Modelado de una celda de combustible microbiano con sustrato lentamente biodegradable

Abstract

Las celdas de combustible microbianas (CCMs) son capaces de degradar materia orgánica mediante la actividad metabólica de microorganismos electroactivos presentes en el sustrato. La razón principal de su estudio radica en la ventaja de utilizar residuos orgánicos como fuente de carbono, como los presentes en el digerido utilizado en este trabajo. Este sustrato complejo está compuesto por desechos provenientes de una mezcla digerida de purín de cerdo y orujos de manzana. En este trabajo se empleó un modelo matemático que describe el comportamiento de la celda, considerando la etapa de hidrólisis y la difusión en la biopelícula de la fracción de materia orgánica compleja o lentamente biodegradable. Esta fracción es hidrolizada por la actividad de las bacterias electroactivas, generando un incremento en la fracción de materia orgánica rápidamente biodegradable, que puede ser metabolizada por dichas bacterias para producir un flujo de electrones transferido al á nodo. Para implementar el modelo, se identificaron nueve parámetros a partir de la minimización de una ecuación de costo, logrando representar adecuadamente el comportamiento de la CCM alimentada con el digerido, con un error máximo del 6, 89 %. Además, se caracterizó la celda a partir del cálculo de la curva de potencia obteniéndose una potencia máxima de 9,86mW m−2 para una resistencia externa de 6055Ω.

Microbial fuel cells (MFCs) are capable of degrading organic matter through the metabolic activity of electroactive microorganisms present in the substrate. The main motivation for their study lies in the advantage of utilizing organic waste, suchas the digestate used in this work. This complex substrate is composed of residues derived from a digested mixture of pig slurry and apple pomace. In this work, a mathematical model was employed to describe the behavior of the cell, considering both the hydrolysis stage and the diffusion within the biofilm of the complex or slowly biodegradable organic matter fraction. This fraction is hydrolyzed by the activity of electroactive bacteria, leading to an increase in the fraction of readily biodegradable organic matter, which can then be metabolized by these bacteria to produce an electron flow transferred to the anode. To implement the model, nine parameters were identified through the minimization of a cost function, successfully reproducing the behavior of the MFC fed with digestate, with a maximum error of 6,89 %. Furthermore, the cell was characterized by calculating the power curve, yielding a maximum power output of 9,86mW m−2 at an external resistance of 6055Ω.