Microverontreinigingen zoals hormoonontregelaars, pesticiden en geneesmiddelen schadelijke effecten hebben op de volksgezondheid en aquatische ecosystemen, zelfs op sporenniveau. Biokatalytische membranen vertonen een hoge efficiëntie voor het verwijderen van microverontreinigingen dankzij de integratie van enzymkatalyse en membraanscheiding.

Het tegelijkertijd bereiken van stabiliteit op lange termijn en een hoge katalytische efficiëntie blijft een uitdaging bij de fabricage van biokatalytische membranen. Geïnspireerd door het vloeibare mozaïekmodel van de celmembraanstructuur, een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Wan Yinhua van het Institute of Process Engineering (IPE) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een nieuw biokatalytisch membraan gemaakt met hoge enzymactiviteit en stabiliteit voor het verwijderen van microverontreinigingen. De studie werd gepubliceerd in de Tijdschrift voor chemische technologie op 28 november.

De onderzoekers stemden de opsluitingssterkte van het membraan af, waardoor de mobiliteit van het geïmmobiliseerde enzym wordt gereguleerd via driedimensionale (3D) modificatie van de dragerlaag van het nanofiltratiemembraan.

Een op mosselen geïnspireerde coating werd aangebracht om de hele steunlaag van het nanofiltratiemembraan te modificeren (genaamd 3-D-modificatie), en laccase werd vervolgens niet-covalent beperkt in een gemodificeerd nanofiltratiemembraan door omgekeerde filtratie.

"Laccase kan worden gestabiliseerd in de 3D-gemodificeerde steunlaag van het nanofiltratiemembraan met een uniforme verdeling, hoge enzymbelasting, en ultrahoge opslagstabiliteit. Bovendien, het gemodificeerde nanofiltratiemembraan is veelzijdig voor verschillende enzymimmobilisatie, " zei prof. Wan.

Nog beter, deze op mosselen geïnspireerde 3D-modificatiestrategie verbeterde de opsluitingssterkte van het membraan tot enzym met een kleine toename van de weerstand tegen massaoverdracht voor substraat en producten, die de enzymlekkage effectief vertraagde en tegelijkertijd het enzym een ​​mobiliteitsniveau verschafte voor efficiënte katalyse.

Het geprepareerde biokatalytische membraan met geoptimaliseerde opsluitingssterkte vertoonde een hoge katalytische activiteit en stabiliteit op lange termijn in zeven hergebruikcycli en 36 uur continu bedrijf voor het verwijderen van microverontreinigingen.

De onderzoekers stelden ook een eenvoudig protocol voor om de mobiliteit van het geïmmobiliseerde enzym te kwantificeren, die precies de opsluitingssterkte van de gemodificeerde membranen zou kunnen weerspiegelen, evenals de katalytische prestaties van de biokatalytische membranen.

Bovendien, het gemodificeerde membraan zou kunnen dienen als een enzymopslag en controleerbaar apparaat voor aanhoudende afgifte voor reactie en dosering. "Dit werk biedt niet alleen een veelzijdig platform om verschillende enzymen te immobiliseren en een superieur biokatalytisch membraan te bereiden, " zei Prof. Luo Jianquan van IPE, "maar biedt ook begeleiding bij het ontwerpen van een optimale opsluitingsomgeving voor enzymen in het membraan, het faciliteren van mogelijke toepassingen van het biokatalytische membraan in verbeterde bioconversie, medicijnafgifte, en biosensoren op kleine schaal."