8. Progreso del proyecto

Proyecto finalizado

A continuación se detalla la información más relevante del proyecto

Objetivo 0. Gestión de la coordinación científica, técnica y económica del proyecto
Objetivo cumplido satisfactoriamente. La gestión del proyecto se ha desarrollado con normalidad desde el momento en el que el proyecto pudo ser comenzado de forma efectiva tras las correspondientes notificaciones (noviembre de 2014). No han existido problemas en esta gestión aunque, tal y como se ha especificado en el apartado A2 ha habido dos modificaciones que hay que destacar:
 Se ha tramitó y aceptó el alta de dos investigadores con efectos 20/02/2015. Se trata de José Villaseñor Camacho (DNI 05907044T) y de Francisco Jesús Fernández Morales (DNI 44041158-E)
 Con fecha 2 de marzo de 2016 se solicitó una prórroga hasta el 30 de abril de 2017 para acabar con más tranquilidad las etapas de integración y para finalizar la difusión de resultados. Esta prórroga fue concedida y se ha aprovechado adecuadamente como se refleja en el presente informe.
Asimismo, se ha realizado la contratación de D. Yeray Asensio en el período 18/03/2015 hasta 03/03/2017, en el que ha realizado su tesis doctoral (actualmente en proceso de redacción) en el marco del proyecto. También se ha integrado a la becaria FPU Sara Mateo (beca Beca FPU13/04118) en el equipo de trabajo adaptando el objetivo de su tesis a una parte de los objetivos del trabajo.

Se consideró necesaria la asistencia de Yeray Asensio a la Escuela de Verano en Ingeniería Electroquímica celebrada en Leeuwarden con el fin de adecuar sus conocimientos a las actividades a las que se ha ido enfrentando durante el proyecto.

Durante el proyecto se ha mantenido colaboración internacional con cuatro grupos de investigación en las distintas áreas del proyecto incluyendo el grupo del Prof. Gonzalez en Universidad de Sao Paulo (Brasil), Scialdone en Universidad de Palermo (Italia), Fonseca en Universidad de Lisboa (Portugal) y Di Lorenzo en Universidad de Bath (Reino Unido).

Se puso en marcha y se ha mantenido actualiza durante el proyecto la página web Blog.uclm.es/sunlivingenergy, donde están recogidos los principales avances del proyecto.

Como consecuencia de la actualización en conocimientos se ha publicado el siguiente trabajo como capítulo de libro:

F.J. Fernández, J. Lobato, J. Villaseñor, M.A. Rodrigo and P. Cañizares. Microbial Fuel Cell: the definitive technological approach for valorizing organic wastes in The Handbook of Environmental Chemistry Vol. 32. Environment, Energy and Climate Change I. (E. Jimenez, B. Cabañas and G. Lefebrve Editors). Springer International Publishing Switzerland, 2015 ISBN 978-3-319-12906-8

Objetivo 1.1. Producción de oxígeno por algas

Objetivo alcanzado satisfactoriamente. Tal y como estaba programado se ha evaluado el efecto de la edad de fango y de la intensidad y longitud de onda de la luz irradiada en la producción de oxígeno por parte de algas con vistas a utilizar este oxígeno en la reducción catódica de las celdas de combustible microbianas. Los resultados alcanzados han sido satisfactorios y actualmente hay una publicación en fase de evaluación:

Y. Asensio, A. Santacruz, C.M. Fernandez-Marchante, J. Lobato, J. Villaseñor, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Influence of hydraulic retention time and carbon loading rate on the production of algae. En evaluación en la revista Fuel

En relación con este objetivo, también se ha evaluado la influencia de la disponibilidad de oxígeno en el compartimento catódico y de este trabajo se ha publicado el artículo:

S. Mateo, M. Rodrigo, L.P. Fonseca, P. Cañizares, F.J. Fernandez-Morales. Oxygen availability effect on the performance of air-breathing cathode microbial fuel cell. Biotechnology Progress, (2015) 31 (4), 900-907.

Objetivo 1.2. Evaluación de sistemas de separación de compartimentos anódico y catódico con prototipos

Objetivo alcanzado satisfactoriamente. Se han evaluado tres prototipos de celdas microbiológicas y para cada uno de los mismos se ha evaluado el uso de distintos materiales electródicos, separadores y combustibles, incluyendo no solo algas y acetatos sino también efluentes de bodegas, importantes en nuestra región y también sulfuros. Los resultados han sido muy satisfactorios. Se han publicado los siguientes trabajos:

A. Raschitor, G. Soreanu, C.M. Fernandez-Marchante, J. Lobato, P. Cañizares, I. Cretescu, M.A. Rodrigo. Bioelectro-Claus processes using MFC technology: Influence of co-substrate. Bioresource Technology 189 (2015) 94–98.

S. Mateo, A. Gonzalez del Campo, J. Lobato, M.A. Rodrigo, P. Cañizares, F.J. Fernandez-Morales. Long-term effects of the transient COD concentration on the performance of microbial fuel cells. (2016) Biotechnology Progress, 32 (4), 883-890.

E.D. Penteado, C.M. Fernández-Marchante, M. Zaiat, P.Cañizares, E.R. González and M.A Rodrigo. Energy recovery from winery wastewater using a dual chamber microbial fuel cell. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (2016), 91, 1802-1808.

C. Prestigiacomo, C.M. Fernandez-Marchante, F.J Fernández-Morales, P. Cañizares, O. Scialdone, M.A Rodrigo. New prototypes for the isolation of the anodic chambers in microbial fuel cells
Fuel (2016), 181, 704-710.

Y. Asensio, C.M. Fernandez-Marchante, J. Lobato, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Influence of the ion-exchange membrane on the performance of double-compartment microbial fuel cells. Journal of Electroanalytical Chemistry DOI: 10.1016/j.jelechem.2017.06.018

Objetivo 1.3. Producción de materia orgánica por algas y transformación de biomasa en sustrato de org. Bioelectrogénicos
Objetivo alcanzado satisfactoriamente. Se ha evaluado el efecto de los principales parámetros (longitud de onda e intensidad de la luz irradiada, temperatura y edad de fango) en la velocidad de reproducción de algas con el fin de maximizar su producción. Los resultados alcanzados han sido satisfactorios y actualmente hay una publicación en fase de evaluación (conjunta con objetivo 1.1):

Y. Asensio, A. Santacruz, C.M. Fernandez-Marchante, J. Lobato, J. Villaseñor, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Influence of hydraulic retention time and carbon loading rate on the production of algae. En evaluación en la revista Fuel

Se ha estudiado la influencia de los tratamientos térmicos como pretratamiento para emplear las algas como combustible. Fruto de esta investigación se encuentra en fase de evaluación el siguiente artículo:

Y. Asensio, L.F. León, C.M. Fernández-Marchante, J. lobato, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Use of thermally-treated algae suspensions as fuel for Microbial fuel cells.

Asimismo se han evaluado posibles formas de concentrar las algas para ser utilizadas como alimento en las celdas de combustible microbianas. Fruto de esta investigación se ha publicado el artículo

Fernanda L. Souza, Salvador Cotillas, Cristina Sáez Pablo Cañizares, Marcos R.V. Lanza, Aurora Seco and Manuel A. Rodrigo. Removal of algae from biological cultures: a challenge for electrocoagulation? Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 91, 82-87.

También se ha trabajado en los procesos de fermentación de sustratos para hacerlos más fácilmente accesibles a los microorganismos electrogénicos. Fruto de este trabajo se ha publicado el artículo:

A. Fernandez, M.A. Sanromán, S. Marks, J. Makinia, A. Gonzalez del Campo, M. Rodrigo, F.J. Fernandez. A grey box model of glucose fermentation and syntrophic oxidation in microbial fuel cells Bioresource Technology, (2016) 200, 396-404.

Objetivo 2.1. Diseño y optimización de la reducción de oxígeno producido por algas en la superficie catódica
Objetivo cumplido satisfactoriamente. Se ha comparado el funcionamiento de celdas de combustible microbianas de tipo autorrespirantes con celdas convencionales en las que el oxígeno se aporta por algas. En todos los casos se ha estudiado el uso de distintos catalizadores para comprobar en qué condiciones se optimiza el proceso catódico. Los resultados alcanzados han sido satisfactorios y se encuentran en fase de discusión previa a la preparación de publicaciones.

Objetivo 2.2. Integración de componentes en maqueta y prueba inicial de concepto
Objetivo cumplido satisfactoriamente. Se han realizado pruebas de concepto de la tecnología y fruto de las mismas se ha realizado la publicación:

S. Mateo, A. Gonzalez del Campo, P. Cañizares, J. Lobato, M.A. Rodrigo, F.J. Fernández. Bioelectricity generation in a self-sustainable Microbial Solar Cell. Bioresource Technology 159 (2014) 451–454

Se ha conseguido también la implementación de los dos subsistemas en celdas más robustas que no requieran de la adición de un combustible externo. Con una de estas maquetas se ha conseguido encender iluminación tipo led, lo que demuestra la aplicabilidad de la tecnología. (mirar página web)

Como desarrollo lateral se ha aplicado la tecnología al desarrollo de celdas microbianas en lagunajes, lo que ha dado lugar a la siguiente publicación:

J. Villaseñor, L. Rodríguez, C.M. Fernández-Marchante, F.J. Fernández-Morales, M.A. Rodrigo, The salinity effects on the performance of a constructed wetland-microbial fuel cell. (2017) Ecological Engineering, 107, 1-7.

Objetivo 2.3.Desarrollo de procesos bioelectrogénicos de cultivo fijo para el consumo de algas
Objetivo cumplido satisfactoriamente. Se ha evaluado la influencia de la edad de fango como parámetro operativo principal de estos dispositivos. De este modo, en los diferentes modelos de celdas utilizados se ha evaluando el efecto de la edad de fango, utilizando edades de fango muy reducidas con el fin de garantizar que los microorganismos que produzcan electricidad sean de cultivo fijo. Se han alimentado las celdas con aguas sintéticas de diferentes composiciones y concentraciones. Los resultados alcanzados han sido satisfactorios. Se han publicado los siguientes trabajos:

Y. Asensio, C.M. Fernández-Marchante, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Influence of the fuel and dosage on the performance of double-compartment microbial fuel cells. Water Research (2016) 99, 16-23.

E. D. Penteado, C.M. Fernandez-Marchante, M. Zaiat, P. Cañizares, E.R. Gonzalez, M.A. Rodrigo. Influence of sludge age on the performance of MFC treating winery wastewater. Chemosphere 151 (2016) 163-170.

Mateo, S., D’Angelo, A., Scialdone, O., Cañizares, P., Rodrigo, M.A., Fernandez-Morales, F.J.
The influence of sludge retention time on mixed culture microbial fuel cell start-ups
(2017) Biochemical Engineering Journal, 123, pp. 38-44.

D’Angelo, A., Mateo, S., Scialdone, O., Cañizares, P., Fernandez-Morales, F.J., Rodrigo, M.A.
Optimization of the performance of an air-cathode MFC by changing solid retention time
(2017) Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 92, 1746-1755.

También se ha evaluado la influencia de los métodos de inoculación en el desarrollo de biofilms electrogénicos, estando dos trabajos enviados para su publicación:

F. Vicari, Y. Asensio, C.M. Fernández-Marchante, J. Lobato, P. Cañizares, O. Scialdone, M.A. Rodrigo. Influence of the start-up conditions in the long term performance of double-compartment Microbial Fuel Cells. Enviado para su publicación a Bioelectrochemistry

F. Vicari, S. Mateo, F.J. Fernandez, P. Cañizares, A. Galia, O. Scialdone, M.A. Rodrigo. Influence of the methodology of inoculation in the performance of air-breathing microbial fuel cells. Enviado para su publicación a Journal of Electroanalytical Chemistry

Por último se ha evaluado la composición de las poblaciones microbianas electrogénicas utilizando la técnica Illumina. Los resultados se han incluido en el siguiente trabajo, que actualmente se encuentra en fase de evaluación:

S. Mateo, N. Zamorano-López, L. Borras, F.J. Fernandez, P. Cañizares, A. Seco, M.A. Rodrigo. Effect of sludge age on the bio-electrogenic populations developed in MFC. Enviado para su publicación a Journal of Chemical Technology and Biotechnology

Objetivo 3.1.Miniaturizacion de cátodos y compartimento catódico

Objetivo alcanzado con éxito. Se ha evaluado el escalado y miniaturización del compartimento catódico, estudiándose la influencia de la adición de metales catalíticos en el cátodo con objeto de mejorar la reducción del oxígeno a agua y la utilización de mediadores electroquímicos. Fruto de este trabajo se han publicado los trabajos:
E.D. Penteado, C.M. Fernandez-Marchante, M. Zaiat, P. Cañizares, E.R. Gonzalez, M.A. Rodrigo. On the effects of ferricyanide as cathodic mediator on the performance of Microbial Fuel Cells. Electrocatalysis (2017) 8, 59-66.
S. Mateo, F.J. Fernandez, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Influence of the cathode platinum loading and of the implementation of membranes on the performance of air-breathing microbial fuel cells. Electrocatalysis. DOI : 10.1007/s12678-017-0393-7

Objetivo 3.2. Miniaturización de la mejor maqueta y estudio de modularidad
Objetivo alcanzado con éxito. Se ha conseguido optimizar la construcción de pilas de celdas de combustible microbiológicas con las dos tecnologías principales evaluadas (doble compartimento y air-breathing). Se han estudiado las distintas posibilidades de conexionado eléctrico e hidráulico entre celdas de combustible microbiológicas, además de estudiar su comportamiento en función del número de celdas apilas. Fruto de esta investigación se ha publicado el siguiente artículo.

Y. Asensio, E. Mansilla, C.M. Fernandez-Marchante, J. Lobato, P. Cañizares, M.A. Rodrigo Towards the scale-up of bioelectrogenic technology: stacking microbial fuel cells to produce larger amounts of electricity. Journal of Applied Electrochemistry. DOI : 10.1007/s10800-017-1101-2

Objetivo 3.3. Miniaturización de ánodos y compartimento anódico

Objetivo alcanzado con éxito. se ha estudiado la influencia del volumen del compartimento anódico, optimizándose la relación superficie de electrodo y volumen anódico. Fruto de esta investigación se ha publicado el siguiente artículo:

E.D. Penteado, C.M. Fernández-Marchante, M. Zaiat, E.R. Gonzalez, M.A. Rodrigo. Optimization of the performance of Microbial fuel Cell using the ratio Electrode-Surface Area/Anode-Compartment Volume. Brazilian Journal of Chemical Engineering (2017) DOI BJCE.2016.0411.R1

Se ha estudiado la influencia de los materiales anódicos carbonosos así como la presencia de metales en el comportamiento y miniaturización de las celdas microbianas de combustible. Estos trabajos se encuentran publicados o en revisión en los siguientes trabajos:

Y. Asensio, I.B. Montes, C.M. Fernández-Marchante, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Selection of cheap electrodes for two-compartment microbial fuel cells. Journal of Electroanalytical Chemistry 785 (2017) 235-240.
E.D. Penteado, C.M. Fernández-Marchante, M. Zaiat, E.R. Gonzalez, M.A. Rodrigo. Influence of carbon electrode material on energy recovery from winery wastewater using a dual-chamber microbial fuel cell. Environmental Technology (2017) DOI 10.1080/09593330.2016.1226961

S. Mateo, P. Cañizares, M.A. Rodrigo, F.J. Fernandez-Morales. Carbonaceous anodes for microbial fuel cells, en evaluación en Journal of Chemical Technology and Biotechnology

S. Mateo, P. Cañizares, M.A. Rodrigo, F.J. Fernandez-Morales. Performance of metal-doped carbonaceous anodes in air-breathing microbial fuel cells en Journal of Power Sources

Objetivo 4.1. Fabricación de dispositivo escalable y caracterización de comportamiento

Objetivo alcanzado de acuerdo satisfactoriamente. Se han desarrollado dos tipos de pilas de celdas microbianas, una para tecnología de doble compartimento y otra para tecnología autorespirante. Se han publicado el siguiente trabajo

Y. Asensio, C.M. Fernández-Marchante, J. Villaseñor, J. Lobato, P. Cañizares, M.A. Rodrigo. Algal biomass as fuel for stacked-MFCs for profitable, sustainable and carbon neutral bioenergy generation. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. DOI: 10.1002/jctb.5354

Y está en vías de publicación otro trabajo con la tecnología de pilas de celdas autorrespirantes.

Objetivo 4.2.Comprobación de aplicaciones: sustitución CFV por CFM en lámpara de jardín

Objetivo alcanzado con éxito. Se ha preparado varios videos demostrativos de la tecnología con los dos prototipos de celdas utilizados.

CTQ2013-49748-EXP