Водоросли, выращенные в прозрачных резервуарах или трубах, снабженных углекислым газом, могут преобразовывать парниковый газ в другие соединения, такие как пищевые добавки или топливо. Но этот процесс приводит к накоплению водорослей на поверхностях, которые затуманивают их и снижают эффективность, требуя трудоемких процедур очистки каждые пару недель.

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали простую и недорогую технологию, которая может существенно ограничить это загрязнение, потенциально обеспечивая гораздо более эффективный и экономичный способ преобразования нежелательных парниковых газов в полезные продукты.

Суть в том, чтобы покрыть прозрачные контейнеры материалом, способным удерживать электростатический заряд , а затем подать на этот слой очень небольшое напряжение. Система хорошо зарекомендовала себя в лабораторных испытаниях и при дальнейшем развитии может быть применена к коммерческому производству в течение нескольких лет.

О результатах сообщается в журнале Advanced Functional Materials в статье недавнего выпускника Массачусетского технологического института Виктора Леона, доктора философии. 23 года, профессор машиностроения Крипа Варанаси, бывший постдокторант Батист Блан и студентка бакалавриата София Соннерт.

Варанаси отмечает , что какими бы успешными ни были усилия по сокращению или устранению выбросов углерода , все равно будут излишки парниковых газов, которые останутся в атмосфере на века вперед, продолжая влиять на глобальный климат. «Там уже много углекислого газа, поэтому мы должны также рассмотреть технологии отрицательных выбросов », — говорит он, имея в виду способы удаления парниковых газов из воздуха или океанов или из их источников до того, как они попадут в окружающую среду. воздух в первую очередь.

Когда люди думают о биологических подходах к сокращению выбросов углекислого газа, в первую очередь обычно думают о посадке или защите деревьев, которые действительно являются важным «поглотителем» атмосферного углерода. Но есть и другие. «На долю морских водорослей приходится около 50 процентов мирового углекислого газа, поглощаемого сегодня на Земле», — говорит Варанаси. Эти водоросли растут в 10–50 раз быстрее, чем наземные растения, и их можно выращивать в прудах или резервуарах, занимающих лишь десятую часть площади земли, на которой находятся наземные растения.

Более того, сами водоросли могут быть полезным продуктом. «Эти водоросли богаты белками, витаминами и другими питательными веществами», — говорит Варанаси, отмечая, что они могут производить гораздо больше питательных веществ на единицу используемой земли, чем некоторые традиционные сельскохозяйственные культуры.

Если они присоединены к дымовым газам угольной или газовой электростанции, водоросли могут не только процветать на углекислом газе в качестве источника питательных веществ, но и некоторые виды микроводорослей могут также потреблять сопутствующие оксиды азота и серы, присутствующие в этих выбросах. «На каждые два-три килограмма CO ₂ можно произвести килограмм водорослей, которые можно использовать в качестве биотоплива, Омега-3 или продуктов питания», — говорит Варанаси.

Жирные кислоты омега-3 являются широко используемой пищевой добавкой, поскольку они являются неотъемлемой частью клеточных мембран и других тканей, но не могут вырабатываться организмом и должны поступать с пищей. «Омега-3 особенно привлекательна, потому что это еще и гораздо более ценный продукт», — говорит Варанаси.

Большинство водорослей, выращиваемых в коммерческих целях, выращивают в неглубоких прудах, тогда как другие выращивают в прозрачных пробирках, называемых фотобиореакторами. Трубки могут давать в 7-10 раз больше урожая, чем пруды на данном участке земли, но они сталкиваются с серьезной проблемой: водоросли имеют тенденцию накапливаться на прозрачных поверхностях, что требует частых отключений всей производственной системы для очистки, что может занимает столько же времени, сколько продуктивная часть цикла, таким образом, общая производительность сокращается наполовину и увеличиваются эксплуатационные расходы.

Засорение также ограничивает конструкцию системы. Трубки не могут быть слишком маленькими, потому что засорение может начать блокировать поток воды через биореактор и потребовать более высокой скорости откачки.

Варанаси и его команда решили попытаться использовать естественные свойства клеток водорослей для защиты от обрастания. Поскольку клетки естественным образом несут небольшой отрицательный электрический заряд на поверхности своей мембраны, ученые пришли к выводу, что для их отталкивания можно использовать электростатическое отталкивание.

Идея заключалась в том, чтобы создать на стенках сосуда отрицательный заряд, чтобы электрическое поле отталкивало клетки водорослей от стенок. Для создания такого электрического поля требуется высокоэффективный диэлектрический материал, представляющий собой электрический изолятор с высокой «диэлектрической проницаемостью», способный производить большое изменение поверхностного заряда при меньшем напряжении.

«То, что люди делали раньше с подачей напряжения [в биореакторы], было с проводящими поверхностями, — объясняет Леон, — но то, что мы делаем здесь, — это конкретно с непроводящими поверхностями».

Он добавляет: «Если он проводящий, то вы пропускаете ток и как бы шокируете клетки. То, что мы пытаемся сделать, — это чистое электростатическое отталкивание, поэтому поверхность будет отрицательной, а ячейка отрицательной, поэтому вы получите отталкивание. Другой способ описать это как силовое поле, тогда как раньше клетки касались поверхности и получали удары током».

Команда работала с двумя разными диэлектрическими материалами: диоксидом кремния (по сути, стеклом) и гафнией (оксидом гафния), оба из которых оказались гораздо более эффективными для минимизации загрязнения, чем обычные пластмассы, используемые для изготовления фотобиореакторов. Материал может быть нанесен в виде покрытия, которое является исчезающе тонким, толщиной всего от 10 до 20 нанометров (миллиардных долей метра), поэтому для покрытия полной системы фотобиореактора потребуется очень мало.

«Нас здесь волнует то, что мы можем показать, что исключительно за счет электростатических взаимодействий мы можем контролировать адгезию клеток», — говорит Варанаси. «Это почти как выключатель, чтобы иметь возможность делать это».

Кроме того, Леон говорит: «Поскольку мы используем эту электростатическую силу, мы на самом деле не ожидаем, что она будет специфичной для клеток, и мы думаем, что есть потенциал для применения ее к другим клеткам, а не только к водорослям. хотелось бы попробовать использовать его с клетками млекопитающих, бактериями, дрожжами и так далее». Его также можно использовать с другими ценными видами водорослей, такими как спирулина, которые широко используются в качестве пищевых добавок.

Эту же систему можно использовать для отталкивания или притяжения клеток, просто изменяя напряжение, в зависимости от конкретного применения. Варанаси предполагает, что вместо водорослей аналогичная установка может быть использована с человеческими клетками для производства искусственных органов путем создания каркаса, который можно заряжать, чтобы притягивать клетки в правильную конфигурацию.

«Наше исследование в основном решает эту серьезную проблему биообрастания, которая была узким местом для фотобиореакторов», — говорит он. «Благодаря этой технологии мы теперь действительно можем реализовать весь потенциал» таких систем, хотя потребуется дальнейшее развитие, чтобы перейти к практическим коммерческим системам.

Что касается того, как скоро это может быть готово к широкомасштабному развертыванию, он говорит: «Я не понимаю, почему не через три года, если у нас будут нужные ресурсы, чтобы продвинуть эту работу вперед».