La filtración del agua a través de membranas es uno de los principales procesos empleados en su potabilización. Uno de los mayores problemas de este método es la persistente acumulación de peliculas biológicas, que disminuyen el flujo del agua y aumentan los costes operativos. Un nuevo tipo de membrana, fabricada con celulosa bacteriana y óxido de grafeno reducido incorporado, podría ser una solución alternativa a este problema.

Esta propuesta ha sido desarrollada por un equipo de investigadores de EEUU, que han aprovechado la celulosa creada por ciertas bacterias para obtener una nueva tecnologia, capaz de limpiar el agua dos veces más rápido que las membranas de ultrafiltración disponibles en el mercado.

Se trata de una membrana de ultrafiltración que utiliza óxido de grafeno y nanocelulosa bacteriana que, según los autores, es altamente eficiente, duradera y respetuosa con el medio ambiente.

La formación de películas biológicas, que se estima que son casi la mitad de todas las incrustaciones que pueden darse en los filtros de potabilización del agua, es uno de los retos más complicados para las tecnologías basadas en membranas debido a la obturación de las mismas, que disminuye significativamente el flujo del agua y aumenta los costes operativos.

La propuesta que llega de la Washington University en St. Louis (EEUU) introduce el uso de nanocelulosa bacteriana, un compuesto orgánico producido por algunos tipos de bacterias. La celulosa bacteriana tiene propiedades distintas a la que podemos encontrar en las plantas y se caracteriza por su gran pureza, resistencia, moldeabilidad y gran capacidad de retención del agua.

Celulosa bacteriana con propiedades específicas

La celulosa bacteriana puede manipularse mientras se sintetiza y se la puede adaptar para que tenga propiedades específicas deseables. Y esto es lo que hicieron los autores del estudio: incorporar a la celulosa escamas de óxido de grafeno reducido  in situ durante su crecimiento.

La membrana creada en el estudio se inició alimentando bacterias de la especie Gluconacetobacter hansenii, una especie que destaca como organismo modelo para la biosíntesis de la celulosa bacteriana, con una sustancia azucarada, para que formaran nanofibras de celulosa en agua. Mientras la celulosa estaba en crecimiento, el equipo le incorporó escamas de óxido de grafeno, que quedó incorporado en la membrana dándole estabilidad y durabilidad.

Después de incorporar el óxido de grafeno, la membrana fue tratada con una solución base para matar a Gluconacetobacter. Durante este proceso, los grupos de oxígeno del óxido de grafeno se eliminaron, reduciéndolo. 

Al aplicar luz solar sobre la membrana, las escamas de óxido de grafeno generan calor, que se transmite al agua alrededor y a la nanocelulosa bacteriana. Y de este modo, la membrana fabricada a partir de bacterias es capaz de matar los gérmenes presentes en el agua.

Para comprobar su eficacia, expusieron la membrana a la bacteria E.coli, que murió después de irradiar la superficie de la membrana con luz durante tres minutos. Al ser iluminada, la membrana se calienta rápidamente por encima de los 70ºC necesarios para deteriorar las paredes celulares de E.coli.

Eficiente actividad bactericida

A diferencia de otras membranas con óxido de grafeno utilizadas para el tratamiento del agua, la combinación del grafeno con la nanocelulosa bacteriana mostró una excelente estabilidad acuosa en condiciones de pH relevantes para el medio ambiente, bajo agitación/sonicación mecánica vigorosa e incluso bajo presión alta.

Asimismo, debido a su excelente propiedad fototérmica, al ser iluminada mostró una actividad bactericida efectiva, evitando la necesidad de tratamiento del agua de alimentación o energía externa. La membrana se mantuvo además prístina y con una alta calidad de sus fibras de nanocelulosa, capaces de filtrar el agua dos veces más rápido que las membranas de ultrafiltración disponibles comercialmente con una presión de funcionamiento alta.

Los autores reconocen que la implementación de su nuevo desarrollo en los sistemas convencionales de ósmosis inversa es un problema, por lo que proponen un sistema de módulos enrollados en espiral, similar a un rollo de toallas, que podría estar equipado con LED o un tipo de generador que aproveche la energía mecánica del flujo del fluido para producir luz y calor, lo que reduciria el coste general.

El trabajo realizado puede considerarse un prototipo interesante en el proceso de crear nuevas membranas para la potabilización del agua con propiedades anti-bioincrustantes, que sean altamente eficientes y a la vez respetuosas con el medio ambiente.

Fuente: Srikanth Singamaneni y otros: Photothermally Active Reduced Graphene Oxide/Bacterial Nanocellulose Composites as Biofouling-Resistant Ultrafiltration Membranes, Environmental Science & Technology 2019