Célula Combustível Microbiana

Célula Combustível microbiana

I. INTRODUÇÃO

“A desintegração de compostos orgânicos por micro-organismos é acompanhada pela liberação de energia elétrica”.

M. C. Potter, 1912

Atualmente, diversos profissionais do ramo da ciência e engenharia têm buscado desenvolver novas tecnologias para atender às crescentes necessidades globais de energia. O sistema conhecido como célula combustível microbiana (CCM) é uma alternativa de produção de energia que tem sido explorado atualmente (Galembeck et al., 2009).

Esta alternativa (CCM) não é nova. A idéia de usar micro-organismos como catalisadores em reações CCM foi explorada em 1970 (Suzuki, 1976; Roller et al., 1984), e a CCM para tratamento doméstico foi apresentada em 1991 (Habermann et al., 1991).

A CCM converte a energia química em eletricidade, a partir do metabolismo microbiano. Em adição, outras atribuições têm sido empregadas às CCM, como tratamento de esgoto.

II. CÉLULA COMBUSTÍVEL MICROBIANA (CCM)

As células combustível microbianas são sistemas nos quais ocorre a produção de energia através do metabolismo microbiano. Ou seja, o micro-organismo é capaz de metabolizar compostos, a partir de uma matéria-prima, os transformando. E os elétrons produzidos durante este processo são transferidos a um circuito externo, produzindo eletricidade. Desta forma, o CCM é um dispositivo capaz de transformar energia química em energia elétrica, através de reações catalisadas por micro-organismos (Grzebyk, 2004; Rachinski, et al., 2010). Normalmente, uma CCM utiliza micro-organismos para catalisarem reações de oxidação da matéria orgânica (Grzebyk, 2004).

Na maioria dos casos, as CCMs são compostas basicamente por um compartimento aeróbio e outro anaeróbio. O compartimento aeróbio possui um ânodo e o anaeróbio um cátodo. Normalmente, os compartimentos encontram-se separados por uma membrana – permeável a prótons – que não permite a entrada de O2 no compartimento anaeróbio (Rachinski et al., 2010). A figura 1 apresenta um esquema de uma CCM.

A reação completa inclui oxidação do material orgânico com produção de H2O, CO2 e liberação de elétrons para a geração de energia (Bond & Lovly, 2003; Jang et al., 2004; Kim et al., 2004; Liu & Logan, 2004; Logan, 2009). No compartimento anaeróbio ocorre a oxidação do material orgânico, pela metabolização do micro-organismo. O processo leva a formação de CO2, prótons e elétrons (figura 1).

A reação de oxidação da glicose é um exemplo de oxidação de material orgânico, no qual é possível observar a formação desses produtos. A equação é mostrada abaixo (Grzebyk, 2004).

C6H12O6 + 6 H2O  6 CO2 + 24 H+ + 2 4 e-

(glicose) + (água)  (dióxido de carbono) + (prótons) + (elétrons)

Os prótons que são gerados pelas reações de oxidação migram em direção ao compartimento aeróbio - que contém o cátodo. Os elétrons, também gerados durante as oxidações, são transferidos para os cátodos através de um circuito externo. Na superfície do cátodo ocorre a redução de oxigênio à água, com participação dos prótons e elétrons (figura 1), conforme demonstrado abaixo:

4 H+ + O2 + 4 e-  2 H2O

(prótons) + (oxigênio) + (elétrons)  (água)

Essa reação ocorre dentro da câmara aerada, sendo então o oxigênio o aceptor final de elétrons (Logan, 2009). A energia é gerada a partir do fluxo de elétrons que migram através do circuito. Este fluxo gera uma corrente elétrica, que é mensurada (Rabaey & Verstraete, 2005).

Figura 1. O princípio de funcionamento de uma célula combustível microbiana. O substrato é metabolizado por bactérias, que transferem elétrons – produzidos pela metabolização – ao ânodo. MED, mediador redox; Círculos ovais vermelhos, transportador final de elétrons dentro ou na superfície de bactérias. Isto pode acontecer através da membrana ou via carreadores (transportadores) redox móveis. (Adaptado de Rabaey & Verstraete, 2005).

II. 1. Transferência de elétrons ao ânodo

Diferentes mecanismos podem ser usados pelos micro-organismos para a transferência de elétrons ao ânodo. São estes: transferência direta por enzimas respiratórias (citocromos) ao eletrodo; transferência através de mediadores (carreadores) externos às células que são introduzidos ao meio onde se encontram os micro-organismos, como por exemplo, ferricianeto de potássio; e mediadores produzidos pelo próprio micro-organismo (Sisler, 1962; Wilkinson, 2000).

Nos casos de transferência direta a transferência de elétrons pode requerer contato físico do micro-organismo com o eletrodo (ânodo). Foi observado que bactérias, tais como Shewanella putrefaciens, Geobacter sulfurredunces, Geobacter metallireduncens e Rhodoferax ferrireduncens são capazes de crescer em colônias sobre a superfície dos cátodos na forma de biofilme (Pham et al., 2003). Estes micro-organismos possuem enzimas, presentes na membrana plasmática, que realizam óxido-redução (Kim et al., 1999).

Em contrapartida, outros micro-organismos que não formam biofilmes realizam a transferência indireta de elétrons através de carreadores de elétrons, sejam estes naturais, ou seja, produzidos pelas células, ou ainda adicionados ao meio. O transporte é baseado em reações de óxido-redução (Rosenbaum et al., 2006).

São exemplos de carreadores naturais a piocianina, produzida por Pseudomonas aeruginosa (Niessen et al., 2006; Rabaey et al., 2005) e os nanofios ( figura 2), produzidos pelas espécies Geobacter e Shewanella. Os nanofios são espécies de “prolongamentos” capazes de conduzir eletricidade (Gorby, 2005).

Os carreadores artificiais podem ser adicionados com objetivo de aperfeiçoar a captura de elétrons a partir da oxidação e transferência ao eletrodo. Estes mediadores incluem, por exemplo, violeta de metila (Logan, 2009) neutral red (Kumlanghan et al., 2007), tionina, ferricianeto de potássio (Grzebyk, 2004), entre outros.