Ingenieros idean tecnología para evitar la incrustación en fotobiorreactores de captura de CO2

Los investigadores del MIT han ideado una tecnología sencilla y económica que podría limitar sustancialmente esta contaminación, permitiendo potencialmente una forma mucho más eficiente y económica de convertir los gases de efecto invernadero no deseados en productos útiles.

La clave es recubrir los contenedores 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 dentro de unos años.

Los hallazgos se informan en la revista. Materiales funcionales avanzados, en un artículo del recién graduado del MIT Victor Leon PhD '23, la profesora de ingeniería mecánica Kripa Varanasi, el ex postdoctorado Baptiste Blanc y la estudiante universitaria 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 permanecerá en la atmósfera durante los próximos siglos y seguirá afectando el clima global, señala Varanasi. 'Ya hay mucho dióxido de carbono allí, por lo que también tenemos que considerar tecnologías de emisiones negativas', dice, refiriéndose a las formas de eliminar los gases de efecto invernadero del aire o de los océanos, o de sus fuentes, antes de que sean liberados. en el aire en primer lugar.

Cuando la gente piensa en enfoques biológicos para la reducción del dióxido de carbono, lo primero que suele pensar es en 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 pueden cultivarse en estanques o tanques que ocupan sólo una décima parte de la huella terrestre de las plantas terrestres.

Es más, las propias algas pueden ser un producto útil. 'Estas algas son ricas en proteínas, vitaminas y otros nutrientes', dice Varanasi, señalando que podrían producir mucha más producción nutricional por unidad de tierra utilizada que algunos cultivos agrícolas tradicionales.

Si se unieran a la salida de gases de combustión de una central eléctrica de carbón o gas, las algas no sólo 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 éstas podrían usarse como biocombustibles, o para Omega-3, o como alimento', 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 no pueden ser producidos por el cuerpo y deben obtenerse de los alimentos. 'Omega 3 es particularmente atractivo porque también es un producto de mucho mayor 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 diez veces mayores que los estanques para una determinada cantidad de tierra, pero enfrentan 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 tomar tanto tiempo como la parte productiva del ciclo, reduciendo así la producción total a la mitad y aumentando los costos operativos.

La contaminación también limita el diseño del sistema. Los tubos no pueden ser demasiado pequeños porque la suciedad 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 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 se podría utilizar la repulsión electrostática para alejarlas.

La idea era crear una carga negativa en las paredes de los vasos, de modo que el campo eléctrico alejara las células de las algas 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 León, 'pero lo que estamos haciendo aquí es específicamente con superficies no conductoras'.

Y añade: 'Si es conductivo, entonces pasas corriente y estás, en cierto modo, impactando a las células. Lo que estamos tratando de hacer es repulsión electrostática pura, por lo que la superficie sería negativa y la célula es negativa, por lo que se obtiene repulsión'. 'Otra forma de describirlo es como un campo de fuerza, mientras que antes las células tocaban la superficie y recibían una descarga eléctrica'.

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 la contaminación que los plásticos convencionales utilizados para fabricar fotobiorreactores. El material se puede aplicar en una capa extremadamente delgada, de sólo 10 a 20 nanómetros (billonésimas 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, únicamente 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, Leon dice: '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 trabajos futuros, 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 utilizan 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 utilizar una configuración similar con células humanas para producir órganos artificiales mediante la producción de un andamio que podría cargarse para atraer las células a la configuración correcta, sugiere Varanasi.

'Nuestro estudio básicamente resuelve este importante problema de la bioincrustación, que ha sido un cuello de botella para los fotobiorreactores', afirma. 'Con esta tecnología, ahora realmente podemos alcanzar todo el potencial' de dichos sistemas, aunque será necesario un mayor desarrollo para ampliarlos a sistemas prácticos y comerciales.

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 contó con el apoyo de la empresa energética Eni SpA, a través de la Iniciativa Energética del MIT.