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Metabolismo microbiano: geração de electricidade

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Ricardo Conceição

on 24 September 2013

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Transcript of Metabolismo microbiano: geração de electricidade

METABOLISMO MICROBIANO: geração de electricidade
“energy is the single greatest challenge facing humanity”
(Richard Smalley, Prémio Nobel da Química)

Setúbal, 24 de Janeiro de 2013
Ricardo Conceição
CONCEITOS GERAIS (METABOLISMO)
CATABOLISMO
MICROBIAL FUEL CELLS
(CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MICROBIANAS)
degradação - oxidação - de compostos orgânicos (carbohidratos, águas residuais, sedimentos marinhos, etc.) com formação de protões e electrões responsáveis pela produção de corrente eléctrica.
Três componentes essenciais:
Ânodo anaeróbio
Cátodo aeróbio
Separador físico/suporte de permuta (usualmente uma Proton Exchange Membrane – PEM)
Utilização do metabolismo microbiano para produção de energia eléctrica:
INICIALMENTE: Todos os tubos apresentam a coloração azul característica do mediador (estado oxidado)

APÓS 5 DIAS:
Tubo com solução menos concentrada de mediador (anaeróbio) perdeu a cor mais rápido,  redução mais rápida
Em condições aeróbias não houve alterações significativas da cor das soluções

APÓS 10 DIAS:
Redução do mediador é evidente nos dois tubos em condições anaeróbias
Em condições aeróbias só se verifica alteração da cor no tubo com menor concentração de mediador.  Redução do mediador é muito lenta
Influência da presença (aerobiose) e ausência (anaerobiose) de O2 no ânodo e de diferentes concentrações de mediador.


Redução do mediador (azul de metileno) e oxidação do composto orgânico. A redução do mediador é mais eficiente, e rápida, quanto mais eficiente for a oxidação do substrato


Seguiu-se a evolução da cor do mediador durante 10 dias.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Constituintes comuns de águas residuais e solos

Anaeróbios facultativos, especializada na redução de nitratos e fermentação de diferentes carbohidratos

Temperatura óptima: 37 °C
SERRATIA MARCESCENS
Abundam no lúmen intestinal, águas residuais e solos

Anaeróbios facultativos; metabolizam diferentes tipos de substratos

Temperatura óptima: 36,5 °C
ESCHERICHIA COLI
Abundantes em solos e águas residuais

Metabolismo aeróbio; função desnitrificante

Temperatura óptima: 37 °C
PSEUDOMONAS AERUGINOSA
Existem em abundância no tracto gastrointestinal e geniturinário, solos, águas residuais, vegetais e alimentos de origem animal

Anaeróbios facultativos, especializados na fermentação de ácido láctico

Temperatura óptima: 35 – 37 °C
ENTEROCOCCUS spp.
Contém:
o(s) microrganismo(s)
composto(s) orgânico(s) - fuel,
mediador (caso seja necessário)
eléctrodo
Aerobiose/anaerobiose do ânodo
Selecção do substrato (biodisponibilidade do composto orgânico)
Determinar, de entre três tipos de compostos orgânicos (Glucose, Lactato de Sódio e Acetato de Sódio), qual era o mais rentável metabolicamente.

A avaliação da biodisponibilidade de substrato foi avaliada, novamente, pela variação de cor do mediador (de azul para incolor).

Seguiu-se a evolução da cor do mediador durante 5 dias.
INICIALMENTE: Todos os frascos apresentam a coloração azul, característica do mediador (estado oxidado)

APÓS 25 HORAS:
Frasco com Glucose apresentou o mediador completamente reduzido (incolor)
Os outros dois frascos não apresentaram qualquer alteração evidente na sua cor compostos orgânicos pouco eficientes

APÓS 5 DIAS:
Dos restantes dois frascos, apenas o de Lactato ficou totalmente incolor mediador completamente reduzido, substrato mais eficaz
PROJECTO FINAL DE CURSO (COMPONENTE BIOLÓGICA)
Vários ensaios experimentais com dois designs distintos (da mesma arquitectura - ''dual chamber") variando alguns factores que afectam o desempenho das MFCs:
Dimensão dos eléctrodos
Tipo de microrganismo, católito e composto orgânico
Uso de mediador
Aerobiose/Anaerobiose do ânodo
Concentração dos reagentes
Produtos do metabolismo (microrganismos):
Etanol
Antibióticos (ex. penicilina)
Biopolímeros
Aminoácidos
...
E se em vez de substâncias, se produzisse energia eléctrica?
PROJECTO FINAL DE CURSO (COMPONENTE ELECTRÓNICA)
MÓDULO DE GESTÃO E MONITORIZAÇÃO DO POTENCIAL DA MFC
Resultados
ÂNODO
CÁTODO
Compartimento exposto ao ar
APLICAÇÕES
Sensores ambientais
Produção de electricidade
Tratamento de águas residuais
Bioremediação
Dispositivos médicos
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