Melhoria da digestão anaeróbia pela adição de nanomateriais condutores

Abstract

Uma das maiores preocupações da humanidade é a procura por fontes de energia renováveis que surge como resposta direta à dependência de combustíveis fósseis. Uma alternativa viável para reduzir essa dependência é a produção de biometano através da digestão anaeróbia (AD). Adicionar nanomateriais condutores (CM) aos sistemas de AD tem demonstrado potencial em acelerar a produção de metano (MP) e a resiliência desses sistemas. No entanto, os mecanismos subjacentes a estas melhorias ainda são pouco claros, particularmente os impactos dos materiais na atividade metanogénica. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da adição de nanomateriais de carbono numa cultura hidrogenotrófica e acetoclástica, focando na compreensão dos mecanismos de transferência de eletrões. Para esse fim, foram conduzidos ensaios com culturas puras de Methanobacterium formicicum e Methanosaeta harundinacea, na presença e ausência de 0,5 g/L de carvão ativado (AC), carbono negro (CB), nanotubos de carbono (CNT), grafite e grafeno. Adicionalmente, realizaram-se ensaios com a mesma concentração de AC impregnado com 2% de silício. As incubações foram realizadas em condições estritamente anaeróbias, e a MP foi monitorizada ao longo do tempo. Também se efetuaram análises de voltametria cíclica (CV), avaliando a intensidade da corrente em resposta à variação de potencial e um estudo cinético a diferentes velocidades de varrimento. No ensaio com M. formicicum, a presença de CM reduziu significativamente a fase de latência em todas as condições. Com 0,5 g/L de grafite e de AC <50 µm, a redução foi de 90% e 81%, respetivamente. As taxas iniciais de MP atingiram valores 8,5x e 6,4x superiores ao controlo, com 0,5 g/L de AC de 300 a 500 µm e de 100 a 300 µm, respetivamente. Com M. harundinacea, a presença de CM minimizou as fases de latência e reduziu o tempo de incubação de 57 para 21 dias usando 0,5 g/L de AC <50 µm, grafite e CB. Em conclusão, a presença de CM revelou-se benéfica para a aceleração de MP e redução tanto da duração da fase de latência, como do tempo de incubação. Estudos adicionais são necessários para entender os mecanismos que determinam a melhoria da MP, de modo a otimizar os sistemas de AD através da adição de CM.

The demand for renewable energy sources arises as a direct response to dependence on fossil fuels, being one of mankind's greatest concerns. Biomethane production through anaerobic digestion (AD) is a viable alternative to reducing this dependence. The addition of conductive nanomaterials (CM) to AD systems has demonstrated high potential in accelerating methane production (MP) and the resilience of these systems. However, the mechanisms underlying these improvements are still unclear, and in particular the impacts of CM on methanogenic activity. The present work aimed to assess the effect of the addition of carbon nanomaterials in a hydrogenotropic and acetoclastic culture, focusing on understanding the mechanisms of electron transfer. To this end, experiments were conducted with pure cultures of Methanobacterium formicicum and Methanosaeta harundinacea, in the presence and absence of 0.5 g/L of activated carbon (AC), carbon black (CB), carbon nanotubes (CNT), graphite and graphene. Additionally, tests were conducted at the same concentration with AC impregnated with 2% silicon. The incubations were carried out under strictly anaerobic conditions and the MP was monitored over time. Cyclical voltmetry (CV) analyses were also performed evaluating the intensity of the current in response to potential variation and a kinetic study at different scan rates. In the assay with M. formicicum, the presence of CM significantly reduced the lag phase when compared to the control without CM. With 0.5 g/L of AC of 300 to 500 μm and 100 to 300 μm, the lag phase reduction was 90% and 81%, respectively. Initial MP rates reached values 8.5x and 6.4x higher than control, with 0.5 g/L of AC from 300 to 500 μm and 100 to 300 μm, respectively. With M. harundinacea, the presence of CM also minimized lag phases and reduced the incubation time from 57 to 21 days using 0.5 g/L of AC <50 μm, graphite and CB. In conclusion, the presence of CM proved to be beneficial for MP acceleration and reduction of both lag phase duration and incubation time. Additional studies are needed to understand the mechanisms that determine MP improvement, in order to optimize AD systems through the addition of CM.