Contributions towards practical application of microbial electrosynthesis

Resum

Los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera han crecido a lo largo del último siglo causando una alarma considerable en torno al cambio climático. A pesar de los esfuerzos en reducir este problema medioambiental global, se espera que su impacto se intensifique en los próximos años. Los sistemas bioelectroquímicos (BES), y la electrosíntesis microbiana (MES) en particular, pueden formar parte de la solución a este problema, ya que esta tecnología puede transformar el dióxido de carbono en compuestos orgánicos y combustibles. Sin embargo, la MES es una tecnología muy reciente y aún necesita resolver obstáculos tecnológicos y económicos antes de llegar a su aplicación práctica. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es dar los primeros pasos para trasladar la tecnología MES de la prueba de concepto a su implementación práctica, y para ello resolver algunos de los factores más importantes que están limitando su desarrollo más allá del laboratorio. El primer paso fue el desarrollo de una metodología para la selección de materiales para su uso como electrodos. Esta metodología puede ser especialmente interesante para el escalado de los BES ya que proporciona un método rápido y económico de caracterización. El resultado se fundamenta en la integración de la información obtenida del área electroactiva y la dimensión fractal de los materiales carbonosos. Otro punto problemático en MES es el proceso de arranque y cómo influye este en la comunidad microbiana que finalmente se desarrolla en un biocátodo acetogénico. Esta tesis explora la idoneidad de dos estrategias de arranque y dos inóculos diferentes, tratando de evaluar su impacto sobre la evolución de la comunidad microbiana y los productos generados. La estructura microbiológica que estaba finalmente presente en el electrodo fue muy dependiente de la comunidad original del inóculo. Además, se pudo probar que un biofilm muy especializado está ligado a una mejora en el funcionamiento en términos de corriente consumida y generación de productos. Para incrementar la productividad de un sistema MES acetogénico, también es importante mejorar la disponibilidad que el biofilm tiene del sustrato. El planteamiento utilizado en esta tesis es el de mejorar la disponibilidad de CO2 basada en la recirculación del gas de cabecera de la cámara catódica. El resultado de utilizar esta recirculación es una mejora en la producción de acético, mostrando un incremento del 44% en términos de tasa de producción en comparación con la situación de no recirculación, y mostrando unas eficiencias catódicas por encima del 80%. Uno de los factores clave que requiere ser explorado es la capacidad de adaptación de los sistemas MES frente a fluctuaciones en las condiciones de operación. Con este propósito, los sistemas MES fueron sometidos a cortes de suministro eléctrico de corta y larga duración con el objetivo de evaluar el impacto que generan sobre el funcionamiento de la celda y la dinámica microbiológica. El reactor mostró ser robusto frente a interrupciones de corta duración. A pesar de que la concentración de ácido acético decayó durante un breve periodo de tiempo, el sistema se recuperó totalmente llegando a producciones similares a las mostradas antes de estos cortes. Además, un reactor MES acetogénico estable pudo recuperar su electroactividad en dos días tras un largo corte de suministro eléctrico. Sin embargo, este corte de energía eléctrica afectó drásticamente a los productos finales tras la reconexión.