La electrometanogénesis es una forma de producción de electrocombustible en la que el metano se produce por conversión biológica directa de corriente eléctrica y dióxido de carbono . [1] [2] [3] [4]
Las tecnologías de producción de metano despertaron el interés de la comunidad científica antes de 2000, pero la electrometanogénesis no se convirtió en un área de interés significativa hasta 2008. Las publicaciones sobre metanización catalítica han aumentado de 44 a más de 130 desde 2008. [4] La electrometanogénesis ha atraído más investigaciones debido a sus aplicaciones propuestas. La producción de metano a partir de la corriente eléctrica puede proporcionar un enfoque para el almacenamiento de energía renovable . [1] [4] La corriente eléctrica producida a partir de fuentes de energía renovables puede, a través de la electrometanogénesis, convertirse en metano que luego puede usarse como biocombustible . [1] [4]También puede ser un método útil para la captura de dióxido de carbono que puede usarse para purificar el aire. [1]
En la naturaleza, la formación de metano se produce de forma biótica y abiótica . [1] [5] [6] El metano abiogénico se produce a menor escala y las reacciones químicas requeridas no requieren materiales orgánicos . [4] El metano biogénico se produce en ambientes naturales anaeróbicos donde el metano se forma como resultado de la descomposición de materiales orgánicos por microbios o microorganismos. [4] [7] Los investigadores han descubierto que el proceso de producción de metano biogénico se puede replicar en un entorno de laboratorio a través de la electrometanogénesis. [4] [7] La reducciónde CO 2 en la electrometanogénesis es facilitado por una corriente eléctrica en un biocátodo en una celda de electrólisis microbiana (MEC) y con la ayuda de microbios y electrones (Ecuación 1) o hidrógeno producido abióticamente (Ecuación 2). [1] [4] [6] [7]
Un biocátodo es un cátodo utilizado en una celda de electrólisis microbiana durante la electrometanogénesis que utiliza microorganismos para catalizar el proceso de aceptación de electrones y protones del ánodo. [8] Un biocátodo generalmente está hecho de un material barato, como carbono o grafito, como el ánodo en el MEC. [5] La población de microbios que se coloca en el biocátodo debe poder recoger electrones del material del electrodo (carbono o grafito) y convertir esos electrones en hidrógeno. [8] [5]
El mecanismo de la electrometanogénesis se describe en la Figura 1. Se introduce agua en el sistema con el ánodo, el biocátodo y los microbios. En el ánodo, los microbios atraen moléculas de H 2 O que luego se oxidan después de que se enciende una corriente eléctrica desde la fuente de energía. El oxígeno se libera del lado del ánodo. Los protones y electrones oxidados del H 2 O se mueven a través de la membrana donde se mueven hacia el material que forma el biocátodo. El nuevo microbio del biocátodo tiene la capacidad de transferir los nuevos electrones del material del biocátodo y convertirlos en protones. Estos protones se utilizan luego en la vía principal que impulsa la producción de metano en la electrometanogénesis: la reducción de CO 2 . CO 2se introduce en el lado del biocátodo del sistema, donde es reducido por los protones producidos por los microorganismos para producir H 2 O y metano (CH 4 + ). El metano se produce y luego puede liberarse del lado del biocátodo y almacenarse. [4] [6] [7] [9]
Una limitación es la pérdida de energía en los sistemas bioelectroquímicos productores de metano. Esto ocurre como resultado de sobrepotenciales que ocurren en el ánodo , la membrana y el biocátodo. La pérdida de energía reduce significativamente la eficiencia. [4] [6] [7] Otra limitación es el biocátodo. Debido a que el biocátodo es tan importante en el intercambio de electrones y la formación de metano, su composición puede tener un efecto dramático en la eficiencia de la reacción. [1] [4] Se están realizando esfuerzos para mejorar los biocátodos utilizados en la electrometanogénesis mediante la combinación de materiales nuevos y existentes, remodelando los materiales o aplicando diferentes "pretratamientos" a la superficie del biocátodo, aumentando así la biocompatibilidad. [4][6]