Avances en el tratamiento de aguas residuales alimenticias para la producción de bioenergía en celdas de combustible microbianas: una revisión
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Resumen
La industria alimenticia a nivel mundial es una de las industrias con mayor impacto en el medio ambiente, por la alta cantidad de aguas residuales que desecha y por el alto contenido de materia orgánica en estas aguas. El uso de tecnologías que permitan tratar estas aguas y generar energía simultá nea mente surge como una alternativa eficiente contra el problema de contami nación. Las celdas de combustible microbianas constituyen una alternativa eficaz para el tratamiento de aguas residuales industriales por su alta capacidad de remoción de materia orgánica y posterior generación de energía. Este documento revisa los últimos avances que se han realizado entorno al empleo de esta tecnología en el campo de la industria alimenticia. El principal objetivo de esta revisión es describir los componentes y arquitecturas utilizadas en las celdas de combustible microbianas y como estos inciden en la producción de electricidad y en la remoción eficiente de materia orgánica en aguas residuales
de industria alimenticia. A su vez, se exploran los principales sustratos (tipo
de agua residual) utilizados en la generación de mayor eficiencia energética.
Se presentan los futuros retos y las perspectivas que permitan mejorar el uso
de esta tecnología en el tratamiento de agua residual de la industria alimenticia y el aprovechamiento de la energía eléctrica que los microorganismos
generan en el proceso de oxidación de materia orgánica.
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Citas
Abdallh, M., Abdelhalim, W., & Abdelhalim, H. (2016). Industrial wastewater treatment of food industry using best techniques. Int. J. Eng. Sci. Invent, 5(8), 15-28.
Acuña, F., & Muñoz, V. (2001). Celdas de combustible. Una alternativa amigable con el medio ambiente para la generación de potencia y su impacto en el desarrollo sostenible de Colombia en el siglo XXI. Ingeniería & Desarrollo, 10, 95.
Aguas residuales.info. (02 de Marzo de 2017). Celdas de combustible microbianas para el tratamiento de aguas residuales. Obtenido de https://www.aguasresiduales.info/revista/noticias/celdas-de-combustible-microbianas-para-el-tratamiento-de-aguas-residuales-qMMW0
Amorosi, C., Michel, M., Avérous, L., Toniazzo, V., Ruch, D., & Ball, V. (2012). Plasma polymer films as an alternative to (PSS-PAH)n or (PSS-PDADMAC)n films to retain active enzymes in exponentially growing polyelectrolyte multilayers. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 97, 124–131.
Asefi, B., Li, S.-L., Moreno, H. A., Sanchez-Torres, V., Hu, A., Li, J., & Yu, C. (2019). Characterization of Electricity Production and Microbial Community of Food Waste-fed Microbial Fuel Cells. Process Safety and Environmental Protection, 125, 83-91.
Bahamonde, R., Zhu, J., Gonza, I., Van der Bruggen, B., & Luis, P. (2020). Effect of (TiO2: ZnO) ratio on the anti-fouling properties of bio-inspired nanofiltration membranes. Separation and Purification Technology, 251, 117280.
Baranitharan, E., Khan, M. R., Prasad, D. M., Teo, W. F., Tan, G. Y., & Jose, R. (2014). Effect of biofilm formation on the performance of microbial fuel cell for the treatment of palm oil mill effluent. Bioprocess and Biosystems Engineering, 38(1), 15-24.
Callegari, A., Cecconet, D., Molognoni, D., & Capodaglio, A. G. (2018). Sustainable processing of dairy wastewater: Long-term pilot application of a bio-electrochemical system. Journal of Cleaner Production, 189, 563–569.
Centro de Producción más Limpia. (17 de marzo de 2017). Manual de Buenas Prácticas Operativas de la Industria Láctea. . Obtenido de https://pml.org.ni/index.php/informese/publicaciones/file/205-bpoil-ma
Cercado-Quezada, B., Delia, M., & Bergel, A. (2010). Testing various food-industry wastes for electricity production in microbial fuel cell. Bioresource Technology, 101(8), 2748-2754.
Cheng, S., Liu, H., & Logan, B. (2006). Increased performance of single chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure. Electrochem Commun, 8(3), 489–494.
Chu, T., Xie, M., Yang, D., Ming, P., Li, B., & Zhang, C. (2020). Highly active and durable carbon support Pt-rare earth catalyst for proton exchange membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 45 (51), 27291-27298.
Colombo, A., Schievano, A., Trasatti, S. P., Morrone, R., D’Antona, N., & Cristiani, P. (2016). Signal trends of microbial fuel cells fed with different food-industry residues. International Journal of Hydrogen Energy, 42(3), 1841–1852.
Dominguez, J. J. (2002). Celdas de combustible (I). Anales de mecánica y electricidad, 2, 14.
Du, H., & Li, F. (2015). Size effects of potato waste on its treatment by microbial fuel cell. Environmental Technology, 37(10), 305–1313.
Du, H., Guo, J., Xu, Y., Wu, Y., Li, F., & Wu, H. (2018). Enhancing microbial fuel cell (MFC) performance in treatment of solid potato waste by mixed feeding of boiled potato and waste activated sludge. Water Science and Technology, 78(5-6), 1054-1063.
Du, H., Guo, J., Xu, Y., Wu, Y., Li, F., & Wu, H. (2018). Enhancing microbial fuel cell (MFC) performance in treatment of solid potato waste by mixed feeding of boiled potato and waste activated sludge. Water Science and Technology, 78(5-6), 1054-1063.
Emara, M., Abd El-Razek, A., & SayedAhmed, A. (2017). Industrial food processing wastewater treatment by modified moving bed biofilm reactor (MBBR). International Journal of Scientific & Engineering Research, 8(1), 929-934.
Faria, A., Gonçalves, L., Peixoto, J. M., Peixoto, L., Brito, A. G., & Martins, G. (2017). Resources recovery in the dairy industry: bioelectricity production using a continuous microbial fuel cell. Journal of Cleaner Production, 140, 971–976.
Feng, Y., Wang, X., Logan, B., & Lee, H. (2008). Brewery wastewater treatment using air-cathode microbial fuel cells. 75(8), 873–880.
Fornero, J., Rosenbaum, M., & Angenent, L. (2010). Electric power generation from municipal, food, and animal wastewaters using microbial fuel cells. Electroanalysis, 22(7-8), 832–843.
Gatti, M., Quiñones, F., & Milocco, R. (2016). Estudio de diferentes celdas de combustible microbianas para la generación de energía a partir de residuos orgánicos de efluentes líquidos. VI Congreso Internacional Sobre Gestión y Tratamiento Integral del Agua, 1,2. Córdoba.
He, L., Du, P., Chen, Y., Lu, H., Cheng, X., Chang, B., & Wang, Z. (Mayo de 2017). Avances en celdas de combustible microbianas para el tratamiento de aguas residuales. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 71, 388-403.
Heilmann, J., & Logan, B. (2006). Production of Electricity from Proteins using a Microbial Fuel Cell. Water Environment Research, 78(5), 531–537.
iagua. (11 de abril de 2018). Eutrofización: Causas, consecuencias y soluciones. doi:https://www.iagua.es/noticias/sewervac-iberica/eutrofizacion-causas-consecuencias-y-soluciones
Jia, J., Tang, Y., Liu, B., Wu, D., Ren, N., & Xing, D. (2013). Electricity generation from food wastes and microbial community structure in microbial fuel cells. Bioresource Technology, 144, 94-99.
Kaewkannetra, P., Chiwes, W., & Chiu, T. Y. (2011). Treatment of cassava mill wastewater and production of electricity through microbial fuel cell technology. Fuel, 90(8), 2746–2750.
Kim, J., Jung, S., Regan, J., & Logan, B. (2007). Electricity generation and microbial community analysis of alcohol powered microbial fuel cells. Bioresource Technology, 98(13), 2568–2577.
Kim, N., Choi, Y., Jung, S., & Kim, S. (2000). Effect of initial carbon sources on the performance of microbial fuel cells containingProteus vulgaris. Biotechnology and Bioengineering, 70(1), 109–114.
Kumar, R., Singh, L., & Zularisam, A. (2016). Bioelectricity generation and treatment of sugar mill effluent using a microbial fuel cell. Journal of Clean Energy Technologies, 4(4), 249-252.
Lee, J., Shin, S., Jang, H., Kim, Y., Lee, J., & Kim, Y. (2007). Characterization of antibiotic resistance genes in representative organic solid wastes: food waste-recycling wastewater, manure, and sewage sludge. Sci. Total Environ., 579, 1692–1698.
Li, J., Ziara, R. M., Li, S., Subbiah, J., & Dvorak, B. I. (2020). Understanding the sustainability niche of continuous flow tubular microbial fuel cells on beef packing wastewater treatment. Journal of Cleaner Production, 257.
Li, M., Zhou, M., Tian, X., Tan, C., McDaniel, C., Hassett, D., & Gu, T. (2018). Microbial fuel cell (MFC) power performance improvement through. Biotechnology Advances, 36(4), 1317.
Liu, H., Ramnarayanan, R., & Logan, B. (2004). Production of electricity during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell. Environmental Science & Technology, 38(7), 2281–2285.
Logan, B. (2008). Microbial Fuel Cell. New Jersey: Wiley.
Logan, E., Hamelers, B., Rozendal, R., Schroder, U., Keller, J., Freguia, S., Aelterman, P., Verstraete, W., & Rabaey, K. (2006). Microbial fuel cells: Methodology and technology. Environ. Sci. Technol., 40(17), 5181-5192.
Luo, H., Xu, G., Lu, Y., Liu, G., Zhang, R., Li, X., Zheng, X., & Yu, M. (2017). Electricity generation in a microbial fuel cell using yogurt wastewater under alkaline conditions. RSC Advances, 7(52), 32826–32832.
Ma, H., Peng, C., Jia, Y., Wang, Q., Tu, M., & Gao, M. (2018). Effect of fermentation stillage of food waste on bioelectricity production and microbial community structure in microbial fuel cells. Royal Society Open Science, 5.
Mansoorian, H. J., Mahvi, A. H., Jafari, A. J., Amin, M. M., Rajabizadeh, A., & Khanjani, N. (2013). Bioelectricity generation using two chamber microbial fuel cell treating wastewater from food processing. Enzyme and Microbial Technology, 52(6-7), 352–35.
Massaglia, G., Frascella, F., Chiadò, A., Sacco, A., Marasso, S. L., Cocuzza, M., Pirri, C., & Quaglio, M. (2020). Electrospun Nanofibers: from Food to Energy by Engineered Electrodes in Microbial Fuel Cells. Nanomaterials, 10(3), 523.
Meicong, W., Zinuo, W., Fei, H., Liping, F., & Xuejun, Z. (2020). Polyelectrolytes/α-Fe2O3 modification of carbon cloth anode for dealing with food wastewater in microbial fuel cell. Carbon Resources Conversion, 3, 76-81.
Min, B., & Logan, B. (2004). Continuous Electricity Generation from Domestic Wastewater and Organic Substrates in a Flat Plate Microbial Fuel Cell. Environmental Science & Technology, 38(21), 5809-5814.
Min, B., Kim, J., Oh, S., Regan, J., & Logan, B. (2005). Electricity generation from swine wastewater using microbial fuel cells. Water Research, 39(20), 4961–4968. doi:10.1016 / j.watres.2005.09.039
Miran, W., Nawaz, M., Jang, J., & Lee, D. S. (2016). Conversion of orange peel waste biomass to bioelectricity using a mediator-less microbial fuel cell . Science of The Total Environment, 547, 197–205.
Mohamed, H. O., Obaid, M., Sayed, E. T., Abdelkareem, M. A., Park, M., Liu, Y., Kim, H., & Barakat, N. A. (2017).
Graphite Sheets as High-Performance Low-Cost Anodes for Microbial Fuel Cells Using Real Food Wastewater. Chemical Engineering & Technology,, 40(12), 2243-2250.
Mohan, S., & Chandrasekhar, K. (2011). Solid phase microbial fuel cell (SMFC) for harnessing bioelectricity from composite food waste fermentation: Influence of electrode assembly and buffering capacity. Bioresource Technology, 102(14), 7077–7085.
Moharir, P. V., & Tembhurkar, A. R. (2018). Comparative performance evaluation of novel polystyrene membrane with ultrex as Proton Exchange Membranes in Microbial Fuel Cell for bioelectricity production from food waste. Bioresource Technology, 266, 291–296.
Moharir, P. V., & Tembhurkar, A. R. (2018). Effect of recirculation on bioelectricity generation using microbial fuel cell with food waste leachate as substrate. International Journal of Hydrogen Energy, 43(21), 10061–10069.
Noori, P., & Najafpour Darzi, G. (2015). Enhanced power generation in annular single-chamber microbial fuel cell via optimization of electrode spacing using chocolate industry wastewater. Biotechnology and Applied Biochemistry, 63(3), 427–434.
Oliot, M., Galier, S., Roux de Balmann, H., & Bergel, A. (2016). Ion transport in microbial fuel cells: Key roles, theory and critical review. Applied Energy, 183, 1682-1704.
Pant, D., Van Bogaert, G., Diels, L., & Vanbroekhoven, K. (2010). A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production (Vol. 101). Bioresource Technology.
Pariente, M. I. (16 de Julio de 2017). Problemática de las aguas residuales de la industria alimentaria. Obtenido de Aguasresiduales.info: https://www.aguasresiduales.info/revista/noticias/problematica-de-las-aguas-residuales-de-la-industria-alimentaria-jiISR
Parot, S., Delia, M., & Bergel, A. (2008). Acetate to enhance electrochemical activity of biofilms from garden compost. 2737–2742. Electrochim.
Radeef, A. Y., & Ismail, Z. Z. (2019). Polarization model of microbial fuel cell for treatment of actual potato chips processing wastewater associated with power generation. Journal of Electroanalytical Chemistry., 836, 176-181.
Rahman, A., Borhan, M. S., & Rahman, S. (2017). Evaluation of microbial fuel cell (MFC) for bioelectricity generation and pollutants removal from sugar beet processing wastewater (SBPW). Water Science and Technology, 77(2), 387–397.
Restrepo, M. (2012). Producción más limpia en la industria alimentaria. Cleaner Production in Food Industry, 88-101.
Revelo, D., Hurtado, N., & Ruiz, J. (28 de Junio de 2013). Celdas de Combustible Microbianas (CCMs): Un Reto para la Remoción de Materia Orgánica y la Generación de Energía Eléctrica. Información Tecnológica, 24(6), 17-28. doi:10.4067/S0718-07642013000600004
Rezaei, F., Richard, T., Brennan, R., & Logan, B. (2007). Substrate-Enhanced Microbial Fuel Cells for Improved Remote Power Generation from Sediment-Based Systems. Environmental Science & Technology, 41(11), 4053–4058. doi:10.1021/es070426e
Seijas, A. (2010). Aguas residuales en la industria agroalimentaria. UCAB.
Serment, J., Lara, E., Becerril, K., Suárez, S., & Ramírez, N. (2017). Detección y aislamiento de microorganismos exoelectrógenos a partir de lodos del río Lerma, Estado de México, México. Rev. Int. Contam. Ambie, 33(4), 617-628.
Solano, M. (2011). Impacto ambiental por aguas residuales y residuos sólidos en la calidad del agua de la parte media- alta de la microcuenca del río Damas y propuesta de manejo. Obtenido de https://www.aya.go.cr/centroDocumetacion/catalogoGeneral/Impacto%20ambiental%20por%20aguas%20residuales%20y%20residuos%20s%C3%B3lidos%20en%20la%20calidad%20del%20agua.pdf
Song, R., Zhao, C., Jiang, L. A.-H., Zhang, J., & Zhu, J. (2016). Bacteria-Affinity 3D Macroporous Graphene/MWCNTs/Fe3O4 Foams for High-Performance Microbial Fuel Cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(25), 16170–16177.
Sreelekshmy, B. R., Basheer, R., Savithri, S., lal, V., Elias, L., & Shibli, S. M. (2020). Sustainable Electric Power Generation from Live Anaerobic Digestion of Sugar Industry Effluents Using Microbial Fuel Cells. Journal of Materials Chemistry A.
Tekerlekopoulou, A., Economou, C., Tatoulis, T., Akratos, C., & Vayenas, D. (2020). Wastewater treatment and water reuse in the food industry. The Interaction of Food Industry and Environment, 245-280.
WWAP. (2015). Informe de las Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hídricos en el mundo 2015: Agua para un mundo sostenible. París.
WWAP. (2017). Informe de las Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hídricos en el mundo 2017: Aguas residuales, el recurso sin explotar. . París.
Yan, D., Yang, X., & Yuan, W. (2015). Electricity and H2 generation from hemicellulose by sequential fermentation and microbial fuel/electrolysis cell. Journal of Power Sources, 289, 26–33.
Yu, J., Park, Y., Kim, B., & Lee, T. (2015). Power densities and microbial communities of brewery wastewater-fed microbial fuel cells according to the initial substrates. Bioprocess Biosyst Eng, 38, 85–92.
Zhao, Q., Yu, H., Zhang, W., Kabutey, F., Jiang, J., Zhang, Y., Wang, K., & Ding, J. (2017). Microbial fuel cell with high content solid wastes as substrates: a review. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 11(2).