Ett team av KAUST-forskare har tagit fram en metod för att utvinna användbara kemikalier från mikroalger. Systemet bygger på en serie membran, varav ett är byggt av ihåliga mikrofibrer, som separerar den mikroalghaltiga vätskan från den önskade produkten. Kredit:Återges från Overmans et al (2022) med tillstånd från Royal Society of Chemistry. Original- konstverk av Ana Bigio
En hållbar kemisk separationsmetod som använder membran, mikroalger och artificiell intelligens har utvecklats av ett team från olika KAUST-grupper vars medlemmar har olika specialiteter inom bioteknik, membran och vattenåteranvändning och återvinning.
Sådana membranbaserade kontinuerliga separations- och koncentrationsprocesser kommer att bidra till att realisera den fulla potentialen av mikrobiell kemisk produktion för användning inom medicin och industri.
"Fördelen med vår metod är att produkter kontinuerligt kan extraheras från flytande mikrobiella kulturer, som mikroalger, i en process som kallas "mjölkning", snarare än att extraheras mödosamt från biomassan i slutet av en batchkultur", säger postdoc. och första författaren Sebastian Overmans.
Mikroalger är encelliga fotosyntetiska mikrober som naturligt producerar många användbara kemikalier. De kan också vara genetiskt modifierade för att utsöndra andra specialmolekyler. Alger utnyttjas alltmer som hållbara och miljövänliga biofabriker, men det är en utmaning att separera de dyrbara molekylerna.
Detta projekt visade ett energisnålt och effektivt sätt att skörda och koncentrera dessa produkter. Denna process är mer hållbar än andra separationsprocesser eftersom den är lågenergi, mikroberna kan odlas på avfallsmaterial och den molekylära koncentrationsprocessen ger inget avfall.
Systemet bygger på ett membran byggt av ihåliga mikrofibrer som separerar odlingsvätskan som innehåller mikroalger från ett lösningsmedel där den önskade produkten samlas. Produkten separeras sedan ytterligare och koncentreras med hjälp av andra specialiserade membran utvalda och designade av artificiell intelligens som tillåter återvinning av lösningsmedlet utan förlust till systemet.
Illustration av den ihåliga fiberuppsättningen som används för extraktion av det önskade extraktet (patchoulol) från mikroalgkulturen. Patchoulol är en värdefull förening som ofta används inom parfymindustrin. Kredit:Återges från Overmans et al (2022) med tillstånd från Royal Society of Chemistry (CC BY 3.0)
Teamet demonstrerade potentialen i deras teknik genom att kontinuerligt extrahera patchoulol, en förening som ofta används i parfymer. Dessa membrankombinationer kan också användas på många andra specialkemikalier.
"Utvecklingen av utvinningsprocessen var ett helt nytt territorium", säger Overmans.
"Det här är spännande", föreslår bioteknolog Kyle J. Lauersen, "eftersom det skulle kunna implementeras i storskaliga biofabriker med användning av en mängd olika mikrober, inte bara alger, för att omvandla avfall till värdefulla produkter."
Kemiingenjör Gyorgy Szekely tillägger att forskarna använde de artificiella intelligensverktygen och maskininlärningsfunktionerna som finns tillgängliga på KAUST för att vägleda utvecklingen och förfining av membranprocessen.
Nästa steg är att demonstrera uppskalning till industriella nivåer. Teamet planerar också att utveckla membran med större ytareor och att utforska användningen av olika algstammar för att producera många fler föreningar av intresse.
Forskningen publicerades i Green Chemistry . + Utforska vidare
