MITのエンジニアがCO2回収用フォトバイオリアクターの汚れを防ぐ技術を考案

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二酸化炭素が供給される透明なタンクまたはチューブ内で成長する藻類は、温室効果ガスを栄養補助食品や燃料などの他の化合物に変換できます。しかし、このプロセスでは表面に藻類が蓄積して表面が曇り、効率が低下するため、数週間ごとに面倒な掃除手順が必要になります。

MITの研究者らは、この汚れを大幅に制限できるシンプルで安価な技術を考案し、不要な温室効果ガスを有用な製品に変換するはるかに効率的かつ経済的な方法が可能になる可能性がある。

重要なのは、透明な容器を静電気を保持できる材料でコーティングし、その層に非常に小さな電圧を印加することです。このシステムは研究室規模のテストでうまく機能しており、さらなる開発により数年以内に商業生産に適用される可能性があります。

この研究結果は、MIT を卒業したばかりの Victor Leon PhD '23、機械工学教授の Kripa Varanasi、元ポスドクの Baptiste Blanc、学部生の Sophia Sonnert による論文として、Advanced Functional Materials 誌に報告されています。

炭素排出量を削減または排除する取り組みがどれほど成功したとしても、余剰の温室効果ガスは今後何世紀にもわたって大気中に残り、地球の気候に影響を与え続けるだろうとバラナシ氏は指摘する。「そこにはすでに大量の二酸化炭素が存在しているので、私たちはマイナス排出技術にも目を向ける必要があります」と彼は言い、温室効果ガスが地球に放出される前に大気や海洋、あるいはその発生源から除去する方法について言及している。そもそも空気。

二酸化炭素削減への生物学的アプローチについて考えるとき、人々は通常、大気中の炭素の重要な「吸収源」である樹木を植えたり保護したりすることを最初に考えます。しかし、他にもあります。「今日地球上で吸収される二酸化炭素の約50パーセントは海洋藻類が占めています」とバラナシ氏は言う。これらの藻類は陸上植物の 10 倍から 50 倍の速さで成長し、陸生植物の 10 分の 1 の面積しか占有しない池や水槽で生育することができます。

さらに、藻類自体が有用な製品になる可能性があります。「これらの藻類には、タンパク質、ビタミン、その他の栄養素が豊富に含まれています」とバラナシ氏は述べ、一部の伝統的な農作物よりも単位土地当たりではるかに多くの栄養生産量を生産できる可能性があると指摘する。

石炭またはガス発電所の排ガスに付着すると、藻類は二酸化炭素を栄養源として繁殖するだけでなく、一部の微細藻類種はこれらの排出物に含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物も消費する可能性があります。「2～3キログラムのCO2ごとに1キログラムの藻類が生産され、これらはバイオ燃料やオメガ3、あるいは食料として利用できる可能性がある」とバラナシ氏は言う。

オメガ 3 脂肪酸は、細胞膜やその他の組織に不可欠な部分ですが、体内で生成することができず、食品から摂取する必要があるため、食品サプリメントとして広く使用されています。「オメガ 3 は非常に価値の高い製品でもあるため、特に魅力的です」とバラナシ氏は言う。

商業的に栽培されるほとんどの藻類は浅い池で栽培されますが、他の藻類はフォトバイオリアクターと呼ばれる透明なチューブで栽培されます。チューブは一定の面積で池よりも 7 ～ 10 倍の収量を生み出すことができますが、大きな問題に直面しています。藻類は透明な表面に蓄積する傾向があり、洗浄のために生産システム全体を頻繁に停止する必要があり、サイクルの生産的な部分と同じくらいの時間がかかるため、全体の生産量が半分になり、運用コストが増加します。

汚れはシステムの設計にも制限を与えます。汚れによってバイオリアクターを通る水の流れが妨げられ、より高いポンプ速度が必要になるため、チューブは小さすぎることはできません。

バラナシと彼のチームは、付着物から身を守るために藻類の細胞の自然な特性を利用することを試みることにしました。細胞は自然にその膜表面に小さな負の電荷を帯びているため、研究チームは静電気の反発を利用して細胞を押しのけることができると考えました。

このアイデアは、電場によって藻類細胞を壁から遠ざけるように、容器の壁にマイナスの電荷を作り出すことでした。このような電場を生成するには、高性能の誘電体材料が必要です。これは、より小さな電圧で表面電荷に大きな変化をもたらすことができる、高い「誘電率」を備えた電気絶縁体です。

「これまで人々が（バイオリアクターへの）電圧の印加で行ってきたことは、導電性の表面を対象としたものでした」とレオン氏は説明します。「しかし、私たちがここで行っているのは、特に非導電性の表面を対象としたものです。」

「もしそれが導電性であれば、電流を流すことになり、細胞に一種のショックを与えることになります。私たちがやろうとしているのは純粋な静電反発なので、表面はマイナスになり、セルはマイナスになるので、反発が得られます。」と彼は付け加えた。これを別の言い方で説明すると、以前は細胞が表面に触れて衝撃を受けていたのに対し、力場のようなものです。」

研究チームは、二酸化ケイ素（本質的にはガラス）とハフニア（酸化ハフニウム）という 2 つの異なる誘電体材料を使用しました。どちらも、フォトバイオリアクターの製造に使用される従来のプラスチックよりも汚れを最小限に抑えるのにはるかに効率的であることが判明しました。この材料は、わずか 10 ～ 20 ナノメートル (10 億分の 1 メートル) の厚さの、非常に薄いコーティングで塗布できるため、フォトバイオリアクターシステム全体をコーティングするのにほとんど必要ありません。

「ここで私たちが興奮しているのは、純粋に静電相互作用によって細胞接着を制御できることを証明できることです」とバラナシ氏は言う。「これができるのは、オンとオフのスイッチのようなものです。」

さらに、Leon 氏は次のように述べています。「私たちはこの静電気力を使用しているので、それが細胞特異的であるとはあまり期待していません。また、藻類だけでなく他の細胞にも応用できる可能性があると考えています。将来の研究では、哺乳類の細胞、細菌、酵母などに使ってみたいです。」また、栄養補助食品として広く使用されているスピルリナなど、他の貴重な種類の藻類と一緒に使用することもできます。

特定の用途に応じて、同じシステムを使用して、電圧を反転するだけで細胞を反発または誘引することができます。藻類の代わりに、同様の設定を人間の細胞にも使用して、細胞を適切な配置に引き付けるために荷電できる足場を作製することで人工臓器を作製できる可能性があるとバラナシ氏は示唆している。

「私たちの研究は基本的に、フォトバイオリアクターにとってボトルネックとなっている生物付着という大きな問題を解決します」と彼は言う。「この技術により、このようなシステムの可能性を最大限に引き出すことができるようになりました」が、実用的な商用システムにスケールアップするにはさらなる開発が必要です。

これがどれくらい早く広範な展開の準備が整うかについては、「この作業を進めるための適切なリソースが得られるのであれば、なぜ 3 年以内に準備が整わないのかわかりません。」と彼は言います。

この研究は、MIT Energy Initiative を通じてエネルギー会社 Eni SpA によって支援されました。

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