REVISÃO INTEGRATIVA
BAIL, Jaqueline [1]
BAIL, Jaqueline. Célula a combustível microbiana: Uma tecnologia sustentável promissora. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 10, Vol. 01, pp. 151-158. Outubro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/celula-a-combustivel
RESUMO
O constante aumento mundial no uso de água acarreta, consequentemente, ao aumento na geração de águas residuais, popularmente chamadas de esgoto. Esta situação tornou-se uma importante preocupação para os governos e para a comunidade científica em geral. Logo, as células a combustível microbianas (CCMs), vêm chamando a atenção de pesquisadores por ser uma tecnologia capaz de converter a energia química contida nas águas residuais em energia elétrica limpa com a biorremediação simultânea das águas residuais. Este estudo teve como objetivo analisar pesquisas relevantes sobre esta tecnologia promissora. Para isto, utilizou-se uma abordagem qualitativa para a identificação de produções pertinentes sobre as CCMs. Através da coleta de dados realizada nas bases de dados Periódicos Capes e Science Direct, foram obtidos 20 artigos científicos de acordo com os descritores utilizados. Dentre eles, 3 trabalhos foram selecionados de acordo com critérios de inclusão do presente estudo. Através dos quais foi possível reconhecer que as pesquisas científicas vêm apresentando resultados positivos e promissores com a utilização das CCMs para a conversão de energia química das águas residuais em energia elétrica limpa e sustentável.
Palavras-chave: Produção de energia microbiana, águas residuais, esgoto, energia limpa.
INTRODUÇÃO
O rápido crescimento populacional e a urbanização levaram a um importante aumento no uso de água, acarretando uma maior geração de águas residuais provenientes, principalmente, de indústrias e agricultura (NEETHU et al., 2020; VILELA et al., 2020). Estes resíduos transportam grande quantidade de materiais poluentes e precisam ser tratados para que os compostos orgânicos tóxicos, ali presentes, sejam metabolizados em compostos menos tóxicos ao ambiente (ALFAIA et al., 2017).
No entanto, as águas residuais geradas por famílias, indústrias e agricultura podem ser vistas como um recurso valioso, que pode atender às demandas de água e energia. Logo, diferentes áreas do conhecimento buscam desenvolver novas tecnologias para dar utilidade aos rejeitos de biomassa e detritos em geral, atendendo também às crescentes necessidades globais de energia. Diante disso, surgem três questões principais: a ambiental, a econômica e a tecnológica a fim de suprir as demandas crescentes de energia (VILELA et al., 2020; NEETHU et al., 2020). Assim, devido aos graves problemas ambientais causados pelo acúmulo de águas residuais, como também pela queima dos combustíveis fósseis e o esgotamento de suas reservas para a produção de energia (XU et al., 2018; ALFAIA et al., 2017), torna-se necessário o desenvolvimento de novos meios alternativos sustentáveis de geração de energia limpa e renovável para conter ambos os problemas.
Nesta perspectiva, destacam-se as células a combustível microbianas (CCMs), uma das tecnologias sustentáveis promissoras capazes de converter a energia química contida nas águas residuais em energia elétrica limpa, alcançando a biorremediação simultânea de águas residuais (NEETHU et al., 2020; VILELA et al., 2020). Considerando que um dos principais problemas da aplicação das CCMs seja o alto custo de entrada no mercado em larga escala (LI et al., 2019; ZHAO et al., 2015), a comunidade científica vem trabalhando exaustivamente em pesquisas e desenvolvimentos constantes de novos materiais para as reações eletródicas em células a combustível, visando à viabilização dos sistemas e, consequentemente, a resolução sustentável de tais problemas.
METODOLOGIA
Trata-se de um estudo qualitativo para a identificação de produções relevantes sobre a tecnologia das CCMs. Adotou-se para isto, a revisão integrativa da literatura, haja vista que ela contribui para o processo de sistematização e análise das informações, visando à compreensão do tema, a partir de estudos independentes.
Para tanto, seis etapas foram adotadas para a elaboração deste trabalho: 1) definição do problema de pesquisa; 2) definição dos critérios de inclusão de artigos e seleção dos mesmos; 3) representação dos artigos selecionados em tabelas; 4) análise crítica dos artigos; 5) interpretação dos achados e 6) elaboração do estudo em questão.
A coleta de dados foi realizada no período de 01 a 30 de julho de 2020 através das seguintes bases de dados: Portal de Periódicos CAPES e Science Direct. Foram adotados os seguintes critérios de inclusão de artigos: todas as categorias de artigos, publicação nos idiomas português ou inglês, entre os anos 2016 e 2020, artigos que contivessem em seus títulos e/ou resumos os seguintes descritores: microbial fuel cell and/or microbial energy production, bem como bons resultados de materiais eletródicos utilizados em uma CCM.
Os recursos utilizados na pesquisa foram os operadores booleanos e truncagem de termos associados aos descritores específicos. Definiu-se como critério de exclusão os artigos que não atendessem aos critérios de inclusão estabelecidos anteriormente.
Como resultado, foram obtidos 20 artigos científicos, os quais foram analisados minuciosamente destacando-se os que responderam ao objetivo do presente trabalho. Para a organização e análise dos dados, uma tabela foi elaborada para a coleta de dados contendo: título do artigo, periódico de publicação, ano de publicação e enfoque do estudo. Seguindo os critérios de inclusão, 3 estudos foram selecionados para análise, os quais são referenciados no presente trabalho. A análise dos dados extraídos dos artigos foi realizada de forma descritiva, com o propósito de englobar o conhecimento produzido sobre o tema.
RESULTADOS
A amostra final foi constituída por três artigos científicos, selecionados através dos critérios de inclusão previamente estabelecidos, de acordo com a tabela 1.
Tabela 1. Artigos científicos, encontrados nas bases de dados Periódicos Capes e Science Direct, sobre CCMs.
| Título do artigo | Periódico | Autor/Ano de publicação | Enfoque do artigo |
| Improved performance of microbial fuel cell by using conductive ink printed cathode con-taining Co3O4 or Fe3O4
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Electrochimica Acta
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Bhowmick et al., 2019 | Desempenho da célula de combustível microbiana com tratamento do cátodo |
| An excellent alternative composite modifier for cathode catalysts prepared from bacterial cellulose doped with Cu and P and its utilization in microbial fuel cell
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Bioresource technology | Li et al., 2019 | Desempenho da célula de combustível microbiana com tratamento do cátodo |
| Improving performance of microbial fuel cell by enhanced bacterial-anode interaction using sludge immobilized beads with activated carbon | Process Safety and Environmental Protection | Neethu et al., 2020 | Desempenho da célula de combustível microbiana com desenvolvimento de materiais para composição do ânodo |
DISCUSSÃO
As CCMs são dispositivos que utilizam comunidades microbianas presentes em determinadas amostras para catalisar a oxidação da matéria orgânica, gerando eletricidade, através de reações eletroquímicas. O princípio fundamental envolvido nesta tecnologia é a capacidade dos micro-organismos catalisarem oxidações ou reduções eletroquímicas em um ânodo ou cátodo, respectivamente, para produzir uma corrente elétrica (KUMAR et al., 2017). A utilização das CCMs para a conversão de energia química contida nas águas residuais em energia elétrica é uma tecnologia altamente promissora para dar utilidade aos rejeitos de biomassa e detritos em geral. Em vista da crescente demanda de energia e dos problemas ambientais emergentes, os sistemas de energia sustentável estão gradualmente sendo considerados (NEETHU et al., 2020; KOÓK et al., 2016).
Pesquisas sobre técnicas para potencializar a atividade de bactérias eletrogênicas e o desenvolvimento de materiais de ânodos eficientes vem chamando a atenção da comunidade científica e estão avançando rapidamente, buscando a possibilidade de aumentar a eficiência das células bacterianas na transferência de elétrons para o ânodo (NEETHU et al., 2020; BHOWMICK et al., 2019). Existem três métodos diferentes para que as bactérias transfiram elétrons na reação de oxidação para o ânodo: através de um mediador extracelular que absorve os elétrons e os transfere para o ânodo; através de proteínas da mebrana externa, como o citocromo c; ou por meio de estruturas de nano fios, como pili (CLARK e PAZDERNIK, 2016).
Em contraste, os organismos oxidantes de eletrodo usam elétrons do cátodo para reduzir as substâncias na câmara do cátodo. Em câmaras aeróbicas, os micro-organismos podem reduzir o oxigênio à água. Em ambientes anaeróbicos, nitrato ou sulfato podem ser reduzidos a nitrito, nitrogênio ou íons de enxofre (LI et al., 2019; SONG et al., 2019). Outra redução potencial para essas bactérias é a conversão de dióxido de carbono em metano ou acetato. O processo usa acetil-CoA como intermediário para construir ácidos graxos e álcoois de cadeia ainda mais longa. Destarte, os substratos de que esses organismos precisam para as reações redox podem ser facilmente obtidos de águas residuais ou contaminadas que podem fornecer energia limpa e, em adição, limpar o meio ambiente (CLARK e PAZDERNIK, 2016).
Considerando que, os eletrodos determinam o desempenho e o custo de uma CCM, o material do eletrodo deve ser biocompatível, ter alta condutividade elétrica, não deve se decompor em águas residuais, precisa ser hidrofílico, anticorrosivo e acessível. Diversos alótropos do carbono, como o grafeno, são frequentemente usados na confecção de eletrodos em laboratório (XU et al., 2018). Haja vista que, o grafeno possui uma alta atividade catalítica devido à sua estrutura em forma de arame, ou seja, uma estrutura hexagonal de átomos de carbono (WANG, 2019; XU et al., 2018).
Neethu e colaboradores (2020) realizaram uma tentativa de explorar a capacidade da matriz de grânulos à base de alginato contendo carvão ativado (CA) e lodo anaeróbico misto como inóculo imobilizado incorporado em camada de aço inoxidável (AI) para ser usado como material anódico em uma CCM. A maior interação bacteriana observada no ânodo baseado em AI contendo tanto o CA quanto o inóculo incorporado em grânulos de alginato de sódio apresentou excelente desempenho da CCM em termos de geração de energia e tratabilidade de águas residuais (eficiência de remoção de demanda de oxigênio químico (COD) de 91,6 %). Este material de ânodo desenvolvido abriu o escopo para estender seu uso em CCMs ampliadas para torná-la econômica, ao mesmo tempo em que atingiu um desempenho mais alto em comparação com os ânodos baseados em feltro de carbono que são comumente usados em CCMs.
Li e colaboradores (2019), por sua vez, realizaram uma pesquisa baseada na eficácia do tratamento da celulose bacteriana com cobre (Cu) e fósforo (P), a qual foi utilizada como um catalisador no cátodo de uma CCM. A utilização de tais materiais aumentou significativamente a atividade catalítica. Onde a potência máxima de saída foi maior do que a da platina e melhor do que o nitrogênio em comparação com outros tratamentos de metais de transição. Ainda, Bhowmick et al. (2019) utilizaram Co3O4 e Fe3O4 impressos com tinta condutora como catalisadores catódicos, e demonstraram um melhor desempenho elétrico e eficácia de tratamento de águas residuais em uma CCM, em comparação com um controle de CCM com feltro de carbono puro como cátodo. Essas pesquisas contribuiram com a economia de custos para o desenvolvimento de catalisadores catódicos para utilização em CCMs, bem como para a geração de eletricidade e tratamento de águas residuais.
Assim, torna-se nítida que utilização de consórcios microbianos e/ou comunidades microbianas presentes em resíduos industriais e urbanos vem apresentando resultados positivos e promissores na tecnologia utilizando CCMs com alto potencial gerador de energia (NEETHU et al., 2020; VILELA et al., 2020; LI et al., 2019). O maior desafio para produzir um ótimo custo-benefício nesta tecnologia é projetar eletrodos adequados (XU et al., 2018). Por isso, a corrida científica pelo desenvolvimento de materiais para composição de eletrodos eficazes, de longa duração e baixo custo está mais competitiva a cada dia. Já que, permitirá desta forma, um avanço tecnológico importante no tratamento eficaz de águas residuais, na geração de energia limpa e, consequentemente, a utilização em larga escala.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
As pesquisas sobre o desenvolvimento de materiais multifuncionais para a utilização em CCMs vêm sendo realizadas incessantemente. Haja vista ser, claramente, uma tecnologia promissora para o tratamento de águas residuais, utilidade de rejeitos de biomassa e detritos em geral, atendendo também às crescentes necessidades globais de geração de energia limpa e sustentável.
REFERÊNCIAS
ALFAIA, R. G. S. M. et al. Municipal solid waste in Brazil: A review. Waste Management & Research, 35(12):1195–1209, 2017.
BHOWMICK, G. D. et al. Improved performance of microbial fuel cell by using conductive ink printed cathode con-taining Co3O4 or Fe3O4. Electrochim. Acta 310:173–183, 2019.
CLARK, D. P.; PAZDERNIK, N. J. Chapter 12 – Environmental Biotechnology. In: Biotechnology (Second Edition). Applying the Genetic Revolution. 393-418, 2016.
KOÓK, L. et al. Bioelectrochemical treatment of municipal waste liquor in microbial fuel cells for energy valorization. Journal of Cleaner Production, 112(5):4406-4412, 2016.
KUMAR, R. et al. Exoelectrogens in microbial fuel cells toward bioelectricity generation: a review. International Journal of energy research. 39(8):1048-1067, 2017.
LI, H. et al. An excellent alternative composite modifier for cathode catalysts prepared from bacterial cellulose doped with Cu and P and its utilization in microbial fuel cell. Bioresource technology. 289:121661, 2019.
NEETHU, B. et al. Improving performance of microbial fuel cell by enhancedbacterial-anode interaction using sludge immobilized beads withactivated carbon. Process Safety and Environmental Protection. 285-292, 2020.
SONG, H-L.; ZHU, Y.; Li, J. Electron transfer mechanisms, characteristics and applications of biological cathode microbial fuel cells – A mini review. Arabian Journal of Chemistry, 12(8):2236-2243, 2019.
VILELA, C. et al. Membranas de poli (ácido 4-estireno sulfônico) / celulose bacteriana: Desempenho eletroquímico em uma célula a combustível microbiana de câmara única. Relatórios de tecnologia da Bioresource. 100376 (9), 2020.
WANG, Yufang. Research Progress of Organic Functionalized Graphene in Heterogeneous Catalytic Application. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 022042, 2019.
XU, F. et al. Economic benefit analysis of typical microbial fuel cells based on a cost–benefit analysis model. Desalin. Water Treat. 135:59-93, 2018.
[1] Mestre em Ciências, Farmacêutica Generalista.
Enviado: Outubro, 2020.
Aprovado: Outubro, 2020.
