Genbrugt ølgær indkapslet i hydrogeler kan tilbyde en omkostningseffektiv måde at fjerne bly fra vand

Hvert år genererer og kasserer ølbryggerier tusindvis af tons overskudsgær. Forskere fra MIT og Georgia Tech har nu fundet en måde at genbruge den gær til at absorbere bly fra forurenet vand.

Gennem en proces kaldet biosorption kan gær hurtigt absorbere selv spormængder af bly og andre tungmetaller fra vand. Forskerne viste, at de kunne pakke gæren inde i hydrogelkapsler for at skabe et filter, der fjerner bly fra vand. Fordi gærcellerne er indkapslet, kan de let fjernes fra vandet, når det er klar til at drikke.

"Vi har hydrogelen, der omgiver den frie gær, der findes i midten, og denne er porøs nok til at lade vand komme ind, interagere med gær, som om de bevægede sig frit i vand, og så komme ren ud," siger Patricia Stathatou, en tidligere postdoc ved MIT Center for Bits and Atoms, som nu er forsker ved Georgia Tech og en kommende adjunkt ved Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering.

"Det faktum, at gæren i sig selv er biobaseret, godartet og bionedbrydelig, er en væsentlig fordel i forhold til traditionelle teknologier."

Forskerne forestiller sig, at denne proces kan bruges til at filtrere drikkevand, der kommer ud af en vandhane i hjemmet, eller skaleres op til at behandle store mængder vand på renseanlæg.

MIT kandidatstuderende Devashish Gokhale og Stathatou er hovedforfatterne af undersøgelsen, som vises i tidsskriftet RSC Sustainability . Patrick Doyle, Robert T. Haslam-professor i kemiteknik ved MIT, er seniorforfatter af papiret, og Christos Athanasiou, en assisterende professor i rumfartsteknik ved Georgia Tech og tidligere gæsteforsker ved MIT, er også forfatter.

Absorberende bly

Den nye undersøgelse bygger på arbejde, som Stathatou og Athanasiou begyndte i 2021, da Athanasiou var gæsteforsker ved MIT's Center for Bits and Atoms. Det år beregnede de, at gæraffald kasseret fra et enkelt bryggeri i Boston ville være nok til at behandle hele byens vandforsyning.

Gennem biosorption, en proces, der ikke er fuldt ud forstået, kan gærceller binde til og absorbere tungmetalioner, selv ved udfordrende begyndelseskoncentrationer under 1 del per million. MIT-holdet fandt ud af, at denne proces effektivt kunne dekontaminere vand med lave koncentrationer af bly. Der var dog en vigtig hindring tilbage, nemlig hvordan man fjerner gær fra vandet, efter at de har absorberet blyet.

I et serendipitalt tilfælde præsenterede Stathatou og Athanasiou tilfældigvis deres forskning ved AIChE-årsmødet i Boston i 2021, hvor Gokhale, en studerende i Doyles laboratorium, præsenterede sin egen forskning om at bruge hydrogeler til at fange mikroforurenende stoffer i vand. De to sæt forskere besluttede at forene kræfterne og undersøge, om den gærbaserede strategi kunne være nemmere at opskalere, hvis gæren var indkapslet i hydrogeler udviklet af Gokhale og Doyle.

"Det, vi besluttede at gøre, var at lave disse hule kapsler - noget som en multivitaminpille, men i stedet for at fylde dem op med vitaminer, fylder vi dem op med gærceller," siger Gokhale. "Disse kapsler er porøse, så vandet kan gå ind i kapslerne, og gæren er i stand til at binde alt det bly, men gæren selv kan ikke slippe ud i vandet."

Kapslerne er lavet af en polymer kaldet polyethylenglycol (PEG), som er meget udbredt i medicinske applikationer. For at danne kapslerne suspenderer forskerne frysetørret gær i vand og blander dem derefter med polymerunderenhederne. Når UV-lys skinner på blandingen, bindes polymererne sammen for at danne kapsler med gær fanget indeni.

Hver kapsel er omkring en halv millimeter i diameter. Fordi hydrogelerne er meget tynde og porøse, kan vand let passere igennem og støde på gæren indeni, mens gæren forbliver fanget.

I denne undersøgelse viste forskerne, at den indkapslede gær kunne fjerne spor af bly fra vand lige så hurtigt som den ikke-indkapslede gær fra Stathatou og Athanasious originale 2021-studie.

Opskalering

Ledet af Athanasiou testede forskerne den mekaniske stabilitet af hydrogelkapslerne og fandt ud af, at kapslerne og gæren indeni kan modstå kræfter svarende til dem, der genereres af vand, der løber fra en vandhane. De beregnede også, at de gærfyldte kapsler skulle være i stand til at modstå kræfter genereret af strømme i vandbehandlingsanlæg, der betjener flere hundrede boliger.

"Mangel på mekanisk robusthed er en almindelig årsag til fejl i tidligere forsøg på at opskalere biosorption ved hjælp af immobiliserede celler; i vores arbejde ønskede vi at sikre, at dette aspekt er grundigt behandlet fra begyndelsen for at sikre skalerbarhed," siger Athanasiou.

Efter at have vurderet den mekaniske robusthed af de gærfyldte kapsler, konstruerede forskerne et proof-of-concept biofilter, der er i stand til at behandle sporforurenet blyforurenet vand og opfylde U.S. Environmental Protection Agencys drikkevandsretningslinjer, mens de kører kontinuerligt i 12 dage.

Denne proces vil sandsynligvis forbruge mindre energi end eksisterende fysisk-kemiske processer til at fjerne spor af uorganiske forbindelser fra vand, såsom nedbør og membranfiltrering, siger forskerne.

Denne tilgang, der er rodfæstet i principper for cirkulær økonomi, kunne minimere spild og miljøpåvirkninger og samtidig fremme økonomiske muligheder i lokalsamfundene. Selvom der er rapporteret talrige blyforureningshændelser forskellige steder i USA, kan denne tilgang have en særlig betydelig indvirkning i lavindkomstområder, der historisk set har været udsat for miljøforurening og begrænset adgang til rent vand, og som måske ikke har råd til andre måder at afhjælpe det på, siger forskerne.

"Vi mener, at der er et interessant miljøretfærdighedsaspekt ved dette, især når man starter med noget så billigt og bæredygtigt som gær, som i det væsentlige er tilgængeligt overalt," siger Gokhale.

Forskerne udforsker nu strategier for genanvendelse og udskiftning af gæren, når den er brugt op, og forsøger at beregne, hvor ofte det skal ske. De håber også at undersøge, om de kunne bruge råmaterialer afledt af biomasse til at fremstille hydrogelerne i stedet for fossile brændstoffer-baserede polymerer, og om gæren kan bruges til at fange andre typer forurenende stoffer.

"Fremadrettet er dette en teknologi, der kan udvikles til at målrette mod andre sporforurenende stoffer af nye bekymringer, såsom PFAS eller endda mikroplastik," siger Stathatou. "Vi ser virkelig dette som et eksempel med en masse potentielle anvendelser i fremtiden."

Flere oplysninger: Devashish Gokhale et al., Gærfyldte hydrogelkapsler til fjernelse af skalerbar blyspor fra vand, RSC Sustainability (2024). DOI:10.1039/D4SU00052H , doi.org/10.1039/D4SU00052H

Journaloplysninger: RSC Bæredygtighed

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.