Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Wielofunkcyjne nanomateriały mogą pozwolić na wykorzystanie ogromnego potencjału mikroskopijnych alg

Mikroalgi są obiecującym surowcem do zrównoważonej produkcji cennych substancji chemicznych i biopaliw. Pewien unijny projekt przyczynił się do skutecznego zwiększenia skali produkcji mikroalg dzięki ograniczeniu jej kosztów, zapotrzebowania na energię i złożoności.

Energia

Biomasa z mikroalg może odgrywać kluczową rolę w łagodzeniu skutków ocieplenia klimatu – mikroalgi to szybko rosnące, fotosyntetyczne mikroorganizmy, które przekształcają światło i dwutlenek węgla w bogate w energię biomolekuły przy minimalnym zapotrzebowaniu na substancje odżywcze. Uprawa i zbieranie mikroalg na skalę przemysłową pozwala przekształcać je w szeroką gamę produktów żywnościowych, pasz, paliw, pigmentów organicznych, leków i substancji chemicznych. Podejście to jest analogiczne do rafinacji ropy naftowej, gdzie z jednego surowca wytwarza się szereg produktów w celu optymalizacji wartości. Pomimo dużego potencjału alg, produkcja na dużą skalę i komercyjny potencjał produktów wytwarzanych na ich bazie są obecnie ograniczone za sprawą wysokich kosztów zbiorów, ekstrakcji i oczyszczania. Konieczne są zatem radykalne ulepszenia przetwarzania biomasy z alg, aby można było wykorzystać ich pełen potencjał.

Połączenie różnych operacji w jeden proces

Finansowany przez UE projekt CMHAlgae miał na celu przezwyciężenie tych przeszkód poprzez „opracowanie wielofunkcyjnych nanomateriałów, które pozwolą połączyć wiele operacji jednostkowych w ramach przetwarzania końcowego w jedną technologię”, jak mówi koordynator projektu Praveen Ramasamy. Operacje te obejmują zbieranie, odwadnianie i rozdrabnianie komórek. Zbieranie i odwadnianie biomasy jest trudne ze względu na małe rozmiary (około 5 µm) komórek mikroalg oraz stabilną zawiesinę i stosunkowo niskie stężenie biomasy w podłożu hodowlanym (około 0,5 g/l). Obecność sztywnej ściany komórkowej otaczającej mikroalgi dodatkowo utrudnia rozdrabnianie komórek. W ciągu ostatnich dziesięciu lat powstały nanomateriały pozwalające na rozwiązanie tych problemów w przetwórstwie mikroalg, jednak, jak wyjaśnia Praveen, „większość z nich koncentruje się na poprawie działania pojedynczej jednostki w porównaniu z wartością odniesienia, co powoduje wzrost złożoności i kosztów całego procesu”. W tym kontekście nanomateriały wielofunkcyjne mogłyby mieć decydujące znaczenie – mogłyby zmniejszyć koszty i obciążenie dla środowiska związane z przetwarzaniem mikroalg na dalszych etapach produkcji w biorafineriach.

Nowe hybrydowe nanomateriały na bazie celulozy

W projekcie połączono kilka obiecujących, dokonanych niedawno przełomowych odkryć w dziedzinie nanotechnologii w celu wyprodukowania celulozowych magnetycznych nanomateriałów hybrydowych. Nanomateriały te mogą być używane do zbierania i rozdrabniania komórek mikroalg w jednym kroku, a także do szybkiego oddzielania komórek od podłoża hodowlanego za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Najpierw badacze dokonali funkcjonalizacji nanokryształów celulozy przy pomocy imidazolu i pirydyny, które łączą aktywność w zakresie flokulacji i rozdrabniania komórek. Flokulacja jest procesem zbijania się ze sobą drobnych cząstek stałych, natomiast rozdrabnianie komórek polega na rozbijaniu ściany komórki, aby wspomóc uwalnianie cząsteczek biologicznych z jej wnętrza. Funkcjonalizowane nanokryształy celulozy zostały następnie połączone z nanocząsteczkami tlenku żelaza, co pozwoliło na szybkie oddzielenie biomasy od podłoża hodowlanego. Ostatecznie, naukowcy wykazali efektywność hybrydowych nanomateriałów pod względem zbierania i rozdrabniania komórek zarówno w słodko-, jak i słonowodnych modelach mikroalg.

Działania informacyjne

Wyniki badań prezentowano na kilku szeregu spotkaniach i konferencjach naukowych. W 2017 roku projekt zaprezentowano także na belgijskim Uniwersytecie Lowańskim dla dzieci. Opublikowane w internecie artykuły naukowe dotyczące odkryć dokonanych w ramach projektu można przeczytać w magazynie naukowym Algal Researchdrugi artykuł także trafił do tej publikacji. W przygotowaniu do publikacji na łamach magazynu Chemical Engineering Journal znajduje się też kolejna praca badawcza.

Słowa kluczowe

CMHAlgae, mikroalgi, biomasa, zbieranie, rozdrabnianie komórek, nanomateriały wielofunkcyjne, odwadnianie, nanomateriały hybrydowe, nanokryształy celulozy

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania