Поры белка, упакованные в полимеры, производят сверхэффективные фильтрационные мембраны

Междисциплинарная команда инженеров и ученых разработала новый класс фильтрационных мембран для различных применений, от очистки воды до малой молекулярной разделения до процессов удаления загрязняющих веществ, которые быстрее производят и более высокие, чем текущие технологии. Это может снизить потребление энергии, эксплуатационные затраты и время производства в промышленном разделении.

Исследовательская группа, возглавляемая Манишем Кумаром, доцентом в области инженерной школы Кокрелла в Университете Техаса в Остине.
water filter

Новые фильтрационные мембраны команды демонстрируют более высокую плотность пор, чем у коммерческих мембран, и могут быть созданы гораздо быстрее в два часа, по сравнению с несколькими днями, используемым в настоящее время. До настоящего времени интеграция мембран на основе белка в текущую технологию, используемую для промышленного разделения, была сложной из-за количества времени, необходимого для создания этих мембран и низкой плотности белков в полученных мембранах.

Эта комплексная и совместная исследовательская работа объединяла инженеров, физиков, биологов и химиков из Ут Остин, Университет штата Пенсильвания, Университет Кентукки, Университет Нотр -Дам и компании прикладной биомиметикой. Работа представляет собой первый сквозной синтез истинной мембраны разделения на основе белка с полями между половиной нанометра и 1,5 нанометрами по размеру. Нанометр всего в несколько раз больше молекулы воды и в сто тысяч раз меньше ширины человеческих волос.

Мембраны, созданные командой, являются биомиметическими, что означает, что они имитируют системы или элементы природы, и подражают тем, которые естественным образом встречаются в клеточных мембранах для транспортировки воды и питательных веществ. Недавно они опубликовали еще одну статью, подчеркивающую вдохновение для своего метода. Упаковка этих протеиновых каналов высокой плотности в полимерные листы образуют протеиновые поры в мембране, аналогичные тем, которые наблюдаются в линзах для глаз человека, но в небиологической полимерной среде.

Три различных биомиметических мембран были изготовлены командой и продемонстрировали резкую, уникальную и настраиваемую селективность с тремя различными размерами пор мембранных протеиновых каналов. Описанные методы могут быть адаптированы с вставкой протеиновых каналов различных размеров пор или химии в полимерные матрицы для проведения специально разработанных разделения.

«В прошлом попытки сделать биомиметические мембраны далеко не оправдывали обещания этих материалов, демонстрируя лишь в два-три раза повышение производительности»,-сказал Юй-Мин Ту, докторантуру для химической инженерии UT Austin Hemical Engineering и возглавляет проект. «Наша работа показывает удивительное повышение производительности в 20-1000 раз по сравнению с коммерческими мембранами. В то же время мы можем достичь сходного или лучше . "

Эта высокая продуктивность стала возможной благодаря очень высокой плотности пор белков пор. Приблизительно 45 триллиона белков могут поместиться на мембрану, если бы это было размер квартала США; Созданные мембраны были в 10-20 раз больше в области. Эта плотность пор в 10-100 раз выше, чем обычные фильтрационные мембраны с аналогичными полями нано-размера. Кроме того, все поры в этих мембранах имеют точно одинаковый размер и форма, что позволяет им лучше сохранять молекулы желаемых размеров.

«Впервые обещание биомиметических мембран, участвующих в мембранных белках, было переведено из молекулярной шкалы к высокой производительности в мембранной шкале», - сказал Кумар. «Так долго, инженеры и ученые пытались найти решения проблем только для того, чтобы узнать, что природа уже сделала это, и сделали это лучше. упакованы в плоские листы и модули спирального языка типа, подобные тем, которые распространены в промышленности ».