Un equipo multidisciplinario de ingenieros y científicos ha desarrollado una nueva clase de membranas de filtración para una variedad de aplicaciones, desde la purificación del agua hasta las separaciones de moléculas pequeñas y los procesos de eliminación de contaminantes, que son más rápidos de producir y de mayor rendimiento que la tecnología actual. Esto podría reducir el consumo de energía, costos operacionales y tiempo de producción en separaciones industriales.

Dirigido por Manish Kumar, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin, el equipo de investigación describe sus nuevas membranas de alto rendimiento en un número reciente de Materiales de la naturaleza .

Las nuevas membranas de filtración del equipo demuestran una mayor densidad de poros que la de las membranas comerciales y se pueden producir mucho más rápido, en dos horas, versus el proceso de varios días que se utiliza actualmente. Hasta ahora, La integración de membranas a base de proteínas en la tecnología actual utilizada para las separaciones industriales ha sido un desafío debido a la cantidad de tiempo necesario para crear estas membranas y la baja densidad de proteínas en las membranas resultantes.

Este esfuerzo de investigación integral y colaborativo reunió a ingenieros, físicos, biólogos y químicos de UT Austin, Universidad Penn State, Universidad de Kentucky, Universidad de Notre Dame y la empresa Applied Biomimetic. El trabajo presenta la primera síntesis de un extremo a otro de una verdadera membrana de separación basada en proteínas con poros de entre medio nanómetro y 1,5 nanómetros de tamaño. Un nanómetro es solo unas pocas veces el tamaño de una molécula de agua y cien mil veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

Las membranas creadas por el equipo son biomiméticas, lo que significa que imitan sistemas o elementos de la naturaleza, e imitar los que ocurren naturalmente en las membranas celulares para transportar agua y nutrientes. Recientemente publicaron otro artículo que destaca la inspiración de su método. El empaquetamiento de alta densidad de estos canales de proteína en láminas de polímero forma poros de proteína dentro de la membrana, similares a los que se ven en las lentes del ojo humano, pero dentro de un entorno de polímero no biológico.

El equipo fabricó tres membranas biomiméticas diferentes que demostraron un selectividad única y sintonizable con tres tamaños de poros diferentes de canales de proteínas de membrana. Los métodos descritos se pueden adaptar con la inserción de canales de proteínas de diferentes tamaños de poros o químicas en matrices poliméricas para realizar separaciones específicamente diseñadas.

"En el pasado, Los intentos de fabricar membranas biomiméticas no cumplieron la promesa de estos materiales, demostrando solo dos o tres veces la mejora en la productividad, "dijo Yu-Ming Tu, estudiante de doctorado en ingeniería química de UT Austin y líder del proyecto. "Nuestro trabajo muestra un sorprendente 20 a 1, 000 veces la mejora de la productividad con respecto a las membranas comerciales. Al mismo tiempo, podemos lograr una separación similar o mejor de moléculas pequeñas, como azúcares y aminoácidos, de moléculas más grandes, como los antibióticos, proteínas y virus ".

Esta alta productividad fue posible gracias a la altísima densidad de proteínas de los poros. Aproximadamente 45 billones de proteínas pueden caber en la membrana, si fuera del tamaño de un cuarto de dólar estadounidense; las membranas creadas tenían un área de 10 a 20 veces mayor. Esta densidad de poros es de 10 a 100 veces mayor que la de las membranas de filtración convencionales con poros de tamaño nanométrico similares. Adicionalmente, todos los poros de estas membranas son exactamente del mismo tamaño y forma, permitiéndoles retener mejor las moléculas de los tamaños deseados.

"Esta es la primera vez que la promesa de las membranas biomiméticas que involucran proteínas de membrana se ha traducido de la escala molecular a un alto rendimiento a escala de membrana, "Dijo Kumar." Durante tanto tiempo, Los ingenieros y científicos han estado tratando de encontrar soluciones a los problemas solo para descubrir que la naturaleza ya lo ha hecho y lo ha hecho mejor. Los siguientes pasos son ver si podemos fabricar membranas aún más grandes y probar si se pueden empaquetar en láminas planas y módulos de tipo enrollado en espiral como los que son comunes en la industria ".