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16°
TÍTULO: CONSTRUÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MICROBIANAS (MFC) EMPREGANDO-SE
SOLO COMO FONTE DE MICRORGANISMOS
CATEGORIA: CONCLUÍDO
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA
SUBÁREA: ENGENHARIAS
INSTITUIÇÃO: UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SANTOS
AUTOR(ES): BRUNO PASSARELO BRAZ PAIÃO
ORIENTADOR(ES): KÁTIA MARIA GOMES MACHADO, MARIA APARECIDA S ACCIOLY
1. RESUMO
Há muitos fatores que podem influenciar a operação e eficiência de um dispositivo
bioeletroquímico como as células de combustível microbianas (MFCs). A eficiência
das MFCs é resultante da associação entre a eletroquímica e a microbiologia. Estes
dispositivos podem ser otimizados pelo controle dos fatores físico-químicos e
biológicos que contribuem para o metabolismo dos microrganismos. O formato
estrutural também tem influência na eficiência das MFCs. Este projeto teve como
objetivo, avaliar a construção de células de combustível microbianas (MFCs)
utilizando microrganismos presentes naturalmente no solo e variando a concentração
da fonte de carbono.
2. INTRODUÇÃO
Conforme Allan & Benetto (1993) uma MFC é composta por dois reatores - Reator 1
e Reator 2 (Figura 1). No Reator 1, anaeróbico, o ânodo encontra-se inserido no
sistema de cultivo, contendo os nutrientes necessários para o crescimento dos
microrganismos. O Reator 2, aeróbico, abriga o cátodo, o qual encontra-se emergido
em uma solução de água e sal, submetida a aeração contínua, promovendo a redução
do oxigênio em água. Os compartimentos são conectados por uma membrana
seletiva, que possibilita que os íons liberados no compartimento anódico migrem para
o compartimento catódico.
Figura 1 Esquema geral de uma célula de combustível microbiana (MFC)
Fonte: SCHRODER, 2007 (Adaptado).
A oxidação da fonte de carbono no compartimento anódico, catalisada pelo
metabolismo dos microrganismos, libera elétrons que são transferidos para o ânodo,
e prótons que migram para o cátodo por meio da membrana trocadora de prótons.
Quando o ânodo e o cátodo são conectados externamente por um circuito, no
compartimento cátodico ocorre a redução do oxigênio à água, produzindo um fluxo de
elétrons, logo, gerando a corrente elétrica. Para uma MFC operando pela oxidação de
matéria orgânica são esperadas as reações químicas apresentadas abaixo
(RACHINSKI et al., 2010).
Compartimento anódico
Compartimento catódico
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
4H+ + O2 + 4e- → 2H2O
Fonte: RACHINSKI et al., 2010
3. OBJETIVOS
Este projeto teve como objetivo principal avaliar a construção de células de
combustível microbianas (MFCs) utilizando microrganismos presentes naturalmente
no solo e variando a concentração da fonte de carbono.
4. METODOLOGIA
Confecção das MFCs. Foi baseada em Chaudhuri & Lovley, 2003 e Zhao et al., 2006,
sendo necessárias algumas adaptações. O esquema da MFC pode ser visto na Figura
2.
Figura 2 Esquema da célula de combustível microbiana
Fonte: Próprio autor
As MFCs MC-1 e MC-2 (Figuras 3 e 4) foram feitas utilizando potes plásticos de 2
litros, com tampa. Os eletrodos foram feitos de tubo de grafite de 1mm de diâmetro
por 5cm de comprimento, conectados a um fio de cobre de 20cm, ligando a parte
interna dos compartimentos até a parte externa.
O compartimento catódico foi composto de uma solução de 1,5 litros de água potável
com 15 gramas de NaCl. O compartimento anódico da MC-1 recebeu 2 kg de amostra
de solo de ambiente dulcícola proveniente de uma Coluna de Winogradsky (COPINI
et al., 2015), adicionados de 6 gramas de papel sulfite picado e giz. O solo foi coletado
em Itaguaré, no município de Bertioga, São Paulo. A MC-2 recebeu 2 kg de amostra
de solo latossolo, coletado no município de Paraguaçu Paulista, São Paulo,
acrescidos de 4 gramas de glicose. Aos solos das MC-1 e MC-2 foram adicionados 5
gramas de NPK 10-10-10 (Bonigo).
Como substituição da membrana trocadora de prótons, empregou-se uma ponte
salina, que evita a mistura das duas soluções mas permite que haja fluxo de íons entre
os dois compartimentos (CASTELLAN, 2009). As pontes salinas das MFCs MC-1 e
MC-2 foram confeccionadas utilizando um tubo de PVC de 1” por 9 cm de
comprimento, obtendo um volume de 100ml, preenchido com uma solução de ágar
(25g/L) e sal NaCl (10g/L). Para as MFCs MC-3, MC-4 e MC-5, a concentração de
NaCl utilizada foi de 8g/L. As conexões entre a ponte de sal e os compartimentos
foram feitas utilizando luvas de PVC de 1” e vedadas com arruelas de borracha do
tipo O-ring.
Figura 3 Célula de combustível
Figura 4 Célula de combustível
microbiana MC-1
microbiana MC-2
Fonte: Próprio autor.
Fonte: Próprio autor.
A tensão elétrica, em volts, foi determinada utilizando um multímetro calibrado.
Adotou-se a resistência interna da MFC como constante quando assumida a um
curto tempo de mensuração.
Para testar a influencia das diferentes concentrações da fonte de carbono, foram
construídas três MFCs utilizando a mesma amostra de solo da MC-2: M0, M1 e
M2 (Figura 5). Empregou-se potes plásticos de 1 litro, com tampa. Os eletrodos
foram feitos de um tubo de grafite de 8 mm de diâmetro por 5,7 cm de
comprimento, conectados a um fio de cobre de 33 cm, ligando a parte interna
dos compartimentos até a parte externa. Os compartimentos catódicos para as
MFCs foram compostos de uma solução de 900 ml de água destilada e 4,5 g de
NaCl para M0, M1 e M2, e 4,0 g para M3, M4 e M5. O solo utilizado foi aquecido
a 40⁰C por 48 horas e misturado a fim de manter uma homogeneidade. O
compartimento anódico de M0 recebeu 1,2 kg de solo e 250 ml de água
destilada. O compartimento anódico de M1 recebeu 1,2 kg de amostra de solo,
250 ml de agua destilada, 3 g de glicose (C6H12O6) e 5 g de NPK 10-10-10
(Bonigo). O compartimento anódico de M2 recebeu 1,2 kg de amostra de solo,
250 ml de água destilada, 6 g de glicose (C6H12O6) e 10 g de NPK.
Figura 5 Células de combustível microbiana M0 (A), M1 (B) e M2 (C)
Fonte: Próprio autor.
Foram construídas três novas MFCs: M3, M4 e M5 (Figura 6), visando repetir o
processo e implantar melhorias para o sistema atingir melhor eficiência. Foi
usado o mesmo solo, previamente aquecido a 40⁰C por 72 horas. O
compartimento anódico de M3 recebeu 1,0 kg de solo e 350 ml de água
destilada. O compartimento anódico de M4 recebeu 1,0 kg de amostra de solo,
350 ml de água destilada, 1 grama de glicose (C6H12O6), 1,5 g de papel sulfite
picado e 4,15 g de NPK. O compartimento anódico de M2 recebeu 1,0 kg de
amostra de solo, 350 ml de água destilada, 2 g de glicose (C6H12O6), 3 g de papel
sulfite picado e 9,30 g de NPK. Os compartimentos catódicos das MFCs M0, M1,
M2, M3, M4 e M5 foram aerados com bomba de ar de 7 Watts e de vazão 4,5
L/min (BigAir Pump®). A corrente elétrica foi mensurada com um resistor externo
de 10kΩ. Foi mensurada a tensão elétrica com multímetro (Figura 7).
Figura 6 Células de combustível microbianas M3, M4 e M5
Fonte: Próprio autor.
Figura 7 Mensuração de tensão elétrica de M3, M4 e M5 utilizando multímetros.
Fonte: Próprio autor
5. DESENVOLVIMENTO
Após a confecção das MFCs MC-1 e MC-2, foram feitas mensurações de tensão
elétrica em um período de 50 dias. Para as MFCs M0, M1 e M2, a tensão elétrica
foi mensurada por 50 dias e a corrente elétrica foi mensurada por 16 dias. A
tensão e corrente elétrica para as MFCs M3, M4 e M5 foram mensuradas por 36
dias. As mensurações foram realizadas utilizando multímetros nas funções de
voltímetro e amperímetros. A corrente elétrica foi mensurada utilizando um
resistor externo de 10kΩ recomendado pelos experimentos de Clauwaert et al.
(2007).
6. RESULTADOS
A Figura 8 apresenta a variação da tensão elétrica, expressa em volts, em MC1 e MC-2, durante um intervalo de tempo de 50 dias. A tensão foi medida antes
e após 10 minutos de oxigenação do compartimento catódico. Foi possível
observar aumento da tensão elétrica das MFCs após a oxigenação, nos dias 28,
33, 34 e 36, com aumento de tensão de 0,376V para 0,387V, 0,393V para
0,402V, 0,395V para 0,408V e 0,402V para 0,413V, respectivamente,
consolidando um aumento médio da tensão de 0,011V. Assim, para as MFCs
M0, M1 e M2 foi utilizada a oxigenação do compartimento catódico de forma
contínua.
Tensão Elétrica (Volts)
Figura 8 Variação da tensão elétrica na célula de combustível microbiana MC-1
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Dias
MC-1 sem oxigenacão
MC-1 oxigenacao por 10 minutos
MC-2 sem oxigenacào
MC-2 oxigenacão por 10 minutos
Fonte: Próprio autor.
As mensurações de tensão elétrica e de corrente elétrica para as MFCs M0, M1
e M2 estão apresentadas nas Figuras 9 e 10, respectivamente. Os resultados
mostram que houve geração de tensão elétrica em M0, atingindo 0,295V. A
tensão elétrica máxima gerada para M1 e M2 foram, 0,410V e 0,403V,
respectivamente. Após a desmontagem destas MFCs, foram observadas frestas
na ponte salina. Provavelmente, as frestas permitiram infiltração e troca de
material entre os compartimentos anódico e catódico, comprometendo os
processos químicos e biológicos dentro das MFCs.
TENSÃO ELÉTRICA (VOLTS)
Figure 9 Variação da tensão elétrica nas MFCs M0, M1 e M2
0.500
0.410
0.400
0.300
0.200
0.100
0.000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
DIAS
MFC 0
MFC 1
MFC 2
Fonte: Próprio autor.
CORRENTE ELÉTRICA (AMPÉRES)
Figure 10 Variação da corrente elétrica nas MFCs M0, M1 e M2
0.070
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
35
37
39
41
43
45
47
49
51
DIAS
MFC 0
MFC 1
MFC 2
Fonte: Próprio autor.
Os resultados de tensão elétrica das MFCs M3, M4 e M5 estão mostrados na
Figura 11. Observou-se maior geração de tensão elétrica para as MFCs que
receberam fonte de carbono. Enquanto M3 produziu 0,087V, M4 e M5 atingiram
0,400V e 0,386V, respectivamente. Em relação à corrente elétrica (Figura 12),
valor máximo foi obtido para a MFC M5, de 0,097A.
TENSÃO ELÉTRICA (VOLTS)
Figura 11 Variação da tensão elétrica nas MFCs M3, M4 e M5
0.500
0.400
0.400
0.300
0.200
0.100
0.000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
DIAS
MFC 3
MFC 4
MFC 5
Fonte: Próprio autor.
CORRENTE ELÉTRICA (AMPÉRES)
Figure 12 Variação da corrente elétrica nas MFCs M3, M4 e M5
0.10
0.097
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
DIAS
MFC 3
MFC 4
MFC 5
Fonte: Próprio autor.
A Tabela 1 apresenta uma comparação entre os resultados obtidos no presente
estudo e aqueles obtidos por outros autores para culturas puras de diferentes
microrganismos. Pode-se observar que a tensão elétrica máxima gerada pelas
MFCs M4 e M5 foram coerentes com os obtidos pelos outros autores. Em relação
à corrente elétrica gerada, os resultados obtidos no presente estudo são
expressivos quando comparados aos valores obtidos pelos autores citados.
Tabela 1 Resultados comparativos entre diferentes MFCs
Tensão Elétrica
Corrente Elétrica
Resistência
Máxima Gerada
Máxima Gerada
Externa
(V)
(mA)
Utilizada (Ω)
0,265
0,2
1000
Escherichia coli
0,697
1,5
0-60000
Geobacter sp.
0,360
não determinada
0-50
solo (MFC M3)
0,087
16
10000
Presente estudo
solo (MFC M4)
0,400
75
10000
Presente estudo
solo (MFC M5)
0,386
97
10000
Presente estudo
Microrganismo
Rhodoferax
ferrireducens
Referência
Chaudhuri & Lovely
(2003)
Zhao et al. (2006)
Clauwaert et al.
(2007)
Fonte: Próprio autor.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo mostrou ser possível construir MFCs e gerar tensão e
corrente elétrica empregando solo como fonte de microrganismos. Além disto,
foi possível observar a influência da concentração da fonte de carbono do
compartimento anódico na eficiência da MFC. Os resultados do presente estudo
evidenciam o grande potencial das MFCs para a geração de corrente elétrica de
forma sustentável.
8. FONTES CONSULTADAS
ALLEN, Robin M.; BENNETTO, H. Peter. Microbial Fuel-Cells: Electricity
Production from Carbohydrates. Bioelectrochemistry and Biosensors Group,
King´s College (University of London), London, UK. 1993.
CASTELLAN, Gilbert. Fundamentos de Físico-Química. Rio de Janeiro: LTC,
2009.
CHAUDHURI, Swades K.; LOVLEY, Derek. Electricity generation by direct
oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells. Nature
Biotechnology, vol. 21, nº10. Department of Microbiology, University of
Massachusetts-Amherst, Amherst, Massachusetts, USA. 7 September 2003.
CLAUWAERT,
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RABAEY,
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AELTERMAN,
Peter;
DE
SCHAMPHELAIRE, Liesje; PHAM, The Hai; BOECKX, Pascal; BOON, Nico;
VERSTRAETE, Willy. Biological Denitrification in Microbial Fuel Cells.
Environ. Sci. Technol. 2007, 41, 3354-3360. Estados Unidos, 2007.
COPINI,
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ALMEIDA, B. N. C., CANAVESE, C., CERÁVOLO, M. S., ANTÔNIO,
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ALMEIDA, F. P. R., CAMARGO, M. D. C., DOS SANTOS, G. A., MACHADO, K.
M. G. Coluna de Winogradsky como estratégia para o estudo de
comunidades microbianas de ambientes marinhos e dulcícolas. Curso de
Ciências Biológicas - Universidade Católica de Santos. Santos, 2015.
RACHINSKI, Silvio; CARUBELLI, Ademir; MANGONI, Ana Paula; MANGRICH,
Antonio S. Pilhas de Combustíveis Microbianas Utilizadas na Produção de
Eletricidade a partir de Rejeitos Orgânicos: Uma Perspectiva De Futuro.
Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná, CP 19081, 81.531990 Curitiba - PR, Brasil, 2010.
SCHRODER, Uwe. Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel
cells and their energy efficiency. Phys. Chem. Chem. Phys., 2007, 9, 2619–
2629 | 2619. Germany, 2007.
ZHAO,
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HARNISCH,
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SCHRODER,
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SCHOLZ,
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BOGDANOFF, Peter; HERRMANN, Iris. Challenges and Constraints of Using
Oxygen Cathodes in Microbial Fuel Cells. Environmental Science &
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