[싱가포르] 수질 정화 비용을 30% 절감시키는 고효율 생체모방형 멤브레인
음료수(potable water)에 대한 수요가 늘어남에 따라, 물을 정화시키는데 비용 효과적이고 에너지를 덜 사용하는 방법의 필요성이 대두되고 있다. 맹그로브(mangrove) 식물의 뿌리 및 인간의 신장에서 이루어지는 자연적인 물 정화 시스템에 영감을 얻어, 싱가포르 대학(National University of Singapore) 산하 환경연구소(Environmental Research Institute) 연구팀은 낮은 압력에서 물을 정화시킴으로써 에너지 비용을 감소시킬 수 있는 독특한 생체모방형 멤브레인을 개발하는데 성공하였다. 이 새로운 기술은 잠재적으로 물 정화 비용을 30%까지 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
오늘날 수질 정화 산업에서는, 염수(saline source)로부터 물을 뽑아내는 현재의 멤브레인 시스템으로 인해 발생하는 높은 에너지 비용이라는 큰 문제점에 직면해 있다. 이런 산업적 수질 정화 공정의 비용이 비싼 이유는, 멤브레인 시스템을 관통해 물 분자를 통과시키기 위해 높은 수압 혹은 삼투압을 필요로 하기 때문이다.
싱가포르 국립대학 화학 및 바이오분자 공학과 부교수인 Tong Yen Wah가 이끈 연구팀은, 아쿠아포린(aquaporin)을 포함하는 매우 효율적인 생체모방형 멤브레인 수질 정화 및 수처리 시스템을 설계하고 제작하는데 성공하였다. 아쿠아포린은 세포막 단백질로 세포의 내외부로 선택적으로 물을 통과시키는 물질이며, 이온이나 다른 용매는 통과시키지 않는다.
자연의 수질 정화 시스템
살아있는 세포막에서 물의 통로로 알려진 아쿠아포린은, 자연의 수질 정화 시스템의 기능단위임이 밝혀졌다. 이런 통로는 박테리아에서 맹그로브 식물 및 사람의 신장에 이르기까지 살아있는 모든 생명체에 존재하는 것으로, 매우 낮은 압력과 적은 표면적으로 불순물은 남겨두고 다량의 물 분자만을 통과시킬 수 있는 자연의 멤브레인 구조의 한 예이다.
이런 아쿠아포린을 이용해, 소금기가 있는 물에서도 생존할 수 있도록 적응된 맹그로브 식물은 뿌리는 통해 물의 90∼95%를 정화시킬 수 있다. 인간의 신장은 매일 150리터까지 물을 걸러낼 수 있는 능력이 있다.
생물학적 멤브레인의 모방
싱가포르 국립대학 연구팀은 낮은 압력과 적은 에너지를 사용해 물 만을 매우 빠르게 통과시킬 수 있는 채널 역할을 하도록, 고분자 멤브레인에 아쿠아포린 단백질을 결합시키는데 성공한 몇 안 되는 연구팀 중 한군데이다.
Tong 교수에 따르면, 생체모방형 멤브레인은 나노크기의 아쿠아포린 소포(vesicle)를 안정적이고 기능적인 초미세여과(ultrafiltration) 멤브레인에 내장시킴으로써 맹그로브 식물의 뿌리에 있는 세포층의 기능을 모방하도록 하였다. 이 방법은 단순하고 손쉽게 이용이 가능한 표면 임프린팅 기술(surface imprinting technology)이지만 혁신적인 방법으로, 아쿠아포린이 없는 멤브레인에 비해 더 빨리 물을 통과시키며 염의 누출도 적은 것으로 나타났다.
연구 성과의 의미
이 독특한 멤브레인은 매우 강도가 약은 기존의 생체모방형 멤브레인과는 달리, 수질 정화 공정 동안에도 높은 기계적 강도 및 안정성을 나타냈다. 이것은 수처리 및 탈염설비와 같은 산업공정에서도 적용이 가능하다. 대중의 입장에서는 훨씬 저렴한 비용으로 음용수를 더 많이 확보할 수 있음을 의미하는 것이다.
연구팀은 현재 미국에 소재한 한 기업과 2년 이내에 멤브레인의 실용화 타당성 연구를 위한 파일럿 규모의 모듈을 개발하기 위해 협의 중이다.
생체모방형 멤브레인을 생산하는 기술은, 원하는 특성과 기능을 가진 생물학적 멤브레인 단백질을 합성 멤브레인과 통합시키려는 연구를 진행하고 있는 생물학 및 바이오의학 분야에서도 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 사실, 연구팀은 현재 AWAK Technologies사와 착용가능한 신장 투석 기기(wearable kidney dialysis device)를 제조하기 위한 유사한 생체모방형 멤브레인 개발을 논의 중이다. 미래의 착용가능한 신장 투석 기기는 어떤 흡수체도 필요없을 뿐만 아니라 크기도 훨씬 작아지게 될 것이다.
그림> 개발한 생체모방형 멤브레인을 들고 있는 개발자. 이 멤브레인은 맹그로브 뿌리의 세포층을 모방한 것으로, 나노크기의 아쿠아포린 소포를 표면 임프린팅 기술을 이용해 초미세여과 멤브레인 기질에 장착한 것이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 12월 14일]
[원문보기]
Highly efficient biomimetic membrane can potentially lower cost of water purification by 30 per cent
The growing demand for potable water calls for low energy and cost effective methods for water purification. Inspired by the natural water purification systems of the roots of the mangrove plant and the human kidney, a team of researchers from the National University of Singapore (NUS) Environmental Research Institute (NERI) has engineered a novel biomimetic membrane that can purify water at low pressure, thus reducing energy costs. This new technology can potentially reduce water purification costs by up to 30 per cent.
The water purification industry today faces a major challenge of high energy costs incurred by current membrane systems to recover water from saline sources. These industrial water purification processes are costly because they require high hydraulic or osmotic pressures to push water molecules to filter through the membrane systems.
Led by Associate Professor Tong Yen Wah who is also from the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at the NUS Faculty of Engineering, the team of researchers have designed and fabricated a new aquaporin-incorporated biomimetic membrane water purification and treatment system that is highly efficient. Aquaporins are membrane proteins that selectively conduct water molecules in and out of cells, preventing the passage of ions and other solutes.
Nature’s water purification systems
Aquaporins, also known as the water channels in living cell membranes, have been found to be the functional unit of nature’s water purification systems. These channels, present in all living things from bacteria to mangrove plants and human kidneys, provide nature’s examples of membrane structures that allow high volume of water molecules to pass through a small surface area at very low pressures, leaving impurities like salt behind.
With the presence of aquaporin, the mangrove plant which has adapted to survive in salt water, is able to filter between 90 and 95 per cent of the salt at its roots, while the human kidney is able to purify up to 150 litres of water daily.
Mimicking biological membranes
The NUS team is among the first in the world to have succeeded in placing aquaporin proteins onto polymer membranes to act as channels that allow only water to go through very quickly, at low pressures and low energy.
Explained Assoc Prof Tong, “The biomimetic membrane is constructed to mimic the layers of cells on the roots of mangrove trees by embedding nano-sized aquaporin-vesicles onto a stable and functional ultrafiltration substrate membrane using an innovative yet simple and easy-to-implement surface imprinting technology. We found that the resultant aquaporin-incorporated biomimetic membrane allows water to pass through it faster and also display lower salt leakage than a membrane without aquaporin.”
Implications of findings and applications
The team has also observed that the novel membrane exhibits high mechanical strength and stability during the water filtration process unlike conventional biomimetic membranes which tend to be quite fragile. This makes it suitable for industrial applications in water treatment and desalination. For the public, this could mean greater supply of drinking water at much lower costs in the near future.
The team is currently in discussions with an American-based company to develop a pilot-scale module to test the feasibility of the membranes in the next two years.
According to Assoc Prof Tong, the team’s technique of producing the biomimetic membranes can be applied in biological and biomedical research where the study of any other biological membrane protein requires its unique characteristics and functions to be expressed and properly placed onto synthetic membranes.
In fact, the team is also currently in discussions with AWAK Technologies to engineer similar biomimetic membranes for incorporation into wearable kidney dialysis devices. The future wearable kidney dialysis machines may work without any adsorbents and may also be much more compact in size.
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