Search

Bioelectrochemical systems are an emerging technology that uses microorganisms to convert stored chemical energy into biodegradable materials to produce electrical energy and chemicals more sustainably than conventional processes. Among the biodegradable materials, many solid residues and liquid effluents can be used, offering flexibility for anodic and cathodic reactions. In their structure, these systems basicallyhave an anode chamber, where biodegradable materials are oxidized and generate free electrons. In some systems with the cathode chamber, free electrons start to generate current in the cell itself. This technology has different applications such as electricity generation, production of specific chemical compounds, seawater desalination and contaminated soil remediation. This work brings a literature review on all the systems mentioned, as well as the main biochemical reactions involved, providing information and discussions on the current development of this promising technology and some pertinent difficulties, such as large-scale energy production., Os sistemas bioeletroquímicos são uma tecnologia emergente, a qual utiliza microrganismos para converter a energia química armazenada em materiais biodegradáveis para produzir energia elétrica e produtos químicos de forma mais sustentável do que nos processos convencionais. Dentre os materiais biodegradáveis, muitos resíduos sólidos e efluentes líquidos podem ser utilizados, oferecendo flexibilidade para reações anódicas e catódicas. Em sua estrutura, esses sistemas possuem basicamente uma câmara do ânodo, onde os materiais biodegradáveis são oxidados e geram elétrons livres. Em alguns sistemas com a câmara do cátodo, os elétrons livres passam a gerar corrente na própria célula. Essa tecnologia possui diferentes aplicações como geração de energia elétrica, produção de compostos químicos específicos, dessalinização da água do mar e remediação de solos contaminados. Este trabalho traz uma revisão da literatura sobre todos os sistemas mencionados, bem como as principais reações bioquímicas envolvidas, fornecendo informações e discussões sobre o desenvolvimento atual dessa promissora tecnologia e algumas dificuldades pertinentes, como a produção de energia em larga escala.

Dissertação de mestrado em Biotecnologia, Storage of renewable electricity in the form of methane (CH4) is a promising technology. Electrochemically assisted CH4 production from carbon dioxide (CO2) in a bioelectrochemical system (BES) allows the production of a biological fuel that can be stored and converted into electricity when necessary. In addition, CO2 is simultaneously captured contributing to mitigate climate change and global warming. However, this technology is still at an early stage with various technical and scientific problems and limitations that require further studies. Several aspects related to the biocathode performance, such as the low electron transfer rate between electrode and electrotrophs have been identified as important drawback to be overcame. The work developed in this thesis aimed to study the effect of carbon nanotubes (CNTs), as conductive material, on CH4 production in BESs. The production of CH4 was analyzed in two BESs, one working with a modified electrode (BESCNTs), in which CNTs were deposited, and another one that works as a control with a nonmodified electrode (BES-CTRL). The potential of CNTs to improve CH4 production was investigated under different electrochemical control modes, potentiostatic (at -1.0 V and -1.2 V vs. Ag/AgCl) and galvanostatic (at 2.7 mA and 7.5 mA). Parallel to the production of CH4, CO2 consumption, as well as the current-to-CH4, voltage and energy efficiencies were also evaluated. The results demonstrated that for both electrochemical control modes, the production of CH4 was higher in the presence of CNTs compared to the control assay. The current-to-methane efficiency varied between 15 % and 90 %, in both assays, while the voltage efficiency remained below 0.12 % and energy efficiency below 5.5 %. The study of the microbial community developed at the biocathode under galvanostatic control demonstrated a clear enrichment of methanogens (78 % in BES-CNTs and 86 % in BES-CTRL) compared to the initial inoculum (10 %), However, no significant differences were observed between both BES, since 98 % of the sample was classified as “unknown”. In conclusion, this work contributed with new insights on the effect of carbon nanomaterials to improve biocathode performance on BESs for CH4 production from CO2., O armazenamento de eletricidade renovável na forma de metano (CH4) é uma tecnologia promissora. A produção eletroquímica de CH4 a partir de dióxido de carbono (CO2) num sistema bioeletroquímico (BES) permite a produção de um combustível biológico que pode ser armazenado e convertido em eletricidade quando necessário. Além disso, o CO2 é simultaneamente capturado contribuindo para mitigar as mudanças climáticas e o aquecimento global. No entanto, esta tecnologia ainda está em fase inicial, apresentando vários problemas e limitações técnicas e científicas que exigem mais estudo. Vários aspetos relacionados com o desempenho do biocátodo, como a baixa taxa de transferência de eletrões entre elétrodos e eletrotrófitos, foram identificados como uma desvantagem a ser superada. O trabalho desenvolvido nesta tese teve como objetivo estudar o efeito dos nanotubos de carbono (CNTs), como material condutor, na produção de CH4 em BESs. A produção de CH4 foi analisada em dois BESs, um que trabalha com um elétrodo modificado (BES-CNTs), no qual os CNTs foram depositados, e outro que funciona como controlo com um elétrodo não modificado (BES-CTRL). O potencial dos CNTs para melhorar a produção de CH4 foi investigado diferentes modos de controlo eletroquímico potenciostático (em -1.0 V e -1.2 V vs. Ag/AgCl) e galvanostático (em 2.7 mA e 7.5 mA). Paralelamente à produção de CH4, o consumo de CO2, bem como as eficiências atuais para CH4, tensão e energia também foram avaliadas. Os resultados demonstraram para ambos os controlos, a produção de CH4 foi maior na presença de CNTs. A eficiência da corrente-para-CH4 variou entre 15 % e 90 %, enquanto a eficiência de voltagem permaneceu abaixo de 0.12 % e energética abaixo de 5.5 %. O estudo da comunidade microbiana desenvolvido no biocátodo do ensaio B, demonstrou um enriquecimento de metanógenos (78 % em BES-CNTs e 86 % no BES-CTRL) em comparação com o inóculo inicial (10 %). No entanto, nenhuma diferença significativa foi observada entre ambos o BES, uma vez que 98 % da amostra foi classificada como "desconhecida". Em conclusão, este trabalho contribuiu com novos insights sobre o efeito dos nanomateriais de carbono para melhorar o desempenho do biocátodo em BESs na produção de CH4 a partir de CO2.