Por Anne Trafton

Cada año, las cervecerías generan y descartan miles de toneladas de levadura excedente, y es por esto que investigadores del MIT y Georgia Tech han ideado una forma de reutilizar esa levadura para filtrar agua contaminada.

Levadura para filtrar agua
Levadura para filtrar agua

A través de un proceso llamado biosorción, la levadura puede absorber rápidamente incluso trazas de plomo y otros metales pesados del agua.

Levadura reutilizada

Los investigadores demostraron que podían empaquetar la levadura reutilizada dentro de cápsulas de hidrogel para crear un filtro que elimina el plomo del agua.

Debido a que las células de levadura están encapsuladas, se pueden eliminar fácilmente del agua una vez que esté lista para beber.

Patricia Stathatou, postdoctorada en el Centro de Bits y Átomos del MIT, científica investigadora y profesora asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech señala:

El hidrogel que rodea la levadura es lo suficientemente poroso como para permitir que el agua entre e interactúe con la levadura como si se moviera libremente y luego salga limpia. El hecho de que la levadura en sí sea de origen biológico, benigna y biodegradable es una ventaja significativa sobre las tecnologías tradicionales.

Los investigadores proyectan que este proceso podría usarse para filtrar el agua potable directamente de un grifo en los hogares o ampliarse para tratar grandes cantidades de agua en plantas de tratamiento.

El nuevo estudio se basa en el trabajo que Stathatou y Athanasiou comenzaron en 2021, cuando Athanasiou era académico visitante en el Centro de Bits y Átomos del MIT.

Ese año, calcularon que la levadura residual desechada de una sola cervecería en Boston sería suficiente para tratar todo el suministro de agua de la ciudad.

La clave está en la biosorción

A través de la biosorción, un proceso que aún no se comprende completamente, las células de levadura pueden unirse y absorber iones de metales pesados, incluso en concentraciones iniciales por debajo de 1 parte por millón.

El equipo del MIT descubrió que este proceso podría descontaminar eficazmente el agua con bajas concentraciones de plomo. Sin embargo, aún quedaba un obstáculo clave: cómo eliminar la levadura del agua después de que absorbiera el plomo.

En una coincidencia fortuita, Stathatou y Athanasiou presentaron su investigación en la reunión anual de AIChE en Boston en 2021, donde Gokhale, un estudiante del laboratorio de Doyle, presentaba su propia investigación sobre el uso de hidrogeles para capturar microcontaminantes en el agua.

Los dos grupos de investigadores decidieron unir fuerzas y explorar si la estrategia basada en levadura podría ser más fácil de ampliar si la levadura estuviera encapsulada en hidrogeles desarrollados por Gokhale y Doyle.

Lo que decidimos hacer fue estas cápsulas huecas, algo así como una píldora multivitamínica, pero en lugar de llenarlas con vitaminas, las llenamos con células de levadura. Estas cápsulas son porosas, por lo que el agua puede penetrarlas ara que la levadura reuna todo el plomo, pero la levadura en sí no puede escapar al agua.

¿Cómo se fabrican las cápsulas?

Las cápsulas están hechas de un polímero llamado polietilenglicol (PEG), que se usa ampliamente en aplicaciones médicas.

Para formar las cápsulas, los investigadores suspenden levadura liofilizada en agua y luego la mezclan con las subunidades del polímero.

Cuando se ilumina la mezcla con luz ultravioleta, los polímeros se unen para formar cápsulas con levadura atrapada en su interior.

Cada cápsula tiene aproximadamente medio milímetro de diámetro. Debido a que los hidrogeles son muy delgados y porosos, el agua puede pasar fácilmente, mientras que la levadura permanece atrapada.

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

Escalabilidad

Dirigidos por Athanasiou, los investigadores probaron la estabilidad mecánica de las cápsulas de hidrogel y descubrieron que las cápsulas y la levadura en su interior pueden soportar fuerzas similares a las generadas por el agua que sale de un grifo.

También calcularon que las cápsulas cargadas de levadura deberían poder resistir las fuerzas generadas por los flujos en las plantas de tratamiento de agua que abastecen a varios cientos de residencias.

Athanasiou afirma:

La falta de robustez mecánica es una causa común de fracaso de intentos anteriores de ampliar la biosorción utilizando células inmovilizadas. En nuestro trabajo queríamos asegurarnos de que este aspecto se abordara minuciosamente desde el principio para garantizar la escalabilidad.

Después de evaluar la robustez mecánica de las cápsulas cargadas de levadura, los investigadores construyeron un biofiltro de lecho compacto como prueba de concepto, capaz de tratar agua contaminada con trazas de plomo y cumplir con las pautas de agua potable de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. mientras funcionaba de forma continua durante 12 días.

Economía circular

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 enfoque, basado en los principios de la economía circular, podría minimizar los residuos y el impacto ambiental y al mismo tiempo fomentar oportunidades económicas dentro de las comunidades locales.

Aunque se han informado numerosos incidentes de contaminación por plomo en varios lugares de los Estados Unidos, este enfoque podría tener un impacto especialmente significativo en áreas de bajos ingresos que históricamente han enfrentado contaminación ambiental y acceso limitado a agua potable, y que tal vez no puedan permitirse otras formas de remediarlo, dicen los investigadores.

Gokhale señala:

Creemos que hay un aspecto interesante de justicia ambiental en esto, especialmente cuando se comienza con algo tan económico y sostenible como la levadura, que básicamente está disponible en cualquier lugar.

Los investigadores ahora están explorando estrategias para reciclar y reemplazar la levadura una vez que se agota, tratando de calcular con qué frecuencia será necesario.

Stathatou afirma:

Se trata de una tecnología que puede evolucionar para abordar otros contaminantes de interés emergente, como los PFAS o incluso los microplásticos. Realmente vemos esto como una opción con muchas aplicaciones potenciales en el futuro.

También esperan investigar si podrían utilizar materias primas derivadas de la biomasa para fabricar hidrogeles, en lugar de polímeros basados en combustibles fósiles, y si la levadura se puede utilizar para capturar otros tipos de contaminantes.

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