Según las Naciones Unidas, 2.100 millones de personas carecen de acceso a servicios de agua potable gestionados de forma segura, la mayoría de los cuales vive en países en desarrollo.

Bob Tilton y Todd Przybycien, profesores de Ingeniería Biomédica e Ingeniería Química de la Carnegie Mellon University, recientemente fueron coautores de un artículo con Ph.D. estudiantes Brittany Nordmark y Toni Bechtel, y ex alumno John Riley, refinando aún más un proceso que pronto podría ayudar a proporcionar agua limpia a muchas personas en regiones con escasez de agua. El proceso, creado por la exalumna y coautora de Tilton, Stephanie Velegol, utiliza arena y materiales vegetales fácilmente disponibles en muchos países en desarrollo para crear un medio de filtración de agua económico y eficaz, denominado "f-arena".

"F-arena" utiliza proteínas de la planta Moringa oleifera, un árbol originario de la India que crece bien en climas tropicales y subtropicales. El árbol se cultiva para la alimentación y los aceites naturales, y las semillas ya se utilizan para un tipo de purificación de agua rudimentaria. Sin embargo, este método tradicional de purificación deja grandes cantidades de carbono orgánico disuelto (COD) de las semillas, permitiendo que las bacterias vuelvan a crecer después de solo 24 horas. Esto deja solo una pequeña ventana en la que el agua es potable.

Velegol, que ahora es profesor de ingeniería química en Penn State University, tuvo la idea de combinar este método de purificación de agua con métodos de filtración de arena comunes en áreas en desarrollo. Extrayendo las proteínas de la semilla y adsorbiéndolas (adhiriéndolas) a la superficie de las partículas de sílice, el componente principal de la arena, ella creó f-arena. La arena F mata los microorganismos y reduce la turbidez, adhiriéndose a materia orgánica y particulada. Estos contaminantes indeseables y el DOC pueden eliminarse por lavado, dejar el agua limpia por más tiempo, y el f-sand listo para su reutilización.

Si bien el proceso básico fue probado y eficaz, todavía había muchas preguntas en torno a la creación y el uso de f-sand, preguntas que Tilton y Przybycien resolvieron responder.

¿El aislamiento de ciertas proteínas de las semillas de M. oleifera aumentaría la eficacia de f-sand? ¿Los ácidos grasos y los aceites que se encuentran en las semillas son importantes para el proceso de adsorción? ¿Qué efecto tendrían las condiciones del agua? ¿Qué concentración de proteínas es necesaria para crear un producto eficaz?

Las respuestas a estas preguntas podrían tener grandes implicaciones en el futuro de f-sand.

Fraccionamiento

La semilla de M. oleifera contiene al menos ocho proteínas diferentes. Separando estas proteínas, un proceso conocido como fraccionamiento, introduciría otro paso en el proceso. Antes de su investigación, los autores teorizaron que aislar ciertas proteínas podría proporcionar un producto terminado más eficiente.

Sin embargo, durante el transcurso de las pruebas, Tilton y Przybycien descubrieron que este no era el caso. El fraccionamiento de las proteínas tuvo un efecto poco discernible sobre la capacidad de las proteínas para adsorber las partículas de sílice. lo que significa que este paso fue innecesario para el proceso de creación de f-sand.

El hallazgo de que el fraccionamiento es innecesario es particularmente ventajoso para el escenario de escasez de recursos en el que se pretende utilizar la arena f. Dejar este paso fuera del proceso ayuda a reducir costos, requisitos de procesamiento más bajos, y simplificar el proceso general.

Ácidos grasos

Una de las principales razones por las que M. oleifera se cultiva actualmente es por los ácidos grasos y aceites que se encuentran en las semillas. Estos se extraen y venden comercialmente. Tilton y Przybycien estaban interesados ​​en saber si estos ácidos grasos también tenían un efecto en el proceso de adsorción de proteínas.

Encontraron que, al igual que el fraccionamiento, la eliminación de los ácidos grasos tuvo poco efecto sobre la capacidad de las proteínas para adsorberse. Este hallazgo también tiene implicaciones beneficiosas para quienes deseen implementar este proceso en regiones en desarrollo. Dado que la presencia o ausencia de ácidos grasos en las semillas tiene poco efecto sobre la creación o función de f-sand, la gente de la región puede extraer y vender el aceite de valor comercial, y aún poder extraer las proteínas de las semillas restantes para filtrar el agua.

Concentración

Otro parámetro del proceso de fabricación de f-sand que probaron Tilton y Przybycien fue la concentración de proteínas de semillas necesarias para crear un producto eficaz. La concentración necesaria tiene un gran impacto en la cantidad de semillas necesarias, lo que a su vez tiene un efecto directo sobre la eficiencia general y la rentabilidad.

La clave para lograr la concentración adecuada es asegurarse de que haya suficientes proteínas cargadas positivamente para superar la carga negativa de las partículas de sílice a las que están unidas. creando una carga neta positiva. Esta carga positiva es crucial para atraer la materia orgánica cargada negativamente, partículas, y microbios que contaminan el agua.

Esto se relaciona con otra mejora potencial del tratamiento de agua potable investigada por Tilton, Przybycien, y Nordmark en una publicación separada. En este proyecto, utilizaron proteínas de semillas para coagular los contaminantes en el agua antes de la filtración con arena fina. Esto también se basa en controlar la carga de los contaminantes, que se coagulan cuando se neutralizan. Aplicar demasiada proteína puede sobrecargar los contaminantes e inhibir la coagulación.

"Hay una especie de punto dulce en el medio, "dice Tilton, "y radica en los detalles de cómo las diferentes proteínas en estas mezclas de proteínas de semillas compiten entre sí por la adsorción a la superficie, que tendía a ampliar ese punto óptimo ".

Esta amplia gama de concentraciones significa que no solo se pueden crear procesos de tratamiento de agua a concentraciones relativamente bajas, conservando así los materiales, pero que hay poco riesgo de causar accidentalmente contaminación del agua por sobrepasar la concentración. En áreas donde puede ser difícil realizar mediciones exactas, esto es crucial.

Dureza del agua

La dureza del agua se refiere a la cantidad de minerales disueltos en el agua. Aunque los laboratorios suelen utilizar agua desionizada, en un proceso destinado a aplicarse en una variedad de entornos del mundo real, los investigadores deben prepararse para las condiciones del agua dura y blanda.

Tilton y Przybycien encontraron que las proteínas podían adsorberse bien a las partículas de sílice, y coagular los contaminantes en suspensión, en condiciones de agua blanda y dura. Esto significa que el proceso podría potencialmente ser viable en una amplia gama de regiones, independientemente de la dureza del agua.

Tilton y Przybycien publicaron recientemente un artículo sobre esta investigación, "Adsorción de proteína de semilla de Moringa oleifera a sílice:efectos de la dureza del agua, Fraccionamiento y extracción de ácidos grasos, " en ACS Langmuir .

En general, las conclusiones que Tilton, Przybycien, y sus colegas autores pudieron obtener importantes beneficios para quienes en los países en desarrollo buscaban una forma barata y de fácil acceso de purificación de agua. Su trabajo acerca esta novedosa innovación un paso más al campo, ayudando a forjar el camino que algún día verá el despliegue de f-sand en comunidades de todo el mundo en desarrollo. Han demostrado que el proceso de fabricación de f-sand muestra un alto grado de flexibilidad, ya que es capaz de trabajar en una variedad de condiciones de agua y concentraciones de proteínas sin requerir la presencia de ácidos grasos o la necesidad de fraccionamiento.

"Es un área donde la complejidad puede conducir a fallas; cuanto más compleja es, las más formas en que algo podría salir mal, ", dice Tilton." Creo que la conclusión es que esto apoya la idea de que la tecnología más simple podría ser la mejor ".