Una celda de electrólisis microbiana ( MEC ) es una tecnología relacionada con las celdas de combustible microbianas (MFC). Mientras que las MFC producen una corriente eléctrica a partir de la descomposición microbiana de compuestos orgánicos, las MEC revierten parcialmente el proceso para generar hidrógeno o metano a partir de material orgánico mediante la aplicación de una corriente eléctrica. [1] La corriente eléctrica idealmente se produciría mediante una fuente de energía renovable. El hidrógeno o metano producido se puede utilizar para producir electricidad por medio de una celda de combustible PEM adicional o un motor de combustión interna.
Los sistemas MEC se basan en una serie de componentes:
Microorganismos : se adhieren al ánodo. La identidad de los microorganismos determina los productos y la eficiencia del MEC.
Materiales : el material del ánodo en un MEC puede ser el mismo que el de un MFC, como tela de carbono, papel de carbono, fieltro de grafito, gránulos de grafito o cepillos de grafito. El platino se puede utilizar como catalizador para reducir el sobrepotencial necesario para la producción de hidrógeno . El alto coste del platino está impulsando la investigación de biocátodos como alternativa. O como otra alternativa para el catalizador, se utilizaron placas de acero inoxidable como materiales de cátodo y ánodo. [2] Otros materiales incluyen membranas (aunque algunos MEC no tienen membranas) y sistemas de recolección de gas y tuberías. [3]
Los microorganismos electrógenos que consumen una fuente de energía (como el ácido acético ) liberan electrones y protones, creando un potencial eléctrico de hasta 0,3 voltios. En una MFC convencional, este voltaje se utiliza para generar energía eléctrica. En una MEC, se suministra un voltaje adicional a la celda desde una fuente externa. El voltaje combinado es suficiente para reducir los protones, produciendo gas hidrógeno. Como parte de la energía para esta reducción se deriva de la actividad bacteriana, la energía eléctrica total que debe suministrarse es menor que para la electrólisis del agua en ausencia de microbios. La producción de hidrógeno ha alcanzado hasta 3,12 m 3 H 2 /m 3 d con un voltaje de entrada de 0,8 voltios. La eficiencia de la producción de hidrógeno depende de las sustancias orgánicas que se utilicen. El ácido láctico y el ácido acético alcanzan una eficiencia del 82%, mientras que los valores para la celulosa sin pretratar o la glucosa están cerca del 63%.
La eficiencia de la electrólisis del agua normal es del 60 al 70 por ciento. Como los MEC convierten la biomasa inutilizable en hidrógeno utilizable, pueden producir un 144% más de energía utilizable de la que consumen como energía eléctrica.
Dependiendo de los organismos presentes en el cátodo, los MEC también pueden producir metano mediante un mecanismo relacionado.
Cálculos
La recuperación total de hidrógeno se calculó como RH 2 = C E R Cat . La eficiencia coulombiana es C E = ( n CE / n th ), donde n th son los moles de hidrógeno que podrían producirse teóricamente y n CE = C P /(2 F ) son los moles de hidrógeno que podrían producirse a partir de la corriente medida, C P son los culombios totales calculados integrando la corriente a lo largo del tiempo, F es la constante de Faraday y 2 son los moles de electrones por mol de hidrógeno. La recuperación catódica de hidrógeno se calculó como R Cat = n H2 / n CE , donde n H2 son los moles totales de hidrógeno producidos. El rendimiento de hidrógeno ( Y H2 ) se calculó como Y H2 = n H2 / n s , donde n s es la eliminación del sustrato calculada sobre la base de la demanda química de oxígeno (22). [4]
Tanto el hidrógeno como el metano pueden utilizarse como alternativas a los combustibles fósiles en motores de combustión interna o para la generación de energía. Al igual que las plantas de combustión interna de combustibles múltiples o las plantas de producción de bioetanol , las plantas de combustión interna de combustibles múltiples tienen el potencial de convertir la materia orgánica de desecho en una valiosa fuente de energía. El hidrógeno también puede combinarse con el nitrógeno del aire para producir amoníaco, que puede utilizarse para fabricar fertilizantes de amonio. El amoníaco se ha propuesto como una alternativa práctica a los combustibles fósiles para los motores de combustión interna. [5]