Electricity production from carbon monoxide and synthesis gas in a microbial fuel cell

• Main Author: Hussain, Abid
• Other Authors: Boris Tartakovsky (Supervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Health And Environmental Sciences - Environmental Sciences
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=119534

Synthesis gas (syngas), which primarily consists of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2), is a versatile energy carrier that can be converted to gaseous and liquid fuels or can be used for electricity production. This study was focused on MFC design improvements for performance enhancement on CO/syngas and elucidation of microbial communities, and biotransformation pathways involved in electricity production from CO/syngas in an MFC. One of the primary challenges for an efficient bioconversion of CO and syngas is the low solubility of these gaseous substrates in the aqueous phase. The first study of this thesis demonstrated the applicability of silicone membrane systems for improved CO transfer into the anodic liquid of MFCs. The incorporation of flat silicone membrane and thin wall silicone tubing into the anodic chamber of CO-fed MFCs led to improved CO transformation efficiency and correspondingly improved MFC performance. A CO transformation efficiency of 77 % and maximum power output of 18 mW/L (normalized to anodic compartment volume) was achieved for silicone membrane installed MFC. A comparably higher CO transformation efficiency of 98 % was obtained for silicone tubing installed MFC, but the high dissolved CO concentrations in the anodic liquid partially inhibited the microbial activity, thereby lowering the maximum power output to 13 mW/L. Efficient gas transfer also allowed for focusing on the process microbiology. The microbial communities and biotransformation pathways prevalent in two mesophilic CO-fed MFCs were elucidated in the second study. The identification of the microorganisms belonging to the genera Geobacter, Desulfovibrio, and Clostridium, along with the detection of acetate as the primary metabolic product in both MFCs; affirmed our hypothesis that electricity production from CO/syngas in a mesophilic MFC is primarily accomplished by a two-step process, where CO/syngas is first converted to acetate by homo-acetogenic and carboxdotrophic microorganisms, and the acetate is then utilized by CO-tolerant acetate oxidizing electricigenic microorganisms. The bioconversion of CO/syngas to electricity in an MFC was also tested at thermophilic temperature of 50°C. Silicone tubing was used for syngas delivery and the anodic design was improved to increase the microbial density. An improved volumetric power output of 33-35 mW/L and syngas conversion efficiency of 87-98 % was achieved. Also an improved Coulombic efficiency (CE) of 26 % was obtained. The analysis of the anodic microbial communities and metabolic products, along with single substrate tests where MFC was operated solely on CO or H2, revealed that similar to mesophilic MFCs electricity generation from syngas at thermophilic temperatures also occurred through syngas conversion to acetate followed by its oxidation by CO-tolerant electricigenic microorganisms. In the final study of this thesis, the applicability of a multi-electrode design containing three anodes and two cathodes to achieve high volumetric power output and CE on syngas was evaluated at several operating temperatures ranging from 37°C to 50°C. Also, the impact of different anode-cathode arrangements on power output was examined. The multi-electrode configuration considerably enhanced the system performance and provided a compact system design which could have major economic and operational implications for large scale syngas-fed MFC systems. A maximum power density of 33 mW/L and CE of 43 % was achieved at an operating temperature of 37°C. The MFC power density was greatly impacted by the anode-cathode arrangement and the highest power density was achieved in a three anode-two cathode (3A-2C) arrangement. === Composé principalement de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), le gaz de synthèse est un vecteur énergétique polyvalent, qui peut être converti en un combustible liquide ou gazeux ou peut servir à la production d'électricité. La capacité du CO ou de gaz de synthèse à servir comme unique donneur d'électrons dans la production d'électricité dans une pile à combustible microbienne (PCM) ayant été récemment démontrée, la présente étude visa l'obtention d'un gain d'éfficacité de production, avec soit du CO ou du gaz de synthèse comme combustible, grâce à un aménagement amélioré de la PCM. L'étude visa aussi à élucider les communautés microbiennes et voies de biotransformation liées à la production d'électricité à partir de CO ou de gaz de synthèse dans une PCM.Un des principaux défis à une hausse d'efficacité de bioconversion de CO ou de gaz de synthèse est la faible solubilité en phase aqueuse de ces substrats gazeux. Le premier volet de ce travail démontra l'applicabilité de systèmes à membrane de silicone pour réaliser un transfert accru de CO vers l'anode liquide du PCM. L'intégration d'une membrane plane en silicone ou de tube en silicone à parois minces dans la chambre anodique d'une PCM alimentée en CO, a permis d'atteindre une éfficacité de transformation de CO accrue, et par conséquente une performance améliorée de la PCM. Une efficacité de transformation de CO de 77% et une puissance maximale de 18 mW/L furent obtenues pour une PCM équipée d'une membrane en silicone. Une efficacité de transformation de CO comparativement plus élevée (98%) fut obtenue pour une PCM équipée de tube en silicone à parois minces, mais la concentration éleve de CO dissoute dans le liquide anodique enraya en partie l'activité microbienne, baissant ainsi la puissance maximale à 13 mW/L . Un transfer gazeux efficace permetta de mettre l'accent sur le processus microbiologique. En un second volet, les communautés microbiennes et voies de biotransformation prévalentes dans deux PCM mésophiliques alimentées en CO furent élucidés. L'identification de microorganismes appartenants aux genres Geobacter, Desulfovibrio, et Clostridium, ainsi que la détection d'acétate comme principal produit métabolique dans les deux PCM, confirma notre hypothèse que la production d'électricité à partir de CO ou de gaz de synthèse dans une PCM mésophilique s'opère principalement en deux étapes: (i) le CO ou gaz de synthèse est premièrement converti en acétate par des carboxydobactéries et bactéries homoacétogéniques, puis (ii) l'acétate est oxydé par des microorganismes électrigènes tolérants au CO. Le gaz de synthèse étant principalement un gaz chaud, la bioconversion de CO ou de gaz de synthèse dans une PCM fut évalue sous des condition thermophiles à 50°C. Une puissance volumétrique accrue (33-35 mW/L) et une éfficacité de conversion de gaz de synthèse de 87-98% furent atteintes. De plus une efficacité coulombienne (EC) de 26% fut atteinte. Dans le dernier volet de cette étude, la faisabilité d'une configuration à multiples électrodes visant à permettre des PCMs consommant du gaz de synthèse à obtenir une puissance volumétrique et une EC accrue, fut évaluée à des températures de 37°C à 50°C. L'influence de la position dans laquelle les anodes et cathodes furent disposées sur la puissance générée fut évalue. Une densité de puissance maximale de 33 mW/L et une CE de 43 % furent atteintes à une température de fonctionnement de 37 °C. La densité de puissance d'une PCM fut largement influencée par la disposition et le nombre des anodes de cathodes. Un arrangement trois anodes-deux cathodes (3A-2C) offrant la plus grande puissance.