ВЕЗИКУЛЫ НА ОСНОВЕ ДИБЛОК-СОПОЛИМЕРОВ И РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ МЕМБРАНЫ, СОДЕРЖАЩИЕ АКВАПОРИНОВЫЕ ВОДНЫЕ КАНАЛЫ, И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК B01D69/12 B01D61/02 B01D71/70 B01D71/80 C08G77/452 C12N11/00 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к везикулам на основе амфифильного диблок-сополимера, содержащим трансмембранные белки, такие как аквапориновые водные каналы (AQP - от англ. aquaporin), и к фильтрующим мембранам, содержащим данные везикулы. Настоящее изобретение дополнительно относится к способам получения данных везикул и содержащих их разделительных мембран и к применениям указанных мембран.

Предшествующий уровень техники

Применение амфифильных липидов и блок-сополимеров для образования самоорганизующихся везикул, имеющих бислойные или бислой-подобные структуры, хорошо известно в данной области, в частности, для иммобилизации амфифильных мембранных белков, таких как аквапориновые водные каналы (AQP). В таком случае везикулы, содержащие AQP, могут использоваться для получения мембран, имеющих иммобилизованные AQP, для таких применений, как очистка воды (WO 2006/122566) или генерация энергии градиента солености (WO 2007/033675), обычно посредством осаждения везикул в виде слоя или в пленке на подложке, что делает возможным селективное прохождение молекул воды через данные мембраны посредством нанофильтрации, обратного осмоса, прямого осмоса или ограниченного давлением осмоса.

В WO 2013/043118 раскрыты тонкопленочные композитные (TFC - от англ. thin film composite) мембраны, в которых аквапориновые водные каналы (AQP) включены в активный слой мембраны. Кроме того, в ней раскрыт способ получения тонкопленочных композитных мембран и их применения в способах фильтрации, таких как нанофильтрация и способы осмотической фильтрации. TFC мембраны содержат везикулы на основе липида-AQP/сополимера-AQP, которые включены в TFC активный слой. В WO 2010/146365 описано получение фильтрующих мембран на основе TFC-аквапорина-Z (AqpZ), в которых в качестве вещества, образующего везикулу, используется амфифильный триблок-сополимер для включения иммобилизованных AQP. В WO 2014/108827 раскрыт половолоконный (HF - от англ. hollow-fiber) модуль, имеющий волокна, модифицированные тонкопленочным композитным (TFC) слоем, содержащим аквапориновые водные каналы, где аквапориновые водные каналы включаются в везикулы на основе липида или блок-сополимера перед включением в TFC слой.

Однако, обычно в предшествующем уровне техники амфифильные липиды и блок-сополимеры, используемые в получении везикул, являются твердыми веществами, которые необходимо растворять в агрессивных растворителях, таких как тетрахлорметан (CCl₄) или хлороформ (CHCl₃), для солюбилизации их преимущественно гидрофобных частей. В синтезе мембран данный растворитель выпаривают для обеспечения образования пленки, которую затем регидратируют для привнесения амфифильности в разные эмульсионные формы (такие как везикулы) с одновременным включением мембранного белка AQP. Однако, на практике часто бывает сложно контролировать конечный размер везикул, что приводит к получению дисперсных эмульсий, имеющих везикулы с диаметром, находящимся в интервале от примерно 60-80 нм до примерно 1000 нм или более. Также могут существовать ограничения по числу AQP, которое может быть включено в каждую везикулу, поскольку данные мембранные белки должны быть выровнены в соответствии с их амфифильной структурой в бислойной структуре и по совпадению толщины гидрофобной части белка и везикулярной мембраны.

Краткое изложение сущности изобретения

В общем настоящее изобретение относится к применению диблок-сополимеров PMOXA-PDMS (от англ. poly(2-methyloxazoline)-block-poly(dimethyl siloxane) - поли(2-метилоксазолин-блок-поли(диметилсилоксан)) с образованием самоорганизующихся везикул с трансмембранными белками, такими как аквапориновые водные каналы. В таком случае аквапориновые везикулы можно использовать в получении разделительных мембран, в которых трансмембранные белки включены или иммобилизованы и являются активными, например, для обеспечения прохождения молекул воды через мембрану. Например, для получения разделительных мембран, содержащих трансмембранные белки, везикулы могут быть добавлены в водную жидкую композицию, содержащую ароматический амин, такой как диамин или триамин, например, 1,3-диаминобензол (MPD), наносимую на поверхность селективно проницаемой или полупроницаемой подложки, которая при приведении в контакт с раствором хлорангидрида в органическом растворителе будет осаждаться в реакции межфазной полимеризации с образованием тонкопленочного композитного активного или селективного слоя на указанной подложке с образованием, таким образом, разделительной мембраны, в которой указанные везикулы становятся иммобилизованными или включенными. Таким образом, согласно настоящему изобретению предложена везикула в жидкой композиции, содержащая амфифильный диблок-сополимер типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d в качестве вещества, образующего везикулярную мембрану, дополнительно содержащая в качестве добавки примерно от 0,05% до примерно 1 об./об. % PDMS_e-f, функционализированного реакционноспособной концевой группой, и трансмембранный белок.

В определенном аспекте PMOXA_a-b-PDMS_c-d везикулы выбран из группы, состоящей из PMOXA_10-40-PDMS_25-70 и их смесей. Для повышения устойчивости везикулы может быть предпочтительным применение смеси, которая содержит по меньшей мере первый амфифильный диблок-сополимер общей формулы PMOXA_10-28-PDMS_25-70 и второй амфифильный диблок-сополимер общей формулы PMOXA_28-40-PDMS_25-70. Массовое соотношение первого и второго амфифильного диблок-сополимера обычно находится в интервале от 0,1:1 до 1:0.1. Концентрация амфифильного диблок-сополимера в жидкой композиции обычно находится в интервале от 0,1 до 50 мг/мл, как например, от 0,5 до 20 мг/мл, и предпочтительно от 1 до 10 мг/мл.

PDMS_e-f, функционализированный реакционноспособной концевой группой (поли(диметилсилоксан), функционализированный реакционноспособной концевой группой), везикулы может быть функционализирован одной, двумя или более амино-, карбоксильными и/или гидроксигруппами. Подходящим образом, целое число е выбрано в интервале от 20 до 40, как например, 30, и целое число f выбрано из интервала от 40 до 80, как например 50. В определенном аспекте изобретения PDMS_e-f, функционализированный реакционноспособной концевой группой, представляет собой PDMS_e-f с со следующими концевыми группами: бис(аминоалкил), бис(гидроксиалкил) или бис(алкилкарбоновая кислота), как например, поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце или поли(диметилсилоксан) с бис(3-гидроксипропилом) на конце. Кроме того, PDMS_e-f, функционализированный реакционноспособной концевой группой, может быть выбран из группы, состоящей из H₂N-PDMS_30-50, HOOC-PDMS_30-50 и HO-PDMS_30-50 и их смесей, в качестве сшивающего агента.

Везикула по изобретению может дополнительно содержать примерно от 1 об./об. % до примерно 12 об./об. % триблок-сополимера типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d-PMOXA_a-b для увеличения своей целостности. Обычно, указанная везикула содержит от примерно 8 об./об. % до примерно 12 об./об. % триблок-сополимера типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d-PMOXA_a-b. Триблок-сополимер типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d-PMOXA_a-b обычно выбран из РМОХА_10-20-PDMS_25-70-PMOXA_10-20.

Везикула в жидкой композиции по изобретению может дополнительно содержать агент, улучшающий поток, либо для возрастания потока воды либо для уменьшения обратного солевого потока. Агент, улучшающий поток, может быть выбран из большой группы соединений, где обычно предпочтительным является моноалкиловый эфир алкиленгликоля, бета-циклодекстрин или полиэтиленгликоль (15)-гидроксистеарат. Агент, увеличивающий поток, обычно находится в количестве от 0,1% до 1 масс. % жидкой композиции.

В то время, как любой трансмембранный белок может быть включен в вещество мембраны, раскрытое в настоящем изобретении, обычно желательно применять трансмембранный белок, который транспортирует ионы (ионные каналы) или воду (аквапориновые водные каналы). Ионные каналы включают хлоридные каналы и транспортеры ионов металлов. Хлоридные каналы помимо хлорид-иона также проводят HCO₃^-, I^-, SCN^- и NO₃^- в некоторых трансмембранных белках. Транспортеры ионов металлов включают транспортеры магния, калиевые ионные каналы, натриевые ионные каналы, кальциевые каналы, протонные каналы и т.д.

В предпочтительном воплощении изобретения трансмембранный белок представляет собой аквапориновый водный канал. Аквапориновые водные каналы облегчают транспорт воды в клетку или из клетки. В промышленной мембране аквапориновые водные каналы обеспечивают поток воды посредством осмоса, в то время как другие растворенные вещества в растворе задерживаются.

Везикула по изобретению может находиться в жидкой композиции перед иммобилизацией в мембране, как например, TFC слой, предоставленный на мембране-подложке. Жидкая композиция может содержать буфер для стабилизации везикул. Перед тем, как трансмембранный белок, такой как аквапорин, смешивают с другими компонентами, соответственно трансмембранный белок солюбилизируют в детергенте. Солюбилизация трансмембранного белка в детергенте предотвращает или устраняет тенденцию трансмембранного белка к осаждению в водном растворе. Таким образом, везикулы в жидкой композиции могут дополнительно содержать детергент или поверхностно-активное вещество. Детергент может быть выбран из группы, состоящей из лаурилдиметиламин N-оксида (LDAO - от англ. Lauryldimethylamine N-oxide), октилглюкозида (OG - от англ. octyl glucoside), додецилмальтозида (DDM - от англ. dodecyl maltoside) или их комбинаций.

Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, полагают, что везикулы, содержащие свободные доступные реакционноспособные группы на поверхности, будут не только физически включены или иммобилизованы (адсорбированы), но и, кроме того, химически связаны в TFC слое, поскольку реакционноспособные свободные концевые группы, такие как аминогруппы, гидроксильные группы и карбоксильные группы, будут осаждаться в межфазной реакции полимеризации с ацилхлоридом, таким как тримезоилхлорид (ТМС - от англ. trimesoyl chloride). Таким образом, полагают, что везикулы будут ковалентно связаны в TFC слое, приводя к относительно более высокой загрузке везикулы и, таким образом, более высокому потоку воды через мембраны. Кроме того, полагают, что ковалентное связывание везикул в TFC слое приводит к более высокой стабильности и/или долговечности AQP и AQP-везикул при включении в селективном слое мембраны.

Везикулы могут быть получены в жидкой композиции, включающей трансмембранный белок, включая стадию перемешивания смеси раствора амфифильного диблок-сополимера типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d, от 0,05% до примерно 1% PDMS_e-f, функционализированного реакционноспособной концевой группой, и трансмембранного белка. Для получения наилучшего результата перемешивание продолжается в течение 12-16 часов. Предпочтительные аспекты способа получения изложены выше.

Согласно настоящему изобретению также предложены новые разделительные мембраны, такие как фильтрующие мембраны, такие как TFC мембраны, имеющие AQP, включенные в активный слой для облегчения водного транспорта, где AQP включены в бислойные мембранные везикулы на основе амфифильного полимера. Согласно настоящему изобретению дополнительно предложены жидкие композиции, содержащие везикулы, которые могут быть иммобилизованы в активном слое или задерживающем слое разных разделительных мембран (таких как фильтрующие мембраны), таких как нанофильтрующие мембраны, мембраны прямого осмоса или мембраны обратного осмоса.

Изобретение также относится к получению тонкопленочного композитного слоя, иммобилизующего везикулы, включающие трансмембранный белок, на пористой мембране-подложке. Способ включает следующие стадии: предоставление смеси везикул в жидкой композиции, полученных как раскрыто выше, и диамино- или триаминосоединения, покрытие поверхности пористой мембраны-подложки данной смесью, нанесение гидрофобного раствора, содержащего соединение ацилгалогенид, и обеспечение осуществления водным раствором и гидрофобным раствором реакции межфазной полимеризации с образованием тонкопленочного композитного слоя. В определенном воплощении изобретения гидрофобный раствор дополнительно содержит агент, модифицирующий TFC слой, в количестве от 0,1 до 10 об. %. Агент, модифицирующий TFC слой, нацелен на увеличение водного потока и/или задерживание растворенных веществ. В подходящем воплощении агент, модифицирующий TFC слой, представляет собой C3-C8 карбонильное соединение. В качестве примера агент, модифицирующий TFC слой, выбран среди группы, состоящей из диэтиленкетона, 2-пентанона, 5-пентанона, и/или циклопентанона.

Диаминосоединение может быть выбрано из целого ряда соединений, включая, например, фенилендиамины, такие как м-фенилендиамин, п-фенилендиамин, 2,5-дихлор-п-фенилендиамин, 2,5-дибром-п-фенилендиамин, 2,4,6-трихлор-м-фенилендиамин, 2,4,6-трибром-м-фенилендиамин, и т.д.; диаминобифенилы, такие как 2,2'-диаминобифенил, 4,4'-диаминобифенил, 3,3'-дихлор-4,4'-диаминобифенил, 3,5,3',5'-тетрабром-4,4'-диаминобифенил и т.д.; диаминодифенилметаны, такие как 4,4'-диаминодифенилметан, 3,3'-диаминодифенилметан, 2,2'-диаминодифенилметан, 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметан, 2,2'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметан, 3,5,3',5'-тетрахлор-4,4'-диаминодифенилметан, 3,5,3',5'-тетрабром-4,4'-диаминодифенилметан и т.д.; диаминобибензилы, такие как 4,4'-диаминобибензил, 3,5,3',5'-тетрабром-4,4'-диаминобибензил и т.д.; 2,2-бисаминофенилпропаны, такие как 2,2-бис(4'-аминофенил)пропан, 2,2-бис(3',5'-дихлор-4'-аминофенил)пропан, 2,2-бис(3',5'-дибром-4'-аминофенил)пропан и т.д..; диаминодифенилсульфоны, такие как 4,4'-диаминофенилсульфон, 3,5,3',5'-тетрахлор-4,4'-диаминодифенилсульфон, 3,5,3',5'-тетрабром-4,4'-диаминодифенилсульфон и т.д.; диаминобензофеноны, такие как 4,4'-диаминобензофенон, 2,2'-диаминобензофенон, 3,3'-дихлор-4,4'-диаминобензофенон, 3,5,3',5'-тетрабром-4,4'-диаминобензофенон, 3,5,3',5'-тетрахлор-4,4'-диаминобензофенон и т.д.; простые диаминодифениловые эфиры, такие как простой 3,3'-диаминодифениловый эфир, простой 4,4'-диаминодифениловый эфир, простой 3,3'-дибром-4,4'-диаминодифениловый эфир и т.д.; пиперазин, N-фенил-бензол-1,3 диамин, меланин и смеси таких соединений. В предпочтительном аспекте в качестве диамина выбран м-фенилендиамин (MPD - от англ. m-phenylenediamine), также известный как 1,3-диаминобензол.

Триаминосоединение может быть выбрано из целого ряда соединений, включая, например, диэтилентриамин, дипропилентриамин, фенилентриамин, бис(гексаметилен)триамин, бис(гексаметилен)триамин, бис(3-аминопропил)амин, гексаметилендиамин, N-талловалкилдипропилен, 1,3,5-триазин-2,4,6-триамин и смеси данных соединений.

Соединение ацилгалогенид обычно имеет две или три ацилгалогенидные группы, доступные для реакции с ди- или триаминосоединением. Подходящие примеры соединений диацилгалогенид или триацилгалогенид включают тримезоилхлорид (ТМС - от англ. trimesoyl chloride), тримезоилбромид, изофталоилхлорид (IPC - от англ. isophthaloyl chloride), изофталоилбромид, терефталоилхлорид (ТРС - от англ. terephthaloyl chloride), терефталоилбромид, адипоилхлорид, цианурхлорид и смеси данных соединений.

Аминогруппы диамино- или триаминосоединения будут конкурировать с хлорангидридными группами соединения ацилгалогенид на протяжении реакции. Обычно массовое отношение диамино- или триаминосоединения к соединению ацилгалогенид составляет от 0:1 до 30:1. Когда требуется высокая плотность везикул на поверхности, количество диамино- или триаминогрупп обычно находится в нижней части интервала, то есть от 0:1 до 1:1, как например, от 0:1 до 0,5:1. В других воплощениях изобретения является желательным более жесткий TFC слой, и выбор реагентов находится в верхней части интервала, как например, от 1:1 до 30:1, предпочтительно от 1:1 до 5:1.

Пористая мембрана-подложка может быть образована целым рядом веществ. Конкретный выбор вещества не является существенным при условии, что мембрана-подложка способна достаточно поддерживать TFC слой и противостоять разложению в рабочих условиях, то есть способна противостоять давлению и/или воздействию химической окружающей среды на обе стороны мембраны. Конкретные примеры веществ для пористой мембраны-подложки включают полимер полисульфон или полиэфирсульфон. Подложка может быть симметричной или асимметричной. В случае, когда пористая мембрана-подложка является асимметричной, TFC слой соответственно образуется на лицевой поверхности поверхностного слоя.

Пористая мембрана-подложка может дополнительно поддерживаться тканевой или нетканевой механической подложкой в некоторых воплощениях для усиления механической конструкции и снижения риска возникновения трещин во время функционирования.

Пористая мембрана-подложка может иметь любой физический внешний вид, известный в данной области, как например, плоская листовая мембрана, трубчатая мембрана или половолоконная мембрана. В определенном аспекте изобретения половолоконная мембрана является предпочтительной, так как она обеспечивает более высокую плотность упаковки, то есть активная площадь мембраны больше для определенного объема. Мембраны можно группировать вместе или собирать в модуль, как известно в данной области. Таким образом, множество плоских листовых мембран можно собирать в плиточно-рамную конфигурацию мембраны. В плиточно-рамных мембранных системах используются мембраны, уложенные сверху плиточной структуры, которая, в свою очередь, удерживается вместе посредством каркасной подложки.

Плоские листовые мембраны могут также собираться в модули спирально-навитых фильтров. Помимо плоских листовых мембран модули спирально-навитых мембран включают подающие спейсеры и спейсеры для отвода фильтрата, обернутые вокруг полой трубы, называемой трубой для отвода фильтрата. В спирально-навитых элементах используется технология поперечного потока и из-за их конструкции они могут быть легко созданы в разных конфигурациях с варьированием длины, диаметра и материала мембраны. Модуль спирально-навитого фильтра может быть получен сначала посредством расположения мембраны и затем сгибания ее наполовину поверхностным слоем мембраны вовнутрь. Затем между сложенными мембранами вкладывают подающий спейсер с образованием мембранной структуры типа «сэндвич». Целью подающего спейсера служит обеспечение пространства для потока воды между поверхностями мембран и обеспечение равномерного потока между мембранными листами. Далее, спейсер для отвода фильтрата присоединяют к трубе для отвода фильтрата, и полученную ранее мембранную структуру типа «сэндвич» присоединяют к спейсеру для отвода фильтрата с использованием клея. Далее, слой фильтрата укладывают и герметизируют клеем, и весь процесс повторяют до тех пор, пока все требуемые спейсеры для отвода фильтрата не будут присоединены к мембранам. Затем готовые слои мембраны обматывают вокруг трубы, создавая форму спирали.

Модули трубчатых мембран представляют собой трубкообразные структуры с пористыми стенками. Трубчатые модули работают на основе тангенциального поперечного потока и обычно используются для обработки сложных потоков подачи, таких как потоки с высокорастворенными твердыми веществами, высокосуспендированными твердыми веществами, и/или нефтью, смазкой или жирами. Трубчатые модули состоят минимум из двух труб; внутренняя труба, называемая мембранной трубой, и внешняя труба, которая представляет собой кожух. Подаваемый поток проходит по длине мембранной трубы и отфильтровывается во внешний кожух, в то время, как концентрат собирается на противоположном конце мембранный трубы.

Половолоконные мембраны могут быть собраны в модуль. Таким образом, согласно настоящему изобретению предложена стадия получения половолоконного модуля посредством сборки пучка полых волокон в корпус, где входное отверстие для прохождения первого раствора соединено с просветом полых волокон на одном конце и выпускное отверстие соединено с просветом на другом конце, и в корпусе предоставлено впускное отверстие для прохождения второго раствора к выходному отверстию, соединенному с корпусом.

Мембранные модули, полученные в соответствии с настоящим изобретением, могут быть использованы в разных конфигурациях, включая конфигурации прямого осмоса и конфигурации обратного осмоса.

Таким образом, когда указанный трансмембранный белок включает ионный канал или аквапорин или тому подобное, и указанные наноструктуры, содержащие указанный трансмембранный белок, иммобилизованы или включены в указанный активный или селективный слой, становится возможным изготовить новые разделительные мембраны или фильтрующие мембраны, имеющие различную селективность и транспортные свойства, например, ионообменные мембраны, когда указанный трансмембранный белок представляет собой ионный канал, или мембраны для фильтрации воды, когда указанный трансмембранный белок представляет собой аквапорин. Поскольку трансмембранный белок поддерживает свою биологически активную свернутую структуру при объединении в самоорганизующиеся наноструктуры, где он может быть защищен от деградации, даже чувствительные амфифильные белки могут становиться достаточно стабильными и, таким образом, сохранять свою желательную функциональность при преобразовании в разделительные мембраны в масштабе лаборатории и промышленном масштабе.

Кроме того, настоящее изобретение относится к жидкой композиции, содержащей везикулы, включающие трансмембранный белок, где указанный трансмембранный белок представляет собой аквапориновый водный канал, как описано выше, и дополнительно содержащей детергент и возможно содержащей буфер триблок-сополимера, и способу получения указанной жидкой композиции.

Новая разделительная мембрана по изобретению является полезной в способе получения чистого водного фильтрата, как например, в фильтровании водного раствора через разделительную мембрану в процессе нанофильтрации или в процессе обратного осмоса. В целях данного документа термин «разделительная мембрана» включает селективно проницаемые мембраны и полупроницаемые мембраны для фильтрации воды и отделения воды, такие как ассиметричные мембраны, содержащие слой микро- или нанопористой подложки, образующие, с одной стороны, селективный слой, такой как тонкий слой поперечно-сшитого ароматического полиамида, или пленка или слой альтернативно заряженных полиэлектролитов (L-B-L - от англ. layer-by-layer - послойно), и, с другой стороны, укрепленные тканевым или нетканевым слоем или сеткой, обычно сделанной из полиэфирных волокон.

Кроме того, новая разделительная мембрана по изобретению является полезной в способе концентрирования раствора продукта, причем указанный способ включает использование разделительной мембраны по изобретению, установленной в корпусе фильтра или модуле, для экстракции воды из раствора продукта, например, посредством прямого осмоса.

Различные аспекты изобретения включают половолоконный модуль (HF), имеющий половолоконные мембраны, модифицированные селективным слоем, содержащие жидкую композицию аквапорина по изобретению; и где указанный селективный слой содержит тонкопленочный композитный (TFC) слой, образованный на внутренней поверхности волокон в результате реакции межфазной полимеризации; и где указанный TFC слой содержит аквапориновые водные каналы, которые включены в амфифильные везикулы, такие как везикулы на основе диблок- или триблок-сополимера, пример которых описан ниже в примерах.

Новая разделительная мембрана по изобретению может быть дополнительно полезна в способе получения энергии градиента солености с использованием ограниченного давлением осмоса, причем указанный способ включает использование указанной разделительной мембраны для увеличения гидростатического давления и использование увеличения гидростатического давления в качестве источника энергии градиента солености, см. также WO 2007/033675 и WO 2014128293 (А1).

Воплощения настоящего изобретения теперь будут описаны в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на прилагаемые примеры. Однако, разные другие аспекты и воплощения настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области, принимая во внимание настоящее раскрытие.

Термин «и/или», в том виде, в котором он используется в данном документе, следует воспринимать как особо оговоренное раскрытие каждого из данных двух указанных признаков или компонентов с другим или без другого. Например, «А и/или В» следует воспринимать как особо оговоренное раскрытие каждого из (i) A, (ii) В и (iii) А и В, как если бы каждый был изложен в данном документе по отдельности.

Если контекстом не диктуется иное, описания и определения признаков, изложенных выше, не ограничиваются каким-либо конкретным аспектом или воплощением изобретения и в равной степени применимы ко всем аспектам и воплощениям, которые описаны.

Подробное описание изобретения

Более конкретно, изобретение относится к везикулам, как раскрыто в данном документе, где везикула содержит амфифильный диблок-сополимер типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d, возможно содержащая от примерно 0,5% до меньше чем примерно 8-10 об./об. % триблок-сополимера типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d-PMOXA_a-b в качестве вещества, образующего мембрану, и дополнительно содержащая в качестве добавки от примерно 0,01% до примерно 0,2 об./об. % гидрофобного PDMS_e-f, функционализированного концевой группой, и трансмембранный белок.

Примеры указанного PDMS, функционализированного концевой группой, представляют собой, например, PDMS_e-f с бис(аминоалкилом) или бис(гидроксиалкилом) на конце, где e-f представляет интервал от 30 до 50, как например поли(диметилсилоксан) с бис(аминопропилом) на конце, имеющий формулу, показанную ниже в данном документе, где (номер CAS 106214-84-0, продукт Aldrich №481246, средняя Mn (среднечисловая молекулярная масса) примерно 5600, или номер CAS 106214-84-0, продукт №481696 Aldrich, средняя Mn примерно 27000):

и поли(диметилсилоксан) с бис(гидроксиалкилом) на конце, имеющий формулу, показанную ниже в данном документе, где n представляет собой приблизительно от 30 до 50 и оба m и p представляют собой целые числа от 2 до 5, как например, 3 или 4 (номер CAS 156327-07-0, продукт Aldrich №481246, средняя Mn приблизительно 5600):

Примеры трансмембранных белков представляют собой аквапориновые водные каналы, то есть аквапорины и акваглицеропорины, такие как аквапорины и акваглициропорины, перечисленные в определениях ниже.

Кроме того, изобретение относится к способу получения жидкой композиции, как раскрыто, в котором раствор амфифильного диблок-сополимера типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d, возможно содержащий примерно 2-10% триблок-сополимера типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d-PMOXA_a-b в качестве добавки и от примерно 0,05% до примерно 1% PDMS_e-f, функционализированного реакционноспособной концевой группой, в качестве сшивающего агента, смешивают с трансмембранным белком.

В качестве примера, активный слой может представлять собой тонкий пленочный композитный слой, образованный на мембране-подложке. TFC мембрана может быть образована с использованием альтернативных компонентов реакции, например, как описано Choumou Zhou et al. в Journal of Membrane Science, Volume 471, 1 December 2014, Pages 381-391 «Thin-film composite membranes formed by interfacial polymerization with natural material sericin and trimesoyl chloride for nanofiltration». Высокоселективный активный сой может быть также образован на субстрате посредством послойного способа (см. Wang et al., Membranes, 5(3): 369-384, 2015).

Фильтрующая мембрана согласно изобретению может быть получена посредством добавления жидкой композиции, содержащей указанные везикулы на основе диблок-сополимера, например, с белками - аквапориновыми водными каналами в качестве трансмембранного белка во время процесса изготовления мембраны, как например, посредством добавления жидкой композиции к водному раствору MPD при образовании TFC слоя.

В одном аспекте способа по изобретению трансмембранный белок может представлять собой белок - анионный канал, такой как потенциалзависимые анионные каналы, который полезен в получении ионообменных мембран для обращенного электродиализа, см. также Dlugolecki et al. (Journal of Membrane Science, 319 214-222, 2008).

Определения и Термины

Термин «трансмембранный белок» (TP - от англ. transmembrane protein), в том виде, в котором он используется в данном документе, представляет собой тип мембранного белка, охватывающего всю полноту биологической мембраны, к которой он в природе постоянно прикреплен. То есть, в природе трансмембранные белки охватывают мембрану от одной стороны мембраны вплоть до другой стороны мембраны. Примерами трансмембранных белков являются транспортеры аммония, транспортеры мочевины, хлоридные каналы и аквапориновые водные каналы.

Термин «аквапориновый водный канал», в том виде, в котором он используется в данном документе, включает функциональный природный или синтетический аквапориновый или акваглицеропориновый водный канал, такой как аквапорин Z (AqpZ), GIPf, SoPIP2;1, аквапорин 1 и/или аквапорин 2. Аквапориновые водные каналы включают аквапорины бактерий и аквапорины эукариот, такие как аквапорины дрожжей, аквапорины растений и аквапорины млекопитающих, а также родственные каналообразующие белки, такие как акваглицеропорины. Примеры аквапоринов и акваглицеропоринов включают: аквапорины прокариот, такие как AqpZ; аквапорины млекопитающих, такие как Aqp1 и Aqp2; аквапорины растений, такие как внутренние белки плазмы (PIP - от англ. plasma intrinsic protein), внутренние белки тонопласта (TIP - от англ. tonoplast intrinsic protein), внутренние белки-нодулины (NIP - от англ. nodulin intrinsic protein) и малые внутренние белки (SIP - от англ. small intrinsic protein), например, SoPIP2;1, PttPIP2;5 и PtPIP2;2; аквапорины дрожжей, такие как AQY1 и AQY2; и акваглицеропорины, такие как GIpF и YfI054. Белки аквапориновые водные каналы могут быть получены в соответствии со способами, описанными в данном документе, или как изложено в Karlsson et al. (FEBS Letters 537: 68-72, 2003) или как описано в Jensen et al. US 2012/0080377 A1 (например, см. Пример 6).

Термин «разделительная мембрана», в том виде, в котором он используется в данном документе, включает мембраны, полезные для отделения воды и возможно определенных растворенных веществ небольшого размера, включая анионы и катионы, от других растворенных веществ, частиц, коллоидов и макромолекул. Примерами разделительных мембран являются «фильтрующие мембраны», такие как нанофильтрующие (NF - от англ. nanofiltration) мембраны, мембраны для прямого осмоса (FO - от англ. forward osmosis) и мембраны для обратного осмоса (RO - от англ. reverse osmosis). Один тип фильтрующих мембран представляет собой «тонкопленочную композитную» (или TFC) мембрану, часто относящуюся к нанофильтрующей мембране и мембране для обратного осмоса. TFC мембраны обычно получают посредством осаждения полиамидного слоя поверх полиэфирсульфонового или полисульфонового пористого слоя поверх нетканевой или тканевой подложки. Полиамидный задерживающий слой образуется в результате межфазной полимеризации водного раствора амина с раствором хлорангидрида в органическом растворителе. TFC мембраны могут быть получены, как описано в WO 2013/043118 (Nanyang Technological University & Aquaporin A/S). Другой тип фильтрующих мембран представляет собой фильтрующие мембраны, образованные способом послойного (LbL) осаждения, как например, описано в Gribova et al. (Chem. Mater., 24: 854-869, 2012) и Wang et al. (Membranes, 5(3): 369-384, 2015). Например, самоорганизующуюся наноструктуру можно вставлять или включать в полиэлектролитные многослойные пленки (РЕМ - от англ. polyelectrolyte multilayer), как изложено на Фиг.4 Gribova et al. (2012).

«Тонкопленочные композитные» или (TFC) мембраны, в том виде, в котором они используются в данном документе, могут быть получены, используя реагирующее вещество амин, предпочтительно ароматический амин, такой как диамин или триамин, например, 1,3-диаминобензол (м-фенилендиамин, больше 99%, например, приобретенный у Sigma-Aldrich), в водном растворе, и реагирующее вещество ацилгалогенид, такой как ди- или трихлорангидрид, предпочтительно ароматический ацилгалогенид, например, бензол-1,3,5-трикарбонилхлорид (CAS №84270-84-8, тримезоилхлорид (ТМС - от англ. trimesoyl chloride), 98%, например, приобретенный у Sigma-Aldrich), растворенный в органическом растворителе, где указанные реагирующие вещества объединяются в реакции межфазной поликонденсации, см. также Khorshidi et al. (2016) Scientific Reports 6, Article number: 22069, и патент США №:4277344, в котором подробно описано образование композитной мембраны, содержащей полиамид, наслаиваемый на пористую подложку-мембрану, на поверхности мембраны-подложки, например, полиэфирсульфоновой мембраны. Бензол-1,3,5-трикарбонилхлорид (тримезоилхлорид) растворяют в растворителе, таком как C₆-C₁₂ углеводород, включая гексан (больше 99,9%, Fisher Chemicals), гептан, октан, нонан, декан и т.д. (неразветвленные или разветвленные углеводороды), или другом низкоароматическом углеводородном растворителе, например, жидкость Isopar™ G, которую получают из сырья на нефтяной основе, обрабатываемого водородом в присутствии катализатора с получением жидкости со слабовыраженным запахом, основные компоненты которой включают изоалканы. Жидкость Isopar™ G: химическое название: углеводороды, С10-С12, изоалканы, меньше 2% ароматических соединений; CAS №:64742-48-9, химическое название: нафта (нефть) тяжелой гидроочистки (из ExxonMobil Chemical). Варианты реагирующего вещества 1,3-диаминобензол включают диамины, такие как гексаметилендиамин, и т.д., и варианты реагирующего вещества бензол-1,3,5-трикарбонилхлорид включают диацилхлорид, адипоилхлорид, циануровую кислоту и т.д., как известно в данной области.

Термин «диблок-сополимер», в том виде, в котором он используется в данном документе, означает полимер, состоящий из двух типов мономеров, А и В. Мономеры организованы таким образом, что имеется цепь каждого мономера, и данные две цепи прививают вместе с образованием одной единственной сополимерной цепи.

Сокращение M_n обозначает среднечисловую молекулярную массу. Под ней подразумевается общая масса полимера, деленная на число молекул полимера. Таким образом, M_n представляет собой молекулярную массу, взвешенную в соответствии с числовыми долями. Сокращение M_w означает среднемассовую молекулярную массу. Молекулярная масса, взвешенная в соответствии с массовыми долями. Молекулярную массу можно измерять посредством гель-проникающей хроматографии (ГПХ) в тетрагидрофуране. Коэффициент полидисперсности, определенный как M_n/M_w, будет определяться по кривым элюирования, полученным в ГПХ.

Размер везикул: предпочтительно, наноструктуры по настоящему изобретению имеют размер частиц от примерно 10 нм диаметра вплоть до 200 нм диаметра в зависимости от точных компонентов везикул и условий, используемых для их образования. Специалисту данной области будет ясно, что размер частиц относится к диапазону размеров, и число, приведенное в данном документе, относится к среднему диаметру, чаще всего среднему диаметру того диапазона частиц. Композиции везикул по настоящему изобретению содержат везикулы, имеющие средние гидродинамические диаметры 300 нм или меньше, в некоторых случаях средние диаметры, которые меньше чем 400 нм, такие как меньше чем 50 нм.

Примеры молярных отношений трансмембранного белка к блок-сополимеру зависят от используемого трансмембранного белка, типов используемых сополимеров и желательного размера везикулы. В качестве примера для везикул на основе диблок-сополимера PDMS-PMOXA и аквапориновых водных каналов молярное отношение трансмембранного белка к блок-сополимеру может составлять от 1:200 до 1:2000, как например от 1:400 до 1:1500, как например от 1:600 до 1:1000.

Термин «самоорганизующийся», в том виде, в котором он используется в данном документе, относится к способу, посредством которого образуются везикулы в результате гидрофильного и гидрофобного взаимодействия амфифильных веществ, таких как диблок-сополимеры, описанные в данном документе, имеющие относительно гидрофильную РМОХА группировку и относительно гидрофобную PDMS группировку.

Термин «гидродинамический диаметр», в том виде, в котором он используется в данном документе, представляет гидродинамический размер наночастиц в водных средах, измеренный посредством динамического рассеяния света DLS (от англ. - dynamic light scattering), определенный как размер гипотетической жесткой сферы, который диффундирует таким же образом, как и измеряемый диаметр частицы.

Прямой осмос (FO) представляет собой осмотический процесс, в котором применяется селективно-проницаемая мембрана для эффективного отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой для данного отделения является градиент осмотического давления между раствором высокой концентрации, называемым в данном документе вытяжкой, и раствором более низкой концентрации, называемым подаваемым раствором. Градиент осмотического давления вызывает собственно поток воды через мембрану в вытяжку, что таким образом приводит к эффективному концентрированию подаваемого раствора. Раствор вытяжки может состоять из одной или множества простых солей или может представлять собой вещество, специально приспособленное для применений прямого осмоса. Подаваемый раствор может представлять собой поток разбавленного продукта, такой как напиток, поток отходов или морская вода, см. также IFOA, http://forwardosmosis.biz/education/what-is-forward-osmosis/

Большинство случаев применения FO, таким образом, попадает в три большие категории: концентрирование продукта, концентрирование отходов или получение чистой воды в виде побочного продукта процесса концентрирования. Термин «PAFO», в том виде, в котором он используется в данном документе, описывает способ прямого осмоса под действием давления. Термин «PRO», в том виде, в котором он используется в данном документе, описывает ограниченный давлением осмос, который является полезным в генерировании осмотической энергии. Мембраны по настоящему изобретению являются полезными во всех типах способов на основе прямого осмоса и могут быть конкретно адаптированы для каждого типа FO.

Термин «обратный осмос» (RO), который используется в данном документе, относится к тому, когда используется прикладываемое давление подаваемой воды на селективно проницаемую мембрану для преодоления осмотического давления. Осмотическое давление обычно удаляет многие типы растворенных и суспендированных веществ из подаваемой воды, включая бактерии, и используется в обоих промышленных способах и в получении питьевой воды. Во время способа на основе RO растворенное вещество сохраняется на находящейся под давлением стороне мембраны и чистый растворитель, фильтрат, поступает на другую сторону. Селективность означает, что мембрана не позволяет большим по размеру молекулам или ионам проходить через ее поры (отверстия), делая возможным свободное прохождение меньших по размеру компонентам раствора (таких как молекулы растворителя). Мембраны на основе обратного осмоса при низком давлении (LPRO - от англ. Low Pressure Reverse Osmosis) обычно функционируют при давлении подаваемой воды от примерно меньше 5 бар (500 кПа) и вплоть до максимального рабочего давления примерно 25 бар (2500 кПа), 15 удельный поток л/м²/ч/бар. LPRO, проводимый при более низких диапазонах давления подачи, например, от 2 до 5 бар (от 200 до 500 кПа), иногда определяют обратным осмосом при сверхнизком давлении. LPRO мембраны, известные в данной области, имеют обычные эксплуатационные пределы в отношении температуры подаваемой воды примерно 45°С, рН подаваемой воды в интервале от 2 до 11 и химической очистки в интервале рН от 1 до 12.

Настоящее изобретение дополнительно проиллюстрировано со ссылкой на следующие неограничивающие примеры

Экспериментальный раздел

Оборудование:

Хроматограф для жидкостной экспресс-хроматографии белков (FPLC - от англ. fast-protein liquid chromatography) Start, соединенный с ноутбуком, с использованием операционной системы Unicorn.

Вакуумный поток.

Стерильная 0,45 мкм чашка вакуум-фильтра.

15 мл РР пробирки.

Сокращения:

CV: объем колонки.

AQP: Аквапорин Z из Е. coli.

LDAO: N,N-диметилдодециламин N-оксид (#40234, Sigma).

PAGE: Электрофорез в полиакриламидном геле.

Материалы и химические реактивы:

Материал для гель-фильтрации HisTrap (Ni сефароза Ni Sepharose 6 Fast Flow #17-5318-03, GE Healthcare), наполняющий колонку XK16/20 (GE Healthcare) при известном объеме, или предварительно наполненная 1 мл, 5 мл колонка HisTrap.

AQP связывающий буфер: 20 мМ фосфат натрия, 300 мМ NaCl, 20 мМ имидазол, 10% глицерин, 0,2% LDAO, рН 8,0.

AQP связывающий буфер, не содержащий LDAO: 20 мМ фосфат натрия, 300 мМ NaCl, 20 мМ имидазол, 10% глицерин, рН 8,0.

AQP связывающий буфер, не содержащий имидазол: 20 мМ фосфат натрия, 300 мМ NaCl, 10% глицерин, 0,2% LDAO рН 8,0.

AQP элюирующий буфер: 20 мМ фосфат натрия, 300 мМ NaCl, 200 мМ имидазол, 10% глицерин, 0,2% LDAO, рН 8,0, ddH₂O.

Общая очистка аквапорина и получение стокового раствора аквапорина

Рекомбинантное получение Аквапорина Z

Все типы и варианты белков - аквапориновых водных каналов, включая акваглицеропорины, можно использовать в изготовлении мембран и композиций согласно данному изобретению, также см. способы, описанные в WO 2010/146365. Типичные примеры включают белок аквапорин шпината SoPIP2;1 и бактериальный аквапорин-Z из Е. coli.

Функциональный аквапорин-Z сверхпродуцировали в бактериальных культурах штамма Е. coli BL21(DE3) в виде His-меченного белка с сайтом расщепления вируса гравировки табака. Слитый белок имеет 264 аминокислоты и Mw 27234 Да. Геномную ДНК из Е. coli DH5 использовали в качестве источника для амплификации гена AqpZ. Ген AqpZ амплифицировали с использованием ген-специфичных праймеров с добавлением сайта расщепления вируса гравировки табака (TEV); ENLYFQSN на N-конце AqpZ. Амплифицированный AqpZ расщепляли ферментом NdeI и BamHI и затем лигировали в аналогично расщепленный 6-His- меченный экспрессионный вектор ДНК pET28b. Позитивные клоны проверяли посредством ПЦР-скрининга. Аутентичность конструкций затем подтверждали ДНК-секвенированием.

Штамм Е. coli BL21(DE3) использовали для экспрессии данного белка. Бульонные культуры Луриа, содержащие 50 мкг/мл канамицина, инкубировали в течение 13-16 часов при 37°С, разбавляли в 100 раз в свежем бульоне LB и размножали до плотности примерно 1,2-1,5 (OD (от англ. optical density - оптическая плотность) при 600 нм). Экспрессию рекомбинантного белка индуцировали добавлением 1 мМ IPTG (от англ. isopropylthiogalactoside - изопропилтиогалактозид) в течение 3 часов при 35°С перед центрифугированием. Собранные клетки ресуспендировали в ледяном связывающем буфере (20 мМ Tris рН 8,0, 50 мМ NaCl, 2 мМ β-меркаптоэтанол, 10% глицерин) в присутствии 0,4 мг/мл лизоцима, 50 единиц бензоназы и 3% н-октил β-D-глюкопиранозида. Образец пять раз подвергли циклам лизиса в микрофлюидайзере при 12000 Па. Нерастворимое вещество осаждали посредством 30 минутного центрифугирования при 40000 × g. Супернатант пропускали через колонку с сефарозой Q-Sepharose fast flow (Amersham Pharmacia), и собирали элюат. Фракцию элюата заливали NaCl до 300 мМ перед загрузкой на предварительно уравновешенную колонку Ni-NTA. Колонку промывали 100 объемами колонки промывочного буфера (20 мМ Tris рН 8,0, 300 мМ NaCl, 25 мМ имидазол, 2 мМ β-меркаптоэтанол, 10% глицерин) с удалением неспецифично связанного вещества. Вещество, связанное с агарозой Ni-NTA, элюировали пятью объемами слоя элюирующего буфера (20 мМ Tris рН 8,0, 300 мМ NaCl, 300 мМ имидазол, 2 мМ β-меркаптоэтанол, 10% 15 глицерин, содержащий 30 мМ н-октил β-D-глюкопиранозид). AqpZ дополнительно очищали посредством анионообменной хроматографии; колонка monoQ (GE healthcare). Смесь образцов разбавляли и концентрировали для доведения концентрации соли и имидазола до приблизительно 10 мМ с помощью концентратора Amicon, пороговое значение мембраны 10000 Да, перед загрузкой на колонку MonoQ. Буфер, используемый во время анионообменной хроматографии, выглядел следующим образом: (А) 20 мМ Tris рН 8,0, 30 мМ OG, 10% глицерин и (В) 20 мМ 20 Tris рН 8,0, 1 М NaCl, 30 мМ OG, 10% глицерин. Объединяли фракции элюируемых пиков, содержащие AqpZ, из ионообменной колонки. Очищенный экстракт AqpZ хранили замороженным при -80°С.

Способ очистки белка аквапорин

Партию замороженного экстракта белка аквапорин, такого как аквапорин Z, AQPZ, например, после ферментации Е. coli, получали и обрабатывали, как указано ниже, для применения в экспериментах по получению и характеристики мембран, содержащих наноструктуры на основе белка и PAI (от англ. polyalkyleneimine -полиалкиленимин), по настоящему изобретению.

За одни сутки до эксперимента по очистке экстракт AQP (хранящийся в морозильной камере при -80°С) размораживали на льду или в холодильнике при 4°С. Порции буферов и ddH₂O подготавливали при 4°С. Экстракт AQP перемешивали в достаточно охлажденном лабораторном стакане на ледяной бане посредством магнитной мешалки до растворения какого-либо осадка. 1,5 Объема предварительно охлажденного AQP связывающего буфера, не содержащего LDAO, постепенно добавляли в 1 объем солюбилизированного экстракта (используя еще 0,5 объема буфера для промывания пробирок с экстрактом и чашки фильтра), хорошо перемешивали и фильтровали через стерильную 0,45 мкм чашку вакуум-фильтра. К чашке фильтра прикладывали вакуум для того, чтобы избежать избыточного пенообразования, и фильтрат помещали на лед для использования в пределах 2 часов.

Колонку Histrap уравновешивали стерильной водой с последующим уравновешиванием AQP связывающим буфером при КТ (комнатная температура). Скорость потока устанавливали на уровне 1 мл/мин (для 1 мл предварительно наполненной колонки) или 2,5 мл/мин (для 5 мл предварительно наполненной колонки и с самостоятельно наполняющейся колонки). Экстракт, разбавленный 3 раза (на ледяной водяной бане), загружали на колонку Histrap с использованием программы . Скорость потока устанавливали на уровне 1 мл/мин (для 1 мл предварительно наполненной колонки) или 2,5 мл/мин (для 5 мл предварительно наполненной колонки и самостоятельно наполняющейся колонки). Объем загрузки составлял меньше чем 30 мл/мл смолы. Элюат экстракта на ледяной водяной бани собирали и хранили при 4°С для дальнейшего применения. Колонку промывали 10 CV (объем колонки) ледяного AQP связывающего буфера. Скорость потока устанавливали на уровне 2,5 мл/мин (для 5 мл предварительно наполненной колонки и самостоятельно наполняющейся колонки) или устанавливали на уровне 1 мл/мин для 1 мл предварительно наполненной колонки. Белок AQP элюировали ледяным AQP элюирующим буфером (10 объемов колонки) при скорости потока 2,5 мл/мин с использованием программы . Объем фракции устанавливали на уровне 10 мл и сбор начинали в 15 мл РР пробирки после 0,5-1 CV.

Элюированные фракции закрывали пробкой и хранили на льду или при 4°С. Чистоту и конформацию AQP исследовали посредством денатурации и нативного PAGE-анализа, соответственно. Концентрацию белка измеряли с помощью Nanodrop.Элюат экстракта при необходимости может быть обработан второй и третий раз при необходимости для получения композиции AQP подходящего качества.

Когда проводят анализы качества AQP, концентрация белка может быть доведена до 5 мг/мл посредством добавления ледяного AQP связывающего буфера, не содержащего имидазол и содержащего 2% LDAO. Наконец, AQP стерилизовали посредством фильтрации через 0,45 мкм стерилизованную чашку и хранили при 4°С в холодильнике для использования в течение месяца или дальше хранили при -80°С в морозильной камере.

Примеры

Самостоятельное получение TFC FO фильтрующих мембран

Данные мембраны получали в соответствии со стадиями, изложенными ниже:

а) растворить MPD в воде MilliQ с получением 2,5 масс./масс. % концентрации, см. ниже

б) растворить ТМС в Isopar с получением конечной концентрации 0,15 масс/об. %

в) покрыть мембрану прямоугольной формы, например, PES мембрану Membrana 1FPH размером 5,5 см × 11 см примерно 20 мл/м² мембраны раствора MPD и оставить на 30 секунд при легком перемешивании

г) высушить неактивную сторону (задняя сторона) посредством лабораторной промокательной бумаги (например, Kim-Wipe) в течение 5-10 секунд

д) положить мембрану на стеклянную пластинку и аккуратно высушить N₂ до тех пор, пока поверхность не превратится из блестящей в матовую

е) наложить ленту вокруг краев мембраны (приблизительно 1 мм)

ж) поместить стеклянную пластинку с мембраной, обмотанной лентой, в стеклянный или металлический контейнер, добавить примерно 155 мл/м² мембраны TMC-Isopar к одному концу и нежно покачать взад-вперед в течение 30 секунд

з) вынуть стеклянную пластинку из резервуара и высушить N₂ в течение 10-15 секунд.

После удаления ленты мембрану можно переносить в MilliQ вновь образованной активной стороной вверх и хранить во влажном состоянии при обращении на последующих стадиях, при необходимости.

Приготовление раствора MPD:

Отвесить 1,05 г MPD и растворить в 35 мл MilliQ. Добавить 7 мл жидкой композиции AQPZ, полученной, как описано в данном документе. Раствор хранить покрытым инертным газом (Ar или N₂) сколько это представляется возможным. Данный раствор MPD используют в Примере 1-3.

Отвесить 1,25 г MPD и растворить в 46,25 мл MiliQ. Добавить 2,5 мл жидкой композиции AQPZ, полученной, как описано в данном документе. Хранить раствор, покрытым инертным газом (Ar или N₂ сколько это представляется возможным). Данный раствор MPD используют в примерах 4-6.

Затем TFC мембраны с жидкой композицией AQPZ размером 5,5 см × 11 см устанавливали в FO ячейку Sterlitech CF042 (www.sterlitech.com) и подвергали испытаниям продолжительностью 60 минут (5 мембран) и испытаниям продолжительностью 900 минут (4 мембраны) в режиме FO с использованием 5 мкМ кальцеина в деионизированной (MilliQ) воде в качестве подаваемого компонента и 1 М водного раствора NaCl в качестве вытягивающего раствора и скоростей подачи и вытягивания 268 мл/мин.

Самостоятельное получение BWRO мембран

Мембраны получали в соответствии со стадиями, изложенными ниже:

а) предоставить мембрану-подложку, например, PES нетканевую, имеющую пальцеподобную структуру, размером 5,5 см × 11 см

б) смешать 3 масс. % MPD с 3 масс. % ε-капролактамом, 0,5 масс. % NMP (от англ. N-Methyl-2-pyrrolidone - N-метил-2-пирролидон) и 93,5 масс. % DI водой с получением раствора

в) добавить 0,1 мг/мл жидкой композиции AQPZ с получением суспензии

г) инкубировать суспензию из в) в течение 2 часов

д) приготовить раствор ТМС из 0,09 масс. % ТМС, 0,9 масс. % ацетона и 99,01 масс. % Isopar Е

е) нанести покрытие окунанием мембраны-подложки в суспензию г) на 30 секунд

ж) применить сушку посредством воздушного ножа

з) добавить раствор ТМС из д) для межфазной полимеризации

и) продолжить 2 мин сушкой в вытяжном шкафу.

Возможная последующая обработка TFC мембраны в соответствии со следующими стадиями:

4 мин, 65°С, 10% лимонная кислота

2 мин, DI вода

1 мин, 5% IPA (от англ. Isopropyl alcohol - изопропанол)

2 мин, DI вода

1 мин, 0,1% NaOCl

2 мин, DI вода

1 мин, 0,2% NaHSO₃

Получали четыре мембраны и устанавливали в RO ячейку Sterlitech CF042, www.sterlitech.com, работающую при 5 бар (500 кПа) с использованием 500 млн^-1 NaCl в качестве подаваемого раствора в течение 60 минут.

Самостоятельное получение LPRO мембран

Мембраны получали в соответствии со стадиями, изложенными ниже:

а) предоставить мембрану-подложку, например, полисульфоновую мембрану, полученную на нетканевой подложке

б) смешать MPD с получением 3 масс. % и ε-капролактам с получением 3 масс. % с DI водой (3% представляют собой конечные концентрации в водном растворе нанесения покрытия)

в) добавить жидкую композицию AQPZ с получением 3% масс. конечной концентрации в водном растворе нанесения покрытия

г) инкубировать водный раствор для нанесения покрытия, полученный из в), в течение 15 минут

д) приготовить органический раствор для нанесения покрытия (раствор ТМС) с помощью 0,09 масс. % ТМС и 99,01 масс. % Isopar Е.

е) нанести покрытие окунанием мембраны-подложки в водном растворе для нанесения покрытия из г) на 30 секунд

ж) удалить избыток раствора с поверхности подложки посредством воздушного ножа вплоть до 1 бар (100 кПа)

з) добавить органический раствор для нанесения покрытия (раствор ТМС) из д) для межфазной полимеризации

и) применить сушку посредством воздушного ножа при 0,5 бар (50 кПа)

й) последующая обработка TFC мембраны:

а) 4 мин, 70°С, 20% лимонная кислота

б) 2 мин, 70°С, DI вода

к) возможная последующая обработка TFC мембраны в соответствии со следующими стадиями:

а) 4 мин, 65°С, 10% лимонная кислота

б) 2 мин, DI вода

в) 1 мин, 5% IPA

г) 2 мин, DI вода

д) 1 мин, 0,1% NaOCl

е) 2 мин, DI вода

ж) 1 мин 0,2% NaHSO₃

Получали мембраны и устанавливали в RO ячейку Sterlitech CF042, www.sterlitech.com, работающую при давлении 5 бар (500 кПа) и потоке 60 л/ч с использованием 500 млн^-1 NaCl в качестве подаваемого раствора в течение 60 минут.

Пример 1. Получение везикул из диблок-сополимера PMOXA₁₁-PDMS₃₄ и получение мембраны для воды с использованием указанных везикул

Материалы:

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₃₄PMOXA₁₁ приобретали у ChemPilots в виде 36 мг/мл водного раствора.

Фосфатный буфер 10 мМ (PBS) (от англ. phosphate buffered saline - фосфатно-солевой буферный раствор) (рН 7,2, 136 мМ NaCl, 2,6 мМ KCl) получали посредством растворения 8 г NaCl, 0,2 г KCl, 1,44 г Na₂HPO₄ и 0,24 г KH₂PO₄ в 800 мл H₂O, очищенной MiliQ, доведения рН до 7,2 HCL и доведения объема до 1 л.

N,N-диметилдодециламин N-оксид BioXtra (Лаурилдиметиламин N-оксид) (чистота 99%), LDAO приобретали у Sigma Aldrich.

Поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце с MW 2500 Да приобретали у Sigma Aldrich и применяли в состоянии поставки.

Способ получения:

1. Приготовить свежий раствор PDMS₃₄PMOXA₁₁ посредством растворения 36 мг/мл стокового раствора PDMS₃₄PMOXA₁₁, находящегося в стоковой воде MQ, до конечной концентрации 3 мг/мл в стеклянном цилиндре.

2. Добавить его в колбу, используемую для получения композиции согласно Пр. 1. Дать раствору постоять без дополнительного перемешивания.

3. Добавить 1% поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце с молекулярной массой 2500 Да. Перемешать в присутствии магнитной мешалки при 170 оборотах в мин.

4. Прекратить перемешивание и добавить очищенный стоковый раствор AQPZ (очищенный, как описано выше) до достижения молярной доли белка 1/400 AQPZ/PDMS₃₄PMOXA₁₁.

5. Перемешать смесь в течение ночи при 170 оборотах в мин (не более чем 20 часов) при комнатной температуре.

6. На следующее утро взять композицию согласно Пр. 1, полученную в последовательности стадий 1-5, перенести ее в колбу для хранения и хранить ее при комнатной температуре (тестировать только спустя вплоть до двух месяцев).

Композицию везикул согласно Примеру 1 тестировали в отношении размера, водопроницаемости и дзета-потенциала посредством измерений DLS (от англ. - dynamic light scattering - динамическое рассеяние света), Дзета-потенциала и остановленного потока в 0,5 М NaCl. Результаты представляют собой среднее от 5 разных измерений, соответствующих 5 разным партиям.

Термостойкость и поведение при тепловом воздействии тестировали посредством нагревания 5 мл композиции везикул согласно Пр. 1 в течение 10 мин при разных температурах, находящихся в интервале от 30° до 100°С, и их размер и водопроницаемость дополнительно определяли посредством измерений DLS и остановленного потока.

Тепловая обработка значимо не влияет на стабильность композиции при увеличении структур большего размера с примерно 120 нм при комнатной температуре до 260 нм. В отношении водопроницаемости никаких изменения не наблюдается вплоть до 100°С, регистрировали значения Ki от 1700 до 1900 с^-1.

Композицию фиксировали и тестировали на самостоятельно полученных FO мембранах, имеющих TFC активный слой, например, полученный, как описано выше.

Для тестируемых FO мембран получали следующие результаты, которые показали очень высокое задерживание кальцеина и желательную комбинацию потока воды (Jw больше 5 л/м²ч) и высокого задерживания соли (Js меньше 1,5 г/м²/ч), что приводило к отношению Js/Jw гораздо ниже 0,3.

Пример 2. Получение везикул из диблок-сополимера PMOXA₁₁-PDMS₃₄ и получение мембраны для воды с использованием указанных везикул

Материалы:

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₃₄PMOXA₁₁ приобретали у ChemPilots в виде 36 мг/мл водного раствора.

Фосфатный буфер 10 мМ (PBS) (рН 7,2, 136 мМ NaCl, 2,6 мМ KCl) готовили посредством растворения 8 г NaCl, 0,2 г KCl, 1,44 г Na₂HPO₄ и 0,24 г KH₂PO₄ в 800 мл H₂O, очищенной MiliQ, доведения рН до 7,2 HCL и доведения объема до 1 л.

N,N-Диметилдодециламин N-оксид BioXtra (Лаурилдиметиламин N-оксид) (чистота 99%), LDAO приобретали у Sigma Aldrich.

Поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце с MW 2500 Да приобретали у Sigma Aldrich и применяли в состоянии поставки.

Способ получения:

1. Приготовить свежий раствор PDMS₃₄PMOXA₁₁ посредством растворения 36 мг/мл стокового раствора PDMS₃₄PMOXA₁₁ находящего в стоковой воде MQ, до конечной концентрации 3 мг/мл в стеклянном цилиндре.

2. Добавить его в колбу, используемую для получения композиции 4 Амино. Дать раствору постоять без дополнительного перемешивания.

3. Добавить 0,1% поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце с молекулярной массой 2500 Да. Перемешать в присутствии магнитной мешалки при 170 оборотах в мин.

4. Прекратить перемешивание и добавить очищенный стоковый раствор AQPZ (очищенный, как описано выше) до достижения молярного отношения белка к полимеру 1/400.

5. Перемешать смесь в течение ночи при 170 оборотах в мин (не более чем 20 часов) при комнатной температуре.

6. На следующее утро взять композицию везикул согласно Пр. 2, полученную в последовательности стадий 1-5, перенести ее в колбу для хранения и хранить ее при комнатной температуре (тестировать только спустя вплоть до двух месяцев).

Композицию везикул согласно Пр. 2 тестировали в отношении размера, водопроницаемости и дзета-потенциала посредством измерений DLS, Дзета-потенциала и остановленного потока в 0,5 М NaCl. Результаты измерены 5 раз для 5 разных партий.

Термостойкость и поведение при тепловом воздействии тестировали посредством нагревания 5 мл композиции везикул согласно Пр. 2 в течение 10 мин при разных температурах, находящихся в интервале от 30° до 100°С, и их размер и водопроницаемость дополнительно определяли посредством измерений DLS и остановленного потока.

Тепловая обработка значимо не влияет на стабильность композиции, однако приводя к увеличению гидродинамического диаметра структур большего размера с примерно 140 нм при комнатной температуре до 290 нм. В отношении водопроницаемости никаких изменений не наблюдается вплоть до 100°С, регистрировали значения Ki от 1400 до 1527 с^-1.

Композицию тестировали на самостоятельно полученных RO, BW-RO (от англ. brackish water reverse osmosis - обратный осмос для опреснения солоноватой воды) мембранах низкого давления и самостоятельно полученных FO мембранах. Ниже в таблицах 4 и 5 приведены результаты, показывающие очень хорошую воспроизводимость (низкое std (от англ. standard deviation - среднеквадратическое отклонение)) всех рабочих параметров, а также параметров, достигающих желательных значений в пределах как RO, так и FO коммерческих ожиданий.

Пример 3. Получение везикул из смеси диблок-сополимеров PMOXA₂₄-PDMS₆₅ плюс PMOXA₃₂-PDMS₆₅ и получение мембраны для фильтрации воды с использованием указанных везикул

Основные вещества, образующие везикулы:

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₂₄ (DB1), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемой в состоянии поставки.

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₃₂ (DB2), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемой в состоянии поставки.

В качестве добавок:

Триблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан)-блок-поли-(2-метилоксазолин) PMOXA₁₂PDMS₆₅PMOXA₁₂ (ТВ), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки в качестве агента, придающего гидрофобность, и поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце, имеющий молекулярную массу 2500 Да, приобретенный в виде жидкости в Sigma Aldrich, используемый в состоянии поставки в качестве сшивающего агента или функционализирующего агента.

Фосфатный буфер 10 мМ (PBS) (рН 7,2, 136 мМ NaCl, 2,6 мМ KCl) получали посредством растворения 8 г NaCl, 0,2 г KCl, 1,44 г Na₂HPO₄ и 0,24 г KH₂PO₄ в 800 мл H₂O, очищенной MiliQ, доведения рН до 7,2 HCl и доведения объема до 1 л. Дополнительные детергентные добавки представляли собой N,N-диметилдодециламин N-оксид BioXtra (лаурилдиметиламин N-оксид) (LDAO), приобретенный у Carbosynth, и Полоксамер Р123, приобретенный у Sigma Aldrich в виде 30%-ого раствора в воде.

5 мг/мл AqpZ в 0,2% LDAO в стоковом растворе (очищен, как описано выше).

Способ получения

1. Приготовить раствор Р123 посредством растворения 15 мл Р123 в 1 л PBS.

2. Приготовить 0,05%-й раствор LDAO в PBS посредством растворения 0,05 г LDAO в 100 мл PBS.

3. В сосуд для получения взвесить DB1 до достижения концентрации 0,5 г DB1/л полученной композиции.

4. В тот же самый сосуд для получения взвесить DB2 до достижения концентрации 0,5 г DB2/л полученной композиции (массовое соотношение DB1 и DB2 1:1)

5. В тот же самый сосуд для получения взвесить, добавить добавку ТВ для придания гидрофобности до достижения концентрации 0,12 г ТВ/л полученной композиции.

6. Добавить 5% LDAO, полученный на стадии 2, в количестве 100 мл/л полученной композиции.

7. Добавить поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце до достижения конечной концентрации 0,1%.

8. Добавить стоковый раствор AqpZ до достижения концентрации 5 мг/л полученной композиции и отношения белок: полимер 1/400.

9. Добавить раствор полоксамера Р123, полученный на стадии 1, до достижения желаемого объема полученной композиции, вычитая объемы LDAO, поли(диметилсилоксана) с бис(3-аминопропилом) на конце и AQPZ, добавляемые на стадии 6 и 8.

10. Перемешать смесь со стадии 10 в течение ночи при 170 оборотах в минуту (не больше чем 20 часов) при комнатной температуре с достижением получения композиции.

11. Следующим утром взять полученную согласно Пр. 3 композицию, полученную в последовательности стадий 1-9, и отфильтровать ее через фильтры с размером пор 200 нм для ее стерилизации, поместить ее в герметично закрытую бутыль и хранить ее при комнатной температуре в течение не более 12 месяцев.

Композицию везикул согласно Пр. 3 тестировали в отношении размера, водопроницаемости и дзета-потенциала посредством измерений DLS, Дзета-потенциала и остановленного потока в 0,5 М NaCl. Результаты измерены 5 раз для 5 разных партий.

Термостойкость и поведение при тепловом воздействии тестировали посредством нагревания 5 мл композиции согласно Пр. 3 в течение 10 мин при разных температурах, находящихся в интервале от 30° до 100°С, и их размер и водопроницаемость дополнительно определяли посредством измерений DLS и остановленного потока.

Тепловая обработка значимо не влияет на стабильность композиции, где наблюдали уменьшение размера образованных структур с примерно 317 нм при комнатной температуре до 290 нм при 40°С и дополнительно до 185 нм при 80°С. В отношении водопроницаемости никаких изменений не наблюдается вплоть до 100°С, регистрировали значения Ki от 1286 до 1321 с^-1 вплоть до 100°С.

Композицию везикул согласно Пр. 3 включали и тестировали на самостоятельно полученных BW-RO мембранах низкого давления и самостоятельно полученных FO мембранах. Ниже в таблицах 7 и 8 приведены результаты, показывающие очень хорошую воспроизводимость (низкое std) всех рабочих параметров, а также параметров, достигающих желательных значений в пределах как RO, так и FO коммерческих ожиданий.

Пример 4

Получение везикул из смеси диблок-сополимеров PMOXA₂₄-PDMS₆₅ плюс PMOXA₃₂-PDMS₆₅ и получение мембраны для фильтрации воды с использованием указанных везикул

Основные вещества, образующие везикулы:

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) (PDMS₆₅PMOXA₂₄-DB1), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки.

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₃₂-DB2), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки.

Добавки:

Триблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан)-блок-поли-(2-метилоксазолин) PMOXA₁₂PDMS₆₅PMOXA₁₂ (ТВ), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки в качестве агента, придающего гидрофобность, и поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце, имеющий молекулярную массу 2500 Да, приобретенный в виде жидкости у Sigma Aldrich, используемый в состоянии поставки в качестве сшивающего агента или функционализирующего агента.

Фосфатный буфер 10 мМ (PBS) (рН 7,2, 136 мМ NaCl, 2,6 мМ KCl) получали посредством растворения 8 г NaCl, 0,2 г KCl, 1,44 г Na₂HPO₄ и 0,24 г KH₂PO₄ в 800 мл H₂O, очищенной MiliQ, доведения рН до 7,2 HCl и доведения объема до 1 л. Дополнительные детергентные добавки представляли собой N,N-Диметилдодециламин N-оксид BioXtra (лаурилдиметиламин N-оксид-LDAO), приобретенный у Carbosynth, и ацетат монометилового эфира пропиленгликоля (PGMEA - от англ. Propylene glycol monomethyl ether acetate, чистота выше 99,5%), приобретенный в Sigma Aldrich

5 мг/мл AqpZ в 0,2% LDAO в стоковом растворе (очищен, как описано выше).

Способ получения:

1. Приготовить 5 масс. % раствор PGMEA посредством растворения 50 г PGMEA в 1 л PBS.

2. Приготовить 0,05 масс. % раствор LDAO в PBS посредством растворения 0,05 г LDAO в 100 мл PBS.

3. В сосуд для получения взвесить DB1 до достижения концентрации 0,5 г DB1/л полученной композиции.

4. В тот же самый сосуд для получения взвесить DB2 до достижения концентрации 0,5 г DB2/л полученной композиции (массовое соотношение DB1 и DB2 1:1)

5. В тот же самый сосуд для получения добавить добавку ТВ для придания гидрофобности до достижения концентрации 0,12 г ТВ/л полученной композиции.

6. Добавить 5% LDAO, полученный на стадии 2, в количестве 100 мл/л полученной композиции.

7. Добавить поли(диметилсилоксан) с (3-аминопропилом) на конце до достижения конечной концентрации 0,1%.

8. Добавить стоковый раствор AqpZ до достижения концентрации 5 мг/л полученной композиции и отношения белок: полимер 1/400.

9. Добавить 5%-ый раствор PGMEA, полученный на стадии 1, до достижения желаемого объема полученной композиции, вычитая объемы LDAO, поли(диметилсилоксана) с бис(3-аминопропилом) на конце и AQPZ, добавляемые на стадии 6 и 8.

10. Перемешать смесь со стадии 9 в течение ночи при 170 оборотах в минуту (не больше чем 20 часов) при комнатной температуре с достижением получения композиции.

11. Следующим утром взять полученную согласно Пр. 4 композицию, полученную в последовательности стадий 1-10, и отфильтровать ее через фильтры с размером пор 200 нм для ее стерилизации, поместить ее в герметично закрытую бутыль и хранить ее при комнатной температуре в течение не более 12 месяцев.

Композицию везикул согласно Пр. 4 тестировали в отношении размера, водопроницаемости и дзета-потенциала посредством измерений DLS, Дзета-потенциала и остановленного потока в 0,5 М NaCl. Результаты измерены 5 раз для 5 разных партий.

Получение плоских листовых мембран (AA pilot)

Мембраны получали в соответствии со стадиями, изложенными ниже:

а) получить мембрану-подложку посредством растворения 17% полисульфона (PS - от англ. Polysulfone)/полиэфирсульфона (PES - от англ. Polyethersulfone) в N-метил-2-пирролидоне (NMP - от англ. N-Methyl-2-pyrrolidone)/диметилформамиде (DMF - от англ. Dimethylformamide) и отливки на нетканевую подложку на основе полиэфира с последующим способом обращения фаз в RO воде с образованием мембраны-подложки, имеющей общую толщину от 130 мкм до 180 мкм. Мембрана-подложка имеет пальцевидную/губкообразную структуру.

б. приготовить водный раствор 3 масс. % MPD и 3 масс. % ε-капролактама, используя мешалку.

в. добавить композицию везикул согласно Пр. 4 в количестве в соответствии с таблицей 9, представленной ниже, к упомянутому выше раствору с получением суспендированного водного раствора.

г.инкубировать водный раствор с в) в течение 1 часа при перемешивании мешалкой.

д. приготовить органический раствор из 0,09 масс. % ТМС и 99,91 масс. % Isopar Е.

е. распределить мембрану-подложку из свертка и дать ей пройти в бак для обработки погружением, содержащий упомянутый выше водный раствор. В качестве альтернативы щелевую головку используют для распределения вышеупомянутого водного раствора по мембране-подложке. Продолжительность контакта водного раствора на мембране-подложке контролируют на уровне 30-40 секунд.

ж. воздушный нож используют в вертикальном положении относительно мембраны-подложки, контролируют давление на уровне 0,2-2 бар (20-200 кПа) с удалением избыточного количества водного раствора.

з. после удаления избытка водного раствора на подложке-мембране мембране дают пройти в бак для обработки погружением, содержащий раствор ТМС, полученный на стадии д). В качестве альтернативы щелевую головку используют для распределения раствора ТМС по мембране-подложке, позволяя протекать реакции межфазной полимеризации. Продолжительность контакта органического раствора контролируют на уровне 20-30 секунд.

и. для удаления избытка органического раствора воздушный нож используют в вертикальном положении относительно мембраны-подложки. Давление контролируют на уровне от 0,2 до 1 бара (20-100 кПа).

й. мембрану после полимеризации и удаления избытка органического раствора направляют в бак, содержащий 10% лимонной кислоты при 60-70°С, выдерживание в течение примерно 4 минут.

к. после выдерживания в лимонной кислоте мембране дают пройти в бак, содержащий 15%-ый водный раствор IPA, при комнатной температуре 22-25°С, выдерживание в течение примерно 2 минут.

л. затем мембрану подвергают выдерживанию в DI воде перед последующей обработкой гипохлоритом.

м. 2000 млн^-1 водный раствор гипохлорита используют для последующей обработки мембраны во время выдерживания в течение 1 минуты при комнатной температуре 22-25°С с последующей промывкой DI водой.

н. 1%-ый бисульфит натрия используют для последующей обработки мембраны во время выдерживания в течение 1 минуты при комнатной температуре 22-25°С с последующей промывкой DI водой.

Тестировали композицию согласно Пр. 4, включенную в самостоятельно полученные TW-RO мембраны низкого давления пилотной линии. Ниже в таблице 9 приведены результаты, показывающие увеличение потока при возрастании количества PGMEA.

Условия тестирования: 5 бар (500 кПа), 500 млн^-1 NaCl, 25°С, скорость потока 1 л/минута, тестирование на образцах

Пример 5

Получение везикул из смеси диблок-сополимеров PMOXA₂₄-PDMS₆₅ плюс PMOXA₃₂-PDMS₆₅ и получение мембраны для фильтрации воды с использованием указанных везикул

Основные вещества, образующие везикулы:

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₂₄ (DB1), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки.

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₃₂ (DB2), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки.

Добавки:

Триблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан)-блок-поли-(2-метилоксазолин) PMOXA₁₂PDMS₆₅PMOXA₁₂ (ТВ), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки в качестве агента, придающего гидрофобность, и поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце, имеющий молекулярную массу 2500 Да, приобретенный в виде жидкости у Sigma Aldrich, используемый в состоянии поставки в качестве сшивающего агента.

Фосфатный буфер 10 мМ (PBS) (рН 7,2, 136 мМ NaCl, 2,6 мМ KCl) получали посредством растворения 8 г NaCl, 0,2 г KCl, 1,44 г Na₂HPO₄ и 0,24 г KH₂PO₄ в 800 мл H₂O, очищенной MiliQ, доведения рН до 7,2 HCl и доведения объема до 1 л. Дополнительные детергентные добавки представляли собой N,N-Диметилдодециламин N-оксид BioXtra (лаурилдиметиламин N-оксид-LDAO), приобретенный у Carbosynth, и Kolliphor® HS 15 или Полиэтиленгликоль (15)-гидроксистеарат (KHS).

5 мг/мл AqpZ в 0,2% LDAO в стоковом растворе (очищен, как описано выше).

Способ получения:

1. Приготовить 0,5 масс. % раствор KHS посредством растворения 5 г KHS в 1 л PBS.

2. Приготовить 0,05 масс. % раствор LDAO в PBS посредством растворения 0,05 г LDAO в 100 мл PBS.

3. В сосуд для получения взвесить DB1 до достижения концентрации 0,5 г DB1/л полученной композиции.

4. В тот же самый сосуд для получения взвесить DB2 до достижения концентрации 0,5 г DB2/л полученной композиции (массовое соотношение DB1 и DB2 1:1)

5. В тот же самый сосуд для получения добавить добавку ТВ для придания гидрофобности до достижения концентрации 0,12 г ТВ/л полученной композиции.

6. Добавить 0,05% LDAO, полученный на стадии 2, в количестве 100 мл/л полученной композиции.

7. Добавить поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце до достижения конечной концентрации 0,1%.

8. Добавить стоковый раствор AqpZ до достижения концентрации 5 мг/л полученной композиции и отношения белок: полимер 1/400.

9. Добавить 0,5% раствор KHS, полученный на стадии 1, в соответствии с представленной ниже таблицей 12, до достижения желаемого объема полученной композиции, вычитая объемы LDAO, поли(диметилсилоксана) с бис(3-аминопропилом) на конце и AQPZ, добавляемые на стадии 6 и 8.

10. Перемешать смесь со стадии 9 в течение ночи при 170 оборотах в минуту (не больше чем 20 часов) при комнатной температуре с достижением получения композиции.

11. Следующим утром взять полученную композицию согласно Пр. 5, полученную в последовательности стадий 1-10, и отфильтровать ее через фильтры с размером пор 200 нм для ее стерилизации, поместить ее в герметично закрытую бутыль и хранить ее при комнатной температуре в течение не более 12 месяцев.

Композицию везикул согласно Пр. 5 тестировали в отношении размера, водопроницаемости и дзета-потенциала посредством измерений DLS, Дзета-потенциала и остановленного потока в 0,5 М NaCl. Результаты измерены 5 раз для 5 разных партий.

Результаты, приведенные в таблице 12, указывают на то, что поток улучшается в результате добавления KHS к водному раствору для нанесения покрытия в любой из тестируемых концентраций. Кроме того, задерживание соли исходно возрастает в результате добавления 3% KHS, но оно уменьшается при добавлении дополнительных количеств KHS. Таким образом, по-видимому, концентрация 3% KHS является оптимальной концентрацией, при которой улучшается поток воды не за счет задерживания соли.

Плоские листовые мембраны получали с использованием способа пилотной линии, показанного в примере 4, с использованием в качестве альтернативы вышеупомянутой композиции согласно Пр. 5. Данные показаны ниже в Таблице 13.

Следует отметить, что поток увеличивается примерно на 30%, в то время как задерживание остается на примерно таком же уровне для 3% KHS в водном растворе для нанесения покрытия. Когда концентрация KHS повышается до уровня 5% или 7%, поток воды увеличивается, однако за счет задерживания соли. Таким образом, композиция с использованием 3% KHS, по-видимому, предлагает оптимальные свойства и выбрана для дополнительной модификации.

Межфазную полимеризацию TFC слоя с использованием композиции согласно Пр. 5, содержащей 3% KHS в водной фазе, дополнительно изменяют в результате модификации органической фазы диэтилкетоном (DEK - от англ. diethylketone) и мезитиленом (Mes - от англ. mesitylene).

Результаты экспериментов, приведенные в таблице 14, показывают, что увеличение потока на 22% может быть получено посредством добавления к органической фазе 3% DEK. Таким образом, всего увеличение потока на 43% может быть получено посредством добавления 3% KHS к водной фазе и 3% DEK - к органической фазе, по существу не за счет задерживания соли.

Добавление Mes к органической фазе по существу дополнительно не увеличивает поток воды, однако увеличивается задерживание соли. Таким образом, для применений, при которых высокое задерживание соли имеет большое значение, к органической фазе можно добавлять Mes, и для применений, при которых большой поток воды имеет большое значение, к органической фазе можно добавлять DEK.

Пример 6

Получение везикул из смеси диблок-сополимеров PMOXA₂₄-PDMS₆₅ плюс PMOXA₃₂-PDMS₆₅ и получение мембраны для фильтрации воды с использованием указанных везикул

Основные вещества, образующие везикулы:

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₂₄ - DB1), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки.

Диблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) PDMS₆₅PMOXA₃₂ - DB2), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки.

Добавки:

Триблок-сополимер поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан)-блок-поли-(2-метилоксазолин) PMOXA₁₂PDMS₆₅PMOXA₁₂ (ТВ), приобретенный в виде вязкой белой жидкости, используемый в состоянии поставки в качестве агента, придающего гидрофобность, и поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце, имеющий молекулярную массу 2500 Да, приобретенный в виде жидкости у Sigma Aldrich, используемый в состоянии поставки в качестве сшивающего агента.

Фосфатный буфер 10 мМ (PBS) (рН 7,2, 136 мМ NaCl, 2,6 мМ KCl) получали посредством растворения 8 г NaCl, 0,2 г KCl, 1,44 г Na₂HPO₄ и 0,24 г KH₂PO₄ в 800 мл H₂O, очищенной MiliQ, доведения рН до 7,2 HCl и доведения объема до 1 л. Дополнительные детергентные добавки представляли собой N,N-диметилдодециламин N-оксид BioXtra (лаурилдиметиламин N-оксид - LDAO), приобретенный у Carbosynth, и бета-циклодекстрин (BCD - от англ. Beta Cyclodextrin - чистота 97%).

5 мг/мл AqpZ в 0,2% LDAO в стоковом растворе (очищен, как описано выше).

Способ получения:

1. Приготовить 0,5 масс. % раствор BCD посредством растворения 5 г BCD в 1 л PBS.

2. Приготовить 0,05 масс. % раствор LDAO в PBS посредством растворения 0,05 г LDAO в 100 мл PBS.

3. В сосуд для получения взвесить DB1 до достижения концентрации 0,5 г DB1/л полученной композиции.

4. В тот же самый сосуд для получения взвесить DB2 до достижения концентрации 0,5 г DB2/л полученной композиции (массовое соотношение DB1 и DB2 1:1)

5. В тот же самый сосуд для получения добавить добавку ТВ для придания гидрофобности до достижения концентрации 0,12 г ТВ/л полученной композиции.

6. Добавить 0,05% LDAO, полученный на стадии 2, в количестве 100 мл/л полученной композиции.

7. Добавить поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце до достижения конечной концентрации 0,1%.

8. Добавить стоковый раствор AqpZ до достижения концентрации 5 мг/л полученной композиции и отношения белок: полимер 1/400.

9. Добавить 0,5% раствор BCD, полученный на стадии 1, в количестве, указанном в представленной ниже таблице 14, до достижения желаемого объема полученной композиции, вычитая объемы LDAO, поли(диметилсилоксана) с бис(3-аминопропилом) на конце и AQPZ, добавляемые на стадии 6 и 8.

10. Перемешать смесь со стадии 9 в течение ночи при 170 оборотах в минуту (не больше чем 20 часов) при комнатной температуре с достижением получения композиции.

11. Следующим утром взять композицию, полученную согласно Пр. 4, полученную в последовательности стадий 1-10, и отфильтровать ее через фильтры с размером пор 200 нм для ее стерилизации, поместить ее в герметично закрытую бутыль и хранить ее при комнатной температуре в течение не более 12 месяцев.

Композицию везикул согласно Пр. 6 тестировали в отношении размера, водопроницаемости и дзета-потенциала посредством измерений DLS, Дзета-потенциала и остановленного потока в 0,5 М NaCl. Результаты измерены 5 раз для 5 разных партий.

Плоские листовые мембраны получали с использованием способа пилотной линии, указанного в примере 4, с использованием в качестве альтернативы вышеприведенного раствора согласно примеру 6. Данные показаны ниже в Таблице 14.

Результат тестируемых композиций показывает, что задерживание NaCl значимо увеличивается, в то время как поток остается на том же уровне.

Ссылки:

Ссылки, приведенные в данном документе, явным образом включены посредством ссылки для всех целей во всей своей полноте.

Dlugolecki et al. (Journal of Membrane Science, 319 214-222, 2008).

Gribova et al., Chem. Mater., 24: 854-869, 2012.

Karlsson et al., FEBS Letters, 537: 68-72, 2003.

Kong et al., RSC Adv., 4: 37592-37599, 2014.

Schroeder et al., J. Controlled Release, 160(2): 172-176, 2012.

Thomas & Venkiteswaran, Biophysical Journal, 106(2): 276-277, 2014.

Wang et al., Membranes, 5(3), 2015, 369-384.

Патент США №4277344.

Заявка на патент США №2012/0080377.

WO 2010/146365 (Aquaporin A/S).

WO 2013/043118 (Aquaporin A/S).

WO 2006/122566 (Aquaporin A/S).

WO 2007/033675 (Aquaporin A/S).

WO 2013/043118 (Aquaporin A/S).

Изобретение относится к везикулам на основе амфифильных диблок-сополимеров, содержащим трансмембранные белки. Предложена везикула в жидкой композиции, содержащей амфифильный диблок-сополимер типа PMOXA_a-b-PDMS_c-d в качестве вещества, образующего везикулярную мембрану, дополнительно содержащей в качестве добавки от примерно 0,05 об./об. % до примерно 1 об./об. % PDMS_e-f, функционализированного реакционноспособной концевой группой, и трансмембранный белок, выбранный из аквапорина и акваглицеропорина. Предложены также способ получения указанных везикул, содержащая их разделительная мембрана и способ получения тонкопленочного композитного слоя, иммобилизующего указанные везикулы. Технический результат - возможность получения высокоэффективных мембран для фильтрации воды и отделения воды, позволяющих пропускать повышенные объемы воды. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 табл., 6 пр.

1. Везикула в жидкой композиции для производства мембран, предназначенных для фильтрации воды и отделения воды, содержащая амфифильный диблок-сополимер типа поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) (PMOXA-PDMS) в качестве вещества, образующего везикулярную мембрану, добавку от примерно 0,05 об./об. % до примерно 1 об./об. %, в расчете на жидкую композицию, поли(диметилсилоксана) (PDMS), функционализированного реакционноспособной концевой группой, и трансмембранный белок, выбранный из аквапорина и акваглицеропорина, где реакционноспособная концевая группа представляет собой одну, две или более амино-, карбоксильных и/или гидроксигрупп.

2. Везикула по п. 1, в которой указанный PMOXA-PDMS выбран из группы, состоящей из PMOXA_10-40-PDMS_25-70 и их смесей.

3. Везикула по п. 2, в которой смесь содержит по меньшей мере первый амфифильный диблок-сополимер общей формулы PMOXA_10-28-PDMS_25-70 и второй амфифильный диблок-сополимер общей формулы PMOXA_28-40-PDMS_25-70.

4. Везикула по п. 3, в которой массовое соотношение первого и второго амфифильных диблок-сополимеров находится в интервале от 0,1:1 до 1:0,1.

5. Везикула по любому из пп. 1-4, в которой указанный PDMS, функционализированный реакционноспособной концевой группой, представляет собой PDMS_30-50, функционализированный одной или более амино-, карбоксильными и/или гидроксигруппами.

6. Везикула по любому из пп. 1-5, в которой указанный PDMS, функционализированный реакционноспособной концевой группой, представляет собой поли(диметилсилоксан) с бис(3-аминопропилом) на конце.

7. Везикула по любому из пп. 1-6, в которой трансмембранный белок представляет собой аквапориновый водный канал.

8. Везикула по п. 1, дополнительно содержащая от примерно 1 об./об. % до примерно 12 об./об. %, в расчете на жидкую композицию, триблок-сополимера типа PMOXA-PDMS-PMOXA.

9. Везикула по п. 8, в которой указанный триблок-сополимер типа PMOXA-PDMS-PMOXA выбран из PMOXA_10-20-PDMS_25-70-PMOXA_10-20.

10. Везикула по любому из пп. 1-9, где жидкая композиция дополнительно содержит агент, улучшающий поток.

11. Везикула по п. 10, где агент, улучшающий поток, представляет собой моноалкиловый эфир алкиленгликоля, бета-циклодекстрин или полиэтиленгликоль (15)-гидроксистеарат.

12. Везикула по п. 10, где агент, увеличивающий поток, присутствует в количестве от 0,1 масс. % до 10 масс. % жидкой композиции.

13. Способ получения везикул в жидкой композиции для производства мембран, предназначенных для фильтрации воды и отделения воды, включающей трансмембранный белок, выбранный из аквапорина и акваглицеропорина, где способ включает стадию перемешивания смеси раствора амфифильного диблок-сополимера типа поли(2-метилоксазолин)-блок-поли(диметилсилоксан) (PMOXA-PDMS), от 0,05% до примерно 1 об./об. %, в расчете на жидкую композицию, поли(диметилсилоксана) (PDMS), функционализированного реакционноспособной концевой группой, и трансмембранного белка, выбранного из аквапорина и акваглицеропорина, где реакционноспособная концевая группа представляет собой одну, две или более амино-, карбоксильных и/или гидроксигрупп.

14. Способ по п. 13, дополнительно включающий агент, улучшающий поток, выбранный из следующего: моноалкиловый эфир алкиленгликоля, бета-циклодекстрин и полиэтиленгликоль (15)-гидроксистеарат.

15. Разделительная мембрана, содержащая везикулу по любому из пп. 1-12.

16. Разделительная мембрана по п. 15, где разделительная мембрана содержит активный слой, включающий везикулу и пористую мембрану-подложку.

17. Разделительная мембрана по любому из пп. 15 или 16, в которой активный слой содержит везикулу, включенную в тонкопленочный композитный (TFC) слой, образованный на пористой мембране-подложке.

18. Способ получения тонкопленочного композитного слоя, иммобилизующего везикулы, включающие трансмембранный белок, на пористой мембране-подложке, включающий следующие стадии:

а) предоставление смеси везикул в жидкой композиции, полученных в соответствии с любым из пп. 13 или 14, и диамино- или триаминосоединения,

б) покрытие поверхности пористой мембраны-подложки смесью стадии а),

в) нанесение гидрофобного раствора, содержащего соединение ацилгалогенид, и

г) обеспечение возможности осуществления водным раствором и гидрофобным раствором реакции межфазной полимеризации с образованием тонкопленочного композитного слоя.

19. Способ по п. 18, в котором пористая мембрана-подложка представляет собой плоский лист.

20. Способ по п. 19, включающий дополнительную стадию получения спирально-навитого мембранного модуля посредством навивки плоской листовой мембраны.