Modelado matemático de una celda de combustible microbiana de lecho fijo

PABLO SEBASTIÁN BONANNI; GERMÁN DAVID SCHROTT; DANIEL BRALEY; JUAN PABLO BUSALMEN

Taller; II Taller Interdisciplinario sobre “Biofilms” en el marco del XII Congreso Argentino de Microbiología; 2010

IntroducciónRecientemente, se ha reportado la existencia de organismos capaces de ceder loselectrones del final de la cadena respiratoria a un electrodo polarizado. En las celdas decombustible microbianas (CCM) se explota esta capacidad con el objetivo de obtenercorriente eléctrica a la vez que se disminuye la carga orgánica del sustrato de entrada.Modelando matemáticamente estas celdas se pueden obtener parámetros quepermiten evaluar el rendimiento del proceso y poner en evidencia problemasoperacionales.En el presente trabajo, se presenta un modelado computacional de la operaciónde una CCM de lecho fijo a escala de laboratorio, con un biofilm de Geobactersulfurreducens como catalizador anódico y acetato como sustrato. Se calculanteóricamente los gradientes de acetato dentro del biofilm y en el seno del líquido, asícomo el área ocupada por el biofilm en el lecho.ObjetivosModelar matemáticamente una CCM de lecho fijo, para estudiar su balance demasa y determinar las limitaciones al crecimiento de los microorganismos.Materiales y métodosPara las mediciones experimentales, se utilizó una CCM de dos compartimientos.La cámara anódica fue rellenada con grafito granular e inoculada con Geobactersulfurreducens. El ánodo fue alimentado en continuo con un medio de cultivo estándar,usando 20 mM acetato como fuente de carbono y electrones. La producción de corrientey el potencial de la celda fueron registrados en continuo usando un multímetroconectado a una PC.El área ocupada por el biofilm fue calculada teóricamente mediante un modelomatemático de la cámara anódica desarrollado con el software COMSOL Multiphysics.Se consideró flujo pistón de sustrato, espesor constante y distribución espacialhomogénea del biofilm dentro del reactor. Para el cálculo teórico de la corrienteeléctrica se utilizaron los parámetros cinéticos de consumo bacteriano de acetatoinformados en bibliografía.ResultadosEl valor de corriente medido en la celda experimental fue de 1mA. El modeladomatemático indica que para este valor de corriente la ocupación de lecho por parte delbiofilm, asumiendo un espesor de 10mm, debe ser de un 5%.Los perfiles teóricos de sustrato muestran que la caída de concentración pordifusión es despreciable a la entrada del reactor, pero se vuelve considerablementegrande hacia la salida. Esta caída se da en su mayor parte en el transporte de sustratohacia el biofilm, mientras que en el interior del mismo la concentración resultaprácticamente uniforme.ConclusionesLos cálculos indican que la principal limitación en la degradación de acetato esdebida al transporte de sustrato hacia el biofilm y no a la difusión dentro del mismo.El factor de ocupación del lecho es llamativamente bajo indicando limitacionesal crecimiento bacteriano. Esto puede deberse a canalizaciones en el flujo de sustrato,que provocan diferencias de disponibilidad de sustrato en la celda.Aumentar el flujo de entrada de sustrato parecería ser una buena alternativa paramejorar el rendimiento de la celda, ya que de esta forma se aumentaría la velocidad detransporte hacia el biofilm a la vez que se mejoraría la distribución del flujo en elreactor.