Use of fermentative hydrogen production byproducts to generate energy in a microbial fuel cell

O biohidrogênio, obtido a partir da fermentação de carboidratos, surge como alternativa aos combustíveis derivados de petróleo. O hidrogênio possui elevada densidade energética (141,9 J/kg) e a sua queima não emite carbono na atmosfera. Além disso, tecnologias modernas como as Células a Combustível Microbianas (CCM) estão sendo desenvolvidas para produção de energia elétrica a partir de matérias primas renováveis. O funcionamento dessas células envolve algumas reações, entre elas a oxidação dos compostos orgânicos, catalisada por microrganismos. Desse modo, o objetivo deste trabalho foi combinar duas formas de obtenção de energia renovável: a produção fermentativa de hidrogênio por uma cepa de Clostridium beijerinckii Br21 e o aproveitamento dos subprodutos dessa fermentação na geração de energia elétrica, através de uma CCM com um consórcio de microrganismos. Foi realizado um estudo de diferentes composições de meio de cultura para a produção fermentativa de H2 pelo C. beijerinckii Br21 visando aumentar a concentração de ácidos orgânicos a partir da glicose. Como principais subprodutos da fermentação foram detectados os ácidos lático, acético e butírico nas concentrações de 0,26, 0,30 e 2,90 g/L, respectivamente. Desse modo, uma CCM, na qual uma cultura mista de microrganismos cresceu no bioânodo foi alimentada com estes ácidos orgânicos separadamente (cerca de 1 g/L) e, posteriormente, com o efluente da produção de H2 para geração de energia elétrica. Em 7 dias de operação da CCM, a densidade de potência média se estabilizou em 1,2, 0,50, 0,62, 0,73 e 0,60 W/m2 nas CCMs alimentadas com os ácidos acético, butírico, lático, a mistura dos ácidos e com o efluente, respectivamente. Além disso, foi verificado por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR) que o ácido lático, o ácido butírico e o efluente da fermentação promoveram maior crescimento do biofilme. Entretanto, na CCM alimentada com ácido acético, a qual teve o menor crescimento do biofilme, foi obtida a maior densidade de potência (1,2 W/m2). Portanto, nota-se que é possível combinar processos para aproveitar a energia contida em subprodutos da fermentação de H2 para gerar outro tipo de energia: a energia elétrica em uma célula a combustível microbiana. Desta forma as matérias primas renováveis podem ser aproveitadas de forma integral.Biohydrogen obtained from carbohydrate fermentation constitutes an alternative to fuel oil derivatives. Hydrogen has high energy density (141.9 J/kg), and its burning does not release carbon into the atmosphere. Moreover, modern technologies such as Microbial Fuel Cells (MFCs) are being developed to produce electric energy from renewable raw materials. These cells operate through reactions, like organic compound oxidation, catalyzed by microorganisms. This study has combined two ways of obtaining renewable energy: fermentative hydrogen production by Clostridium beijerinckii Br21 strain and use of fermentation byproducts in electric energy production by a MFC associated with a microorganism consortium. Different culture medium compositions were evaluated for fermentative hydrogen production by C. beijerinckii Br21 in an attempt to increase the concentration of organic acids originating from glucose. The main fermentation byproducts were lactic, acetic, and butyric acids at concentrations of 0.26, 0.30, and 2.90 g/L, respectively. The MFC containing a mixture of microorganisms grown on the bioanode was fed with these organic acids separately (approximately 1 g/L) and subsequently fed with effluent from hydrogen production to generate electric energy. On day 7 of MFC operation, the average power density stabilized at 1.2, 0.50, 0.62, 0.73, and 0.60 W/m2 in MFCs fed with acetic acid, butyric acid, lactic acid, a mixture of the acids, and the effluent, respectively. Scanning Electron Microscopy (SEM) and quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR) revealed that lactic acid, butyric acid, and fermentation effluent promoted higher biofilm growth. However, the MFC fed with acetic acid provided the lowest biofilm growth and the highest power density (1.2 W/m2). Therefore, it is possible to combine processes to take advantage of the energy contained in hydrogen fermentation byproducts to generate another type of energy: electric energy in a microbial fuel cell. In this way, entire renewable raw materials can be used