샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 과학자들과 그들의 협력자들은 조류에서 나온 단백질로부터 영감을 받은 새로운 막을 농업과 에너지 생산에 담수를 제공하는 데 사용될 수 있는 전기투석(electrodialysis) 방법을 위해 개발했다.

연구팀은 최근 과학저널 『소프트마이트(Soft Matter)』에 게재된 논문에서 이들의 멤브레인 디자인을 공유했다.

전기투석은 물에서 용해된 염분을 제거하기 위해 전기를 사용한다. 현재는 식탁용 소금을 생산하기 위해 바닷물에서 소금을 수집하고, 담수를 만들기 위해 기수(brackish water)에서 염분을 제거하는 데 사용되지만, 새로운 담수원을 제공하기 위해 하수에서 염분을 제거하는 데도 사용될 수 있다.

연구원들은 전기투석 막에 ‘페닐알라닌(phenylalanine)’이라고 불리는 일반적인 아미노산을 첨가하면 나트륨과 같은 양의 이온을 더 잘 수집하고 제거할 수 있다는 것을 발견했다.

샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 수잔 렘페(Susan Rempe) 수석 바이오엔지니어는 “페닐알라닌을 전기투석 막에 첨가함으로써 양이온의 선택성이 상당히 증가했는데, 이는 우리의 쾌적한 놀라움이다”라면서 “적절한 담수 공급을 보장하는 것은 국가 안보에 문제가 있다”고 말했다. 

담수는 음용과 농사에서부터 원자력, 석탄, 천연가스 기반 발전소(power plant)에서 에너지를 생산하기까지의 모든 일에 필수적이다.

■ 전기 사용량이 적은 깨끗한 물(Clean water, with less electricity)

수잔 렘페(Susan Rempe) 수석 바이오엔지니어는 “현재 역삼투압(RO ; Reverse Osmosis)이라는 방법은 바닷물이나 기수(brackish water)같은 물에서 소금을 제거해 담수를 생산하는 데 상업적으로 사용되고 있지만 몇 가지 한계가 있다. 한 가지 제한은 점점 더 짠 용액에서 담수를 밀어내기 위한 고압의 필요성이다. 고압의 추진력은 비용이 많이 들고 물 속에서 용해되지 않은 물질에 의해 막이 막히거나 오염되는 결과를 초래한다”고 말했다.

수잔 렘페(Susan Rempe)는 “짠(염분이 많은) 용액이 농축될수록 문제점은 커진다. 이에 따라 염분을 함유한 하수를 정화하기 위한 선택지가 거의 없다. 그 예로 바닷물보다 10배나 짠 천연가스를 회수하기 위해 수압 파쇄에 의해 생산된 물은 일반적으로 환경으로 돌려보내지 않고 지하에 매장된다”말했다.

나트륨과 염화물은 바닷물과 식탁용 소금에서 가장 흔한 두 개의 이온이다. 물론, 바닷물과 하·폐수에도 다양한 양의 음전하 이온이 있다.

“전기투석은 담수를 남기고 소금 이온을 뽑아내기 위해 전류를 사용하기 때문에 역삼투압보다 잠재적으로 더 나은 방법이다. 이것은 에너지를 덜 필요로 하고 막이 막히는 것을 덜하게 만든다”고 수잔 렘페(Susan Rempe)는 말했다. 

전기투석에는 담수를 생성하기 위해 한 쌍의 막이 필요하며, 나트륨과 같은 양전하 이온을 포획하는 막과 염화물과 같은 음전하 이온을 포획하는 막이 필요하다.

■ 영감을 얻기 위해 생물학을 찾는다(Looking to biology for inspiration)

수잔 렘페(Susan Rempe)와 연구팀은 ‘채널루돕신(channelroodopsin)’이라고 불리는 이온을 운반하는 특정한 단백질의 형태로 생물학에서 영감을 찾았다. ‘채널루돕신(channelroodopsin)’은 원래 조류에서 왔으며, 일반적으로 광유전학에서 사용된다. 이 기술은 생물학자들이 빛을 이용하여 특정한 살아있는 세포를 통제하는 것을 목표로 삼은 기술이다.

이온 전달 단백질은 나트륨 이온, 칼륨 이온, 칼슘 이온, 양성자 등 여러 가지 양전하를 띤 이온을 통과시키지만 음전하를 띠지 않는다. 이러한 종류의 선택성은 전기투석막(electrodialysis membrane)에 중요하다.

수잔 렘페(Susan Rempe)와 채드 프리스트(Chad Priest) 박사과정 연구원은 단백질의 이온 이동 경로를 따라 단백질이 만들어지는 20개의 빌딩 블록 중 하나인 ‘페닐알라닌(phenylalanine)’이라고 불리는 많은 종류의 아미노산이 있다고 보았다.

그들은 “우리는 ‘채널루돕신(channelroodopsin)’ 단백질의 성질과 특정 이온에 대해 어떻게 선택적으로 작용하는지 이해하기 위해 꽤 오랫동안 연구해왔다”라면서 “페닐알라닌 사이드 체인 여러 개가 이온 이동 경로에 줄지어 있는 것을 발견하고 ‘페닐알라닌이 그 안에서 무엇을 하고 있는가?’라고 생각했다”고 말했다. 렘페(Rempe)는 이어 “보통 페닐알라닌을 생물학적 운반 단백질에서 물과 이온을 밀어내는 분자로 생각한다”고 말했다.

수잔 렘페와 채드 프리스트의 연산 계산에 따르면 ‘페닐알라닌(phenylalanine)’의 페닐 사이드 체인은‘채널루돕신(channelroodopsin)’ 단백질의 이동 경로를 따라 여러 결합 부위의 구성 요소를 형성한다. 그들의 계산에 따르면 그러한 페닐알라닌 결합 부위는 양의 이온이 안정적일 정도로 나트륨 이온과 상호작용을 하였으나, 채널을 통해 이동을 멈출 정도로 안정적이지는 않았다.

■ 층별 구축(Layer-by-layer construction)

수잔 렘페와 샌디아국립연구소(Sandia National Laboratories) 연구팀의 재료과학자(Sandia material scientists)인 스티븐 퍼시발(Stephen Percival), 레오 스몰(Leo Small), 에릭 스포퍼케(Erik Spoerke)와 이 생물학적 특이점에 대해 이야기를 나누었다. 연구팀은 작은 분자인 ‘페닐알라닌(phenylalanine)’을 전기투석막에 통합하면 전기투석 중 양전하 이온을 물에서 쉽게 분리할 수 있다고 생각했다.

전기투석막을 만드는 과정은 어느 정도 구식의 촛불을 만드는 것과 같다. 먼저 스티븐(Stephen)은 “시중에서 구할 수 있는 다공성 지지막을 양전하 용액에 담갔다가, 막에서 헹군 다음 음전하 용액에 담갔다. 해결은 전하가 반대되기 때문에 막 양쪽에 코팅이 되어 자체 조립할 수 있다”고 말했다.

그는 아미노산의 첨가물이 막에 어떻게 영향을 미치는지 시험하기 위해 페닐알라닌을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우 이렇게 했다.

각각의 2-솔루션 사이클(two-solution cycle)은 양의 이온을 포획할 수 있는 매우 얇은 막층을 추가했다. 이 프로젝트를 위해 스티븐은 주로 5에서 10개의 2딥 두께(five or 10 two-dip layers thick)의 막들을 만들었다. 페닐알라닌을 사용하거나 사용하지 않는 5단 막 코팅은 사람의 머리카락보다 약 50배 더 얇았다. 10단 막은 사람의 머리카락보다 25배 더 얇았다. 두꺼운 필름은 이온을 끌어당기는 데 더 많은 전기를 필요로 하기 때문에 전기투석 필름의 두께가 중요하다.

스티븐은 “딥 용액(dip solution)에 페닐알라닌을 단순히 첨가함으로써 완성된 전기투석막에 통합할 수 있다는 것을 발견했다”더 나아가 페닐알라닌이 없는 표준 막과 비교했을 때 염화물이온보다 나트륨이온에 대한 막의 선택성을 높일 수 있었다”라고 강조했다.

스티븐은 특히 “구체적으로는 페닐알라닌을 함유한 5층(five-layer) 필름의 선택성은 페닐알라닌을 함유하지 않은 10층 필름(10-layer film)과 유사하지만 두꺼운 코팅과 관련된 저항은 증가하지 않는다는 것을 발견했다. 이는 페닐알라닌 필름이 전기를 적게 사용하면서 효과적으로 물을 정화시켜 효율을 높일 수 있다는 것을 의미한다”라고 강조했다.

그러나 아미노산은 용액에 막 섞여서 이 모델링한 생물학적 단백질과 정확히 같은 방식으로 양성 나트륨 이온과 상호작용하는 지는 연구팀이 알 수 없다.

스티븐은 “다른 분야의 전문가들과 함께 일하고 학부 인턴을 멘토링하는 이 프로젝트의 생물학적으로 영감을 받은 특성 사이에서는 이것이 내가 가장 자랑스러워하는 논문 중 하나”라면서 “논문의 조사 결과도 매우 중요했소. 멤브레인 저항과 독립적으로 이온 선택성을 높일 수 있다는 것을 증명할 수 있었고, 이는 상당히 유리하다”고 말했다.

■ 파트너십 및 향후 경로(Partnerships and paths forward)

샌디아국립연구소의 연구팀은 엘파소 텍사스대(University of Texas at El Paso) 토목공학과 셰인 워커(Shane Walker) 교수와도 협업해 멤브레인을 추가 실험했다. 워커 교수와 그의 팀은 샌디아의 전기투석막을 복잡한 실험실 규모의 전기투석 시스템에서 상업적으로 구할 수 있는 막과 비교했다. 그들은 염분 감소, 전기 소비, 그리고 물의 투과 등을 포함한 많은 변수들을 살펴보았다.

“엘파소 텍사스대(University of Texas at El Paso) 파트너들은 실제 전기투석 시스템에서 우리의 막을 분석했다”라면서 “그들은 세포막 샘플을 연구실 규모의 시스템에 주입하고, 여러 가지 테스트를 실시했으며, 우리의 세포막을 상업용 세포막과 비교했는데 막이 꽤 잘 나갔다”라고 말했다.

워커 교수팀은 샌디아연구원의 생체 자극 막이 상업용 전기투석막과 경쟁한다는 사실을 밝혀냈다. 구체적으로 산디아의 막은 전류 밀도 면에서 평균 이상이었다. 소금을 넣은 물에서 담수로의 물의 이동과 관련된 물의 투과율은 평균보다 높았다. 산디아의 막은 1시간의 런타임 후 염분 감소 측면에서 평균을 약간 밑돌았고, 6개의 막 쌍 대부분이 시험한 것보다 더 많은 전기를 소비했다.

이러한 결과는 3월 19일 과학저널 『막(Membranes)』에 실린 논문에 실렸다. 연구진은 논문에서 산디아의 생체 자극막(bio-inspired membrane)이 상업용 막과 경쟁하면서도 아직 개선의 여지가 있다는 결론을 내렸다. 기업들이 전기투석막의 효율성을 향상시키기 위해 이 바이오매스막(bio-inspired membrane)으로부터 배울 수 있기를 기대하고 있다.

미래에 수잔 렘페는 희토류 금속 이온과 같이 특정한 경제적 가치가 있는 이온을 분리할 수 있는 전기투석막을 설계하고 싶어한다. 희토류 금속(rare earth metal ions)은 자동차 촉매변환기, 강력한 자석, 충전용 배터리, 휴대폰 등에 사용되며 대부분 중국에서 채굴된다.

수잔 렘페는 “이 프로젝트의 자연스러운 다음 단계는 생물학을 특정하게 희토류 이온을 막을 가로질러 움직이는 막을 디자인하는 영감으로 사용하는 것”이라면서 “토지 금속은 가치가 있고, 국내 공급 부족은 국가안보 문제이므로 물공급과 귀중한 광물을 재활용하는 것이 환경 안보와 기후 경감을 위해 중요하다”라고 강조했다.

[원문보기]

Scientists at Sandia National Laboratories and their collaborators have developed a new membrane, whose structure was inspired by a protein from algae, for electrodialysis that could be used to provide fresh water for farming and energy production.

The team shared their membrane design in a paper published recently in the scientific journal Soft Matter.

Electrodialysis uses electrical power to remove dissolved salts from water. Currently it is used to capture salt from seawater to produce table salt and remove salt from brackish water to make fresh water, but it could also be used to remove salt from wastewater to provide a new source of fresh water.

The researchers found that the addition of a common amino acid, called phenylalanine, to an electrodialysis membrane enabled it to better capture and remove positive ions, such as sodium.

“Adding phenylalanine to the electrodialysis membrane increased the selectivity for positive ions by a significant amount, to our pleasant surprise,” Susan Rempe, the lead bioengineer on the project, said.

Ensuring an adequate supply of fresh water is a national security problem, she said. Fresh water is essential for everything from drinking and farming to producing energy from nuclear-, coal- and natural-gas-based power plants.

Clean water, with less electricity

Currently, a method called reverse osmosis is used commercially to remove salt from seawater or brackish water to produce fresh water, but it has several limitations. One limitation is the need for high pressure to push freshwater out of an increasingly salty solution. The high-pressure driving force is costly and leads to the membrane getting clogged or fouled by undissolved material in the water easily, Rempe said.

The more concentrated the salty solution, the bigger the problem. As a result, there are few options for cleaning up salty wastewater. As an example, water produced by hydraulic fracturing to recover natural gas, which can be ten times as salty as seawater, generally gets buried underground instead of being returned to the environment, Rempe said.

Sodium and chloride are the two most common ions in seawater, and table salt. Of course, there are a variety of other positively and negatively charged ions in seawater and wastewater, too.

Electrodialysis is a potentially better method than reverse osmosis because it uses electrical current to draw out the salt ions, leaving behind fresh water. This requires less energy and makes the membrane less likely to get clogged, Rempe said. Electrodialysis needs a pair of membranes to produce fresh water, one that captures positively charged ions, such as sodium, and one that catches negatively charged ions, such as chloride.

Looking to biology for inspiration

Rempe and her team sought inspiration from biology in the form of a specific protein that transports ions called channelrhodopsin. Channelrhodopsin originally comes from algae and is commonly used in optogenetics - a technique in which biologists have targeted control of specific living cells using light.

This ion-transport protein allows many different positively charged ions through, including sodium ions, potassium ions, calcium ions and protons, but no negatively charged ions. This kind of selectivity is important for an electrodialysis membrane.

Rempe and former postdoctoral researcher, electrodialysis membrane, saw that there was a lot of a certain kind of amino acid, called phenylalanine - one of the 20 building blocks that proteins are made from - along the protein’s ion-transport pathway.

“We’ve been working on the channelrhodopsin protein for quite a while, trying to understand its properties and how it is selective for specific ions,” Rempe said. “We noticed several phenylalanine side chains lining its ion-transport pathway and we wondered ‘What are phenylalanines doing in there?’ We usually think of phenylalanine as a molecule that repels water and ions in biological transport proteins.”

Rempe and Priest’s computational calculations showed that the phenyl side chain of phenylalanine forms a component of several binding sites along the transport pathway of the channelrhodopsin protein. Their calculations showed that those phenylalanine binding sites interacted with sodium ions enough so that the positive ions were stable, but not so stable that they would stop moving through the channel.

Layer-by-layer construction

Rempe talked with Stephen Percival, Leo Small and Erik Spoerke, Sandia material scientists, about this biological oddity. The team thought incorporating the tiny molecule phenylalanine into an electrodialysis membrane might make it easier to separate positively charged ions from water during electrodialysis.

The process of making the electrodialysis membrane is somewhat like old-fashioned candle making. First, Percival dipped a commercially available porous support membrane in a positively charged solution, rinsed off the membrane, and then dipped it into a negatively charged solution. Because the solutions have opposite charges, they can self-assemble into a coating on both sides of the membrane, said Percival, who started working on the project as a postdoctoral researcher.

He did this with and without the phenylalanine to test how the addition of the amino acid affected the membrane.

Each two-solution cycle added a very thin layer of membrane that can capture positive ions. For this project, Percival primarily made membranes that were five or 10 two-dip layers thick. A five-layer membrane coating with or without phenylalanine was about 50 times thinner than a human hair. 

A 10-layer membrane was 25 times thinner than a human hair. The thickness of electrodialysis films is important because thicker films require more electricity to pull ions through.

“We found that by simply adding phenylalanine to the dip solutions, we were able to incorporate it into the finished electrodialysis membrane,” Percival said. “Furthermore, we were able to increase the membrane’s selectivity for sodium ions over chloride ions, when compared to the standard membrane without phenylalanine.”

Specifically, they found that the five-layer film with phenylalanine had selectivity similar to that of the 10-layer film without phenylalanine, but without the increased resistance associated with thicker coatings. 

This means that the phenylalanine film can effectively purify water while using less electricity, thus making it more efficient, Percival said. However, the amino acid was just mixed in the solution, so the team doesn’t know if it interacts with the positive sodium ions in the exact same manner as in the biological protein Rempe modeled.

“Between the bio-inspired nature of the project, working with experts across different disciplines and mentoring undergraduate interns, this is one of the papers that I am most proud of,” said Percival. 

“The paper’s findings were also very important. We were able to demonstrate that ion selectivity can be increased independently of the membrane resistance, which is quite advantageous.”

Partnerships and paths forward

The Sandia team also collaborated with Shane Walker, a civil engineering professor at The University of Texas at El Paso, to further test the membrane. Walker and his team compared Sandia’s electrodialysis membrane to commercially available membranes in a complex, lab-scale electrodialysis system. They looked at a number of parameters including salinity reduction, electricity consumption and water permeance.

“Our UT El Paso partners analyzed our membrane in a real electrodialysis system,” Rempe said. “They put membrane samples into their lab-scale system, ran a whole bunch of tests and compared our membrane to commercial membranes. Our membrane did quite well.”

Walker’s team found that Sandia’s bio-inspired membrane was competitive with commercial electrodialysis membranes. Specifically, Sandia’s membrane was above average in terms of current density. 

Water permeance, which is related to the movement of water from the salty-input water to the fresh water, was higher than average. Sandia’s membrane was slightly below average in terms of salinity reduction after an hour of run-time and consumed more electricity than most of the six membrane pairs tested.

These results were published in a paper in the scientific journal Membranes on March 19. In the paper, the researchers concluded that while the Sandia’s bio-inspired membrane was competitive with commercial membranes, there is still room for improvement. Hopefully, companies can learn from this bio-inspired membrane to improve the efficiencies of their electrodialysis membranes.

In the future, Rempe would like to design an electrodialysis membrane that can separate out specific economically valuable ions, such as rare earth metal ions. Rare earth metals are used in automotive catalytic converters, powerful magnets, rechargeable batteries and cell phones and are mostly mined in China.

“The natural next step of the project is to use biology, again, as inspiration to design a membrane that will specifically move rare earth ions across a membrane,” Rempe said. 

“Rare earth metals are valuable, and the lack of domestic supply is a national security issue. Together, taking care of our water supply and recycling our valuable minerals are important for environmental security and climate mitigation.”

This project was funded by Sandia’s Laboratory Directed Research and Development program and the channelrhodopsin research was conducted at the Center for Integrated Nanotechnologies.

About Sandia National Laboratories

Sandia National Laboratories is a multimission laboratory operated by National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, a wholly owned subsidiary of Honeywell International Inc., for the U.S. Department of Energy’s National Nuclear Security Administration. 

Sandia Labs has major research and development responsibilities in nuclear deterrence, global security, defense, energy technologies and economic competitiveness, with main facilities in Albuquerque, New Mexico, and Livermore, California.

※Source : Sandia National Laboratories

[출처=샌디아국립연구소(Mimicking mother nature: New membrane to make fresh water – LabNews (sandia.gov)/ 2021년 9월 27일자 보도자료]