As câmaras dos reatores (volume útil de 150 mL) foram construí- das utilizando tubos PVC (Tigre – Brasil) fechados com tampões e conec- tadas entre si utilizando junções do tipo “luva”, na qual as membranas (catiônica, aniônica ou de microfiltração) foram fixadas internamente. Foram feitos orifícios nas câmaras para instalação dos eletrodos, inocula- ção, retirada de amostra, os quais foram vedados com borracha butílica (Bellco Glass, Vineland, NJ, EUA). Na câmara anódica foi instalado eletro- do de grafite com área superficial de 7,95 cm2 e na câmara catódica foi
instalado eletrodo de aço inoxidável com área superficial de 2,21 cm². Conforme descrito, a câmara de fermentação foi preenchida com diferen- tes quantidades de carvão ativado granular (Bonechar-Brasil), sendo que a quantidade de carvão variou entre 0, 45 e 90 gramas de carvão (80% do volume da câmara de fermentação). Como substrato, utilizou-se soro de queijo ultrafiltrado (Tangará Alimentos, Vila Velha - ES) reconstituído a uma DQO inicial de 15.000 mg L-1 e suplementado com Extrato de Levedu-
ra 1g/L-1(Kasvi, Curitiba – Brasil). A solução foi aquecida até 90ºC e centri-
fugada (5000 x g por 5 min) para a remoção de partículas em suspensão. As CEM foram inoculadas com amostras de biodigestor anaeróbico, lodo de uma lagoa local (Lago Soledade-Ouro Branco, MG), amostra de solo retirada próxima ao aterramento de torres de alta tensão e de amostra de outra CEM em operação, previamente inoculada com lodo de lagoa. As CEMs foram varridas com N2 e incubadas a 27°C com o circuito exter- no fechado por resistor de 10 K𝝮. A geração de potencial foi monitorada diariamente por até 16 dias pelo método de Potenciometria de Circuito Aberto utilizando potenciostato (Compacstat 10V@30mA, Ivium, Eindho- ven - Holanda).
3 RESULTADOS
CEMs inoculadas com diferentes fontes de inóculo apresentaram diferenças na geração de ddp (figura 1). CEM inoculada com efluente de biodigestor não gerou ddp expressiva. CEM inoculada com lodo de lagoa
apresentou produção de potencial de 50mV após 3 dias de aclimatação, no entanto a ddp gerada extinguiu-se completamente após 8 dias de in- cubação. CEMs inoculadas com amostras de solo retirado ao redor do aterramento de torres de alta tensão e efluente de outras CEMs apresen- taram ddps máximas registradas de 170 mVe 280mV.
FIGURA 1 - Diferença de potencial em CEMs inoculadas com diferentes fontes de inóculo: CEMs inoculadas com amostra de Biodigestor anaeróbio ( ); CEMs inoculadas com lodo de lagoa ( ); CEMs inoculadas com amostra de solo sob torre de alta tensão ( ) e com amostra de outra CEM ( ).
Fonte: do autor, 2015.
Embora a geração de potencial tenha sido possível com todas as membranas testadas, o potencial gerado estava diretamente associado à membrana utilizada, conforme mostra a Figura 2. A membrana de mi- crofiltração apresentou ddp máxima de 62,2mV e ddp média de 40,7mV.
A membrana de troca catiônica chegou a produzir 31,2 mV de ddp, porém com ppd média de apenas 11,8 mV. A membrana de troca aniônica apre- sentou geração de ddp média de 11,7mV.
FIGURA 2 - Produção de potencial em CEMs construídas com diferentes tipos de membrana: CEM construída com membrana de microfiltração ( ); CEM construída com membrana de troca catiônica ( ) e CEM construída com membrana de troca aniônica ( ).
Fonte: do autor, 2015.
A adição de carvão na câmara de fermentação também influenciou a geração de potencial das CEM (Figura 3). A CEM não adicionada de carvão apresentou geração de ddp média de 8,7mV, com geração de potencial não duradoura, extinguindo-se quase completamente após sete dias de incu- bação. Por outro lado, CEM com adição de 45g de carvão ativado à câma- ra anódica teve produção estável de potencial, com média de 29,1mV. Em CEM adicionas de 90g de carvão ativado, a ddp média foi 33,3 mV.
FIGURA 3 - Produção de potencial em CEMs adicionadas de diferentes quantidades de carvão na câmara anódica: CEM sem carvão na câmara anódica ( ); CEM adicionada de 45g de carvão na câmara anódica ( ) e CEM adicionada de 90g de carvão ( ).
Fonte: do autor, 2015.
4 DISCUSSÃO
Células de Energia Microbiana (CEMs) apresentaram desem- penho dependente da fonte de inóculo utilizada. Alguns trabalhos indicam diversos microrganismos que aparentam ser mais aptos a se utilizarem de eletrodos como aceptores de elétrons, sendo notável a pesquisa com Geobacteraceae (HOLMES et al., 2004; RUIZ et al., 2014). Desde os estudos pioneiros com CEMs, efluentes hídricos e sedimentos marinhos têm sido amplamente utilizados como fontes de micro-orga-
nismos (ZHANG; JIANG; LIU, 2015). Em nosso trabalho, CEM inoculadas com efluente de biodigestores anaeróbios não apresentaram diferen- ça de potencial expressiva, indicando a ausência de micro-organismos eletroativos. Já CEM inoculadas com lodo de lagoa apresentaram uma discreta geração de potencial indicando a presença de micro-organis- mos eletroativos cuja presença pode estar relacionada à presença de minério de ferro e atividades de mineração na região. Song et al (2012) inocularam CEMs com diferentes sedimentos de lago e demonstram que a produção de potencial estava relacionada ao teor de ferro do sedimento, de modo que a amostra sedimentar com o maior teor de Fe (III) levou à maior produção de energia. A influência do teor de ferro na prevalência de micro-organismos eletroativos também foi demons- trada por Kim, Min e Logan (2005b). Foi relatado que o mecanismo de transferência é semelhante para óxidos de ferro e eletrodos (ZHANG; JIANG; LIU, 2015), o que possibilitaria microrganismos eletroativos ob- terem vantagem energética em ambientes com alto teor de ferro, justi- ficando sua prevalência.
O melhor desempenho em termos de geração de potencial elétri- co foi observado em CEMs inoculadas com amostras de solo retirado ao redor do aterramento de torres de alta tensão ou inoculadas com efluen- te de outras CEM, já em operação. Embora o solo tenha sido relativamen- te pouco explorado como fonte de inóculo para CEMs, pode ser uma fonte interessante de microrganismos eletroativos devido à sua biodiversidade microbiana (CERCADO et al., 2013, KIM et al., 2005a). Os estímulos elétri- cos causados pelo aterramento das torres podem favorecer o enrique- cimento de bactérias eletroativas, o que explicaria o bom desempenho deste solo como fonte de inóculo para CEMs. Os resultados também indi- cam que os micro-organismos capazes de interagir com eletrodos podem ser selecionados em CEMs, uma vez que a inoculação de uma CEM com o conteúdo de outra levou a potenciais elétricos mais elevados. Um fenô- meno semelhante foi observado por Kim, Min e Logan (2005b), que ob- tiveram o enriquecimento de microrganismos eletroativos por meio da transferência em série do biofilme formado no anodo para um eletrodo novo, visando a redução do tempo de aclimatação de CEMs.
O desempenho das CEMs também foi afetado pelo tipo de mem- brana utilizada. Dentre as membranas testadas, a membrana de micro- filtração apresentou maior pico e média de diferença de potencial, além de tempo de atividade mais longo. Comparativamente, a utilização de membrana de microfiltração aumentou a geração de potencial média em 257% em relação à membrana de troca catiônica; e, em 246%, em relação à membrana de troca aniônica.
A presença de um separador é necessária para manutenção do potencial e para evitar a formação de biofilme no catodo, o que causa a redução do desempenho (HOU; SUN; HU, 2011). No entanto, depen- dendo do material utilizado, a membrana pode aumentar resistência interna e taxa de transferência de massa que podem limitar a geração de energia (ZHANG et al., 2009). Em CEMs em operação, a perda de de- sempenho está relacionada a limitações da taxa de transferência de massa de H+ através da membrana (RUIZ et al., 2014). Os efeitos sobre a
transferência de massa são mais notáveis em membranas de troca iôni- ca, enquanto membranas de filtração são permeáveis a pequenos íons (KIM et al., 2007).
Sun et al (2009) demonstraram uma redução substancial da re- sistência interna quando membranas de microfiltração foram usadas no lugar de membranas trocadora de prótons. A resistência interna obtida foi similar a de uma CEM sem membrana. Além da redução da resistên- cia interna, a melhora de eficiência foi também atribuída à elevada per- meabilidade da membrana de microfiltração, que facilita a transferência global de cargas.
O efeito positivo da membrana na geração de energia também foi demonstrado por Hou; Sun e Hu (2011) e justificado de forma semelhan- te. Deste modo, o uso destas membranas pode facilitar a locomoção de íons e evitar a formação de gradientes de espécies carregadas dentro das CEMs, sendo alternativa viável para ampliação de escala de CEMs (KON- DAVEETI et al., 2014).
A adição de carvão ativado na câmara de fermentação foi cru- cial para manutenção da geração de potencial pelas CEM. Além de apre- sentar a menor média, o potencial gerado por CEM sem carvão não foi
duradouro, extinguindo-se após sete dias. No entanto, a adição de 45g de carvão ativado à câmara aumentou a ddp média em 234%, a qual se manteve estável por até 15 dias. A adição de 90g de carvão ativado cau- sou 328,9% de aumento da geração de potencial em relação à CEM sem carvão, indicando que o efeito do mesmo não é linear.
O aumento da geração de potencial causado pela adição de car- vão pode estar relacionado ao substancial aumento de área do eletrodo, uma vez que este é um fator limitante da eficiência energética de CEMs convencionais. A importância da área superficial do eletrodo para o de- sempenho de CEMs tem sido amplamente discutido na literatura (REN et
al., 2015, ERBAY et al., 2015, RINALDI et al., 2008). Kipf et al (2013) testaram diferentes materiais como anodo e constataram que também o material do eletrodo tem um efeito significativo sobre o desempenho de CEMs. O eletrodo de carvão ativado apresentou resultado superior aos demais testados, incluindo materiais classicamente usados em CEMs como folha de grafite, papel carbono e feltro de grafite.
A melhora no desempenho foi atribuída à elevada área de super- fície disponível para a transferência de elétrons. Chaudhuri e Lovley (2003) testaram diferentes materiais carbonáceos e verificaram que, em- bora os materiais com maior área superficial apresentassem maior de- sempenho, o desempenho específico, isto é, ponderado pela área super- ficial do eletrodo, era similar, o que lhes permitiu concluir que o aumento da geração de energia estaria relacionado ao aumento da área do anodo. Segundo os autores, isto poderia ser atribuído à maior concentração de células ligadas aos eletrodos. Estes resultados demonstram que a otimi- zação da área de superfície do anodo pode aumentar substancialmente a produção de energia.
Outros efeitos decorrentes da adição de carvão podem influen- ciar o comportamento das CEMs, já que o uso de carvão ativado em fermentações anaeróbias fornece diversas vantagens à atividade micro- biana, tais como superfície e macroporos para colonização microbiana e proteção contra cisalhamento, concentrações excessivas de substra- to e agentes tóxicos, incluindo metabólitos celulares (HERZBERG et al., 2003).
Tais características podem ter sido determinantes no desempe- nho das CEMs adicionadas de carvão, uma vez que o substrato utilizado, soro de queijo, possui alta concentração de carboidratos solúveis alta- mente fermentecíveis. A rápida fermentação desses carboidratos resulta em acúmulo de ácidos orgânicos e acidificação do reator, inibindo espé- cies mais sensíveis (RICO et al., 2015).
Deste modo, a dessorção gradual do substrato e adsorção dos ácidos orgânicos, promovidos pelo carvão, podem ter favorecido a gera- ção de ddp e a estabilidade da fermentação, promovendo o aumento da robustez das mesmas. Tais observações estão de acordo com o observa- do por Wu et al (2015) os quais relataram que a difusão do substrato pelo anodo favorece a homogeneidade do biofilme, garantindo o suprimento de nutrientes a microrganismos fixados no interior do eletrodo. Feng
et al (2010) também atribuíram o aumento da geração de potencial em suas CEMs ao aumento de área e às propriedades adsortivas do carvão ativado.
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