Jedes Jahr erzeugen und entsorgen Bierbrauereien Tausende Tonnen überschüssige Hefe. Forscher vom MIT und Georgia Tech haben nun eine Möglichkeit gefunden, diese Hefe wiederzuverwenden, um Blei aus kontaminiertem Wasser zu absorbieren.
Durch einen Prozess namens Biosorption kann Hefe schnell selbst Spuren von Blei und anderen Schwermetallen aus dem Wasser absorbieren. Die Forscher zeigten, dass sie die Hefe in Hydrogelkapseln verpacken konnten, um einen Filter zu schaffen, der Blei aus Wasser entfernt. Da die Hefezellen eingekapselt sind, können sie leicht aus dem Wasser entfernt werden, sobald es trinkfertig ist.
„Wir haben das Hydrogel, das die freie Hefe in der Mitte umgibt, und dieses ist porös genug, um Wasser eindringen zu lassen, mit der Hefe zu interagieren, als ob sie sich frei im Wasser bewegen würde, und dann sauber wieder herauszukommen“, sagt Patricia Stathatou ehemaliger Postdoktorand am MIT Center for Bits and Atoms, der jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Georgia Tech und neuer Assistenzprofessor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering des Georgia Tech ist.
„Die Tatsache, dass die Hefe selbst biobasiert, harmlos und biologisch abbaubar ist, ist ein erheblicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Technologien.“
Die Forscher gehen davon aus, dass dieser Prozess zum Filtern von Trinkwasser aus dem Wasserhahn in Privathaushalten eingesetzt oder zur Aufbereitung großer Wassermengen in Kläranlagen ausgeweitet werden könnte.
Die MIT-Absolventen Devashish Gokhale und Stathatou sind die Hauptautoren der Studie, die in der Zeitschrift erscheint RSC-Nachhaltigkeit. Patrick Doyle, Robert T. Haslam-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, ist der leitende Autor des Papiers, und Christos Athanasiou, Assistenzprofessor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Georgia Tech und ehemaliger Gastwissenschaftler am MIT, ist ebenfalls ein Autor.
Absorbiert Blei
Die neue Studie baut auf der Arbeit auf, die Stathatou und Athanasiou im Jahr 2021 begannen, als Athanasiou Gastwissenschaftler am Center for Bits and Atoms des MIT war. In diesem Jahr errechneten sie, dass die Abfallhefe einer einzigen Brauerei in Boston ausreichen würde, um die gesamte Wasserversorgung der Stadt aufzubereiten.
Durch Biosorption, ein Prozess, der noch nicht vollständig verstanden ist, können Hefezellen Schwermetallionen binden und absorbieren, selbst bei anspruchsvollen Anfangskonzentrationen unter 1 Teil pro Million. Das MIT-Team stellte fest, dass dieser Prozess Wasser mit geringen Bleikonzentrationen wirksam dekontaminieren kann. Es blieb jedoch ein wesentliches Hindernis bestehen, nämlich die Frage, wie Hefe aus dem Wasser entfernt werden kann, nachdem sie das Blei absorbiert hat.
Durch einen glücklichen Zufall präsentierten Stathatou und Athanasiou ihre Forschung auf der AIChE-Jahrestagung 2021 in Boston, wo Gokhale, ein Student in Doyles Labor, seine eigene Forschung über die Verwendung von Hydrogelen zum Einfangen von Mikroverunreinigungen im Wasser vorstellte. Die beiden Forschergruppen beschlossen, ihre Kräfte zu bündeln und zu untersuchen, ob die hefebasierte Strategie einfacher zu skalieren wäre, wenn die Hefe in von Gokhale und Doyle entwickelte Hydrogele eingekapselt würde.
„Wir beschlossen, diese Hohlkapseln herzustellen – so etwas wie eine Multivitaminpille, aber statt sie mit Vitaminen aufzufüllen, füllen wir sie mit Hefezellen“, sagt Gokhale. „Diese Kapseln sind porös, sodass das Wasser in die Kapseln eindringen kann und die Hefe das gesamte Blei binden kann, die Hefe selbst jedoch nicht ins Wasser entweichen kann.“
Die Kapseln bestehen aus einem Polymer namens Polyethylenglykol (PEG), das in medizinischen Anwendungen weit verbreitet ist. Um die Kapseln zu bilden, suspendieren die Forscher gefriergetrocknete Hefe in Wasser und mischen sie dann mit den Polymeruntereinheiten. Wenn UV-Licht auf die Mischung scheint, verbinden sich die Polymere zu Kapseln, in denen Hefe eingeschlossen ist.
Jede Kapsel hat einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter. Da die Hydrogele sehr dünn und porös sind, kann Wasser leicht durchdringen und auf die Hefe im Inneren treffen, während die Hefe eingeschlossen bleibt.
In dieser Studie zeigten die Forscher, dass die eingekapselte Hefe Spuren von Blei genauso schnell aus dem Wasser entfernen konnte wie die unverkapselte Hefe aus der ursprünglichen Studie von Stathatou und Athanasiou aus dem Jahr 2021.
Hochskalieren
Unter der Leitung von Athanasiou testeten die Forscher die mechanische Stabilität der Hydrogelkapseln und stellten fest, dass die Kapseln und die Hefe im Inneren Kräften standhalten können, die denen ähneln, die durch aus einem Wasserhahn fließendes Wasser entstehen. Sie berechneten außerdem, dass die mit Hefe beladenen Kapseln den Kräften standhalten sollten, die durch Strömungen in Wasseraufbereitungsanlagen entstehen, die mehrere hundert Haushalte versorgen.
„Mangelnde mechanische Robustheit ist eine häufige Ursache für das Scheitern früherer Versuche, die Biosorption mithilfe immobilisierter Zellen zu vergrößern. In unserer Arbeit wollten wir sicherstellen, dass dieser Aspekt von Anfang an gründlich berücksichtigt wird, um die Skalierbarkeit sicherzustellen“, sagt Athanasiou.
Nach der Bewertung der mechanischen Robustheit der mit Hefe beladenen Kapseln konstruierten die Forscher einen Proof-of-Concept-Biofilter mit gepacktem Bett, der in der Lage ist, mit Spuren von Blei kontaminiertes Wasser zu behandeln und die Trinkwasserrichtlinien der US-Umweltschutzbehörde zu erfüllen, während er 12 Tage lang ununterbrochen betrieben wird.
Dieser Prozess würde wahrscheinlich weniger Energie verbrauchen als bestehende physikalisch-chemische Prozesse zur Entfernung von Spuren anorganischer Verbindungen aus Wasser, wie etwa Fällung und Membranfiltration, sagen die Forscher.
Dieser Ansatz, der auf den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft basiert, könnte Abfall und Umweltauswirkungen minimieren und gleichzeitig die wirtschaftlichen Möglichkeiten innerhalb der lokalen Gemeinschaften fördern. Obwohl an verschiedenen Orten in den Vereinigten Staaten zahlreiche Vorfälle mit Bleiverunreinigungen gemeldet wurden, könnte dieser Ansatz besonders erhebliche Auswirkungen auf einkommensschwache Gebiete haben, die in der Vergangenheit mit Umweltverschmutzung und begrenztem Zugang zu sauberem Wasser konfrontiert waren und sich anderes möglicherweise nicht leisten können Möglichkeiten, das Problem zu beheben, sagen die Forscher.
„Wir glauben, dass dies einen interessanten Aspekt der Umweltgerechtigkeit hat, insbesondere wenn man mit etwas so kostengünstigem und nachhaltigem Produkt wie Hefe beginnt, das im Grunde überall erhältlich ist“, sagt Gokhale.
Die Forscher erforschen nun Strategien zum Recycling und Ersetzen der Hefe, sobald sie aufgebraucht ist, und versuchen zu berechnen, wie oft dies geschehen muss. Sie hoffen auch zu untersuchen, ob sie für die Herstellung der Hydrogele Rohstoffe aus Biomasse anstelle von Polymeren auf Basis fossiler Brennstoffe verwenden könnten und ob die Hefe zum Einfangen anderer Arten von Verunreinigungen verwendet werden kann.
„In Zukunft handelt es sich um eine Technologie, die weiterentwickelt werden kann, um auch andere Spurenverunreinigungen zu bekämpfen, die Anlass zur Sorge geben, etwa PFAS oder sogar Mikroplastik“, sagt Stathatou. „Wir betrachten dies wirklich als ein Beispiel mit vielen potenziellen Anwendungen in der Zukunft.“
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RSC-Nachhaltigkeit (2024)
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.