Geração de eletricidade a partir de casca de arroz utilizando-se célula combustível microbiológica

Abstract

As células combustíveis microbiológicas (CCMs) são dispositivos que utilizam microrganismos para realizar a conversão da energia química presente nas ligações dos substratos em energia elétrica. Resíduos agrícolas são substratos que podem ser utilizados como substratos orgânicos de baixo custo para serem utilizados nestes sistemas, evitando o conflito entre geração de energia e produção de alimentos, além de diminuir o descarte de resíduos com carga orgânica elevada no meio ambiente. A casca de arroz (CA) é um dos resíduos de culturas lignocelulósicas mais abundantes no Brasil e no mundo. Assim, o objetivo deste estudo foi avaliar o potencial do uso da CA química e enzimaticamente tratada como substrato na produção de bioeletricidade em uma CCM. Com este propósito, amostras de CA foram pré-tratadas com soluções diluídas de H2SO4, NaOH ou NaOH/H2O2. A biomassa obtida pós tratamento químico foi submetida a um tratamento enzimático utilizando-se celulase, objetivando avaliar a susceptibilidade da biomassa pré-tratada a ação enzimática. Observou-se que a biomassa obtida a partir do tratamento com NaOH foi a que rendeu a maior liberação de açúcares redutores (AR), após o tratamento enzimático (312,1 mgAR/L). Deste modo, definiu-se aplicar a CA pré-tratada com NAOH, com e sem tratamento enzimático posterior, como substrato em uma CCM de duas câmaras (anódica e catódica), ambas de 200 mL separadas por membrana de troca catiônica (Nafion®115). Adotaram-se eletrodos anódicos de tecido de fibra de carbono, e eletrodos catódicos de tecido de carbono com deposição de 0,5 mg/cm² de platina. A câmara anódica e catódica foram preenchidas com 180 mL de meio de cultura e 50 mM K3Fe(CN)6, respectivamente. O inóculo utilizado como agente biológico empregado na câmara anódica consistiu de lodo obtido de uma estação de efluente domésticos. Testou-se ainda o efeito do tratamento térmico do inóculo (80 ºC, 15 minutos), visando-se diminuir a atividade de metanogênicos. O potencial (volts) foi monitorado em uma resistência externa (1000 O) no circuito da CCM a intervalos de 30 minutos usando um multímetro conectado a um computador pessoal. Determinou-se a concentração de carboidratos totais (CT) no hidrolisado líquido obtido a partir dos três pré-tratamentos químicos, obtendo-se valores iguais a 4212,9 ± 31,3, 2184,72 ± 72,1 e 1332,6 ± 47,0 mgCT/L nos hidrolisados da CA pré-tratada com H2SO4, NaOH e NaOH/H2O2, respectivamente. Por este motivo, o hidrolisado do pré-tratamento químico de CA por NaOH e H2SO4 também foram testados como substratos para CCM. Dentre os 4 sistemas de CCM testados, utilizando-se os resíduos sólidos da CA, obtidos do tratamento com NaOH, com e sem enzima, com inóculo termicamente tratado e sem tratamento, observou-se que a maior densidade de potência (136,7 mW/m²) obtida ao longo de 37 dias de acompanhamento, ocorreu para o sistema alimentado com 1 g/L de CA, tratada com NaOH + enzima celulase e inoculada com lodo tratado termicamente. Contudo, este valor manteve-se apenas algumas horas. Os estudos aplicando-se os hidrolisados de NaOH e H2SO4, como substrato, em duas concentrações diferentes, resultou na observação de que a CCM alimentada com o hidrolisado do tratamento ácido com H2SO4 a uma concentração de 80 mgCT/L, acompanhada por 12 dias, apresentou a maior densidade de potência, 151,96 mW/m². Estes resultados demonstraram a factibilidade de utilização de casca de arroz quimicamente pré-tratada com soluções de ácido e base como substrato em CCMs. Corroborando resultados reportados na literatura, o pré-tratamento com NaOH, favoreceu o rendimento de AR, pós tratamento enzimático e como consequência produção de bioeletricidade. Além disso, a relação direta entre o consumo de açúcares redutores e a geração de densidade de potência reforça a necessidade de estudar uma maior variedade de substratos nestes sistemas.

Abstract : Microbiological fuel cells (MFC) are devices that use microorganisms to perform the conversion of the energy present in the chemical bonds of organic substrates into electrical energy. Agricultural wastes can be applied as low cost organic substrates in these MFC, avoiding the conflict between energy generation and food production, as well as reducing the disposal of waste with high organic load in the environment. Rice husk (RH) is one of the most abundant lignocellulosic crop residues in Brazil and worldwide. Thus, the objective of this study was to evaluate the potential of the use of chemically and enzymatically treated RH as substrate in the production of bioelectricity in a MFC. For this purpose, RH samples were pretreated with dilute solutions of H2SO4, NaOH or NaOH/H2O2. The biomass obtained after chemical treatment was submitted to an enzymatic treatment using cellulase, in order to evaluate the susceptibility of the pretreated biomass to the enzymatic action. It was observed that the biomass obtained from the NaOH treatment resulted in the highest release of reducing sugars (RS) after the enzymatic treatment (312,1 mgRS/L). Thus, it was defined to apply the RH pretreated with NaOH, with and without enzymatic treatment, as substrate in a two-chamber MFC (anodic and cathodic), both of 200 mL separated by cation exchange membrane (Nafion®115). Anodic and cathodic electrodes were consisted of carbon fiber cloth and carbon cloth with platinum 0.5 mg/cm² layer, respectively. The anode and cathodic chamber were filled with 180 mL of culture medium and 50 mM K3Fe(CN)6, respectively. The inoculum used as biological agent used in the anode chamber consisted of sludge obtained from a municipal domestic effluent treatment plant. The effect of the heat treatment of the inoculum (80 ºC, 15 minutes) was also tested, aiming to test the effect of reducing the activity of methanogenic microorganisms. The potential (volts) across the anode and cathode circuit with an external resistor (1000 ?) in the assembled MFC, was monitored at 30 minutes intervals using a multimeter connected to a personal computer. The total carbohydrate (TC) concentration in the hydrolysate obtained from the three chemical pretreatments was determined, obtaining values equal to 4212,9 ± 31,3, 2184,72 ± 72,1 and 1332,6 ± 47,0 mgTC/L in the RH hydrolysates pretreated with H2SO4, NaOH and NaOH/H2O2, respectively. For this reason, the RH hydrolysates obtained from NaOH and H2SO4 pre-treatment were also tested as substrates for MFC. Among the four MFC systems tested, using the solid residues from the RH, obtained with NaOH treatment, with and without enzyme, thermally treated inoculum and without treatment, it was observed that the highest power density (136,7 mW/m²) occurred for the MFC fed with 1 g/L of RH, treated with NaOH + cellulase and inoculated with thermally treated sludge. However, this value remained only a few hours. Studies on the hydrolysates of NaOH and H2SO4 as substrate, used at two different concentrations resulted in the observation that the MFC fed with hydrolysate from H2SO4 treatment at a concentration of 80 mgTC/L presented the highest power density, 151,96 mW/m². These results demonstrated the feasibility of using chemically pretreated RH with acid or basic solutions as substrate in MFC. Corroborating results reported in the literature, the pre-treatment with NaOH favored the release of RS after enzymatic treatment and therefore bioelectricity production. In addition, the direct relationship between the consumption of reducing sugars and the generation of power density reinforces the need to study a greater variety of substrates in these systems.