Frøet, der kunne bringe rent vand til millioner

Ifølge FN, 2,1 milliarder mennesker mangler adgang til sikkert administrerede drikkevandstjenester, hvoraf størstedelen bor i udviklingslande.

Carnegie Mellon Universitets biomedicinske ingeniør- og kemitekniske professorer Bob Tilton og Todd Przybycien har for nylig co-forfattet et oplæg med ph.d. studerende Brittany Nordmark og Toni Bechtel, og alumnus John Riley, yderligere raffinering af en proces, der snart kan hjælpe med at give rent vand til mange i områder med knaphed på vand. Processen, skabt af Tiltons tidligere elev og medforfatter Stephanie Velegol, bruger sand og plantematerialer, der er let tilgængelige i mange udviklingslande til at skabe et billigt og effektivt vandfiltreringsmedium, betegnet "f-sand".

"F-sand" bruger proteiner fra Moringa oleifera-planten, et træ hjemmehørende i Indien, der vokser godt i tropiske og subtropiske klimaer. Træet dyrkes til mad og naturlige olier, og frøene bruges allerede til en form for rudimentær vandrensning. Imidlertid, denne traditionelle rensningsmetode efterlader store mængder opløst organisk kulstof (DOC) fra frøene, giver bakterier mulighed for at vokse igen efter blot 24 timer. Dette efterlader kun et kort vindue, hvori vandet kan drikkes.

Velegol, som nu er professor i kemiteknik ved Penn State University, havde ideen til at kombinere denne metode til vandrensning med sandfiltreringsmetoder, der er almindelige i udviklingsområder. Ved at udtrække frøproteinerne og adsorbere (klæbe) dem til overfladen af ​​silicapartikler, hovedbestanddelen af ​​sand, hun skabte f-sand. F-sand dræber både mikroorganismer og reducerer turbiditet, klæber til partikler og organisk materiale. Disse uønskede forurenende stoffer og DOC kan derefter vaskes ud, efterlader vandet rent i længere tid, og f-sandet klar til genbrug.

Mens den grundlæggende proces var bevist og effektiv, der var stadig mange spørgsmål omkring f-sands oprettelse og brug - spørgsmål Tilton og Przybycien besluttede at besvare.

Ville isolering af visse proteiner fra M. oleifera-frøene øge f-sands effektivitet? Er fedtsyrerne og olierne i frøene vigtige for adsorptionsprocessen? Hvilken effekt ville vandforholdene have? Hvilken koncentration af proteiner er nødvendig for at skabe et effektivt produkt?

Svarene på disse spørgsmål kan have store konsekvenser for fremtiden for f-sand.

Fraktionering

Frøet fra M. oleifera indeholder mindst otte forskellige proteiner. Adskillelse af disse proteiner, en proces kendt som fraktionering, ville introducere endnu et trin i processen. Forud for deres forskning, forfatterne teoretiserede, at isolering af visse proteiner kunne give et mere effektivt færdigt produkt.

Imidlertid, gennem testforløbet, Tilton og Przybycien fandt ud af, at dette ikke var tilfældet. Fraktionering af proteinerne havde ringe mærkbar effekt på proteinernes evne til at adsorbere til silica -partiklerne, hvilket betyder, at dette trin var unødvendigt for f-sand-oprettelsesprocessen.

Konstateringen af, at fraktionering er unødvendig, er særlig fordelagtig i forhold til det ressourceknappe scenario, hvor f-sand er beregnet til at blive brugt. At udelade dette trin fra processen hjælper med at reducere omkostningerne, lavere behandlingskrav, og forenkle den overordnede proces.

Fedtsyrer

En af hovedårsagerne til, at M. oleifera dyrkes i øjeblikket, er de fedtsyrer og olier, der findes i frøene. Disse udvindes og sælges kommercielt. Tilton og Przybycien var interesserede i at vide, om disse fedtsyrer også havde en effekt på proteinadsorptionsprocessen.

De fandt ud af, at det ligner fraktionering, fjernelse af fedtsyrerne havde ringe effekt på proteinernes evne til at adsorbere. Denne konstatering har også gavnlige konsekvenser for dem, der ønsker at implementere denne proces i udviklingsregioner. Da tilstedeværelsen eller fraværet af fedtsyrer i frøene har ringe effekt på dannelsen eller funktionen af ​​f-sand, mennesker i regionen kan fjerne og sælge den kommercielt værdifulde olie, og stadig være i stand til at ekstrahere proteinerne fra de resterende frø til vandfiltrering.

Koncentration

En anden parameter i f-sand-fremstillingsprocessen, som Tilton og Przybycien testede, var koncentrationen af ​​frøproteiner, der var nødvendige for at skabe et effektivt produkt. Den nødvendige koncentration har stor indflydelse på mængden af ​​frø, der kræves, hvilket igen har en direkte effekt på den samlede effektivitet og omkostningseffektivitet.

Nøglen til at opnå den rette koncentration er at sikre, at der er nok positivt ladede proteiner til at overvinde den negative ladning af silicapartiklerne, som de er knyttet til, skabe en netto positiv ladning. Denne positive ladning er afgørende for at tiltrække det negativt ladede organiske stof, partikler, og mikrober, der forurener vandet.

Dette vedrører en anden potentiel forbedring af drikkevandsbehandlingen undersøgt af Tilton, Przybycien, og Nordmark i en særskilt publikation. I dette projekt, de brugte frøproteiner til at koagulere forurenende stoffer i vandet før f-sandfiltrering. Dette afhænger også af at kontrollere afgiften af ​​forurenende stoffer, som koagulerer, når de neutraliseres. Påføring af for meget protein kan overoplade forurenende stoffer og hæmme koagulation.

"Der er lidt et sødt sted i midten, "siger Tilton, "og det ligger i detaljerne om, hvordan de forskellige proteiner i disse frøproteinblandinger konkurrerer med hinanden om adsorption til overfladen, som havde en tendens til at udvide det søde sted. "

Dette brede koncentrationsområde betyder, at der ikke kun kan skabes vandbehandlingsprocesser ved relativt lave koncentrationer, derved bevare materialer, men at der er ringe risiko for ved et uheld at forårsage vandforurening ved at overskride koncentrationen. I områder, hvor nøjagtige mål kan være vanskelige at foretage, dette er afgørende.

Vandets hårdhed

Vandets hårdhed refererer til mængden af ​​opløste mineraler i vandet. Selvom laboratorier ofte bruger deioniseret vand, i en proces, der er beregnet til at blive anvendt på tværs af en række virkelige miljøer, forskere skal forberede sig på både blødt og hårdt vand.

Tilton og Przybycien fandt ud af, at proteiner var i stand til at adsorbere godt til silicapartiklerne, og til at koagulere suspenderede forurenende stoffer, i både blødt og hårdt vand. Dette betyder, at processen potentielt kan være levedygtig på tværs af en lang række regioner, uanset vandets hårdhed.

Tilton og Przybycien offentliggjorde for nylig et papir om denne forskning, "Moringa oleifera frøproteinadsorption til silica:virkninger af vandets hårdhed, Fraktionering, og fedtsyreekstraktion, "i ACS Langmuir .

Samlet set, konklusionerne om, at Tilton, Przybycien, og deres medforfattere var i stand til at nå har store fordele for dem i udviklingslande, der leder efter en billig og let tilgængelig form for vandrensning. Deres arbejde sætter denne nye innovation et skridt tættere på feltet, hjælper med at slå den vej, der en dag kan se f-sand udbredt i samfund i hele udviklingslandene. De har vist, at f-sand fremstillingsprocessen udviser en høj grad af fleksibilitet, da den er i stand til at arbejde ved en række vandforhold og proteinkoncentrationer uden at kræve tilstedeværelse af fedtsyrer eller behov for fraktionering.

"Det er et område, hvor kompleksitet kan føre til fiasko - jo mere komplekst det er, jo flere måder noget kunne gå galt på, "siger Tilton." Jeg tror, ​​bundlinjen er, at dette understøtter ideen om, at den enklere teknologi måske er den bedre. "