The lack of access to clean electricity and water in developing nations has given importance to the development of low-cost, widely applicable energy technologies. Microbial fuel cells are being explored as potential sources of clean electricity. A microbial fuel cell (MFC) is a device, in which bacteria produce electrons by oxidizing organic material, which are shuttled from the anode to the cathode, producing a current; the only byproducts of this process are respiratory waste in the form of water and carbon dioxide. Although significant advances have been made in optimizing MFCs for power output, power outputs are not always reproducible, and most importantly, MFC performance is not yet predictable under different operating conditions. These two challenges are prerequisites to the commercialization of MFC technology. In this study, a single-chamber MFC employing E.coli K12 as the biocatalyst was used to optimize power outputs and operating conditions, and demonstrate the reproducibility of MFC data. This prototype MFC was able to produce a maximum of 100 mW/m3 of reactor volume, at optimized electrode distance (2.54 cm), ionic strength of 0.5, and using a culture electrochemically activated for three generations. The data was reproducible with maximum standard errors of ± 15 mW/m3. Using this basis, a new fuel cell design was introduced, in which the anode electrode surface was increased and reactor volume was decreased. To investigate the prediction of MFC performance under different operating conditions, the new MFC model was used in a 3-level, three factor (substrate concentration, ionic strength, and medium pH) Box-Behnken experimental design. A statistical model was constructed, which could reliably predict power outputs in the MFC with less than 10% error. The statistical model optimized operating conditions in the MFC (pH 9, NaCl concentration of 15 g/L, substrate concentration of 5 g/L), corresponding to a power density of 1027 mW/m3. The effect of dimensionless quantities on MFC performance was briefly investigated: higher Schmidt values resulted in lower power densities, indicating the negative impact of increased viscosity on mass transport; all Reynolds values resulted in washout, but increases in power densities were still observed during flow regime transitions; finally, power decreased with increase Peclet values, indicating that convective mass transport was removing substrate and bacteria faster than reactions could occur. The results of this study contribute to the scale-up of MFC technology based on the prediction of MFC performance, the ability to produce repeatable results, and the demonstration of MFC performance as a function of dimensionless, scale independent parameters. This work furthers scholarship in a crucial area of MFC research, necessary for the technology's widespread application. / Le manque d'accès à l'électricité et à l'eau potable parmi les pays en développement augmente l'importance de l'innovation en domaine de technologie verte et énergie renouvelable, afin d'introduire une technologie qui est applicable à grande échelle. En tant que tel, les piles à combustible microbien sont présentement recherchées. Une pile à combustible microbien (PCM) est un appareil dans lequel les bactéries sont utilisées à oxyder les molécules organiques, afin de libérer des électrons; ces électrons sont transférés hors de la cellule à l'anode jusqu'au cathode, produisant le courant. Les seuls sous-produits de ce processus sont de l'eau et du dioxyde de charbon. Quoique le domaine de recherche en PCM ait avancé, notamment en optimisation de la production d'électricité, les puissances de sortie ne sont pas toujours reproductibles de façon fiable, et il est présentement impossible de prédire la performance des PCM aux conditions opératoires différentes. La résolution de ces deux défis est considérée parmi les questions le plus importantes de la recherche en PCM. Pendant cette étude, une PCM à un seul compartiment, à l'emploi de l'E. coli K12 comme catalyseur biologique, a été construite au but d'optimiser la production d'électricité et les conditions opératoires, et pour démontrer des données reproductibles. Ce prototype était capable de produire une puissance maximale de 100 mW/m3 (volume du réacteur), aux conditions suivants : espace de 2.54 cm entre les électrodes, force ionique de 0.5, et culture électrochimique de troisième génération. Les données étaient reproductibles avec erreur minimale (± 15 mW/m3). Étant donné ces résultats, un prototype nouveau, de moins volume, était introduit, avec un anode de graphite en format pinceau. Une plan d'expérience Box-Behnken (trois facteurs de trois niveaux chaque) était conçu afin de prédire la performance de la PCM aux conditions opératoires différentes (concentration de substrat, concentration de NaCl, et pH). Un modèle statistique était construit, capable de prédire la puissance électrique de la PCM avec erreur minimale (moins de 10%). Selon le modèle, les conditions opératoires optimales (pH 9, concentration de NaCl 15 g/L, concentration de lactose 5 g/L) ont correspondu à une puissance de 1027 mW/m3. L'effet des quantités sans dimensions sur la performance de PCM était recherché brièvement : lorsque le valeur de Sc augmentait, la puissance décroisse, indiquant l'effet négatif de la viscosité élevée sur le transport de la masse en PCM; les valeurs de Re examinés ont tous résulté en dilution extrême de la culture en PCM, mais l'accroissement de puissance été observé pendant les transitions d'un régime d'écoulement à l'autre; finalement, la puissance électrique décroissaient lorsque le valeur de Pe augmentait, un effet qui indique que la transport de masse en PCM était trop fort. Les résultats de cette étude montent les efforts en commercialisation des PCM, ayant contribué les données sur la prédiction de la performance des PCM qui sont reproductibles, et la description de relations entre la performance des PCM et les quantités sans dimension. La recherche présentée ici avance un parti crucial du domaine de PCM.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119442 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Madiraju, Kartik |
| Contributors | G S Vijaya Raghavan (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Bioresource Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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