Ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer och forskare har utvecklat en ny klass av filtreringsmembran för en mängd olika applikationer, från vattenrening till separationer av små molekyler till processer för att avlägsna föroreningar, som är snabbare att producera och har högre prestanda än nuvarande teknik. Detta kan minska energiförbrukningen, driftskostnader och produktionstid vid industriella separationer.

Leds av Manish Kumar, docent vid Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin, forskargruppen beskriver sina nya högpresterande membran i ett färskt nummer av Naturmaterial .

Teamets nya filtreringsmembran uppvisar högre densitet av porer än den hos kommersiella membran och kan produceras mycket snabbare – på två timmar, jämfört med den flera dagar långa processen som används för närvarande. Tills nu, Att integrera proteinbaserade membran i nuvarande teknologi som används för industriella separationer har varit utmanande på grund av den tid som krävs för att skapa dessa membran och den låga tätheten av proteiner i resulterande membran.

Denna omfattande och samarbetande forskningsinsats samlade ingenjörer, fysiker, biologer och kemister från UT Austin, Penn State University, University of Kentucky, University of Notre Dame och företaget Applied Biomimetic. Arbetet presenterar den första end-to-end-syntesen av ett äkta proteinbaserat separationsmembran med porer mellan en halv nanometer och 1,5 nanometer i storlek. En nanometer är bara några gånger så stor som en vattenmolekyl och hundra tusen gånger mindre än bredden på ett människohår.

Membranen som skapas av teamet är biomimetiska, vilket betyder att de efterliknar system eller delar av naturen, och imitera de som finns naturligt i cellmembranen för att transportera vatten och näringsämnen. De publicerade nyligen ett annat papper som lyfte fram inspirationen till deras metod. Högdensitetspackning av dessa proteinkanaler till polymerark bildar proteinporer i membranet, liknande de som ses i mänskliga ögonlinser, men inom en icke-biologisk polymermiljö.

Tre olika biomimetiska membran tillverkades av teamet och visade en skarp, unik och avstämbar selektivitet med tre olika porstorlekar av membranproteinkanaler. De beskrivna metoderna kan anpassas med införande av proteinkanaler av olika porstorlekar eller kemi i polymermatriser för att utföra specifikt utformade separationer.

"Förr, försök att göra biomimetiska membran uppfyllde långt ifrån löftet om dessa material, uppvisar endast två till tre gånger förbättringar i produktivitet, sa Yu-Ming Tu, en doktorand i kemiteknik vid UT Austin och leder projektet. "Vårt arbete visar överraskande 20 till 1, 000 gångers förbättring av produktiviteten jämfört med kommersiella membran. På samma gång, vi kan uppnå liknande eller bättre separation av små molekyler, som sockerarter och aminosyror, från större molekyler, som antibiotika, proteiner och virus."

Denna höga produktivitet möjliggjordes av den mycket höga densiteten av porproteiner. Cirka 45 biljoner proteiner kan passa in på membranet, om det var storleken på ett amerikanskt kvartal; de skapade membranen var 10-20 gånger större i yta. Denna pordensitet är 10 till 100 gånger högre än konventionella filtreringsmembran med liknande porer i nanostorlek. Dessutom, alla porer i dessa membran har exakt samma storlek och form, så att de bättre kan behålla molekyler av önskad storlek.

"Detta är första gången som löftet om biomimetiska membran som involverar membranproteiner har översatts från molekylär skala till hög prestanda på membranskala, " sa Kumar. "Så länge, ingenjörer och vetenskapsmän har försökt hitta lösningar på problem bara för att ta reda på att naturen redan har gjort det och gjort det bättre. Nästa steg är att se om vi kan tillverka ännu större membran och att testa om de kan förpackas i plana ark och spirallindade moduler som de som är vanliga inom industrin."