Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur), en colaboración con ETH Zurich, Suiza (ETHZ), han creado una membrana hecha de un subproducto de desecho de la fabricación de aceite vegetal que puede filtrar metales pesados del agua contaminada.
por la Universidad Tecnológica de Nanyang
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Ali Miserez de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales y la Escuela de Ciencias Biológicas y el profesor visitante Raffaele Mezzenga de la NTU del Departamento de Ciencia y Tecnología de la Salud de ETHZ, descubrió que las proteínas derivadas de los subproductos de La producción de aceite de maní o de girasol puede atraer iones de metales pesados de manera muy efectiva.
En las pruebas, demostraron que este proceso de atracción, llamado adsorción, pudo purificar el agua contaminada hasta un grado que cumple con los estándares internacionales de consumo.
La membrana de los investigadores tiene el potencial de ser un método económico, de bajo consumo, sostenible y escalable para descontaminar los metales pesados del agua.
El Prof. Miserez dijo: «La contaminación del agua sigue siendo un problema global importante en muchas partes del mundo. Los metales pesados representan un gran grupo de contaminantes del agua que pueden acumularse en el cuerpo humano, causando cáncer y enfermedades mutagénicas. Las tecnologías actuales para eliminarlos son energía -intensivos, que requieren energía para operar, o son altamente selectivos en lo que filtran».
«Nuestras membranas a base de proteínas se crean a través de un proceso ecológico y sostenible, y requieren poca o ninguna energía para funcionar, lo que las hace viables para su uso en todo el mundo y especialmente en los países menos desarrollados. Nuestro trabajo pone el metal pesado donde pertenece, como un género musical y no un contaminante en el agua potable», dijo el Prof. Miserez.
Los hallazgos de la investigación del equipo se publicaron en el Chemical Engineering Journal en abril. Su enfoque de investigación para lograr la seguridad del agua está alineado con el plan estratégico NTU 2025 y el objetivo de la universidad de mitigar el impacto de la humanidad en el medio ambiente.
Transformación de harinas de semillas oleaginosas vegetales en filtros de agua
La producción de aceites vegetales caseros comerciales genera subproductos de desecho llamados harinas de semillas oleaginosas. Estos son los restos ricos en proteínas que quedan después de extraer el aceite de la planta cruda.
El equipo de investigación dirigido por la NTU utilizó las harinas de semillas oleaginosas de dos aceites vegetales comunes, los aceites de girasol y maní. Después de extraer las proteínas de las harinas de semillas oleaginosas, el equipo las convirtió en fibrillas amiloides de proteínas de tamaño nanométrico, que son estructuras similares a cuerdas hechas de proteínas estrechamente enrolladas. Estas fibrillas de proteína son atraídas por los metales pesados y actúan como un tamiz molecular, atrapando iones de metales pesados a medida que pasan.
Un kilogramo de harina de semillas oleaginosas produce alrededor de 160 g de proteína.
El primer autor del artículo, NTU Ph.D. El estudiante Sr. Soon Wei Long, dijo: «Las harinas de girasol y maní ricas en proteínas son materias primas de bajo costo, de las cuales las proteínas se pueden extraer, aislar y autoensamblar en fibrillas amiloides funcionales para la eliminación de metales pesados. Esta es la primera vez se han obtenido fibrillas de amiloide a partir de proteínas de girasol y cacahuete».
Los investigadores combinaron las fibrillas de amiloide extraídas con carbón activado, un material de filtración de uso común, para formar una membrana híbrida. Probaron sus membranas en tres contaminantes de metales pesados comunes: platino, cromo y plomo.
A medida que el agua contaminada fluye a través de la membrana, los iones de metales pesados se adhieren a la superficie de las fibrillas de amiloide, un proceso llamado adsorción. La alta relación superficie-volumen de las fibrillas de amiloide las hace eficientes para adsorber una gran cantidad de metales pesados.
El equipo descubrió que sus membranas filtraban hasta el 99,89 % de los metales pesados. Entre los tres metales probados, el filtro fue más eficaz para el plomo y el platino, seguidos del cromo.
«El filtro se puede utilizar para filtrar cualquier tipo de metales pesados y también contaminantes orgánicos como PFAS (sustancias perfluoroalquilo y polifluoroalquilo), que son sustancias químicas que se han utilizado en una amplia gama de productos industriales y de consumo», dijo el profesor Miserez. «Las fibrillas de amiloide contienen enlaces de aminoácidos que atrapan y intercalan partículas de metales pesados entre ellas mientras dejan pasar el agua».
Los investigadores dicen que la concentración de metales pesados en el agua contaminada determinará cuánto volumen de agua puede filtrar la membrana. Una membrana híbrida hecha con amiloides de proteína de girasol requerirá solo 16 kg de proteína para filtrar el volumen equivalente de una piscina olímpica contaminada con 400 partes por billón (ppb) de plomo en agua potable.
«El proceso es fácilmente escalable debido a su simplicidad y uso mínimo de reactivos químicos, lo que apunta hacia tecnologías de tratamiento de agua sostenibles y de bajo costo», dijo el Sr. Soon. «Esto nos permite volver a procesar los flujos de residuos para otras aplicaciones y aprovechar al máximo los diferentes residuos de alimentos industriales en tecnologías beneficiosas.
Los metales atrapados también se pueden extraer y reciclar. Después de la filtración, la membrana utilizada para atrapar los metales puede simplemente quemarse, dejando atrás los metales.
«Si bien los metales como el plomo o el mercurio son venenosos y se pueden desechar de manera segura, otros metales, como el platino, tienen aplicaciones valiosas en la creación de equipos electrónicos y otros equipos sensibles», dijo el profesor Miserez.
“Recuperar el preciado platino, que cuesta US$33.000/kg, solo requiere 32 kg de proteína, mientras que recuperar oro, que vale casi US$60.000/kg, solo requiere 16 kg de proteína . Considerando que estas proteínas se obtienen de desechos industriales que se vale menos de US$1/kg, hay grandes beneficios de costos».
Filtración sostenible de bajo consumo
El coautor del artículo, el profesor Raffaele Mezzenga, había descubierto previamente en 2016 que las proteínas de suero derivadas de la leche de vaca tenían propiedades similares para atraer metales.
Los investigadores se dieron cuenta de que las proteínas de la harina de semillas oleaginosas también podrían tener propiedades similares. Sus experimentos demostraron que esas proteínas no solo eran igual de efectivas, sino también más baratas y sostenibles, ya que utilizan desechos que, de lo contrario, se desecharían o se utilizarían como alimento para animales.
Otra gran ventaja, dicen los investigadores, es que esta filtración requiere poca o ninguna energía, a diferencia de otros métodos como la ósmosis inversa que requieren electricidad.
«Con nuestra membrana , la gravedad hace la mayor parte o todo el trabajo», dijo el profesor Mezzenga. «Este método de filtración de baja potencia puede ser muy útil en áreas donde el acceso a la electricidad y la energía puede ser limitado».
Más información: Wei Long Soon et al, Amiloide de origen vegetal a partir de residuos de alimentos para la eliminación de metales pesados del agua contaminada,
Chemical Engineering Journal (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.136513
