Les pores protéiques emballés dans des polymères font des membranes de filtration super efficaces

Une équipe multidisciplinaire d'ingénieurs et de scientifiques a développé une nouvelle classe de membranes de filtration pour une variété d'applications, de la purification de l'eau à des séparations de petite molécule aux processus d'élimination des contaminants, qui sont plus rapides à produire et plus performants que la technologie actuelle. Cela pourrait réduire la consommation d'énergie, les coûts opérationnels et le temps de production dans les séparations industrielles.

Dirigée par Manish Kumar, professeur agrégé à la Cockrell School of Engineering de l'Université du Texas à Austin, l'équipe de recherche décrit leurs nouvelles membranes hautes performances dans un récent numéro de Nature Materials.
water filter

Les nouvelles membranes de filtration de l'équipe démontrent une densité de pores plus élevée que celle des membranes commerciales et peuvent être produites beaucoup plus rapidement dans deux heures, par rapport au processus de plusieurs jours actuellement utilisé. Jusqu'à présent, l'intégration des membranes à base de protéines dans la technologie actuelle utilisée pour les séparations industrielles a été difficile en raison du temps nécessaire pour créer ces membranes et de la faible densité des protéines dans les membranes résultantes.

Cet effort de recherche complet et collaboratif a réuni des ingénieurs, des physiciens, des biologistes et des chimistes de l'UT Austin, de la Penn State University, de l'Université du Kentucky, de l'Université de Notre Dame et de la société appliquée biomimétique. Le travail présente la première synthèse de bout en bout d'une véritable membrane de séparation à base de protéines avec des pores entre un demi-nanomètre et 1,5 nanomètres. Un nanomètre n'est que quelques fois la taille d'une molécule d'eau et cent mille fois plus petite que la largeur des cheveux humains.

Les membranes créées par l'équipe sont biomimétiques, ce qui signifie qu'ils imitent les systèmes ou les éléments de la nature, et imitent ceux qui se produisent naturellement dans les membranes cellulaires pour transporter l'eau et les nutriments. Ils ont récemment publié un autre article mettant en évidence l'inspiration de leur méthode. L'emballage à haute densité de ces canaux protéiques dans des feuilles de polymère forme des pores protéiques dans la membrane, similaires à ceux observés dans les lentilles oculaires humaines, mais dans un environnement polymère non biologique.

Trois membranes biomimétiques différentes ont été fabriquées par l'équipe et ont démontré une sélectivité nette, unique et accordable avec trois tailles de pores différentes de canaux protéiques membranaires. Les méthodes décrites peuvent être adaptées avec l'insertion de canaux protéiques de différentes tailles de pores ou chimies dans des matrices de polymère pour effectuer des séparations spécialement conçues.

"Dans le passé, les tentatives de fabrication de membranes biomimétiques ont chuté de la promesse de ces matériaux, démontrant seulement deux à trois fois l'amélioration de la productivité", a déclaré Yu-Ming Tu, un doctorant UT Austin en génie chimique et en menant sur le projet. "Nos travaux montrent une amélioration surprenante de 20 à 1 000 fois de la productivité par rapport aux membranes commerciales. En même temps, nous pouvons réaliser une séparation similaire ou meilleure de petites molécules, comme les sucres et les acides aminés, à partir de molécules plus grandes, comme les antibiotiques, les protéines et les virus . "

Cette productivité élevée a été rendue possible par la très haute densité des protéines pores. Environ 45 billions de protéines peuvent s'adapter sur la membrane, si elle avait la taille d'un quartier américain; Les membranes créées étaient 10 à 20 fois plus grandes dans la zone. Cette densité des pores est 10 à 100 fois plus élevée que les membranes de filtration conventionnelles avec des pores de taille nano-nano. De plus, tous les pores de ces membranes sont exactement de la même taille et de la même forme, leur permettant de mieux conserver les molécules des tailles souhaitées.

"C'est la première fois que la promesse de membranes biomimétiques impliquant des protéines membranaires est traduite de l'échelle moléculaire à des performances élevées à l'échelle de la membrane", a déclaré Kumar. "Depuis si longtemps, les ingénieurs et les scientifiques ont essayé de trouver des solutions aux problèmes pour découvrir que la nature l'a déjà fait et l'a fait mieux. Les prochaines étapes sont de voir si nous pouvons fabriquer des membranes encore plus grandes et tester s'ils peuvent être Emballé en modules de feuille plate et en spirale comme celles communes dans l'industrie. "