- Los investigadores desarrollan una nueva membrana proteica para separar litio y sodio.
- Se planea diseñar miles de variantes proteicas para cribar los mejores candidatos.
- La fabricación y prueba de las membranas empleará microscopía electrónica criogénica.
- La tecnología podría aplicarse en el futuro al tratamiento de agua y la recuperación de minerales.
Investigadores británicos están desarrollando un nuevo método que utiliza proteínas de ingeniería para extraer el litio necesario para las baterías, proteínas que pueden ensamblarse en membranas con poros de hasta 1 埃, lo que podría permitir la separación del litio del sodio, químicamente similar. El método emplea proteínas de capa S, que forman naturalmente estructuras altamente ordenadas en la superficie de los microorganismos. El objetivo de los investigadores es modificar estas proteínas para crear membranas con poros uniformes capaces de separar selectivamente iones de litio y sodio. Científicos de la University of Birmingham y la Aston University están investigando tamaños de poro de 1 至 50 埃, donde 1 埃等於十億分之一米。
El objetivo es fabricar membranas de gran superficie capaces de realizar separaciones altamente selectivas en condiciones operativas reales. Este plan de 三年 ha recibido una subvención de 620 萬英鎊 de la Agencia de Investigación e Invención Avanzadas del Reino Unido (ARIA).
Diseño y proceso de cribado de membranas
Los investigadores diseñarán y cribarán miles de variantes proteicas, para luego escalar los candidatos más prometedores a la fabricación y prueba de membranas. Las membranas propuestas utilizarán proteínas de capa S, que forman naturalmente estructuras bidimensionales ordenadas en la superficie de muchos microorganismos. Estas proteínas pueden ensamblarse en patrones repetitivos sin necesidad de posicionar cada componente individualmente. Los investigadores planean modificar su estructura para crear poros con tamaño y propiedades químicas controlables. Se diseñarán y cribarán miles de variantes proteicas para identificar candidatos capaces de separar iones de litio y sodio. Las versiones más prometedoras se producirán a mayor escala e incorporarán a sistemas de membranas.
El doctor Dominik Kubicki, responsable del proyecto en la University of Birmingham, declaró: «La biología es capaz de construir materiales ordenados con una precisión que los métodos de fabricación actuales difícilmente pueden igualar. Nuestro objetivo es aprovechar esto para crear membranas con poros uniformes y programables». Fold9 se encargará del diseño computacional de proteínas, mientras que Adaptyv Bio proporcionará el cribado Qualcomm para probar un gran número de variantes. La empresa británica Evove aportará su experiencia en fabricación, escalado y prueba de membranas. Los investigadores también utilizarán microscopía electrónica criogénica (cryo-EM) y reflectometría de neutrones para examinar las características a nanoescala de la estructura de la membrana.
Estas tecnologías ayudarán a determinar cómo las variaciones en la geometría de los poros afectan la selectividad, estabilidad y transporte de iones.
Desafíos en la ampliación de la fabricación de membranas
Escalar las membranas más allá del laboratorio es un desafío principal. El equipo planea combinar la producción de proteínas, la fabricación de membranas y las pruebas para evaluar si estos materiales conservan sus propiedades selectivas cuando se fabrican a mayor escala. El profesor Owen Thomas de la University of Birmingham afirmó: «Un desafío clave es traducir el control a nivel molecular a membranas que puedan fabricarse y operar a escala práctica». El proyecto forma parte del programa «Universal Manufacturer» de ARIA, que explora el uso de proteínas de ingeniería como bloques de construcción para fabricar materiales con estructura controlada.
Aunque la extracción de litio es el objetivo inicial, los investigadores creen que este enfoque podría eventualmente respaldar el tratamiento de agua, la recuperación de minerales críticos y la fabricación química y farmacéutica.
La tecnología se encuentra aún en fase de desarrollo. El equipo no ha informado aún de membranas a escala industrial en funcionamiento, tasas de recuperación de litio ni ahorros energéticos medidos. El plan de 三年 pondrá a prueba si las proteínas de ingeniería pueden proporcionar la selectividad, durabilidad y escalabilidad que requieren los sistemas de separación prácticos.
Aplicaciones potenciales y desafíos de las nuevas membranas proteicas
Esta investigación muestra el potencial de las proteínas de ingeniería en la producción de baterías, especialmente en la separación selectiva de litio y sodio. Aprovechando la precisión de la biología, los investigadores esperan crear membranas con poros controlables, lo cual es crucial para mejorar la eficiencia de las baterías. Sin embargo, escalar la tecnología de laboratorio a escala industrial sigue planteando desafíos, especialmente en mantener las propiedades selectivas de la membrana. Si tiene éxito, esta tecnología no solo podría mejorar la producción de baterías, sino también desempeñar un papel importante en campos como el tratamiento de agua y la recuperación de minerales, demostrando su amplio potencial de aplicación.