Microbial fuel cell performance: design, operation and biological factors

Abstract

Una pila microbiana de combustible es un sistema bioelectroquímico en el cual las bacterias oxidan materia orgánica y transfieren los electrones a un electrodo produciendo electricidad. La eficiencia de este sistema depende de la actividad metabólica de los microorganismos creciendo en el ánodo, pero también de un gran número de factores relacionados con el diseño y la operación del sistema. El objetivo de esta tesis es contribuir al análisis y control de algunos de estos factores, así como ayudar a determinar el papel de los diferentes mecanismos de transferencia de electrones en el funcionamiento de estos dispositivos. En primer lugar, este trabajo analiza factores relacionados con el diseño que afectan al rendimiento de una pila microbiana. Así, se centra en el efecto de diferentes catalizadores abióticos así como en la relación entre las áreas del cátodo y ánodo necesarias para no afectar la potencia obtenida. Los resultados revelan que catalizadores solubles permiten potencias mucho mayores, y por tanto necesitan menor relación entre las áreas de cátodo y ánodo que en el caso de las pilas con cátodos de platino. No obstante, a largo plazo, las pilas con catalizadores solubles de hierro muestran un descenso progresivo del rendimiento de la celda de combustible que las hace poco adecuadas para aplicaciones que requieren operaciones de larga duración. Recientemente, la búsqueda de catalizadores adecuados para el cátodo ha llevado a los investigadores a explorar el posible uso de biocátodos. En esta tesis se demuestra la capacidad de Shewanella oneidensis MR-1 para catalizar la reacción del cátodo tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas, siendo capaz de aceptar la corriente proporcionada por las bacterias presentes en el ánodo. El potencial de las bacterias que se encuentran en el ánodo para la producción de corriente no sólo depende de los niveles de actividad microbiana y de la supresión de las limitaciones producidas por el cátodo, sino que es afectada también por factores relacionados con el funcionamiento del sistema. Nosotros mostramos la importancia de una operación ininterrumpida como otro factor relevante para determinadas aplicaciones. Periodos de interrupción del circuito producen una alteración en los valores de corriente en forma de picos, que aparecen cuando el circuito es cerrado tras un periodo de interrupción y que caen lentamente hasta alcanzar valores normales de corriente. Mediante análisis más exhaustivos de este fenómeno se demuestra la capacidad de Shewanella oneidensis MR-1 para almacenar carga eléctrica en ausencia de aceptores de electrones. Finalmente, se estudió la contribución en la producción de corriente de los diferentes mecanismos de transferencia de electrones en pilas con comunidades microbianas complejas. La pila con el ánodo descubierto muestra que los mecanismos de transferencia directa son responsables de la mayor parte de la corriente generada. La comunidad microbiana formada se encuentra relacionada con la vía de transferencia de electrones disponible con especies microbianas como Shewanella, Aeromonas, Pseudomonas o Propionibacterium. Los mecanismos de transferencia mediante mediadores le siguen en importancia, siendo los responsables del 40% de la corriente producida. Esta pila cuya corriente depende de la producción de mediadores muestra una gran cantidad de especies redox en el anolito, algunas de ellas no relacionadas con mediadores ya descritos. Por último, en la pila con el electrodo cubierto de nafion, la única especie química capaz de llegar a la superficie del ánodo es el hidrógeno. En este caso, la producción de corriente es sostenida gracias a la relación entre algunos organismos como Comamonas, Alicycliphilus, Diaphorobacter o la archaea Methanosaeta y el ánodo. La oxidación de acetato mediante estos microorganismos resulta en la producción de hidrógeno, el cual es oxidado en la superficie del ánodo tras cruzar el nafion.

A Microbial Fuel Cell (MFC) is a bioelectrochemical system, in which bacteria oxidize organic matter and transfer the electrons through their electron transport chains onto an electrode surface producing electricity. The efficiency of the system depends on the metabolic activity of the microorganisms growing at the anode but also on a large number of factors related to the design and operation of the MFC. The purpose of this work is to contribute to the analysis and control of some of these factors as well as to throw some light on the role of different electron transfer mechanisms in MFC operation. To achieve this goal different experiments using the electrogenic bacterium Shewanella oneidensis MR-1 have been carried out. First of all, this works analyses the role of several design factors in MFC performance. This part of the research focuses on the effect of different abiotic catalysts as well as the cathode to anode ratio required for unhindered power output. The results indicate that soluble catalysts such as ferricyanide allow much higher power values, and therefore need smaller cathode/anode ratios than platinum-based cathodes. In the long term, however, MFCs containing soluble iron catalysts show a progressive degradation of fuel cell performance make them unfit for applications requiring extended operations. In recent years, the search for a suitable catalyst at the cathode has led researchers to explore the possible use of biocathodes. In this work, we demonstrate the capacity of Shewanella oneidensis MR-1 to catalyse the cathode reaction both under aerobic and anaerobic conditions, being able to sustain the current provided by bacteria present in the anode. The potential of anode bacteria for current production does not only depend on the levels of microbial activity and on the removal of cathodic limitations but seems to be also affected by factors related to the operation of the system. We have shown the importance of continuous MFC operation as another important factor to take into account for some applications. Periods of circuit interruption produce an alteration of the normal current output in the form of defined current peaks that appear when closing the circuit after a short period of current interruption and that decay slowly back to the original stable values. In depth analysis of this response demonstrates the capacity of Shewanella oneidensis MR-1 to store charge when no electron acceptors are present. Finally, we intended to determine the contribution of the different electron transfer mechanisms to current production in MFCs harbouring complex microbial communities. The MFC with a naked anode shows that direct electron transfer mechanisms are responsible for most of the current generated. The microbial community formed agrees with the electron transfer pathways available. So, this MFC presents species able of direct and mediated electron transfer as Shewanella, Aeromonas, Pseudomonas or Propionibacterium. The MFC sustained by shuttle-dependent electron transfer follows in importance being responsible for as much as 40% of current output. This reactor shows a great quantity of different redox species in the anolyte bulk, some of them not related to mediators currently described in the literature. Finally, in the MFC with a nafion-coated anode, the only chemical species able to diffuse to the anode surface is hydrogen. In this case, current production is sustained by the interaction between some organisms, such as Comamonas, Alicycliphilus, Diaphorobacter or the archaea Methanosaeta and the anode. Oxidation of acetate by these microorganisms results in hydrogen production that is therefore oxidised at the anode surface after crossing the nafion barrier. Current production by this mechanism would account for not more than 5% of the total current evolved in an unrestricted MFC.