Инженеры разрабатывают технологию предотвращения загрязнения фотобиореакторов для улавливания CO2

Исследователи Массачусетского технологического института разработали простую и недорогую технологию, которая может существенно ограничить это загрязнение, потенциально позволяя найти гораздо более эффективный и экономичный способ преобразования нежелательных парниковых газов в полезные продукты.

Ключевым моментом является покрытие прозрачных контейнеров материалом, способным удерживать электростатический заряд, а затем подача очень небольшого напряжения на этот слой. Система хорошо зарекомендовала себя в лабораторных испытаниях и при дальнейшем развитии может быть применена к коммерческому производству в течение нескольких лет.

О результатах сообщается в журнале. Передовые функциональные материалы, в статье недавнего выпускника Массачусетского технологического института Виктора Леона, доктора философии '23, профессора машиностроения Крипы Варанаси, бывшего постдока Батиста Блана и студентки бакалавриата Софии Зоннерт.

Какими бы успешными ни были усилия по сокращению или устранению выбросов углекислого газа, в атмосфере все равно останутся избыточные парниковые газы, которые будут оставаться в атмосфере на протяжении столетий, продолжая влиять на глобальный климат, отмечает Варанаси. «Там уже много углекислого газа, поэтому мы должны также рассмотреть технологии отрицательных выбросов», - говорит он, имея в виду способы удаления парниковых газов из воздуха или океанов или из их источников до того, как они будут выпущены. в воздух в первую очередь.

Когда люди думают о биологических подходах к сокращению выбросов углекислого газа, в первую очередь обычно думают о посадке или защите деревьев, которые действительно являются важным «поглотителем» атмосферного углерода. Но есть и другие. «Морские водоросли составляют около 50 процентов глобального углекислого газа, поглощаемого сегодня на Земле», — говорит Варанаси. Эти водоросли растут в 10–50 раз быстрее, чем наземные растения, и их можно выращивать в прудах или резервуарах, которые занимают лишь десятую часть площади наземных растений.

Более того, сами водоросли могут стать полезным продуктом. «Эти водоросли богаты белками, витаминами и другими питательными веществами», — говорит Варанаси, отмечая, что они могут производить гораздо больше питательных веществ на единицу используемой земли, чем некоторые традиционные сельскохозяйственные культуры.

Если их подключить к дымовым газам угольной или газовой электростанции, водоросли смогут не только питаться углекислым газом в качестве источника питательных веществ, но и некоторые виды микроводорослей могут также потреблять связанные с ними оксиды азота и серы, присутствующие в этих выбросах. «На каждые два-три килограмма CO₂«Можно произвести килограмм водорослей, и их можно будет использовать в качестве биотоплива, Омега-3 или продуктов питания», — говорит Варанаси.

Жирные кислоты омега-3 являются широко используемой пищевой добавкой, поскольку они являются неотъемлемой частью клеточных мембран и других тканей, но не могут вырабатываться организмом и должны поступать из пищи. «Омега-3 особенно привлекательна, поскольку это еще и гораздо более ценный продукт», — говорит Варанаси.

Большинство водорослей, выращиваемых в коммерческих целях, выращивают в мелких прудах, тогда как другие выращивают в прозрачных трубках, называемых фотобиореакторами. Трубки могут давать в 7–10 раз больший урожай, чем пруды, на данном участке земли, но они сталкиваются с серьезной проблемой: водоросли имеют тенденцию скапливаться на прозрачных поверхностях, что требует частых остановок всей производственной системы для очистки, что может занимать столько же времени, сколько и производственная часть цикла, тем самым сокращая общий выпуск вдвое и увеличивая эксплуатационные расходы.

Загрязнение также ограничивает конструкцию системы. Трубки не могут быть слишком маленькими, потому что засорение начнет блокировать поток воды через биореактор и потребует более высокой скорости откачки.

Варанаси и его команда решили попытаться использовать естественные свойства клеток водорослей для защиты от загрязнения. Поскольку клетки естественным образом несут небольшой отрицательный электрический заряд на поверхности своей мембраны, команда предположила, что для их отталкивания можно использовать электростатическое отталкивание.

Идея заключалась в том, чтобы создать отрицательный заряд на стенках сосудов, чтобы электрическое поле отталкивало клетки водорослей от стенок. Для создания такого электрического поля требуется высокоэффективный диэлектрический материал, который представляет собой электрический изолятор с высокой «диэлектрической проницаемостью», который может вызывать большое изменение поверхностного заряда при меньшем напряжении.

«То, что люди раньше делали с подачей напряжения [к биореакторам], было с проводящими поверхностями, — объясняет Леон, — но то, что мы делаем здесь, — это именно с непроводящими поверхностями».

Он добавляет: «Если он проводящий, то вы пропускаете ток и как бы электризуете клетки. Мы пытаемся добиться чистого электростатического отталкивания, чтобы поверхность была отрицательной, а клетка отрицательной, поэтому вы получаете отталкивание. По-другому можно описать это как силовое поле, тогда как раньше клетки касались поверхности и испытывали шок».

Команда работала с двумя различными диэлектрическими материалами: диоксидом кремния (по сути, стеклом) и гафнией (оксидом гафния), оба из которых оказались гораздо более эффективными в минимизации загрязнения, чем обычные пластики, используемые для изготовления фотобиореакторов. Материал может быть нанесен в виде исчезающе тонкого покрытия, толщиной всего от 10 до 20 нанометров (миллиардных долей метра), поэтому для покрытия полной системы фотобиореактора потребуется очень мало материала.

«Что нас очень радует, так это то, что мы можем показать, что исключительно за счет электростатических взаимодействий мы можем контролировать адгезию клеток», — говорит Варанаси. «Это почти как выключатель — иметь возможность сделать это».

Кроме того, Леон говорит: «Поскольку мы используем эту электростатическую силу, мы на самом деле не ожидаем, что она будет специфичной для клеток, и мы думаем, что есть потенциал для применения ее к другим клеткам, а не только к водорослям. В будущей работе мы» Я хотел бы попробовать использовать его с клетками млекопитающих, бактериями, дрожжами и т. д.». Его также можно использовать с другими ценными видами водорослей, такими как спирулина, которые широко используются в качестве пищевых добавок.

Одну и ту же систему можно использовать для отталкивания или притягивания клеток путем простого изменения напряжения, в зависимости от конкретного применения. Варанаси предполагает, что вместо водорослей подобная установка может быть использована с человеческими клетками для производства искусственных органов путем создания каркаса, который можно будет заряжать для привлечения клеток в правильную конфигурацию.

«Наше исследование, по сути, решает эту серьезную проблему биообрастания, которая была узким местом для фотобиореакторов», — говорит он. «Благодаря этой технологии мы теперь действительно можем реализовать весь потенциал» таких систем, хотя для их масштабирования до практических коммерческих систем потребуется дальнейшее развитие.

Что касается того, как скоро это может быть готово к широкому развертыванию, он говорит: «Я не понимаю, почему бы и не через три года, если мы получим необходимые ресурсы, чтобы продолжить эту работу».

Исследование было поддержано энергетической компанией Eni SpA в рамках MIT Energy Initiative.