Ingenieros del MIT diseñan tecnología para evitar el ensuciamiento en fotobiorreactores para la captura de CO2

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Las algas cultivadas en tanques o tubos transparentes provistos de dióxido de carbono pueden convertir el gas de efecto invernadero en otros compuestos, como complementos alimenticios o combustibles. Pero el proceso conduce a una acumulación de algas en las superficies que las enturbia y reduce la eficiencia, lo que requiere laboriosos procedimientos de limpieza cada dos semanas.

Los investigadores del MIT han ideado una tecnología simple y económica que podría limitar sustancialmente este ensuciamiento, lo que podría permitir una forma mucho más eficiente y económica 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 ha funcionado bien en pruebas a escala de laboratorio y, con un mayor desarrollo, podría aplicarse a la producción comercial en unos pocos años.

Los hallazgos se informan en la revista Advanced Functional Materials, en un artículo del recién graduado del MIT Victor Leon PhD '23, el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi, el ex postdoctorado Baptiste Blanc y la estudiante de pregrado Sophia Sonnert.

No importa cuán exitosos puedan ser los esfuerzos para reducir o eliminar las emisiones de carbono, todavía 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 los gases de efecto invernadero del aire o los océanos, o de sus fuentes antes de que se liberen en el medio ambiente. aire en primer lugar.

Cuando la gente piensa en enfoques biológicos para la reducción del dióxido de carbono, lo primero que piensa suele ser plantar o proteger árboles, que de hecho son un "sumidero" crucial para el carbono atmosférico. Pero hay otros. "Las algas marinas representan alrededor del 50 por ciento del dióxido de carbono global absorbido hoy en la Tierra", dice Varanasi. Estas algas crecen entre 10 y 50 veces más rápido que las plantas terrestres, y se pueden cultivar en estanques o tanques que ocupan solo una décima parte de la huella terrestre de las plantas terrestres.

Además, las algas en sí mismas pueden ser un producto útil. "Estas algas son ricas en proteínas, vitaminas y otros nutrientes", dice Varanasi, y señala que podrían producir muchos más nutrientes por unidad de tierra utilizada que algunos cultivos agrícolas tradicionales.

Si se adjuntan a la salida de gases de combustión de una planta de energía 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, y estas podrían usarse como biocombustibles, o para Omega-3, o alimentos", dice Varanasi.

Los ácidos grasos omega-3 son un complemento alimenticio muy utilizado, ya que son una parte esencial de las membranas celulares y otros tejidos, pero el cuerpo no puede producirlos y debe obtenerlos 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 estanques para una determinada cantidad de tierra, 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, lo que puede toman tanto tiempo como la parte productiva del ciclo, reduciendo así la producción total a la mitad y aumentando los costos 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 utilizar una característica natural de las células de las algas para defenderse de las incrustaciones. Debido a que 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 alejarlas.

La idea era crear una carga negativa en las paredes del recipiente, de modo que el campo eléctrico obligue a las células de algas a alejarse 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 con un voltaje más pequeño.

"Lo que la gente ha hecho antes al aplicar voltaje [a los biorreactores] ha sido con superficies conductoras", explica Leon, "pero lo que estamos haciendo aquí es específicamente con superficies no conductoras".

Y agrega: "Si es conductivo, entonces pasas corriente y estás chocando las células. Lo que estamos tratando de hacer es una repulsión electrostática pura, por lo que la superficie sería negativa y la celda es negativa, por lo que obtienes repulsión". Otra forma de describirlo es como un campo de fuerza, mientras que antes las células tocaban la superficie y se electrocutaban".

El equipo trabajó con dos materiales dieléctricos diferentes, dióxido de silicio, esencialmente vidrio, y hafnia (óxido de hafnio), los cuales resultaron ser mucho más eficientes para minimizar el ensuciamiento que los plásticos convencionales utilizados para fabricar fotobiorreactores. El material se puede aplicar en una capa que es 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 emociona aquí es que podemos demostrar que, puramente a partir de interacciones electrostáticas, podemos controlar la adhesión celular", dice Varanasi. "Poder hacer esto es casi como un interruptor de encendido y apagado".

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, Me gustaría intentar usarlo con células de mamíferos, bacterias, levaduras, etc." También podría usarse con otros tipos valiosos de algas, como la espirulina, que se usan ampliamente como complementos alimenticios.

El mismo sistema podría usarse para repeler o atraer células simplemente invirtiendo el voltaje, según la aplicación particular. En lugar de algas, se podría usar una configuración similar con células humanas para producir órganos artificiales mediante la producción de un andamio que podría cargarse para atraer a las células a la configuración correcta, sugiere Varanasi.

"Nuestro estudio resuelve básicamente este importante problema de la bioincrustación, que ha sido un cuello de botella para los fotobiorreactores", dice. "Con esta tecnología, ahora podemos realmente alcanzar todo el potencial" de tales sistemas, aunque se necesitará 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 en un plazo de tres años, si obtenemos los recursos adecuados para poder llevar adelante este trabajo".

El estudio fue apoyado por la empresa de energía Eni SpA, a través de MIT Energy Initiative.

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