RCGI V31 N63

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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA. Vol. 31 NÚM. 63. PP. 32 – 35 OCT. 2016 ISSN 0185-6294 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL PROCESO DE REDUCCIÓN DE UN SULFATO EN UN REACTOR UASB Margarita Isabel Pérez Díaz, Luis Antonio Bermeo Fernandez, Claudia Guerrero Barajas. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Instituto Politécnico Nacional; Av. Acueducto de Guadalupe S/N, Del. Gustavo A. Madero, Col. Barrio la Laguna Ticomán, 07340, Ciudad de México. Autor de contacto: mperez2809@gmail.com Recibido: 30/agosto/2016 Aceptado: 29/septiembre/2016 Publicado: 19/octubre/2016 RESUMEN El estudio de nuevas tecnologías para la generación de energía a partir de materia orgánica es una opción interesante para la producción sustentable de energía a partir del tratamiento de residuos orgánicos o aguas residuales. Por tal motivo, en el presente trabajo se realizó el estudio de la generación de energía eléctrica a partir del proceso de sulfato reducción de un reactor UASB con configuración de celda inoculado con sedimento marino y un lodo sulfurogénico utilizando como afluente un agua residual artificial. El proceso de degradación anaerobia de la materia orgánica en este sistema, estuvo regido por el proceso de sulfato reducción, en el cual las BSR utilizaron el SO 4 2- como aceptor de electrones. La remoción de materia orgánica fue del 5.68%, lo cual indica que la remoción de la matería orgánica del ARS se debió al proceso de SR. Así mismo, Al cierre del circuito con una resistencia de 6000 Ω, se observó una disminución del H 2S, lo que sugiere la utilización de éste compuesto como el mecanismo para la transferencia de electrones de los microorganismos al ánodo. Palabras clave: Bacterias sulfato reductoras; Celda de combustible microbiana; Reactor UASB The study of new technologies for generating energy from organic matter is an interesting option for sustainable energy production from organic waste treatment or waste water. Therefore, in this paper the study of power generation was made from sulfate reduction process of a UASB reactor with cell configuration inoculated with marine sediment and mud sulfurogénico used as an artificial influent wastewater. The anaerobic degradation process of organic matter in this system was governed by the sulfate reduction process, in which the BSR SO 4 2- used as electron acceptor. The removal of organic matter was 5.68%, indicating that the removal of organic matter was due to ARS SR process. Also, the close circuit with a resistance of 6000 Ω, a decrease of H 2 S was observed, suggesting the use of this compound as the mechanism for electron transfer to the anode of microorganisms. Keywords: sulfate-reducing bacteria; Microbial fuel cell; UASB reactor INTRODUCCIÓN La sulfato-reducción (SR) es un proceso biológico anaerobio que realizan las bacterias sulfato reductoras (BSR) para la obtención de energía para su crecimiento y mantenimiento. En este proceso, las BSR utilizan un amplio rango de sustratos (ácidos grasos volátiles, azucares o alcoholes) como donadores de electrones y reducen el sulfato (SO 2- 4) o el azufre elemental (S 0 ) hasta sulfuro de hidrógeno (H 2 S) (1) . En la actualidad, el proceso de SR se ha utilizado en diversas aplicaciones de la biotecnología ambiental como en la precipitación y remoción de metales pesados y la remoción de materia orgánica en aguas residuales. Recientemente, diversas investigaciones mencionan que la SR se puede utilizar como mecanismo para la generación de energía eléctrica en las celdas de combustible microbianas (MFC por sus siglas en inglés), las cuales son dispositivos que convierten la energía química almacenada en los compuestos orgánicos a energía eléctrica a través de las reacciones catalíticas de los microorganismos bajo condiciones anaerobias (2) . Una MFC típica consta de una cámara anaerobia y una aerobia donde son colocados, el ánodo y el cátodo respectivamente, y en algunas ocasiones las cámaras se encuentran separadas por una membrana de intercambio de protones (MIP) o un puente salino. En la cámara anaerobia, los microorganismos oxidan la materia orgánica generando electrones y protones, así como CO 2 como producto de la oxidación. Sin embargo, los microorganismos no transfieren directamente los electrones producidos hacia un aceptor de electrones natural, sino que en su lugar los transfieren al ánodo, el cual los absorbe y los transporta a través de un circuito externo hacia el cátodo. Por su parte, los protones cruzan la MIP o el puente salino y pasan a la cámara aerobia donde se combinan con oxígeno para formar agua (2) . De esta manera se genera una diferencia de potencial entre la cámara anaerobia y la cámara aerobia, las cuales son la base de una MFC, produciendo así una corriente eléctrica. Por su parte, la transferencia de electrones de los microorganismos al ánodo puede hacerse mediante productos metabólicos reducidos electroquímicamente activos, como el el H 2 S el cual es un producto reducido que reacciona fácilmente con los electrodos. T E C N O L Ó G I C O N A C I O N A L D E M É X I C O . I. T. M É R I D A
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DEL PROCESO DE REDUCCIÓN DE UN SULFATO EN UN REACTOR UASB Estudios realizados por Reimers et al. (3) y Tender et al. (4) reportaron la generación de energía eléctrica en una MFC a partir de sedimentos marinos, en la cual, compuestos naturales reducidos como el S 0 /H2S, Fe (II)/Fe (III) o ácidos húmicos, se mencionaron como posibles mediadores que facilitaron la transferencia de electrones de las células hacia el ánodo. Por otra parte, diferentes tipos de biorreactores se han empleado en el tratamiento anaerobio de aguas residuales, en donde el reactor anaerobio de lecho de lodo granular de flujo ascendente (UASB, upflow anaerobic sludge blanket, por sus siglas en inglés) ha sido uno de los más utilizados para la eliminación o conversión de materia orgánica y el proceso de SR, debido a que ofrece un óptimo tiempo de retención hidráulica, lo que permite que el tratamiento se lleve a cabo más rápido en comparación con los otros tipos de reactores (5) . Debido a lo anterior, el estudio de nuevas tecnologías para la generación de energía a partir de materia orgánica es una opción interesante para la producción sustentable de energía a partir del tratamiento de residuos orgánicos o aguas residuales. Por tal motivo, en el presente trabajo se realizó el estudio de la generación de energía eléctrica a partir del proceso de sulfato reducción de un reactor UASB con configuración de celda inoculado con sedimento marino y un lodo sulfurogénico utilizando como afluente un agua residual artificial. MATERIAL Y MÉTODOS Se utilizó un cultivo mixto a partir de una mezcla de 200 g de sedimento marino y 100 g de lodo sulfurogénico, los cuales fueron equivalentes a 0.017g de solidos suspendidos volátiles (SSV)/ g sedimento húmedo (3.78 g SSV en total). La fuente de sustrato fue agua residual sintética (ARS) donde se utilizó una mezcla de AGV (acetato, propionato y butirato) como donadores de electrones a una concentración final de 2.01 g DQO/L (proporción 2.5:1:1 como DQO, respectivamente). Así también, se adiciono sulfato, como aceptor de electrones, en forma de sulfato de sodio (NaSO4) al medio a una concentración de 3 g/L. El inoculo tuvo un periodo de adaptación en una botella hermética (1L) y un periodo de activación en un reactor UASB (1L) de vidrio en condiciones de sustrato, sulfato, temperatura ambiente y recirculación. Posteriormente a estas dos etapas, el inóculo y el ánodo se depositaron en la parte anaerobia de un reactor UASB con configuración de celda, y en la parte aerobia se colocó el cátodo sumergido en medio acuoso. Ambas cámaras estuvieron unidas mediante un puente salino y los electrodos mediante un circuito de cobre. Los potenciales teóricos del ánodo y del cátodo se calcularon utilizando la ecuación de Nernst (ecuación 1) con los respectivos potenciales estándar (E 0 ) de las reacciones de oxidación por cada sustrato, y el potencial teórico total de la celda (E emf ) se calculó con la ecuación 2. Ecuación 1 Ecuación 2 E = E 0 − RT ln (Productosp nF Reactivos R ) E emf = E cátodo − E ánodo En la celda se utilizó una resistencia de 6 KΩ y se realizaron mediciones a voltaje a circuito abierto (V ocp ), corriente (I) y potencia (P) utilizando un multímetro (Fluke® modelo 289). Para la determinación de sulfuro en el líquido se utilizó el método azul de metileno (Trüper, 1964). La concentración de sulfato se cuantificó usando el método turbidimétrico reportado en la Norma Mexicana NMXAA- 074-1981. Para realizar la determinación de demanda química de oxígeno (DQO) en el efluente, se utilizaron viales de digestión del kit comercial HACH (rango 200- 15,000 mg/L DQO). RESULTADOS Y DISCUSIÓN La fuerza electromotriz o el potencial teórico en la celda calculado se presenta en el cuadro 1. Cuadro 1. Potenciales teóricos de la celda, calculados con base en las reacciones en los electrodos Diferencia de potencial E cátodo -E ánodo E emf (V) E cátodo1 -E ánodo1 0.713 E cátodo1 -E ánodo2 0.608 E cátodo1 -E ánodo3 0.684 E cátodo1 -E ánodo4 0.869 Cátodo 1: Oxígeno/agua Ánodo 1: sulfato/acetato Anodo 2: sulfato/propionado Anodo 3: sulfato/butirato Anodo 4: sulfato/sulfuro El rector celda se operó bajo condiciones de sulfato, sustratos, recirculación y temperatura ambiente. La instalación del reactor UASB-celda se puede observar en la figura 1. En el reactor-celda se realizaron tres cultivos consecutivos en lote en donde se pudo obtener una remoción eficiente de la materia orgánica y una reducción del SO 4 2- de más del 50 % en todos los cultivos, como se puede apreciar en el cuadro 2. Figura.1. Esquema del bioreactor celda desarrollado en el laboratorio para la remoción de materia orgánica. A) Diagrama de biorreactor UASB-MFC; B) Foto del biorreactor UASB-MFC implementado en el laboratorio. 1) Bomba peristáltica; 2) Toma de muestra; 3) Parte anaerobia del biorreactor UASB- MFC; 4) Ánodo; 5) Multímetro; 6) Circuito de cobre; 7) Parte aerobia del bioreactor UASB-MFC; 8) Cátodo; 9) Puente salino REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN. INSTITUTO TECNOLÓGICO MÉRIDA Vol. 31 NÚM. 63 33
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