Este documento describe el diseño de una celda de combustible microbiológica que utiliza bacterias oxidantes de azufre y hierro. El objetivo es diseñar, montar y operar una celda para generar bioelectricidad mediante los procesos bioelectroquímicos asociados a estas bacterias. Se revisan los antecedentes sobre celdas de combustible microbiológicas y las bacterias Aciditihobacillus ferrooxidans y otras que oxidan azufre y hierro.
ANALISIS Y DISEÑO POR VIENTO, DE EDIFICIOS ALTOS, SEGUN ASCE-2016, LAURA RAMIREZ
Diseño de una celda microbiana con uso de bacteria oxidantes de azufre y hierro
1. Diseño de una Celda de Combustible
Microbiológica con Uso de Bacterias
Oxidantes de Azufre y Hierro
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL QUÍMICO E INGENIERO CIVIL EN BIOTECNOLOGÍA
UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOTECNOLOGÍA
IGOR MARCOS SAAVEDRA SALAS
PROFESOR GUÍA:
TOMÁS VARGAS VALERO
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
BLANCA ESCOBAR MIGUEL
FRANCISCO GRACIA CAROCA
SANTIAGO DE CHILE
MAYO 2012
2.
3. 0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
70,000
Generación Eléctrica País (GWh)
Introducción
Energía y Bioelectricidad
0
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50,000
60,000
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Distribución Eléctrica según Sector (GWh)
Minero Industrial Residencial Comercial Agricola Otros
0
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40,000
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Generación Eléctrica según Tipo (GWh)
Térmica Ciclo Combinado Hidráulica ERNC
• Matriz de Energía
Eléctrica Chilena
• Crecimiento
• Tipo de Demanda
• Tipo de Oferta
• Sustentabilidad
• ERNC
• Fuentes y
tecnologías
• Eficiencia
energética
Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas www.ine.cl
4. Introducción
Energía y Bioelectricidad
ERNC
Solar
Celda Fotovoltaica
Celda Fotoelectrolítica
Eólica Bioenergías
Biocombustibles
Celda Electrolítica
Microbiológica
Celda Electrolítica
Enzimática
Bioelectricidad
Celda de Combustible
Microbiológica
Celda de Combustible
Enzimática
Geotérmica Marinas y Estuarios
Celda de Electrodiálisis
Reversa
Tecnologías
5. Introducción
Energía y Bioelectricidad
• Matriz de Energía
Eléctrica Chilena
• Crecimiento
• Tipo de Demanda
• Tipo de Oferta
• Sustentabilidad
• ERNC
• Fuentes y
tecnologías
• Eficiencia
energética
0
10,000
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70,000
Generación Eléctrica según Tipo (GWh)
Térmica Ciclo Combinado Hidráulica ERNC
Energía
Química
Energía
Eléctrica
Energía
Térmica
(Calor)
Energía
Mecánica
(Trabajo)
CELDA DE
COMBUSTIBLE
COMBUSTIÓN
MÁQUINA
TÉRMICA
GENERADOR
7. Introducción
Objetivos,Alcances y Justificación
• Objetivo General
• Diseñar, montar y operar configuración de celda descrita para
probar la generación de bioelectricidad
• Objetivos Específicos
• Estudiar procesos bioelectroquímicos asociados
• Medir el desempeño eléctrico de la celda
• Estimar la eficiencia energética, rendimiento del combustible y
potencial costo de la energía
• Discutir aplicaciones tecnológicas
8. Antecedentes
Celdas de Combustible Microbiológicas
• Definiciones
• Principios de
operación
V
ÁNODO
CÁTODO
SEPARADOR
Combustible
Combustible
oxidado
H+
Oxidante
reducido
Oxidante
e
-
e
-
e
-
e
-
ánodo: H2 → H+ + e- 0 V vs NHE
cátodo: O2 + 4H+ + 4e- → 4H2O 1,23 V vs NHE
fem = 1,23 V
15. Antecedentes
Bacterias Oxidantes de Azufre y Hierro
Diversidad
• Depósitos de minerales sulfurados
• Hábitats microbiológicos extremadamente complejos
• Acidófilos extremos pH opt. < 3, adaptación a distintos
sustratos de azufre y rangos de temperatura.
• Número limitado de bacterias caracterizadas (Watling,
2006)
16. Organismo Sustrato de crecimiento reportado Características
Acidianus ambivalens S oxidación y reducción Hipertermófilos
Acidianus brierleyi Sulfidos pH opt 1,5 – 2,5
Acidianus infernus
Pobre, si hay alguna, Fe oxidación
“Acidianus tengchongensis ”
Acidimicrobium ferrooxidans
Mixotrofía
Fe oxidación y reducción, Sulfuros
(pobre)
Termófilo moderado
pH opt 2
Acidiphilum spp Heterótrofos obligados Mesófilos
Acidiphilium SJH
S oxidación
Fe(III) reducción
pH opt ∼ 2 – 3
Acidiphilium acidophilum
Autótrofo facultativo
S oxidación
Fe(III) reducción
Mesófilo
pH opt ∼ 2 – 3
Acidithiobacillus albertensis Autótrofos Mesófilos
Acidithiobacillus ferrooxidans S oxidación, sulfuros
(Af, Fe(II) oxidación; Fe(III) reducción
como anaerobio facultativo)
pH range 2 – 4
Acidithiobacillus thiooxidans
Acidithiobacillus caldus
Mixótrofo
S oxidación, sulfuros
Termófilo moderado
pH opt 2 – 2,5
Acidolobus aceticus Heterótrofo Hipertermófilo
Alicyclobacillus spp
S reducción to H2S
S oxidación, sulfuros
pH opt 3,8
Mesófilos — termófilos moderados
“Alicyclobacillus disulfidooxidans” (Ad, facultative autotroph,; At, mixótrofo,
Fe(III) reducción)
pH 1,5 – 2,5
“Alicyclobacillus tolerans”
“Ferrimicrobium acidiphilium”
Heterótrofo
Fe(II) oxidación, sulfuros
Fe(III) reducción
Mesófilo
pH opt 1,7 – 1,8
Ferroglobus placidus Fe oxidación
Termófilo
pH neutral
“Ferroplasma acidarmanus” Posible autótrofo Termófilos moderados
“Ferroplasma cyprexacervatum” Fe oxidación pH rango 1 – 2
Ferroplasma acidophilum
Pirita oxidación pobre
Ferroplasma MT17
Tabla 2. Microorganismos acidófilos oxidantes de azufre y hierro. Fuente: Watling (2006).
17. Organismo Sustrato de crecimiento reportado Características
Hydrogenobaculum acidophilus
S, H oxidación para producer ácido
sulfúrico
Termófilo
pH opt 3 – 4
Leptospirillum ferriphilum Fe oxidación Mesófilos, algunas cepas termotolerantes
Leptospirilum thermoferrooxidans Pirita pH rango 1,6 – 1,9
Leptospirillum ferrooxidans Fe oxidación, pirita Mesófilo, pH opt 1,5–1,7
Metallosphaera sedula S oxidación Termófilos
Metallosphaera prunae
Sulfuros pH 1 – 4
“Metallosphaera hakonensis”
Sulfobacillus acidophilus
Fe(II) y S oxidación; Fe(III) reducción,
Sulfuros
Termófilos moderados
Sulfobacillus thermosulfidooxidans S y Fe(II) oxidación pH 1 – 2.5
Sulfolobus metallicus Quimiolitoautótrofo estricto Hipertermófilo
“Sulfolobus rivotincti”
S oxidación, sulfuros Varios pHs en rango 1 – 4,5
Sulfolobus shibatae
“Sulfolobus tokodaii
Sulfolobus yangmingensis
“Sulfolobus” JP2 y JP3
Sulfolobus acidocaldarius Heterótrofos Hipertermófilos
Sulfolobus solfataricus No S oxidación pH 2 – 4,5
Sulfurococcus yellowstonensis S y Fe oxidación Hypertermófilo
Thiobacillus prosperus S y Fe oxidación, sulfuros Mesófilo, halófilo, pH opt. 2
Thiomonas cuprina S oxidación, sulfuros Mesophile, pH opt. 3 – 4
18. Antecedentes
Bacterias Oxidantes de Azufre y Hierro
Aciditihobacillus ferrooxidans
• Gram negativa
• Forma de bastón con un flagelo polar
• Fisión binaria, no forma esporas.
• Acidez 1,4 ≤ pH ≤ 6,0
• Mesófila 20 ºC ≤ T° ≤ 35 ºC
• Aerobia y anaerobia facultativa
• O2 y Fe+3 aceptor terminal de electrones
• Otros posibles Mo+6, Co+2, Cu+2, U+6 y V+5
(Sugio et al. 1988; Rawlings 2005; Sugio et al. 1990; Gargarello et al. 2010;
Bredberg et al. 2004)
• Quimiolitoautótrofa
• S0, Fe+2, MS dador de electrones
20. Trabajo Experimental
Materiales
• Reactivos y cepa
• Cepa bacteriana Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 19859
(Lab. de Biohidrometalurgia, FCFM – U. de Chile)
• Medio basal K9 modificado: 0,4 g/L (NH4)2SO4; 0,056 g/L K2HPO4·3H2O y 0,4 g/L MgSO4·7H2O
• Azufre elemental (S0) granular y pulverizado tratado
• Ácido sulfúrico (H2SO4) concentrado para ajustes de pH
• Agua destilada (dH2O)
• Electrodos y celda
• Grafito en barras (CAS# 7782-42-5) (Alfa Aesar, UK)
• Grafito masivo cilíndrico (Lab. de Biohidrometalurgia, FCFM – U. de Chile)
• Grafito granular (Aldrich)
• Membrana de intercambio de cationes Nafion®
• Balones de gas licuado de O2 y N2
• Electrodo de referencia Ag/AgCl
• Capilar de Luggin con solución 3 M KCl y Gel-Rite
• Equipos
• Electroanalizador BAS100B (BASinc)
• Medidor de pH
• Multímetro
• Termostato
21. ELECTRODO
DETRABAJO
ELECTRODO
AUXILIAR
i
Aire
pH 1,6
25 ºC
Agua
caliente
Agua
tibia
REFERENCIA
DC
V
A B C
Trabajo Experimental
Metodología
Estudio de electroactividad de
biofilms
• Electrodos
• Auxiliar: resorte de Pt
• de Trabajo: grafito en barra
• 1 cara expuesta circular de 3
mm diám.
• área del electrodo ≈ 0,14 cm2
• Variables
• Presencia de biofilm (A/B)
• Deposición de azufre (G/S)
• Tipo de electrolito (C/E)
• Parámetros
• pH
• Tiempo de cultivo
• Temperatura
• Series repetidas
• Electrodos A,B y C
23. Trabajo Experimental
Metodología
Simbología de los gráficos
A o B exposición o no a bacterias (potencial formación de biofilm)
G o S contacto directo o no del grafito con azufre elemental
(inmersión en polvo o azufre depositado sobre la superficie)
E o C electrolito es medio basal estéril o de cultivo (contiene bacterias y sus productos
extracelulares)
pH-,- pH del electrolito
-- h tiempo de formación del biofilm
-- h’ tiempo de cultivo del medio
-- min tiempo de aplicación de ultrasonido al electrodo (medio de remoción parcial del
biofilm)
-- g gramos de azufre elemental sublimado/ebullido (medio de deposición sobre el grafito)
N se mide burbujeando N2
O se mide burbujeando O2
P electrodo repulido (remoción total del biofilm)
GG grafito granular
24. Trabajo Experimental
Metodología
Montaje de la celda
prototipo
• Electrodos
• grafito masivo
• discos de 1,6 cm diám.
ambas caras expuestas
• área de electrodo ≈ 4,02 cm2
• Celda
• vol. anódico ≈ 135 mL
• vol. catódico ≈ 35 mL
• CEM de 2 cm diám.
• área membrana ≈ 6,3 cm2
• Fuentes
• de E: S0 granular añadido
progresivamente 1 4 g
• de C: CO2(d) del aire en
comp. catódico; NaHCO3(s)
1g en compartimento
anódico
MedredMedox
ÁNODO e-
CÁTODO e-
SEPARADOR (CEM)
S0
SO4
2-
H+
O2 H2O
O2 H2O
V
e-
e-
e-
e-
Trampa
de agua
Aire
¿ Med = SxOy
2- ?
pH 1,6
pH 2,3
Azufre elemental
Acidithiobacillus ferrooxidans
N2
25 ºC
Agua
caliente
Agua
tibia
REFERENCIA
25. Resultados y Discusión
Electroactividad de Biofilms
• Voltametrías cíclicas de biofilms
• Serie A, B y C
• Acumulación de especies electroactivas en el medio de
cultivo. (Bhavaraju et. al., 1993)
• Tiosulfato S2O3
2-, sulfito SO3
2-, pirosulfito S2O5
2-, tetrationato S4O6
2-
, politionatos SnO6
2-
• Procesos bioelectroquímicos
• Biofilm electroactivo
• Pares redox asociados E’ = 0,36 ; 0,47 V vs Ag/AgCl
• Influencia del O2
• Deposición de azufre
• Aislación eléctrica: ~1,5 Ω ~1 MΩ
• Hidrofobicidad de la superficie
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33. Resultados y Discusión
Operación de Celda Prototipo
• Voltametrías cíclicas
• Serie anódica (anóxica) y catódica (aeróbica)
• Evolución en el tiempo
• Curvas de polarización (i-E)
• Curvas de potencia
• Potencial de electrodo en circuito abierto (OCP)
• Voltaje en circuito abierto (OCV)
• Eficiencia energética y rendimiento
Voltaje
V
Rendimiento
kWh/kgS0
Costo
¢USD/kWh
Eficiencia
𝝐 𝑮
OCVteo 0,86 4,31 2,32 100%
OCVexp 0,46 2,30 4,35 53%
VMPP 0,13 0,64 15,6 15%
34.
35.
36.
37.
38.
39. Conclusiones y Perspectiva
Conclusiones
• Diseño, montaje y confirmación de generación de
bioelectricidad
• At. ferrooxidans como biocatalizador
• S0 como combustible
• Aparente adaptación anodofílica y formación de biofilms
electroactivos
• Ondas redox características aparecieron sólo voltagramas de
condición biótica
• Pics de densidad de corriente aumentan en función del tiempo de
formación del biofilm y/o la edad del medio de cultivo.
• Estimación del desempeño
• Potencia máxima registrada ~9 W/m2 ; OCVexp = 0,108 V; i = 12,3
mA/cm2
• Rendimiento del combustible < 0,64 kWh/kgS0 (máx teo. 4,31
kWh/kgS0)
40. Conclusiones y Perspectiva
Proyecciones
• Biofilm electroactivo
• Sensor de actividad micriobiológica
• Celda de combustible microbiológica
• Biolixiviación de sulfuros metálicos electrogeneradora
• Bioelectrogeneración con relaves ricos en sulfuros metálicos
• Proceso integrado
MFC
Azufre
Oxidantes
MFC
Sulfato
Reductoras
NaSH
Subproducto
NaSH
NaOH
H2SH2SO4MS
fuel
M+
Bioelectricidad Bioelectricidad
Materia orgánica
(fuel)
41. Conclusiones y Perspectiva
Recomendaciones
• Repetir la experiencia
• Disminuyendo errores experimentales
• Mejorando la medición de variables
• Avanzar en la investigación
• Complementando con otras técnicas analíticas
• Comprobar anodifilia de At ferrooxidans
• Aislar e identificar mediadores
• Experimentar con sulfuros metálicos
• Rol de iones Fe
• Evaluar otros monocultivos y cultivos mixtos
• Construcción de un piloto (9W/m2)
• Comparar potencia consumida vs generada
• Determinar diseño óptimo: operación continua, fed-batch o batch
Buenos días. Mi nombre es Igor Saavedra, y estoy aquí con el objetivo de presentarles el trabajo de mi Memoria para Optar al Título de Ing. Civil Químico e Ing. Civil en Biotecnología. Este trabajo fue desarrollado durante el año 2011 en el Laboratorio de Biohidrometalurgia, ligado al Centro de Estudios de Hidro/Electrometalurgia de nuestra Facultad. Mi profesor guía durante esta la labor fue Tomás Vargas; mi profesora coguía, Blanca Escobar; y el profesor integrante, Francisco Gracia.
Quiero comenzar esta presentación desde la reflexión que ha motivado esta Memoria. Se trata sobre el desarrollo industrial de nuestro país, la evolución de su matriz de energía eléctrica en la última década, y el impacto medioambiental y social que ha tenido.
Crecimiento: La generación eléctrica en Chile lleva un crecimiento anual promedio de un 5% desde finales de los años 90 hasta la fecha. Su variación se correlaciona positivamente con el crecimiento económico del país.
Demanda: El crecimiento se ha visto motivado en gran medida por la demanda en aumento del sector minero, que en poco más de una década ha duplicado su consumo inicial de aprox. 10.000 GWh al año, éste representa casi 1/3 del consumo total.
Oferta: Para abastecer la demanda en aumento se ha recurrido a la construcción de centrales térmicas de ciclo convencional (no disponen de turbina de gas, sólo de vapor) que utilizan en su gran mayoría carbón como combustible
Sustentabilidad: La creciente actividad minera implica, por lo general, un aumento de emisiones de metales disueltos y sulfato que acumulados en tranques de relaves infiltran los acuíferos. A su vez, las centrales térmicas en general contribuyen con emisiones de dióxido de carbono, gas de efecto invernadero; en particular, aquellas de ciclo convencional a carbón, dadas su baja eficiencia y la composición del combustible, emiten comparativamente más dióxido de carbono por kWh generado y también óxidos de azufre y nitrógeno, así como cenizas que contienen mercurio
En cuanto a ERNC, ¿alguien es capaz de reconocer su aporte dentro del gráfico?
Variadas son la fuentes de ERNC que podrían ser explotadas en nuestro país. En este gráfico se ha querido distinguir las tecnologías de celdas electroquímicas relacionadas a dichas fuentes. Probablemente la celda fotovoltaica sea la tecnología más conocida, no obstante, existen otros conceptos en desarrollo: la celda fotoelectrolítica, que utiliza energía solar para generar hidrógeno de la electrólisis del agua; o la celda de electrodiálisis reversa que aprovecha los gradientes salinos de los estuarios y membranas de intercambio iónico para generar una corriente continua.
Las celdas de combustible biológicas representan la alternativa de bioelectricidad, cuestión que se enmarca dentro de la categoría de bioenergías. Ya sea que se utilice un microorganismo completo como catalizador, en rigor, biotransformador, o sólo enzimas se distingue entre celdas de combustible microbiológicas o enzimáticas. A diferencia del enfoque de la producción de biocombustibles, donde se obtiene una molécula portadora de energía química, la bioelectricidad es la generación de una corriente continua por medio de un sistema bioelectroquímico. Los mismos principios bioelectroquímicos aplicados a la generación de moléculas portadoras de energía química, basicamente hidrógeno, dan origen, a su vez, a las denominaciones de celda electrolítica microbiológica o enzimática. El hidrógeno generado por las celdas electrolíticas serían usado para generar electricidad, de manera eficiente, en celdas de combustible químicas
El trabajo consiste en el diseño, construcción y estudio de una celda de combustible microbiológica con sustrato inorgánico a escala de laboratorio, que utiliza bacterias oxidantes de azufre y hierro para catalizar la oxidación de un sulfuro metálico y/o azufre elemental, y la reducción de oxígeno disuelto y/o ion férrico, a fin de generar especies electroactivas aprovechables en dicho dispositivo electroquímico capaz de generar electricidad.
Una etapa previa al trabajo de construcción y operación de la celda prototipo se ocupa del estudio de biofilms de Acidithiobacillus ferrooxidans sobre electrodos de grafito. La razón de ésta es comprender qué tipo de interacción puede desarrollar la bacteria, oxidante de azufre y hierro, con el electrodo de grafito durante su posterior utilización en la celda prototipo.
Estudiar procesos bioelectroquímicos: particularmente formación de biofilms electroactivos de Acidithiobacillus ferrooxidans sobre los electrodos de grafito.
Caracterizar desempeño de la celda: por método electroquímicos, en términos de densidad de corriente, voltaje y potencia eléctrica generada
Evaluar: la generación de bioelectricidad con la celda descrita utilizando azufre elemental o un sulfuro metálico como combustible, en términos
Discutir aplicaciones: en su proyección a procesos industriales, especialmente de la minería de sulfuros.
de enerada variando la composición de los electrolitos, temperatura de operación y/u otros parámetros
Probablemente sólo un pequeño número de bacterias oxidantes de azufre y hierro (Tabla 2) han sido aisladas y caracterizadas fisiológica y filogenéticamente. Que se han descubierto es consecuencia de los métodos selectivos por el cual las bacterias son enriquecidas y aisladas
en ambiente aerobio utiliza oxígeno como aceptor de electrones y en condiciones anaerobias utiliza ión férrico como aceptor; qumiolitótrofa, esta bacteria es capaz de oxidar ión ferroso y compuestos reducidos de azufre en soluciones de ácido sulfúrico en presencia de oxígeno. La energía que obtiene de la oxidación la usa para fijación de dióxido de carbono, crecimiento y mantenimiento celular. (Diaz, 2007)
en ambiente aerobio utiliza oxígeno como aceptor de electrones y en condiciones anaerobias utiliza ión férrico como aceptor; qumiolitótrofa, esta bacteria es capaz de oxidar ión ferroso y compuestos reducidos de azufre en soluciones de ácido sulfúrico en presencia de oxígeno. La energía que obtiene de la oxidación la usa para fijación de dióxido de carbono, crecimiento y mantenimiento celular. (Diaz, 2007)
A medida que aumenta el tiempo de cultivo, el medio tiende a concentrar ciertas especies electroactivas. La presencia de especies electroactivas es un resultado esperado, habiéndose encontrado ya compuestos de azufre parcialmente oxidados tales como tiosulfato (S2O32-), sulfito (SO32-), pirosulfito (S2O52-), tetrationato (S4O62-) y politionatos (SnO62-).(Bhavaraju et al., 1993; Allegretti et al., 2006). Bhavaraju et al. (1993) encontraron que el medio de cultivo de A. ferrooxidans en crecimiento con S0 concentra S2O32- y trazas de SO32-. Por otro lado, el mecanismo metabólico de la oxidación de S0 postulado por Quatrini et al. (2006) supone dos vías metabólicas paralelas, en donde a partir de S0 se genera SO32- y S2O32-, y luego SO42- y S4O62- respectivamente.
Control por trasf de masa pasa a control mixto
con sustrato inorgánico, a escala de laboratorio, de doble cámara anóxico-aeróbico, y operada como sistema fed-batch (biopila),
La capacidad de Acidithiobacillus ferrooxidans para crecer usando un ánodo directamente como aceptor terminal de electrones no queda totalmente clara. No obstante, así lo sugiere el incremento en el tiempo de los picos de corriente de las ondas características del biofilm durante la operación de la celda prototipo, al encontrarse la bacteria en un ambiente que carece de cualquier aceptor de electrones conocido para At. ferrooxidans, es decir, carente al menos de O2 y Fe3+. Este resultado representaría una cualidad novedosa de este microorganismo que, a conocimiento del autor, no ha sido reportado en la literatura.
El trabajo consiste en el diseño, construcción y estudio de una celda de combustible microbiológica con sustrato inorgánico a escala de laboratorio, que utiliza bacterias oxidantes de azufre y hierro para catalizar la oxidación de un sulfuro metálico y/o azufre elemental, y la reducción de oxígeno disuelto y/o ion férrico, a fin de generar especies electroactivas aprovechables en dicho dispositivo electroquímico capaz de generar electricidad.
Una etapa previa al trabajo de construcción y operación de la celda prototipo se ocupa del estudio de biofilms de Acidithiobacillus ferrooxidans sobre electrodos de grafito. La razón de ésta es comprender qué tipo de interacción puede desarrollar la bacteria, oxidante de azufre y hierro, con el electrodo de grafito durante su posterior utilización en la celda prototipo.
