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Los investigadores del MIT han desarrollado una tecnología simple y económica que podría limitar significativamente 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 funcionó bien en las pruebas de laboratorio y, con un mayor desarrollo, podría aplicarse a la producción comercial en unos pocos años.
Los resultados se publican en la revista Materiales funcionales avanzadosen 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 sean los esfuerzos para reducir o eliminar las emisiones de carbono, siempre habrá un exceso de gases de efecto invernadero que permanecerán en la atmósfera durante siglos y seguirán afectando el clima global, señala Varanasi. «Ya hay una gran cantidad de dióxido de carbono, 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 sus fuentes, antes de que se liberen al aire en El primer lugar.
Cuando las personas piensan en enfoques biológicos para la reducción del dióxido de carbono, lo primero que piensan suele ser plantar o proteger árboles, que son, de hecho, un «sumidero» crucial para el carbono atmosférico. Pero hay otros. “Las algas marinas representan alrededor del 50 % del dióxido de carbono global absorbido en la Tierra en la actualidad”, dice Varanasi. Estas algas crecen de 10 a 50 veces más rápido que las plantas terrestres, y se pueden cultivar en estanques o embalses que ocupan solo una décima parte de la huella terrestre de las plantas terrestres.
Además, las algas en sí pueden ser un producto útil. “Estas algas marinas 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 conectan a la salida de gases de combustión de una central eléctrica alimentada con 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 óxidos de carbono asociados con el nitrógeno y el azufre presentes. en estas emisiones. «Para dos o tres kilogramos de CO2se podría producir un kilogramo de algas, y éstas podrían usarse como biocombustibles, o para omega-3, o alimentos”, dice Varanasi.
Los ácidos grasos omega-3 son un suplemento dietético ampliamente utilizado porque son una parte esencial de las membranas celulares y otros tejidos, pero el cuerpo no puede producirlos y deben obtenerse 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 7 a 10 veces más altos que los estanques para un área determinada, pero se enfrentan a un problema importante: las algas tienden a acumularse en superficies transparentes, lo que requiere frecuentes paradas del sistema de producción para la limpieza, lo que puede demorar tanto como el parte productiva del ciclo, reduciendo así a la mitad la producción total y aumentando los costos operativos.
El ensuciamiento también limita el diseño del sistema. Los tubos no pueden ser demasiado pequeños, ya que las incrustaciones comenzarán a bloquear el flujo de agua a través del biorreactor y requerirán tasas de bombeo más altas.
Varanasi y su equipo decidieron intentar usar una característica natural de las células de algas para defenderse de las incrustaciones. Dado 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 repelerlas.
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 alta «permisividad» que puede producir un gran cambio en la carga superficial con un voltaje más pequeño.
«Lo que la gente ha hecho antes con la aplicación de voltaje [to bioreactors] ha sido con superficies conductoras”, explica Leon, “pero lo que estamos haciendo aquí es específicamente con superficies no conductoras.
Agrega: “Si es conductor, entonces pasa corriente y descarga las células. Lo que estamos tratando de hacer es repulsión electrostática pura, por lo que la superficie sería negativa y la celda sería negativa, por lo que obtendría repulsión. Otra forma de describirlo es como un campo de fuerza, donde antes las células tocaban la superficie y recibían descargas.
El equipo trabajó con dos materiales dieléctricos diferentes, dióxido de silicio, esencialmente vidrio, y hafnia (óxido de hafnio), los cuales resultaron ser mucho más efectivos para minimizar el ensuciamiento que los plásticos convencionales utilizados para fabricar fotobiorreactores. El material se puede aplicar en una capa extremadamente delgada, de solo 10 a 20 nanómetros (milmillonésimas 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, únicamente a partir de las interacciones electrostáticas, podemos controlar la adhesión celular», dice Varanasi. «Es casi como un interruptor de encendido y apagado, poder hacer eso».
Además, dice Leon, «dado que estamos usando esta fuerza electrostática, realmente no esperamos que sea específica de una célula, y creemos que es posible aplicarla a otras células además de las algas». En trabajos futuros, nos gustaría intentar usarlo con células de mamíferos, bacterias, levaduras, etc. También podría usarse con otros tipos de algas valiosas, como la espirulina, que se usan ampliamente como suplementos dietéticos.
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 tener la tarea de atraer células a la configuración correcta, sugiere Varanasi.
«Nuestro estudio esencialmente resuelve este importante problema de la bioincrustación, que ha sido un cuello de botella para los fotobiorreactores», dice. «Con esta tecnología, ahora podemos realmente explotar todo el potencial» de estos sistemas, aunque se requerirá un mayor desarrollo para pasar a sistemas comerciales prácticos.
En cuanto a qué tan pronto podría estar listo para su implementación a gran escala, dice: «No veo por qué no dentro de tres años, si obtenemos los recursos adecuados para poder hacer avanzar este trabajo».
El estudio fue apoyado por la empresa de energía Eni SpA, a través de MIT Energy Initiative.
