基于水通道蛋白的薄膜复合膜制造技术

本发明专利技术是关于一种薄膜复合膜，其中并有两亲媒性囊泡的薄选择性层由微孔基板支载。也揭示制备薄膜复合膜的方法及其用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是关于薄膜复合膜，其中水通道蛋白(aquaporin)水通道已并入活性层中。此外，本专利技术是关于一种制造该薄膜复合膜的方法及其在过滤制程(诸如奈米过滤及渗透过滤制程)中的用途。
技术介绍
随着世界范围内淡水及能源日益短缺，愈来愈多地关注海水及半咸水的淡化。使用诸多技术，诸如多效蒸馏(multi-effect distillation，MED)、多级闪蒸(multistage flash，MSF)及蒸汽压缩以及膜淡化(如逆渗透(reverse osmosis，RO)或奈米过滤(nanofiltration，NF))[1]。生物膜展示经由水通道蛋白(AQP)蛋白质跨渗透压梯度的水输送特性的最有效方式[2]，其中水信道蛋白结合于磷脂细胞膜中，水可自由通过生物膜而离子却不能。据估计由2000:1莫耳比的脂质/AQP组成的仿生膜将具有960L/m2·h的水渗透率，其远高于文献[3]中所提及的RO/FO膜的值。因此，基于AQP的仿生膜在水淡化、水回收及废水处理等领域中具有极大应用潜力。可开发人工膜来模拟天然细胞膜，此通过将AQP并入超薄两亲媒性脂质膜/两亲媒性嵌段共聚物膜中，及/或将AQP并入两亲媒性脂质/两亲媒性嵌段共聚物囊泡中，随后将含有AQP的囊泡并入作为载体的微孔基板(substrate)上的选择性层中来达成。美国专利7,208,089[4]「Biomimetic membranes」描述如何将膜蛋白并入膜中以实现水纯化。该专利技术的较佳形式描述利用朗缪耳-布罗基特槽(Langmuir-Blodgett trough)在25mm商用超滤盘的表面上沈积5nm厚的合成三嵌段共聚物及蛋白质单层，随后利用254nm UV光使聚合物交联。最后，用多孔PVDF膜覆盖单层表面以确保安全操作及防止边缘处渗漏。通过将装置安装在迫使加压水穿过膜的腔室中来对其进行分析。然而，尚无任何资料支持该膜在嵌有膜蛋白后良好地用于水淡化。美国专利7,857,978[5]「Membrane for filtering of water」描述如何使脂质双层并有AQP且配置成夹层结构以用于水纯化。然而，仍也无数据支持水淡化可用呈夹层结构的基于AQP的脂质双层膜进行。基于可获得的已发布的报告及研究，仍无任何公开专利或文献提及已成功地制造水信道分子(诸如AQP)并入选择性层中的水淡化膜。另一方面，已提示水纯化技术可通过将AQP蛋白质表现至脂质层囊泡中且将此等膜浇铸在多孔载体上来形成[5]。用此概念制造仿生膜的一些尝试已发表于文献[3,6,7]中。Nielsen等人提出用于水纯化或分离目的的仿生膜的设计，其中水通道蛋白质跨过隔板嵌入脂质或其他两亲媒性基质中，使用囊封及缓冲材料来支载膜[6]。基于该想法，制造仿生膜的一些尝试已实现且可见于公开文献中，其中跨过疏水性膜(诸如铁氟龙膜(Teflon film))的一或多个孔形成双层脂膜(BLM)的平面脂膜且利用水凝囊封高度交联以使最终膜稳定[11-13]。此外，Wong等人[7]提出双层脂膜(BLM)的独立平面脂膜可通过将脂质原位囊封于跨过铁氟龙隔板中的孔形成的(PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a)型三嵌段共聚物膜中来获得。Wang等人[3]提出经由在锚定至涂有金的多孔氧化铝的羧化聚乙二醇聚合物层表面上展布水通道蛋白Z(AqpZ)-1,2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DMPC)(DMPC-AqpZ)囊泡的孔隙悬浮仿生膜，且其主张根据停流量测法，基于DMPC-AqpZ囊泡的仿生膜的水渗透率为膜中仅育有DMPC脂质囊泡者的3,000倍。以上设计的主要顾虑为缺乏足够机械强度用于膜过滤、保证水通道蛋白的稳定性、避免膜缺陷及制造较大面积膜的制造技术的可缩放性。此外，以上文献均未展示膜对于淡化目的的适用性。最后，现有设计通常仅适用于制造较小膜面积(cm2级)。基于逆渗透(RO)的淡化在最近几十年内已经历迅速发展。当前海水RO膜通常为薄膜复合(TFC)型，其中通过二胺及均苯三甲酰氯单体的界面聚合形成约200nm的聚酰胺阻挡层。尽管相较于过去30年膜分离性质已得以显著改良，然而现代海水RO膜典型地具有约0.8Lm-2h-1bar-1的相对较低的水渗透率(Tang,C.Y.,Y.-N.Kwon及J.O.Leckie,Effect of membrane chemistry and coating layer on physiochemical properties of thin film composite polyamide RO and NF membranes II.Membrane physiochemical properties and their dependence on polyamide and coating layers.Desalination,2009.242(1-3):第168页至第182页)。同时，若干近期研究已集中于合成较高渗透率的RO膜，诸如基于沸石的薄膜奈米复合膜[Wang,H.,B.A.Holmberg及Y.Yan,Homogeneous polymer-zeolite nanocomposite membranes by incorporating dispersible template-removed zeolite nanocrystals Journal of Materials Chemistry2002.12:第4页]。然而，归因于受限水力渗透性的高能量消耗仍为TFC膜用于包括淡化在内的水过滤目的的障碍，参见Elimelech等人,The Future of Seawater Desalination:Energy,Technology,and the Environment；Science333,712(2011)。因此，本专利技术的一目的为提供水渗透率、机械强度及规模扩大潜力得以改良的薄膜复合膜。本专利技术的另一目标为提供能量需求降低因此适用于水淡化目的的薄膜复合膜。此外，本专利技术的一目的为提供过滤膜，其中功能性水信道蛋白水信道并入利用界面聚合反应在多孔膜基板表面上形成的薄膜复合层中。
技术实现思路
本专利技术是关于基于水通道蛋白的薄膜复合膜及其制备。超薄选择性层并有两亲媒性脂质-AQP/两亲媒性共聚物-AQP囊泡且由微孔基板支载。所得薄膜复合膜显示较高水通量，该水通量在脂质-AQP/共聚物-AQP囊泡并入薄膜复合活性层时甚至更高。两种膜类型对溶质离子保持类似且较高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜复合膜，其中并有两亲媒性囊泡的薄选择性层系由微孔基板(substrate)支载。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.21 US 61/537,3761.一种薄膜复合膜，其中并有两亲媒性囊泡的薄选择性层系由微孔基板
(substrate)支载。
2.如权利要求1的薄膜复合膜，其中该等两亲媒性囊泡含有水通道蛋白
(aquaporin)水通道。
3.如权利要求1或2的薄膜复合膜，其中该选择性层经由胺的水溶液与
酰氯于有机溶剂中的溶液的界面聚合形成，且其中两亲媒性水通道蛋白囊泡并
入该水溶液中。
4.如权利要求1至3中任一项的薄膜复合膜，其中该胺选自由间苯二胺
组成的群，该酰氯选自由均苯三甲酰氯(trimesoylchloride)组成的群，且该有机
溶剂选自由正已烷、环己烷组成的群。
5.如权利要求1至4中任一项的薄膜复合膜，其中该等两亲媒性囊泡是
由选自由脂质、嵌段共聚物及其混合物组成的群的两亲媒性物质制备。
6.如权利要求5的薄膜复合膜，其中该等脂质选自DPhPC、DOPC及大
肠杆菌(E.coli)混合脂质。
7.如权利要求6的薄复合膜，其并有水信道蛋白水信道，另外包含在脂
质体积的20莫耳％至40莫耳％范围内的胆固醇。
8.如权利要求5的薄膜复合膜，其中该两亲媒性物质选自嵌段共聚物，
诸如亲水物-疏水物-亲水物(A-B-A或A-B-C)类型的三嵌段共聚物或亲水物
-疏水物类型(A-B)的二嵌段共聚物。
9.如权利要求8的薄膜复合膜，其中该三嵌段共聚物选自
PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a，更特定言之PMOXA15-PDMS67-PMOXA15、
PMOXA15-PDMS110-PMOXA15、PMOXA15-PDMS119-PMOXA15及
PMOXA6-PDMS35-PMOXA6或该三嵌段共聚物可为非离子清洁剂，诸如
EO10PO30EO10及EO12PO56EO12。
10.如权利要求8的薄膜复合膜，其中该二嵌段...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤初阳，邱长泉，赵阳，沈文明，亚查拉朋·维拉瓦塔纳维屈，王蓉，胡晓，杰米·托瑞斯，安东尼·G·范恩，克劳斯·海力克斯尼尔森，
申请(专利权)人：南洋理工大学，水道蛋白公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG