Varje år genererar och kasserar ölbryggerier tusentals ton överskottsjäst. Forskare från MIT och Georgia Tech har nu kommit på ett sätt att återanvända den jästen för att absorbera bly från förorenat vatten.
Genom en process som kallas biosorption kan jäst snabbt absorbera även spårmängder av bly och andra tungmetaller från vatten. Forskarna visade att de kunde packa jästen inuti hydrogelkapslar för att skapa ett filter som tar bort bly från vatten. Eftersom jästcellerna är inkapslade kan de enkelt tas bort från vattnet när det är klart att drickas.
"Vi har hydrogelen som omger den fria jästen som finns i mitten, och den är tillräckligt porös för att låta vatten komma in, interagera med jäst som om den rörde sig fritt i vatten och sedan komma ut ren", säger Patricia Stathatou, en tidigare postdoc vid MIT Center for Bits and Atoms, som nu är forskare vid Georgia Tech och en tillträdande biträdande professor vid Georgia Techs School of Chemical and Biomolecular Engineering.
"Det faktum att jästen i sig är biobaserad, godartad och biologiskt nedbrytbar är en betydande fördel jämfört med traditionell teknik."
Forskarna föreställer sig att denna process skulle kunna användas för att filtrera dricksvatten som kommer ur en kran i hemmen, eller skalas upp för att behandla stora mängder vatten vid reningsverk.
MIT doktorand Devashish Gokhale och Stathatou är huvudförfattarna till studien, som publiceras i tidskriften RSC Sustainability . Patrick Doyle, Robert T. Haslam-professorn i kemiteknik vid MIT, är seniorförfattare till artikeln, och Christos Athanasiou, biträdande professor i flygteknik vid Georgia Tech och tidigare gästforskare vid MIT, är också författare.
Den nya studien bygger på arbete som Stathatou och Athanasiou påbörjade 2021, när Athanasiou var gästforskare vid MIT:s Center for Bits and Atoms. Det året beräknade de att jästavfall från ett enda bryggeri i Boston skulle räcka för att behandla stadens hela vattenförsörjning.
Genom biosorption, en process som inte är helt förstådd, kan jästceller binda till och absorbera tungmetalljoner, även vid utmanande initiala koncentrationer under 1 del per miljon. MIT-teamet fann att denna process effektivt kunde dekontaminera vatten med låga koncentrationer av bly. Ett viktigt hinder återstod dock, vilket var hur man tar bort jäst från vattnet efter att de absorberat blyet.
I en slumpmässig slump råkade Stathatou och Athanasiou presentera sin forskning vid AIChE Annual Meeting i Boston 2021, där Gokhale, en student i Doyles labb, presenterade sin egen forskning om att använda hydrogeler för att fånga upp mikroföroreningar i vatten. De två forskarna bestämde sig för att gå samman och undersöka om den jästbaserade strategin kunde vara lättare att skala upp om jästen var inkapslad i hydrogeler utvecklade av Gokhale och Doyle.
"Vad vi bestämde oss för att göra var att göra dessa ihåliga kapslar - något som liknar ett multivitaminpiller, men istället för att fylla dem med vitaminer, fyller vi dem med jästceller," säger Gokhale. "Dessa kapslar är porösa, så vattnet kan gå in i kapslarna och jästen kan binda allt bly, men själva jästen kan inte fly ut i vattnet."
Kapslarna är gjorda av en polymer som kallas polyetylenglykol (PEG), som används flitigt i medicinska tillämpningar. För att bilda kapslarna suspenderar forskarna frystorkad jäst i vatten och blandar dem sedan med polymersubenheterna. När UV-ljus lyser på blandningen länkar polymererna samman för att bilda kapslar med jäst fången inuti.
Varje kapsel är cirka en halv millimeter i diameter. Eftersom hydrogelerna är mycket tunna och porösa kan vatten lätt passera igenom och stöta på jästen inuti, medan jästen förblir instängd.
I den här studien visade forskarna att den inkapslade jästen kunde ta bort spår av bly från vatten lika snabbt som den oinkapslade jästen från Stathatou och Athanasious ursprungliga studie från 2021.
Under ledning av Athanasiou testade forskarna den mekaniska stabiliteten hos hydrogelkapslarna och fann att kapslarna och jästen inuti kan motstå krafter som liknar de som genereras av vatten som rinner från en kran. De beräknade också att de jästfyllda kapslarna skulle kunna motstå krafter som genereras av flöden i vattenreningsverk som betjänar flera hundra bostäder.
"Bristen på mekanisk robusthet är en vanlig orsak till misslyckanden i tidigare försök att skala upp biosorption med immobiliserade celler; i vårt arbete ville vi se till att denna aspekt behandlas grundligt från första början för att säkerställa skalbarhet", säger Athanasiou.
Efter att ha bedömt den mekaniska robustheten hos de jästfyllda kapslarna, konstruerade forskarna ett proof-of-concept biofilter med packad bädd, som kan behandla spår av blyförorenat vatten och uppfylla U.S. Environmental Protection Agencys riktlinjer för dricksvatten samtidigt som de arbetar kontinuerligt i 12 dagar.
Denna process skulle sannolikt förbruka mindre energi än befintliga fysikalisk-kemiska processer för att avlägsna spår av oorganiska föreningar från vatten, såsom utfällning och membranfiltrering, säger forskarna.
Detta tillvägagångssätt, som är förankrat i cirkulär ekonomis principer, skulle kunna minimera avfall och miljöpåverkan samtidigt som det främjar ekonomiska möjligheter inom lokalsamhället. Även om många blyföroreningsincidenter har rapporterats på olika platser i USA, kan detta tillvägagångssätt ha en särskilt betydande inverkan i låginkomstområden som historiskt har mött miljöföroreningar och begränsad tillgång till rent vatten, och som kanske inte har råd med andra sätt att åtgärda det, säger forskarna.
"Vi tycker att det finns en intressant miljörättvisa aspekt av detta, särskilt när du börjar med något så billigt och hållbart som jäst, som i princip finns tillgängligt var som helst", säger Gokhale.
Forskarna undersöker nu strategier för att återvinna och ersätta jästen när de är slut, och försöker beräkna hur ofta det kommer att behöva inträffa. De hoppas också kunna undersöka om de skulle kunna använda råmaterial som härrör från biomassa för att tillverka hydrogelerna, istället för fossilbränslebaserade polymerer, och om jästen kan användas för att fånga upp andra typer av föroreningar.
"Framåtriktad är detta en teknik som kan utvecklas för att rikta in sig på andra spårföroreningar av ny oro, såsom PFAS eller till och med mikroplast", säger Stathatou. "Vi ser verkligen detta som ett exempel med många potentiella tillämpningar i framtiden."
Mer information: Devashish Gokhale et al, Jäst-laddade hydrogelkapslar för skalbart blyavlägsnande från vatten, RSC Sustainability (2024). DOI:10.1039/D4SU00052H , doi.org/10.1039/D4SU00052H
Journalinformation: RSC Hållbarhet
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
