Diseño óptimo de celdas electroquímicas microbianas para la producción de biohidrógeno

Abstract

Las celdas electrolíticas microbianas (CEM) son dispositivos atractivos en el marco de economía circular debido a su capacidad de utilizar un agua residual son sustrato biodegradable disuelto como materia prima para la producción de hidrógeno por medio de microorganismos electrogénicos capaces de conducir electrones a electrodos. El presente trabajo presenta un esquema de modelación para diseño óptimo de CEM cuya primera etapa es la construcción de modelos a escala piloto en estado estacionario para simular un sistema de módulos de CEM y evaluar el desempeño de un sistema real, prediciendo una producción de hidrógeno de 7.4×10-4 mol/día y una eficiencia eléctrica de 25%. Este modelo se somete al esquema que involucra un análisis de sensibilidad, segunda etapa del esquema, donde la influencia de tres variables de diseño: concentración inicial de sustrato, velocidad de alimentación del líquido y voltaje aplicado, es cuantificada y representada en superficies de respuesta para identificar zonas con máxima producción de hidrógeno y eficiencia eléctrica. La etapa final del esquema es una optimización determinista mono-objetivo para la maximización de la eficiencia eléctrica tomando los máximos localizables de las superficies de respuesta encontrando una eficiencia máxima de 267% con una producción de H2 de 0.021 mol/día aumentando la velocidad de alimentación y la concentración de sustrato y disminuyendo el voltaje aplicado.

Microbial electrolysis cells (MEC) are attractive devices within a circular economy model due to their capability of using wastewater containing dissolved biodegradable substrate serving as feedstock for hydrogen production through electrogenic microbes that feature extracellular electron transfer to electrode surfaces. The preset work develops a modeling framework for the optimal design of MECs where the first stage is the construction of models a stationary MEC model at pilot-scale to simulate and to evaluate the real system performance predicting a hydrogen production of 7.4×10-4 mole/day and an electrical efficiency of 25%. The model is also subjected to the second stage of the developed framework, a sensitivity analysis, where the influence of three design variables: initial substrate concentration, inlet fluid velocity and applied voltage, in quantified and plotted on response surfaces to identify regiones of maxima for hydrogen production and electrical efficiency. The lasts stage of the framework is a mono-objective deterministic optimization run to maximize electrical efficiency considering the traced maxima from the response surfaces yielding a maximum electrical efficiency of 267% with a H2 production of 0.021 mole/day by subtly increasing the inlet velocity and substrate concentration and decreasing the applied voltage.