Wielofunkcyjne nanomateriały mogą pozwolić na wykorzystanie ogromnego potencjału mikroskopijnych alg
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 Research – drugi 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
