Abstract:
Em busca do desenvolvimento de uma inovação para a produção de energia elétrica que, além de minimizar e substituir os combustíveis fósseis, reduza o impacto ambiental, surgiram as células de combustível microbiológicas (CCMs), uma tecnologia promissora que une a geração de eletricidade com o tratamento de efluentes. As CCMs podem converter diretamente energia química em eletricidade pelo uso de bactérias exoeletrogênicas, microorganismos estes que degradam substâncias oxidáveis produzindo metabólitos e elétrons. As células podem usar diferentes substratos orgânicos complexos, incluindo águas residuais domésticas, industriais e agrícolas; assim, considerando que o sedimento marinho possui uma alta carga de nutrientes, micro-organismos e matéria orgânica, e uma grande quantidade deste é retirada e descartada a cada processo de dragagem de grandes portos, utilizar o sedimento do Porto do Rio Grande como matéria-prima para inocular uma CCM torna-se vantajoso. O sedimento possui alta carga de matéria orgânica extracelular e as substâncias poliméricas extracelulares são seus principais constituintes, compreendendo uma mistura de polímeros de alto peso molecular. Este trabalho tem o objetivo de produzir energia elétrica e estudar o processo de obtenção, separação e caracterização de biocompostos obtidos a partir de célula combustível microbiológica de câmara dupla inoculada com o sedimento da dragagem do Porto de Rio Grande. Na primeira etapa deste trabalho, realizou-se a construção de uma CCM de 2 L de volume utilizando o ferrocianeto de potássio 50 mM como aceptor de elétrons. Operando esta célula com uma resistência externa de 1 k obtiveram-se resultados de diferença de potencial elétrico máximo de 0,71 V e densidade de corrente elétrica máxima de 61,74 mA/m². Posteriormente, realizou-se uma curva de polarização para determinar a potência máxima atingida no sistema e sua resistência interna. Com a curva de polarização, verificou-se que ela atingiu densidade de potência máxima de 128,44 mW/m² com a resistência externa de 150 e resistência interna de 60 . Para dar continuidade ao trabalho, reduziu-se a resistência externa aplicada de 1 k para 150 e seguiu-se operando o reator para as demais etapas. Nesta condição, a CCM atingiu ddp de 0,60 V e 50 mA/m². Com a CCM estabilizada, realizou-se a obtenção, separação e caracterização do biocomposto produzido no compartimento anódico. Para separação do biocomposto utilizou-se uma metodologia de precipitação com álcool etílico utilizando a centrifugação para a separação do biocomposto do sobrenadante. Nesta etapa do trabalho estudou-se as melhores condições de separação avaliando o efeito das variáveis concentração de álcool etílico, pH e temperatura de extração na concentração de carbono total do biocomposto, como melhores condições de separação obtiveram-se a concentração de álcool etílico 100%, o pH em 10 e a temperatura de 4°C. Para a caracterização do biocomposto obtido com as melhores condições de separação realizaram-se as análises de carbono total, reológica, morfológica e elementar. O biocomposto apresentou em sua composição 26% de carbono. Na análise reológica demonstrou menor viscosidade com a temperatura de 40°C e apresentou um comportamento de um fluido nãonewtoniano. Como característica morfológica apresentou forma rígida e não uniforme. E em sua composição elementar, o componente majoritário em sua composição foi o oxigênio com 43,23%. A CCM é uma alternativa para a produção de energia elétrica, visto que apresentou resultados de ddp satisfatórios considerando a utilização de um resíduo disponível no meio ambiente para a sua produção. Além disso, paralelamente a produção de eletricidade ela está gerando um bioproduto de possa ter valor agregado.
In pursuit of the development of an innovation for the production of electricity that, in addition to minimizing and replacing fossil fuels, reduces the environmental impact, microbial fuel cells (MFCs) have emerged, a promising technology that combines electricity generation with treatment. of effluents. MFCs can directly convert chemical energy into electricity through the use of exoelectrogenic bacteria, which degrade oxidizable substances to produce metabolites and electrons. Cells can use different complex organic substrates, including domestic, industrial and agricultural waste water; thus, considering that the marine sediment has a high load of nutrients, microorganisms and organic matter, and a great amount of this is withdrawn and discarded for each process of dredging of large ports, to use material from the dredging of the Port of Rio Grande as a raw material to inoculate a MFC becomes a possibility. Sludge has high extracellular organic matter load and extracellular polymeric substances are its main constituents, comprising a mixture of high molecular weight polymers. This work aims to produce electric energy and study the process of obtaining, separating and characterizing biocompounds obtained from double chamber microbiological fuel cell inoculated with the dredging sediment of Rio Grande Port. In the first stage of this work, a 2 L volume MFC was constructed using 50 mM potassium ferricyanide as an electron acceptor. Operating this cell with an external resistance of 1 k resulted in maximum electric potential difference of 0.71 V and maximum electric current density of 61.74 mA/m². Subsequently, a polarization curve was performed to determine the maximum power achieved in the system and its internal resistance. With the polarization curve, it was found that it reached a maximum power density of 128.44 mW/m² with external resistance of 150 and internal resistance of 60 . To continue the work, the applied external resistance was reduced from 1 k to 150 and then the reactor was operated for the remaining steps. In this condition, the MFC reached ddp of 0.60 V and 50 mA/ ². With the MFC stabilized, the biocomposite produced in the anodic compartment was obtained, separated and characterized. For the biocompound separation, an ethanol alcohol precipitation methodology was used using centrifugation to separate the biocompound from the supernatant. The best separation conditions were studied at this stage by evaluating the effect of the variables ethyl alcohol concentration, pH and extraction temperature on the total carbon concentration of the biocomposite. The best separation conditions were 100% ethyl alcohol concentration. , the pH at 10 and the temperature at 4 ° C. For the characterization of the biocompound obtained with the best separation conditions, the total carbon, rheological, morphological and elemental analyzes were performed. The biocompound presented in its composition 26% of carbon. The rheological analysis showed lower viscosity at 40 ° C and showed a non-Newtonian fluid behavior. As morphological characteristic it presented rigid and nonuniform form. And in its elemental composition, the major component in its composition was oxygen with 43.23%. The MFC is an alternative for the production of electricity, since it presented satisfactory ddp results considering the use of an environmentally available waste for its production. In addition, in parallel with electricity production, it is generating a bioproduct of added value.
