Effetto della tipologia microbica sulla produzione di energia nelle Celle a Combustibile Microbiche (MFC)

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1 POLITECNICO DI TORINO I Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Chimica Tesi di Laurea Effetto della tipologia microbica sulla produzione di energia nelle Celle a Combustibile Microbiche (MFC) Relatori: Prof. Bernardo Ruggeri Prof. Italo Mazzarino Dr. Ing. Tonia Tomassi Candidata: Ana Maria Valencia Lopez Diciembre 2011

2 Sommario Oggigiorno, una delle più grandi sfide tecnologiche della società per ottenere energia e prodotti chimici di base è la sostituzione delle materie prime, dai combustibili fossili alle fonti di energia rinnovabile. Grazie alla scoperta della capacità che possiedono alcuni batteri di produrre elettricità partendo da materiale di rifiuto e da biomassa rinnovabile, la ricerca è stata intensificata in questo campo negli ultimi anni col fine di ottenere energia sostenibile. Esistono dei microorganismi in grado di immagazzinare l energia prodotta durante la loro crescita e di rilasciarla sotto forma di elettroni durante il processo di ossidazione dei composti organici, utilizzando un elettrodo come unico accettore di essi. Una cella a combustibile Microbica o Microbial Fuel Cell (MFC) è un dispositivo in grado di convertire diverse tipologie di materia organica in elettricità, grazie al metabolismo microbico fornendo nuove opportunità per la produzione di energia sostenibile da tali composti biodegradabili. Questi dispositivi possono essere alimentati da diversi substrati organici complessi presenti in natura, portando il vantaggio di produrre energia senza interferire nelle linee di approvvigionamento alimentare, problema riscontrato nel caso di produzione di energia o di biocombustibili da fonti naturali. Attualmente, la ricerca nel settore dei sistemi biolettrochimici è concentrata principalmente sullo studio dei meccanismi di trasferimento degli elettroni tra i microorganismi e l elettrodo, considerando che per lo sviluppo delle MFC è richiesta un approfondita conoscenza dei processi microbici che avvengono in questo sistema. Lo scopo del presente elaborato è stato individuare il ruolo di diversi tipi di microorganismi nelle prestazioni di una Microbial Fuel Cell in scala ridotta e identificare le variabili, gli approcci ed i problemi tecnologici da superare nel percorso verso una fonte di energia rinnovabile competitiva. Si è realizzato, lo scale-up della cella con il fine di stabilire alcune delle variabili che influenzano maggiormente le prestazioni in un sistema che opera in discontinuo. Inoltre, si sono valutati i vantaggi e gli svantaggi dell uso di un mediatore redox per ridurre i sovrapotenziali all anodo e migliorare il trasferimento degli elettroni, tenendo conto degli effetti secondari che l uso di esso può determinare nel sistema.

3 Indice Generale SOMMARIO...2 CAPITOLO INTRODUZIONE Conversione in energia nei sistemi Bioelettrochimici Generalità sui sistemi bioelettrochimici, le Celle di Eletrolisi Microbica (MEC) e le Celle a Combustibile Microbiche (MFC) Componenti e tipologie di un sistema MFC Applicazioni delle MFCs CAPITOLO ASPETTI MICROBIOLOGICI DELLE MFC Microorganismi utilizzati nelle MFCs Metabolismo energetico dei microorganismi Batteri che attuano la respirazione e che guadagnano energia dal trasferimento di elettroni ad accettori esterni Batteri fermentativi generano energia dal ricircolo interno di elettroni Elettrogenesi: Il trasferimento biocatalizzato degli elettrodi all anodo Trasferimento degli elettroni Trasporto diretto degli elettroni Trasporto mediato di elettroni Limitazioni nelle prestazioni della MFC in relazione agli aspetti microbici Bioanodi nei sistemi bioelettrochimici, aspetti fondamentali Reazione anodica Biofilm microbico Fattori che influenzano la performance del bioanodo Fonti di biocatalizzatori Acqua di mare e sedimenti marini Acque reflue Digestato anaerobicoe microorganismi Acetogeni Lievito di birra, Saccharomyce cerevisiae... 51

4 CAPITOLO ASPETTI ELETTROCHIMICI DELLE MFCS Parametri utilizzati per descrivere la performance della MFC Efficienza nella conversione di energia La polarizzazione della tensione in una MFC Perdite nei sistemi elettrochimici Le perdite per attivazione Perdite Ohmiche Perdite per trasferimento di massa Strategie per minimizzare le perdite nelle MFCs Sovrapotenziale di attivazione all anodo Sovrapotenziale ohmico Perdite per trasferimento di massa CAPITOLO MATERIALI E METODI Microorganismi e substrato utilizzati Materiali e metodi per la preparazione della soluzione buffer 0,1 [M] a ph Procedura di preparazione delle soluzioni anodiche Preparazione del terreno di coltura per i microrganismi in acqua di mare e determinazione qualitativa della crescita degli stessi con il metodo di accrescimenti successivi Materiali e metodi per la preparazione delle soluzioni catodiche Descrizione della Microbial Fuel Cell (MFC) utilizzata Materiali per gli elettrodi Materiali e metodi per l assemblaggio della cella MFC Scale-up della MFC Banco di prova per il funzionamento di una MFC Monitoraggio elettrochimico Procedura per l utilizzo del potenziostato Misura del open circuit voltage (OCV) con il potenziostato Ottenimento curva della curva di polarizzazione L utilizzo dell acquisitore dei dati CAPITOLO

5 5. RISULTATI SPERIMENTALI E CONSIDERAZIONI Prove con Saccharomyce cerevisiae come inoculo Prova con una concentrazione di lievito 33 [g/l] e glucosio 60 [g/l] (L1) Prova con una concentrazione di lievito 100 [g/l] e glucosio 60 [g/l] (L2) Effetto della concentrazione di lievito sulla performance della MFC Prove con acqua di mare Prova con acqua di mare tal quale, 33%v/v del volume anodico (A1) Effetto delle condizioni termiche sulla performance dei microorganismi in acqua di mare Prova con acqua di mare dopo conservazione in freezer, 33,3% v/v del volume anodico (A2 e A4) Effetto della concentrazione di acqua di mare all anodo sulla performance della MFC Prova con acqua di mare dopo conservazione in freezer, 60% v/v del volume anodico (A3) Effetto della densità cellulare nell acqua di mare e del blu di metilene come mediatore nel trasferimento elettronico Prova con acqua di mare dopo accrescimento successivo, 33.3 % v/v del volume anodico. Presenza di Blu di metilene (A5) Prova con acqua di mare dopo accrescimento successivo, 66.7 % v/v del volume anodico. Assenza di Blu di metilene (A6) Prova con acqua di mare dopo accrescimento, 33.3 % v/v del volume anodico. Presenza di Blu di metilene (A7) Prova con acqua di mare dopo un unico ciclo di accrescimento, 66.7 % v/v del volume anodico. Assenza di Blu di metilene (A8) Effeto dello scale-up sulle prestazioni del sistema con acqua di mare Prova con acqua di mare dopo accrescimento successivo, 66.7 % v/v del volume anodico. Assenza di Blu di metilene, in MFC dopo lo scale-up (A9) Prova con Popolazioni miste acetogeniche con trattamento acido a ph. Assenza di Blu di metilene, in MFC di minori dimensioni (D) Confronto fra tutte le prove Confronto con alcuni risultati disponibili in letteratura CAPITOLO CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Discussione e conclusioni Sviluppi futuri CAPITOLO

6 7. APPENDICE Rassegna bibliografica Installazione del programma per l utilizzo del potenziostato Procedura per l utilizzo dell acquisitore di dati Crescita dei microorganismi in acqua di mare Riassunto dei risultati delle prove sperimentali, osservazioni rilevanti BIBLIOGRAFIA

7 Indice delle figure Figura 1.1 Schema generale dei BESS catalizzati chimica o microbicamente 15 Figura 1.2. Schema di funzionamento di una MFC Figura 1.3. Principio di funzionamento di una Microbial Fuel Cell Figura 1.4. Configurazione di una MFC a doppia camera Figura 1.5. Overview delle tipologie di membrana e del principio di funzionamento: Figura 1.6. Due configurazioni di una MFC. A) MFC con trasferimento diretto di elettroni. B) MFC con trasporto mediato di elettroni Figura 1.7. Tipologie di MFCs utilizzate in ricerca Figura 1.8. Tre diversi design di configurazione MFC potenzialmente scalabile Figura 1.9. Cella di piccole dimensione in modalità batch. Scale-up della cella Figura 2.1. Catena di trasporto degli elettroni nella respirazione dei batteri Figura 2.2 Struttura e la funzione della sintasi ATP Figura 2.3.Via generalizzata dell ossidazione anaerobica della materia organica Figura 2.4. Modelli proposti come meccanismi di trasferimento di elettroni nei bioanodi Figura 2.5. Modello per il trasferimento di elettroni nei Geobacter Sulfurreducens verso l anodo in una cella a combustibile microbica Figura 2.6 (A) Immagine con Microsocpia a Scansione Tunnel (STM) di un nanowire della specie Shewanelle oneidensis su un elettrodo di grafite. (B): Immagine STM che mostra la conducibilità del nanowire. (C): Immagine con Microscopia a Scansione Elettronica (SEM) di coculture metanogeniche e cianobatteri che producono nanowires. 38 Figura 2.7. Meccanismo di trasferimento extracellulare di elettroni proposto in Geobacter sulfurreducens Figura 2.8. Esempi di Microbial Fuel Cells Figura 2.9. Meccanismi di trasporto diretto degli elettroni... 43

8 Figura Immagine di Microscopia a Scansione Elettronica delle celle batteriche nei bioflim Figura Una Cella a Combustibile Microbica Sedimentare, Sediment MFC (Lovley D.R, 2008) Figura SEM di biofilm formati sugli elettrodi di grafite immersi in acqua di mare naturale per 20 giorni Figura Meccanismo attraverso il quale i microorganismi reduttori di composti solfonati possono contribuire alla generazione di elettricità in Sediment MFC Figura Schema del processo biologico della digestione anaerobica Figura 3.1 Curva tipica di polarizzazione di una MFC.e curva della densità di potenza Figura 3.2. Tensione in funzione della densità di corrente in una fuel cells. 56 Figura 4.1 Schema del test condotto in batch durante la crescita dei microorganismi Figura 4.2 Configurazione della MFC utilizzata. Barrette di grafite che servono di supporto agli elettrodi di tessuto di fibra di carbonio Figura 4.3. Schema della procedura per ritagliare gli elettrodi in fibra di carbonio Figura 4.4. Procedura di tagliato di J-Chloth (A) e la membrana scambiatrice di cationi (CEM) (B) Figura 4.5 Procedura assemblaggio della prima camera della cella Figura 4.6 Procedura assemblaggio seconda camera della MFC Figura 4.7 (A) Schema dell assemblaggio della MFC, (B) MFC assemblata. A destra, la nostra cella a lab scale Figura 4.8 Cella di dimensioni maggiori dopo assemblaggio Figura 4.9. Sistema di alimentazione della MFC a maggiore scala Figura 4.10 Schema del sistema di alimentazione completo Figura 4.11.A. Collegamento degli elettrodi alla cella. B. Collegamento anodo Figura 5.1 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione, per la prova L Figura 5.2 Curve di polarizzazione della tensione per la prova L1..84

9 Figura 5.3 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione, per la prova L Figura 5.4 Fotografia della camera catodica della MFC. Si osserva una colorazione blu nel tempo t Figura 5.5. Curve di polarizzazione della tensione per la prova L2.86 Figura 5.6 Confronto dell andamento del OCV nel tempo per le prove L1 e L Figura 5.7 Confronto della potenza massima nel tempo per le prove L1 e L Figura 5.8 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.9 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.10 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.11 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.12 Confronto degli andamenti della densità di potenza massima nel tempo per le prove A2 e A Figura 5.13 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.14 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.15 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.16 Curva di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.17 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura Foto che illustra la riduzione del volume nella camera catodica l assenza di colore dell essacianoferrato, possibilmente esaurito Figura 5.19 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.20 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.21 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A

10 Figura 5.22 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.23 Curva di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.24 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.25 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.26 Confronto della potenza massima prodotta nel tempo per le prove A6, A7 e A Figura 5.27 Confronto della variazione di Tensione a Circuito Aperto (OCV) col tempo, per le prove A6, A7 e A Figura 5.28 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova A Figura 5.29 Curve di polarizzazione della tensione per la prova A Figura 5.30 Foto del precipitato di granuli di grafite nel contenitore di alimentazione all anodo Figura Immagine delle due celle impiegate nel presente lavoro Figura Confronto di densità di potenza ottenute nel tempo 24h, per i test A6 e A9 (Cella piccola cella grande, rispettivamente) Figura 5.33 Andamento della densità di potenza con la variazione della tensione per la prova D..109 Figura 5.34 Andamento della potenza massima nel tempo, prova D Figura Curva di polarizzazione per il test A Figura Variazione del OCV con il tempo, per il test A Figura Immagine della camera anodica, si osserva il precipitato adeso alla superificie del tessuto in fibra di carbonio ed alle barrette di grafite Figura 5.38 Confronto grafico della potenza massima ottenuta per tutte le prove sperimentali 111 Figura 5.39 Confronto dell OCV in corrispondenza al tempo di massima potenza per tutte le prove Figura 5.40 Confronto dell OCV massimo fornito dalla MFC in tutte le prove

11 Figura 5.41 Densità di potenza massima ottenuta in ogni test, trascorsi 20 min (Anche detto t 0 ) 113 Figura 5.42 Potenziale a circuito aperto in ogni test, trascorsi 20 min (Anche detto t0) Figura 5.43 Densità di potenza massima ottenuta in ogni test, trascorse 24 ore Figura 5.44 Tensione a circuito aperto in ogni test, trascorse 24 ore Figura 5.45 Confronto della densità di potenza nel tempo per i test effettuati con acqua di mare nella cella piccola Figura 5.46 Confronto della densità di potenza per i test effettuati con acqua di mare nella cella piccola, escludendo la prova A1 (Per effetti di confronto) 116 Figura 5.47 Confronto delle curve di polarizzazione nel tempo in cui la potenza prodotta è stata massima. Per entrambi test, A6 e A9, corrisponde al tempo 24 h Figura 7.1. Andamento dell assorbanza della luce ad una lunghezza d onda di 620 nm, detta anche curva di torbidità nel tempo Figura 7.2. Andamento del ph nel tempo, per le quattro beute monitorate durante questo processo Figura 7.3. Andamento della conducibilità nel tempo per le 4 beute inoculate

12 Indice delle tabelle Tabella 2.1 Processi comuni di riduzione microbica e il potenziale su cui avvengono Tabella 4.1 Preparazione della soluzione buffer Tabella 4.2 Preparazione della soluzione anodica con lievito Tabella 4.3 Preparazione della soluzione anodica con popolazioni miste acetogeniche Tabella 4.4 Preparazione del terreno di coltura per la crescita dei microorganismi marini Tabella 4.5 Preparazione della soluzione anodica con acqua di mare per test in cella piccola.67 Tabella 4.6 Preparazione della soluzione anodica con acqua di mare per test preliminare nella cella più grande ( scale-up del primo prototipo di dimensioni inferiori)..68 Tabella 4.7 Preparazione della soluzione catodica Tabella 4.8 Specifiche tecniche della membrana scambiatrici di protoni Tabella 4.9. Composizione della miscela inserita nella camera anodica, per le diverse prove effettuate nella cella piccola Tabella Composizione della miscela inserita nella camera anodica, per la prova effettuata nella cella grande 78 Tabella Connessione dei potenziostato Tabella 5.1 Composizione della miscela inserita nella camera anodica, per le prove effettuate con lievito Tabella 5.2 Composizione della miscela inserita nella camera anodica, per le prove effettuate con acqua di mare Tabella 5.3. Densità di potenza massima per le prove A2 e A

13 Tabella 5.4 Confronto delle Potenze massime e degli OCV per i test A6, A7, e A Tabella 5.5 Proprietà generali di entrambe le celle impiegate nel presente lavoro Tabella 5.6. Densità di potenza massima e OCV della cella, per ciascuna delle prove effettuate Tabella 5.7 Alcuni risultati riportati in letteratura per MFC che utilizzano il glucosio come substrato..120 Tabella 7.1. Rasegna bibliografica sui meccanismi coinvolti nel trasferimento degli elettroni di una MFC Tabella 7.2 Riassunto delle prove effettuate nella MFC di minori dimensioni

14 Capitolo 1 1. Introduzione 1.1 Conversione in energia nei sistemi Bioelettrochimici L uso di combustibili fossili, principalmente gas e petrolio, ha accelerato negli ultimi anni l innesco di una crisi energetica globale. La dipendenza dai combustibili fossili attuale è insostenibile a causa dell inquinamento conseguente e di un rifornimento limitato, inoltre la spinta verso una società più sostenibile ha incrementato la necessità di nuove fonti sostenibili di energia. E fondamentale che la società riduca la sua dipendenza energetica dalle fonti fossili, stimolando l uso di fonti alternative e migliorando l'efficienza. Si tratta di una necessità immediata considerando le problematiche relative al cambiamento climatico ed ai problemi ambientali, che limiterebbero il progresso di una società che si è sviluppata fino ad oggi a partire da fonti esauribili. L energia rinnovabile è considerata uno dei modi per alleviare la crisi del riscaldamento globale. Notevoli sforzi sono dedicati a sviluppare tecniche alternative di produzione di energia elettrica e la ricerca prende in considerazione un'ampia gamma di soluzioni, poiché nessuna di queste appare in grado, da sola, di sostituire integralmente i combustibili fossili. E' quindi probabile che un certo numero di diverse fonti alternative siano necessarie, fornendo energia in un modo specifico per le varie situazioni che si possono presentare. (Franks, A. E., Nevin, K. P. (2010)). L ideale sarebbe la realizzazione di un nuovo modello di produzione di energia elettrica partendo da fonti rinnovabili col fine di ridurre le emissioni nette di anidride carbonica. La produzione/consumo nel ciclo dei bio-carburanti delle MFCs è considerata carbono neutrale, è in linea di principio, più sostenibile rispetto alle celle a combustibile convenzionale. (Lovley D.R., 2006 (a)) Recentemente la tecnologia delle MFCs è stata sviluppata come una nuova biotecnologia che accumula energia dalla biomassa disciolta (Rabaey & Verstraete 2005). Le MFCs producono elettricità dai rifiuti organici in modo diretto, senza necessità di trattamento dei gas. Da questa tecnologia è possibile ottenere conversioni a temperature vicine ai 20 C con bassi livelli di concentrazione di substrato in confronto con altre tecnologie di ottenimento di energia da fonti rinnovabili, quale la digestione anaerobica, in cui si hanno basse velocità di reazione ed elevata solubilità del metano prodotto. Tuttavia esiste controversia rispetto all efficienza,

15 l applicabilità ed il futuro delle tecnologie MFC nel contesto della bioconversione per il recupero di energia. (Pham, T.H. (2008)) Bioconversione In presenza di ossigeno, la biomassa può essere trasformata attraverso un metabolismo ossidativo. L equazione (1.1) illustra la conversione ossidativa del glucosio: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O ΔGo = kj mol -1 (Equazione 1.) Questa energia prodotta è difficile da sfruttare, visto che viene utilizzata durante il metabolismo microbico e restituisce come prodotti finali, acqua e CO 2, quindi energia non utile. La bioconversione anaerobica di biomassa produce metano e/o idrogeno, in base alle condizioni operative. Il metano viene normalmente formato a partire da glucosio (ΔGo = -404 kj mol -1 ) e da acetato (ΔGo = kj mol -1 ). Durante la fermentazione acetogenica per la produzione di idrogeno, l idrogeno viene prodotto principalmente dal glucosio ma solo 1/3 dell energia disponibile viene convertita in idrogeno, gli altri 2/3 rimangono intrappolati sotto la forma di acidi grassi volatili. Entrambi i gas, metano ed idrogeno, possono essere combusti con ossigeno o convertiti in una cella a combustibile, producendo energia elettrica con una efficienza di 35% e circa il 90%, rispettivamente. (Bard & Faulkner 2001). Le Microbial Fuel Cells MFCs permettono la diretta conversione dell energia chimica, contenuta in vari substrati organici da depurare, in energia elettrica. Una tipica MFC consiste di due compartimenti, anodo e catodo separati da una membrana PEM (Proton Exchange Membrane). Nel compartimento anodico si ha l ossidazione del refluo carbonioso, mentre nel compartimento catodico si riduce l accettore di elettroni. Varie tipologie di substrati organici di scarto si prestano efficacemente come biocarburante per produrre elettricità in una MFC, come ad esempio carboidrati (glucosio, saccarosio, cellulosa, amido), acidi grassi volatili (acetato, butirrato, etc.), alcool (etanolo, metanolo, glicerolo), amminoacidi, proteine e persino componenti inorganici come solfiti o acidi. Da un punto di vista economico, l uso di sostanze pure come glucosio e saccarosio non è conveniente, quindi l idea è valorizzare, tramite opportuni pretrattamenti, il rifiuto organico in modo da idrolizzarlo e ottenere un substrato maggiormente accessibile ai microorganismi, che così sono in grado di metabolizzarlo, quindi ossidarlo. Questa ossidazione, che avviene nel compartimento anodico in condizioni anaerobiche, produce sia elettroni, che passano attraverso una resistenza e poi raggiungono il catodo, insieme ai protoni che attraversano la membrana. Al contempo, nel catodo, protoni ed elettroni si combinano con l ossigeno, presente grazie al continuo insufflaggio di aria, producendo acqua. Uno degli aspetti positivi che rende questa tecnologia competitiva è la capacità di depurare e produrre energia con buone rese anche a basse temperature (18-25 C ) Generalità sui sistemi bioelettrochimici, le Celle di Eletrolisi Microbica (MEC) e le Celle a Combustibile Microbiche (MFC)

16 I sistemi bioelettrochimici (BESs) sono dispositivi in cui i microorganismi catalizzano reazioni elettrochimiche attraverso interazioni con gli elettrodi (anodo e/o catodo) (Allen & Bennetto, 1993). In questi sistemi la conversione in energia elettrica viene ottenuta accoppiando una reazione di ossidazione che fornisce elettroni all anodo con una reazione di riduzione che utilizza gli elettroni al catodo. Le reazioni sono separati elettronicamente all interno del sistema, forzando gli elettroni a fluire attraverso un circuito esterno. Grazie al passaggio dei protoni all interno del sistema si garantisce il mantenimento dell equilibro della carica al suo interno e si completa il circuito elettrico. I sistemi convenzionali di celle a combustibili chimici, quali quelle ad elettrolita polimerico (PEM Fuel Cell), a metanolo diretto e le Fuel Cell ad ossidi solidi (SOFC), hanno raggiunto un avanzato stato di sviluppo ma si basano su costosi catalizzatori metallici, operano su combustibili fossili riformati e soffrono di una serie di problemi di degrado e di stoccaggio del carburante. Le Microbial Fuel Cell, d altra parte, sono ancora in fase di sviluppo con reazioni chimiche guidate da diverse e abbondanti bio-carburanti (Pham T.H., 2008) e catalizzatori biologici, che potrebbero offrire significativi vantaggi economici rispetto ai tradizionali catalizzatori di metalli preziosi attraverso economie di scala. (Osman, M. H., Shah, A. A., & Walsh, F. C. (2010)) Nei sistemi bioelettrochimici (BESs), almeno una delle reazioni, anodica o microbica, è microbiologicamente catalizzata (Rabaey et al., 2007). Questi sistemi possono lavorare in due diversi modalità: Se il BES produce energia elettrica, viene usato il termine di Cella a Combustibile Microbica (Microbial Fuel Cell, MFC), mentre una Cella per Elettrolisi Microbica (Microbial Electrolysis Cell, MEC) consuma energia elettrica per guidare le reazioni elettrochimiche (Rozendal et al., 2006). Uno schema generale dei BESs è mostrato in figura 1.1. Figura 1.1. Schema generale dei BESs catalizzati chimica o microbicamente. L energia viene immagazzinata nelle MFCs (E anodo < E catodo) ed invece, viene consumata nelle MECs (E anodo > E cathodo) (Clauwaert et al. (2008a).

17 I sistemi in grado di convertire direttamente l energia chimica in energia elettrica attraverso vie biochimiche sono anche definiti con il termine Bio-Fuel Cells (BFCs). Queste Biocelle possono essere classificate in base al biocatalizzatore che impiegano; i sistemi che utilizzano specifici enzimi isolati per almeno parte della loro operazione sono conosciute come Celle a Combustibile Enzimatiche (EFCs), mentre quelle che utilizzano microorganismi interi contenenti vie enzimatiche complete, vengono conosciute come Celle a Combustibile Microbica (Microbial Fuel Cells, MFCs). Il microorganismo è, o una determinata specie isolata o una coltura mista che può essere applicata direttamente sugli elettrodi o utilizzata in una sospensione. In alternativa, i sistemi possono essere inoculati con una coltura mista in una soluzione nutritiva in condizioni specifiche che le permetterà di formare un biofilm sull elettrodo.(venkata Mohan et al.,2008) Nelle MFCs, gli organismi sono in grado di rigenerare le richieste enzimatiche come parte del loro funzionamento naturale (Kim et al. 2007), offrendo un vantaggio rispetto alle EFCs, che, invece, hanno un più veloce tempo di risposta grazie ai percorsi chimici semplici. Inoltre, costituiscono la tecnologia più studiata finora fra i BES, nella cui l attività microbica viene sfruttata ampiamente per generare elettricità da diversi substrati. (Logan et al (b); Lovley D.R., 2006(b)) Visto che lo scopo della presente tesi è lo studio di sistemi biolettrochimici catalizzati da microorganismi, si farà enfasi nei sistemi di Celle a Combustibile Microbiche. Come detto precedentemente, in questi sistemi di ossido-riduzione, all anodo si ossidano i substrati organici ed al catodo si riduce un ossidante (normalmente ossigeno). L equazione 1.2 illustra il processo basico che avviene nelle MFCs, nel caso di un sistema alimentato di glucosio. Anodo: C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO H+ + 24e- Cathodo: 24H+ + 24e- + 6O 2 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + Energia elettrica (Equazione 1.2) (Approssimazione teorica ΔGo = kj mol -1 ) Figura 1.2. Schema di funzionamento di una MFC

18 Figura 1.3. Principio di funzionamento di una Microbial Fuel Cell. Un batterio nel compartimento anodico trasferisce gli elettroni ottenuti da un donatore di elettroni (glucosio) all anodo; questo avviene sia per contatto diretto, attraverso nanopili o tramite shuttle di elettroni mobili. Le piccole sfere rappresentano lo shuttle(trasportatore) finale associato alla membrana. Durante la produzione di elettroni, i protoni migrano verso il catodo attraverso la Membrana a Scambio Cationico (CEM); mentre gli elettroni migrano dall anodo attraverso una resistenza esterna (o carica) al catodo, dove reagiscono con l accettore finale di elettroni (ossigeno) e con i protoni (Rabaey et al. 2005) Componenti e tipologie di un sistema MFC La maggior parte delle MFCs consistono in due compartimenti, contenenti gli elettrodi e gli elettroliti, i quali vengono separati da una membrana (Figura 1.4). Ogni compartimento della MFC ha una funzione specifica ed è necessario che vengano soddisfate le condizioni necessarie a massimizzare la generazione di energia. Visto che la tecnologia sulle MFCs è emergente, ci sono ancora delle opportunità per migliorare i suoi componenti o specificamente sviluppare nuovi materiali al fine di ottimizzare la resa energetica. Figura 1.4. Configurazione di una MFC a doppia camera

19 I componenti Gli elettrodi Questi non solo rappresentano lo scheletro del design nelle MFCs, ma anche costituiscono il mezzo fisico attraverso il quale si raccolgono, o donano, gli elettroni dai, o verso, i batteri. Inoltre, per l anodo, il materiale dell elettrodo deve essere biocompatibile, cioè le sue proprietà superficiali (carica, struttura, composizione) devono permettere ai microorganismi di formare rapidamente dei biofilm elettrochimicamente attivi e garantire il docking dei meccanismi di conduzione degli elettroni alla superficie dell elettrodo. Inoltre, la conduttività elettrica dell elettrodo deve essere elevata così da minimizzare le perdite ohmiche durante la generazione di corrente. Per migliorare le proprietà superficiali e catalitiche, i materiali possono essere modificati con diverse molecole che agiscono come intermediari di elettroni o in alternativa con film catalitici. Ad esempio, Park e Zeikus (2003) hanno proposto l uso di grafite coperta con mediatori di elettroni, quali Mn 4+ o una rete neutrale, che potrebbero aumentare la potenza prodotta in circa 10 volte; Rosenbaum et al. (2006) hanno utilizzato, invece, elettrodi di carbonio coperti con carburi di tungsteno, i quali hanno aumentato la potenza circa due volte in una MFC alimentata con glucosio. Anche l uso di polimeri attivi elettrochimicamente per ricoprire elettrodi di carbonio ha mostrato un sensibile aumento nella potenza ottenuta, incrementando inoltre l area superficiale attiva. Scott et al.(2007) hanno investigato dettagliatamente diversi metodi per modificare gli elettrodi di grafite, includendo l uso di polianilina, nano fibre di carbonio, carbone attivo e combinazioni di questi. Varie prove sperimentali hanno dimostrato che tutti i materiali di carbonio modificati (principalmente trattati con gruppi chinone) mostrano elevate prestazioni operative rispetto quelli non trattati; tale miglioramento è stato attribuito all incremento nella carica superficiale degli elettrodi di carbonio pretrattati. Oltre alle proprietà superficiali, è importante considerare la struttura degli elettrodi e la loro influenza nelle prestazioni del sistema. Se si confronta l attività superficiale dei materiali per elettrodo con proprietà principalmente bi-dimensionali (Feltri di carbonio) con quella di materiali tridimensionali (Granuli di grafite), quest ultimi mostrano un significativo aumento dell area superficiale attiva dell elettrodo, cioè del rapporto tra la superficie ed il volume, ciò incrementa di due volte la potenza prodotta (Rabaey K., 2005). E stato anche riportato che l uso di feltro di grafite come materiale per l elettrodo potrebbe incrementare la potenza ottenuta di circa tre volte, rispetto a quella prodotta usando solo una barra di grafite nella stessa configurazione (Logan et al., 2007) Altro elettrodo utilizzato è stato lo spazzolino di grafite, che è costituito da fibre di grafite avvolte attorno ad un collettore di corrente metallico, conduttivo ma non corrosivo. Tale elettrodo ha migliorato considerevolmente le prestazioni del bioanodo e dell intera MFC, rispetto all uso di elettrodi di carta di carbonio o feltri di carbonio (Logan et al., 2007). Questi miglioramenti delle prestazioni sono attribuiti alle apprezzabili riduzioni delle perdite ohmiche e all elevata area specifica dell anodo. Inoltre, anche l uso di anodi porosi o strutture anodiche

20 spugnose ha aumento l area di contatto tra il substrato e i microorganismo all anodo, e conseguentemente, hanno migliorato le prestazioni dell anodo. ( Morozan et al., 2007) La Membrana La membrana viene definita specificamente come una matrice fisica attraverso la quale i protoni possono essere trasportati dall anodo verso il catodo. Questa non è solo necessaria per preservare la neutralità, poiché ogni carica negativa che fluisce attraverso il circuito elettrico deve essere compensata con un flusso uguale ma di carica positiva attraverso l elettrolita per prevenire la sovratensione di carica, ma anche per prevenire fluttuazioni severe di ph in entrambi compartimenti. Teoricamente, la membrana non è un componente essenziale nel progetto di una MFC, visto che gli elettroliti sia al catodo che all anodo della MFC sono acquosi e possono funzionare allo stesso tempo come conduttori di protoni. Ma poiché le reazioni in entrambe camere non sono selettive (Ad esempio, il batterio all anodo ossiderà qualsiasi fonte di combustibile disponibile), il possibile cross-over dei reagenti potrebbe influenzare negativamente le prestazioni della cella. Per prevenire questo fenomeno, gli elettrodi possono mettersi ad una distanza sufficiente per abbassare la diffusione dei reagenti tra le camere (Jang et al., 2004), ma questo aumenterebbe considerevolmente le perdite causate da un elevata resistenza ohmica. Come alternativa si può applicare una barriera fisica, come una serie di strati di politetrafluoroetilene con i quali si è registrato un incrementano del 42% della potenza ottenuta (Cheng et al., 2006). Comunque, da un punto di vista pratico, come prevenzione alle intrusioni dell ossigeno all anodo, la membrana è considerata un elemento necessario nella struttura di una MFC. Una membrana ideale per le MFCs deve essere economica ed in grado di trasportare velocemente e selettivamente i protoni senza introdurre delle elevate resistenze interne al sistema; sfortunatamente, nessuna delle membrane disponibili commercialmente soddisfa queste richieste. Le membrane a scambio di protoni di Nafion (Proton Exchange Membrane, PEM), usate con successo nelle celle che lavorano ad idrogeno, non funzionano altrettanto come si desidererebbe all interno delle MFCs, visto che non sono state progettate per le loro condizioni operative richieste, come ph neutro delle soluzioni elettrolitiche, e concentrazione dei cationi (Na +, K +, NH 4+, Ca 2+, e Mg 2+ ) tipicamente 10 5 volte più elevata dalla concentrazione dei protoni. Quindi considerando le condizioni di lavoro di una MFC, le membrane di Nafion presentano una bassa selettività verso i protoni e trasferiscono in via preferenziale altri cationi con conseguente accumulo di essi al catodo incrementando la conduttività del catolita (Rozendal et al., 2006). Quindi, visto che i protoni sono consumati nella reazione di riduzione al catodo, il ph di quella camera aumenta e le prestazioni della MFC diminuiscono (Rozendal et al., 2006); lo stesso principio funziona con altri tipi di membrane (CEM), quali la membrana Ultrex, che ha una maggiore resistenza strutturale rispetto alla Nafion (Harnisch et al., 2008).

21 Figura 1.5. Overview delle tipologie di membrana e del principio di funzionamento: Membrana a Scambio di Cationi (CEM), Membrana a Scambio di Anioni (AEM), Membrana Bipolare (BPM) e Membrana Mosaico di Cariche (CMM). Il trasporto delle cariche è evidenziato con freccie rosse. (Rozendal et al., 2008) Rozendal et al. (2008), hanno confrontato il principio di funzionamento di diverse tipologie di membrane, osservando che per tutte vi era un aumento del ph al catodo; inoltre, nel caso di una membrana a scambio anionico (AEM) e di una membrana bipolare (BPM), si è confermato il trasporto di cationi e/o anioni. La AEM è invece in grado di prevenire maggiormente il gradiente di ph attraverso la membrana rispetto alla CEM, come conseguenza delle proprietà di trasporto di elettroni (Rozendal et al., 2008); inoltre risulta per essa una potenza prodotta ed una efficienza coulombica maggiore rispetto ai valori ottenibili con una membrana CEM comunemente usata (Nafion e Ultrex) (Kim et al., 2007). Le tipologie di MFC Attraverso gli anni sono stati sviluppati dei nuovi schemi per le celle MFC. Questo ha aiutato considerevolmente ad incrementare la potenza prodotta, migliorando il funzionamento del reattore e/o diminuendo il suo costo. Anche se i componenti della MFC influenzano le performance delle celle e la sua stabilità, il design riveste un ruolo chiave e quindi, per migliorare le condizioni operative per una conversione anche più efficiente del combustibile, ed in ultimo in previsione di una implementazione industriale. (Aelterman, P. (2009)) Le funzioni principali di un reattore MFC è provvedere un compartimento anossico per l anodo, un compartimento ossigenato per il catodo e di ospitare intercapedine per gli elettrodi. Inoltre, il reattore dovrebbe garantire un ottimo flusso idraulico per minimizzare le perdite per trasferimento di massa e per limitare effettivamente le perdite ohmiche riducendo la distanza tra gli elettrodi. (Cheng et al., 2006b). Nell interpretazione più generale delle Microbial Fuel Cells, si distinguono due configurazioni fondamentali: (Rabaey, K. (2005)) MFC con trasferimento diretto di elettroni (Figura 1.6A) MFC con trasporto mediato di elettroni. (Figura 1.6B).

22 Figura 1.6. Due configurazioni di una MFC. A) MFC con trasferimento diretto di elettroni. B) MFC con trasporto mediato di elettroni (Rabaey et al. 2005) Dal punto di vista dell applicazione finale della MFC, esse possono essere classificati in reattori di ricerca o reattori di scale-up: Reattori di ricerca: Il design più semplice ed utilizzato consiste in una MFC a doppia camera costruita in una tradizionale forma di H. Questo è formato tipicamente da due bottiglie che vengono collegate con un tubo circolare dentro il quale viene inserita una membrana o un ponte salino (Zhang et al. 2009) (Figure 1.7a,b). L elemento chiave di questo tipo di configurazione è la scelta della membrana che permette ai protoni il passaggio tra le due camere, ma non il passaggio, né del substrato, né dell accettore di elettroni alla camera catodica. Un modo economico per unire le bottiglie è quello di utilizzare un tubo di vetro che viene riscaldato e piegato in forma di U, riempito con agar e sale (Per sostituire la funzione della membrana a scambio cationico), e inserito attraverso il coperchio di ogni bottiglia (Figura 1.7a) Una caratteristica inerente a questo sistema è che presenta svantaggi che limitano la generazione di potenza, per esempio la gran distanza tra gli elettrodi ed il basso rapporto tra le superficie membrana/anodo (Oh et al. 2004). Il principale vantaggio di questa tipologia è nel suo design adatto a sperimenti potenziostatici e che generalmente può essere sterilizzato in autoclave, permettendo lo studio di colture pure. Entrambe le camere possono essere gorgogliate con gas, ad esempio l'anodo con azoto per mantenere condizioni anaerobiche ed il catodo con aria.

23 Figura 1.7. Tipologie di MFCs utilizzate in ricerca. A) Sistema contenente un ponte salino (Zhang et al. 2009). B) Due camere tipo-h, entrambe le camere possono essere gorgoliate con gas C) MFC tipo quattro batch, dove le celle rimangono separate da una membrana e tenute insieme da un sistema di vite. Reattori scalabili: L applicazione industriale è lo scopo finale della tecnologia delle MFC al fine di ottenere un reattore competitivo ed economico che lavori continuamente in una scala di metri cubi. Alcuni design sono stati proposti e successivamente testati per spianare la strada per lo scale-up. Figura 1.8. Tre diversi design di configurazione MFC potenzialmente scalabile (Rabaey K. 2005): (a)forma tubolare con membrana inclinata (Zuo et al., 2007) ed assemblaggio rettangolare di varie MFC accoppiate (b,c) (Logan et al. 2006(b)).

24 Una delle variazioni presenti in questi sistemi consiste ad esempio, nel progettarlo come un reattore upflow a letto fisso, nel quale il fluido scorre continuamente attraverso anodi porosi verso la membrana che separa l anodo dalla camera catodica. Per incrementare la tensione complessiva del sistema, le MFCs possono essere impilate per formare piatti piani o collegate in serie. (Logan et al. 2006(b)) Rabaey K. (2005) ha sviluppato un sistema di reattore tubolare nel cui l anodo, in forma di letto granulare, è stato successivamente aggirato da una membrana e da un feltro catodico. Il sistema continuamente alimentato ha generato una potenza massima fino ai 48 W/m 3, ma è necessario ricercare ulteriori materiali per la membrana, vista la sua importanza. Zhen et al. (2005) hanno proposto un sistema di forma cilindrica in cui il catodo veniva messo sopra l anodo, ma la potenza ottenuta è notevolmente ridotta a causa della formazione di metano. Proseguendo con la linea delle forme tubolari, Zuo et al. (2007) hanno presentato un sistema scalabile adatto per bioreattori esistenti. Con l attuazione di un montaggio tubolare della membrana al catodo, insieme a spazzole di grafite come anodo, la potenza potrebbe essere generata da molti reattori rettangolari. L applicazione di design sovrapposti, consistenti in strutture adiacenti, hanno incrementato la performance di un fattore di 5, rispetto ai design rettangolari precedentemente utilizzati (Rabaey K. 2005). Liu et al.(2008) hanno alternato la configurazione impilata con il cosiddetto deflettore a singola camera, in cui i deflettori permettono la buona miscelazione del substrato. Questo nuovo design con una superficie di contatto degli elettrodi di 10 volte maggiore, riesce a produrre una potenza 4 volte maggiore da quella ottenuta con la configurazione normale. Sediment MFC : Inserendo un elettrodo nei sedimenti marini ricchi di materiale organico e solfuro, e l altro elettrodo nell acqua ossigenata sovrastante; l elettricità può essere generata a livelli sufficienti per alimentare alcuni dispositivi marini (Lin et al. 2005). I protoni condotti dall acqua di mare possono produrre una densità di potenza pari a 28 mw/m 2. Possono essere usati come elettrodi dei dischi di grafite o elettrodi in rete di platino (Rezaei et. al 2007). Catodi tipo Bottle brush usati per le celle in acqua di mare, possono essere considerati come delle scelte più promettenti a lungo termine per sistemi incustoditi, visto che questi elettrodi forniscono elevata area superficiale e sono realizzati con materiale non corrosivo (Roling et al., 2001). I sedimenti sono stati anche inseriti nei sistemi a due camere con configurazione di tubo ad H, per consentire indagini della comunità batterica (Logan et al., 2006(a)). Nel presente elaborato si sono usate delle configurazioni a doppia camera, considerando i sistemi batch per una cella di piccole dimensioni (volume di ciascuna camera pari a 12 ml) e le modalità fed-batch per un sistema in scala che utilizza delle bottiglie come sistema di alimentazione.

25 Figura 1.9. A sinistra, cella di piccole dimensione in modalità batch. A destra, scale-up della cella con ricircolo dell alimentazione alle camere catodica e anodica. Sistema accoppiato ad una pompa peristaltica che si serve delle bottiglie come contenitori di alimentazione e ricircolo Applicazioni delle MFCs Anche se sono stati riportati rilevanti avanzamenti nella generazione di elettricità tramite le MFC, è importante riconoscere che la potenza prodotta con questi sistemi è ancora molto bassa; questo è dovuto principalmente ad una velocità di estrazione degli elettroni molto ridotta. (Tender et al., 2002). Un modo possibile di risolvere questo problema consisterebbe nell immagazzinare l elettricità in dispositivi ricaricabili, e dopo distribuirla agli utenti finali. Alcuni autori hanno usato capacitori in robotica per l accumulo dell energia generata in una MFC e lavorare di forma pulsata. (Ieropoulos et al., 2007). Le MFCs sono specialmente adatti nell alimentazione di piccoli sistemi telemetrici e sensori wireless che hanno basse richieste energetiche per trasmettere i segnali, quali la temperatura ai ricevitori in postazioni remote. Le stesse MFCs possono servire come sistemi di distribuzione di potenza per usi locali, specialmente nelle regioni sottosviluppate del mondo. Le MFCs sono viste da alcuni ricercatori come perfette candidate per il rifornimento energetico per robor chiamati Gastrorobots che si auto-alimentano dalla biomassa di scarto (Wilkinson, 2000). I robot autonomi energeticamente realistici potrebbero essere dotati di MFCs che utilizzano diversi combustibili come zuccheri, frutti, insetti morti, erba e piante infestanti. La biomassa localmente fornita può anche essere impiegata per provvedere energia di consumo locale. Si considerano, per esempio, applicazioni delle MFCs in una navicella spaziale perché è in grado di generare energia elettrica mentre degrada rifiuti generati a bordo. Alcuni scienziati immaginano che in futuro una MFC in miniatura possa essere impiantata nel corpo umano per l utilizzo di un dispositivo medico impiantabile con in nutrienti forniti dal corpo stesso. Altre applicazioni apprezzabili delle MFC coinvolgono la produzione di idrogeno al posto di elettricità, il trattamento delle acque reflue e di scarico. Uno degli argomenti che interessa nel presente elaborato è appunto la produzione di energia a partire di acqua di mare essendo questa

26 una fonte di elevata disponibilità e ricca in componenti organici che possono essere accuratamente biodegradati. La quantità di energia generata da una MFC in un processo di trattamento delle acque reflue può dimezzare l elettricità necessaria in un processo di trattamento convenzionale di fanghi attivi aerati, che consuma una gran quantità di potenza elettrica. Inoltre, molecole organiche come acetato, butirrato e propinato, possono essere accuratamente scomposte in CO 2 ed acqua, favorendo la crescita di microorganismi bioelettrochemicamente attivi durante il trattamento e conferendo così al processo un elevata stabilità.

27 Capitolo 2 2. Aspetti microbiologici delle MFC La produzione microbiologica di energia elettrica può avere un ruolo di prima importanza perché offre la possibilità di estrarre corrente da una vasta gamma di complessi rifiuti organici e biomasse rinnovabili. Tuttavia la limitazione per un diffuso utilizzo delle celle a combustibile microbiche è data dalla troppo bassa densità di potenza che questi sistemi forniscono nella maggior parte delle applicazioni (Lovley, D. R., 2006 (b)) La maggior parte degli sforzi per ottimizzare la potenza ottenuta dalle celle a combustibile microbiche si è concentrata sulla variazione del design al fine di garantire al flusso di elettroni e protoni (Si veda il capitolo 3) di superare più agevolmente le barriere elettrochimiche mediante l aumento dell area superficiale e la reattività all anodo e al catodo. La parte di letteratura che analizza ciò, è abbastanza ampia, pur essendo la maggior parte dei processi microbiologici che hanno luogo nelle MFCs non ancora ben definiti. Oltre a ulteriori ricerche nel campo dell ingegneria elettrochimica, una migliore comprensione della fisiologia e dell interazione dei microorganismi con superfici elettricamente conduttive, potrebbe essere più utile nell ottimizzare le prestazioni energetiche delle MFCs. L importanza di studiare gli aspetti microbiologici delle MFC si trova nel carattere versatile di essi e nel loro ruolo specifico che ciascun microorganismo rappresenta nelle prestazioni della cella a combustibile microbica. E fondamentale, inoltre, tenere conto delle condizioni necessarie allo sviluppo di una coltura o un determinato microorganismo, al fine di ottenere i risultati desiderati. Nel presente capitolo si mostra una panoramica delle tipologie di microorganismi che possono essere impiegati nelle MFCs, tenendo conto del loro metabolismo energetico, del meccanismo che essi usano per trasportare gli elettroni e delle limitazioni microbiche nelle prestazioni della MFC. 2.1 Microorganismi utilizzati nelle MFCs I microorganismi nelle MFC metabolizzano substrati organici all interno dei processi di respirazione e trasferiscono con meccanismi extracellulari gli elettroni prodotti verso la superficie dell elettrodo. L ossidazione della materia organica libera protoni ed elettroni, questi ultimi vengono trasportati all anodo e al catodo attraverso un circuito elettrico esterno. I protoni migrano verso il catodo e si combinano con gli elettroni e con un catolita recettore di essi, quale l ossigeno, che viene ridotto sulla superficie del catodo stesso. In questo modo, una corrente elettrica viene generata dal movimento di carica di forma similare a quella osservata nelle celle a combustibile chimiche, ma con i microorganismi che agiscono come generatori sulla superficie dell anodo.