Brouwerijafval kan worden hergebruikt om nanodeeltjes te maken die bacteriën kunnen bestrijden

Modern de bierproductie is een business van 117 miljard dollar in de Verenigde Staten, terwijl brouwers meer dan produceren 170 miljoen vaten bier per jaar. Het brouwproces is tijd- en energie-intensiefen elke stap genereert grote hoeveelheden afval.

Vaste componenten zoals gebruikte granen en gist uit dit afval komen terecht op stortplaatsen, waar schadelijke stoffen zich kunnen bevinden uitlogen in de bodem. Het brouwen van afvalwater dat in aquatische ecosystemen terechtkomt, kan beken en meren vervuilen, zuurstofniveau verlagen in die omgevingen en bedreigen organismen.

Om te voorkomen dat dit afval in het milieu terechtkomt, onderzoeken wetenschappers zoals ik hoe bierbrouwafval tot bruikbare producten kan worden verwerkt. Ik ben een chemicusen mijn onderzoeksteam en ik zijn geïnteresseerd in het uitzoeken hoe we brouwerijafval kunnen recyclen en hergebruiken tot kleine deeltjes die kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten geneesmiddelen op recept te maken.

Het brouwproces

Het brouwproces neemt rauwe graankorrels – meestal uit gerst – en zet het zetmeel en de eiwitten ervan om in eenvoudigere chemicaliën door te mouten. Brouwers initiëren dit proces door water toe te voegen, waardoor het zaad uit de kiemrust wordt gehaald, en vervolgens de zaden op een gecontroleerde temperatuur te houden om het graan te laten ontkiemen.

Gedurende deze tijd komen belangrijke enzymen vrij die het zetmeel en de eiwitten in de granen kunnen omzetten fermenteerbare suikers en aminozuren. Vervolgens verwarmen ze het resulterende product, de mout genaamd, om het uit te drogen en het verdere kiemen te stoppen. Na dit moutproces voegen ze heet water toe en pureren de mout om de verbindingen vrij te maken die het bier zijn iconische smaak geven.

Vervolgens scheiden de brouwers het zoete moutextract, wort genoemden de overgebleven vaste stof wordt verwijderd als afval, genaamd brouwersbostel. Over 30% van het gewicht van het ruwe graan eindigt als afval van bostel. Dit afval wordt gebruikt als veevoer of weggegooid. Over 30 miljoen ton bostel wordt jaarlijks gegenereerd.

Brouwers voegen een kegelvormige bloem toe Humulus lupulus plant, hop genoemdaan het wort toevoegen, vervolgens koken en klaren. De hopbloem is het belangrijkste ingrediënt dat bier zijn bitterheid en aroma geeft. De onopgeloste hop en eiwitten worden tijdens het klaren verzameld om hete trub te vormen, het tweede grote afval van brouwerijen. Ongeveer 85% van de hop worden als afvalmateriaal afgevoerd.

De heldere wort wordt vervolgens gekoeld en gefermenteerd door toevoeging van gist. De gist die na de gisting wordt uitgefilterd, de zogenaamde biergist, vormt het derde type afval dat brouwerijen produceren. De afgewerkte gist is een van de belangrijkste bijproducten van de brouwerij-industrie. Dit afval bevat een grote hoeveelheid water en vast materiaal: 100 liter bier levert 2 tot 4 kilogram afgewerkte gist op.

Ten slotte wordt het gefermenteerde bier gefilterd voordat het de productielijn binnengaat, waar het bier wordt gebotteld voor consumptie. Het afvalwater dat in deze laatste fase ontstaat, vormt het filtratieafval. Een middelgrote brouwerij genereert ongeveer 8 ton dicht slib en vijf tot zeven keer (oftewel 40 tot 56 ton) afvalwater. filterafval maandelijks. Enkele tonnen afval van brouwerijen blijven grotendeels onderbenut vanwege hun lage economische waarde.

Het brouwerijafvalprobleem

Deze afvalstoffen hebben meerdere verbindingenzoals koolhydraten, eiwitten, aminozuren, mineralen en vitamines die mogelijk opnieuw kunnen worden gebruikt. Wetenschappers hebben geprobeerd het afval op creatieve manieren te hergebruiken het creëren van biobrandstoffen En veganistisch leer waarbij gebruik wordt gemaakt van een aantal verbindingen die uit het afval zijn gewonnen, of van het gehele afval.

Brouwerijen kunnen hun vaste afval naar boerderijen sturen die het hergebruiken bodembemesting, compost of diervoedermaar een groot deel ervan wordt in de hele sector op de stortplaats gegooid. Het afvalwater wordt geloosd in de rioolleidingen, wat rioolwaterzuiveringssystemen in gevaar kan brengen, omdat deze meer dan 20% water bevatten 30 keer meer verontreinigende stoffen dan het typische residentiële rioolwater.

Hoewel brouwerijen zich steeds bewuster worden van hun afval en op weg zijn naar een duurzame aanpak, is de vraag naar bier blijven stijgen en moet er nog steeds met een grote hoeveelheid afval worden omgegaan.

Herbestemming van afval in nanodeeltjes

In mijn onderzoek ben ik geïnteresseerd in het bepalen of verbindingen uit brouwerijafval kunnen helpen creëren nanodeeltjes die compatibel zijn met menselijke cellen, maar vechten tegen bacteriën. Nanodeeltjes zijn uiterst kleine deeltjes die afmetingen hebben in het bereik van een miljardste van een meter.

Als in de geneeskunde steeds dezelfde antibiotica worden gebruikt, bacteriën kunnen er resistentie tegen ontwikkelen. Eén mogelijk gebruik van nanodeeltjes is als actief bestanddeel in bepaalde antibiotica. Deze nanodeeltjes zouden ook kunnen werken als ontsmettingsmiddelen en reinigingschemicaliën.

Mijn team en ik hebben nanodeeltjes ontwikkeld die zijn gecoat met een aantal verbindingen die voorkomen in brouwerijafval – een uitvinding die we hebben sindsdien gepatenteerd maar zijn niet actief aan het commercialiseren. We creëerden de deeltjes door afval uit elke fase van het brouwen toe te voegen aan een metaalbron.

Toen we een chemische stof toevoegden die zilver bevatte, bijvoorbeeld zilvernitraat—naar het afval heeft een combinatie van processen de zilververbinding omgezet in nanodeeltjes. Een proces heet reductie: Hier ondergaan verbindingen uit het brouwerijafval een chemische reactie waarbij de zilverionen van zilvernitraat worden omgezet in een metallisch nanodeeltje.

Het andere proces, neerslag genoemdis vergelijkbaar met de vorming van kalkachtig zeepresten in uw gootsteen wanneer zeep reageert met mineralen zoals calcium in hard water. Oxide en fosfaat uit het brouwerijafval combineren met een zilverion uit het zilvernitraat, waardoor het zilver een vaste verbinding vormt die de kern van het nanodeeltje vormt.

De organische verbindingen uit het brouwafval zoals eiwitten, koolhydraten, polyfenolen en suikers vormen een coating op de nanodeeltjes. Deze coating voorkomt dat er enige andere reactie plaatsvindt op het oppervlak van deze deeltjes, wat erg belangrijk is om de nanodeeltjes stabiel te maken voor hun toepassingen. Deze nanodeeltjes, bereid uit brouwerijafval, bestonden uit drie componenten: zilvermetaal, zilveroxide en zilverfosfaat.

Milieuvriendelijke processen die het gebruik van gevaarlijke chemicaliën verminderen en schadelijke bijproducten minimaliseren, staan ​​bekend als groene chemie. Omdat onze procedure zo eenvoudig was en geen andere chemicaliën gebruikte, valt deze in deze categorie van groene chemie.

Veiligheid van nanodeeltjes

Mijn collega Neha Rangam ontdekte dat de coating gevormd door de afvalverbindingen van de brouwerij deze maakt nanodeeltjes niet giftig naar menselijke cellen in het laboratorium. Het zilver komt echter uit deze nanodeeltjes gedood Escherichia colieen veel voorkomende bacterie die verantwoordelijk is voor darmziekten over de hele wereld.

We ontdekten dat een speciaal type nanodeeltje met grote hoeveelheden zilverfosfaat werkte E. coli. Het bleek dat dit zilverfosfaat-nanodeeltje een dunnere coating had van de organische verbindingen uit het brouwerijafval dan zilvermetaal en oxiden, wat leidde tot een beter contact met de bacteriën. Dat betekende dat er voldoende zilver de bacteriën kon bereiken om de celstructuur te verstoren. Het is al lang bekend dat zilver een antimicrobieel effect. Door nanodeeltjes uit zilver te maken, krijgen we veel oppervlakte beschikbaar voor het elimineren van bacteriën.

Er zijn verschillende nanodeeltjes in terechtgekomen klinische onderzoeken en sommigen zijn dat ook geweest FDA goedgekeurd voor gebruik in medicijnen voor pijnbestrijding, tandheelkundige behandelingen en ziekten zoals kanker en COVID-19. Het meeste onderzoek naar nanodeeltjes in de biotechnologie heeft zich hiermee beziggehouden op koolstof gebaseerd nanodeeltjes. Wetenschappers moeten nog steeds zien hoe deze metalen nanodeeltjes zouden interageren met het menselijk lichaam en of ze mogelijk andere gezondheidsproblemen zouden kunnen veroorzaken.

Omdat ze zo klein zijn, zijn deze deeltjes moeilijk uit het lichaam te verwijderen, tenzij ze worden vastgemaakt aan medicijndragers die zijn ontworpen om de nanodeeltjes veilig te transporteren. Voordat artsen deze nanodeeltjes als antibacteriële medicijnen kunnen gebruiken, zullen wetenschappers het lot van deze materialen moeten bestuderen zodra ze het lichaam binnendringen.

Sommige kunstmatige nanodeeltjes kunnen giftig zijn voor levende organismen, dus zal onderzoek moeten uitwijzen of deze nanodeeltjes afkomstig van brouwerijafval veilig zijn voor het menselijk lichaam voordat ze worden gebruikt als een nieuw antibacterieel medicijn.