Microbial electromethanogenesis for co2 valorisation and electrical energy storage

Abstract

[EN] Carbon capture, utilisation, and storage (CCUS) is a group of technologies that are critical for the decarbonisation of the economy. CCUS is an umbrella concept that encompasses any technology that reduces or eliminates the emission of CO2 into the atmosphere, while redirecting the carbon into a sustainable carbon sink. Microbial electromethanogenesis (EM) can be included within this group of technologies as it is able to convert CO2 into organics and fuels by using microorganisms as biocatalysts. In addition, the EM process requires a certain amount of electricity to proceed, which makes it capable to convert any surplus of electrical energy into a more easily storable energy such as fuel gas. This feature allows EM to be grouped not only within CCUS but also within power-to-gas technologies. However, before achieving commercial development, EM needs to face a number of challenges, such as the efficient conversion of CO2 gas, the use of compatible electrode materials or the improvement of coulombic efficiencies. Thus, the aim of this thesis is to advance towards the practical application of EM as an energy storage and CCUS technology (operated either in stand-alone mode or integrated with other biotechnologies), by addressing some of the key issues mentioned above. In the process of integrating the EM system with other biotechnologies, it is necessary to understand the challenges that imply the use of complex wastes as substrates. This thesis compares the treatment efficiency of microbial electrolysis cell (MEC)- assisted anaerobic digestion (AD) and conventional AD for two real organic wastes: i) exhausted vine shoot fermentation broth (EVS) from the final stream of a gas stripping process and ii) cheese whey (CW) waste from the dairy industry. In the EVS treatment, the MEC-AD system produced 7 times more methane than the traditional AD, in addition to improving the electrical capacity and resistance of the system. For the CW valorisation tests, both the MEC-AD and the AD reactors were supplemented with two different carbonaceous materials (activated carbon (AC) and pyrolysed argan (PA)). The AC amendment allowed for a faster start-up, although it negatively affected the methane productivity. The PA had no visible benefit in terms of methane yield compared to nonsupplemented AD. Nevertheless, it slightly increased the methane production rate, something that could bring practical advantages in real-life AD facilities. Another aspect that needs to be addressed before scaling-up EM are the still relatively low current densities of the methanogenic biocathodes. The good results obtained with bioanodes modified with graphene oxide induced us to explore the use of this material in biocathodes. The current density generated by the graphene-modified electrodes was almost 30% higher than that of the control carbon felt electrode, with simultaneous increase in microbial abundance. It was also estimated that to produce high quality biogas (>95% methane concentration), a CO2 feed rate in the range of 15–30 g CO2 per m2 of electrode per day was required. Under certain circumstances biocathodes can behave as biological supercapacitors, which allows them to be used not only for long-term, but also for shortterm energy storage. This thesis investigates the electrical charge storage capabilities of graphene-modified carbon-felt-based bioelectrodes. Results seem to indicate that graphene-modifications have a positive effect in the electrochemical performance of biocathodes but deteriorates both the kinetics and the charge storage capabilities of the abiotic cathodes. Finally, this thesis also evaluates the technical feasibility of integrating an EM system into real biogas production plants (case study). It was found that the use of this technology for biogas upgrading or for CO2-rich streams valorisation can produce a biogas with a composition similar to that of natural gas. Results also showed that EM allows for a 38-54% improvement in methane production compared to the baseline scenario (conventional anaerobic digestion).

[ES] La captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) es un grupo de tecnologías fundamentales para la descarbonización de la economía. CCUS es un concepto general que engloba cualquier tecnología que reduzca o elimine la emisión de CO2 a la atmósfera, al tiempo que puede redirigir el carbono a un sumidero de carbono sostenible. La electrometanogénesis microbiana (EM) puede incluirse dentro de este grupo de tecnologías, ya que es capaz de convertir el CO2 en compuestos orgánicos y combustibles utilizando microorganismos como biocatalizadores. Además, el proceso de EM requiere una cierta cantidad de electricidad para llevarse a cabo, lo que lo hace capaz de convertir cualquier excedente de energía eléctrica en una energía más fácilmente almacenable, como el gas combustible. Esta característica permite agrupar el EM no sólo dentro de las CCUS, sino también dentro de las tecnologías "power-to-gas". Sin embargo, antes de alcanzar un desarrollo comercial, la EM necesita enfrentarse a una serie de retos, como la conversión eficiente del CO2, el uso de materiales de electrodo compatibles o la mejora de las eficiencias coulómbicas. Por ello, el objetivo de esta tesis es avanzar hacia la aplicación práctica de la EM como tecnología de almacenamiento de energía y CCUS (operada en modo autónomo o integrada con otras biotecnologías), abordando algunas de las cuestiones clave mencionadas anteriormente. En el proceso de integración del sistema EM con otras biotecnologías, es necesario comprender los retos que implica el uso de residuos complejos como sustratos. Esta tesis compara la eficiencia de tratamiento de la digestión anaerobia (AD) asistida por celdas de electrólisis microbiana (MEC) y la AD convencional para dos residuos orgánicos reales: i) caldo de fermentación de sarmientos de vid agotado (EVS) procedente de la corriente final de un proceso de desgasificación y ii) residuos de suero de queso (CW) de la industria láctea. En el tratamiento del EVS, el sistema MEC-AD produjo 7 veces más metano que el AD tradicional, además mejoró la capacidad eléctrica y la resistencia del sistema. Para las pruebas de valorización del CW, tanto el MEC-AD como los reactores AD fueron suplementados con dos materiales carbonosos diferentes (carbón activado (AC) y argán pirolizado (PA)). La adición de AC permitió una puesta en marcha más rápida, aunque afectó negativamente a la productividad de metano. El PA no tuvo ningún beneficio visible en términos de producción de metano en comparación con la AD no suplementada. Sin embargo, aumentó ligeramente la tasa de producción de metano, algo que podría aportar ventajas prácticas en instalaciones de AD reales. Otro aspecto que debe abordarse antes de escalar la EM son las densidades de corriente que aún son relativamente bajas en los biocátodos metanogénicos. Los resultados positivos obtenidos con bioánodos modificados con óxido de grafeno nos indujeron a explorar el uso de este material en biocátodos. La densidad de corriente generada por los electrodos modificados con grafeno fue casi un 30% superior a la del electrodo de fieltro de carbono de control, con un aumento simultáneo de la abundancia microbiana. También se estimó que, para producir biogás de alta calidad (>95% de concentración de metano), se requería una tasa de alimentación de CO2 del orden de 15- 30 g de CO2 por m2 de electrodo por día. En determinadas circunstancias, los biocátodos pueden comportarse como supercondensadores biológicos, lo que permite utilizarlos no sólo para el almacenamiento de energía a largo plazo, sino también a corto plazo. Esta tesis investiga la capacidad de almacenamiento de carga eléctrica de bioelectrodos, utilizando fieltros de carbono modificados con grafeno. Los resultados parecen indicar que las modificaciones del grafeno tienen un efecto positivo en el rendimiento electroquímico de los bioelectrodos pero deterioran tanto la cinética como la capacidad de almacenamiento de carga de los cátodos abióticos. Por último, esta tesis también evalúa la viabilidad técnica de integrar un sistema EM en plantas reales de producción de biogás (caso de estudio). Se ha comprobado que el uso de esta tecnología para la mejora de biogás o para la valorización de corrientes ricas en CO2 puede producir un biogás con una composición similar a la del gas natural. Los resultados también mostraron que la EM permite una mejora del 38-54% en la producción de metano en comparación con el escenario de referencia (digestión anaerobia convencional).