Een multidisciplinair team van ingenieurs en wetenschappers heeft een nieuwe klasse filtratiemembranen ontwikkeld voor een verscheidenheid aan toepassingen, van waterzuivering tot scheiding van kleine moleculen tot processen voor het verwijderen van verontreinigingen, die sneller te produceren zijn en beter presteren dan de huidige technologie. Dit kan het energieverbruik verminderen, operationele kosten en productietijd in industriële scheidingen.

Onder leiding van Manish Kumar, universitair hoofddocent aan de Cockrell School of Engineering aan de Universiteit van Texas in Austin, het onderzoeksteam beschrijft hun nieuwe hoogwaardige membranen in een recent nummer van Natuurmaterialen .

De nieuwe filtratiemembranen van het team vertonen een hogere dichtheid van poriën dan die van commerciële membranen en kunnen veel sneller worden geproduceerd - in twee uur, versus het meerdaagse proces dat momenteel wordt gebruikt. Tot nu, het integreren van op eiwitten gebaseerde membranen in de huidige technologie die wordt gebruikt voor industriële scheidingen was een uitdaging vanwege de hoeveelheid tijd die nodig is om deze membranen te maken en de lage dichtheid van eiwitten in de resulterende membranen.

Deze uitgebreide en gezamenlijke onderzoeksinspanning bracht ingenieurs, natuurkundigen, biologen en chemici van UT Austin, Penn State University, Universiteit van Kentucky, Universiteit van Notre Dame en het bedrijf Applied Biomimetic. Het werk presenteert de eerste end-to-end synthese van een echt op eiwitten gebaseerd scheidingsmembraan met poriën tussen een halve nanometer en 1,5 nanometer groot. Een nanometer is slechts een paar keer zo groot als een watermolecuul en honderdduizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

De membranen die door het team zijn gemaakt, zijn biomimetisch, wat betekent dat ze systemen of elementen van de natuur nabootsen, en imiteren die welke van nature voorkomen in celmembranen voor het transporteren van water en voedingsstoffen. Ze publiceerden onlangs nog een paper waarin ze de inspiratie voor hun methode benadrukten. Een verpakking met hoge dichtheid van deze eiwitkanalen in polymeervellen vormt eiwitporiën in het membraan, vergelijkbaar met die gezien in menselijke ooglenzen, maar binnen een niet-biologische polymeeromgeving.

Het team heeft drie verschillende biomimetische membranen gefabriceerd die een scherpe, unieke en afstembare selectiviteit met drie verschillende poriegroottes van membraaneiwitkanalen. De beschreven methoden kunnen worden aangepast door eiwitkanalen met verschillende poriegroottes of chemie in polymeermatrices in te voegen om specifiek ontworpen scheidingen uit te voeren.

"Vroeger, pogingen om biomimetische membranen te maken bleven ver achter bij de belofte van deze materialen, slechts twee tot drie keer verbetering van de productiviteit aantonen, " zei Yu-Ming Tu, een doctoraalstudent chemische technologie aan de UT Austin en leidde het project. "Ons werk laat een verrassende 20 tegen 1 zien, 000 keer verbetering van de productiviteit ten opzichte van de commerciële membranen. Tegelijkertijd, we kunnen een vergelijkbare of betere scheiding van kleine moleculen bereiken, zoals suikers en aminozuren, van grotere moleculen, zoals antibiotica, eiwitten en virussen."

Deze hoge productiviteit werd mogelijk gemaakt door de zeer hoge dichtheid van poriënproteïnen. Er passen ongeveer 45 biljoen eiwitten op het membraan, als het de grootte van een Amerikaans kwartaal zou zijn; de gecreëerde membranen waren 10-20 keer groter in oppervlakte. Deze poriëndichtheid is 10 tot 100 keer hoger dan conventionele filtratiemembranen met vergelijkbare poriën van nanogrootte. Aanvullend, alle poriën in deze membranen hebben precies dezelfde grootte en vorm, waardoor ze moleculen van gewenste grootte beter kunnen vasthouden.

"Dit is de eerste keer dat de belofte van biomimetische membranen met membraaneiwitten is vertaald van de moleculaire schaal naar hoge prestaties op de membraanschaal, " zei Kumar. "Al zo lang, ingenieurs en wetenschappers hebben geprobeerd oplossingen voor problemen te vinden om erachter te komen dat de natuur het al heeft gedaan en het beter heeft gedaan. De volgende stappen zijn om te kijken of we nog grotere membranen kunnen maken en om te testen of ze kunnen worden verpakt in vlakke plaat en spiraalgewonden modules zoals die gebruikelijk zijn in de industrie."