La levure de bière recyclée pourrait constituer un moyen rentable d'éliminer le plomb de l'eau
Un filtre composé de levure encapsulée dans des hydrogels peut rapidement absorber le plomb lorsque l'eau le traverse
Chaque année, les brasseries génèrent et jettent des milliers de tonnes de levure excédentaire. Des chercheurs du MIT et de Georgia Tech ont maintenant trouvé un moyen de réutiliser cette levure pour absorber le plomb présent dans l'eau contaminée.
Des capsules d'hydrogel contenant de la levure pourraient être utilisées pour éliminer rapidement et à peu de frais le plomb de l'eau contaminée. Ces travaux, réalisés par des chercheurs du MIT et de Georgia Tech, pourraient être particulièrement utiles dans les zones à faibles revenus où la contamination par le plomb est élevée.
MIT
Grâce à un processus appelé biosorption, la levure peut rapidement absorber même des traces de plomb et d'autres métaux lourds présents dans l'eau. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient emballer la levure dans des capsules d'hydrogel pour créer un filtre qui élimine le plomb de l'eau. Les cellules de levure étant encapsulées, elles peuvent être facilement retirées de l'eau une fois qu'elle est prête à être consommée.
"L'hydrogel entoure la levure libre qui existe au centre, et il est suffisamment poreux pour permettre à l'eau d'entrer, d'interagir avec la levure comme si elle se déplaçait librement dans l'eau, et d'en ressortir propre", explique Patricia Stathatou, ancienne post-doctorante au MIT Center for Bits and Atoms, aujourd'hui chercheuse à Georgia Tech et future professeure adjointe à l'école d'ingénierie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech. "Le fait que les levures elles-mêmes soient biologiques, inoffensives et biodégradables constitue un avantage considérable par rapport aux technologies traditionnelles.
Les chercheurs envisagent d'utiliser ce procédé pour filtrer l'eau potable qui sort du robinet dans les foyers, ou de l'étendre pour traiter de grandes quantités d'eau dans les stations d'épuration.
Devashish Gokhale, étudiant diplômé du MIT, et Stathatou sont les auteurs principaux de l'étude, qui paraît aujourd'hui dans la revue RSC Sustainability. Patrick Doyle, titulaire de la chaire Robert T. Haslam de génie chimique au MIT, est l'auteur principal de l'article, et Christos Athanasiou, professeur adjoint d'ingénierie aérospatiale à Georgia Tech et ancien chercheur invité au MIT, en est également l'auteur.
Absorber le plomb
La nouvelle étude s'appuie sur des travaux que Stathatou et Athanasiou ont entamés en 2021, lorsque ce dernier était chercheur invité au Center for Bits and Atoms du MIT. Cette année-là, ils ont calculé que les déchets de levure d'une seule brasserie de Boston suffiraient à traiter l'ensemble de l'approvisionnement en eau de la ville.
Grâce à la biosorption, un processus qui n'est pas entièrement compris, les cellules de levure peuvent se lier aux ions de métaux lourds et les absorber, même à des concentrations initiales difficiles inférieures à 1 partie par million. L'équipe du MIT a constaté que ce processus permettait de décontaminer efficacement l'eau contenant de faibles concentrations de plomb. Toutefois, un obstacle majeur subsistait : comment retirer les levures de l'eau après qu'elles aient absorbé le plomb ?
Par un heureux hasard, Stathatou et Athanasiou ont présenté leurs recherches lors de la réunion annuelle de l'AIChE à Boston en 2021, où Gokhale, étudiant dans le laboratoire de Doyle, présentait ses propres recherches sur l'utilisation d'hydrogels pour capturer les micropolluants dans l'eau. Les deux groupes de chercheurs ont décidé d'unir leurs forces et d'étudier si la stratégie basée sur la levure pouvait être plus facilement mise à l'échelle si la levure était encapsulée dans des hydrogels développés par Gokhale et Doyle.
"Ce que nous avons décidé de faire, c'est de fabriquer ces capsules creuses - un peu comme une pilule multivitaminée, mais au lieu de les remplir de vitamines, nous les remplissons de cellules de levure", explique M. Gokhale. "Ces capsules sont poreuses, de sorte que l'eau peut pénétrer dans les capsules et que la levure est capable de lier tout le plomb, mais la levure elle-même ne peut pas s'échapper dans l'eau".
Les capsules sont fabriquées à partir d'un polymère appelé polyéthylène glycol (PEG), largement utilisé dans les applications médicales. Pour former les capsules, les chercheurs suspendent des levures lyophilisées dans de l'eau, puis les mélangent aux sous-unités de polymère. Lorsque la lumière UV est projetée sur le mélange, les polymères se lient entre eux pour former des capsules dans lesquelles la levure est piégée.
Chaque capsule mesure environ un demi-millimètre de diamètre. Comme les hydrogels sont très fins et poreux, l'eau peut facilement passer à travers et rencontrer la levure à l'intérieur, tandis que la levure reste piégée.
Dans cette étude, les chercheurs ont montré que la levure encapsulée pouvait éliminer les traces de plomb dans l'eau aussi rapidement que la levure non encapsulée de l'étude originale de Stathatou et Athanasiou de 2021.
Mise à l'échelle
Sous la direction d'Athanasiou, les chercheurs ont testé la stabilité mécanique des capsules d'hydrogel et ont constaté que les capsules et la levure qu'elles contiennent peuvent résister à des forces similaires à celles générées par l'eau qui coule d'un robinet. Ils ont également calculé que les capsules chargées de levure devraient pouvoir résister aux forces générées par les flux des stations d'épuration desservant plusieurs centaines de résidences.
"Le manque de robustesse mécanique est une cause fréquente d'échec des tentatives antérieures de mise à l'échelle de la biosorption à l'aide de cellules immobilisées ; dans notre travail, nous voulions nous assurer que cet aspect était pris en compte dès le début pour garantir l'évolutivité", explique M. Athanasiou.
Après avoir évalué la robustesse mécanique des capsules chargées de levure, les chercheurs ont construit un biofiltre à lit garni de démonstration, capable de traiter des traces d'eau contaminée par le plomb et de respecter les directives de l'Agence américaine de protection de l'environnement relatives à l'eau potable, tout en fonctionnant en continu pendant 12 jours.
Selon les chercheurs, ce procédé consommerait probablement moins d'énergie que les procédés physicochimiques existants pour éliminer les traces de composés inorganiques de l'eau, tels que la précipitation et la filtration membranaire.
Cette approche, ancrée dans les principes de l'économie circulaire, pourrait minimiser les déchets et l'impact sur l'environnement tout en favorisant les opportunités économiques au sein des communautés locales. Bien que de nombreux cas de contamination par le plomb aient été signalés dans divers endroits des États-Unis, cette approche pourrait avoir un impact particulièrement important dans les zones à faibles revenus qui ont toujours été confrontées à la pollution de l'environnement et à un accès limité à l'eau potable, et qui n'ont peut-être pas les moyens de se procurer d'autres moyens de remédier à la situation, affirment les chercheurs.
"Nous pensons qu'il y a là un aspect intéressant de justice environnementale, en particulier lorsque l'on commence avec quelque chose d'aussi peu coûteux et durable que la levure, qui est essentiellement disponible n'importe où", explique M. Gokhale.
Les chercheurs étudient à présent des stratégies de recyclage et de remplacement de la levure une fois qu'elle est épuisée, et tentent de calculer la fréquence à laquelle cela devra se produire. Ils espèrent également étudier la possibilité d'utiliser des matières premières dérivées de la biomasse pour fabriquer les hydrogels, au lieu de polymères à base de combustibles fossiles, et voir si la levure peut être utilisée pour capturer d'autres types de contaminants.
"À l'avenir, cette technologie pourra être développée pour cibler d'autres contaminants à l'état de traces, tels que les PFAS ou même les microplastiques", explique Mme Stathatou. "Nous considérons qu'il s'agit d'un exemple avec de nombreuses applications potentielles à l'avenir.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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