Dunia modern menggunakan bahan kimia dan bahan bakar yang memerlukan energi dalam jumlah besar untuk memproduksinya: Pemisahan bahan kimia dalam industri menyumbang 10 hingga 15 persen dari total konsumsi energi dunia. Hal ini karena sebagian besar pemisahan saat ini mengandalkan panas untuk merebus bahan yang tidak diinginkan dan mengisolasi senyawa.
Osmosis spinout MIT membuat pemisahan bahan kimia industri menjadi lebih efisien dengan mengurangi kebutuhan akan semua panas tersebut. Perusahaan yang didirikan oleh mantan postdoc MIT Francesco Maria Benedetti; Katherine Mizrahi Rodriguez ’17, PhD ’22; Profesor Zachary Smith; dan Holden Lai, telah mengembangkan teknologi polimer yang mampu menyaring gas dengan selektivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Gas – yang terdiri dari beberapa molekul terkecil di dunia – secara historis merupakan gas yang paling sulit dipisahkan. Osmoses mengatakan membrannya memungkinkan pelanggan industri meningkatkan produksi, menggunakan lebih sedikit energi, dan beroperasi dalam ukuran yang lebih kecil dibandingkan dengan proses pemisahan berbasis panas konvensional.
Osmoses telah mulai bekerja sama dengan mitranya untuk menunjukkan kinerja teknologinya, termasuk kemampuannya untuk meningkatkan biogas, yang melibatkan pemisahan CO2.2 dan metana. Perusahaan ini juga sedang mengerjakan proyek untuk memulihkan hidrogen dari fasilitas kimia besar dan, dalam kemitraan dengan Departemen Energi AS, untuk mengambil helium dari sumur hidrogen bawah tanah.
“Pemisahan bahan kimia sangat penting, dan hal ini merupakan hambatan bagi inovasi dan kemajuan dalam industri di mana inovasi merupakan tantangan, namun merupakan kebutuhan yang eksistensial,” kata Benedetti. “Kami ingin memudahkan pelanggan kami mencapai target pendapatan, tujuan dekarbonisasi, dan memperluas pasar untuk memajukan industri.”
Perpisahan yang lebih baik
Benedetti bergabung dengan laboratorium Smith di Departemen Teknik Kimia MIT pada tahun 2017. Ia bergabung dengan Mizrahi Rodriguez pada tahun berikutnya, dan pasangan tersebut menghabiskan beberapa tahun berikutnya melakukan penelitian mendasar pada bahan membran untuk pemisahan gas, berkolaborasi dengan ahli kimia di MIT dan sekitarnya, termasuk Lai saat ia meraih gelar PhD di Universitas Stanford bersama Profesor Yan Xia.
“Saya terpesona dengan proyek-proyek tersebut [Smith] sedang saya pikirkan, “kata Benedetti. “Itu berisiko tinggi, imbalannya tinggi, dan itu adalah sesuatu yang saya sukai. Saya mendapat kesempatan untuk bekerja dengan ahli kimia berbakat, dan mereka mensintesis polimer yang menakjubkan. Idenya adalah bagi kami para insinyur kimia di MIT untuk mempelajari polimer tersebut, mendukung ahli kimia dalam mengambil langkah selanjutnya, dan menemukan penerapannya dalam dunia pemisahan.”
Para peneliti perlahan-lahan mengulangi membran tersebut, secara bertahap mencapai kinerja yang lebih baik hingga, pada tahun 2020, kelompok yang terdiri dari Lai, Benedetti, Xia, dan Smith memecahkan rekor selektivitas pemisahan gas dengan kelas polimer tiga dimensi yang tulang punggung strukturalnya dapat disesuaikan untuk mengoptimalkan kinerja. Mereka mengajukan paten ke Stanford dan MIT selama dua tahun berikutnya dan mempublikasikan hasilnya di jurnal Sains pada tahun 2022.
“Kami dihadapkan pada keputusan tentang apa yang harus dilakukan dengan inovasi luar biasa ini,” kenang Benedetti. “Pada saat itu, kami telah menerbitkan banyak makalah yang, sebagai pendahuluan, kami menggambarkan jejak energi yang sangat besar dari pemisahan gas termal dan potensi membran untuk memecahkan masalah tersebut. Kami berpikir daripada menunggu seseorang mengambil makalah tersebut dan melakukan sesuatu dengannya, kami ingin memimpin upaya untuk mengkomersialkan teknologi tersebut.”
Benedetti bergabung dengan Mizrahi Rodriguez, Lai, dan penasihat industri Xinjin Zhao PhD ’92 untuk menjalani Program I-Corps National Science Foundation, yang menantang para peneliti untuk berbicara dengan pelanggan potensial di industri. Para peneliti mewawancarai lebih dari 100 orang, dan hasilnya mengonfirmasi betapa besarnya dampak teknologi mereka.
Benedetti menerima hibah dari MIT Deshpande Center for Technological Innovation dan merupakan anggota MIT Energy Initiative. Osmoses juga memenangkan Kompetisi Kewirausahaan MIT $100K pada tahun 2021, tahun yang sama ketika mereka mendirikan perusahaan.
“Saya menghabiskan banyak waktu untuk berbicara dengan pemangku kepentingan perusahaan, dan ini merupakan jendela untuk melihat tantangan yang dihadapi industri ini,” kata Benedetti. “Hal ini membantu saya menentukan bahwa ini adalah masalah yang mereka hadapi, dan menunjukkan kepada saya bahwa masalahnya sangat besar. Kami menyadari jika kami dapat menyelesaikan masalah ini, kami dapat mengubah dunia.”
Saat ini, Benedetti mengatakan lebih dari 90 persennya energi dalam industri kimia digunakan untuk memisahkan gas secara termal. Satu studi di Alam menemukan bahwa mengganti distilasi termal dapat mengurangi biaya energi tahunan AS sebesar $4 miliar dan menghemat 100 juta ton emisi karbon dioksida.
Terdiri dari kelas molekul dengan struktur merdu yang disebut polimer tangga hidrokarbon, membran Osmosis mampu menyaring molekul gas dengan selektivitas tingkat tinggi, dalam skala besar. Teknologi ini mengurangi ukuran sistem pemisahan, sehingga memudahkan penambahan ruang yang sudah ada dan menurunkan biaya di muka bagi pelanggan.
“Teknologi ini merupakan perubahan paradigma sehubungan dengan bagaimana sebagian besar pemisahan terjadi di industri saat ini,” kata Benedetti. “Hal ini tidak memerlukan proses termal apa pun, itulah alasan mengapa industri kimia dan petrokimia memiliki konsumsi energi yang tinggi. Ada inefisiensi besar dalam cara pemisahan yang dilakukan saat ini karena sistem yang digunakan masih tradisional.”
Dari laboratorium hingga dunia
Di laboratorium, para pendiri membuat satu gram polimer membran untuk eksperimen. Sejak itu, mereka telah meningkatkan produksi secara dramatis, mengurangi biaya bahan dengan tujuan menghasilkan potensi produksi ratusan kilogram di masa depan.
Perusahaan saat ini sedang mengerjakan proyek percontohan pertamanya untuk meningkatkan biogas di tempat pembuangan sampah yang dioperasikan oleh perusahaan utilitas besar di Kanada. Mereka juga merencanakan uji coba di peternakan sapi perah di Kanada. Mizrahi Rodriguez mengatakan limbah gas dari tempat pembuangan sampah dan pertanian mencakup lebih dari 80 persen pasar peningkatan biogas secara keseluruhan dan merupakan sumber alternatif yang menjanjikan untuk gas metana terbarukan bagi pelanggan.
“Selama satu atau dua tahun ke depan, tujuan kami adalah memvalidasi teknologi ini dalam skala besar,” kata Benedetti, seraya menyebutkan bahwa Osmoses bertujuan untuk meningkatkan proyek percontohannya. “Merupakan pencapaian besar untuk mendapatkan pendanaan proyek percontohan di semua sektor yang akan menjadi batu loncatan untuk fase komersial kami berikutnya.”
Dua proyek percontohan Osmoses lainnya berfokus pada pemulihan gas berharga, termasuk helium dengan Departemen Energi.
“Helium adalah sumber daya langka yang kita perlukan untuk berbagai aplikasi, seperti MRI, dan membran kami yang berkinerja tinggi dapat digunakan untuk mengekstraksi sejumlah kecil helium dari sumur bawah tanah,” jelas Mizrahi Rodriguez. “Helium sangat penting dalam industri semikonduktor untuk membangun chip dan unit pemrosesan grafis yang mendukung revolusi AI. Ini adalah sumber daya strategis yang semakin diminati oleh AS untuk diproduksi di dalam negeri.”
Benedetti mengatakan lebih jauh lagi, teknologi Osmosis dapat digunakan dalam penangkapan karbon, “pemanis” gas untuk menghilangkan gas asam dari gas alam, untuk memisahkan oksigen dan nitrogen, untuk menggunakan kembali zat pendingin, dan banyak lagi.
“Akan ada perluasan progresif atas kemampuan dan pasar kami untuk mewujudkan misi kami dalam mendefinisikan kembali tulang punggung industri kimia, petrokimia, dan energi,” kata Benedetti. “Pemisahan seharusnya tidak lagi menjadi hambatan bagi inovasi dan kemajuan.”
