La levadura de cerveza reutilizada puede ser una forma rentable de eliminar el plomo del agua

Mediante un proceso llamado biosorción, la levadura puede absorber rápidamente incluso trazas de plomo y otros metales pesados del agua. Los investigadores demostraron que podían empaquetar la levadura dentro de cápsulas de hidrogel para crear un filtro que eliminara el plomo del agua. Como las células de levadura están encapsuladas, pueden extraerse fácilmente del agua una vez que está lista para beber.

"Tenemos el hidrogel rodeando la levadura libre que existe en el centro, y esto es lo suficientemente poroso como para permitir que el agua entre, interactúe con la levadura como si se movieran libremente en el agua, y luego salga limpia", dice Patricia Stathatou, una ex postdoc en el Centro de Bits y Átomos del MIT, que ahora es una científica de investigación en Georgia Tech y profesora asistente entrante en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "El hecho de que las propias levaduras sean de base biológica, benignas y biodegradables es una ventaja significativa sobre las tecnologías tradicionales".

Los investigadores prevén que este proceso podría utilizarse para filtrar el agua potable que sale del grifo en los hogares, o ampliarse para tratar grandes cantidades de agua en plantas de tratamiento.

Devashish Gokhale, estudiante de posgrado del MIT, y Stathatou son los autores principales del estudio, que se publica hoy en la revista RSC Sustainability. Patrick Doyle, catedrático Robert T. Haslam de Ingeniería Química en el MIT, es el autor principal del trabajo, y Christos Athanasiou, profesor adjunto de Ingeniería Aeroespacial en Georgia Tech y antiguo profesor visitante en el MIT, también es autor.

Absorber el plomo

El nuevo estudio se basa en un trabajo que Stathatou y Athanasiou iniciaron en 2021, cuando Athanasiou era profesor visitante en el Centro de Bits y Átomos del MIT. Ese año, calcularon que la levadura residual desechada de una sola fábrica de cerveza en Boston sería suficiente para tratar todo el suministro de agua de la ciudad.

Mediante la biosorción, un proceso que no se conoce del todo, las células de levadura pueden unirse a los iones de metales pesados y absorberlos, incluso en concentraciones iniciales difíciles, inferiores a una parte por millón. El equipo del MIT descubrió que este proceso podía descontaminar eficazmente el agua con bajas concentraciones de plomo. Sin embargo, quedaba un obstáculo clave: cómo eliminar las levaduras del agua después de que absorbieran el plomo.

En una coincidencia fortuita, Stathatou y Athanasiou presentaron su investigación en la reunión anual de la AIChE celebrada en Boston en 2021, donde Gokhale, estudiante del laboratorio de Doyle, presentaba su propia investigación sobre el uso de hidrogeles para capturar microcontaminantes en el agua. Los dos conjuntos de investigadores decidieron unir fuerzas y explorar si la estrategia basada en la levadura podría ser más fácil de escalar si la levadura se encapsulaba en hidrogeles desarrollados por Gokhale y Doyle.

"Lo que decidimos hacer fue fabricar estas cápsulas huecas, algo así como una píldora multivitamínica, pero en lugar de rellenarlas con vitaminas, las rellenamos con células de levadura", explica Gokhale. "Estas cápsulas son porosas, así que el agua puede entrar en ellas y la levadura es capaz de aglutinar todo ese plomo, pero la propia levadura no puede escapar al agua".

Las cápsulas están hechas de un polímero llamado polietilenglicol (PEG), muy utilizado en aplicaciones médicas. Para formar las cápsulas, los investigadores suspenden la levadura liofilizada en agua y luego la mezclan con las subunidades del polímero. Cuando la mezcla se ilumina con luz ultravioleta, los polímeros se unen y forman cápsulas con la levadura atrapada en su interior.

Cada cápsula tiene aproximadamente medio milímetro de diámetro. Como los hidrogeles son muy finos y porosos, el agua puede atravesarlos fácilmente y encontrarse con la levadura en su interior, mientras que ésta permanece atrapada.

En este estudio, los investigadores demostraron que la levadura encapsulada podía eliminar trazas de plomo del agua con la misma rapidez que la levadura no encapsulada del estudio original de Stathatou y Athanasiou de 2021.

Ampliación

Dirigidos por Athanasiou, los investigadores probaron la estabilidad mecánica de las cápsulas de hidrogel y descubrieron que las cápsulas y la levadura que contenían podían soportar fuerzas similares a las generadas por el agua que sale de un grifo. También calcularon que las cápsulas cargadas de levadura deberían ser capaces de soportar fuerzas generadas por caudales en plantas de tratamiento de aguas que abastecieran a varios cientos de residencias.

"La falta de robustez mecánica es una de las causas habituales del fracaso de los intentos anteriores de ampliar la biosorción mediante células inmovilizadas; en nuestro trabajo queríamos asegurarnos de que este aspecto se abordara a fondo desde el principio para garantizar la escalabilidad", afirma Athanasiou.

Tras evaluar la robustez mecánica de las cápsulas cargadas de levadura, los investigadores construyeron un biofiltro de lecho empacado a modo de prueba de concepto, capaz de tratar trazas de agua contaminada con plomo y cumplir las directrices de la Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU. para el agua potable en funcionamiento continuo durante 12 días.

Según los investigadores, este proceso probablemente consumiría menos energía que los procesos fisicoquímicos existentes para eliminar trazas de compuestos inorgánicos del agua, como la precipitación y la filtración por membrana.

Este planteamiento, basado en los principios de la economía circular, podría minimizar los residuos y el impacto ambiental, al tiempo que fomentaría las oportunidades económicas en las comunidades locales. Aunque se han registrado numerosos incidentes de contaminación por plomo en diversos lugares de Estados Unidos, este enfoque podría tener un impacto especialmente significativo en las zonas de bajos ingresos que históricamente se han enfrentado a la contaminación ambiental y el acceso limitado al agua potable, y pueden no ser capaces de permitirse otras formas de remediarlo, dicen los investigadores.

"Creemos que hay un aspecto interesante de justicia medioambiental en todo esto, sobre todo cuando se empieza con algo tan barato y sostenible como la levadura, que básicamente está disponible en cualquier parte", afirma Gokhale.

Los investigadores están estudiando estrategias para reciclar y sustituir la levadura una vez agotada, y tratando de calcular la frecuencia con que será necesario hacerlo. También esperan investigar si podrían utilizar materias primas derivadas de la biomasa para fabricar los hidrogeles, en lugar de polímeros basados en combustibles fósiles, y si la levadura puede utilizarse para capturar otros tipos de contaminantes.

"De cara al futuro, se trata de una tecnología que puede evolucionar hacia otros contaminantes traza de interés emergente, como los PFAS o incluso los microplásticos", afirma Stathatou. "Realmente lo vemos como un ejemplo con muchas aplicaciones potenciales en el futuro".