Un stout mousseux, une miche de pain copieuse, un fromage piquant; chacun l'étoffe de la vie, chacun créé par des micro-organismes naturels. Définie universellement comme brassage, boulangerie et caséiculture (OK, fabrication du fromage), ce sont des exemples de quoi, aujourd'hui, nous appelons la bioproduction.

Bien que vous ne puissiez pas associer un tel terme industriel aux arts culinaires, vous connaissez peut-être le procédé de fabrication de l'éthanol à base de maïs, antibiotiques et lubrifiants, parmi une gamme de produits sans cesse croissante.

De tels processus peuvent être complexes et coûteux, et dans de nombreux cas, les rendements sont relativement faibles, trop faibles pour rendre un produit commercialement viable. Mais les succès passés continuent de contribuer à la croissance de l'industrie, incitant les fabricants et les chercheurs à travailler ensemble pour trouver des solutions uniques à certains des plus gros problèmes de la bioproduction.

Un exemple :des chercheurs de deux divisions du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) qui ont uni leurs forces pour développer un matériau adsorbant hautement sélectif appelé EZ Select pour lutter contre les inefficacités dans l'extraction de bioproduits. Alliant l'expertise du laboratoire en biosciences à son savoir-faire de fabrication, la technologie démontre la puissance du partenariat.

"Le défi est de générer un produit pur avec un coût et une énergie relativement bas, " dit Phil Laible, biophysicien de la division Biosciences d'Argonne et chercheur principal sur le projet. "EZ Select est un moyen très efficace de séparer le produit d'un environnement très complexe, car la seule chose qui s'adsorbe à sa surface est le produit que nous souhaitons fabriquer. »

Dans la fabrication de bioproduits, différents micro-organismes sont sélectionnés pour créer des produits spécifiques, chacun cultivé en utilisant une solution différente de milieu de croissance composé de nutriments et de sels. La "soupe" que cela produit comprend non seulement le produit, mais des sous-produits de la transformation, comme les particules et les émulsions qui rendent le produit plus difficile à extraire.

Parce que la complexité des milieux de croissance et de la soupe change de bioproduit en bioproduit, l'équipe avait besoin de l'expertise de bioscientifiques et d'experts en applications pour créer un matériau qui pourrait être modifié ou "réglé" pour fonctionner avec différentes chimies.

Ce matériau est un xérogel, un matériau nanostructuré très poreux dont la taille des pores peut être modifiée à l'aide de micelles, ou des lipides, qui créent le pouvoir de récurage actif des détergents. La possibilité d'affiner encore plus EZ Select à l'aide d'additifs offre un contrôle presque complet de la porosité, dit Laible.

"Notre capacité à le régler signifie que nous pouvons modifier les groupes fonctionnels chimiques à la surface pour attirer un type particulier de molécule et en exclure d'autres, " a ajouté Ed Barry, scientifique en applications pour la division Applied Materials d'Argonne et membre de l'équipe EZ Select.

Un autre avantage de l'utilisation d'EZ Select dans la bioproduction est son effet neutre sur les organismes chargés de créer le produit final. Dans certains schémas de bioproduction, une surconcentration du bioproduit peut ralentir ou arrêter le processus de fermentation, résultant en des rendements inférieurs.

"Si vous pensez à cela en termes de production de vin, par exemple, lorsqu'une certaine concentration d'alcool est atteinte, puis l'organisme—levure, dans ce cas, arrête de transformer les raisins en vin, " a expliqué Barry. " Ainsi, la possibilité d'utiliser quelque chose comme EZ Select pour retirer sélectivement le produit afin qu'il n'étouffe pas la fonctionnalité de l'organisme permet au processus de continuer, produisant un plus grand rendement d'alcool.

Ressemblant à un rouleau géant de serviettes en papier détrempées, EZ Select peut adsorber jusqu'à huit fois sa masse et être réutilisé des dizaines de fois. Il peut également être dimensionné pour répondre aux besoins d'adsorption de quantités de produits spécifiques. Un seul gel de la taille d'un carton de lait d'un demi-gallon peut être réutilisé plusieurs fois dans un processus de cent litres.

"Vous pouvez le remplir de produit et ensuite, avec une simple compression, retirer le produit du matériau, qui retourne ensuite directement dans le processus pour être réutilisé. C'est la puissance de celui-ci, " selon Laible. EZ Select améliore les processus de bioproduction en intégrant des processus de production et de séparation pour améliorer à la fois la productivité et la durabilité.

Compte tenu de son accordabilité au niveau moléculaire, le potentiel d'EZ Select est illimité. Au lieu d'attirer le produit, il peut être utilisé à la place pour capturer les supports et traiter les impuretés qui inhibent la conversion microbienne, rendre le processus de bioproduction plus efficace. Et les chercheurs y voient une plate-forme technologique prometteuse pour un grand nombre d'applications différentes.

"La capacité d'adsorber des choses spécifiquement à partir de mélanges relativement complexes illustre sa propension à être utilisé comme absorbant pour un large éventail d'applications, " a déclaré Barry. " Je pense que sa spécificité ouvre d'autres utilisations potentielles pour EZ Select dans les applications de dépollution des métaux lourds et de capture de gaz, comme le CO 2 adsorption."