evaluacion de un consorcio de bacterias sulfatoreductoras en un

EVALUACION DE UN CONSORCIO DE BACTERIAS SULFATOREDUCTORAS
EN UN NUEVO DISEÑO DE CELDA MICROBIANA DE COMBUSTIBLE
Ana M VILLARREAL ROJAS1, Miguel VELÁZQUEZ MANZANARES1, Carlos
ESTRADA VÁZQUEZ1, Sergio REVAH 2, Alain BERGEL3, Bibiana CERCADO
QUEZADA1
1. Instituto de Ecología, Universidad del Mar, Ciudad Universitaria Distrito de San
Pedro Pochutla, Puerto Ángel, Oax. C.P. 70902. [email protected] 2. UAMIztapalapa 3.INPT-Toulouse.
Palabras clave: Desulfovibrio, remoción de sulfato, bioproducción de electricidad
RESUMEN
Una celda microbiana de combustible (CMC) convierte la energía de un substrato
(agua residual) en energía eléctrica. La producción limpia de energía y el
tratamiento biológico de aguas residuales son dos aspectos que es necesario
desarrollar para contribuir tanto a la conservación del medio ambiente, como al
suministro de energía de forma sustentable. El objetivo del presente trabajo fue
diseñar una CMC para evaluar el uso de un consorcio de bacterias sulfatoreductoras (BSR) en la generación de energía. Se diseñó la CMC uniendo dos
cámaras en forma de L con una tuerca que sostenía la membrana de intercambio
de protones. Se usaron electrodos de grafito de 40 cm2 de área. La cámara
anódica contenía medio de cultivo con inóculo de BSR, la cámara catódica
contenía electrolito a pH 7. Se midió la producción de energía como la diferencia
de potencial entre electrodos y la remoción de sulfato en el anolito. Los resultados
mostraron una reducción de sulfato y una generación máxima de potencial de 0.71
V, el cual se mantuvo durante 8d en ensayos de 30d; la CMC modificada mostró
un potencial máximo de 0.5 V, en un ensayo de 9d. El diseño propuesto de la
CMC permitió evaluar la actividad sulfato-reductora y la electroactividad del
consorcio. El potencial alcanzado fue similar al reportado por otros autores,
permitiendo concluir que el sistema diseñado es adecuado para estudios de
optimización de las variables de este proceso.
INTRODUCCIÓN
Los óxidos de azufre son contaminantes presentes en efluentes gaseosos y
líquidos de procesos industriales, los combustibles orgánicos también contienen
moléculas de azufre que son liberadas durante su combustión. Aún cuando los
compuestos de azufre se encuentran en el medio ambiente de forma natural, el
aumento de su concentración puede ocasionar diversos problemas, como la lluvia
ácida (Fellenberg, 1997). Los sulfatos provocan problemas en el tratamiento de
aguas residuales, generan malos olores y originan la corrosión de alcantarillas en
condiciones anaeróbicas, además de causar incrustaciones en líneas de
conducción en forma de sulfatos de calcio (Sawyer et al. 2001).
1
Las bacterias sulfatoreductoras utilizan sulfato y otros compuestos oxidados del
azufre como aceptores de electrones para obtener energía (Krieg, 1984). Este tipo
de biotransformaciones son explotadas comúnmente en el tratamiento de aguas
residuales e indirectamente en el tratamiento de corrientes gaseosas, al transferir
los compuestos azufrados gaseosos a medios líquidos (Philip y Deshusses, 2003).
La reducción del sulfato es un proceso anaerobio. La materia orgánica se oxida y
el sulfato se reduce para formar sulfuro, que puede a su vez reaccionar con Fe II u
otro metal presente formando sulfuros insolubles. En el tratamiento de aguas los
sulfuros precipitados pueden removerse fácilmente por sedimentación (Van Loon
et al. 2000; Tchobanoglous y Burton, 1991).
Por otra parte, en relación al consumo de energía, se reporta que la principal
fuente es el petróleo, los requerimientos de éste aumentan día con día al
aumentar la población y sus actividades, sin embargo, es una fuente no renovable
que se agotará inevitablemente. La Tabla 1 muestra el consumo mundial de
energéticos (Slawson, 2004), en ella se observa que las fuentes de energía
renovables son las menos utilizadas. Aunado a lo anterior, se debe remarcar que
los gases de combustión de las fuentes no renovables, contaminan la atmósfera
generando gases de invernadero.
Tabla1. Consumo mundial de energéticos.
Fuente de energía Porcentaje de consumo
No renovables
Petróleo
39%
Carbón
25%
Gas natural
22%
Renovables
Hidroeléctrica
8%
Nuclear
6%
Hoy en día existen diversos procesos biológicos para la producción de energía, ya
sea usando biomasa como combustible o como catalizador. Esta forma de
producción es limpia y menos perjudicial para el medio ambiente, algunos
ejemplos de su uso son la producción de metano por digestión anaerobia, la
producción biológica de hidrógeno y las celdas microbianas de combustible
(Angenent et al. 2004).
La generación de energía eléctrica en CMC es una biotecnología en desarrollo,
actualmente sus principales limitantes son la baja producción alcanzada y el corto
tiempo de generación (Angenent et al. 2004). Las CMC se han acoplado a
biorreactores para tratamiento de efluentes contaminados (Liu y Logan 2004), por
lo cual se hace necesario el desarrollo de nuevos diseños que permitan estudiar la
producción de energía usando como substrato agua residual.
2
MATERIALES Y MÉTODOS
Inóculo. Se utilizó un consorcio de BSR proveniente de una planta de tratamiento
anaerobio de aguas residuales de la UAM Iztapalapa. El consorcio se conservó a
temperatura ambiente y fue enriquecido para el género Desulfovibrio con el medio
Postgate B sin tioglicolato: KH2PO4 (0.5 g/L), CaSO4 (1.0 g/L), NH4Cl (1.0 g/L),
MgSO4·7H2O (2.0 g/L), lactato de sodio (3.5 g/L), extracto de levadura (1.0 g/L),
FeSO4·7H2O (0.5 g/L), ascorbato (0.1 g/L), agua (1000 mL), estabilizado a un pH
de 7.0 – 7.5 (Levett 1991). La cámara anódica se inoculó con este consorcio en
5% v/v.
Diseño de CMC. La celda estuvo conformada por dos cámaras tubulares de
acrílico en forma de L, unidas por una tuerca unión en PVC. La figura 1 muestra
un esquema del sistema.
Bomba
peristáltica
Multímetro
PC
Almacenamiento
Figura 1. Esquema de la celda microbiana de combustible y sistema de
adquisición de datos.
CASO A: La cámara anódica de 547 mL, contenía la suspensión de bacterias en
medio de cultivo; un contenedor de 250 mL no sellado, conectado a esta cámara
permitió la recirculación del líquido con una bomba peristáltica, a una tasa de 45
mL/min, la CMC operó como un reactor en lote recirculado. La recirculación
homogenizó el anolito y favoreció la formación de biopelícula sobre el ánodo. Esta
cámara fue sellada con un tapón de hule a fin de mantenerla anaerobia.
La cámara catódica de 500 mL, contenía una solución amortiguadora de fosfatos
0.01 M a pH 7. Esta cámara permaneció abierta al medio ambiente para permitir la
oxigenación del catolito.
CASO B: El diseño del caso A fue modificado, reduciendo el tamaño de la celda a
un volumen de 325 mL, y manteniendo el contenedor de 350 mL perfectamente
sellado. La cámara catódica se redujo a un volumen de 350 mL. Finalmente la
distancia que existía entre los electrodos fue reducida de 32 cm en el caso A a 28
cm.
Para ambos casos, se empleó una membrana de intercambio catiónico Ultrex
CMI-7000, la cual fue sostenida entre las cámaras de la celda por la tuerca unión y
un empaque de goma. La membrana fue sumergida en solución de NaCl 2%
3
durante 12 h previas a su uso. Se usaron electrodos de fieltro de grafito Alfa Aesar
de 99.9% de pureza, con geometría rectangular de 0.5 x 1.1 x 12 cm y área
superficial aparente de 40cm2. Se insertaron barras circulares de grafito de 2 mm
de diámetro en los electrodos rectangulares a fin de conectarlos con los equipos
de medición en el exterior de la celda.
Potencial eléctrico. La energía eléctrica producida se midió como la diferencia de
potencial entre los electrodos con un multímetro con interfase para PC (STEREN
MUL-600), con exactitud ±(0.8%+3) y resolución 0.1 mV en la medición de voltaje
CD. Los datos fueron registrados y actualizados cada 10 minutos. La resistencia
del sistema se midió con un potenciostato-galvanostato (AUTOLAB), aplicando un
potencial de 0.3 V se encontró una impedancia de 361 Ω para el caso A y un
potencial de 0.5V en el caso B señaló una impedancia de 553 Ω.
La intensidad de corriente se calculó con la ecuación I = V/R donde I es la
intensidad de corriente en Ampers, V es la diferencia de potencial en Volts y R es
la resistencia en Ohms. La potencia se calculó con la ecuación P = I x V, donde P
es la potencia en Watts, la I es la intensidad de corriente en Ampers y V es la
diferencia de potencial en Volts. La densidad de corriente y densidad de potencia
se calcularon dividiendo dichos valores entre el área superficial del electrodo.
Biomasa. Se determinó la biomasa en la cámara anódica como SSV. Se empleó el
método de la norma NMX-AA-034-SCFI-2000. Se filtró una muestra de 16 mL en
un crisol a peso constante, se evaporó a 105°C por 1h y se determinó su peso G4
(mg), posteriormente se calcinó la muestra a 550 °C por 20 min, se colocó en
horno a 105°C por 20 min y se determinó su peso G5 (mg). La masa de SSV se
calculó como SSV (mg/L) = (G4 – G5) x 1000 / mL de muestra
Sulfato. Se empleó el método turbidimétrico 4500-SO4-2 E (Clesceri et al. 1998).
Se colocó la muestra en un frasco volumétrico y se llevó a 100 mL, se adicionó
solución amortiguadora A o B y una cantidad estándar de BaCl2, se dejó en
agitación por 60 s y se leyó la absorbancia a 420 nm en un tiempo no mayor a 5
min. La concentración de sulfato se determinó por interpolación en una curva
patrón de sulfato.
Diseño de experimentos. Se realizaron dos experimentos para probar los
diferentes diseños de la CMC. En el caso A se utilizó un volumen en la cámara
anódica de 547 mL, en el reservorio existió una entrada de aire. La distancia entre
los electrodos fue de 32 cm y la duración del ensayo de 30d. El segundo
experimento, caso B, se realizó por duplicado utilizando un volumen en la cámara
anódica de 325 mL y manteniendo perfectamente anaeróbicas las condiciones del
cultivo. La distancia entre los electrodos fue reducida a 28 cm y la duración del
ensayo fue 9d y se tomaron muestras del anolito cada 72h. Para ambos
experimentos la conexión al multímetro para medición de potencial se hizo con
pinzas caimán y las lecturas se actualizaron cada 10 min.
4
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Producción de energía Caso A
El potencial registrado en las primeras 20 h del ensayo fue inestable, posiblemente
debido al inicio del desarrollo de biopelícula sobre el electrodo de grafito. El
sistema se estabilizó a las 40 h, como se muestra en la figura 2. Se observó un
perfil logarítmico de voltaje en el tiempo, por lo cual se realizó un ajuste al modelo
de Monod, generando la ecuación E = 0.77t / (70.35+t), donde E es el potencial en
Volts y t es el tiempo en horas. La meseta inició a las 500 h y permaneció estable
por 200 h más, entonces comenzó a disminuir hasta 0.6 V a las 720 h, momento
en el que se detuvo el experimento.
Ajuste al modelo de Monod
E = 0.777*t / (70.35 + t)
0.8
0.7
Potencial, V
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Tiempo, h
Figura 2. Generación de potencial en el tiempo.
La disminución observada en el voltaje, posiblemente se deba a la reducción de la
concentración de sulfato; es posible que ocurriera un cambio de pH en el anolito,
debido a las reacciones metabólicas y a la transformación de lactato en acetato,
con lo cual el flujo de protones también se vería afectado. En cuanto a los
microorganismos, tras un periodo de 30 d sin renovar el medio nutritivo, es posible
que iniciaran la fase de muerte en la cinética de crecimiento de cultivo en lote,
dejando de transferir electrones al ánodo.
Con respecto a las variables físicas del sistema, probablemente la acumulación de
residuos celulares sobre la membrana impidió el paso libre a los protones. La
cámara catódica al estar abierta al ambiente, también se encontraba expuesta a la
contaminación microbiana, reduciendo así el oxígeno disponible para capturar los
protones que atravesaban la membrana, sin embargo esto no se comprobó.
El valor mínimo de potencial observado fue 0.069V y el valor máximo fue 0.714V,
éstos se encuentran en el orden de magnitud de los resultados obtenidos por otros
autores. El menor valor reportado es 0.08V por Kim et. al. (2005), un valor común
alcanzado es 0.5V (Liu y Logan, 2004; Liu et al. 2004; Park y Zeikus, 2000;
Rabaey et al. 2005); el potencial mas alto alcanzado es 1.04 V, por Tanisho et al.
5
(1989). Por otra parte, los valores calculados para densidad de corriente y
densidad de potencia se muestran en la tabla 2.
Tabla 2. Potencial observado, densidad de corriente y densidad de potencia
calculadas. Caso A.
Valor Máximo
Resistencia 361Ω
Potencial observado
0.71 V
Intensidad de corriente calculada
1.98 mA
Densidad de corriente calculada
49.44 μA/cm2
Potencia calculada
1.41 mW
Densidad de potencia calculada, W/cm2 35.30 μW/cm2
La densidad de corriente más alta reportada con anterioridad es 1.69 mA/cm2 por
Cooney et. al (1996) y la menor es 7.5 μA/cm2 en una celda donde se utilizó
composta como substrato (Dulón et al. 2005); los valores obtenidos en el presente
trabajo se encuentran en ese intervalo, aún cuando las condiciones
experimentales difieren en microorganismos y substratos empleados, se puede
decir que la CMC opera adecuadamente.
La densidad de potencia calculada para la celda diseñada, también se encuentra
en un valor intermedio entre los reportados. Rabaey et al. (2003), menciona una
producción de 360 μW/cm2, Min y Logan (2004) obtuvieron un valor de 30.9 μ/cm2,
y la densidad de potencia más baja mencionada es 4.0 μW/cm2 (Min et al. 2005).
Remoción de sulfato Caso A
Transcurridos 6 días del ensayo, se observó un franco ennegrecimiento del
anolito, lo cual indicó la formación de sulfuro ferroso FeS. El sulfato presente en el
medio de cultivo, usado como contaminante modelo, se redujo para formar sulfuro
de hidrógeno H2S (Ec. 1), éste a su vez liberó los iones hidrógeno H+ que
atravesaron la membrana semipermeable para unirse a moléculas de oxígeno y
formar agua en la cámara catódica (Ec. 2). El sulfuro S-2 liberado en la cámara
anódica reaccionó con el hierro presente para formar un precipitado de sulfuro
ferroso FeS (Ec. 3) que posteriormente sedimentó.
Ec. 1
SO42- + 8H+ + 8e-
S2- + 4 H2O
Ec. 2
2O2 + 8H+ + 8e-
4H2O
Ec. 3
S2- + Fe2+
FeS ↓
La concentración de sulfato inicial en el medio de cultivo se calculó como la suma
de la fracción molar de sulfato en cada componente del medio Postagate B, 1.5
g/L de sulfato inicial. Al término del ensayo, la concentración de sulfato
determinado con el método espectrofotométrico fue 0.303 g/L, indicando una
remoción de 80% de sulfato.
6
Producción de energía Caso B
El potencial registrado inició un ascenso a las 15h del ensayo, como se muestra
en la figura 3, alcanzando un voltaje máximo de 0.475V a las 35h para el caso B1
y de 0.490V a las 40h, para el caso B2; posteriormente descendió continuamente
hasta las 60h en el caso B1 y las 70h para el caso B2. La disminución observada
en el voltaje, tal vez se deba a una alteración del sistema durante el barrido de
espectroscopia de impedancia necesario para la determinación de resistencia, en
el cual fue aplicado un pulso de 0.47V para el caso B1 y de 0.5V para el caso B2,
potencial que presentaban las celdas en ese momento.
Potencial, V
El comportamiento posterior del caso B1 fue inestable, aumentó el potencial desde
0.060V a las 59h hasta 0.38V a las 179h y disminuyó hasta un potencial de 0.284V
al final del ensayo. Para el caso B2 la disminución fue de 0.263V a las 72h, e inició
un incremento progresivo alcanzando un potencial de 0.389V al final del ensayo.
0.6
Caso B 1
0.5
Caso B 2
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Tiempo, h
Figura 3. Generación de potencial en el tiempo.
Los valores calculados para densidad de corriente y densidad de potencia se
muestran en la tabla 3, se observa que los valores calculados se encuentran en el
mismo orden de magnitud del caso A.
Tabla 3. Potencial observado, densidad de corriente y densidad de potencia
calculadas. Caso B.
Valor Máximo
Resistencia 553Ω
Potencial observado
0.492 V
Intensidad de corriente calculada
0.889 mA
Densidad de corriente calculada
22.242 μA/cm2
Potencia calculada
0.437 mW
Densidad de potencia calculada, W/cm2 10.945 μW/cm2
La densidad de potencia calculada para la celda diseñada, también se encuentra
en un valor intermedio entre los reportados. Rabaey et al. (2003), menciona una
producción de 360 μW/cm2, Min y Logan (2004) obtuvieron un valor de 30.9
7
μW/cm2, y la densidad de potencia más baja mencionada es 4.0 μW/cm2 (Min et
al. 2005).
Remoción de sulfato Caso B
Sulfatos, mg/L
Concentracion (mg
Transcurridos 4 días del ensayo, se observó un franco ennegrecimiento del
anolito, lo cual indicó la formación de sulfuro ferroso FeS, como ya se explicó
anteriormente. La concentración de sulfato inicial en el medio de cultivo con
inóculo fue determinada en 1.7 g/L. La remoción de sulfato se representa en la
figura 4, donde se muestra una disminución de la concentración hasta un valor
mínimo de 1.36 g/L al término del ensayo (9d), indicando una remoción de 20%.
2200
Caso B1
2000
Caso B2
1800
1600
1400
1200
1000
0
50
100
150
200
Tiempo, h
Figura 4. Cinética de consumo de sulfato
La biomasa fue determinada con el método NMX-AA-034-SCFI-2000, ésta se
representa en la figura 5. El perfil muestra un valor inicial promedio de 81.25 mg/L,
posteriormente se observa un crecimiento hasta 187.5 mg/L en el caso B1 y 218.7
mg/L en el caso B2 para 72h del ensayo, enseguida se observa una disminución
hasta 150 mg/L a las 144h, y en ambos casos la biomasa aumenta a una
concentración final promedio de 180 mg/L.
Biomasa, mg/L
BIOMASA (mg/L)
250
Caso B1
Caso B2
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
Tiempo, h
Figura 5. Cinética de Biomasa
8
La cinética de crecimiento fue ascendente al inicio como se esperaba, sin
embargo, la concentración fluctuó hasta el termino del experimento, posiblemente
la duración del ensayo fue corto para mostrar un franco crecimiento de
microorganismos.
La biomasa representa la materia orgánica y los microorganismos tanto vivos
como muertos, el valor máximo se encuentra para el caso B a las 72h del proceso,
cuando el potencial generado ha disminuido después de haber alcanzado su nivel
máximo entre las 35 y 40 h, por lo cual se considera que la producción de energía
no se relaciona con la cantidad de biomasa sino con su actividad metabólica, pues
los microorganismos aún activos en el sistema, mantuvieron su actividad
sulfatoreductora, como se observa en la figura 4, la disminución de sulfatos fue
constante en el tiempo.
CONCLUSIONES
El diseño propuesto de la celda microbiana de combustible, así como los
materiales empleados son de fácil construcción y adquisición. La CMC construida
permitió evaluar la actividad sulfato-reductora y electroactividad del consorcio
empleado.
En el caso A no se alcanzaron las condiciones anaerobias estrictas, permitiendo la
acción de microorganismos facultativos en el sistema que también fueron
responsables de la generación de potencial. Las modificaciones al diseño de la
celda permitieron mantener las condiciones anaerobias estrictas, asegurando el
crecimiento de BSR.
El potencial generado en ambos casos, se encuentra en un valor intermedio al
encontrado por otros autores, por lo que se puede concluir que el sistema es
adecuado para el estudio y posterior optimización de las diversas variables del
proceso.
AGRADECIMIENTOS
AMVR agradece a CONACYT la beca para estudios de maestría. Se agradece a
SR de la UAM-I proporcionara inóculo de BSR, así como al Ing. Cerdenares de la
UMAR su apoyo en el montaje del sistema.
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