Membrana de nanocelulose bacteriana funcionalizada com sulfato de condroitina para aplicações em células a combustível microbianas

Abstract

Com o crescimento da população global, as necessidades de energia para atender as redes domésticas e industriais vêm crescendo exponencialmente. Na atualidade, a maior parte da energia ainda vem de combustíveis fósseis. Nesse cenário se torna imprescindível o desenvolvimento de novas tecnologias de energia sustentável e limpa. Célula a combustível microbiana (CCM) é um tipo de célula a combustível que utiliza bactérias como eletrocatalisadores, convertendo a bioenergia da biomassa em energia elétrica. A membrana de troca de prótons (MTP) é uma das partes mais importantes de uma CCM, desempenhando um papel fundamental na sua performance. No entanto, o desenvolvimento de MTPs convencionais é baseado em polímeros sintéticos, limitados pelo seu alto custo. Melhorar o desempenho das membranas de troca de prótons por meio da funcionalização de polímeros para aplicação em CCM permite que biopolímeros como a nanocelulose, que é abundante na natureza, colabore com a geração de energia limpa. Os grupos hidroxila presentes na celulose viabilizam a funcionalização deste material. Neste contexto, esta pesquisa visa desenvolver membranas constituídas de nanocelulose bacteriana (NCB) funcionalizadas com sulfato de condroitina (SC) para aplicação como MTP em CCMs. As membranas desenvolvidas foram caracterizadas e avaliadas quanto a morfologia, propriedades mecânicas, propriedades físicas, capacidade de troca iônica, capacidade de absorção de água e porosidade. A capacidade de geração de energia foi monitorada em uma CCM utilizando como MTP a membrana de nanocelulose bacteriana/sulfato de condroitina (NCB/SC) desenvolvida através do acompanhamento de diferença de potencial elétrico gerado. As CCMs foram monitoradas por 26 dias e apresentaram um valor máximo de 17,93 mW m-2 para a membrana NCB preparada com 1,0% de SC,13,71 mW m-2 para a membrana de NCB preparada com 0,5% de SC e 3,79 mW m-2 para a membrana NCB pura. A membrana NCB/SC 1,0% apresentou o melhor desempenho entre as CCMs. As análises para caracterização da membrana corroboram esse resultado. A funcionalização da membrana de NCB utilizando os grupos sulfônicos do sulfato de condroitina realizada neste estudo para uso com MTP em CCMs pode ser considerada inovadora, pois abre novas perspectivas para o aprimoramento das propriedades físicas, químicas e biológicas das MTPs. A caracterização detalhada das interações e da estrutura do material desenvolvido e o acompanhamento do potencial de energia gerado nas CCMs que foram montadas, validam a eficácia da funcionalização das MTPs com SC e destacam o potencial desta abordagem na aplicação para gerar energia renovável. Este trabalho, portanto, contribui para o campo dos biopolímeros e estabelece uma base sólida para futuras pesquisas e aplicações com as membranas de nanocelulose funcionalizadas com SC.

Abstract: With the growth of the global population, the necessary energy to meet domestic and industrial networks has been growing exponentially. Currently, the majority of energy still comes from fossil fuels. In this scenario, the development of new sustainable and clean energy technologies becomes essential. Microbial fuel cell (MFC) is a type of fuel cell that uses bacteria as electrocatalysts, converting the bioenergy from biomass into electrical energy. The proton exchange membrane (PEM) is one of the most important parts of an MFC, playing a fundamental role in its performance. However, the development of conventional PEMs is based on synthetic polymers, limited by high costs. Improving the performance of proton exchange membranes through polymer functionalization for application in MFC allows biopolymers such as nanocellulose, which is abundant in nature, to contribute to clean energy generation. The hydroxyl groups present in cellulose enable the functionalization of this material. In this context, this research aims to develop membranes consisting of bacterial nanocellulose (BNC) functionalized with chondroitin sulfate (CS) for application as PEMs in MFCs. The developed membranes were characterized and evaluated for morphology, mechanical properties, physical properties, ion exchange capacity, water absorption capacity, and porosity. The energy generation capacity was monitored in an MFC using the bacterial nanocellulose/chondroitin sulfate (BNC/CS) membrane developed, through monitoring of the generated electrical potential difference. The MFCs were monitored for 26 days and presented a maximum value of 17.93 mW m-2 for the BNC membrane prepared with 1.0% CS; 13.71 mW m-2 for the BNC membrane prepared with 0.5% CS; and 3.79 mW m-2 for the pure BNC membrane. The BNC/CS 1.0% membrane showed the best performance among the MFCs. The analyses for membrane characterization corroborate with this result. The functionalization of the BNC membrane, through the introduction of sulfonic groups from chondroitin sulfate conducted in this study, for use with PEMs in MFCs can be considered innovative, as it opens new perspectives for enhancing the physical, chemical, and biological properties of the PEMs. The detailed characterization of the interactions and structure of the developed material, along with monitoring the energy potential generated in the assembled MFCs, validates the effectiveness of the PEM functionalization with CS and highlights the potential of this approach in renewable energy generation applications. Therefore, this work contributes to the field of biopolymers and establishes a solid foundation for future research and applications with CS functionalized nanocellulose membranes.