Exploring challenges in microbial electromethanogenesis: effect of power interruptions, temperature, pH and gas composition

Abstract

[ES] Las energías renovables y las tecnologías de captura y utilización de carbono han experimentado un aumento en los últimos años como consecuencia de la mayor concienciación sobre el consumo de combustibles fósiles y la contaminación asociada. En este contexto, el biogás procedente del proceso térmico o de la digestión anaeróbica se ha convertido en una tecnología fundamental para lograr simultáneamente la gestión de residuos y la producción de bioenergía. Para cumplir las especificaciones del gas natural, es necesario mejorar el contenido de CH4 del biogás. Las tecnologías convencionales de mejora del biogás utilizan técnicas de separación y sorción y, aunque son tecnologías maduras y aplicables, adolecen de ser intensivas en energía. Los sistemas bioelectroquímicos (BES) han surgido recientemente como alternativa a estos sistemas tradicionales de mejora del biogás.

Mediante la electrometanogénesis (EM) en el biocátodo de una BES, la fracción de CO2 del biogás puede reducirse directamente a CH4, utilizando la energía excedente producida con energías renovables. Sin embargo, esta tecnología se encuentra todavía en una fase temprana de desarrollo y adolece de varios problemas, como la intermitencia de la fuente de energía, la influencia de la temperatura, la influencia del pH y los contaminantes presentes en el biogás que se va a mejorar.

En este contexto, el objetivo principal de esta tesis será investigar la influencia que estos factores tienen sobre la EM, llevando a cabo un estudio preliminar sobre la variación de la EM, entender el impacto en las etapas electrotróficas hidrogenogénicas y metanogénicas y explorar la viabilidad técnica de utilizar un biogás real como materia prima.

La necesidad de acomodar las fluctuaciones intrínsecas a las energías renovables (principalmente solar y eólica) requiere una comprensión del impacto que esta inconstancia de energía tendría en la EM. Esta tesis explora el impacto de los cortes de energía de 24 a 96 horas en los reactores de EM para determinar su efecto en las tasas de producción de metano, el consumo de densidad de corriente, la eficiencia de conversión de corriente y en las comunidades microbianas que componen la biopelícula del cátodo. Durante los cortes de energía, los cátodos fueron operados con y sin suplemento externo de H2 para determinar cómo los cortes de energía afectan a las rutas hidrogenogénicas y metanogénicas. El proceso de EM fue resistente a las fluctuaciones de energía, aunque la eficiencia del proceso disminuyó en ausencia de suplemento de H2.

Otro aspecto importante de la EM es el efecto que tienen las temperaturas medias-bajas en las etapas electrotrófica y metanogénica. Para abordar esta cuestión, se sometieron los reactores de EM a diferentes temperaturas (entre 30 y 15 °C). La disminución de la temperatura afectó a la riqueza en metano del producto. La metanogénesis, más que la hidrogénesis, se vio afectada y resultó ser la principal fuente de variabilidad en la EM.

La selectividad es otro de los retos a los que se enfrentan los sistemas de EM. Este aspecto depende principalmente de las comunidades microbianas que se seleccionan en el cátodo y nuestra hipótesis es que el pH podría jugar un papel clave. En esta tesis se estudia el impacto del pH en la EM tanto durante el arranque como en condiciones normales de funcionamiento. El entorno ácido permitió un inicio más rápido de la producción de metano, y el descenso del pH mejoró el rendimiento hasta un pH de 4,5. Los resultados también perecían indicar que un pH local elevado en la superficie del cátodo evitaba las graves alteraciones fisiológicas en las comunidades microbianas causadas por un pH global bajo.

El último reto que se aborda en esta tesis es el uso del biogás real. La fase off-gas rica en CO2 procedente de la carbonización hidrotermal (HTC) se utilizó como sustrato real para un sistema de EM. El estudio demostró que el off-gas HTC puede ser utilizado como materia prima en un sistema de EM, aunque hay una disminución en la producción de metano de hasta el 50%. Este impacto fue mayor en la parte metanogénica del proceso, probablemente causado por la presencia de CO.

[EN] Renewable energy and carbon capture and utilisation technologies have experienced a rise in recent years as a result of increased awareness of fossil fuel consumption and associated pollution. In this context, biogas from thermal process or anaerobic digestion has become a critical technology to simultaneously achieve waste management and bioenergy production. To meet natural gas specifications, the CH4 content of biogas must be upgraded. Conventional biogas upgrading technologies use separation and sorption techniques, and although they are mature and applicable technologies, they are generally energy intensive. Bioelectrochemical systems (BES) have recently emerged as an alternative to these traditional biogas upgrading systems.

By means of electromethanogenesis (EM) in the biocathode of a BES, the CO2 fraction of the biogas can be directly reduced to CH4 in a biocathode, using surplus energy produced with renewable energies. However, this technology is still in an early stage of development and suffers from several challenges such as the intermittency of the power source, the influence of temperature, the influence of pH and the pollutants present in the biogas to be upgraded. In this context, the main objective of this thesis will be to investigate the influence that these factors have on EM, to perform a preliminary study on EM variability, understand their impact on the electrotrophic hydrogenogenic and methanogenic stages and to explore the technical feasibility of using a real biogas as feedstock.

The need to accommodate fluctuations intrinsic to renewable energy (mainly solar and wind) requires an understanding of the impact this power inconstancy would have on EM. This thesis explores the impact of 24 to 96 h power outages on EM reactors to determine their effect on methane production rates, current density consumption, current conversion efficiency, and on the microbial communities that compose the cathode biofilm. During the power outages, the cathodes were operated with and without external H2 supplementation to determine how the power outages affect the hydrogenogenic and methanogenic pathways. EM was resilient to power fluctuations, although process efficiency decreased in the absence of H2 supplementation.

Another important aspect of EM is the effect that medium-low temperatures have on the electrotrophic and methanogenic stages. To address this issue, EM reactors were subjected to different temperatures (between 30 and 15 °C). Decreasing the temperature affected the methane richness of the product. Methanogenesis, rather than hydrogenesis, was affected and proved to be the main source of variability in EM.

Selectivity is another challenge faced by EM systems. It mainly dependns on the microbial communities that finally grow on the cathode and our hypothesis is that pH could play a key role. This thesis studies the impact of pH on the EM process both during start-up and during normal operating conditions. The acidic environment allowed a faster onset of methane production, and dropping pH improved performance up to pH of 4.5. Results also seemed to indicate that high local pH on the surface of the cathode prevented severe physiological disruptions on the microbial communities caused by low bulk pH.

The last challenge to be addressed in this thesis is the use of real biogas. The CO2-rich off-gas phase from hydrothermal carbonisation (HTC) was used as a real substrate for an EM system. The work demonstrated that off-gas HTC can be used as raw material in an EM system although there is a decrease in methane production of up to 50% probably caused by the presence of CO.