Puoi realizzare filtri per l’anidride carbonica con una stampante 3D
Filamenti flessibili idrogel estrusi PEG-DA/PEO con reticolazione UV potenziata con anidrasi carbonica e griglie durevoli per la cattura di CO₂
In un nuovo studio, i ricercatori della North Carolina State University hanno dimostrato che è possibile realizzare filtri per la cattura dell’anidride carbonica utilizzando la stampa 3D. In particolare, hanno stampato un materiale idrogel che può contenere anidrasi carbonica, un enzima che accelera una reazione che trasforma l’anidride carbonica e l’acqua in bicarbonato.
I risultati, pubblicati sulla rivista Gels , suggeriscono che la stampa 3D potrebbe essere un metodo più veloce e versatile per realizzare progetti di filtri.
“Questo processo di produzione, utilizzando la stampa 3D, rende tutto più veloce e più preciso”, ha affermato l’autore principale dello studio Jialong Shen, assistente professore di ricerca di ingegneria tessile, chimica e scienze presso NC State. “Se hai accesso a una stampante e alle materie prime, puoi realizzare questo materiale funzionale”.
Nello studio, i ricercatori del NC State Wilson College of Textiles hanno mescolato una soluzione contenente due diversi composti organici – o l’inchiostro di stampa – e un enzima chiamato anidrasi carbonica. I ricercatori hanno quindi stampato filamenti filiformi dell’idrogel in una griglia bidimensionale mentre solidificavano la soluzione con la luce UV mentre veniva stampata.
“Abbiamo formulato l’idrogel in un modo che fosse meccanicamente abbastanza forte da essere stampato in 3D e anche estruso in un filamento continuo”, ha detto Shen. “L’ispirazione alla base del nostro design sono state le nostre stesse cellule, che hanno enzimi racchiusi in spazi compartimentati, pieni di un fluido. Quel tipo di ambiente è utile per aiutare gli enzimi a svolgere il loro lavoro”.
I ricercatori hanno testato le proprietà del materiale per capire quanto bene si sarebbe piegato e attorcigliato e hanno studiato le prestazioni di cattura del carbonio del filtro. In un esperimento su piccola scala, hanno scoperto che il filtro catturava il 24% dell’anidride carbonica in una miscela di gas. Sebbene la velocità di acquisizione sia inferiore a quella raggiunta nei progetti precedenti, il filtro aveva un diametro inferiore a un pollice (2 centimetri) e poteva essere ingrandito e in diverse forme modulari per impilarli in una colonna alta . Ciò potrebbe aumentare l’efficienza di cattura, hanno detto i ricercatori.
“Per ottenere una velocità di acquisizione più elevata, dovremmo aumentare il diametro del filtro o impilare più filtri uno sopra l’altro”, ha affermato Shen. “Non pensiamo che sia un problema; questo è stato un test iniziale su piccola scala per facilitare i test.
I ricercatori hanno anche testato la durata della filtrazione del materiale e hanno scoperto che conservava il 52% delle sue prestazioni iniziali di cattura del carbonio dopo più di 1.000 ore.
“Questo lavoro è ancora in una fase iniziale, ma i nostri risultati suggeriscono che ci sono nuovi modi per realizzare materiali per dispositivi di cattura del carbonio”, ha affermato l’autrice co-corrispondente dello studio Sonja Salmon, professore associato di ingegneria tessile, chimica e scienza presso NC State. “Stiamo offrendo speranza per la cattura del carbonio”.
Lo studio, “Carbonic Anhydrase Enhanced UV-Crosslinked PEG-DA/PEO Extruded Hydrogel Flexible Filaments and Durable Grids for CO₂ Capture”, è stato pubblicato online su Gels . I coautori includevano Sen Zhang e Xiaomeng Fang. Il finanziamento è stato fornito dalla North Carolina State University, dalla Novo Nordisk Foundation e dall’Alliance for Sustainable Energy, LLC, Managing and Operating Contractor per il National Renewable Energy Laboratory per il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Abstract: In questo studio, poli (glicole etilenico) diacrilato/poli (ossido di etilene) (PEG-DA/PEO) interpenetrante rete polimerica idrogel (IPNH) sono stati estrusi in filamenti 1D e griglie 2D. L’idoneità di questo sistema per l’immobilizzazione enzimatica e la CO 2 l’applicazione di acquisizione è stata convalidata. La composizione chimica dell’IPNH è stata verificata spettroscopicamente utilizzando FTIR. Il filamento estruso aveva una resistenza alla trazione media di 6,5 MPa e un allungamento a rottura dell’80%. Il filamento IPNH può essere attorcigliato e piegato e quindi è adatto per l’ulteriore lavorazione utilizzando metodi di fabbricazione tessile convenzionali. Il recupero dell’attività iniziale dell’anidrasi carbonica (CA) intrappolata calcolata dall’attività dell’esterasi, ha mostrato una diminuzione con un aumento della dose di enzima, mentre la ritenzione dell’attività dei campioni ad alta dose di enzima era superiore all’87% dopo 150 giorni di ripetuti lavaggi e test. Le griglie IPNH 2D che sono state assemblate in imballaggi strutturati a spirale hanno mostrato una maggiore efficienza di cattura della CO 2 con l’aumento della dose di enzima. CO2 a lungo termine le prestazioni di cattura dell’imballaggio strutturato IPNH immobilizzato con CA sono state testate in un esperimento di ricircolo continuo del solvente per 1032 ore, in cui sono stati mantenuti il 52% delle prestazioni iniziali di cattura della CO2 e il 34% del contributo enzimatico. Questi risultati dimostrano la fattibilità dell’utilizzo di una rapida reticolazione UV per formare idrogel immobilizzati con enzimi mediante un processo di estrusione geometricamente controllabile che utilizza polimeri lineari analoghi sia per il miglioramento della viscosità che per l’entanglement della catena e raggiunge un’elevata ritenzione dell’attività e stabilità delle prestazioni del CA immobilizzato . I potenziali usi di questo sistema si estendono agli inchiostri per la stampa 3D e alle matrici di immobilizzazione enzimatica per applicazioni così diverse come i reattori biocatalitici e la fabbricazione di biosensori.
