Bioreactor pentru conversia celulozei indigestibile în glucoză comestibilă pentru combaterea malnutriției și o analiză a studiului de caz a foamei în burundi

în colaborare cu Akhil surapaneni, catherine schult, Chris vangundy, natalie bolton, patricia dasilva, peter tang

andy

Declarație problemă

Burundi este o țară mică din Africa centrală și din cei 10,88 milioane de oameni din Burundi, peste jumătate sunt subnutriți cronic. Malnutriția se manifestă în diferite moduri, dintre care unul este marasmusul, o afecțiune definită de un deficit global de calorii. Caloriile sunt în principal asimilate în organism prin alimente care conțin carbohidrați și grăsimi. Cu toate acestea, 58% din populația Burundi nu poate accesa suficient din aceste calorii necesare. Această statistică descurajantă este legată în mare parte de Războiul Civil din Burundia și de insecuritatea alimentară consecventă, rata ridicată a sărăciei și inflația ridicată. În ciuda revenirii țării la pace în 2005, începând cu 2014, Indicele Global al Foamei (GHI) din Burundi rămâne unul dintre cele mai mari din lume.

Ca urmare a unei diete bogate în amidon, media burundeză consumă cu aproximativ 10 g mai puține proteine ​​pe zi decât media sub-sahariană africană. Având în vedere că 37,5% din cheltuielile lor se referă la produse din amidon, în timp ce produsele cu proteine ​​animale și cheltuielile medicale sunt evaluate la 9,2% și, respectiv, 5,8%, un supliment caloric mare în amidon ar trebui să beneficieze familiilor burundeze, permițând alocarea unor procente mai mari din totalul lor lunar cheltuieli cu alte necesități, cum ar fi proteine ​​sau cheltuieli medicale.

În prezent, soluțiile tind să apară în două moduri principale: ajutorul alimentar pe termen scurt și schimbarea politicii pe termen lung și reforma economică. Ajutorul alimentar pe termen scurt provine în principal de la organizațiile occidentale mari non-profit, inclusiv USAID, care au cheltuit peste 20 de milioane USD în 2015 livrând peste 6.500 tone metrice de alimente doar în Burundi. Aceasta este o abordare extrem de costisitoare a malnutriției, care funcționează doar ca „band-aid”, abordând o problemă complexă cu o soluție temporară și pe termen scurt. Schimbările de politică și reforma economică au loc lent, multe organizații internaționale publicând studii și recomandând soluții la problemele economice (și, prin urmare, în mod indirect, ale foametei) din Burundi și alte țări sărace.

Aceasta nu înseamnă că nu s-a propus niciodată o soluție inginerească pentru subnutriție. GRAIN, o mică organizație non-profit a foamei, discută despre utilizarea orezului îmbogățit genetic în vitamina A ca metodă de creștere a nutriției în zonele subnutrite. În plus, activitatea Dr. Percival Zhang de la Universitatea din Virginia a conceput tehnici de ultimă generație în hidroliza enzimei celulazice și potențialul acesteia ca sursă atât de biocombustibil, cât și de amidon. Deși ambele soluții conturează o sursă viabilă de producție de nutrienți, ele nu reușesc să abordeze dificultățile asociate transportului unor cantități mari de nutrienți peste granițele internaționale și prin terenurile rurale subdezvoltate. Soluțiile actuale pentru malnutriție nu se integrează în mod eficient în setări de resurse reduse, deoarece nu sunt durabile și imediate. Prin urmare, este necesar un dispozitiv autosusținător pentru a furniza energie alimentară populațiilor subnutrate. Acest lucru va permite comunităților care nu sunt în măsură să achiziționeze în mod fiabil alimente să aibă acces la un aport caloric continuu, cu un cost marginal mic.

Lucrare realizată și soluție propusă

Pentru a crea un dispozitiv autosustenabil, eficient și ușor de integrat într-un mediu cu resurse reduse, au fost luate în considerare multe criterii de proiectare. Dispozitivul nostru trebuie să transforme celuloza nedigerabilă în monozaharide digestibile, inclusiv glucoza. De asemenea, trebuie să funcționeze cu energie net-zero pentru a fi independent de energia electrică de obicei nesigură din țările în curs de dezvoltare. Mașina ar trebui să fie ieftină în raport cu banii cheltuiți pentru ajutorul alimentar burundian de către USAID, costând nu mai mult de 100.159 USD, eficient, transformând glucoza în celuloză cu o eficiență de cel puțin 70%, fiabilă, care nu necesită întreținere pe durata speranței de viață de cel puțin 5 ani, și autonom, necesitând 0 interacțiuni cu utilizatorii (în afară de introducerea materiei vegetale) pentru a converti intrarea în ieșire digerabilă pentru ușurință în utilizare.

Figura 1. Diagrama care detaliază componentele bioreactorului

Bioreactorul nostru atacă rădăcina problemei. Acesta servește ca o sursă de producție de alimente care intră într-o sursă de nutrienți inaccesibili anterior, rămânând în același timp fizic proximal pentru comunitățile pe care le va ajuta. Ne extindem pe Dr. Activitatea lui Zhang în optimizarea enzimei celulazei pentru a converti celuloza în glucoză în loc de amidon, în timp ce se ocupă simultan cu problema mai complexă a transportului substanțelor nutritive în zonele subnutrite prin localizarea mașinii în comunitățile proprii.

Rezultatul și munca viitoare

Lucrările viitoare presupun optimizarea producției de alimente pe bază de glucoză și extinderea potențialelor aplicații ale dispozitivului. Considerațiile cheie viitoare includ: optimizarea enzimelor, validarea sistemului de reciclare a apei și extinderea aplicației bioreactorului în alte situații.

Soluția enzimatică se află în prezent în condiții de pH neutru al apei de 7,0. În timp ce acest pH permite funcționarea enzimei, acesta se află la limita superioară a intervalului de pH funcțional al enzimei. PH-ul optim se situează în general între 4,0 și 5,0. Un pas cheie în viitor este de a proiecta un sistem care să mențină în mod durabil un pH în acest interval pentru a îmbunătăți conversia noastră generală de reacție. În plus, ar trebui implementat un mecanism de eliminare a celobiozei, un alt inhibitor al reacției celulozei la glucoză.

Ca un alt obstacol tehnic, sistemul de reciclare a apei trebuie validat pentru a ține cont de gradienții de presiune a vaporilor prezenți în întregul sistem. Apa prezentă în produs este deshidratată și vaporii ar crește în mod ideal în rezervorul de apă. Cu toate acestea, în rezervor poate exista o presiune mai mare a vaporilor de apă, împiedicând fluxul vaporilor de apă. Punctul de echilibru ar trebui stabilit pentru a merge mai departe cu proiectarea sau pentru a aduce modificări produsului și camerelor de apă.

În plus față de deservirea comunităților cronice subnutrite, această mașină are potențialul de a ajuta regiunile afectate de dezastre naturale. După o optimizare suplimentară, un surplus de alimente poate fi stocat pentru situații de urgență. De exemplu, în Burundi, frecvența meselor/zi se schimbă drastic în funcție de perioada anului. De exemplu, în timpul sezonului de recoltare, copiii și adulții au în medie 2,2 și, respectiv, 1,9 mese/zi. Cu toate acestea, în timpul sezonului slab, aceste numere scad la 1,7 și 1,2,9 Deoarece produsul nostru este o substanță de glucoză deshidratată, acest lucru va permite o depozitare ușoară, care poate ajuta dacă există vreodată acces limitat la alimente.

În ceea ce privește realizările, bioreactorul este nu numai viabil din punct de vedere funcțional, ci și rentabil. Pentru a determina valoarea dispozitivului, prețul de fabricație a fost comparat cu „valoarea” dispozitivului în ceea ce privește caloriile distribuite pe dolar cheltuite de USAID. Valoarea estimată în dolari USAID se ridică la 100.159,08 USD, în timp ce costul de fabricație este de 34.599,37 USD. Acest lucru demonstrează că dispozitivul nostru este o metodă rentabilă de a oferi calorii în comparație cu programele de ajutor alimentar, soluțiile actuale care combate criza globală de malnutriție.