEM CMI-7000 foi escolhida devido à sua espessura, resistência elétrica, permeabilidade seletiva, resistência ao pH e eficiência do amônio recuperado / removido (Yang et al., 2021).

Para o cátodo, foi escolhido a manta de carbono, assim como o ânodo por sua alta área de contato, porosidade, condutividade elétrica, flexibilidade e resistência mecânica. Devido à baixa eficiência e densidade de corrente observada nos MFCs, o desenho do projeto foi escolhido para maximizar a geração de eletricidade do sistema.

Como vai funcionar?

A MFC funcionará com fluxo de chorume ascendente e, deve ser inserida uma bomba para levar o lixiviado até a câmara anódica, onde o eletrodo será colonizado pela Geobacter sulfurreducens. A bactéria realizará processos oxidativos, resultando na liberação de elétrons que serão levados do ânodo para o cátodo por meio de um fio resistor (Dumitru et al., 2013). Além disso, os cátions presentes no substrato, como H⁺, NH₄⁺ e íons metálicos, serão transportados pela membrana de troca catiônica (Iskander et al., 2015).

Considerando que o cátodo pode ser um agente limitante na eficiência da MFC, decidiu-se que seria maior que o ânodo, além disso, foi adicionada uma bomba de ar ao sistema para fornecer o oxigênio dissolvido. O oxigênio é um aceptor de elétrons com alto coeficiente de transferência de massa e reatividade, que pode promover taxas de transferência de elétrons e prótons que melhoram a densidade de potência e aumentam o desempenho de geração de energia (Oh et al., 2004).

Além disso, uma bomba de ar vai garantir a sobrevivência do Aspergillus, por se tratar de um fungo aeróbio. Ainda sobre o fungo, ele irá liberar as lacases que também contribuirão para aumentar a eficiência do cátodo.

Os designs da MFC do iUE

No projeto Gilluz, os tipos e designs do MFC eram baseados principalmente em nosso substrato, o lixiviado, então a evolução dos designs estava surgindo para superar as barreiras relacionadas ao nosso substrato, e a eficiência na geração de eletricidade. Assim, no projeto as configurações MFC, eletrodos utilizados, substrato utilizado e potência de saída, foram baseadas nisso, nossas principais configurações foram de acordo com o tipo denominado “Stacked MFC”, devido às nossas perspectivas futuras de implementação no tratamento de lixiviado comum em aterros sanitários, caracterizados pela formação de uma comunidade microbiana, o ânodo e o cátodo por tecido de carbono, a membrana de troca catiônica (CEM) CMI-7000 e como a produção de energia poderia favorecer nossos objetivos de fornecer eletricidade à comunidade.

O primeiro design foi a ideia abstrata que permitiu aos membros do projeto seguir as melhores maneiras de lidar com o substrato de lixiviado e como os microrganismos escolhidos poderiam ser implementados no design para realizar a biorremediação enquanto a eletricidade é gerada. Na segunda proposta, as mudanças foram baseadas em reunião com o Dr. Pant, onde ele sugeriu que implementássemos um MFC com fluxo ascendente. Além disso, ele nos explicou que o cátodo era o fator limitante da eficiência do MFC, portanto, para contornar esse problema, deveríamos usar um cátodo com superfície maior que o ânodo.

Com a última proposta de projeto de MFC, devido às principais barreiras na utilização do modo de fluxo contínuo de tratamento de lixiviado por MFC, proposta pela equipe, é o aumento da resistência interna, o que é relatado por tratamento de efluentes na literatura, esta pode ser reduzida utilizando o MFC empilhado em vez de usar um único ânodo grande e / ou câmara de cátodo. No MFC empilhado, uma série de modelos individuais são empilhados paralelamente ou na posição vertical. Isso reduzirá a resistência interna devido ao uso de uma pequena configuração e aumentará a produção de energia geral (Aelterman et al. 2006; Ledezma et al. 2013; Zhou et al. 2013). Outra mudança nesse projeto foi proposta pelo Dr. Ieropoulos, recomendando o uso de membrana de troca catiônica (CEM) no projeto de engenharia do sistema e o emprego do tipo empilhado com menor distância entre os eletrodos.