Tohumla Milyonlara Temiz Su Ulaştırılabilecek

Bilim insanları, su kıtlığı yaşanan çok sayıda bölgeye temiz su sağlamaya yardımcı olabilecek bir süreci geliştiriyor. Süreçte, birçok gelişmekte olan ülkede halihazırda mevcut olan kum ve bitki materyalleri kullanılacak.

Birleşmiş Milletler’e göre, çoğunluğu gelişmekte olan ülkelerde yaşayan, 2,1 milyar insan, güvenli bir şekilde yönetilen içme suyu hizmetlerine erişememektedir.

Carnegie Mellon Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği ve Kimya Mühendisliği Profesörleri Bob Tilton ve Todd Przybycien, Ph.D. Öğrencileri Brittany Nordmark, Toni Bechtel ve John Riley, su sıkıntısı çeken bölgelere temiz su sağlamaya yardımcı olabilecek bir süreci daha geliştiriyorlar. Tilton’un eski öğrencisi ve makalenin yazarı Stephanie Velegol tarafından yaratılan süreç, “f-kum” adı verilen ucuz ve etkili bir su filtreleme ortamı yaratmak için birçok gelişmekte olan ülkede hali hazırda mevcut olan kum ve bitki materyallerini kullanıyor.

“F-kum” sürecinde, tropikal ve subtropikal iklimlerde iyi yetişen Hindistan’a özgü bir ağaç olan Moringa oleifera bitkisinden proteinler kullanılıyor. Ağaç, gıda ve doğal yağlar için yetiştirilmekte ve tohumları, ilkel bir tür su arıtma için zaten kullanılmakta. Bununla birlikte, bu geleneksel saflaştırma yöntemleri tohumlardan yüksek miktarlarda çözünmüş organik karbon (DOC) bırakır ve bakterilerin sadece 24 saat sonra yeniden büyümesini sağlar.

Penn State Üniversitesi’nde kimya mühendisliği profesörü olan Velegol, bu su arıtma yöntemini gelişmekte olan bölgelerde yaygın olarak kullanılan kum filtrasyon yöntemleriyle birleştirmeyi düşündü. Tohum proteinlerini ekstrakte ederek ve onları kumun ana bileşeni olan silika parçacıklarının yüzeyine emdirerek (yapışarak) f-kum sürecini oluşturdu. F-kum hem mikroorganizmaları öldürüyor, hem de partikül ve organik maddeye yapışarak türbiditeyi azaltıyor. Bu istenmeyen kirletici maddeler ve DOC daha sonra yıkanarak temizlenir, f-kum yeniden kullanıma hazır hale gelir.

Temel süreç kanıtlanmış ve etkili olmakla birlikte, f-kum’un yaratılışını ve kullanımını çevreleyen birçok soru vardı. Tilton ve Przybycien, bu sorulara cevap vermeyi başardılar:

Oleifera tohumlarından bazı proteinleri ayırmak f-kum etkinliğini arttırır mı? Tohumlarda bulunan yağ asitleri ve yağlar, adsorpsiyon prosesi için önemli midir? Su şartlarının etkisi nedir? Etkili bir ürün yaratmak için hangi protein konsantrasyonları gereklidir?

Bu soruların cevapları f-kum’un geleceği üzerinde büyük etkileri olabilir.

Damıtma

Oleifera’nın tohumu, en az sekiz farklı protein içerir. Bu proteinleri ayırmak, parçalanma olarak bilinen bir süreçtir, sürece bir adım daha eklemektedir. Araştırmacılar, araştırmalarından önce, belirli proteinlerin izole edilmesinin daha verimli bir bitmiş ürün sağlayabileceğini teorileştirdi. Ancak, test süreci boyunca, Tilton ve Przybycien bunun böyle olmadığını tespit etti. Proteinlerin parçalanması, proteinlerin silika parçacıklarına adsorbe etme kabiliyeti üzerinde çok az fark edilir bir etkiye sahip olmuştur, yani bu adım, f-kum oluşturma prosesi için gereksizdi.

Fraksiyonlamanın gereksiz olduğu bulgusu, f-kum’un kullanılması amaçlanan kaynak kıtlığı senaryosunda özellikle avantajlıdır. Bu adımı sürecin dışında bırakmak, maliyetleri azaltmaya, işleme gereksinimlerini azaltmaya ve genel süreci basitleştirmeye yardımcı olur.

Yağ asitleri

Oleifera’nın yetiştirilmesinin başlıca nedenlerinden biri, tohumlarda bulunan yağ asitleri ve yağları içindir. Bunlar ticari olarak ekstrakte edilir ve satılır. Tilton ve Przybycien, bu yağ asitlerinin de protein adsorpsiyon prosesi üzerinde bir etkisi olup olmadığını bilmek istediler.

Yağ asitlerini uzaklaştırmanın, fraksiyonlara çok benzediğini, proteinlerin adsorbe etme yeteneği üzerinde çok az etkisi olduğunu bulmuşlardır. Bu bulgunun, gelişmekte olan bölgelerde bu süreci uygulamak isteyenler için de yararlı etkileri vardır. Tohumlardaki yağlı asitlerin varlığı ya da yokluğu, f-kumun oluşumu ya da işlevi üzerinde çok az etkiye sahip olduğundan, bölgedeki insanlar ticari olarak değerli yağı ekstrakte edebilir ve satabilirler ve proteinleri geride kalan tohumlardan elde edebilirler.

Konsantrasyon

Tilton ve Przybycien’in test ettiği f-kum üretim işleminin bir başka parametresi, etkili bir ürün yaratmak için gerekli olan tohum proteinlerinin konsantrasyonu idi. Gerekli konsantrasyonun, gerekli toplam tohum miktarı üzerinde büyük bir etkisi vardır ve bu da genel verimlilik ve maliyet etkinliği üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir.

Uygun konsantrasyonu elde etmenin anahtarı, bağlandıkları silis parçacıklarının negatif yükünün üstesinden gelmek için, bir pozitif yük oluşturan, yeterince pozitif yüklü proteinlerin var olmasını sağlamaktır. Bu pozitif yük, negatif yüklü organik maddeyi, partikülleri ve suyu kirleten mikropları çekmek için çok önemlidir.

Başka bir yayında, Tilton, Przybycien ve Nordmark tarafından araştırılan içme suyu arıtımında bir başka potansiyel gelişme ile ilgilidir. Bu projede, f-kum filtrasyonundan önce suda bulunan kirleticileri koagüle etmek için tohum proteinleri kullandılar. Bu ayrıca, nötrleştirildiklerinde pıhtılaşan kirletici maddelerin yükünü kontrol etmeye de bağlıdır. Çok fazla protein uygulamak kirletici maddeleri aşırı şarj edebilir ve pıhtılaşmayı engelleyebilir.

Tilton, “Ortada bir nokta var, ve bu tohum proteini karışımlarındaki farklı proteinlerin, bu noktayı genişletme eğilimi gösteren yüzeye adsorpsiyon için birbirleriyle nasıl rekabet ettiğinin ayrıntılarında yatıyor.” diyor

Bu geniş konsantrasyon aralığı, sadece su arıtma proseslerinin nispeten düşük konsantrasyonlarda üretilemeyeceği, böylece malzemelerin muhafaza edilmesinin mümkün olmadığı, fakat konsantrasyonu aşarak su kirlenmesine neden olma riski az olduğu anlamına gelmektedir. Kesin ölçümlerin yapılması zor olabilecek alanlarda bu çok önemlidir.

Su sertliği

Su sertliği sudaki çözünmüş minerallerin miktarını ifade eder. Her ne kadar laboratuvarlar, gerçek dünya ortamına uygulanacak bir dizi süreçte sıklıkla deiyonize edilmiş su kullanıyor olsalar da, araştırmacılar hem yumuşak hem de sert su koşullarına hazırlanmak durumundadırlar.

Tilton ve Przybycien, proteinlerin silika partiküllerine iyi adsorbe olduklarını ve hem yumuşak hem de sert su koşullarında askıda bulunan kontaminantları pıhtılaştırabildiğini buldular. Bu, sürecin, su sertliğine bakılmaksızın, geniş bir bölge boyunca potansiyel olarak geçerli olabileceği anlamına gelir.

Tilton ve Przybycien, ACS Langmuir’de “Moringa oleifera Tohum Silika Protein Adsorpsiyonu: Su Sertliğinin, Fraksiyonasyonunun ve Yağ Asidi Ekstraksiyonunun Etkileri” başlıklı bir araştırma yayınladı.

Genel olarak, Tilton, Przybycien ve diğer yazarlarının ulaşabildiği sonuçlar, gelişmekte olan ülkelerde ucuz ve kolay erişilebilir bir su arıtma yöntemi arayanlar için büyük faydalara sahiptir. Çalışmalar, bu yeni alana bir adım daha yaklaşıyor ve bir gün gelişmekte olan ülkelerdeki topluluklarda konuşlandırılmış f-kumun görebileceği yolu şekillendirmeye yardımcı oluyor. F-kum üretim işleminin, yağ asitlerinin varlığına veya fraksiyonasyona ihtiyaç duymadan, çeşitli su koşullarında ve protein konsantrasyonlarında çalışabildiğinden, yüksek derecede esneklik sergilediğini göstermişlerdir.

Tilton, “Karmaşıklığın başarısızlığa yol açabileceği bir alan – daha karmaşık olan bir şeyin ters gidebileceği daha fazla yol… Bence bu durum, daha basit teknolojinin daha iyi bir fikir olabileceği fikrini destekliyor.” diyor.

Haber Kaynağı: https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2018/06/13-seed-clean-water.html

Makale Referansı:

1. Brittany A. Nordmark, Toni M. Bechtel, John K. Riley, Darrell Velegol, Stephanie B. Velegol, Todd M. Przybycien, Robert D. Tilton. Moringa oleifera Seed Protein Adsorption to Silica: Effects of Water Hardness, Fractionation, and Fatty Acid Extraction. Langmuir, 2018; 34 (16): 4852 DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00191

Fotoğraf: Carnegie Mellon Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

Orijinal Metin Yazarı: Daniel Carroll

Çeviri: Şafak Gezer