Por David L. Chandler, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 16 de abril de 2023
Una tecnología nueva y económica puede limitar la acumulación de algas en las paredes de los fotobiorreactores que pueden ayudar a convertir el dióxido de carbono en productos útiles. La reducción de este ensuciamiento evita limpiezas costosas y permite que se lleve a cabo más fotosíntesis dentro de los tanques. Crédito: José-Luis Olivares, MIT
Aplicar un pequeño voltaje a las paredes de los tanques de crecimiento de algas puede prevenir la acumulación de nubes y permitir que se lleve a cabo más fotosíntesis.
Las algas cultivadas en tanques o tubos transparentes llenos de dióxido de carbono pueden convertir el gas de efecto invernadero en otros compuestos, como complementos alimenticios o combustible. Pero el proceso conduce a una acumulación de algas en las superficies que las enturbian y reduce la eficiencia, lo que requiere laboriosos procedimientos de limpieza cada dos semanas.
Los investigadores del MIT han creado una tecnología simple y económica que puede limitar sustancialmente este ensuciamiento, lo que podría permitir una forma mucho más eficiente y rentable de convertir los gases de efecto invernadero no deseados en productos útiles.
La clave es recubrir los recipientes transparentes con un material que pueda contener una carga electrostática y luego aplicar un voltaje muy pequeño a esa capa. El sistema funcionó bien en las pruebas a escala de laboratorio y, con un mayor desarrollo, podría aplicarse a la producción comercial en unos pocos años.
Los hallazgos se informaron el 13 de abril de 2023 en la revista Advanced Functional Materials, en un artículo del graduado del MIT Victor Leon PhD ’23, el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi, el ex becario postdoctoral Baptiste Blanc y la estudiante graduada Sophia Sonnert.
Como las células de algas llevan naturalmente una pequeña carga eléctrica negativa en la superficie de su membrana, el equipo pensó que la repulsión electrostática podría usarse para separarlas. Crédito: Cortesía de los investigadores.
No importa qué tan exitosos sean los esfuerzos para reducir o eliminar las emisiones de carbono, aún habrá un exceso de gases de efecto invernadero que permanecerán en la atmósfera durante los siglos venideros y seguirán afectando el clima global, señala Varanasi. «Ya hay una gran cantidad de dióxido de carbono allí, por lo que también debemos analizar las tecnologías de emisiones negativas», dice, refiriéndose a las formas de eliminar el gas de efecto invernadero del aire o los océanos, o sus fuentes, antes de que desaparezca. ambiente. aire primero.
Cuando las personas piensan en enfoques biológicos para reducir el dióxido de carbono, lo primero que piensan suele ser plantar o proteger árboles, que de hecho son un «sumidero» crucial para el carbono atmosférico. Pero hay otros. “Las algas marinas representan aproximadamente el 50 % del dióxido de carbono global absorbido en la Tierra en la actualidad”, dice Varanasi. Estas algas crecen de 10 a 50 veces más rápido que las plantas terrestres y se pueden cultivar en estanques o estanques que ocupan solo una décima parte de la huella terrestre de las plantas terrestres.
Además, las propias algas pueden ser un producto útil. “Estas algas son ricas en proteínas, vitaminas y otros nutrientes”, dice Varanasi, señalando que pueden producir muchos más nutrientes por unidad de tierra utilizada que algunos cultivos agrícolas tradicionales.
Si se vincula a la salida de gases de combustión de una planta de carbón o gas, las algas no solo podrían prosperar con el dióxido de carbono como fuente de nutrientes, sino que algunas de las especies de microalgas también podrían consumir los óxidos de nitrógeno y azufre asociados presentes en estas emisiones. “Por cada dos o tres kilogramos de CO2, se podría producir un kilogramo de algas, que podrían utilizarse como biocombustibles, omega-3 o alimentos”, dice Varanasi.
Los ácidos grasos omega-3 son un suplemento dietético ampliamente utilizado, ya que son una parte esencial de las membranas celulares y otros tejidos, pero el cuerpo no puede producirlos y deben obtenerse de los alimentos. “Omega 3 es particularmente atractivo porque también es un producto de mucho más valor”, dice Varanasi.
La mayoría de las algas cultivadas comercialmente se cultivan en estanques poco profundos, mientras que otras se cultivan en tubos transparentes llamados fotobiorreactores. Los tubos pueden producir rendimientos de siete a 10 veces mayores que los tanques para un área determinada de terreno, pero se enfrentan a un problema importante: las algas tienden a acumularse en las superficies transparentes, lo que requiere paradas frecuentes de todo el sistema de producción para su limpieza. que puede tardar tanto como la parte productiva del ciclo, reduciendo así la producción total a la mitad y aumentando los costes operativos.
El ensuciamiento también limita el diseño del sistema. Los tubos no pueden ser demasiado pequeños porque el ensuciamiento comenzaría a bloquear el flujo de agua a través del biorreactor y requeriría tasas de bombeo más altas.
Varanasi y su equipo decidieron intentar usar una característica natural de las células de algas para defenderse de las incrustaciones. Como las células llevan naturalmente una pequeña carga eléctrica negativa en la superficie de su membrana, el equipo pensó que la repulsión electrostática podría usarse para separarlas.
La idea era crear una carga negativa en las paredes de los recipientes, de modo que el campo eléctrico empujara las células de algas lejos de las paredes. Para crear un campo eléctrico de este tipo se requiere un material dieléctrico de alto rendimiento, que es un aislante eléctrico con una alta «permisividad» que puede producir un gran cambio en la carga superficial a un voltaje más bajo.
“Lo que la gente ha hecho antes con la aplicación de voltaje [to bioreactors] ha sido con superficies conductoras», explica Leon, «pero lo que estamos haciendo aquí es específicamente con superficies no conductoras».
Agrega: “Si es conductivo, entonces estás pasando corriente y estás descargando las células. Lo que estamos tratando de hacer es repulsión electrostática pura, por lo que la superficie sería negativa y la celda es negativa, por lo que tendrá repulsión. Otra forma de describirlo es como un campo de fuerza, mientras que antes las células tocaban la superficie y recibían descargas”.
El equipo trabajó con dos materiales dieléctricos diferentes, dióxido de silicio, esencialmente vidrio, y hafnia (óxido de hafnio), los cuales demostraron ser mucho más eficientes para minimizar el ensuciamiento que los plásticos convencionales que se usan para fabricar fotobiorreactores. El material se puede aplicar en una capa extremadamente delgada, de solo 10 a 20 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, por lo que se necesitaría muy poco para recubrir un sistema de fotobiorreactor completo.
“Lo que nos entusiasma aquí es que podemos demostrar que, puramente a partir de interacciones electrostáticas, somos capaces de controlar la adhesión celular”, dice Varanasi. «Es casi como un interruptor de encendido y apagado, poder hacer eso».
Además, dice Leon, “Dado que estamos usando esta fuerza electrostática, realmente no esperamos que sea específica de una célula, y creemos que existe la posibilidad de aplicarla con otras células además de las algas. En el trabajo futuro, nos gustaría intentar usarlo con células de mamíferos, bacterias, levaduras, etc. También se puede utilizar con otros valiosos tipos de algas como la espirulina, que se utilizan ampliamente como complementos alimenticios.
El mismo sistema se puede utilizar para repeler o atraer células simplemente invirtiendo el voltaje, según la aplicación específica. En lugar de algas, se podría usar una configuración similar con células humanas para fabricar órganos artificiales, produciendo un andamio que se puede transportar para atraer a las células a la configuración correcta, sugiere Varanasi.
“Nuestro estudio básicamente resuelve este gran problema de la bioincrustación, que ha sido un cuello de botella para los fotobiorreactores”, dice. “Con esta tecnología, ahora podemos realmente aprovechar todo el potencial” de tales sistemas, aunque se necesita un mayor desarrollo para escalar a sistemas comerciales prácticos.
En cuanto a qué tan pronto podría estar listo para un despliegue generalizado, dice: «No veo por qué no dentro de tres años si obtenemos los recursos adecuados para poder llevar adelante este trabajo».
Referencia: «Control electrostático de baja potencia sintonizable externamente de la adhesión celular con películas dieléctricas de alto k nanómetro» por Victor J. Leon, Baptiste Blanc, Sophia D. Sonnert y Kripa K. Varanasi, 13 de abril de 2023, Materiales funcionales avanzados.
DOI: 10.1002/adfm.202300732
El estudio fue apoyado por la empresa de energía Eni SpA, a través de MIT Energy Initiative.
