Een schuimige stout, een stevig broodje, een prikkelende kaas; elk de dingen van het leven, elk gemaakt door natuurlijk voorkomende micro-organismen. Universeel gedefinieerd als brouwen, bakken en caseicultuur (OK, kaas maken), het zijn voorbeelden van wat, vandaag, noemen we bioproductie.

Hoewel je zo'n industriële term misschien niet associeert met de culinaire kunsten, u bent misschien bekend met het proces bij de productie van ethanol op basis van maïs, antibiotica en smeermiddelen, tussen een steeds groter wordend productassortiment.

Dergelijke processen kunnen complex en kostbaar zijn, en in veel gevallen de opbrengsten zijn relatief laag - te laag om een ​​product commercieel levensvatbaar te maken. Maar successen uit het verleden blijven de industrie helpen groeien, fabrikanten en onderzoekers ertoe aanzetten samen te werken om unieke oplossingen te vinden voor enkele van de grotere problemen van de bioproductie.

Een goed voorbeeld:onderzoekers van twee afdelingen van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) die hun krachten hebben gebundeld om een ​​zeer selectief adsorberend materiaal genaamd EZ Select te ontwikkelen om inefficiënties bij de extractie van bioproducten aan te pakken. Door de expertise van het laboratorium op het gebied van biowetenschappen te combineren met zijn productiekennis, de technologie toont de kracht van partnerschap.

"De uitdaging is het genereren van een puur product met relatief lage kosten en energie, " zei Phil Laible, een biofysicus in de Biosciences-divisie van Argonne en een hoofdonderzoeker van het project. "EZ Select is een zeer efficiënte manier om het product te scheiden van een zeer complexe omgeving, want het enige dat aan het oppervlak adsorbeert, is het product dat we willen maken."

Bij de productie van bioproducten, verschillende micro-organismen worden geselecteerd om specifieke producten te maken, elk gekweekt met een andere oplossing van groeimedia bestaande uit voedingsstoffen en zouten. De "soep" die dit oplevert omvat niet alleen het product, maar bijproducten van verwerking, zoals deeltjes en emulsies die het product moeilijker te extraheren maken.

Omdat de complexiteit van de groeimedia en de soep verandert van bioproduct naar bioproduct, het team had de expertise van zowel biowetenschappers als applicatie-experts nodig om een ​​materiaal te creëren dat kan worden gewijzigd of "afgestemd" om met verschillende chemische stoffen te werken.

Dat materiaal is een xerogel, een zeer poreus nanogestructureerd materiaal waarvan de poriegrootte kan worden aangepast met behulp van micellen, of lipiden, die de actieve waskracht in wasmiddelen creëren. De mogelijkheid om EZ Select nog verder te verfijnen met behulp van additieven biedt bijna volledige controle over porositeit, zei Laible.

"Ons vermogen om het af te stemmen betekent dat we chemische functionele groepen op het oppervlak kunnen veranderen om een ​​bepaald soort molecuul aan te trekken en andere uit te sluiten, "voegde Ed Barry toe, applicatiewetenschapper voor de divisie Applied Materials van Argonne en teamlid van EZ Select.

Een ander voordeel van het gebruik van EZ Select in de bioproductie is het neutrale effect op de organismen die belast zijn met het maken van het eindproduct. In sommige bioproductieschema's, overconcentratie van het bioproduct kan het fermentatieproces vertragen of stoppen, wat resulteert in lagere opbrengsten.

"Als je denkt aan wijnproductie, bijvoorbeeld, wanneer een bepaalde alcoholconcentratie is bereikt, dan het organisme - gist, in dit geval - stopt met het omzetten van druiven in wijn, " legde Barry uit. "Dus de mogelijkheid om iets als EZ Select te gebruiken om het product selectief te verwijderen, zodat het de functionaliteit van het organisme niet onderdrukt, laat het proces doorgaan, een grotere opbrengst aan alcohol produceren."

Ziet eruit als een gigantische rol doorweekte papieren handdoeken, EZ Select kan tot acht keer zijn massa adsorberen en tientallen keren worden hergebruikt. Het kan ook worden aangepast aan de adsorptiebehoeften van specifieke producthoeveelheden. Slechts één gel ter grootte van een melkpak van een halve gallon kan meerdere keren worden hergebruikt in een proces van honderd liter.

"Je kunt het vullen met product en dan, met slechts een simpele compressie, verwijder het product van het materiaal, die vervolgens weer teruggaat naar het proces om opnieuw te worden gebruikt. Dat is de kracht ervan, " volgens Laible. EZ Select verbetert bioproductieprocessen door productie- en scheidingsprocessen te integreren om zowel de productiviteit als de duurzaamheid te verbeteren.

Gezien de afstembaarheid op moleculair niveau, het potentieel van EZ Select is grenzeloos. In tegenstelling tot het aantrekken van producten, het kan in plaats daarvan worden gebruikt om media op te vangen en onzuiverheden te verwerken die microbiële conversie remmen, waardoor het bioproductieproces efficiënter wordt. En onderzoekers zien het als een platformtechnologie die veelbelovend is voor een groot aantal verschillende toepassingen.

"Het vermogen om dingen specifiek uit relatief complexe mengsels te adsorberen, illustreert de neiging om te gebruiken als absorptiemiddel voor een breed scala aan toepassingen, " zei Barry. "Ik denk dat zijn specificiteit andere potentiële toepassingen voor EZ Select opent in toepassingen voor de sanering van zware metalen en gasvangst, zoals CO ₂ adsorptie."