PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: DEPURACI

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PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS DEPURACIÓN DE
AGUA Y PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA

• Dr. Carlos Godínez Seoane
• Profesor Titular de Universidad
• Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
• Universidad Politécnica de Cartagena

Cartagena, 5 de junio de 2008
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Grupo INQUICA
Ingeniería QUImica CArtagena
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• El grupo Inquica
• Pilas de combustible microbianas (MFCs)
• Estimación de su potencial
• Desarrollo histórico
• Estado de la tecnología
• Tendencias y campos de aplicación
• Reacciones anódicas principales
• Tipos de MFCs
• El proyecto Pedasur
• Índices de rendimiento
• Resultados actuales. Otros tests
• Propuesta de diseño UPCT

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Pilas de Combustible Microbianas
Sistemas bioelectroquímicos capaces de producir
ciertas cantidades de energía mediante la
depuración eficaz de aguas residuales
e-
e-
V
Microorganismos
Tampón fosfato
c á t o d o
á n o d o
H2O
Agua residual
H
Materia orgánica
O2
Membrana de intercambio iónico
4H4e- O2 ? 2H2O
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Estimación del potencial
21.9 Hm3/año
Cartagena 200000 habitantes a 300 L/persona/dia
Carga media 0.6 g DBO5/L a 14.6 kJ/g-DBO5
Consumo vivienda media
1.5 kW
6.1 MW
Eficiencia 85
4 habitantes/casa
14000 habitantes (7 de la población)
3500 viviendas
(Cálculos adaptados de Levin et al.,
Int.J.Hydrogen Energy, 2004, 29, 173-185)
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Desarrollo histórico
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Estado de la Tecnología
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Tendencias de la tecnología y campos de aplicación

• TENDENCIAS
• Reducción de costes
• (ánodos, cátodos, membranas)
• Diseños mas eficaces
• Modelización
• Microbiología

• CAMPOS DE APLICACIÓN
• Industria procesadora de alimentos (conservera)
• Depuración de aguas residuales urbanas
• Piscifactorias y granjas de animales
• Plataformas petroliferas
• Buques oceanográficos y submarinos
• Industria aeroespacial

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Reacciones anódicas
METANOGÉNESIS p.ej. Methanobrevibacter
smithii Methanobacterium thermoautotrophicum
ACETOGÉNESIS p.ej. Syntrophomonas
wolfeii Syntrophobacter wolini Acetobacterium
woodii Clostridium aceticum
CO2 H2
Metano

METANOGÉNESIS p.ej. Methanosarcina
barkerii Methanotrix soebugenii
VFAs
Acetico
ACIDOGÉNEIS p.ej. Clostridium butyricum Propionib
acterium
OXIDACIÓN ANODOFILICA
Aminoácidos Ácidos grasos Glucosa
Carbohidratos Lípidos Proteínas
HIDRÓLISIS
e-
CO2 H
Enzimas extracelulares
OXIDACIÓN ANODOFILICA p.ej. Shewanella
putrefaciens, Geobacter metallireducens y
sulfureducens Rodoferax ferrireducens, Aeromonas
hydrophilla
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Tipos de MFCs
D
Continuas de doble cámara
Discontinuas de doble cámara
Tubulares
Continuas de cámara simple
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Tipos de MFCs
V 12 V P 0.5 kW DQO 5000 mg/L
Sin cámaras para sedimentos
Planta Piloto (ánodos de cepillo)
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El Proyecto PEDASUR

• GENERALES
• Evaluación la tecnología con aguas del sureste
  español.
• Consolidación de nueva línea de investigación
  (financiación privada y pública)
• PARTICULARES
• Construcción, comisionado, puesta en marcha y
  evaluación de reactores experimentales
• Estudio de materiales alternativos de coste
  reducido
• Estudio de condiciones de operación y variables
  de diseño en su relación con la eficiencia del
  sistema
• Modelización del proceso estudio de cambio de
  escala
• Pilas en continuo y planta piloto

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El Proyecto PEDASUR
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Índices de rendimiento

• Máxima potencia instantánea
• Eficiencia coulómbica
• Porcentaje de eliminación de DQO
• SST, SSV, COT
• pH, ácidos grasos volátiles (VFA)
• Análisis de diversidad microbiana

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Índices de rendimiento
Análisis de la diversidad microbiana
Kit de purificación y protocolo
Enzima nucleótidos tampón cebador 16S rRNA
DNA purificado
1.- Extracción del DNA de las bacterias
2.- PCR (Polymerase Chain Reaction)
Fragmentos de DNA específicos amplificados
ANODO
DNA separado en bandas según tamaños
3.- DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)
Permite discernir si un determinado tratamiento
tiene un efecto seleccionador sobre la comunidad
microbiana anódica
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Resultados materiales anódicos
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Estudio de materiales para el ánodo
Grafito y tela de carbono muestra el mejor
compromiso entre propiedades y coste
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Estudio de materiales para el cátodo

• Propiedades catalíticas deseadas en el material
• Transporte de O2
• Centros activos reductores del O2
• Coste reducido
• Materiales prometedores porfirinas

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Estudio de materiales para el cátodo
Evaluación del rendimiento
Pt Pt/Ti FePc Ftalcianina de Fe CoTMPP
Porfirina de Co FeTMPP Porfirina de Fe KB
carbon Ketjen
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Estudio de materiales para el cátodo
Comparación provisional
Futuros tests

• Variación de la carga de metal en el catalizador
• Otros catalizadores MnOx , perovskitas,
  espinelas, piroclorina y otras porfirinas
• Estudio cinético en semipilas voltametria de
  barrido lineal y cíclica

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Otras áreas

• Evaluación de distintos oxidantes catódicos
• Análisis de la influencia de distintas
  temperaturas sobre el proceso
• Estudios de impedancia
• Pilas en contínuo balance de materia

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Diseño UPCT
La configuración en espiral tiene ventajas es
mas compacta, tiene alta superficie especifica,
mayores coeficientes de transferencia,
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Gracias
Plantas nómadas. Gilberto Esparza (Méjico)