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TÍTULO: CONSTRUÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MICROBIANAS (MFC) EMPREGANDO-SE SOLO COMO FONTE DE MICRORGANISMOS
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO
CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA
ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS
SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SANTOS
INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): BRUNO PASSARELO BRAZ PAIÃO
AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): KÁTIA MARIA GOMES MACHADO, MARIA APARECIDA S ACCIOLY
1. RESUMO
Há muitos fatores que podem influenciar a operação e eficiência de um dispositivo bioeletroquímico como as células de combustível microbianas (MFCs). A eficiência das MFCs é resultante da associação entre a eletroquímica e a microbiologia. Estes dispositivos podem ser otimizados pelo controle dos fatores físico-químicos e biológicos que contribuem para o metabolismo dos microrganismos. O formato estrutural também tem influência na eficiência das MFCs. Este projeto teve como objetivo, avaliar a construção de células de combustível microbianas (MFCs) utilizando microrganismos presentes naturalmente no solo e variando a concentração da fonte de carbono.
2. INTRODUÇÃO
Conforme Allan & Benetto (1993) uma MFC é composta por dois reatores - Reator 1 e Reator 2 (Figura 1). No Reator 1, anaeróbico, o ânodo encontra-se inserido no sistema de cultivo, contendo os nutrientes necessários para o crescimento dos microrganismos. O Reator 2, aeróbico, abriga o cátodo, o qual encontra-se emergido em uma solução de água e sal, submetida a aeração contínua, promovendo a redução do oxigênio em água. Os compartimentos são conectados por uma membrana seletiva, que possibilita que os íons liberados no compartimento anódico migrem para o compartimento catódico.
Figura 1 Esquema geral de uma célula de combustível microbiana (MFC)
A oxidação da fonte de carbono no compartimento anódico, catalisada pelo metabolismo dos microrganismos, libera elétrons que são transferidos para o ânodo, e prótons que migram para o cátodo por meio da membrana trocadora de prótons. Quando o ânodo e o cátodo são conectados externamente por um circuito, no compartimento cátodico ocorre a redução do oxigênio à água, produzindo um fluxo de elétrons, logo, gerando a corrente elétrica. Para uma MFC operando pela oxidação de matéria orgânica são esperadas as reações químicas apresentadas abaixo (RACHINSKI et al., 2010).
Compartimento anódico Compartimento catódico
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e- 4H+ + O2 + 4e- → 2H2O Fonte: RACHINSKI et al., 2010
3. OBJETIVOS
Este projeto teve como objetivo principal avaliar a construção de células de combustível microbianas (MFCs) utilizando microrganismos presentes naturalmente no solo e variando a concentração da fonte de carbono.
4. METODOLOGIA
Confecção das MFCs. Foi baseada em Chaudhuri & Lovley, 2003 e Zhao et al., 2006, sendo necessárias algumas adaptações. O esquema da MFC pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 Esquema da célula de combustível microbiana
As MFCs MC-1 e MC-2 (Figuras 3 e 4) foram feitas utilizando potes plásticos de 2 litros, com tampa. Os eletrodos foram feitos de tubo de grafite de 1mm de diâmetro por 5cm de comprimento, conectados a um fio de cobre de 20cm, ligando a parte interna dos compartimentos até a parte externa.
O compartimento catódico foi composto de uma solução de 1,5 litros de água potável com 15 gramas de NaCl. O compartimento anódico da MC-1 recebeu 2 kg de amostra de solo de ambiente dulcícola proveniente de uma Coluna de Winogradsky (COPINI et al., 2015), adicionados de 6 gramas de papel sulfite picado e giz. O solo foi coletado em Itaguaré, no município de Bertioga, São Paulo. A MC-2 recebeu 2 kg de amostra de solo latossolo, coletado no município de Paraguaçu Paulista, São Paulo, acrescidos de 4 gramas de glicose. Aos solos das MC-1 e MC-2 foram adicionados 5 gramas de NPK 10-10-10 (Bonigo).
Como substituição da membrana trocadora de prótons, empregou-se uma ponte salina, que evita a mistura das duas soluções mas permite que haja fluxo de íons entre os dois compartimentos (CASTELLAN, 2009). As pontes salinas das MFCs MC-1 e MC-2 foram confeccionadas utilizando um tubo de PVC de 1” por 9 cm de comprimento, obtendo um volume de 100ml, preenchido com uma solução de ágar (25g/L) e sal NaCl (10g/L). Para as MFCs MC-3, MC-4 e MC-5, a concentração de NaCl utilizada foi de 8g/L. As conexões entre a ponte de sal e os compartimentos foram feitas utilizando luvas de PVC de 1” e vedadas com arruelas de borracha do tipo O-ring.
Figura 3 Célula de combustível microbiana MC-1
Fonte: Próprio autor.
Figura 4 Célula de combustível microbiana MC-2
A tensão elétrica, em volts, foi determinada utilizando um multímetro calibrado. Adotou-se a resistência interna da MFC como constante quando assumida a um curto tempo de mensuração.
Para testar a influencia das diferentes concentrações da fonte de carbono, foram construídas três MFCs utilizando a mesma amostra de solo da MC-2: M0, M1 e M2 (Figura 5). Empregou-se potes plásticos de 1 litro, com tampa. Os eletrodos foram feitos de um tubo de grafite de 8 mm de diâmetro por 5,7 cm de comprimento, conectados a um fio de cobre de 33 cm, ligando a parte interna dos compartimentos até a parte externa. Os compartimentos catódicos para as MFCs foram compostos de uma solução de 900 ml de água destilada e 4,5 g de NaCl para M0, M1 e M2, e 4,0 g para M3, M4 e M5. O solo utilizado foi aquecido a 40⁰C por 48 horas e misturado a fim de manter uma homogeneidade. O compartimento anódico de M0 recebeu 1,2 kg de solo e 250 ml de água destilada. O compartimento anódico de M1 recebeu 1,2 kg de amostra de solo, 250 ml de agua destilada, 3 g de glicose (C6H12O6) e 5 g de NPK 10-10-10 (Bonigo). O compartimento anódico de M2 recebeu 1,2 kg de amostra de solo, 250 ml de água destilada, 6 g de glicose (C6H12O6) e 10 g de NPK.
Figura 5 Células de combustível microbiana M0 (A), M1 (B) e M2 (C)
Fonte: Próprio autor.
Foram construídas três novas MFCs: M3, M4 e M5 (Figura 6), visando repetir o processo e implantar melhorias para o sistema atingir melhor eficiência. Foi usado o mesmo solo, previamente aquecido a 40⁰C por 72 horas. O compartimento anódico de M3 recebeu 1,0 kg de solo e 350 ml de água destilada. O compartimento anódico de M4 recebeu 1,0 kg de amostra de solo,
350 ml de água destilada, 1 grama de glicose (C6H12O6), 1,5 g de papel sulfite picado e 4,15 g de NPK. O compartimento anódico de M2 recebeu 1,0 kg de amostra de solo, 350 ml de água destilada, 2 g de glicose (C6H12O6), 3 g de papel sulfite picado e 9,30 g de NPK. Os compartimentos catódicos das MFCs M0, M1, M2, M3, M4 e M5 foram aerados com bomba de ar de 7 Watts e de vazão 4,5 L/min (BigAir Pump®). A corrente elétrica foi mensurada com um resistor externo de 10kΩ. Foi mensurada a tensão elétrica com multímetro (Figura 7).
Figura 6 Células de combustível microbianas M3, M4 e M5
Fonte: Próprio autor.
Figura 7 Mensuração de tensão elétrica de M3, M4 e M5 utilizando multímetros.
Fonte: Próprio autor 5. DESENVOLVIMENTO
Após a confecção das MFCs MC-1 e MC-2, foram feitas mensurações de tensão elétrica em um período de 50 dias. Para as MFCs M0, M1 e M2, a tensão elétrica foi mensurada por 50 dias e a corrente elétrica foi mensurada por 16 dias. A tensão e corrente elétrica para as MFCs M3, M4 e M5 foram mensuradas por 36 dias. As mensurações foram realizadas utilizando multímetros nas funções de
voltímetro e amperímetros. A corrente elétrica foi mensurada utilizando um resistor externo de 10kΩ recomendado pelos experimentos de Clauwaert et al. (2007).
6. RESULTADOS
A Figura 8 apresenta a variação da tensão elétrica, expressa em volts, em MC-1 e MC-2, durante um intervalo de tempo de 50 dias. A tensão foi medida antes e após 10 minutos de oxigenação do compartimento catódico. Foi possível observar aumento da tensão elétrica das MFCs após a oxigenação, nos dias 28, 33, 34 e 36, com aumento de tensão de 0,376V para 0,387V, 0,393V para 0,402V, 0,395V para 0,408V e 0,402V para 0,413V, respectivamente, consolidando um aumento médio da tensão de 0,011V. Assim, para as MFCs M0, M1 e M2 foi utilizada a oxigenação do compartimento catódico de forma contínua.
Figura 8 Variação da tensão elétrica na célula de combustível microbiana MC-1
Fonte: Próprio autor.
As mensurações de tensão elétrica e de corrente elétrica para as MFCs M0, M1 e M2 estão apresentadas nas Figuras 9 e 10, respectivamente. Os resultados mostram que houve geração de tensão elétrica em M0, atingindo 0,295V. A tensão elétrica máxima gerada para M1 e M2 foram, 0,410V e 0,403V, respectivamente. Após a desmontagem destas MFCs, foram observadas frestas
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 T en são Elét ric a (V olts) Dias
MC-1 sem oxigenacão MC-1 oxigenacao por 10 minutos MC-2 sem oxigenacào MC-2 oxigenacão por 10 minutos
na ponte salina. Provavelmente, as frestas permitiram infiltração e troca de material entre os compartimentos anódico e catódico, comprometendo os processos químicos e biológicos dentro das MFCs.
Figure 9 Variação da tensão elétrica nas MFCs M0, M1 e M2
Fonte: Próprio autor.
Figure 10 Variação da corrente elétrica nas MFCs M0, M1 e M2
Fonte: Próprio autor.
Os resultados de tensão elétrica das MFCs M3, M4 e M5 estão mostrados na Figura 11. Observou-se maior geração de tensão elétrica para as MFCs que receberam fonte de carbono. Enquanto M3 produziu 0,087V, M4 e M5 atingiram 0,400V e 0,386V, respectivamente. Em relação à corrente elétrica (Figura 12), valor máximo foi obtido para a MFC M5, de 0,097A.
0.410 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 TE N SÃ O E LÉ TRICA (V OL TS ) DIAS MFC 0 MFC 1 MFC 2 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 3 5 3 7 3 9 4 1 4 3 4 5 4 7 4 9 5 1 COR RE N TE E LÉ TRICA (A M PÉ RE S) DIAS MFC 0 MFC 1 MFC 2
Figura 11 Variação da tensão elétrica nas MFCs M3, M4 e M5
Fonte: Próprio autor.
Figure 12 Variação da corrente elétrica nas MFCs M3, M4 e M5
Fonte: Próprio autor.
A Tabela 1 apresenta uma comparação entre os resultados obtidos no presente estudo e aqueles obtidos por outros autores para culturas puras de diferentes microrganismos. Pode-se observar que a tensão elétrica máxima gerada pelas MFCs M4 e M5 foram coerentes com os obtidos pelos outros autores. Em relação à corrente elétrica gerada, os resultados obtidos no presente estudo são expressivos quando comparados aos valores obtidos pelos autores citados.
0.400 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 TE N SÃ O E LÉ TRICA (V OL TS ) DIAS MFC 3 MFC 4 MFC 5 0.097 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 COR RE N TE E LÉ TRICA (A M PÉ RE S) DIAS MFC 3 MFC 4 MFC 5
Tabela 1 Resultados comparativos entre diferentes MFCs Microrganismo Tensão Elétrica Máxima Gerada (V) Corrente Elétrica Máxima Gerada (mA) Resistência Externa Utilizada (Ω) Referência Rhodoferax ferrireducens 0,265 0,2 1000
Chaudhuri & Lovely (2003)
Escherichia coli 0,697 1,5 0-60000 Zhao et al. (2006)
Geobacter sp. 0,360 não determinada 0-50 Clauwaert et al.
(2007) solo (MFC M3) 0,087 16 10000 Presente estudo solo (MFC M4) 0,400 75 10000 Presente estudo solo (MFC M5) 0,386 97 10000 Presente estudo
Fonte: Próprio autor. 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo mostrou ser possível construir MFCs e gerar tensão e corrente elétrica empregando solo como fonte de microrganismos. Além disto, foi possível observar a influência da concentração da fonte de carbono do compartimento anódico na eficiência da MFC. Os resultados do presente estudo evidenciam o grande potencial das MFCs para a geração de corrente elétrica de forma sustentável.
8. FONTES CONSULTADAS
ALLEN, Robin M.; BENNETTO, H. Peter. Microbial Fuel-Cells: Electricity Production from Carbohydrates. Bioelectrochemistry and Biosensors Group, King´s College (University of London), London, UK. 1993.
CASTELLAN, Gilbert. Fundamentos de Físico-Química. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
CHAUDHURI, Swades K.; LOVLEY, Derek. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells. Nature Biotechnology, vol. 21, nº10. Department of Microbiology, University of Massachusetts-Amherst, Amherst, Massachusetts, USA. 7 September 2003. CLAUWAERT, Peter; RABAEY, Korneel; AELTERMAN, Peter; DE SCHAMPHELAIRE, Liesje; PHAM, The Hai; BOECKX, Pascal; BOON, Nico;
VERSTRAETE, Willy. Biological Denitrification in Microbial Fuel Cells. Environ. Sci. Technol. 2007, 41, 3354-3360. Estados Unidos, 2007.
COPINI, E., DE
ALMEIDA, B. N. C., CANAVESE, C., CERÁVOLO, M. S., ANTÔNIO, E. S., ALMEIDA, F. P. R., CAMARGO, M. D. C., DOS SANTOS, G. A., MACHADO, K. M. G. Coluna de Winogradsky como estratégia para o estudo de comunidades microbianas de ambientes marinhos e dulcícolas. Curso de Ciências Biológicas - Universidade Católica de Santos. Santos, 2015.
RACHINSKI, Silvio; CARUBELLI, Ademir; MANGONI, Ana Paula; MANGRICH, Antonio S. Pilhas de Combustíveis Microbianas Utilizadas na Produção de Eletricidade a partir de Rejeitos Orgânicos: Uma Perspectiva De Futuro. Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná, CP 19081, 81.531-990 Curitiba - PR, Brasil, 2010.
SCHRODER, Uwe. Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel cells and their energy efficiency. Phys. Chem. Chem. Phys., 2007, 9, 2619– 2629 | 2619. Germany, 2007.
ZHAO, Feng; HARNISCH, Falk; SCHRODER, Uwe; SCHOLZ, Fritz; BOGDANOFF, Peter; HERRMANN, Iris. Challenges and Constraints of Using Oxygen Cathodes in Microbial Fuel Cells. Environmental Science & Technology, vol. 40, nº 17. Alemanha, 2006.
