Schele imprimate 3D transformă metanul rezidual în substanțe chimice utile cu mai puțină energie
Cercetătorii au dezvoltat un bioreactor în stare solidă care transformă metanul, un gaz cu efect de seră generat de gropile de gunoi și de stațiile de tratare a apelor uzate, într-o substanță chimică valoroasă numită succinat. Aceasta este folosită la fabricarea polimerilor, la stabilizarea medicamentelor și la intensificarea aromelor alimentare. Dispozitivul funcționează de peste zece ori mai eficient decât sistemele convenționale lichide și consumă mai puțină energie, potrivit unui studiu publicat în Scientific Reports.
„Bioproducția care utilizează gaze slab solubile a fost mult timp limitată de transferul lent de masă și de eficiența scăzută, deoarece bioreactoarele convenționale în fază lichidă nu sunt potrivite pentru fermentarea gazelor”, a declarat Fang Qian, cercetător și autor corespondent. „Odată cu interesul crescând pentru recuperarea energiei din fluxurile de gaze reziduale, sunt necesare noi tehnologii concepute special pentru fermentarea gazelor.”
Metoda se bazează pe metabolisme unor bacterii numite metanotrofe, care consumă și procesează în mod natural metanul. „Aceste microorganisme sunt proiectate natural să realizeze conversia. Funcționează fără căldură suplimentară, fără presiune adăugată, fără toate celelalte condiții pe care le impune un proces chimic”, a explicat Samantha Ruelas, autoare a studiului. „Acesta este lucrul frumos la această biologie. Pentru că este naturală, nu ai nevoie de toate acestea, iar în lipsa lor poate fi mai rentabilă.”
În locul unui bazin mare în care gazul este dizolvat în apă și amestecat energic, echipa a creat structuri subțiri numite schele. „Nu folosim un mare bazin de ‘bulion’ în care introducem gazul, ci am produs aceste structuri subțiri”, a spus Nathan Ellebracht, autor al studiului. „Sunt imprimate 3D, au o structură de rețea, iar microorganismele sunt plasate într-un hidrogel care umple pereții foarte subțiri.”
Pereții de hidrogel sunt rezistenți mecanic și nu se degradează ușor. Schelele pot găzdui de multe ori mai multe bacterii decât un bazin, iar pentru că pereții seamănă cu un burete subțire și poros, cu suprafață mare și permeabilitate ridicată, metanul ajunge rapid la microorganisme. Gazul curge direct prin și în jurul schelei, ceea ce elimină necesitatea dizolvării în lichid și a agitării bazinului.
„Capacitățile avansate de fabricație aditivă au permis integrarea selecției materialelor, a metodelor de imprimare, a designului geometric și a modelării performanței într-un singur flux de dezvoltare”, a declarat Hawi Gemeda, inginer și autor al studiului. „Odată identificați parametrii optimi de proiectare, imprimarea 3D a permis fabricarea rapidă de prototipuri la diferite dimensiuni, accelerând trecerea de la proiectarea reactorului la testare și extindere.”
Proiectul multidisciplinar a reunit expertiză în biomateriale, fabricație aditivă și modelarea bioreactoarelor. „Una dintre provocări a fost integrarea designului ingineresc cu limitările bacteriilor noastre”, a spus Natalie Hwee, autoare a studiului. „A fost o combinație între a ne da seama cum să proiectăm schela pentru a maximiza densitatea celulară și interacțiunea gaz-cellulă, dar și cum să menținem celulele în viață mai mult de câteva zile.”
Echipa a început cu un reactor de 2 mililitri și l-a extins la 1 litru. Deși dispozitivul necesită extindere suplimentară pentru implementare reală, dimensiunea redusă ar putea deveni un avantaj. „Din punct de vedere economic, fabricile chimice funcționează doar la scară mare. La instalațiile mai mici de tratare a deșeurilor sau a apelor uzate nu există soluții bune care să funcționeze la scară redusă”, a spus Ellebracht. „Abordarea noastră ar putea fi aplicată la o instalație mică și le-ar permite să obțină valoare.”
Structura nouă ar putea fi utilă și pentru alte tipuri de celule și conversii biochimice. „Dincolo de fermentarea gazelor, majoritatea bioproducției industriale se bazează pe fermentația aerobă a zahărului, unde transferul de masă al oxigenului rămâne o barieră majoră. În plus, imobilizarea biocatalizatorului ar elimina procesul ulterior de separare a acestuia de produsele de reacție”, a spus Qian. „Extindem acum activ conceptul de bioreactor în stare solidă la alte bioprocese.”
