Wiederverwendete Bierhefe könnte eine kostengünstige Methode zur Entfernung von Blei aus Wasser sein
Ein Filter aus Hefe, die in Hydrogelen eingekapselt ist, kann Blei schnell absorbieren, wenn Wasser durch ihn fließt
Jedes Jahr erzeugen und entsorgen Bierbrauereien Tausende von Tonnen überschüssiger Hefe. Forscher des MIT und der Georgia Tech haben nun einen Weg gefunden, diese Hefe wiederzuverwenden, um Blei aus kontaminiertem Wasser zu absorbieren.
Künstlich hergestellte hefehaltige Hydrogelkapseln könnten verwendet werden, um Blei schnell und kostengünstig aus kontaminiertem Wasser zu entfernen. Die Arbeit von Forschern des MIT und der Georgia Tech könnte besonders in einkommensschwachen Gebieten mit hoher Bleikontamination nützlich sein.
MIT
Durch einen Prozess, der als Biosorption bezeichnet wird, kann Hefe selbst Spuren von Blei und anderen Schwermetallen schnell aus dem Wasser aufnehmen. Die Forscher zeigten, dass sie die Hefe in Hydrogelkapseln verpacken können, um einen Filter zu schaffen, der Blei aus dem Wasser entfernt. Da die Hefezellen eingekapselt sind, können sie leicht aus dem Wasser entfernt werden, sobald es trinkfertig ist.
"Das Hydrogel umgibt die freie Hefe in der Mitte und ist porös genug, um das 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, eine ehemalige Postdoc am MIT Center for Bits and Atoms, die jetzt Forscherin an der Georgia Tech und neue Assistenzprofessorin an der School of Chemical and Biomolecular Engineering der Georgia Tech ist. "Die Tatsache, dass die Hefe selbst biobasiert, gutartig und biologisch abbaubar ist, ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Technologien.
Die Forscher stellen sich vor, dass dieses Verfahren zur Filterung von Trinkwasser aus dem Wasserhahn in Privathaushalten oder in größerem Maßstab zur Behandlung großer Wassermengen in Kläranlagen eingesetzt werden könnte.
Die MIT-Absolventen Devashish Gokhale und Stathatou sind die Hauptautoren der Studie, die heute in der Zeitschrift RSC Sustainability veröffentlicht wird. Patrick Doyle, der Robert T. Haslam Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, ist der Hauptautor der Studie, und Christos Athanasiou, ein Assistenzprofessor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Georgia Tech und ehemaliger Gastwissenschaftler am MIT, ist ebenfalls einer der Autoren.
Blei absorbieren
Die neue Studie baut auf Arbeiten auf, die Stathatou und Athanasiou im Jahr 2021 begannen, als Athanasiou Gastwissenschaftler am Center for Bits and Atoms des MIT war. In jenem Jahr berechneten sie, dass die Hefeabfälle einer einzigen Brauerei in Boston ausreichen würden, um die gesamte Wasserversorgung der Stadt zu reinigen.
Durch Biosorption, einen noch nicht vollständig verstandenen Prozess, können Hefezellen Schwermetallionen binden und absorbieren, selbst bei schwierigen Ausgangskonzentrationen von weniger als 1 Teil pro Million. Das MIT-Team fand heraus, dass dieses Verfahren Wasser mit geringen Bleikonzentrationen wirksam dekontaminieren kann. Allerdings gab es noch ein entscheidendes Hindernis: Wie sollte die Hefe nach der Bleiaufnahme aus dem Wasser entfernt werden?
Der Zufall wollte es, dass Stathatou und Athanasiou ihre Forschungsergebnisse auf der AIChE-Jahrestagung 2021 in Boston vorstellten, wo Gokhale, ein Student in Doyles Labor, seine eigenen Forschungsarbeiten über die Verwendung von Hydrogelen zum Auffangen von Mikroverunreinigungen im Wasser präsentierte. Die beiden Forscher beschlossen, ihre Kräfte zu bündeln und zu untersuchen, ob sich die auf Hefe basierende Strategie leichter skalieren ließe, wenn die Hefe in von Gokhale und Doyle entwickelten Hydrogelen eingekapselt wäre.
"Wir beschlossen, diese Hohlkapseln herzustellen - so etwas wie eine Multivitaminpille, aber anstatt sie mit Vitaminen zu füllen, füllen wir sie mit Hefezellen", sagt Gokhale. "Diese Kapseln sind porös, so dass das Wasser in die Kapseln eindringen kann und die Hefe in der Lage ist, das gesamte Blei zu binden, aber die Hefe selbst kann nicht in das Wasser entweichen."
Die Kapseln bestehen aus einem Polymer namens Polyethylenglykol (PEG), das in der Medizin häufig verwendet wird. Um die Kapseln zu bilden, suspendieren die Forscher gefriergetrocknete Hefe in Wasser und mischen sie dann mit den Polymeruntereinheiten. Wenn das Gemisch mit UV-Licht bestrahlt wird, verbinden sich die Polymere und bilden Kapseln, in denen die Hefe eingeschlossen ist.
Jede Kapsel hat einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter. Da die Hydrogele sehr dünn und porös sind, kann Wasser leicht hindurchdringen und auf die Hefe im Inneren treffen, während die Hefe eingeschlossen bleibt.
In dieser Studie konnten die Forscher zeigen, dass die eingekapselte Hefe ebenso schnell Bleispuren aus dem Wasser entfernen kann wie die nicht eingekapselte Hefe aus der ursprünglichen Studie von Stathatou und Athanasiou aus dem Jahr 2021.
Maßstabsvergrößerung
Unter der Leitung von Athanasiou testeten die Forscher die mechanische Stabilität der Hydrogelkapseln und stellten fest, dass die Kapseln und die darin enthaltene Hefe Kräften standhalten können, die denen eines aus dem Wasserhahn fließenden Wassers ähneln. Sie berechneten auch, dass die mit Hefe beladenen Kapseln den Kräften standhalten sollten, die in Wasseraufbereitungsanlagen, die mehrere hundert Haushalte versorgen, auftreten.
"Ein Mangel an mechanischer Robustheit ist eine häufige Ursache für das Scheitern früherer Versuche, die Biosorption mit immobilisierten Zellen in größerem Maßstab zu betreiben; in unserer Arbeit wollten wir sicherstellen, dass dieser Aspekt von Anfang an gründlich berücksichtigt wird, um die Skalierbarkeit zu gewährleisten", sagt Athanasiou.
Nachdem sie die mechanische Robustheit der mit Hefe beladenen Kapseln geprüft hatten, konstruierten die Forscher einen Proof-of-Concept-Biofilter mit Festbett, der in der Lage ist, bleiverseuchtes Wasser im Spurenbereich zu behandeln und die Trinkwasserrichtlinien der US-Umweltschutzbehörde zu erfüllen, während er 12 Tage lang ununterbrochen in Betrieb ist.
Dieser Prozess würde wahrscheinlich weniger Energie verbrauchen als bestehende physikalisch-chemische Verfahren zur Entfernung anorganischer Spurenstoffe aus Wasser, wie z. B. Fällung und Membranfiltration, so die Forscher.
Dieser Ansatz, der auf den Grundsätzen der Kreislaufwirtschaft beruht, könnte die Abfallmenge und die Umweltauswirkungen minimieren und gleichzeitig die wirtschaftlichen Möglichkeiten der lokalen Gemeinden fördern. Obwohl es in den Vereinigten Staaten bereits zahlreiche Fälle von Bleiverunreinigungen gegeben hat, könnte dieser Ansatz vor allem in einkommensschwachen Gebieten von Bedeutung sein, die seit jeher mit Umweltverschmutzung und begrenztem Zugang zu sauberem Wasser zu kämpfen haben und sich andere Sanierungsmaßnahmen möglicherweise nicht leisten können, so die Forscher.
"Wir glauben, dass dies ein interessanter Aspekt der Umweltgerechtigkeit ist, vor allem, wenn man mit etwas so Kostengünstigem und Nachhaltigem wie Hefe beginnt, die im Grunde überall erhältlich ist", sagt Gokhale.
Die Forscher untersuchen nun Strategien für das Recycling und den Austausch der Hefe, wenn sie aufgebraucht ist, und versuchen zu berechnen, wie oft dies geschehen muss. Außerdem wollen sie untersuchen, ob für die Herstellung der Hydrogele Rohstoffe aus Biomasse anstelle von Polymeren auf der Basis fossiler Brennstoffe verwendet werden können und ob die Hefe auch zum Abfangen anderer Arten von Schadstoffen eingesetzt werden kann.
"In Zukunft kann diese Technologie weiterentwickelt werden, um andere besorgniserregende Spurenverunreinigungen wie PFAS oder sogar Mikroplastik aufzufangen", sagt Stathatou. "Wir sehen dies wirklich als ein Beispiel mit vielen potenziellen Anwendungen in der Zukunft.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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