Cápsulas de hidrogel contendo levedura projetadas poderiam ser usadas para remover o chumbo da água contaminada de forma rápida e barata. O trabalho, realizado por pesquisadores do MIT e da Georgia Tech, pode ser especialmente útil em áreas de baixa renda com alta contaminação por chumbo. Crédito: Cortesia dos pesquisadores
Um filtro feito de levedura residual de cervejaria encapsulada em hidrogéis pode absorver rapidamente o chumbo da água contaminada.
As cervejarias geram e descartam milhares de toneladas de fermento excedente todos os anos. Pesquisadores de COM e a Georgia Tech descobriram agora uma maneira de reaproveitar essa levedura para extrair chumbo de água poluída.
Usando um processo conhecido como biossorção, a levedura absorve com eficiência vestígios e grandes quantidades de chumbo e outros metais pesados da água. Os pesquisadores embalaram com sucesso a levedura em cápsulas de hidrogel, formando um filtro que remove o chumbo da água. Essas células de levedura encapsuladas podem ser facilmente removidas da água, tornando-as seguras para consumo.
Tecnologia Eficaz e Sustentável
“Temos o hidrogel envolvendo o fermento livre que existe no centro, e este é poroso o suficiente para deixar a água entrar, interagir com o fermento como se ele estivesse se movendo livremente na água e depois sair limpo”, diz Patricia Stathatou, uma ex-pós-doutorado no Centro de Bits e Átomos do MIT, que agora é cientista pesquisador na Georgia Tech e professor assistente na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech. “O fato de as próprias leveduras serem de base biológica, benignas e biodegradáveis é uma vantagem significativa em relação às tecnologias tradicionais.”
Os pesquisadores imaginam que esse processo poderia ser usado para filtrar a água potável que sai da torneira das residências ou ser ampliado para tratar grandes quantidades de água em estações de tratamento.
Os estudantes de pós-graduação do MIT, Devashish Gokhale e Stathatou, são os principais autores do estudo, que foi publicado em 15 de maio na revista Sustentabilidade RSC. Patrick Doyle, professor Robert T. Haslam de Engenharia Química no MIT, é o autor sênior do artigo, e Christos Athanasiou, professor assistente de engenharia aeroespacial na Georgia Tech e ex-aluno visitante no MIT, também é autor.
Absorvendo Chumbo
O novo estudo baseia-se no trabalho que Stathatou e Athanasiou começaram em 2021, quando Athanasiou era pesquisador visitante no Centro para Bits e Átomos do MIT. Naquele ano, eles calcularam que o fermento residual descartado de uma única cervejaria em Boston seria suficiente para tratar todo o abastecimento de água da cidade.
Através da biossorção, um processo que não é totalmente compreendido, as células de levedura podem ligar-se e absorver íons de metais pesados, mesmo em concentrações iniciais desafiadoras abaixo de 1 parte por milhão. A equipe do MIT descobriu que esse processo poderia descontaminar eficazmente a água com baixas concentrações de chumbo. No entanto, restava um obstáculo importante: como remover o fermento da água depois de absorver o chumbo.
Numa coincidência fortuita, Stathatou e Athanasiou apresentaram a sua investigação na Reunião Anual da AIChE em Boston em 2021, onde Gokhale, um estudante do laboratório de Doyle, apresentava a sua própria investigação sobre a utilização de hidrogéis para capturar micropoluentes na água. Os dois grupos de pesquisadores decidiram unir forças e explorar se a estratégia baseada em levedura poderia ser mais fácil de ser ampliada se a levedura fosse encapsulada em hidrogéis desenvolvidos por Gokhale e Doyle.
“O que decidimos fazer foi fazer essas cápsulas ocas – algo como uma pílula multivitamínica, mas em vez de enchê-las com vitaminas, nós as enchemos com células de levedura”, diz Gokhale. “Essas cápsulas são porosas, então a água pode entrar nas cápsulas e o fermento é capaz de ligar todo esse chumbo, mas o próprio fermento não consegue escapar para a água.”
As cápsulas são feitas de um polímero denominado polietilenoglicol (PEG), amplamente utilizado em aplicações médicas. Para formar as cápsulas, os pesquisadores suspendem o fermento liofilizado em água e depois os misturam com as subunidades do polímero. Quando a luz UV incide sobre a mistura, os polímeros se unem para formar cápsulas com fermento preso em seu interior.
Cada cápsula tem cerca de meio milímetro de diâmetro. Como os hidrogéis são muito finos e porosos, a água pode passar facilmente e encontrar o fermento em seu interior, enquanto o fermento permanece preso.
Neste estudo, os pesquisadores mostraram que a levedura encapsulada poderia remover vestígios de chumbo da água tão rapidamente quanto a levedura não encapsulada do estudo original de 2021 de Stathatou e Athanasiou.
Ampliando
Liderados por Athanasiou, os pesquisadores testaram a estabilidade mecânica das cápsulas de hidrogel e descobriram que as cápsulas e o fermento em seu interior podem suportar forças semelhantes às geradas pela água que corre de uma torneira. Eles também calcularam que as cápsulas carregadas de levedura deveriam ser capazes de resistir às forças geradas pelos fluxos nas estações de tratamento de água que atendem várias centenas de residências.
“A falta de robustez mecânica é uma causa comum de fracasso em tentativas anteriores de aumentar a biossorção usando células imobilizadas; em nosso trabalho, queríamos ter certeza de que esse aspecto fosse abordado minuciosamente desde o início para garantir a escalabilidade”, afirma Athanasiou.
Depois de avaliar a robustez mecânica das cápsulas carregadas de levedura, os pesquisadores construíram um biofiltro de leito compactado à prova de conceito, capaz de tratar vestígios de água contaminada com chumbo e atender às diretrizes de água potável da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, operando continuamente por 12 dias.
Este processo provavelmente consumiria menos energia do que os processos físico-químicos existentes para remover vestígios de compostos inorgânicos da água, como precipitação e filtração por membrana, dizem os pesquisadores.
Esta abordagem, enraizada nos princípios da economia circular, poderia minimizar os resíduos e o impacto ambiental, ao mesmo tempo que promove oportunidades económicas nas comunidades locais. Embora numerosos incidentes de contaminação por chumbo tenham sido relatados em vários locais dos Estados Unidos, esta abordagem poderia ter um impacto especialmente significativo em áreas de baixa renda que historicamente enfrentaram poluição ambiental e acesso limitado a água potável, e podem não ter condições de pagar outros maneiras de remediá-lo, dizem os pesquisadores.
“Achamos que há um aspecto interessante de justiça ambiental nisso, especialmente quando você começa com algo tão barato e sustentável como o fermento, que está essencialmente disponível em qualquer lugar”, diz Gokhale.
Perspectivas futuras
Os pesquisadores estão agora explorando estratégias para reciclar e substituir o fermento quando ele acabar, e tentando calcular com que frequência isso precisará ocorrer. Eles também esperam investigar se poderiam usar matérias-primas derivadas da biomassa para fazer os hidrogéis, em vez de polímeros à base de combustíveis fósseis, e se a levedura pode ser usada para capturar outros tipos de contaminantes.
“No futuro, esta é uma tecnologia que pode ser desenvolvida para atingir outros vestígios de contaminantes de preocupação emergente, como PFAS ou mesmo microplásticos”, diz Stathatou. “Nós realmente vemos isso como um exemplo com muitas aplicações potenciais no futuro.”
Referência: “Cápsulas de hidrogel carregadas de levedura para remoção escalável de vestígios de chumbo da água” por Devashish Gokhale, Patritsia M. Stathatou, Christos E. Athanasiou e Patrick S. Doyle, 15 de maio de 2024, Sustentabilidade RSC.
DOI: 10.1039/D4SU00052H
A pesquisa foi financiada pela Rasikbhai L. Meswani Fellowship for Water Solutions, pelo MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) e pelo Renewable Bioproducts Institute da Georgia Tech.
