Plant microbial fuel cell in paddy field : A power source for rural area

As an energy carrier, electricity access is one of important aspect for human development. There is a positive correlation between electricity consumption per capita and human development index (HDI) and also gross domestic product (GDP).  However, the world electrification is not equally distributed. Most of those who do not have electricity access live in rural areas and located in developing countries. In these area, some people use polluted kerosene lamps as their light source or expensive gasoline generator as their electricity source. Other than that, battery is also widely used as a power source. In addition to the unequal electrification, the world electricity generation is still dominated by fossil fuel sources that have a negative impact on the environment, increased health risk and global climate change. Therefore, it is important to shift from conventional energy source to low-carbon renewable electricity sources. This thesis “Plant Microbial Fuel Cell in Paddy Field: a power source for rural area“ aims to assess the applicability of the plant  microbial fuel cell (Plant-MFC) as a low power off-grid power source in a rural area for a theoretical Indonesian case. To achieve this, a technical design was made for a household in rural area of Indonesia based on the latest research developments. Then, the applicability was assessed on technical, social, and environmental safety and health criteria as well as economics and some scenarios were suggested which could improve the real application. Values for a plant-MFC system to fulfil basic electricity needs were calculated. The main highlights and findings on this work are summarized in accordance with the chapters outlined in this thesis as following. Chapter 2 “Marine Sediment Mixed with Activated Carbon Allows Electricity Production and Storage from Internal and External Energy Sources: A New Rechargeable Bio-Battery with Bi-Directional Electron Transfer Properties” investigates the abilities of marine sediment and activated carbon to store and generate electricity in a bio-battery. In this work, several mixture of marine sediment and activated carbon were studied in a bio electrochemical system (BES). When operated in the MFC mode, the system generated electricity with solely marine sediment as the anode electron donor, resulted in the creation of a bio-battery. The results show that by usage of marine sediment and activated carbon (AC) electricity was generated and stored. The internal electrical storage density is 0.3 mWh/kg AC marine anode.  These insights give opportunities to apply such BES systems as e.g. ex-situ bio-battery to store and use electricity for off-grid purpose in remote areas. Chapter 3 “Activated Carbon Mixed with Marine Sediment is Suitable as Bioanode Material for Spartina anglica Sediment/Plant Microbial Fuel Cell: Plant Growth, Electricity Generation, and Spatial Microbial Community Diversity” aims to investigate the suitability of a mixture of activated carbon and marine sediment as a bioanode in a plant-MFC system with Spartina anglica. This work focused on study how different mixtures of the activated carbon (AC) and the marine sediment (MS) as an anode material affected the plant vitality, electricity generation and spatial microbial community. Results show that Spartina anglica grew in all of the plant-MFCs, although the growth was less fertile in the 100% activated carbon Plant-MFC. On long-term (2 weeks) performance, mixture of 33% and 67% marine sediment outperformed other Plant-MFCs in terms of current density (16.1 mA/m2 plant growth area) and power density (1.04 mW/m2 plant growth area). Results also show a high diversity of microbial communities dominated by Proteobacteria and indicates that the bacterial communities were affected by the anode composition. These findings show that the mixture of activated carbon and marine sediment are suitable material for bioanodes and could be useful for the application of Plant-MFC in a real wetland. Chapter 4 “Performance and Long Distance Data Acquisition via LoRa Technology of a Tubular Plant Microbial Fuel Cell Located in a Paddy Field in West Kalimantan, Indonesia” provide an insight about the field performance of tubular Plant-MFC. In this study, one-meter tubular Plant-MFC with graphite felt anode and cathode were installed in triplicates in a paddy field for four rice growth seasons. An online data acquisition using LoRa technology was developed to investigate the performance of the tubular Plant-MFC over the final whole rice paddy growing season. The result revealed that the Plant-MFC do not negatively affect the rice growth. A continuous electricity generation was achieved during a wet period in the crop season. On average the Plant-MFC generated power of 6.6 mW/m2 plant growth area (0.4mW per meter tube). The Plant-MFC also shows a potential to be used as a bio sensor, e.g. rain event indicator, during a dry period between the crop seasons. Chapter 5 “A Thin Layer of Activated Carbon Deposited on Polyurethane Cube Leads to New Conductive Bioanode for (Plant) Microbial Fuel Cell” exploits the potential of electrochemically active self-assembled biofilms to fabricate three-dimensional bio electrodes for of (plant) microbial fuel cells with minimum use of electrode materials. For this purpose, polyurethane foams coated with activated carbon was prepared and studied as platform bio anodes for harvesting electric current in lab microbial fuel cells (MFCs) and field Plant-MFCs. Results show that electric conductivity of the PU/AC electrode enhance over time during bioanode development. The maximum current and power density of an acetate fed MFC reached 3mA/m2 projected surface area of anode compartment and 22mW/m3 anode compartment. The field test of the Plant-MFC reached a maximum performance of 0.9 mW/m2 plant growth area at a current density of 5.6 mA/ m2 PGA. A rice paddy field test showed that the PU/AC electrode was suitable as anode material in combination with a graphite felt cathode.  Finally, the main findings of this thesis are summarized and discussed in Chapter 6, “General Discussion”. In this chapter, a theoretical available power for Plant-MFC system from a paddy field is presented to give an insight how far performance of current Plant-MFC meets theoretical understanding. Based on the experimental results, this chapter answers the thesis goal to discuss the applicability of the Plant-MFC as an off-grid power source in a rural area by assessing its technical, economic, social, and environmental safety and health criteria. Finally, an outlook for future Plant-MFC application is provided

A thin layer of activated carbon deposited on polyurethane cube leads to new conductive bioanode for (plant) microbial fuel cell

Large-scale implementation of (plant) microbial fuel cells is greatly limited by high electrode costs. In this work, the potential of exploiting electrochemically active self-assembled biofilms in fabricating three-dimensional bioelectrodes for (plant) microbial fuel cells with minimum use of electrode materials was studied. Three-dimensional robust bioanodes were successfully developed with inexpensive polyurethane foams (PU) and activated carbon (AC). The PU/AC electrode bases were fabricated via a water-based sorption of AC particles on the surface of the PU cubes. The electrical current was enhanced by growth of bacteria on the PU/AC bioanode while sole current collectors produced minor current. Growth and electrochemical activity of the biofilm were shown with SEM imaging and DNA sequencing of the microbial community. The electric conductivity of the PU/AC electrode enhanced over time during bioanode development. The maximum current and power density of an acetate fed MFC reached 3 mA·m−2 projected surface area of anode compartment and 22 mW·m−3 anode compartment. The field test of the Plant-MFC reached a maximum performance of 0.9 mW·m−2 plant growth area (PGA) at a current density of 5.6 mA·m−2 PGA. A paddy field test showed that the PU/AC electrode was suitable as an anode material in combination with a graphite felt cathode. Finally, this study offers insights on the role of electrochemically active biofilms as natural enhancers of the conductivity of electrodes and as transformers of inert low-cost electrode materials into living electron acceptors.</p

Performance of electrical energy monitoring data acquisition system for plant-based microbial fuel cell

Plant microbial fuel cell (Plant-MFC) is an emerging technology that uses the metabolic activity of electrochemically active bacteria (EABs) to continue the production of bioelectricity. Since its invention and to date, great efforts have been made for its application both in real-time and large-scale. However, the construction of platforms or systems for automatic voltage monitoring has been insufficiently studied. Therefore, this study aimed to develop an automatic real-time voltage data acquisition system, which was coupled with an ATMEGA2560 connected to a personal computer. Before the system operation started it was calibrated to obtain accurate data. During this experiment, the power generation performance of two types of reactors i.e. (i) Plant-MFC and (ii) control microbial fuel cell (C-MFC), was evaluated for 15 days. The Plant-MFC was planted with an herbaceous perennial plant (Stevia rebaudiana), electrode system was placed close to the plant roots at the depth of 20 cm. The results of the study have indicated that the Plant-MFC, was more effective and achieved higher bioelectricity generation than C-MFC. The maximum voltage reached with Plant-MFC was 850 mV (0.85 V), whereas C-MFC achieved a maximum voltage of 762 mV (0.772 V). Furthermore, the same reactor demonstrated a maximum power generation of 66 mW m¯2 on 10 min of polarization, while a power density with C-MFC was equal to 13.64 mW m¯2. S.rebaudiana showed a great alternative for power generation. In addition, the monitoring acquisition system was suitable for obtaining data in real-time. However, more studies are recommended to enhance this type of system

Renewable Energy from Living Plants to Power IoT Sensor for Remote Sensing

Renewable energy which can be used to replace traditional energy sources from fossil fuel is in dire demand to protect the earth from the further negative effect of climate change resulting from mining or drilling of fossil fuel and its related pollution. There are various renewable energy sources available, however, there is none currently that does not compete for arable land in nature or land for food production to enable the installation of the renewable energy facility. Thus, in this research, it is proposed a novel type of electrical energy which can be harvested from living plants and coexist well with nature without competing for any arable lands and at the same time generate energy for human needs. Plants generate energy from photosynthesis, respiration, and intercellular activities, and this energy, although is minute, still can be harvested as a new potential energy source to power any ultra-low power sensor for remote sensing purposes. Thus, it is presented in this paper, a characterization of the specific setup condition to harvest optimum minimum 3V from living plants and a power management circuit that can further boost the energy to an optimum level to power a wireless IoT sensor for remote sensing purposes. It turns the living plant into a plant-based cell. As there is wide vegetation in forests, jungles, plantations, and agricultural lands on earth, the combination of this energy from the plants could be a promising source of new renewable energy to mankind as this vegetation can exist for both food and energy production while it does not compete for arable land for the installation of energy sources such as what happens in fossil fuel, solar or wind energy to create greener earth

Lora technology and its Iot integration in agriculture: a bibliometric analysis

Introducción: El presente artículo es producto de la revisión “Tecnología LoRa y su integración IoT en la agricultura”, desarrollada en la facultad tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas realizada durante 2019 y 2020. Problema: En la actualidad la agricultura enfrenta desafíos y problemas como el calentamiento global, la escasez de agua y la demanda alimentaria. A causa de dichas dificultades se han venido desarrollando tecnología que facilitan el monitoreo de cultivos y granjas. Objetivo: Resaltar las principales y más importantes características en común entre los artículos revisados, identificar las principales revistas que realizan publicaciones durante los años comprendidos entre 2015 y 2020. Metodología: A partir de esto, se realizó una revisión sistemática en las bases de datos científicas en áreas clave de la agricultura, teniendo en cuenta los artículos publicados entre los años 2015 a 2020. Resultados: Los resultados arrojaron 150 artículos de los cuales sólo 50 cumplieron los criterios de inclusión, Se excluyeron artículos de revisiones, metanálisis y publicaciones en idiomas diferentes al español e inglés. Conclusión: En esta investigación se discute y se analiza los dispositivos más usados dentro de la investigación, módulos LoRa, localizaciones exitosos y beneficios a nivel costos de la implementación de estos sistemas. Originalidad: Mediante la metodología de revisión sistemática y herramientas bibliométricas como bibliometrix R permitieron identificar la información más relevante y los autores más citados. Limitaciones: Existen muy pocos estudios a nivel local que involucran o implementen estas tecnologías.Introduction: This article is the product of the review "LoRa Technology and its IoT integration in agriculture", developed in the technological faculty of the Francisco José de Caldas District University carried out during 2019 and 2020. Problem: Agriculture: now faces dsnophysis and problems such as global warming, water scarcity and food demand. Because of these difficulties, technology has been developed to facilitate the monitoring of crops and farms. Objective: Tohighlight the main and most important characteristics in common amongthe revised articles,identify the main journals that publish during the years between 2015 and 2020. Methodology: From this, a systematic review was carried out in scientific databases in key areas of agriculture,taking into account the articles published between 2015 and 2020. Results: The results yielded 150 articles of which only 50 met the inclusion criteria, Articles of revisions, meta-analysis and publications in languages other than Spanish and English were excluded. Conclusion: This researchis discussed and analyzed the most used devices within research, LoRa modules, successful locations and benefits at the cost level of the implementation of these systems. Originality: Through the systematic review methodology and bibliometric tools such as bibliometrix R they allowed to identify the most relevant information and the most cited authors. Limitations: Existen very few studies at the local level that involve or implement these technologies

Utilización de biocarbón de la cáscara de Oryza sativa (arroz) para la adsorción de metales pesados en suelos salinos: una revisión sistemática

La pirolisis es una tecnología que presenta una alternativa para el aprovechamiento de residuos, sin embargo, antes de aplicarse esta técnica, debe adquirirse los conocimientos necesarios, por tal motivo se revisaron artículos con la finalidad de sintetizar la información sobre la utilización de biocarbón de la cáscara de arroz para la adsorción de metales pesados en suelos salinos para el desarrollo de la tecnología estudiada. Los resultados manifestaron que las metodologías de producción respecto a temperatura varían desde 200 a 1000 º C con tiempo de producción en el rango de 10 minutos a 360 minutos, donde como equipos utilizados se incluyen hornos muflas, microondas, reactores y barriles, donde predominó la técnica de pirólisis lenta. Asimismo, las características del biochar fueron contenido de carbono en niveles de 21,8% a 72,5%, mientras que el área superficial en valores de 14,3 m2/g a 406 m2/g. Por otro lado, la porosidad en rango de 0,199 a 0,366, además los niveles de pH varían desde 5,5 a 12,6. Posteriormente, el porcentaje de remoción de metales pesados oscila de 20,0 a 95,4% para níquel y hierro respectivamente, sin embargo, mayormente fue estudiado la eliminación de cadmio donde se emplearon equipos como macetas, columnas y parcelas

Біотехнологічні основи отримання електрики у рослинно-мікробних біосистемах

Катастрофічні наслідки глобальної зміни клімату: аномальна спека і затоплення, руйнівні урагани і посуха, які стали відчутні в кожному куточку планети в останні роки та прогнозоване затоплення цілих країн спонукають людство шукати нові екологічно безпечні енергоефективні технології із скороченням викидів парникових газів. В рамках переходу на нову стратегію вуглець-нейтральності, вагома роль відводиться біотехнологічним альтернативним джерелам енергії та озелененню, що визначається як важливий інструментарій боротьби, як з наслідками, так із причинами глобальної зміни клімату. В планах розвитку закладаються нові екологічні принципи екоміст із енергоефективними будинками та зеленими дахами на будівлях. В даному контексті розвиток інноваційної біотехнології рослинно-мікробної біоелектрики для будинків та зелених дахів і природних екосистем, що представлене у дисертаційній роботі, має велику актуальність та практичне значення. Дослідження отримання біоелектрики із зелених насаджень як різновиду альтернативної енергетики швидко розвивається протягом останнього десятиліття. Оскільки теоретично розрахований максимум потужності енергії рослинно-мікробної біотехнології поки що недосягнутий, а також, актуальними є проблеми економічності і компактності та запобігання сезонним втратам електроенергії, важливими є експерименти, які спрямовані в напрямку їх вирішення. Дисертаційна робота присвячена розробці нової і екологічно безпечної, ефективної та бюджетної біотехнології рослинно-мікробної біоелектрики для енергоефективних будинків і їх дахів та оцінці біоелектропродуктивного потенціалу природних екосистем in situ. Сконструйовано кілька нових ефективних біосистем генерації біоелектрики для цілорічного використання у будинках і зелених дахах та досліджено їх ефективність в залежності від низки чинників: біологічних (внесення активних мікроорганізмів і аннелід, розвитку зеленої та кореневої біомаси, росту і виду рослин), технологічних (електродних матеріалів, способів підключення та структури біомодуля) та чинників середовища (температури і кількості опадів). Застосування бюджетних матеріалів в конструюванні біосистем, в тому числі, відходів електротранспорту як катодів, відходів харчової промисловості як контейнерів, а також, насіння рослин і саджанців широко поширених рослин та простих субстратів здешевлюють вартість біотехнології отримання біоелектрики без втрат ефективності. Біосистема, базована на водному подорожнику Alisma plantago-aquatica та її природних ризосферних мікроорганізмів дає змогу отримувати біоелектрику протягом всього року у енергоефективних будинках всередині приміщення. Показано високу кореляцію між генерацією біоелектрики та ростом рослин (коефіціент Пірсона становив від 0.67 до 0.98 в залежності від умов). Електропродуктивність біотехнологічних систем найвища у весняно-літній період та початок осіннього періоду в час найбільшої фотосинтетичної активності рослин. Найвища зафіксована сила струму рівна 58.6 мА при зовнішньому навантаженні 10 та максимальна потужність енергії 0.702 мВт/м PGA (plant growth area) при 200. Завдяки використанню саджанців рослин біотехнологія ефективно працює з перших днів після інсталяції та практично на повну потужність через 2 тижні після внесення в субстрат паростків рослин. Сезонне зниження продукції біоелектрики рівне 8.71% в при температурі 21±3°С та додатковим освітленням (12 годин). На закритих терасах та засклених балконах, що не опалюються, при різких температурних коливаннях від 5 до 26°С, продукція біоелектрики знижується в осінньо-зимовий період 39.91% без внесення сульфатредукуючих бактерій та на 19.98% із додаванням сіркобактерій. Біотехнологічна система продовжує генерувати біоелектрику і після загибелі рослин та припинення їх фотосинтетичної активності завдяки активності електрогенеруючих мікрооорганізмів, ймовірно, за рахунок рослинного опаду і накопичених запасних речовин та під індукцією бактерій Desulfovibrio sp. Даний факт відкриває перспективи бактерій Desulfovibrio sp. як важливого інструменту підсилення функціональності біосистем генерації біоелектрики. Біотехнологічна система з Festuca arundinacea ефективна круглорічно, а сезонне зниження рівня біоелектрики складає 13.18 %. Біосистема з F. arundinacea характеризувалася на 20.95 % вищою потужністю та була в 1.5 раз більш економічно вигідною, ніж біосистема з A. plantago-aquatica, що дає можливість використовувати її в енергоефективних будинках всередині як джерело біоелектрики. Коефіціент Пірсона показує високу кореляцію розвитку рослин та генерації біоелектрики біосистемою і складає 0.85. Біосистеми з A. plantago-aquatica та F. arundinaсea є фундаментом для розробки біосистем енергоживлення приладів, які споживають 50 – 100 мА та для LED-освітлення всередині будинків. Позитивний ефект бактерій Desulfovibrio sp. та аннелід Lumbricus terrestris як енхансерів, які підвищують генерацію біоелектрики біосистем з A. plantago- aquatica та C. palustris складав до 32.83% та 14.32% відповідно. Вперше досягнуто прогресу в компактності та кількості модулів біосистем при збереженні виходу біоелектрики. Показано позитивний вплив збільшення площі електродів та скорочення міжелектродної відстані на величини отримуваної біоелектрики в біосистемі, що виявлявся в різній мірі при різних застосовуваних опорах. При послідовному з’єднанні трьох та шести багатоелектродних біосистем напруга зростала в 2.9 – 6.3 раз, відповідно. При паралельному з’єднанні двох багатоелектродних біосистем сила струму зростала в 2.1 рази. Збільшення площі електродів одного біомодуля в 10 разів призводить до збільшення питомої потужності при 200 Ом в 3.95 раз. Продемонстровано зростання показників біоелектрики до 1.8 раз із скороченням відстані між електродами від 10 см до 1 см як при використанні опорів, так і без застосування навантаження (P < 0.05). Досліджені закономірності дозволили розробити ефективний та компактний 0.6 л 4-електродний біомодуль шляхом паралельного з’єднання двох катодів та паралельного з’єднання двох анодів з розмірами 12х9.5х5.5 см. Біомодуль характеризувався в середньому 1.02 ± 0.03 В в умовах відкритого кола та струмом короткого замикання 3.79 ± 0.11 мА. На його основі було розроблені дво- і три-модульні багатоелектродні біосистеми, базовані на пряних чи декоративних рослинах Ocimum basilicum і Helsinia soleirolii, які служили автономним та екологічно чистим джерелом живлення для кімнатної метеостанції, цифрового годинника, цифрового термометра/гігрометра та світлодіодів в режимі реального часу, заміняючи батарейки 1.5 В та 3.0 В. Максимальні зафіксовані значення густини струму в тримодульній біосистемі становили 407 мА/м2 та густини потужності 188 мВт/м2 PGA. Показана можливість та перспективність використання мохів як біокомпонента біосистем на дахах. Температура повітря та кількість опадів сукупно мали суттєвий вплив на функціонування даних біосистем на дахах та генерацію ними біоелектрики. Біосистеми з мохами функціонували на повну потужність при температурі вище +10°С та відсутності тривалих посух. Біосистеми, де конфігурація електродів забезпечувала в 1.65 рази більшу площу контакту з субстратом, дозволяли отримувати вищі в 1.22 рази значення біоелектрики. Проте технологічно їх контакти між електродами є більш вразливими до пошкодження силою розширення замерзлої води та вони в більшій мірі виходили з ладу після зимового періоду. Було вдосконалено структуру біомодулей і розроблено біосистеми, які функціонують з стабільними параметрами після зимового періоду. Осока шершаволиста Carex hirta є оптимальним біокомпонентом біосистем генерації біоелектрики для експлуатації у відкритому ґрунті на дахах, оскільки є зимостійкою, виживає в посушливих умовах та швидко відновлює електроактивність після зволоження. Біосистема на основі осоки C. hirta характеризувалися максимальною потужністю 950 мВт/м2 PGA та була ефективнішою в 1.7 разів від системи на основі мохів, що розкриває перспективи її використання для генерації біоелектрики на дахах при температурі вище 0oС та кількості опадів 5 мм/день. Тип кореневої системи, і, зокрема, наявність розвинутої мичкуватої кореневої системи чи кореневища, а також, високе накопиченням фотосинтетичної і кореневої маси є важливими прогностичними факторами для вибору ефективного рослинного біокомпонента для біосистем. Показано перспективність екосистем лісів, екосистем заболочених луків, агроекосистем фруктових дерев і садових кущів та агрокультур Zea mays, а також, урбоекосистем паркових та лісопаркових зон, техногенно забруднених газонів розділяючих зелених смуг з помірним забруднення важкими металами вздовж автомагістралей міста як джерела поновлюваної та стабільної зеленої енергії в кліматичних умовах заходу України. Біоелектрика фітомікробоценозів агрокультур, сильно забруднених газонів вздовж автотрас та біотопів занедбаних паркових зон з ущільненим ґрунтом внаслідок антропогенного навантаження була нижчою на 9.18%, 14.43% та 20.29% відповідно від біотопів екосистем лісу (P < 0.05). Фітомікробоценоз зелених смуг вздовж автотрас є високорезистнимим до забруднення важкими металами. Суттєве зниження їх біоелектропродуктивності спричиняється забрудненням лише одночасно кількома металами високого класу небезпеки, що перевищують ГДК (гранично допустиму концентрацію) більше як в 10 разів. Даний факт відкриває перспективи цього фітомікробоценозу як джерела електрики, оскільки даний тип забруднення зустрічається лише на невеликому сегменті розділяючих зелених смуг вздовж автотрас. Вперше розроблено біосистеми на основі нової пари електродів: графітових катодів і перфорованих оцинковано-сталевих анодів та на їх основі багатоелектродні біомодулі. Розроблена біотехнологія є основою для автономних датчиків і систем моніторингу екосистем, біоіндикаторів їх стану та LED (light emitting diod) освітлення як для енергоефективних будинків, так і для використання in situ. Біотехнології в землях сільськогосподарського призначення можуть служити єдиним джерелом енергії для датчиків вологості ґрунту, інноваційних систем моніторингу за складом ґрунту і ростом рослин та автономних систем поливу. В містах рослинно-мікробна біоелектрика може забезпечувати LED освітлення паркових територій та дитячих майданчиків, живити придорожнє освітлення. Застосування пряних і декоративних рослин в складі запропонованої біотехнології надає їй подвійне практичне значення: як поновлювального джерела електрики, а також для декорування приміщень або для кулінарії. Використання рослинно-мікробних біосистем замість батарейок для живлення приладів дозволяє суттєво знизити витрати ресурсів на виробництво батарейок та нівелювати проблему їх утилізації. Впровадження біосистем в енергоефективних будинках та природних екосистемах має істотне значення для зменшення емісії парникових газів через зниження експлуатації традиційних відновлювальних джерел енергії. Запропонована ідея комбінації паралельно-послідовного з’єднання багатоелектродних біосистем та редукування міжелектродної відстані є ефективним способом максимізації отриманої рослинно-мікробної біоелектрики. Розкритий потенціал екосистем in situ та сконструйовані біотехнології для енергоефективних будівель містять нові підходи в біологічному і технологічному компонентах, що мають прогрес у економічності, ефективності і цілорічному зборі біоелектрики, відкриваючи широкі перспективи для подальшого вдосконалення збору рослинно-мікробної біоелектрики

Developing Energy Harvest Efficient Strategies with Microbial Fuel Cells

Nowadays, thinking of energetic efficiency is to determine how to decrease consumption and to reuse resources. This is a major concern when addressing hydric resources. The consumption of drinking water is seeing an unaffordable growth and, although most of it is replenished to the environment, the water quality is affected by pollutants and impurities. As such, using wastewater, a by-product of our routine and way of life, as resource is an asset. Even more when thinking about the heightened energy costs of a wastewater treatment station. The hypotheses of this work show how to achieve this goal by using microbial fuel cells. The organic composition of this water increases its energy production potential, where the bacterial metabolism can be used to, simultaneously, produce energy and help to clean the water. This document is divided in 5 chapters. The strategic positioning of the theme happens in chapter 1. Chapter 2 explains how the main elements of microbial fuel cell technology can work and determine its operation. In chapter 3, the power management systems used with microbial fuel cells are presented and discussed, with the identification of optimization strategies. The second-to-last chapter corresponds to the experimental results discussion and validation, while focusing improved energy production efficiencies. The outputs of this chapter pilot the future work analysis on chapter 5, together with the main conclusions and research trends. The validity and usefulness of this work is cleared with an application example.Pensar em economia energética é, hoje, considerar soluções para a redução de consumo e reutilização de recursos. Esta preocupação é importante ao examinar a utilização dos recursos hídricos. O consumo de água potável está a crescer insustentavelmente e, apesar de grande parte desse consumo ser restituído ao meio ambiente, a qualidade da água é afetada por poluentes ou impurezas. A utilização de água residual, um produto da nossa rotina e qualidade de vida, como um recurso é, por isso, uma mais valia. É ainda mais evidente ao considerar os elevados consumos energéticos de uma estação de tratamento de água residual. As hipóteses abordadas neste trabalho mostram como é possível atingir este objetivo usando células microbianas de combustível. A composição orgânica desta água faz com que o seu potencial energético possa ser explorado, usando o metabolismo bacteriano para produzir energia e, simultaneamente, auxiliar na limpeza da água. Este documento está dividido em 5 capítulos. O posicionamento do tema ocorre no capítulo 1. O capítulo 2 observa os principais elementos da tecnologia das células microbianas de combustível, permitindo compreender o seu funcionamento e conhecer que variáveis afetam o seu funcionamento. No capítulo 3 são apresentadas as tipologias de abordagem à gestão energética para esta pilha bacteriológica, discutindo-se as vantagens e otimizações de cada sistema. O penúltimo capítulo corresponde à exploração de resultados experimentais e à validação de hipóteses, orientadas para a maior eficiência energética. Surgem assim recomendações que servirão para guiar os trabalhos futuros, discutidos no capítulo final. Este, o capítulo 5, conta ainda com a apresentação das principais conclusões e das tendências de pesquisa. O trabalho termina com um exemplo de aplicação que solidifica a validade e utilidade da aplicação desta tecnologia

Performance and long distance data acquisition via LoRa technology of a tubular plant microbial fuel cell located in a paddy field in West Kalimantan, Indonesia

A Plant Microbial Fuel Cell (Plant-MFCs) has been studied both in the lab and in a field. So far, field studies were limited to a more conventional Plant-MFC design, which submerges the anode in the soil and places the cathode above the soil surface. However, for a large scale application a tubular Plant-MFC is considered more practical since it needs no topsoil excavation. In this study, 1 m length tubular design Plant-MFC was installed in triplicate in a paddy field located in West Kalimantan, Indonesia. The Plant-MFC reactors were operated for four growing seasons. The rice paddy was grown in a standard cultivation process without any additional treatment due to the reactor instalation. An online data acquisition using LoRa technology was developed to investigate the performance of the tubular Plant-MFC over the final whole rice paddy growing season. Overall, the four crop seasons, the Plant-MFC installation did not show a complete detrimental negative effect on rice paddy growth. Based on continuous data analysis during the fourth crop season, a continuous electricity generation was achieved during a wet period in the crop season. Electricity generation dynamics were observed before, during and after the wet periods that were explained by paddy field management. A maximum daily average density from the triplicate Plant-MFCs reached 9.6 mW/m2 plant growth area. In one crop season, 9.5-15 Wh/m2 electricity can be continuously generated at an average of 0.4 ± 0.1 mW per meter tube. The Plant-MFC also shows a potential to be used as a bio sensor, e.g., rain event indicator, during a dry period between the crop seasons.</p