Modelación matemática de los procesos cinéticos presentes en la cámara anódica de una celda de combustible microbiana tipo PEM [recurso electrónico] / Isaías Beimar Peraza Baeza

Tesis (Maestría en Ciencias en Energía Renovable) .-- Centro de Investigación Científica de Yucatán, 2012.

Las Celdas de Combustible Microbianas (CCM) emplean bacterias para degradar los compuestos orgánicos y así producir electricidad. Ya se ha realizado una extensa investigación para entender los aspectos de ingeniería y la microbiología de estos sistemas, pero pocos se enfocan en el estudio de modelación. En el presente trabajo se monitoreó el desempeño electroquímico de una CCM tipo PEM (Proton Exchange Membrane). El análisis realizado muestra una tendencia de incremento en las densidades de corriente (211 -347 mA m-2) y eficiencia coulómbica (34.9 -60.6 por ciento), vinculada con el aumento en el espesor de la biopelícula. Con base en estos resultados se desarrollaron tres modelos matemáticos. El primero describe la evolución del pH anódico en función del tiempo, el segundo se construyó empleando una relación entre el pH anódico y la tasa máxima de utilización de sustrato, para predecir la producción de electricidad, consumo de sustrato y producción de biomasa en función del tiempo. Los parámetros de este segundo modelo (qmax, Ks, W, YX/S) se estimaron empleando un algoritmo genético modificado, el tercero, fue empleado para predecir la evolución de la biopelícula mixta. En el tercer modelo se emplean los parámetros del segundo modelo, y se elaboró en dos pasos: 1) se formuló una expresión para describir la oxidación del sustrato empleando una cinética de doble saturación. 2) Se vinculó la cinética con un proceso de difusión y velocidad de advección para predecir el espesor de la biopelícula, los gradientes de sustrato y las fracciones volumétricas de biomasa. Las simulaciones numéricas para el primer modelo, se realizaron en Excel y empleando el software para ajuste de curvas LabFit. Se empleó MATLAB y AQUASIM para el segundo y tercer modelo, respectivamente. Las simulaciones del primer modelo indican que el pH X-1 óptimo se encuentra entre 7.12, y qmax de 0.15 g-S g - día-1 . En el primer modelo, la validación con los datos experimentales muestra un buen ajuste para las curvas del pH como función del tiempo. Para el segundo modelo, el ajuste se hace presente para las curvas de consumo de sustrato, producción de biomasa, generación de corriente eléctrica y eficiencia coulómbica. Las simulaciones del segundo modelo indican que la biopelícula anódica presenta una cinética de crecimiento lenta, por lo cual los gradientes de sustrato fueron importantes hasta las últimas fases de análisis y la biomasa activa pudo persistir más allá de 22 micrómetros lejos del electrodo. Por otro lado, el incremento en el espesor de la biopelícula y acumulación de biomasa inerte mantienen una relación con la densidad de corriente y con la velocidad de desprendimiento.