Modelagem matemática da geração de corrente elétrica em uma célula combustível microbiana inoculada com micro-organismos marinhos

Abstract

Células combustíveis microbianas (CCM) são dispositivos eletroquímicos que exploram a habilidade de algumas espécies de micro-organismos utilizarem eletrodos como aceptores finais de elétrons em seu metabolismo. A CCM opera de modo semelhante a uma célula combustível química, na qual a eletricidade é proveniente de uma reação de oxirredução, entretanto, no sistema biológico a reação é catalisada por micro-organismos. O interesse nesta tecnologia está associado à possibilidade de empregar diferentes compostos, inclusive efluentes domésticos e industriais, na geração de energia elétrica. Embora a CCM seja considerada uma tecnologia promissora a sua aplicação ainda é inviável devido às baixas densidades de correntes elétricas obtidas. Neste contexto, a modelagem matemática pode auxiliar na investigação e compreensão dos fenômenos envolvidos e consequentemente contribuir para o aprimoramento destes sistemas. Assim o objetivo deste trabalho foi modelar a cinética de geração de corrente elétrica de uma célula combustível microbiana inoculada com micro-organismos marinhos. Para tal fim foi empregado um modelo matemático composto por um sistema de equações diferenciais, no qual o metabolismo microbiano foi descrito pela relação de Nerns-Monod e o mecanismo de transferência de elétrons extracelular (TEE) de acordo com a Lei de Ohm. Os dados experimentais foram obtidos em uma CCM de dois compartimentos, um ânodo e um cátodo, separados por uma membrana catiônica. O ânodo foi inoculado com sedimento de origem marinha em condições de anaerobiose e alimentado com acetato, enquanto que, o cátodo foi alimentado com ferrocianeto de potássio. Em ambos os compartimentos foram empregadas placas de grafite como eletrodos, as quais estavam conectadas externamente por uma resistência elétrica. Durante a operação do sistema, o compartimento do ânodo foi operado alternadamente pelos regimes de batelada sequencial e contínuo. Os resultados ilustram que em menos de quatro dias de operação a geração de corrente elétrica já havia atingido um valor estável, comprovando a capacidade exoeletrogênica das comunidades de micro-organismos presentes no sedimento marinho. Observou-se que estes micro-organismos desenvolviam-se preferencialmente aderidos a superfície dos eletrodos na forma de um biofilme e que utilizavam um mecanismo direto de transferência eletrônica extracelular (nanofios ou citocromos) para estabelecer o contato elétrico com o eletrodo. De maneira geral a modelagem matemática da cinética de geração de corrente elétrica foi possível, sendo que o modelo apresentou a capacidade de descrever os resultados, de corrente em função do potencial elétrico, obtidos nas análises de voltametria cíclica nos diferentes dias de operação do reator. O modelo forneceu valores de parâmetros com significado físico e biológico o que possibilitou investigar o papel da condutividade do biofilme na geração da corrente elétrica e também o efeito das condições operacionais sobre a geração de corrente. As simulações das curvas de polarização foram pouco exatas, contudo, constatou-se que os resultados apresentavam o mesmo comportamento e ordem de grandeza dos dados experimentais. A incorporação de novas resistências elétricas no modelo pode contribuir para a melhora nas predições e este é um desafio ainda a ser vencido. <br>