<DENNE ARTIKEL SKAL OPDELES OG NIVEAU-DELES>

Revolution inden for vandrensningsteknologi vil gøre det muligt at drikke af havet

Nanoteknologi og bioteknologi kombineres for at skabe en ny type membran, som kan gøre vand 100 gange renere end destilleret vand

=======================

Naturen viser en effektiv vej til rent vand Vand er livgivende og en nødvendig forudsætning for alt liv på jorden, det være sig bakterier, planter og mennesker. På grund af overbefolkning og forurening mindskes mængden af rent drikkevand til stadighed. Over en milliard mennesker lever således uden adgang til rent drikkevand. Vand er dermed en strategisk ressource, som spiller en stigende rolle i politiske konflikter, og mere end 2 millioner mennesker dør årligt på grund af forurenet vand eller tørke. I Danmark er det ikke noget problem at skaffe tilstrækkelige mængder af rent drikkevand, men der er et øget behov for vand i forbindelse med industriel produktion, især til fremstilling af nanoteknologiske produkter. Specielt er behovet for ultrarent vand stigende, da der bruges store mængder i halvlederindustrien. Ultrarent vand er vand, der ikke indeholder salte og partikler sådan som drikkevand gør.

Den nuværende produktion af ultrarent vand er meget energikrævende
Produktionen af ultrarent vand foregår i dag traditionelt ved en kombination af ionbytning og membranseparation – en såkaldt elektro-deioniseringsproces. En proces, der kræver, at der påtrykkes et kraftigt elektrisk felt, og som derfor er meget energikrævende. En ionbytter er et stof, som kan tiltrække og binde opløste ioner i vand og væsker. De kan enten være kationbyttere eller anionbyttere. Kationbyttere har en negativ ladning og er karakteriseret ved at indeholde et stort antal syregrupper, som binder positive ioner (ved vandrensning typisk Ca2+, Mg2+og forskellige valenstrin af Fe, Zn og Cr). Anionbyttere har en positiv ladning (typisk ammoniumioner), som binder anioner (ved vandrensning typisk Cl-, NO3- og SO42-). Ionbytterne er som regel tilknyttet små polystyrenkugler. Hvis en blanding af kationbytter- og anionbyttermateriale anbringes i et kammer, der på den ene side har en membran, som kun er gennemtrængelig for kationer, og på den anden side har en membran, der kun er gennemtrængelig for anioner, kan man ved hjælp af et kraftigt elektrisk felt på tværs af vandstrømmen, fjerne ionerne, idet de ladede molekyler trækkes gennem den ionselektive membran hen mod den modsat ladede elektrodeplade. Metoden er effektiv, men som sagt meget energikrævende.

Biomimetik – inspiration fra naturen
Der kan ofte hentes inspiration fra naturen og ofte bygger det på iagttagelser, der blev observeret ved forskning med et andet formål, altså mere eller mindre ved en tilfældighed. Den amerikanske læge Peter Agre studerede i 1980’erne blodrelaterede sygdomme. Han var i gang med at finde Rhesusantigener og fandt under disse studier et ukendt protein, der optrådte i store mængder i røde blodlegemer. Der var helt op til 200.000 molekyler per celle af det ukendte protein. Selvom studiet af dette protein ikke var målet for Peter Agres igangværende forskning, gik han i gang med at opklare funktionen af dette protein. Med den store hyppighed var det klart, at det måtte have en central rolle for cellen. Det var kendt, at de røde blodlegemer har en ekstrem høj gennemtrængelighed for vand – højere end hvad simpel diffusion gennem en proteinfri membran kan forklare. Det fik Peter Agre til at undersøge om det hyppigt forekommende protein kunne være et protein, der transporterede vand. DNA-sekvensen for proteinet blev bestemt, og proteinet blev udtrykt i frøæg. Når de behandlede frøæg blev anbragt i vand, svulmede æggene op på kort tid og eksploderede. Dette skete ikke med ubehandlede frøæg. En god indikation på, at proteinet havde betydning for vandtransport. Hvis det nye protein blev indsat i kunstige membraner, havde proteinet samme effekt. Dette udelukkede, at der var andre mekanismer i frøægget, som gav effekten. Det vandkanaldannende protein fik navnet aquaporin. Peter Agre fik Nobelprisen i 2003 for opdagelsen af disse aquaporiner. Naturens vandtransportsystem Cellemembraner indeholder et stort antal aquaporiner, der helt specifikt lader vandmolekyler og kun vandmolekyler passere ind og ud af cellen. Hvis aquaporiner indbygges i en membran, og der er forskellig surhedsgrad på hver side af membranen, bliver denne forskel i surhedsgrad opretholdt selvom der transporteres store mængder vand gennem membranen. Dette viser, at aquaporiner selektivt transporterer vandmolekyler og ikke protoner (H+). De fleste vandmolekyler er tilstede som H2O, men ganske få er tilstede som OH– eller H3O+-ioner. Vand er således på en måde både en meget svag base og en meget svag syre. I et surt miljø er der overskud af H3O+-ioner.

Aquaporin lader H2O passere, men ikke H3O+-ioner, hvilket forklarer, at der kan opretholdes forskellig surhedsgrad på de to sider af membranen, og at transport af vand ind i og ud af en celle ikke ændrer cellens surhedsgrad. Denne eksklusion af protoner synes at ske ved hjælp af tre mekanismer. For det første er aquaporinkanalen så snæver i midten, at der kun er plads til ét vandmolekyle. For det andet sidder der på dette snævre sted en positivt ladet aminosyre, arginin, og en delvist positiv ladet aminosyre, histidin. De positive ladninger fra disse aminosyrer frastøder H3O+ , og disse ioner får ikke lov til at passere gennem kanalen. Den tredje mekanisme bygger på, at der lidt længere inde i kanalen sidder to asparaginaminosyrer, der fanger et H2O-molekyle, reorienterer dette og sender det videre i kanalen. Denne mekanisme er således meget fint justeret, hvert vandmolekyle bliver vendt og drejet, og alligevel kan en milliard vandmolekyler per sekund passere en aquaporinkanal. Når man påtænker, at 70% af menneskekroppen er vand, er det tydeligt, at aquaporinkanalerne er af meget stor betydning for opretholdelse af væskebalancen i vore celler og vor krop.

I nyrerne filtreres ca. 150-200 liter væske dagligt, hvoraf der kun udledes 1½ liter urin. Resten af væsken optages igen i kroppen via aquaporin-proteinerne, der sidder i kanaler i nyrerne. Reabsorptionen (tilbageoptagelsen) ville næsten være nul, hvis cellerne ikke påvirkes af antidiuretisk hormon, som kraftigt stimulerer reabsorptionen af vandet (ved at aktivere genet for Aquaporin-2 samt ved at foranstalte, at cellens pulje af allerede dannet Aquaporin-2 indsættes i cellemembranen). Gravide har undertiden for mange aquaporin-proteiner i nyrerne, hvorved de får for meget væske i kroppen. Den gravides aquaporin-produktion bliver åbenbart undertiden for aktiv. Omvendt er der for få aquaporin-proteiner ved sygdommen diabetes insipidus, som kan give livstruende væskemangel. Der findes en arvelig form af denne sygdom, som skyldes mutation i genet for Aquaporin-2.

Aquaporinkanalerne findes hos alle dyr. Man har foreløbig fundet 11 forskellige aquaporin-proteiner hos pattedyr. De forskellige aquaporin-proteiner dannes i forskellige væv og til forskellig tid i individets udvikling. Det først påviste og bedst undersøgte er Aquaporin-1 fra menneskets røde blodlegemer, hvor det yder osmotisk beskyttelse. Aquaporin-1 findes også i nyrernes proximale rør, hvor det koncentrerer urinen. Professor. Dr. med. Søren Nielsen er netop indstillet til Novo Nordisk Prisen 2009 for hans banebrydende studier af aquaporin-1 og aquaporin-2 i forbindelse med regulering af kroppens vandbalance. Aquaporin-1 findes også i øjets ciliære epithel, hvor det er med til at producere den tyktflydende væske mellem linsen og hornhinden. Endvidere findes Aquaporin-1 også i hjernens choroid plexus (kapillærnetværk omkring ventrikelhulrum), hvor det er med til at danne cerebrospinalvæske, samt i lungernes alveole-epithelceller, hvor det er med til at opretholde vandtrykket. Man kender mennesker, som ikke danner Aquaporin-1, men som klarer sig symptomfrit. Ifølge museforsøg ville de dog ikke kunne tåle væskemangel. Andre Aquaporin-typer er fundet i fedtceller, testikler, lever/pankreas, hvide blodlegemer, spyt/tårekanalkirtler osv. Nyrerne indeholder flere typer.

Nært beslægtede aquaporin-proteinkanaler er fundet hos insekter, planter og bakterier. Man har fundet 35 slags aquaporin-proteinkanaler i spinatplanten. Planter bruger disse kanaler til at suge vand op gennem rødderne.
Vandkanaler fra spinat bygges ind i kunstige membraner
Det er lykkedes en gruppe forskere at sætte aquaporin-proteiner fra spinatplanten ind i kunstige membraner. I løbet af nogle år lykkes det måske at opnå biologiske vandrensningsfiltre.
Til udbygning af teknologien er der oprettet et konsortium bestående af et lille nystartet firma, Aquaporin, som skal være teknisk koordinator. Med i konsortiet er DTU Nanotech, Center for Quantum Protein (DTU), Kemiafdelingen på DTU, MEMPHYS (SDU) og Novozymes.

Teknologien er baseret på det princip, som kaldes ”omvendt osmose”. Den syntetiske membran består af to dele. Der er en ydre mikroporøs membran, som udgør hovedparten af den samlede membran. Den filtrerer de fleste urenheder fra. Under denne ydermembran sidder en porøs teflonfilm, som er blevet gennemhullet med laserlys. Disse huller udfyldes med aquaporin-proteiner. Det betyder, at den eneste vej for væsken er via disse kunstige aquaporin-proteinkanaler.

De første filtre, som skal bruges til at lave ultrarent vand til forskningslaboratorier, forventes at komme på markedet i 2010. Pilotudgaven kan rense vandet 100 gange renere end det bedste destillerede vand, man bruger til vask af chipmateriale i dag. Næste generation af vandfiltre bliver til brug i industrien, f.eks. til fremstilling af fladskærme, mikrochips og anden specialproduktion med høje renhedskrav. Chips skal vaskes med så rent vand som muligt, før de coates. Det skyldes, at mineralholdigt vand kan skade chippen. En stor chipproducent kan bruge op til 11 millioner liter ultrarent vand om dagen. Fremtidsperspektivet er også rensning af forurenet vand og fjernelse af salt fra saltvand. Den allerede eksisterende life-straw [sugerør med filter] kan suppleres med det nye filter, hvorved man kan drikke saltvand og forurenet vand direkte gennem røret.
Stort marked for aquaporinholdige vandrensningsmembraner
Metoden er billig, fordi den kan foregå ved langt lavere tryk end ved de hidtil kendte filtreringsmetoder. Der kan dermed spares meget energi. Det kræver normalt meget højt tryk på 50 bar at rense vand for saltioner, i stedet for 10 bar med den nye metode. Et andet lukrativt marked er medicinalindustrien. Til rumforskningsindustrien vil membranen kunne være et nødberedskab for astronauter, der på grund af fald i kabinetryk er nødt til at bære trykdragter, hvor de kun kan indtage næring gennem en slange. En aquaporinholdig membran kan her bruges til at rense deres urin, så den kan bruges som drikkevand og til opløsning af næringsmidler. Det amerikanske NASA har vist stor interesse for teknologien.

Endnu et perspektiv er at anvende membranen i såkaldte osmotiske kraftværk, der kører på saltkraft, som er en vedvarende energikilde. Energien udvindes via en vandturbine gennem trykforskellen mellem ferskvand og saltvand. Hvis man kan rense vandet helt for saltindhold kan man øge trykket i kraftværket, hvorved energiproduktionen vil blive mere effektiv end metoden er i dag.

Vandrensning bruges også inden for landbrug og fødevareproduktion. Alt i alt er markedet for vandrensning verdens tredjestørste marked, efter olie og energi. Interessen i USA er stor, og vil blive større, da man regner med, at 36 stater i USA vil komme til at mangle vand i løbet af fem år.

Kilder:
Claus Hélix Nielsen, KVANT, juli 2008, 27-31
www.nanotech.dtu.dk 11.12. 2008
www.watermembrane.dk 11.12. 2008
Erhvervsbladet 30.10.2008
BioNyt nr. 143, december 2008, 10-11
Novo Nordisk Prisen 2009: http://www.au.dk/da/nyheder/presse/2009/100209

Tegn abonnement på BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk)