Schema del flusso di processo dai semi delle piante alla membrana di filtrazione a base di amiloide. a) Produzione di farine di girasole e di arachidi mediante spremitura a vite dei semi. b) Estrazione proteica acquosa dei pasti (sfere marroni:proteine, sfere verdi:piccole molecole, sfere blu:acqua). c) Concentrazione proteica con ultrafiltrazione. d) Precipitazione proteica in acqua fredda. e) Formazione di fibrille amiloidi di proteine vegetali. f) Fibrille amiloidi. g) Fabbricazione di membrane ibride amiloide-carbonio mediante filtrazione. h) Filtrazione di metalli pesanti mediante membrane ibride amiloide-carbonio vegetale. Credito:Rivista di ingegneria chimica (2022). DOI:10.1016/j.cej.2022.136513
Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), in collaborazione con ETH Zurigo, Svizzera (ETHZ), hanno creato una membrana composta da un sottoprodotto di scarto della produzione di olio vegetale in grado di filtrare i metalli pesanti dall'acqua contaminata.
Il gruppo di ricerca, guidato dal professor Ali Miserez della School of Materials Science &Engineering e della School of Biological Sciences e dal Visiting Professor Raffaele Mezzenga della NTU del Dipartimento di Scienze e Tecnologie della Salute dell'ETHZ, ha scoperto che le proteine derivano dai sottoprodotti di la produzione di olio di arachidi o di girasole può attrarre ioni di metalli pesanti in modo molto efficace.
Nei test, hanno dimostrato che questo processo di attrazione, chiamato adsorbimento, è stato in grado di purificare l'acqua contaminata a un livello conforme agli standard di consumo internazionali.
La membrana dei ricercatori ha il potenziale per essere un metodo economico, a bassa potenza, sostenibile e scalabile per decontaminare i metalli pesanti dall'acqua.
Il Prof. Miserez ha affermato:"L'inquinamento idrico rimane un problema globale importante in molte parti del mondo. I metalli pesanti rappresentano un ampio gruppo di inquinanti dell'acqua che possono accumularsi nel corpo umano, causando cancro e malattie mutagene. Le attuali tecnologie per rimuoverli sono l'energia -intensivi, richiedono energia per funzionare o sono altamente selettivi in ciò che filtrano."
"Le nostre membrane a base di proteine sono create attraverso un processo ecologico e sostenibile e richiedono poca o nessuna energia per funzionare, il che le rende praticabili per l'uso in tutto il mondo e specialmente nei paesi meno sviluppati. Il nostro lavoro mette il metallo pesante al suo posto, come un genere musicale e non inquinante nell'acqua potabile", ha affermato il Prof. Miserez.
I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati sul Chemical Engineering Journal in Aprile. Il loro focus di ricerca nel realizzare la sicurezza idrica è in linea con il piano strategico NTU 2025 e l'obiettivo dell'università di mitigare l'impatto dell'umanità sull'ambiente.
Trasformare le farine di semi oleosi vegetali in filtri per l'acqua
La produzione di oli vegetali commerciali per uso domestico genera sottoprodotti di scarto chiamati farine di semi oleosi. Questi sono gli avanzi ricchi di proteine che rimangono dopo che l'olio è stato estratto dalla pianta cruda.
Il team di ricerca guidato dalla NTU ha utilizzato le farine di semi oleosi di due oli vegetali comuni, di girasole e di arachidi. Dopo aver estratto le proteine dalle farine di semi oleosi, il team le ha trasformate in fibrille proteiche amiloidi di dimensioni nanometriche, che sono strutture simili a corde fatte di proteine strettamente avvolte. Queste fibrille proteiche sono attratte dai metalli pesanti e agiscono come un setaccio molecolare, intrappolando gli ioni di metalli pesanti mentre passano.
Un chilogrammo di farina di semi oleosi produce circa 160 g di proteine.
Il primo autore del documento, NTU Ph.D. Lo studente Mr. Soon Wei Long, ha dichiarato:"Le farine di girasole e arachidi ricche di proteine sono materie prime a basso costo, da cui le proteine possono essere estratte, isolate e autoassemblate in fibrille amiloidi funzionali per la rimozione dei metalli pesanti. Questa è la prima tempo le fibrille amiloidi sono state ottenute dalle proteine del girasole e delle arachidi."
I ricercatori hanno combinato le fibrille amiloidi estratte con carbone attivo, un materiale di filtrazione comunemente usato, per formare una membrana ibrida. Hanno testato le loro membrane su tre comuni inquinanti di metalli pesanti:platino, cromo e piombo.
Quando l'acqua contaminata scorre attraverso la membrana, gli ioni di metalli pesanti si attaccano alla superficie delle fibrille amiloidi, un processo chiamato adsorbimento. L'elevato rapporto superficie-volume delle fibrille amiloidi le rende efficienti nell'adsorbire una grande quantità di metalli pesanti.
Il team ha scoperto che le loro membrane filtravano fino al 99,89% dei metalli pesanti. Tra i tre metalli testati, il filtro è risultato più efficace per piombo e platino, seguiti dal cromo.
"Il filtro può essere utilizzato per filtrare qualsiasi tipo di metallo pesante e anche inquinanti organici come i PFAS (sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche), che sono sostanze chimiche utilizzate in un'ampia gamma di prodotti di consumo e industriali", ha affermato il prof. Miserez. "Le fibrille amiloidi contengono legami amminoacidici che intrappolano e racchiudono particelle di metalli pesanti tra di loro lasciando passare l'acqua."
I ricercatori affermano che la concentrazione di metalli pesanti nell'acqua contaminata determinerà la quantità di acqua che la membrana può filtrare. Una membrana ibrida a base di amiloidi proteici di girasole richiederà solo 16 kg di proteine per filtrare nell'acqua potabile il volume equivalente di una piscina olimpionica contaminata da 400 parti per miliardo (ppb) di piombo.
"Il processo è facilmente scalabile grazie alla sua semplicità e all'uso minimo di reagenti chimici, che punta verso tecnologie di trattamento dell'acqua sostenibili ea basso costo", ha affermato Soon. "Questo ci consente di rielaborare i flussi di rifiuti per ulteriori applicazioni e di sfruttare appieno i diversi rifiuti alimentari industriali in tecnologie vantaggiose.
I metalli intrappolati possono anche essere estratti e ulteriormente riciclati. Dopo la filtrazione, la membrana utilizzata per intrappolare i metalli può essere semplicemente bruciata, lasciando dietro di sé i metalli.
"Mentre i metalli come il piombo o il mercurio sono velenosi e possono essere smaltiti in sicurezza, altri metalli, come il platino, hanno preziose applicazioni nella creazione di apparecchiature elettroniche e altre apparecchiature sensibili", ha affermato il prof. Miserez.
"Per recuperare il prezioso platino, che costa 33.000 dollari USA/kg, sono necessari solo 32 kg di proteine, mentre per recuperare l'oro, che vale quasi 60.000 dollari USA/kg, sono necessari solo 16 kg di proteine. Considerando che queste proteine sono ottenute da scarti industriali, con un valore inferiore a 1 USD/kg, ci sono grandi vantaggi in termini di costi."
Filtrazione sostenibile a bassa potenza
Il coautore dell'articolo, il Prof. Raffaele Mezzenga, aveva già scoperto nel 2016 che le proteine del siero di latte derivate dal latte di vacca avevano simili proprietà di attrazione dei metalli.
I ricercatori si sono resi conto che anche le proteine della farina di semi oleosi vegetali potrebbero avere proprietà simili. I loro esperimenti hanno dimostrato che quelle proteine non erano solo altrettanto efficaci, ma anche più economiche e sostenibili in quanto consumano rifiuti che altrimenti sarebbero scartati o utilizzati come cibo per mangimi animali.
Un altro grande vantaggio, affermano i ricercatori, è che questa filtrazione richiede poca o nessuna energia, a differenza di altri metodi come l'osmosi inversa che richiedono elettricità.
"Con la nostra membrana, la gravità fa la maggior parte o tutto il lavoro", ha affermato il Prof. Mezzenga. "Questo metodo di filtraggio a bassa potenza può essere molto utile in aree in cui potrebbe esserci un accesso limitato all'elettricità e all'elettricità". + Esplora ulteriormente
