Microbial Fuel Cells for autonomous systems : kinetics and technological advances in wastewater treatment and sensor applications

Doctoral dissertation for PhD degree in Chemical and Biological EngineeringMicrobial Fuel Cell (MFC) technology is a novel approach for the production of bioelectricity. In MFC, electroactive bacteria oxidize organic matter and have the particularity to transfer the electrons, directly to external electron acceptors producing electricity. Geobacter species are one of the most effective microorganisms known to use electrodes as the sole electron acceptor. In that regard, the present work was focused on the study of the parameters which influence the bacterial electron transfer process to electrodes and on the advancement of wastewater valorization and monitoring technologies based on the MFC concept. The electrochemical behavior of Geobacter sulfurreducens in different stages of the biofilm formation in MFC anodes was assessed by cyclic voltammetry in a three-electrode glass cells with two compartments separated by an ion exchange membrane at room temperature and 35 ºC. Cyclic voltammograms showed that the presence of G. sulfurreducens biofilm results in an increase of current intensities between - 0.5 V and 0.89 V vs. SCE with three well defined oxidation peaks at 0.16 V, 0.6 V and 0.8 V vs. SCE respectively. In mature biofilm the current intensity were higher. The current intensities for both cases were dependent on operating temperature (≈ 22 °C and 35ºC). In every stage of the biofilm formation, the oxidation reaction rate, for the peaks presenting higher current intensities, was limited by the diffusion step with one electron at a time transferred. Besides, the influence of the growth temperature in the induction of pili production and consequence on the expression of the outer membrane proteins of G. sulfurreducens and its effect on the electrochemical behavior as evaluated. Proteins from G. sulfurreducens, cultured at 25 ºC and 37 ºC, were analysed by two-dimensional gel electrophoresis. The results obtained at both temperatures showed that 13 proteins were differentially expressed. The identified proteins were related to membrane permeability, structural integrity, protein’s synthesis and energy generation. From the identified proteins, only the LamB porin family was overexpressed at 37 ºC. Cyclic voltammetry was used to compare the electrochemical behaviour of G. sulfurreducens grown at both temperatures. The results showed a dependency of the electrochemical behaviour of the bacteria, on its growth temperature. Three well-defined oxidation peaks were observed at 0 V, 0.69 V and 0.82 V vs. SCE in voltammograms of bacteria grown at 25 ºC while only two peaks were observed at 37 ºC at 0.08 V and 0.74 V vs. SCE. The oxidation processes characteristic of G. sulfurreducens grown at 25 ºC presented a mixed kinetic control and showed an irreversible behaviour in most sweep rates. At 37 ºC, two distinct irreversible processes were observed, one controlled by diffusion and another by adsorption. A filter-press MFC was adapted for testing electricity production and wastewater treatment. The cell, with 64 cm2 of electrode area (carbon Toray) and 1 cm3 of electrolyte volume, was operated with domestic wastewater in a batch mode (load 622 ± 10 mgL-1 COD) with recirculation in the anodic chamber. In the cathode compartment phosphate buffer with hexacyanoferrate was used. The results showed that the maximum current density increased to 823 Wm-3, resulting in a carbon removal of 84 %. Interruptions in the supply of fresh wastewater slightly decreased power density, while the increase/decrease of the recirculation flow rate did not influence power generation. Finally, a sensor based on the MFC principle was tested for online and in-situ monitoring of Biodegradable Oxygen demand (BOD), a well-known parameter in environmental monitoring in natural waters and wastewater treatment processes. A stable current density of 282 ± 23 mAm-2 was obtained with a wastewater containing a BOD5 of 317 ± 15 mgL-1 O2 at 22 ± 2 °C, 1.53 ± 0.04 mScm-1 and pH 6.9 ± 0.1. The current density showed a linear relationship with BOD5 concentration ranging from 17 ± 0.5 mgL-1 O2 to 78 ± 7.6 mgL-1 O2. The current generation from the BOD biosensor was dependent on the measurement conditions such as temperature, conductivity, and pH. These results provide precise knowledge for the development of a biosensor for real-time in situ monitoring of environmental quality.A Tecnologia de Células de Combustível Microbianas (MFC) é uma nova abordagem para a produção de bioeletricidade. Em MFC, as bactérias eletroativas oxidam matéria orgânica transferindo eletrões diretamente para aceitadores de eletrões externos, produzindo eletricidade. Espécies do género Geobacter são conhecidas pela capacidade de usar elétrodos como único aceitador final de eletrões. Neste sentido, o presente trabalho foi focado no estudo dos parâmetros que influenciam a transferência de eletrões de bactérias para elétrodos e nos avanços das tecnologias de valorização de águas residuais e de monitorização baseadas no conceito de MFC. O comportamento eletroquímico de Geobacter sulfurreducens em diferentes fases da formação de biofilme em ânodos de MFC foi avaliado por voltametria cíclica em célula eletroquímica de vidro com três elétrodos e dois compartimentos separados por uma membrana de troca iónica, à temperatura ambiente (≈ 25 °C) e a 35 °C. Os voltamogramas cíclicos na presença de biofilme de G. sulfurreducens mostraram um aumento da intensidade de corrente entre – 0.5 V e 0.89 V vs. SCE, com três picos de oxidação bem definidos a 0.16 V, 0.6 V e 0.8 V vs. SCE, respectivamente. No biofilme maduro as intensidades da corrente foram maiores. As intensidades de corrente para os dois casos eram dependentes da temperatura de funcionamento da MFC (≈ 25 °C e a 35 °C). Em cada fase da formação de biofilme, a etapa limitante da reação de oxidação, para os picos que apresentam mais elevadas intensidades de corrente, foi a difusão, sendo que um eletrão de cada vez foi transferido nesta reação. Além disso, foi avaliada a influência da temperatura de crescimento na indução da formação de pili e na expressão das proteínas da membrana externa de G. sulfurreducens e por conseguinte foi observado o consequente efeito no comportamento eletroquímico. Proteínas de G. sulfurreducens, cultivadas a 25 ºC e 37 ºC, foram analisadas em géis de eletroforese bidimensional. Os resultados obtidos em ambas as temperaturas mostraram que 13 proteínas foram expressas diferencialmente. As proteínas identificadas foram relacionadas com a permeabilidade da membrana, a sua integridade estrutural, a síntese proteica e geração de energia. A partir das proteínas identificadas, só a família LamB porin foi superexpressa a 37 ºC. A voltametria cíclica foi usada para comparar o comportamento eletroquímico de G. sulfurreducens cultivada em ambas as temperaturas. Os resultados mostraram que o comportamento eletroquímico das bactérias dependeu da sua temperatura de crescimento. Três picos bem definidos foram observados em 0 V, 0.69 V e 0.82 V vs. SCE em voltamogramas de bactérias cultivadas a 25 ºC, enquanto apenas dois picos foram observados a 37 ºC a 0.08 V e 0.74 V vs. SCE. O processo de oxidação de G. sulfurreducens aumentou a 25 ºC, apresentou um controle misto da cinética e mostrou um comportamento irreversível na maioria das velocidades de varrimento. A 37 ºC, foram observados dois processos irreversíveis distintos, um controlado por difusão e outro por adsorção. Uma MFC filter-press foi adaptada para testar a produção de eletricidade e tratamento de águas residuais. A célula, com 64 cm2 de área do elétrodo (carbono Toray) e 1 cm3 de volume de eletrólito, foi operada com água residual doméstica em recirculação na câmara anódica num modo batch (carga 622 ± 10 mgL-1 CQO). No compartimento do cátodo foi usado tampão fosfato com hexacianoferrato. Os resultados mostraram que a densidade de corrente instantânea aumentou para 407 Wm-3, resultando numa remoção de 84 % do carbono. Interrupções no fornecimento de água residual fresca diminuiu ligeiramente a densidade de potência, enquanto o aumento/diminuição do caudal de recirculação não influenciou a produção de energia. Finalmente, um sensor com base no princípio de MFC foi testado para a monitorização in situ da carência bioquímica de oxigénio (CBO), um parâmetro bem conhecido na monitorização ambiental em águas naturais e processos de tratamento de águas residuais. Densidades de corrente estáveis (282 ± 23 mAm-2) foram obtidas com uma água residual contendo CBO5 de 317 ± 15 mgL-1 O2 a 22 ± 2 °C, 1.53 ± 0.04 mScm-1 e pH 6.9 ± 0.1. A densidade de corrente mostrou uma relação linear para concentrações de CBO5 variando de 17 ± 0.5 mgL-1 O2 para 78 ± 7.6 mgL-1 O2. A corrente eléctrica gerada é dependente das condições de medição, tais como temperatura, pH e condutividade. Estes resultados forneceram conhecimento preciso para o desenvolvimento de um biossensor para controlo em tempo real e in situ da qualidade ambiental