Uma equipe multidisciplinar de engenheiros e cientistas desenvolveu uma nova classe de membranas de filtração para uma variedade de aplicações, desde a purificação da água até separações de pequenas moléculas e processos de remoção de contaminantes, de produção mais rápida e com desempenho superior à tecnologia atual. Isso pode reduzir o consumo de energia, custos operacionais e tempo de produção nas separações industriais.

Liderado por Manish Kumar, professor associado da Escola de Engenharia Cockrell da Universidade do Texas em Austin, a equipe de pesquisa descreve suas novas membranas de alto desempenho em uma edição recente da Materiais da Natureza .

As novas membranas de filtração da equipe demonstram maior densidade de poros do que as membranas comerciais e podem ser produzidas muito mais rápido - em duas horas, versus o processo de vários dias usado atualmente. Até agora, integrar membranas baseadas em proteínas na tecnologia atual usada para separações industriais tem sido um desafio devido à quantidade de tempo necessária para criar essas membranas e à baixa densidade de proteínas nas membranas resultantes.

Este esforço de pesquisa abrangente e colaborativo reuniu engenheiros, físicos, biólogos e químicos da UT Austin, Penn State University, Universidade de Kentucky, Universidade de Notre Dame e a empresa Applied Biomimetic. O trabalho apresenta a primeira síntese ponta a ponta de uma verdadeira membrana de separação baseada em proteínas com poros entre meio nanômetro e 1,5 nanômetro de tamanho. Um nanômetro tem apenas algumas vezes o tamanho de uma molécula de água e cem mil vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano.

As membranas criadas pela equipe são biomiméticas, o que significa que eles imitam sistemas ou elementos da natureza, e imitar aqueles que ocorrem naturalmente nas membranas celulares para o transporte de água e nutrientes. Eles publicaram recentemente outro artigo destacando a inspiração para seu método. O empacotamento de alta densidade desses canais de proteína em folhas de polímero forma poros de proteína dentro da membrana, semelhantes aos vistos nas lentes do olho humano, mas dentro de um ambiente de polímero não biológico.

Três diferentes membranas biomiméticas foram fabricadas pela equipe e demonstraram uma capacidade seletividade única e ajustável com três tamanhos de poros diferentes de canais de proteínas de membrana. Os métodos descritos podem ser adaptados com a inserção de canais de proteína de diferentes tamanhos de poros ou químicas em matrizes de polímero para conduzir separações especificamente projetadas.

"No passado, tentativas de fazer membranas biomiméticas ficaram muito aquém da promessa desses materiais, demonstrando melhoria de apenas duas a três vezes na produtividade, "disse Yu-Ming Tu, um estudante de doutorado em engenharia química da UT Austin e líder no projeto. "Nosso trabalho mostra uma surpreendente taxa de 20 para 1, Melhoria de 000 vezes na produtividade em relação às membranas comerciais. Ao mesmo tempo, podemos conseguir uma separação semelhante ou melhor de pequenas moléculas, como açúcares e aminoácidos, de moléculas maiores, como antibióticos, proteínas e vírus. "

Essa alta produtividade foi possibilitada pela altíssima densidade de proteínas de poro. Aproximadamente 45 trilhões de proteínas podem se encaixar na membrana, se fosse do tamanho de um quarto dos EUA; as membranas criadas eram 10-20 vezes maiores em área. Essa densidade de poro é de 10 a 100 vezes maior do que as membranas de filtração convencionais com poros de tamanho nano semelhantes. Adicionalmente, todos os poros nessas membranas são exatamente do mesmo tamanho e formato, permitindo-lhes reter melhor as moléculas dos tamanhos desejados.

"Esta é a primeira vez que a promessa de membranas biomiméticas envolvendo proteínas de membrana foi traduzida da escala molecular para alto desempenho na escala da membrana, "Kumar disse." Por muito tempo, engenheiros e cientistas têm tentado encontrar soluções para problemas apenas para descobrir que a natureza já fez isso e fez melhor. As próximas etapas são ver se podemos fabricar membranas ainda maiores e testar se elas podem ser embaladas em folhas planas e módulos do tipo espiral, como os comuns na indústria. "