albert guisasola (uab) - sistemes bioelectroquÍmics, un lÍnia de recerca per a pensar

sistemes bioelectroquímics,

un línia de recerca per a pensar

albert guisasola i canudas 13 juliol 2012

la fi dels combustibles fòssils

• el consum de combustibles fòssils té vessants negatives

– l'escalfament global,

– l'escassetat del cru i la seva distribució desigual en el món

– el preu del cru està subjecte a grans fluctuacions impredictibles

• es preveu que la producció de petroli es compliqui

– l'esgotament de les reserves de petroli de fàcil extracció,

– el ràpid augment de la demanda dels nous països industrialitzats

– la falta d'inversió en el desenvolupament de noves produccions.

Sistemes bioelectroquímics. UAB. Albert Guisasola i Canudas 13/07/2012

l’inici de les energies renovables

• Les energies renovables són aposta estratègica de futur

– són netes, es restitueixen gratuïtament i, poden ser part de la solució al problema energètic actual.

– en el 1997 (protocol de Kyoto) més de 160 països es comprometien a reduir les seves emissions en un 5% respecte els valors de 1990 abans del 2012.

– La comunitat europea el 2007, es va comprometre a un 20% d’utilització d’energies renovables per al 2020.

• A Catalunya el consum total d’energies renovables és relativament baix

– El Pla de l’Energia a Catalunya 2005-2015 proposa estratègies i accions per tal que la participació de les energies renovables en el balanç d’energia primària passi del 3,6% de l’any 2003 a l’11,0% de l’any 2015.


les aigües residuals

• D’energies renovables n’hi ha moltes (solar, eòlica, hidràulica) ... però una de les menys desenvolupades i, per tant, amb un marge

de millora més important és la valorització energètica dels nostres

residus

– tractar eficientment els residus generats i obtenint energia sostenible a partir de fonts renovables.

• A Catalunya produïm diàriament al voltant de 2 milions de m3

d’aigua residual amb una concentració d’uns 0.35 g/L de matèria

biodegradable.

– Això significa gairebé 700 tones diàries de matèria orgànica que no tan sols

es desaprofita sinó que, a més a més, hem de tractar.


pensar

sistemes bioelectroquímics, un línia de recerca per a pensar


pensar

sistemes bioelectroquímics, un línia de recerca per a pensar

produir energia sostenible a partir d’aigües residuals

demostrar la viabilitat de diverses estratègies d’operacióinnovadores que optimitzin el funcionament d’aquests sistemes

bioelectroquímics per a convertir-los en una tecnologia fiable i,

sobretot, per a escurçar els terminis de la seva aplicacióindustrial.


organic matter

O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O

H2OO2

e-

e-

e-

e-

energy to

the cell

electron donor

electron acceptor

els bacteris exoelectrògens


organic matter

NO3- + 6H+ + 5e- -> 1/2N2+3H2O

N2NO3-

e-

e-

e-

e-

energy to

the cell

electron donor

electron acceptor



organic matter

SO42-+ 8H+ +8e- -> S2-+4H2O

S2-

SO42-

e-

e-

e-

e-

energy to

the cell

electron donor

electron acceptor



organic matter

C6H12O6

e-

e-

e-

e-

energy to

the cell

solid anode

electron donor

acceptor d’electrons

insoluble

Els bacteris exoelectrògens són bacteris

que tenen una característica que els fa

diferents a la resta: són capaços de transferir

electrons a l’exterior de la cèl·lula



CxHyOz

CO2 +H+

Microbial

oxidation

H2O

O2

Microbial

reduction

H+

Chemical

Reduction

H2O

O2

ΩΩ

Anode Cathode

e-

EANODE < E CATHODE

Proton Exchange Membrane (PEM)

MFC, cel·les microbianes de combustible


CxHyOz

CO2 +H+

Microbial

oxidation

H2O

O2

Microbial

reduction

H+

Chemical

Reduction

H2O

O2

ΩΩ

Anode Cathode

e-

EANODE < E CATHODE

MFC

Així doncs, el resultat final del procés és que es consumeix matèria orgànica i de manera simultània es produeix electricitat.


MFC


CxHyOz

CO2 +H+

Microbial

oxidation

H2O

O2

Microbial

reduction

H+

Chemical

Reduction

H2O

O2

ΩΩ

Anode Cathode

e-

EANODE < E CATHODE

MEC, cel·les electrolítiques microbianes


CxHyOz

CO2 +H+

Microbial

oxidation

H2O

O2

Microbial

reduction

H+

Chemical

Reduction

H2O

O2

ΩΩ

Anode Cathode

e-

EANODE < E CATHODE

MEC


MEC

CxHyOz

CO2 +H+

H2

H+

H2

H+

cathode

MEC

e-EANODO > E CATODO

Microbial

oxidation

Microbial

reduction

Chemical

Reduction

Anode


per què hidrogen?

• L'hidrogen gas pot ajudar a superar la dependència actual dels

combustibles fòssils

• ja que és un transportador d'energia net i renovable sense influència en l'efecte hivernacle durant el procés de generaciód'energia.

• l'hidrogen té un elevat calor de combustió (122 kJ/g) quan es compara amb altres possibles combustibles (metà, 50.1 kJ/g o etanol, 26.5 kJ/g).

• es pot produir des de diferents fonts naturals

• es pot esperar que tingui un preu amb poques fluctuacions en el futur.


MEC per a produir hidrogen

• Proporcionen energia en forma d'hidrogen gas. • Més sostenible que steam reforming a partir d'hidrocarburs• Més eficient que la fermentació fosca (màxim termodinàmic de 4 mol

H2/ mol de glucosa),

• Poca producció de sòlids

• Poden minimitzar la producció d'olors


MFC are devices that use bacteria as the catalyst to

oxidize organic and inorganic matter and generate

current

MEC are devices that use bacteria as the catalyst to

oxidize substrates and produce hydrogen with an

energy input in a sustainable way

MEC vs MFC

MFC MEC

Anode: CH3COO- + 4 H2O →2HCO3- + 9 H+ + 8e-

Cathode : 2 O2 + 8H+ + 8e- → 4H2OTotal : CH3COO- + 2 O2 →2HCO3

- + 1 H+

Anode: CH3COO- + 4 H2O →2HCO3- + 9 H+ + 8e-

Cathode : 8H+ + 8e- → 4H2

Total : CH3COO- + 4 H2O →2HCO3- + 1 H+ + 4H2

∆G = -847.60 kJ/mol, emf = 1.10 V ∆G = 93.14 kJ/mol, emf = -0.12 V


Oportunitats dels sistemes bioelectroquímics


MFC – Obtenir electricitat a partir de residus aquosos

Fer funcionar equips de baix consum elèctric

Aprofitar reaccions metabòliques d’oxidació

Biosensors

MXC – Obtenir productes de manera sostenible i més eficient

Altres oportunitats més trencadores

Microbial Solar Cells, Microbial Plant Cells

Preguntes ?

Gràcies per la vostra atenció


sistemes bioelectroquímics,

un línia de recerca per a pensar

albert guisasola i canudas 13 juliol 2012

albert guisasola (uab) - sistemes bioelectroquÍmics, un lÍnia de recerca per a pensar

Health & Medicine