Una schiumosa stout, un bel pezzo di pane, un formaggio piccante; ognuno la roba della vita, ciascuno creato da microrganismi naturali. Definito universalmente come birra, panificazione e caseicoltura (OK, produzione di formaggio), sono esempi di cosa, oggi, chiamiamo bioproduzione.

Anche se non puoi associare un termine così industriale alle arti culinarie, potresti avere familiarità con il processo nella produzione di etanolo a base di mais, antibiotici e lubrificanti, tra una gamma di prodotti in continua crescita.

Tali processi possono essere complessi e costosi, e in molti casi, i rendimenti sono relativamente bassi, troppo bassi per rendere un prodotto commercialmente redditizio. Ma i successi passati continuano ad aiutare a far crescere il settore, spingendo produttori e ricercatori a lavorare insieme per trovare soluzioni uniche ad alcuni dei maggiori problemi della bioproduzione.

Un esempio calzante:i ricercatori di due divisioni dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) che hanno unito le forze per sviluppare un materiale adsorbente altamente selettivo chiamato EZ Select per affrontare le inefficienze nell'estrazione dei bioprodotti. Combinando l'esperienza del laboratorio nelle bioscienze con il suo know-how produttivo, la tecnologia dimostra il potere della partnership.

"La sfida è generare un prodotto puro con costi ed energia relativamente bassi, " ha detto Phil Laible, un biofisico nella divisione Biosciences di Argonne e un investigatore principale del progetto. "EZ Select è un modo molto efficiente per separare il prodotto da un ambiente molto complesso, perché l'unica cosa che si assorbe sulla sua superficie è il prodotto che ci interessa realizzare."

Nella produzione di bioprodotti, vengono selezionati diversi microrganismi per creare prodotti specifici, ciascuno coltivato utilizzando una diversa soluzione di terreni di crescita costituiti da sostanze nutritive e sali. La "zuppa" che questo produce comprende non solo il prodotto, ma sottoprodotti della lavorazione, come particolato ed emulsioni che rendono il prodotto più difficile da estrarre.

Poiché la complessità dei terreni di crescita e della zuppa cambia da bioprodotto a bioprodotto, il team aveva bisogno dell'esperienza sia dei bioscienziati che degli esperti di applicazioni per creare un materiale che potesse essere alterato o "sintonizzato" per funzionare con diverse sostanze chimiche.

Quel materiale è uno xerogel, un materiale nanostrutturato altamente poroso le cui dimensioni dei pori possono essere modificate mediante micelle, o lipidi, che creano il potere lavante attivo nei detersivi. La capacità di perfezionare ulteriormente EZ Select utilizzando additivi fornisce un controllo quasi completo della porosità, disse Laible.

"La nostra capacità di sintonizzarlo significa che possiamo cambiare i gruppi funzionali chimici sulla superficie per attirare un particolare tipo di molecola ed escluderne altri, " ha aggiunto Ed Barry, scienziato delle applicazioni per la divisione Applied Materials di Argonne e membro del team EZ Select.

Un altro vantaggio dell'utilizzo di EZ Select nella bioproduzione è il suo effetto neutro sugli organismi responsabili della creazione del prodotto finale. In alcuni schemi di bioproduzione, l'eccessiva concentrazione del bioprodotto può rallentare o arrestare il processo di fermentazione, con conseguente minor rendimento.

"Se ci pensi in termini di produzione di vino, Per esempio, quando viene raggiunta una certa concentrazione di alcol, poi l'organismo - lievito, in questo caso, smette di convertire l'uva in vino, " ha spiegato Barry. "Quindi la capacità di utilizzare qualcosa come EZ Select per rimuovere selettivamente il prodotto in modo che non recluda la funzionalità dell'organismo consente al processo di continuare, producendo una maggiore resa di alcol."

Sembra un gigantesco rotolo di carta assorbente fradicia, EZ Select può assorbire fino a otto volte la sua massa ed essere riutilizzato decine di volte. Inoltre può essere dimensionato per soddisfare le esigenze di adsorbimento di specifiche quantità di prodotto. Un solo gel delle dimensioni di un cartone di latte da mezzo gallone può essere riutilizzato più volte in un processo da cento litri.

"Puoi riempirlo di prodotto e poi, con una semplice compressione, rimuovere il prodotto dal materiale, che poi torna nel processo per essere riutilizzato. Questo è il potere di esso, " secondo Laible. EZ Select migliora i processi di bioproduzione integrando processi di produzione e separazione per migliorare sia la produttività che la sostenibilità.

Data la sua accordabilità a livello molecolare, il potenziale per EZ Select è illimitato. Al contrario di attirare il prodotto, può essere invece utilizzato per catturare i mezzi e trattare le impurità che inibiscono la conversione microbica, rendere più efficiente il processo di bioproduzione. E i ricercatori la vedono come una piattaforma tecnologica che promette bene per un numero qualsiasi di applicazioni diverse.

"La capacità di assorbire le cose in modo specifico da miscele relativamente complesse illustra la sua propensione all'uso come assorbente per un'ampia gamma di applicazioni, " ha detto Barry. "Penso che la sua specificità apra altri potenziali usi per EZ Select nella bonifica dei metalli pesanti e nelle applicazioni di cattura del gas, come CO ₂ adsorbimento."