Meget selektivt adsorberende materiale tiltrækker uønskede materialer til gavn for biofremstilling

En skummende stout, et solidt brød, en skarp ost; hver af livets ting, hver skabt af naturligt forekommende mikroorganismer. Defineret universelt som brygning, bagning og kaseikultur (OK, ostefremstilling), de er eksempler på, hvad i dag, vi kalder biofremstilling.

Selvom du måske ikke forbinder sådan et industrielt udtryk med den kulinariske kunst, du er måske bekendt med processen i fremstillingen af ​​majsbaseret ethanol, antibiotika og smøremidler, blandt et stadigt voksende produktsortiment.

Sådanne processer kan være komplekse og dyre, og i mange tilfælde, udbyttet er relativt lavt - for lavt til at gøre et produkt kommercielt levedygtigt. Men tidligere succeser hjælper fortsat med at vokse industrien, driver producenter og forskere til at arbejde sammen om at finde unikke løsninger på nogle af biofremstillings større problemer.

Et eksempel:forskere fra to afdelinger ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, der er gået sammen om at udvikle et meget selektivt adsorberende materiale kaldet EZ Select til at tackle ineffektivitet i bioproduktudvinding. Ved at kombinere laboratoriets ekspertise inden for biovidenskab med dets fremstillingsknowhow, teknologien demonstrerer styrken i partnerskab.

"Udfordringen er at skabe et rent produkt med relativt lave omkostninger og energi, " sagde Phil Laible, en biofysiker i Argonnes Biosciences-afdeling og en hovedefterforsker på projektet. "EZ Select er en meget effektiv måde at adskille produktet fra et meget komplekst miljø, fordi det eneste, der adsorberer på dens overflade, er det produkt, vi er interesseret i at lave."

Inden for fremstilling af bioprodukter, forskellige mikroorganismer udvælges til at skabe specifikke produkter, hver dyrket ved hjælp af en forskellig opløsning af vækstmedier bestående af næringsstoffer og salte. Den "suppe", som dette producerer, omfatter ikke kun produktet, men biprodukter fra forarbejdning, som partikler og emulsioner, der gør produktet sværere at udvinde.

Fordi kompleksiteten af ​​vækstmedierne og suppen ændrer sig fra bioprodukt til bioprodukt, holdet havde brug for både biovidenskabsfolks og applikationseksperters ekspertise til at skabe et materiale, der kunne ændres eller "tunes" til at arbejde med forskellige kemier.

Dette materiale er en xerogel, et meget porøst nanostruktureret materiale, hvis porestørrelser kan modificeres ved hjælp af miceller, eller lipider, der skaber den aktive skrubbekraft i vaskemidler. Evnen til at finjustere EZ Select endnu mere ved hjælp af additiver giver næsten fuldstændig kontrol over porøsiteten, sagde Laible.

"Vores evne til at indstille det betyder, at vi kan ændre kemiske funktionelle grupper på overfladen for at tiltrække en bestemt slags molekyle og udelukke andre, " tilføjede Ed Barry, applikationsforsker for Argonne's Applied Materials division og EZ Select teammedlem.

En anden fordel ved at bruge EZ Select i biofremstilling er dens neutrale effekt på de organismer, der er belastet med at skabe det endelige produkt. I nogle bioproduktionsordninger, overkoncentration af bioproduktet kan bremse eller stoppe fermenteringsprocessen, resulterer i lavere udbytte.

"Hvis du tænker på det i form af vinproduktion, for eksempel, når en vis koncentration af alkohol er nået, derefter organismen - gær, i dette tilfælde - holder op med at omdanne druer til vin, " forklarede Barry. "Så evnen til at bruge noget som EZ Select til selektivt at fjerne produktet, så det ikke undertrykker organismens funktionalitet, tillader processen at fortsætte, producerer et større udbytte af alkohol."

Ligner en kæmpe rulle bløde papirhåndklæder, EZ Select kan adsorbere op til otte gange sin masse og genbruges titusinder gange. Den kan også dimensioneres, så den opfylder adsorptionsbehovene for specifikke produktmængder. Kun én gel på størrelse med en halv gallon mælkekarton kan genbruges flere gange i en proces på hundrede liter.

"Du kan fylde det op med produkt og derefter, med blot en simpel komprimering, fjern produktet fra materialet, som så går lige tilbage i processen for at blive genbrugt. Det er kraften i det, " ifølge Laible. EZ Select forbedrer biofremstillingsprocesser ved at integrere produktions- og separationsprocesser for at forbedre både produktivitet og bæredygtighed.

På grund af dets tunbarhed på molekylært niveau, potentialet for EZ Select er grænseløst. I modsætning til at tiltrække produkter, det kan i stedet bruges til at fange medier og behandle urenheder, der hæmmer mikrobiel omdannelse, gør biofremstillingsprocessen mere effektiv. Og forskere ser det som en platformsteknologi, der lover et vilkårligt antal forskellige applikationer.

"Evnen til at adsorbere ting specifikt fra relativt komplekse blandinger illustrerer dens tilbøjelighed til brug som absorbent til en bred vifte af applikationer, " sagde Barry. "Jeg tror, ​​dens specificitet åbner op for andre potentielle anvendelser for EZ Select i tungmetalsanering og gasopsamlingsapplikationer, ligesom CO ₂ adsorption."