| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| MICROBIAL ELECTROCHEMICAL REACTORS BASED ON FLUID-LIKE ELECTRODES: A NEW BIOTECH PLATFORM FOR PERFORMING ENVIRONMENTAL APPLICATIONS | | Autor/a | Llorente Remartínez, María | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Fecha de defensa | 30-10-2024 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | Sí | | Resumen | Resumen
La crisis climática en la que se encuentra el planeta nos está llevando a buscar soluciones y alternativas para producir el menor impacto en la naturaleza. Las emisiones de CO2 han aumentado un 40 % desde la revolución industrial. Las medidas para reducir estas emisiones implican un cambio en muchos de nuestros hábitos diarios como de consumo. La demanda energética en nuestra vida cotidiana es uno de los factores que incrementan estas emisiones.
Los reactores electroquímico-microbianos de lecho fluidizado son una tecnología muy versátil y flexible que pueden hacer frente a estos problemas ambientales. Su funcionamiento se basa en la interacción de las bacterias electroactivas con materiales conductores insolubles.
En esta tesis se han estudiado dos procesos distintos del lecho fluidizado: como donador de electrones para reducir otros compuestos y como aceptor final de electrones. La operación del sistema como donador de electrones consistió en la utilización del electrodo fluidizado como fuente de energía para la reducción de compuestos a través del metabolismo de microorganismos electroactivos (capítulos 2 y 3). El último capítulo de experimentación se basó en la mejora del material utilizado en previos lechos fluidizados, con el objeto de mejorar la interacción con microorganismos electroactivos operando en continuo y polarizando el lecho fluidizado como ánodo (capítulo 4).
Esta tesis se divide en 5 capítulos. En el capítulo 1 se describe el estado de arte de las tecnologías electroquímicas microbianas, centrándose en los reactores electroquímicos microbianos de lecho fluidizado (ME-FBR), así como los problemas ambientales que pueden abordarse con ellas. Los siguientes capítulos son experimentales (2, 3 y 4). En el capítulo 5 se establece una discusión general y una serie de conclusiones tras el periodo de investigación.
Así, en el capítulo 2, se recurrió a un ME-FBR para la selección de microorganismos autótrofos capaces de interaccionar con un lecho fluidizado polarizado a -0.6, -0.8 y a -1 V (vs. Ag/AgCl). Este biocátodo fluidizado permitió actuar como donador de electrones directo o mediado por H2, para la fijación microbiana de CO2. La detección de ácidos volátiles y el aumento de biomasa, demostró que la fijación bioelectroquímica de CO2 es factible en este tipo de reactores.
En el capítulo 3, se desarrolló un estudio comparativo entre un biofiltro de lecho fijo electroconductor y uno fluidizado para la reducción bioelectroquímica autotrófica de nitrato. Los ensayos se realizaron tanto a circuito abierto como a un potencial de polarización de -0.3 V (vs. Ag/AgCl), para garantizar la no producción de hidrógeno. El estudio demostró la desnitrificación bioelectroquímica en ambos tipos de reactores operando tanto en fed-batch como en continuo. Las limitaciones del cultivo continuo de microorganismos mostraron limitaciones en electrodos fluidizados. Además, se estableció una propuesta sobre las relaciones de sintropía entre las distintas comunidades microbianas analizadas.
En el capítulo 4 se aborda las limitaciones del cultivo continuo de microorganismos electroactivos planctónicos con electrodos fluidizados de carbón vitreo detectados en el capítulo 3. La pérdida de las células por la operación en continuo sugería establecer cambios en el material que favorecieran la colonización de este. En este sentido se modificó químicamente la superficie del carbón vítreo añadiendo grupos oxigenados. Estos grupos facilitaron la adhesión de las células sobre la superficie a través de la conocida interacción entre grupos carboxilo y citocromos C, presentes en la membrana externa de Geobacter sulfurreducens. El nuevo material funcionalizado se utilizó como ánodo fluidizado permitiendo el cultivo de Geobacter en continúo, utilizando acetato como donador de electrones y fuente de carbono. Los análisis de microscopia SEM y confocal demostraron la eficiente colonización del material funcionalizado frente a la deficiente operación del material original.
Para finalizar esta tesis, el capítulo 5 aporta una discusión general en formato pregunta-respuesta y detalla las conclusiones obtenidas a partir de la investigación. |
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