Un símil de proteína puede ser clave para aumentar la eficiencia energética de la purificación de agua. Desde el Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional de Singapur, han desarrollado un estudio que ha logrado desarrollar una proteína con capacidad para autoensamblarse en una estructura de poro. En el estudio, también ha participado el Centro Francés de Investigación Científica.
Energía de alimentación del proceso,un lastre para la optimización de la purificación del agua
La inclusión de la proteína en los poros, facilita un desplazamiento del agua de tipo selectivo. Este tipo de transporte de agua, se realiza mediante una membrana en un proceso que rechaza la sal. Este tipo de símil de proteína, reciben el nombre de “oligourea foldamers” y ofrecen una nueva categoría de canales de agua artificiales (AWC, según sus siglas en inglés). A su vez, estos canales pueden alcanzar un incremento de la eficiencia energética de los sistemas que actualmente se emplean para purificar el agua industrial.
Los sistemas actuales de purificación representan un alto coste energético. En la actualidad, con el propósito de purificar agua, se utilizan sistemas de ósmosis inversa y destilación por membrana. A pesar de su eficacia, la ósmosis inversa supone un considerable gasto en electricidad como causa de su operación. Esto es debido a que se requiere una presión significativamente elevada en su curso a través de las membranas.
La ósmosis inversa representa un significativo coste asociado a su consumo de electricidad
En el mundo existe una creciente demanda de agua dulce. Por ello, numerosos investigadores han fijado como objeto de su trabajo el desarrollo de membranas selectivas que sean más eficientes energéticamente. Esta innovación, enfocado a la desalinización a gran escala, como el estudio que en este artículo os presentamos, puede reducir notablemente el consumo de energía del proceso de purificación de agua.
Innovación sobre los sistemas de membranas convencionales
Los investigadores han desarrollado una membrana un tipo especial de proteína. Concretamente, el estudio ha trabajado con acuaporinas, es decir, una proteína de tipo natural con una porosidad que facilita el tránsito del agua en una única hilera. Por sus características, son también conocidos como “canales de agua”. Las acuaporinas están presentes en las membranas celulares de cualquier tipo de célula viva, incluyendo los microbios. Sin embargo, a causa de la complejidad de su estructura, sintetizar esta proteína a un volumen suficiente para tratar el agua, que requiere un excesivo tiempo y dinero.
Los investigadores realizaron un notable avance al conseguir un símil de la acuaporina. El equipo, liderado por Prakash Kumar, logró desarrollar un componente molecular menos complejo, con capacidad para autoensamblarse. Con esta innovación se producen estructuras aproximadas a canales transmembrana con un poro. Las estructuras creadas, facilitan el paso del agua y, a imitación de la acuaporina, rechaza tanto las sales como otros tipos de contaminación. Además, otra ventaja, es que resultan mucho más fáciles de modificar y sintetizar.
Los investigadores han desarrollado un componente molecular con capacidad para autoensamblarse
La molécula original contiene características que le permiten unirse a estructuras complejas. Un ejemplo visual del comportamiento de esta molécula, es la adherencia de los imanes, es decir, se agrupan por proximidad. En el caso de las estructuras resultado de la unión de la proteína, presentan canales de agua parecidos a poros que son estabilizados a través de interacciones hidrofóbicas y electrostáticas.
En el mecanismo, existe una distinción entre la composición exterior y la interior. Mientras que en el exterior se reúnen los componentes hidrofóbicos, en el interior del poro se encuentra una mayor hidrofilia. De esta forma, las moléculas de agua pueden desplazarse por la membrana, dejando a su paso un rechazo de los iones contaminantes, gracias a su permeabilidad selectiva. A la luz de sus propiedades, el equipo investigador valora esta proteína como alternativa para el desarrollo de membranas AWC.
La proteína objeto de estudio es valorada como alternativa para el desarrollo de membranas AWC
Reducción de vulnerabilidades y mejora en el rendimiento
La proteína natural empleada como referencia, es vulnerable. En el caso de las proteínas naturales, se componen de aminoácidos que se unen a través de enlaces peptídicos. Sin embargo, estos enlaces pueden ofrecer una gran vulnerabilidad a las enzimas microbianas que fagocitan proteínas. Esta cuestión representa un posible riesgo puesto que, en el agua que no ha recibido tratamiento, pueden encontrarse enzimas microbianas.
El símil creado por los investigadores es menos vulnerable. Para reducir la vulnerabilidad que sí ofrece la proteína natural, el equipo investigador ha sustituido los enlaces peptídicos por enlaces de urea. De esta forma, se ha podido evitar reducir la vulnerabilidad ante una posible degradación de los enlaces, de forma enzimática, o bien microbiana.
A través de enlaces de urea, se reduce la vulnerabilidad ante la posible degradación de los enlaces
El diseño ofrece propiedades que surgen con el autoensamblado. Como indica Kumar, el desarrollo de la investigación ha permitido crear un modelo en el que los poros aparecen una vez las unidades individuales han procedido al autoensamblado. Su alta permeabilidad, en combinación con su alta resistencia a la degradación proteolítica, ofrecen un resultado idóneo para utilizar dentro de la purificación del agua industrial.
Los autores ya apuntan la próxima línea de avances en la investigación. Los investigadores proyectan una mejora en la producción de los foldamers y que estos puedan ser empleados en membranas de mayor tamaño. De esta forma, se avanza en la escalabilidad hacia el propósito final de llevar su eficiencia hasta una instalación donde se purifique agua industrial.
La investigación abre nuevas líneas hacia la escalabilidad del proyecto y purificar agua industrial
Conclusión
La proteína, propone una notable mejora de la eficiencia en la purificación de agua. A la luz de un creciente y continuo aumento de la demanda de agua dulce en todo el mundo, desarrollar nuevas formas para ser más eficientes, es necesario. Como vemos en la presente investigación, se abren nuevas posibilidades de purificación de agua, incluso posiblemente a escala industrial, más eficientes.
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