Що таке аквапорини?

Дослідження біохімічних процесів завдяки наявності новітніх інструментальних методів аналізу останнім часом набирає все більше обертів. Аквапорини - це мембранні протеїни, які формують транспортні пори в клітинних мембранах. Простими словами, оболонки всіх живих організмів пронизані трубочками білків, які здатні затягувати в клітину тільки чисту воду (в деяких випадках гліцерин, вуглекислоту, аміак).

Відкрили аквапорини в 90-ті роки XX століття, а у 2003 році, дослідники в галузі молекулярної біології та біохімії Пітер Егре і Родерік Маккіннон, отримали за це відкриття Нобелівську премію.

Важливість отриманих даних для науки глобальна. Сьогодні вивчені 13 видів аквапоринів ссавців (зокрема і людини), шість з яких локалізуються в нирках. У сфері охорони здоров'я, вони дали можливість глибше вивчити причини порушення обміну речовин. Наприклад:

• фрагмент аквапоринів-1 є частиною антигену Колтона (резус-фактора) в групі крові;
• Аквапорин-2 це білок збірних трубочок нирок, який регулюється гормоном вазопресином, порушення в його гені здатні викликати рідкісне захворювання - нефрогенний нецукровий діабет;

• MIP або Аквапорин-0 - є однією зі складових волокон кришталика, його порушення може призвести до вродженої катаракти, помутніння кришталика та інших захворювань очей.

Загалом важливість цього білка для вивчення людини, нас наразі цікавить менше, ніж його потенціал у сфері очищення води.

Аквапорини та прямий осмос

Сьогодні найпоширенішою і досить ефективною технологією опріснення морської та очищення питної води є зворотний осмос.

Його принцип дії був частково успадкований у природного процесу осмосу. У всіх живих клітинах осмос призначений для підтримки їх форми. Клітинні мембрани здатні поглинати воду всередину, якщо вміст солі середовища навколо клітини нижче (розчин гіпотонічний), і виділяти її (стискатися), якщо навколо рідина з вищим солевмістом (гіпертонічний розчин), відповідно, клітина залишається в стабільному стані, якщо концентрація солей (осмотичний тиск) навколо та всередині неї ідентичні (розчин навколо ізотонічний). У такий спосіб регулюється внутрішньоклітинний водний обмін.

Зворотний осмос отримав таку назву, оскільки у цьому разі все навпаки: під високим тиском відбувається поділ води на знесолений пермеат з одного боку мембрани та концентрат, де підвищена концентрація домішок, з іншого боку. Сьогодні завдяки зворотноосмотичним мембранам отримують: чисту воду на опріснювальних станціях, промислових підприємствах, електростанціях, більшість марок бутильованої та навіть питну вода вдома. Основними проблемами зворотного осмосу є необхідність у високому тиску, що вимагає значних витрат електроенергії, сильний фоулінг (забруднення) мембранних елементів і часта їх заміна (раз в 3-5 років).

Аквапорини - це наступний щабель розвитку водоочисних технологій, який дозволяє вдосконалити процеси, зробивши їх більш економічними, оскільки вони допомагають клітинній мембрані здійснювати транспорт води, і, відповідно, повернутися до прямого осмосу, що може працювати при меншому тиску завдяки селективності цих транспортних білків.

Як виробляють фільтраційні елементи з аквапоринів?

Запатентовані методи отримання мембран з аквапоринів передбачають нанесення пласкої ліпідної двошарової мембрани з вбудованими аквапоринами на пористу підкладку, яка може бути двошаровою полімерною мембраною, полісульфоном, оксидом алюмінію, слюдою, целюлозою або іншою гідрофільною поверхнею.

Хто виробляє аквапорини?

Першопрохідцем у виробництві мембранних елементів на базі аквапоринів стала однойменна датська компанія Aqiaporin®. Біоподобні мембранні елементи Aquaporin Inside® використовуються для процесів прямого (став можливий завдяки аквапоринам) і зворотного осмосу.

Продукти з технологією Aquaporin Inside® охоплюють кілька типів мембран.

• Мембранні елементи для питної води - виробляються в стандартних розмірах 1812-100, 1812-150, 3012-500, 4040.
• Половолоконні елементи для прямого осмосу - рекомендовані для очищення промислових стічних вод для повторного використання, і в цілому для води будь-яких промислових цілей.

Окремо варто виділити побутові мембранні фільтри, які вийшли на ринок лише у 2020 році, і є найсучаснішими та продуктивними рішеннями у сфері побутового очищення води зворотним осмосом. Фільтри компактні, і без бака та помпи забезпечують до 3 літрів чистої води на годину. Вартість такої системи 780-900 $. Сьогодні вони представлені тільки на ринку Данії, США, Британії, Індії та Балканських країн.

Важливо відзначити, що компанія співпрацює з NASA у сфері розробки технологій води для космічних суден, капсул та іншого обладнання.

В Україні про аквапорини для очищення води поки майже нічого не чути. Проте деякі проєкти існують. Наприклад, у 2015 році на конкурсі стартапів Sykorsky Challenge переміг проєкт з опріснення води за допомогою застосування таких мембран.