Microbial fuel cell with microalgal cathode for organic matter removal, power generation and lipid production

Abstract

RESUMEN : Los combustibles fósiles suministran un alto porcentaje de nuestra creciente demanda de energía. Desafortunadamente, debido a sus emisiones de dióxido de carbono (CO2), contribuyen al calentamiento global. Por lo tanto, es importante desarrollar nuevas fuentes de energía que sean renovables y neutras en carbono. Adicional al problema del calentamiento global y la reducción de las reservas de combustibles fósiles, el incremento de la población en zonas urbanas viene generando el problema de disposición y manejo de residuos generados por las actividades humanas e industriales. Los sistemas biolectroquímicos pueden generar corriente eléctrica a partir de las reacciones de oxidación-reducción que ocurren dentro de los microorganismos vivos, así esta tecnología se posiciona como alternativa emergente para la obtención de energía eléctrica renovable a partir de materia orgánica teniendo aplicación potencial no solamente por ser fuente de energía sino para el tratamiento de residuos orgánicos y síntesis de productos de alto valor agregado. Dentro de los sistemas bioelectroquímicos, esta tesis de doctorado se centra en las celdas de combustible microbiano (MFC) y en las celdas de combustible microbiano con microalgas (mMFC). Una MFC típica contiene una cámara anódica y otra catódica, separadas por una membrana de intercambio de protones (PEM). Los microorganismos pueden metabolizar el sustrato orgánico en la cámara anódica para producir electrones y protones. Los electrones se desplazan a la superficie del ánodo y luego fluyen hacia el cátodo a través de un circuito externo. Mientras tanto, los protones migran al cátodo a través del PEM. Los electrones y los protones se combinan para reducir el oxígeno a agua en la cámara del cátodo La cámara catódica puede ser abiótica cuando la reducción de oxígeno es catalizada por un catalizador inorgánico como el platino. Sin embargo, tales metales pueden aumentar el costo de la MFC. El oxígeno en la cámara catódica es un factor limitante debido al costo del burbujeo y la dinámica de difusión. En las mMFC la cámara catódica funciona como un fotobiorreactor, lo que permite desarrollar un cultivo de microalgas que captura CO2 y produce oxígeno, utilizando la luz de una fuente externa. Las microalgas son una fuente de lípidos y se utilizan como precursores del biodiésel. En este tipo de cámara catódica, las algas también pueden actuar como aceptores biológicos de electrones y, al mismo tiempo, reducir el dióxido de carbono a biomasa, generando además productos de valor agregado. El objetivo de esta investigación fue desarrollar un sistema de eliminación de materia orgánica, captura de CO2, producción de energía eléctrica y generación de lípidos en un solo dispositivo, mediante el cultivo de la microalga Chlorella sorokiniana acoplada al cátodo de una celda de combustible microbiana. Para mostrar el desarrollo de este objetivo la tesis está distribuida en capítulos: En el capítulo 1 se presenta una introducción a los sistemas bio electroquímicos, con énfasis en las celdas de combustible microbiano y celdas de combustible microbiano con microalgas. En el capítulo 2 se presenta la justificación y objetivos de la tesis. En el capítulo 3 se exponen los materiales y métodos generales.El primer objetivo específico se desarrolla en el capítulo 4. Este objetivo fue determinar el efecto de las variables operativas (carga orgánica, mediadores y surfactantes) sobre el desempeño de una MFC. Se utilizó un enfoque experimental para caracterizar dos configuraciones de MFC y dos cepas de E. coli. En la primera serie de experimentos se utilizó E. coli DH5α como microorganismo anódico y se realizó un diseño de experimentos para evaluar el efecto de la concentración de sustrato, la concentración de azul de metileno (MB) como mediador y la concentración de surfactantes, finalmente se evaluó el efecto del cocultivo la bacteria productora de surfactantes. 0.3 mM de MB, 5 g/L de glucosa y surfactina a 10 CMC se determinaron como las mejores condiciones para la producción de electricidad en términos de densidad de corriente (2.3 mA/m2). El cocultivo de E. coli con una bacteria productora de biosurfactante L. plantarum, aumentó la densidad de corriente en comparación con el control pero no alcanzó densidades de corriente mayores que las producidas con mediadores externos, lo que indica que el cocultivo no produjo suficientes surfactantes para facilitar actividad electrogénica. En una segunda serie de experimentos se estudió E. coli ATCC25922 como microorganismo anódico, se modeló su crecimiento mediante un modelo cinético y un modelo fenomenológico con un buen ajuste en ambos casos. El comportamiento electroquímico de la MFC se caracterizó mediante CV y curvas de polarización, se encontraron regiones típicas de sobrepotenciales. El perfil de ácidos orgánicos producidos cambia cuando E. coli está en el MFC, en comparación con el cultivo anaeróbico, mostrando que el metabolismo se vuelve hacia la producción de electricidad. Los resultados de este capítulo confirman la utilidad de los mediadores y los tensioactivos que mejoran la salida de corriente y potencia en MFC debido al aumento de la permeabilidad de la membrana celular y la promoción de la transferencia de electrones. En el capítulo 5 se desarrolla el segundo objetivo que consistió en establecer el efecto de las variables intensidad lumínica y concentración de CO2 en la producción de biomasa y lípidos por la microalga Chlorella sorokiniana. La microalga fue aislada de un lago de agua dulce y se identificó mediante análisis molecular. Se empleó un diseño de experimentos de factor único para evaluar las concentraciones de nitrógeno y fósforo que aumentan la producción de biomasa y lípidos. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta (RSM) con un diseño factorial 32 para modelar la concentración de biomasa, el contenido de lípidos y las tasas específicas de crecimiento, en fotobiorreactores (PBR) tubulares de vidrio de 200 mL, en función de la intensidad de la luz y la concentración de CO2. El medio CHU 13 modificado con 0,67 g/l de KNO3 y 0,82 g/l de K2HPO3 produjo la mayor biomasa (0,705±0,04 g/l) y contenido de lípidos (55,1±4,1 %) sin inhibición del sustrato. Según los resultados, la mayor tasa de crecimiento celular se encontró en condiciones de alta intensidad de luz y bajos niveles de CO2. Las condiciones óptimas se encontraron en 20% CO2 y 2300 lux. Las pruebas de validación de estas condiciones lograron una concentración de biomasa de 1.66 ± 0.09 g/L y un contenido de lípidos de 32.8 ± 5.9. Se ajustó un modelo de base fenomenológica para modelar Biomasa, nitrato, fosfato, oxígeno disuelto y dióxido de carbono y pH, con muy buen ajuste, y permite analizar y correlacionar el crecimiento de algas, y describir el comportamiento del dióxido de carbono y del oxígeno en el sistema. En el capítulo 6 se desarrolla el tercer objetivo, que consiste en evaluar una celda de combustible microbiana que utilizaran microalgas en la cámara catódica. Para el desarrollo de este objetivo se plantearon dos sistemas de MFC, el primero usando E. coli ATCC25922 en la cámara anódica, sin presencia de mediadores. En el segundo se usaron lodos activos en la cámara anódica. En ambos casos los sistemas en la cámara catódica fueron modificados, para introducir variaciones que permitieran analizar los mecanismos de acción de la microalga en la cámara catódica. Cuando se usa E. coli en la cámara anódica no se obtuvo una mejora en la densidad de corriente máxima al usar microalgas en la cámara catódica, comparado con la aireación externa en el cátodo (3.13 mA/m2 y 6.5 mA/m2, respectivamente). Cuando se usan lodos activos en la cámara anódica se observa un mejor desempeño de la celda al utilizar microalgas en la cámara catódica, al comparar con aireación externa (12.6 mA/m2 y 3.8 mA/m2, respectivamente), el uso de azul de metileno como mediador en la cámara catódica y de bicarbonato de sodio incrementan también la capacidad electrogénica de la celda (17.8 mA/m2 y 11.7 mA/m2, respectivamente). En ambos sistemas anódicos se pudo observar actividad electroquímica de la celda en presencia del biofilm de microalgas. El contenido de lípidos de las microalgas se ve incrementado cuando esta se encuentra en la cámara catódica, lográndose obtener un porcentaje de lípidos de 39.4% cuando se adiciona bicarbonato, y 40.2% en el sistema acoplado de PBR-mMFC. El principal factor que influye en la producción de energía eléctrica en las MFC estudiadas es el oxígeno disuelto, que se ve mejorado por la presencia de microalgas, este factor está estrechamente relacionado con la intensidad de luz y el fotoperiodo. Cuando se acopla un fotobiorreactor (PBR) a la MFC, no hay una mejora significativa en la energía eléctrica producida, sin embargo, se incrementa el contenido de lípidos de la microalga, lo que indica una interacción positiva de esta con el cátodo de la MFC. El Capítulo 7 presenta el cuarto objetivo, que consistió en identificar las vías metabólicas de la microalga para producir biomasa y lípidos, con énfasis en los mecanismos presentes cuando la microalga se encuentra en la cámara del cátodo de un mMFC. Utilizando un modelo a escala del genoma para la microalga Chlorella vulgaris, se realizó la anotación del genoma de C. sorokiniana utilizando la metodología RAPS. Inicialmente, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad bajo condiciones autótrofas, lo que permitió observar el crecimiento de la biomasa en relación con la intensidad de luz y los flujos de nutrientes. Además, a través de FBA, fue posible comparar la respuesta del modelo con resultados experimentales con un buen ajuste. Finalmente, a partir de una revisión bibliográfica, se pudo identificar que en la interacción de las microalgas con el cátodo, están presentes las especies reactivas de oxígeno (ROS). De esta manera, se agregaron dos reacciones artificiales que permiten la entrada de ROS a la célula, identificando que estas ROS se metabolizan en el glioxisoma y las mitocondrias, y pueden ser producidas externamente por la presencia de corriente eléctrica, su producción puede ser inducida en la microalga. Mediante un análisis de sensibilidad, fue posible determinar que las variaciones en los flujos de ROS influyen en la formación de biomasa y lípidos cuando la microalga se encuentra en la cámara del cátodo de un MFC. En el capítulo 8 se presentan las conclusiones generales, y en el capítulo 9 las recomendaciones. Los resultados de esta tesis permitieron evidenciar que la eficiencia energética de la MFC se incrementa más de 20 veces cuando se pone la microalga Chlorella sorokiniana en la cámara catódica, debido a que la biomasa de la microalga producida tiene alto valor energético, y a que la producción de oxígeno por la microalga disminuye los costos de suministro de aire, además de incrementar la energía producida por la MFC. A través de los resultados experimentales se pudo evidenciar que el contenido de lípidos y biomasa se incrementaron en un 6-8% y 6-18% cuando la microalga está en contacto con el cátodo, incrementos similares pudieron observarse a través del análisis del modelo metabólico. Los resultados de esta tesis permitieron describir posibles mecanismos desde el punto de vista electroquímico, cinético y metabólico de lo que puede ocurrir a una microalga en una mMFC.

ABSTRACT : Fossil fuels supply a high percentage of our growing energy demand. Unfortunately, due to their carbon dioxide (CO2) emissions, they contribute to global warming. Therefore, it is important to develop new energy sources that are renewable and carbon neutral. In addition to the problem of global warming and the reduction of fossil fuel reserves, the increase in population in urban areas has been generating the problem of disposal and management of waste generated by human and industrial activities. Bioelectrochemical systems can generate electrical current from oxidation-reduction reactions that occur within living microorganisms, thus this technology is positioned as an emerging alternative for obtaining renewable electrical energy from organic matter, having potential application not only as a source of energy but also in the treatment of organic waste and synthesis of high added value products. Within bioelectrochemical systems, this Ph. D. thesis focuses on microbial fuel cells (MFC) and microalgal microbial fuel cells (mMFC). A typical MFC contains an anodic and a cathodic chamber, separated by a proton exchange membrane (PEM). Microorganisms can metabolize the organic substrate in the anode chamber to produce electrons and protons. Electrons travel to the anode surface and then flow to the cathode through an external circuit. Meanwhile, the protons migrate to the cathode through the PEM. Electrons and protons combine to reduce oxygen to water in the cathode chamber. The cathode chamber can be abiotic when the oxygen reduction is catalyzed by an inorganic catalyst such as platinum. However, such metals can increase the cost of the MFC. Oxygen in the cathode chamber is a limiting factor due to the cost of sparging and diffusion dynamics. In mMFCs, the cathode chamber works as a photobioreactor, which makes it possible to develop a culture of microalgae that captures CO2 and produces oxygen, using light from an external source. Microalgae are a source of lipids and are used as precursors for biodiesel. In this type of cathode chamber, algae can also act as biological electron acceptors and, at the same time, reduce carbon dioxide to biomass, also generating value-added products. The objective of this research was to develop a system for the removal of organic matter, capture CO2, electrical energy production, and lipid generation in a single device, through the cultivation of the microalgae Chlorella sorokiniana coupled to the cathode of a microbial fuel cell. The present document is divided into chapters as follows: Chapter 1 presents an introduction to bioelectrochemical systems, with emphasis on microbial fuel cells and microbial fuel cells with microalgae. Chapter 2 presents the justification and objectives of the thesis. General materials and methods are discussed in Chapter 3. The first specific objective is developed in chapter 4. This objective was to determine the effect of operational variables (organic load, mediators, and surfactants) on the performance of a MFC. An experimental approach was used to characterize two configurations of MFC, and two strains of E. coli. In the first set of experiments E. coli DH5α was used as an anodic microorganism, and a design of experiments was carried out to evaluate the effect of substrate concentration, methylene blue (MB) concentration as a mediator, and surfactants concentration, finally the effect of coculture with the surfactant producer bacteria Lactobacillus plantarum was analyzed. 0.3mM of MB, 5 g/L of glucose and surfactin at 10 CMC were determined as the better conditions for electricity production in terms of current density (2.3 mA/m2). The coculture of E. coli with a biosurfactant-producing bacteria L. plantarum, increased current density compared with the control but did not reach current densities as greater as the produced with external mediators, indicating that the co-culture did not produce enough surfactants to facilitate electrogenic activity. In the second set of experiments E. coli ATCC25922 was studied as anodic microorganism, its growth was modeled using a kinetic model and a phenomenological model with a good adjustment in both cases, and typical regions of overpotentials were found. The electrochemical behavior of the MFC was characterized employing CV, and polarization curves. The profile of organic acids produced changes when E. coli is in the MFC, compared with anaerobic culture, showing that the metabolism turns to electricity production. The results in this chapter confirm the utility of mediators and surfactants to enhance current and power output in MFCs due to increased cell membrane permeability and the promotion of electron transfer. In chapter 5 the second objective is developed, which consisted of establishing the effect of the light intensity and CO2 concentration on the production of biomass and lipids by the microalga Chlorella sorokiniana. The microalga was isolated from a freshwater lake and identified by molecular analysis. A single-factor design of experiments was employed to evaluate the concentrations of nitrogen and phosphorus that increase biomass and lipid production. Response surface methodology (RSM) with a 32 factorial design was used to model the biomass concentration, lipid content, and specific growth rates, in glass tubular 200 mL photobioreactors (PBR), as a function of light intensity and CO2 concentration. Modified CHU 13 medium with 0.67 g/L KNO3 and 0.82 g/L K2HPO3 produced the highest biomass (0.705±0.04 g/L) and lipid content (55.1±4.1%) without substrate inhibition. According to the results, the highest cell growth rate was found in conditions of high light intensity and low levels of CO2. Optimal conditions were found in 20% CO2 and 2300 lux. Validation tests of these conditions achieved a biomass concentration of 1.66 ± 0.09 g/L and a lipid content of 32.8 ± 5.9. A phenomenological-based model was adjusted to model Biomass, nitrate, phosphate, dissolved oxygen and carbon dioxide, and pH, with a very good fitting, and allows to analyze the correlation to algal growth and to describe the behavior of Carbon dioxide and oxygen in the system. In chapter 6 the third objective is developed, which consists of evaluating a microbial fuel cell that uses microalgae in the cathode chamber. For the development of this objective, two MFC systems were proposed, the first using E. coli ATCC25922 in the anode chamber, without the presence of mediators. In the second, active sludge was used in the anode chamber. In both cases, the systems in the cathode chamber were modified to introduce variations that would allow the analysis of the mechanisms of action of the microalgae in the cathode chamber. When using E. coli in the anode chamber, no improvement in maximum current density was obtained when using microalgae in the cathode chamber, compared to external aeration in the cathode (3.13 mA/m2 and 6.5 mA/m2, respectively). When using activated sludge in the anode chamber, better cell performance is observed when using microalgae in the cathode chamber, when compared with external aeration (12.6 mA/m2 and 3.8 mA/m2, respectively), the use of methylene blue as a mediator in the cathode chamber and sodium bicarbonate also increase the electrogenic capacity of the cell (17.8 mA/m2 and 11.7 mA/m2, respectively). In both anode systems, the electrochemical activity of the cell could be observed in the presence of the microalgae biofilm. The lipid content of the microalgae is increased when it is in the cathode chamber, achieving a lipid percentage of 39.4% when bicarbonate is added, and 40.2% in the PBR-mMFC coupled system. The main factor that influences the production of electrical energy in the MFC studied is dissolved oxygen, which is improved by the presence of microalgae; this factor is closely related to light intensity and photoperiod. When a photobioreactor (PBR) is coupled to the MFC, there is no significant improvement in the electrical energy produced, however, the lipid content of the microalgae increases, indicating a positive interaction between the microalgae and the MFC cathode. Chapter 7 presents the fourth objective, which was to identify the metabolic pathways of the microalga to produce biomass and lipids, with emphasis on the mechanisms present when the microalga is in the cathode chamber of an mMFC. Using a genome-scale model for the Chlorella vulgaris microalgae, the C. sorokiniana genome annotation was performed using the RAPS methodology. Initially, a sensitivity analysis was carried out under autotrophic conditions, which allowed us to observe the biomass growth in relation to light intensity and nutrient fluxes. In addition, through FBA it was possible to compare the response of the model with experimental results with a good fit. Finally, from a bibliographical review, it was possible to identify that in the interaction of the microalgae with the cathode, the ROS are present, in this way two artificial reactions were added that allow the entry of ROS into the cell, identifying that these ROS are metabolized in the glyoxysome and mitochondria, and can be produced externally by the presence of electric current, their production can be induced in the microalga. Through a sensitivity analysis, it was possible to determine that the variations in the ROS fluxes influence the formation of biomass and lipids when the microalga is in the cathode chamber of a MFC. In chapter 8 the general conclusions are presented, and in chapter 9 the recommendations. The results of this thesis made it possible to show that the energy efficiency of the MFC increases more than 20 times when the microalgae Chlorella sorokiniana is placed in the cathode chamber, because the biomass of the microalgae produced has a high energy value, and because the production of oxygen by the microalga decreases the costs of air supply, in addition to increasing the energy produced by the MFC. Through the experimental results, it was possible to show that the lipid and biomass content increased by 6-8% and 6-18% when the microalgae were in contact with the cathode, similar increases could be observed through the analysis of the metabolic model. The results of this thesis allowed us to describe possible mechanisms from the electrochemical, kinetic, and metabolic points of view of what can happen to microalgae in an mMFC.