یک تکنیک جداسازی مبتنی بر پروتئین از مؤسسه باتل میتواند راهکاری جدید برای تولیدکنندگان آمریکایی جهت بازیابی عناصر خاقل کمیاب با مراحل پردازش کمتر ارائه دهد.
محققان پروتئینهای متصلشونده به کلسیم را مهندسی کردند که قادر به تمایز بین عناصر خاقل کمیاب در سطح مولکولی هستند. آزمایشها لانتان و نئودیمیوم را با خلوص و بازدهی بیش از ۹۰ درصد در یک مرحله جدا کردند.
این نتیجه ممکن است برای ایالات متحده اهمیت داشته باشد، زیرا تقاضا برای موادی که در الکترونیک پیشرفته و آهنرباهای دائمی استفاده میشوند، رو به افزایش است. فرآوری عناصر خاقل کمیاب همچنان دشوار باقی مانده است، زیرا بسیاری از این عناصر در طول جداسازی شیمیایی متداول رفتار مشابهی از خود نشان میدهند.
پروتئینها عناصر خاصی را هدف قرار میدهند
محققان باتل برای حل مشکلی که معمولاً از طریق مهندسی شیمی مدیریت میشود، به زیستشناسی روی آوردند. آنها پپتیدهای متصلشونده به کلسیم را اصلاح کردند تا به طور انتخابی با عناصر خاص خاقل کمیاب تعامل داشته باشند.
این انتخابگری، اصل عملیاتی متفاوتی نسبت به روشهای جداسازی متداول به فرآیند میبخشد. به جای تکیه بر پردازش شیمیایی تکراری، پروتئینهای مهندسیشده عناصر هدف را در یک جریان مواد مخلوط شناسایی میکنند.
محققان این رویکرد را با استفاده از لیچیتهای شبیهسازیشده و مواد اولیه صنعتی آزمایش کردند. آزمایشهای آنها همچنین یونهای غیرخاقل کمیاب را از آن جریانها حذف کرد.
لانتان و نئودیمیوم یک نمایشگر مهم بودند. پروتئینها این دو عنصر را در حالی که خلوص و بازدهی بیش از ۹۰ درصد را حفظ میکردند، از هم جدا کردند.
آن عملکرد میتواند این رویکرد را برای سیستمهای بازیابی آینده جذاب سازد. تعیین مقیاسپذیری فرآیند مشخص خواهد کرد که آیا نتایج آزمایشگاهی میتوانند به عملیات صنعتی کاربردی تبدیل شوند یا خیر.
مسیر جدیدی برای فرآوری
عناصر خاقل کمیاب یکی از سختترین مراحل در زنجیره تأمین مواد معدنی را نمایندگی میکنند. استخراج میتواند سنگ معدنی حاوی چندین عنصر تولید کند، اما جداسازی مواد فردی نیازمند پردازش بسیار انتخابی است.
آن مواد از آهنرباهای دائمی در خودروهای الکتریکی و توربینهای بادی پشتیبانی میکنند. آنها همچنین در گوشیهای هوشمند، تجهیزات دفاعی و سختافزارهای محاسباتی پیشرفته ظاهر میشوند.
ایالات متحده به دنبال راههای اضافی برای کاهش آسیبپذیریها در زنجیرههای تأمین مواد معدنی حیاتی بوده است. فناوریهای جداسازی جدید میتوانند به گسترش گزینههای پردازش داخلی کمک کنند بدون اینکه کاملاً به مسیرهای شیمیایی تثبیتشده وابسته باشند.
دکتر کیت اچ. کوچارزیوک، رهبر تحقیقات در باتل، گفت که زیستشناسی میتواند جعبهابزار موجود برای بازیابی مواد معدنی را گسترش دهد.
«زیستشناسی ممکن است بخش مهم جدیدی از راهکار جداسازی و بازیابی ارائه دهد»، کوچارزیوک گفت. «پروتئینهای مهندسیشده میتوانند عناصر خاقل کمیاب را با دقت شگفتانگیزی به طور انتخابی شناسایی و جدا کنند.»
پتانسیل صنعتی
این پژوهش از طریق برنامه «ریزجانوران محیطی به عنوان منبع بیوتکنولوژی» سازمان DARPA حمایت دریافت کرد. باتل اکنون پتانسیلی برای مقیاسپذیری فرآیند مبتنی بر پروتئین به سمت کاربردهای تجاری مشاهده میکند.
چالشهای مهندسی پیش از ورود تکنیک به یک کارخانه صنعتی باقی میمانند. پردازش حجم بالای مواد ممکن است نیازمند تغییرات اساسی در تولید پروتئین، بازیابی و طراحی سیستم باشد.
محققان همچنین باید تعیین کنند که پروتئینها در برابر مواد اولیه مختلف و شرایط عملیاتی چگونه عملکرد نشان میدهند. جریانهای معدنی صنعتی میتوانند حاوی مخلوطهای پیچیدهای باشند که برخلاف نمونههای آزمایشگاهی کنترلشده، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهند.
سؤال دیگری مربوط به دوام پروتئینها در طول چرخههای پردازش مکرر است. هر سیستم تجاری نیازمند عملکرد جداسازی ثابت در حالی است که هزینههای عملیاتی تحت کنترل نگه داشته شود.
این نمایشگر همچنان به تلاقی غیرمعمولی میان بیوتکنولوژی و فرآوری مواد معدنی اشاره دارد. پروتئینهای مهندسیشده میتوانند در نهایت به ابزاری دیگر برای بازیابی مواد استراتژیک مهم در داخل ایالات متحده تبدیل شوند.