Giúp tảo quang hợp và thu giữ carbon dioxide tốt hơn
Các nhà khoa học tại MIT đã dùng một luồng điện nhỏ trên thành bể nuôi tảo để ngăn bám bẩn và cho phép quá trình quang hợp xảy ra nhiều hơn.
Tảo được trồng trong các bể hoặc ống trong suốt có thể chuyển đổi khí nhà kính thành các hợp chất khác như thực phẩm bổ sung hoặc nhiên liệu.
Nhưng quá trình này dẫn đến sự tích tụ tảo trên bề mặt kính, làm mờ thành bể và giảm hiệu quả quang hợp. Chúng đòi hỏi phải có các quy trình làm sạch bể chỉ sau vài tuần. Ở những bể quang sinh học (photobioreactors) công nghiệp cao gấp 7-10 lần so với các bể dưới đất, mỗi lần dọn bể cần phải tắt toàn bộ hệ thống sản xuất, gây tốn kém thời gian và chi phí.
Trong bài báo đăng trên tạp chí Advanced Functional Materials, các nhà nghiên cứu MIT đã đưa ra một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để hạn chế sự ô nhiễm này. Họ phủ các bể nuôi tảo trong suốt bằng một vật liệu có thể giữ điện tích, sau đó cho một điện áp rất nhỏ đi qua để làm bong lớp chất bẩn.
Hệ thống này đang hoạt động tốt trong các thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm và có thể được áp dụng cho sản xuất thương mại trong vòng vài năm tới.
Khi nói đến những nỗ lực giảm hoặc loại bỏ khí thải carbon, giáo sư kỹ thuật cơ khí Kripa Varanasi tại MIT nhận xét, tảo biển chiếm khoảng 50% lượng CO2 được hấp thụ trên Trái đất. Những loài tảo này phát triển nhanh hơn 10-50 lần so với thực vật trên cạn và chúng có thể được trồng trong ao hoặc bể chỉ chiếm 1/10 diện tích đất. Hơn nữa, bản thân tảo là một sản phẩm giàu protein, vitamin và các chất dinh dưỡng. Chúng tạo ra sản lượng dinh dưỡng trên một đơn vị diện tích sử dụng đất cao hơn nhiều so với một số cây nông nghiệp truyền thống.
Varanasi và nhóm của ông đã cố gắng sử dụng một đặc tính tự nhiên của các tế bào tảo để chống lại việc tích tụ bám bẩn. Vì các tế bào tự nhiên mang điện tích âm nhỏ trên bề mặt màng của chúng, nên các nhà khoa học đã sử dụng lực đẩy tĩnh điện để đẩy tế bào ra.
Ý tưởng của họ là tạo ra một điện tích âm trên thành bể, sao cho điện trường buộc các tế bào tảo tách ra khỏi thành bể. Để tạo ra một điện trường như vậy đòi hỏi một vật liệu điện môi hiệu suất cao, tức một chất cách điện có thể tạo ra sự thay đổi lớn về điện tích bề mặt với điện áp nhỏ hơn. Đồng tác giả Leon giải thích, những gì mọi người đã làm trước đây khi cho dòng điện [chạy qua bể photobioreactors] là sử dụng các bề mặt dẫn điện, nhưng những gì họ đang làm là với các bề mặt không dẫn điện.
Ông nói thêm: “Nếu bề mặt dẫn điện, thì khi truyền dòng điện, ta đang gây sốc cho các tế bào. Những gì chúng tôi đang cố gắng làm là tạo lực đẩy tĩnh điện thuần túy. Bề mặt sẽ mang điện tích âm và tế bào cũng mang điện tích âm nên chúng đẩy nhau”.
Nhóm nghiên cứu đã làm việc với hai vật liệu điện môi khác nhau, SiO2 (về cơ bản là thủy tinh) và hafnia (oxit hafnium), cả hai đều hiệu quả hơn nhiều trong việc giảm thiểu sự bám bẩn so với nhựa thông thường dùng để chế tạo các bể phản ứng quang sinh. Vật liệu này có thể dùng làm lớp phủ mỏng từ 10-20 nanomet, do vậy sẽ cần rất ít để phủ lên một hệ thống bể quang sinh đầy đủ.
Varanasi nói rằng vì chúng hoàn toàn là các tương tác tính điện, nên họ có thể kiểm soát độ bám dính của tế bào. Nó gần giống như một công tắc bật-tắt. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng công nghệ này có tiềm năng áp dụng với các tế bào khác ngoài tảo, do vậy trong tương lai, họ sẽ thử nghiệm nó với các tế bào động vật có vú, vi khuẩn, nấm men, v.v.
Một hệ thống tương tự có thể dùng để đẩy hoặc hút tế bào bằng cách đảo ngược điện áp, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Varanasi gợi ý, thay vì tảo, những ta có thể dùng một thiết lập tương tự với các tế bào người để tạo ra các cơ quan nhân tạo, bằng cách tạo một “giàn giáo” có thể tích điện để thu hút các tế bào vào cấu hình phù hợp.□
Trang Linh lược dịch
Theo MIT https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-devise-technology-prevent-fouling-photobioreactors-0413
