엔지니어들은 CO2 포집을 위한 광생물 반응기의 오염을 방지하는 기술을 고안했습니다.

MIT 연구원들은 이러한 오염을 실질적으로 제한할 수 있는 간단하고 저렴한 기술을 생각해 냈으며, 잠재적으로 원치 않는 온실가스를 유용한 제품으로 전환하는 훨씬 더 효율적이고 경제적인 방법을 가능하게 했습니다.

중요한 것은 투명 용기를 정전기를 담을 수 있는 물질로 코팅한 다음 그 층에 아주 작은 전압을 가하는 것입니다. 이 시스템은 실험실 규모 테스트에서 잘 작동했으며, 추가 개발을 통해 몇 년 내에 상업 생산에 적용될 수 있습니다.

연구 결과는 저널에 보고되고 있습니다. 첨단 기능성 소재, 최근 MIT 졸업생 Victor Leon PhD '23, 기계 공학 교수 Kripa Varanasi, 전 Postdoc Baptiste Blanc 및 학부생 Sophia Sonnert의 논문에서.

탄소 배출을 줄이거나 제거하기 위한 노력이 아무리 성공적이더라도, 앞으로 수 세기 동안 대기에 남아 있는 과도한 온실 가스가 여전히 존재할 것이며 계속해서 지구 기후에 영향을 미칠 것이라고 바라나시는 지적합니다. '거기에는 이미 많은 양의 이산화탄소가 있으므로 부정적인 배출 기술도 검토해야 합니다.'라고 그는 공기나 바다, 온실 가스가 방출되기 전에 배출원에서 제거하는 방법을 언급하며 말합니다. 우선 공중으로.

사람들이 이산화탄소 감소에 대한 생물학적 접근 방식을 생각할 때 가장 먼저 생각하는 것은 일반적으로 대기 탄소의 중요한 '흡수원'인 나무를 심거나 보호하는 것입니다. 그러나 다른 것들도 있습니다. '해양 조류는 오늘날 지구상에서 흡수되는 전 세계 이산화탄소의 약 50%를 차지합니다'라고 Varanasi는 말합니다. 이 조류는 육상 식물보다 10~50배 더 ​​빨리 자라며, 육상 식물 면적의 10분의 1만 차지하는 연못이나 탱크에서도 자랄 수 있습니다.

게다가 조류 자체도 유용한 제품이 될 수 있습니다. '이 조류는 단백질, 비타민 및 기타 영양소가 풍부합니다'라고 Varanasi는 말하며 일부 전통적인 농작물보다 사용된 토지 단위당 훨씬 더 많은 영양 생산량을 생산할 수 있다고 지적했습니다.

석탄 또는 가스 발전소의 연도 가스 출력에 연결되면 조류는 영양원인 이산화탄소를 통해 번성할 수 있을 뿐만 아니라 일부 미세 조류 종은 이러한 배출물에 존재하는 관련 질소 및 황산화물을 소비할 수도 있습니다. '2~3kg의 CO마다₂, 1kg의 조류가 생산될 수 있으며 이는 바이오 연료, 오메가-3 또는 식품으로 사용될 수 있습니다.'라고 Varanasi는 말합니다.

오메가-3 지방산은 세포막과 기타 조직의 필수 부분이지만 신체에서 만들 수 없고 음식을 통해 섭취해야 하기 때문에 널리 사용되는 식품 보충제입니다. '오메가 3는 훨씬 더 높은 가치를 지닌 제품이기 때문에 특히 매력적입니다.'라고 Varanasi는 말합니다.

상업적으로 재배되는 대부분의 조류는 얕은 연못에서 재배되는 반면, 다른 조류는 광생물반응기라고 불리는 투명한 튜브에서 재배됩니다. 튜브는 주어진 토지 면적에 대해 연못보다 7~10배 더 많은 수확량을 생산할 수 있지만 큰 문제에 직면합니다. 조류는 투명한 표면에 쌓이는 경향이 있어 청소를 위해 전체 생산 시스템을 자주 중단해야 합니다. 주기의 생산적인 부분만큼 오랜 시간이 걸리므로 전체 생산량이 절반으로 줄어들고 운영 비용이 추가됩니다.

오염은 또한 시스템 설계를 제한합니다. 오염으로 인해 생물반응기를 통과하는 물의 흐름이 차단되기 시작하고 더 높은 펌핑 속도가 필요하기 때문에 튜브가 너무 작아서는 안 됩니다.

바라나시와 그의 팀은 오염을 방지하기 위해 조류 세포의 자연적인 특성을 이용하기로 결정했습니다. 세포는 자연적으로 막 표면에 작은 음전하를 가지고 있기 때문에 연구팀은 정전기 반발력을 사용하여 세포를 밀어낼 수 있다고 생각했습니다.

아이디어는 혈관 벽에 음전하를 생성하여 전기장이 조류 세포를 벽에서 멀어지도록 하는 것이었습니다. 이러한 전기장을 생성하려면 더 작은 전압으로 표면 전하의 큰 변화를 생성할 수 있는 높은 '유전율'을 가진 전기 절연체인 고성능 유전체 재료가 필요합니다.

'[생물반응기에] 전압을 적용하기 전에 사람들이 수행한 작업은 전도성 표면에 관한 것이었습니다.' Leon은 설명합니다. '여기서 우리가 하는 작업은 특히 비전도성 표면에 관한 것입니다.'

그는 다음과 같이 덧붙였습니다. '만약 전도성이 있다면 전류를 흐르게 하고 세포에 일종의 충격을 가하게 됩니다. 우리가 하려는 것은 순수한 정전기 반발력이므로 표면은 음이 되고 세포는 음이 되어 반발력을 얻게 됩니다. . 이를 설명하는 또 다른 방법은 역장과 비슷하지만 이전에는 세포가 표면에 닿아 충격을 받았습니다.'

연구팀은 두 가지 유전체 재료인 이산화규소(본질적으로 유리)와 하프니아(하프늄 산화물)를 사용하여 작업했는데, 둘 다 광생물 반응기를 만드는 데 사용되는 기존 플라스틱보다 오염을 최소화하는 데 훨씬 더 효율적인 것으로 나타났습니다. 이 물질은 두께가 10~20나노미터(10억분의 1미터)에 불과할 정도로 얇은 코팅에 적용될 수 있으므로 전체 광생물반응기 시스템을 코팅하는 데는 거의 필요하지 않습니다.

여기서 우리가 기대하는 점은 순수하게 정전기적 상호작용을 통해 세포 접착을 제어할 수 있다는 사실을 보여줄 수 있다는 것입니다.'라고 Varanasi는 말합니다. '이 작업을 수행할 수 있다는 것은 온오프 스위치와 거의 같습니다.\

또한 Leon은 '우리는 이 정전기력을 사용하고 있기 때문에 이것이 세포별로 나타날 것이라고 기대하지 않으며 조류뿐만 아니라 다른 세포에도 적용할 가능성이 있다고 생각합니다. 향후 연구에서 우리는 포유류 세포, 박테리아, 효모 등에 사용해 보고 싶습니다.' 또한 식품 보충제로 널리 사용되는 스피루리나와 같은 다른 귀중한 유형의 조류에도 사용할 수 있습니다.

특정 응용 분야에 따라 동일한 시스템을 사용하여 전압을 역전시킴으로써 세포를 밀어내거나 끌어당길 수 있습니다. 조류 대신 유사한 장치를 인간 세포에 사용하여 세포를 올바른 구성으로 끌어들이기 위해 충전될 수 있는 비계를 생성함으로써 인공 장기를 생성할 수 있다고 바라나시는 제안합니다.

'우리 연구는 기본적으로 광생물 반응기의 병목 현상이었던 생물 오염이라는 주요 문제를 해결합니다.'라고 그는 말합니다. 실용적인 상용 시스템으로 확장하려면 추가 개발이 필요하지만 '이 기술을 사용하면 이제 그러한 시스템의 잠재력을 완전히 실현할 수 있습니다'.

얼마나 빨리 이것이 광범위하게 배포될 준비가 될 수 있는지에 대해 그는 '우리가 이 작업을 수행할 수 있는 적절한 리소스를 확보한다면 3년 안에 왜 안 될지 모르겠습니다.'라고 말합니다.

이 연구는 MIT 에너지 이니셔티브(MIT Energy Initiative)를 통해 에너지 회사인 Eni SpA의 지원을 받았습니다.