En skummande stout, ett rejält bröd, en skarp ost; var och en livets grejer, var och en skapad av naturligt förekommande mikroorganismer. Definierat universellt som bryggning, bakning och kasikultur (OK, osttillverkning), de är exempel på vad, i dag, vi kallar biotillverkning.

Även om du kanske inte associerar en sådan industriell term med kulinariska konster, du kanske är bekant med processen vid tillverkning av majsbaserad etanol, antibiotika och smörjmedel, bland ett ständigt växande produktsortiment.

Sådana processer kan vara komplexa och kostsamma, och i många fall, avkastningen är relativt låg – för låg för att göra en produkt kommersiellt gångbar. Men tidigare framgångar fortsätter att hjälpa branschen att växa, driver tillverkare och forskare att arbeta tillsammans för att hitta unika lösningar på några av biotillverkningens större problem.

Ett exempel:forskare från två avdelningar vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory som har gått samman för att utveckla ett mycket selektivt adsorberande material som heter EZ Select för att ta itu med ineffektivitet i utvinning av bioprodukter. Genom att kombinera laboratoriets expertis inom biovetenskap med dess tillverkningskunnande, Tekniken visar kraften i partnerskap.

"Utmaningen är att skapa en ren produkt med relativt låg kostnad och energi, " sa Phil Laible, en biofysiker i Argonnes biovetenskapsavdelning och en huvudutredare i projektet. "EZ Select är ett mycket effektivt sätt att separera produkten från en mycket komplex miljö, eftersom det enda som adsorberas på dess yta är produkten vi är intresserade av att göra."

Vid tillverkning av bioprodukter, olika mikroorganismer väljs ut för att skapa specifika produkter, var och en odlad med en annan lösning av tillväxtmedier bestående av näringsämnen och salter. "Soppan" som detta producerar inkluderar inte bara produkten, men biprodukter av bearbetning, som partiklar och emulsioner som gör produkten svårare att extrahera.

Eftersom komplexiteten hos tillväxtmediet och soppan förändras från bioprodukt till bioprodukt, teamet behövde expertis från både biovetare och applikationsexperter för att skapa ett material som kunde ändras eller "justeras" för att fungera med olika kemier.

Det materialet är en xerogel, ett mycket poröst nanostrukturerat material vars porstorlekar kan modifieras med hjälp av miceller, eller lipider, som skapar den aktiva skurkraften i tvättmedel. Möjligheten att finjustera EZ Select ytterligare med hjälp av tillsatser ger nästan fullständig kontroll över porositeten, sa Laible.

"Vår förmåga att ställa in det betyder att vi kan ändra kemiska funktionella grupper på ytan för att attrahera en viss typ av molekyl och utesluta andra, " tillade Ed Barry, applikationsforskare för Argonne's Applied Materials-division och EZ Select-teammedlem.

En annan fördel med att använda EZ Select i biotillverkning är dess neutrala effekt på de organismer som ansvarar för att skapa den slutliga produkten. I vissa bioproduktionssystem, överkoncentration av bioprodukten kan bromsa eller stoppa jäsningsprocessen, vilket resulterar i lägre avkastning.

"Om du tänker på det i termer av vinproduktion, till exempel, när en viss koncentration av alkohol uppnås, sedan organismen – jäst, i det här fallet — slutar omvandla druvor till vin, " förklarade Barry. "Så möjligheten att använda något som EZ Select för att selektivt ta bort produkten så att den inte släcker organismens funktionalitet tillåter processen att fortsätta, producerar ett större utbyte av alkohol."

Ser ut som en gigantisk rulle fuktiga pappershanddukar, EZ Select kan adsorbera upp till åtta gånger sin massa och återanvändas tiotals gånger. Den kan också dimensioneras för att möta adsorptionsbehoven för specifika produktkvantiteter. Bara en gel i storleken på en halvgallons mjölkkartong kan återanvändas flera gånger i en process på hundra liter.

"Du kan fylla den med produkt och sedan, med bara en enkel komprimering, ta bort produkten från materialet, som sedan går direkt tillbaka in i processen för att återanvändas. Det är kraften i det, " enligt Laible. EZ Select förbättrar biotillverkningsprocesser genom att integrera produktions- och separationsprocesser för att förbättra både produktivitet och hållbarhet.

Med tanke på dess inställning på molekylär nivå, potentialen för EZ Select är gränslös. I motsats till att locka produkter, det kan istället användas för att fånga upp media och bearbeta föroreningar som hämmar mikrobiell omvandling, göra biotillverkningsprocessen mer effektiv. Och forskare ser det som en plattformsteknik som lovar hur många olika applikationer som helst.

"Förmågan att adsorbera saker specifikt från relativt komplexa blandningar illustrerar dess benägenhet att användas som absorbent för ett brett spektrum av applikationer, ", sa Barry. "Jag tror att dess specificitet öppnar upp för andra potentiella användningsområden för EZ Select i tungmetallsanering och gasavskiljningstillämpningar, som CO ₂ adsorption."