ניצול ספיגה ביולוגית: הפיכת פסולת מבשלת בירה לתחנת כוח לטיהור מים

מסנן העשוי משמרי פסולת מבשלה המוקפים בהידרוג'לים יכול לספוג במהירות עופרת ממים מזוהמים.

מבשלות בירה מייצרות ומשליכות אלפי טונות של עודפי שמרים מדי שנה. חוקרים מ MIT וג'ורג'יה טק מצאו כעת דרך ליישם מחדש את השמרים האלה להפקת עופרת ממים מזוהמים.

באמצעות תהליך המכונה ביולוגית, השמרים סופגים ביעילות עקבות וכמויות גדולות יותר של עופרת ומתכות כבדות אחרות מהמים. החוקרים ארזו בהצלחה את השמרים בכמוסות הידרוג'ל, ויצרו מסנן שמסיר עופרת מהמים. ניתן להסיר בקלות את תאי השמרים המובלעים מהמים, מה שהופך אותם לבטוחים לצריכה.

טכנולוגיה יעילה ובת קיימא

"יש לנו את ההידרוג'ל המקיף את השמרים החופשיים שקיימים במרכז, והוא נקבובי מספיק כדי לתת למים להיכנס פנימה, לקיים אינטראקציה עם שמרים כאילו הם נעים בחופשיות במים, ואז לצאת נקיים", אומרת פטרישיה סטאטאו, א. פוסט דוקטורט לשעבר במרכז MIT לביטים ואטומים, שהוא כיום מדען מחקר בג'ורג'יה טק ועוזר פרופסור נכנס בבית הספר להנדסה כימית וביו-מולקולרית של ג'ורג'יה טק. "העובדה שהשמרים עצמם מבוססים ביו, שפירים ומתכלים היא יתרון משמעותי על פני טכנולוגיות מסורתיות."

החוקרים מדמיינים שניתן להשתמש בתהליך זה לסינון מי שתייה שיוצאים מברז בבתים, או להגדיל את הטיפול בכמויות גדולות של מים במכוני טיהור.

סטודנט לתארים מתקדמים ב-MIT, דבשיש גוקהלה וסטאטטו, הם המחברים הראשיים של המחקר, שפורסם ב-15 במאי בכתב העת קיימות RSC. פטריק דויל, פרופסור רוברט ט. האסלאם להנדסה כימית ב-MIT, הוא המחבר הבכיר של המאמר, וכריסטוס אתנאסיאו, עוזר פרופסור להנדסת אווירונאוטיקה וחלל בג'ורג'יה טק ולשעבר חוקר אורח ב-MIT, הוא גם מחבר.

סופג עופרת

המחקר החדש מתבסס על עבודה ש-Stathatou ו-Athhanasiou התחילו בשנת 2021, כאשר Athanasiou היה חוקר אורח במרכז MIT של Bits and Atoms. באותה שנה, הם חישבו שפסולת שמרים שהושלכה ממבשלת בירה בודדת בבוסטון תספיק לטפל בכל אספקת המים של העיר.

באמצעות ספיגה ביולוגית, תהליך שאינו מובן במלואו, תאי שמרים יכולים להיקשר ולספוג יוני מתכות כבדות, אפילו בריכוזים ראשוניים מאתגרים מתחת לחלק למיליון. צוות MIT מצא שתהליך זה יכול למעשה לטהר מים עם ריכוזים נמוכים של עופרת. עם זאת, נותר מכשול מרכזי אחד, והוא כיצד להסיר שמרים מהמים לאחר שהם סופגים את העופרת.

בצירוף מקרים מסתורי, Stathatou ו-Athanasiou הציגו במקרה את המחקר שלהם במפגש השנתי של AIChE בבוסטון בשנת 2021, שם הציג Gokhale, סטודנט במעבדה של דויל, מחקר משלו על שימוש בהידרוג'לים ללכידת מיקרו מזהמים במים. שני קבוצות החוקרים החליטו לאחד כוחות ולחקור אם האסטרטגיה המבוססת על שמרים יכולה להיות קלה יותר להגדלה אם השמרים היו מכוסים בהידרוג'לים שפותחו על ידי Gokhale ודויל.

"מה שהחלטנו לעשות זה להכין את הקפסולות החלולות האלה – משהו כמו גלולת מולטי ויטמין, אבל במקום למלא אותן בוויטמינים, אנחנו ממלאים אותן בתאי שמרים", אומר גוקהיל. "הקפסולות הללו נקבוביות, כך שהמים יכולים להיכנס לקפסולות והשמרים מסוגלים לקשור את כל העופרת הזו, אבל השמרים עצמם לא יכולים לברוח למים."

הקפסולות עשויות מפולימר הנקרא פוליאתילן גליקול (PEG), שנמצא בשימוש נרחב ביישומים רפואיים. כדי ליצור את הקפסולות, החוקרים מרחיקים שמרים מיובשים במים, ואז מערבבים אותם עם יחידות המשנה הפולימריות. כאשר אור UV זורח על התערובת, הפולימרים מתחברים זה לזה ויוצרים כמוסות עם שמרים כלואים בפנים.

כל כמוסה בקוטר של כחצי מילימטר. מכיוון שההידרוג'לים מאוד דקים ונקבוביים, מים יכולים לעבור בקלות ולהיתקל בשמרים שבתוכם, בעוד השמרים נשארים כלואים.

במחקר זה, החוקרים הראו כי השמרים המובלעים יכולים להסיר עקבות עופרת מהמים באותה מהירות כמו השמרים הלא מכוסים מהמחקר המקורי של Stathatou ו-Athanasiou משנת 2021.

קנה מידה

בהנהגת Athanasiou, החוקרים בדקו את היציבות המכנית של כמוסות ההידרוג'ל ומצאו שהקפסולות והשמרים שבתוכם יכולים לעמוד בפני כוחות דומים לאלו הנוצרים על ידי מים זורמים מברז. הם גם חישבו שהקפסולות עמוסות השמרים אמורות להיות מסוגלות לעמוד בפני כוחות הנוצרים מזרימות במפעלי טיהור מים המשרתים כמה מאות בתי מגורים.

"חוסר חוסן מכני הוא גורם שכיח לכישלון של ניסיונות קודמים להגדיל את הספיגה הביולוגית באמצעות תאים משותקים; בעבודה שלנו, רצינו לוודא שההיבט הזה יטופל ביסודיות כבר מההתחלה כדי להבטיח מדרגיות", אומר Athanasiou.

לאחר הערכת החוסן המכאני של הקפסולות עמוסות השמרים, החוקרים בנו ביולוגי-מסנן ארוז עם הוכחה לקונספציה, המסוגל לטפל במים מזוהמים עקבות עופרת ולעמוד בהנחיות של הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב לשתיית מי שתייה תוך שהוא פועל ברציפות במשך 12 ימים.

תהליך זה עשוי לצרוך פחות אנרגיה מאשר תהליכים פיזיקוכימיים קיימים להסרת עקבות של תרכובות אנאורגניות מהמים, כגון משקעים וסינון ממברנה, אומרים החוקרים.

גישה זו, המעוגנת בעקרונות הכלכלה המעגלית, יכולה למזער את הפסולת וההשפעה הסביבתית תוך טיפוח הזדמנויות כלכליות בתוך קהילות מקומיות. אף על פי שדווחו מקרים רבים של זיהום עופרת במקומות שונים בארצות הברית, לגישה זו עשויה להיות השפעה משמעותית במיוחד באזורים בעלי הכנסה נמוכה אשר התמודדו היסטורית עם זיהום סביבתי וגישה מוגבלת למים נקיים, וייתכן שלא יוכלו להרשות לעצמם אחרים. דרכים לתקן את זה, אומרים החוקרים.

"אנחנו חושבים שיש לזה היבט צדק סביבתי מעניין, במיוחד כשאתה מתחיל עם משהו כל כך זול ובר קיימא כמו שמרים, שבעצם זמין בכל מקום", אומר Gokhale.

סיכויי עתיד

החוקרים בוחנים כעת אסטרטגיות למיחזור והחלפת השמרים לאחר שנגמרו, ומנסים לחשב באיזו תדירות זה יצטרך להתרחש. הם גם מקווים לחקור אם הם יכולים להשתמש בחומרי הזנה המופקים מביומסה לייצור ההידרוג'לים, במקום פולימרים מבוססי דלק מאובנים, והאם ניתן להשתמש בשמרים ללכידת סוגים אחרים של מזהמים.

"להתקדם, זוהי טכנולוגיה שניתן לפתח כדי לכוון למזהמים אחרים של דאגה מתעוררת, כגון PFAS או אפילו מיקרופלסטיק", אומר Stathatou. "אנחנו באמת רואים בזה דוגמה עם הרבה יישומים פוטנציאליים בעתיד."

המחקר מומן על ידי מלגת Rasikbhai L. Meswani for Water Solutions, MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), והמכון למוצרי ביולוגי מתחדשים ב- Georgia Tech.