Peptitler ile Endüstriyel Atık Sularından Galyum Ekstraksiyonu

Fotoğraf: Filtre şeklindeki özel peptit bileşikleri, galyumu endüstriyel atık sulardan uzaklaştırmak için biyolojik bir olta görevi görür.

Galyum nadir bir metaldir, ancak ileri teknoloji endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu aşırı zıtlık, geri dönüşümü zorunlu kılıyor. Bununla birlikte, mevcut geri dönüşüm süreçleri maliyetlidir ve kimyasal olarak kirlenmiştir. Bu nedenle biyoteknolojik yaklaşımlar, metalik partikülleri, mineralleri ve metal iyonlarını çevre dostu bir şekilde bağlayabildikleri ve bunları hedeflenen bir şekilde farklılaştırabildikleri için peptitlere dayanır. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’daki Helmholtz Enstitüsü Freiberg (HIF) Kaynak Teknolojisi’ndeki bilim insanları, şimdi peptit-bazlı malzemenin yarı iletken endüstrisinin neden olduğu üretim atık suyundan galyum ekstraksiyonu için kullanılabileceğini gösterdi.

İleri teknoloji dünyamız nadir metaller olmadan düşünülemez çünkü bunlar bizi çevreleyen birçok cihazlarda ve sistemlerde bulunur. Bu metallerin çoğunun doğal oluşumu daha düşüktür ve madenciliği zordur, bu da yüksek maliyetlerle ilişkilidir. Geri dönüşümün daha da önemli bir rol oynamasının nedeni budur. Nadir metalleri endüstriyel atık su, cüruf veya artık kullanılmayan cihazlardan geri kazanarak, geri dönüşüm döngüsüne geri döndürülebilirler. Dr. Katrin Pollmann liderliğindeki HIF araştırmacıları, seçici biyosorpsiyonun, yani bakteriler, mayalar, mantarlar ve algler gibi belirli mikroorganizmaların kendilerini metaller veya metal iyonları ile zenginleştirme kabiliyetinin galyumun endüstriyel atık sudan geri kazanılması için uygun bir süreç olduğunu göstermiştir.

Bu ileri teknoloji ürünü metali, örneğin ışık yayan diyotlarda ve güneş pillerinde buluyoruz; aynalar için bir kaplama görevi görür ve tıpta tümör teşhisi için kullanılır. Esas olarak yarı iletken endüstrisinde kullanılır. Arsenik ile birlikte gofret üretiminde galyum arsenit olarak kullanılır. Endüstriyel galyumun çoğu üretim sırasında kaybolur. Bununla birlikte, galyumun endüstri için önemi giderek artmaktadır. Galyum-işleme endüstrisinden gelen yüksek geri dönüşüm oranı, ikincil galyum üretimi için çok daha zengin ve daha önemli bir kaynağı temsil ettikleri için daha da önemlidir.

Biyo-Geri Dönüşüm, Klasik Ayırma İşlemlerine Ekolojik Alternatif

Galyum üretimi için önceki geri dönüşüm süreçleri genellikle kimyasal elektroliz işlemlerine dayanmaktadır. Çok enerji-yoğun elektroliz, değerli maddelerin seyrelmesine ve atık suyun tuzluluğunun artmasına yol açan sular üretir. Biyokompozitlerde durum farklıdır. Onlar geri dönüştürülebilirler ve ayırma işlemlerinde tekrar tekrar kullanılabilirler. Bu yenilikçi geri dönüşüm yöntemi, metalleri cevherlerden veya atık maddelerden ayırıp çıkarmak için biyolojik sistemleri kullanan süreçleri içerir. Metallerin salınımı, doğrudan mikroorganizmaların metabolizması yoluyla veya dolaylı olarak onların metabolik ürünleri yoluyla gerçekleşebilir.

Bu biyolojik geri dönüşüm süreçlerinden biri biyosorpsiyondur. “Biyokütle, sulu bir çözelti içindeki belirli iyonları veya diğer molekülleri bağlar veya onları yoğunlaştırır. Biyosorpsiyon, metabolik aktiviteye bağlı değildir ve besinlerin tedarik edilmesini gerektirmez. Bu, biyosorpsiyonun yüksek derecede toksik ortamlarda bile kullanılmasını sağlar. Bu nedenle biyosorpsiyon, metalleri endüstriyel atık sulardan, özütleme çözeltilerinden veya maden sularından geri kazanmanın çevre dostu bir alternatifidir,” diye açıkladı HIF Biyoteknoloji Bölümü Başkanı Katrin Pollmann. Ancak zorluk, uygun biyomolekülleri bulmaktır.

Olta Olarak Peptitler

Freiberg bilim insanları, tek tek elementleri özel olarak tanıyabilen, onları seçici olarak bağlayabilen ve böylece çözeltilerden onları uzaklaştırabilen özelleşmiş biyosorpsiyon malzemeleri üzerinde çalışıyorlar. Amino asitlerden oluşan küçük proteinler olan, peptitleri kullanırlar. “Peptitler küçük ve bu nedenle sağlamdır, bu da onları özellikle uygun kılar. Farklı özelliklere sahip ve serbestçe kombine edilmiş bir peptit zincirinde birbirine bağlanabilen kendiliğinden oluşan 20 amino asit vardır. Bu, akla gelebilecek her yüzeye oturabilen ve onları çok özel olarak tanıyan biyomoleküller yaratır. Doğru peptitler, Faj Yüzey Görüntüleme yönteminin yardımıyla seçilir,” diye açıkladı HIF bilim insanı Dr. Nora Schönberger.

Bu yöntem, bakteriyofajlara, yani bakterileri enfekte etmede özelleşmiş virüslere odaklanır. Elemente-özgü peptitler, belirli özelliklere sahip bir taşıyıcı malzeme üzerine sıkıca tutturulur. Ortaya çıkan biyokompozitler, benzersiz peptit yapıları nedeniyle hedef maddeleri karmaşık malzemeler karışımından “yakalar”. Böylelikle peptitler, seçici metal geri kazanımını mümkün kılar.

Galyum-Bağlayıcı Peptitlerle Biyoteknolojik Yaklaşım

“EcoGaIN” projesi kapsamında, yarı iletken endüstrisinden üretim atık suyundan galyumun ekstraksiyonun incelendiği, galyum-bağlayıcı peptitlerin tanımlanmasını Schönberger ayrıntılı olarak ele aldı. “Spesifik bir hedefe bağlanan peptitleri seçen bir teknik olan, kromato-kaydırmayı (chromato-panning) kullandık. Bu ayırma işleminin yardımıyla, galyum iyonlarını proses atık sularından yakalayan özel peptitleri izole ettik,” diye açıkladı Schönberger ve şöyle devam etti: “Biyosorpsiyon çalışmaları için, bir kolona peptit-bazlı bir filtre malzemesi yerleştirdim ve içinden atık suların geçebileceği bir tür galyum filtresi yaptım. Filtre malzemesindeki galyumu olabildiğince verimli bir şekilde tutuyorsa, malzeme çok uygundur ve proses atık sularında bulunan diğer kirlilikler, her şeyden önce arsenik, basitçe akıp gider. Daha sonra, filtre malzemesine bağlanan galyum, galyumu geri kazanmak için kolondan ayrılabilmelidir.”

Bu deneylerde test edilen beş peptit filtre malzemesinden birinin özellikle galyumun verimli bir şekilde geri kazanılması için uygun olduğu gösterilmiştir. “Kaynak teknolojisinde biyolojik sistemlerin kullanımı, geleneksel metalurjik süreçlerin içeriğini tamamlıyor. Şu anda, klasik metalurjik yaklaşımlarla verimli bir şekilde kullanılamayan metalleri erişilebilir hale getirerek metodolojik bir niş dolduruyor,” dedi Pollmann. Bununla birlikte, peptitlerin kaynak teknolojisinde ekonomik kullanım için kimyasal sentezi çok pahalı olduğundan ve henüz yeterince çevre dostu olmadığından, bu yöntemin endüstriyel uygulama için daha fazla geliştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca, peptitlerin daha iyi bir metal bağlama kapasitesinin elde edilmesi ve dolayısıyla daha verimli bir kullanımın mümkün olması için optimize edilmesi önemlidir.

Kaynak: chemeurope.com

Yazar

Burcu Akbulut

1995 Tekirdağ doğumluyum. Lisans derecemi Hacettepe Üniversitesi Kimya Bölümünde tamamladıktan sonra yüksek lisansıma yine Hacettepe Üniversitesi Kimya bölümünde devam etmeye karar verdim. Kimya sonu olmayan ve neredeyse diğer tüm mesleklerle ilişkili bir dal, bu yüzden lisansımı Kimya bölümünde tamamladım. Lisans dönemimde ise bir akademik yıl Erasmus+ öğrencisiydim. Yurtdışında yaşadığım bir yıl içerisinde mesleğimin önemini bir kez daha yaşayarak anlama fırsatı buldum. Bu sebeple yüksek lisansımı da, mevcut kimya temelimi kullanarak, daha da ilerleyebileceğimi düşündüğüm için Kimya bölümümde devam etmeye karar verdim. Kendi araştırma ve bilgilerimi insanlara aktarabilmek için ve son gelişmelerden her zaman haberdar olabilmek için İnovatif Kimya Dergisi’nin Haber Çeviri ekibinin bir parçası oldum. İlgi alanlarım: biyokimya, biyoteknoloji, membran uygulamaları, biyosensörler, ve polimer yapıların sentezlenmesi…