BR112019016175B1 - Vesícula em uma composição líquida, método de preparação de vesículas em uma composição líquida que incorpora uma proteína transmembranar, membrana de separação e método de preparação de uma camada de filme fino de compósito que imobiliza as vesículas que incorporam uma proteína transmembranar em uma membrana de substrato poroso - Google Patents

Vesícula em uma composição líquida, método de preparação de vesículas em uma composição líquida que incorpora uma proteína transmembranar, membrana de separação e método de preparação de uma camada de filme fino de compósito que imobiliza as vesículas que incorporam uma proteína transmembranar em uma membrana de substrato poroso Download PDF

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Abstract

a presente invenção se refere a uma vesícula em uma composição líquida que compreende um copolímero dibloco anfifílico do tipo pmoxaa-b-pdmsc-d como um material de formação de membrana de vesícula, compreendendo ainda como um aditivo de aproximadamente 0,05% a aproximadamente 1% v/v do grupo terminal reativo pdmse-f funcionalizado, e uma proteína transmembranar. a vesícula compreende opcionalmente de aproximadamente 1 a aproximadamente 12% v/v de copolímero tribloco do tipo pmoxaa-b-pdmsc-d-pmoxaa-b como material de formação de membrana.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se refere a vesículas baseadas em copolímero dibloco anfifílico que compreendem proteínas transmembranares, como canais de água, ou aquaporina, (AQPs), e a membranas de filtração que compreendem as vesículas. A presente invenção se refere ainda a métodos de fabricação de vesículas e membranas de separação contando-as e aos usos das ditas membranas.
HISTÓRICO DA INVENÇÃO
[002] O uso de copolímeros de lipídios e bloco anfifílicos para formação vesículas autorreunidas tendo estruturas biocamada ou similar a bicamada é bem conhecido na técnica, em particular para imobilização de proteínas de membrana anfifílica, como canais de água, ou aquaporina (AQPs). As vesículas que compreendem AQPs podem estão ser usadas para fabricar membranas que possuem AQPs imobilizados para aplicações como a purificação de água (WO2006/122566) ou a geração de energia de salinidade (WO2007/033675), em geral ao depositar as vesículas como uma camada ou em um filme sobre um substrato de suporte, o qual permite a passagem seletiva de moléculas de água através das membranas por nanofiltração, osmose reversa, osmose inversa ou osmose por retardo de pressão.
[003] O documento WO2013/043118 revela membranas de filme fino compósito (TFC) nas quais canais de água, ou aquaporina, (AQPs) são incorporados na camada ativa da membrana. Além disso, ele revela um método de produção de membranas de filme fino compósito e seus usos nos processos de filtração, como nanofiltração e processos de filtração osmótica. A membrana de TFC compreende vesículas de AQP de lipídio/AQP de copolímero que são incorporadas na camada ativa de TFC. O documento WO2010/146365 descreve a preparação de membranas de filtração de TFC-aquaporina-Z (AqpZ) que usam um copolímero tribloco anfifílico como uma substância para formação de vesícula para incorporar AQPs imobilizados. O documento WO2014/108827 revela um módulo de fibra oca (HF) que possui fibras modificadas com uma camada de filme fino compósito (TFC) que compreende canais de água, ou aquaporina, na qual os canais de água, ou aquaporina, são incorporados em vesículas copoliméricas de lipídio ou bloco antes da incorporação na camada TFC.
[004] No entanto, na técnica anterior, normalmente os copolímeros anfifílicos de lipídios e bloco usados na produção da vesícula são sólidos que precisam ser dissolvidos em solventes difíceis, como tetraclorometano (CCl4) ou clorofórmio (CHCl3), para solubilizar suas porções predominantemente hidrofóbicas. Na síntese da membrana, este solvente é evaporado para permitir a formação de filme, o qual é então reidratado para levar a molécula anfifílica a diversas formas de emulsão (como vesículas), com incorporação simultânea na proteína da membrana de AQP. No entanto, na prática, geralmente é difícil controlar o tamanho final da vesícula, resultando em emulsões dispersas que possuem vesículas com diâmetro que varia de aproximadamente 60 a 80 nm a aproximadamente 1000 nm ou mais. Também pode haver limites ao número de AQPs que podem ser incorporados em cada vesícula, devido ao fato de as proteínas da membrana precisarem ser alinhadas de acordo com sua estrutura anfifílica na estrutura bicamada e corresponder à espessura da parte hidrofóbica da membrana da proteína e da vesícula.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[005] Em geral, a presente invenção se fere ao uso de copolímero dibloco de PMOXA-PDMS (poli(2- metiloxazolina)-bloco-poli(dimetil siloxano) copolímero dibloco) para formar vesículas autorreunidas com proteínas transmembranares, como canais de água, ou aquaporina. As vesículas de aquaporina podem então ser usadas na produção de membranas de separação, nas quais as proteínas transmembranares são incorporadas ou imobilizadas e ativadas, por exemplo, para permitir que moléculas de água atravessem a membrana. Por exemplo, para a produção de membranas de separação que compreendem as proteínas transmembranares, as vesículas podem ser adicionadas a uma composição líquida aquosa que compreende uma amina aromática, como uma diamina ou triamina, por exemplo, 1,3-diaminobenzeno (MPD), aplicada à superfície de um suporte seletivamente permeável ou semipermeável, que quando entra em contato com uma solução de um cloreto ácido em um solvente orgânico participará de uma reação de polimerização interfacial para formar uma camada ativa ou seletiva de filme fino compósito sobre o dito suporte, formando assim uma membrana de separação em que as ditas vesículas se tornam imobilizadas ou incorporadas. Portanto, a presente invenção provê uma vesícula em uma formulação líquida compreendendo um copolímero dibloco anfifílico do tipo PMOXAa- b-PDMSc-d como material de formação de membrana de vesícula, compreendendo ainda um aditivo de aproximadamente 0,05% a aproximadamente 1% v/v de PDMSe-f funcionalizado com grupo terminal reativo e uma proteína transmembranar.
[006] Em um determinado aspecto, o PMOXAa-b-PDMSc- d da vesícula é selecionado a partir do grupo que consiste em PMOXA10-40-PDMS25-70 e mistura destes. Para aumentar a robustez da vesícula, pode ser preferido usar uma mistura que compreende pelo menos um primeiro copolímero dibloco anfifílico da fórmula geral PMOXA10-28-PDMS25-70 e um segundo copolímero dibloco anfifílico da fórmula geral PMOXA28-40-PDMS25-70. A proporção em peso entre o primeiro e o segundo copolímero dibloco anfifílico geralmente está na faixa de 0,1:1 a 1:0,1. A concentração de copolímero dibloco anfifílico na composição líquida geralmente está na faixa de 0,1 a 50 mg/mL, como 0,5 a 20 mg/mL, e de preferência 1 a 10 mg/mL.
[007] PDMSe-f funcionalizado com grupo terminal reativo (poli(dimetil siloxano) funcionalizado com grupo terminal reativo) da vesícula pode ser funcionalizado com um, dois ou mais grupos de amina, ácido carboxílico e/ou hidroxi. De forma adequada, o número inteiro e é selecionado na faixa de 20 a 40, como 30 e o número inteiro f é selecionado a partir da faixa de 40 a 80, como 50. Em um determinado aspecto da invenção, o PDMSe-f funcionalizado com grupo terminal reativo é bis(amino alquila), bis(hidroxialquila) ou bis(ácido carboxílico alquila) terminado em PDMSe-f, como poli(dimetil siloxano), bis(3-aminopropil) ou poli(dimetil siloxano), bis(3-hiroxipropil). Além disso, o PDMSe-f funcionalizado com grupo terminal reativo pode ser selecionado a partir do grupo que consiste em H2N-PDMS30-50, HOOC-PDMS30-50 e HO-PDMS30-50, e mistura destes, como agente reticulante.
[008] A vesícula da invenção pode conter ainda aproximadamente 1% v/v a aproximadamente 12% v/v de copolímero tribloco do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d-PMOXAa-b para aumentar sua integridade. Normalmente, a dita vesícula compreende de aproximadamente 8% v/v a aproximadamente 12% v/v de copolímero tribloco do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d-PMOXAa-b. o copolímero tribloco do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d-PMOXAa-b é selecionado normalmente a partir de PMOXA10-20-PDMS25-70-PMOXA10-20.
[009] A vesícula na formulação líquida da invenção pode compreender ainda um agente de aperfeiçoamento de fluxo para aumentar o fluxo de água ou reduzir o fluxo reverso de sal. O agente de aperfeiçoamento de fluxo pode ser selecionado entre um grande grupo de compostos por ser geralmente preferido como alquilato de alquileno glicol monoalquil éter, beta ciclodextrina, ou polietilenoglicol (15)-hidroxiestearato. O agente de aumento de fluxo geralmente está presente em uma quantidade de 0,1% a 1% em peso da composição líquida.
[010] Apesar de qualquer proteína transmembranar poder ser incorporada no material de membrana revelado na presente invenção, deseja-se geralmente usar proteína transmembranar que transporte íons (canais de íon) ou água (canais de água, ou aquaporina). Os canais de íon incluem canais de cloreto e transportadores de íon metálico. Os canais de cloreto em adição ao íon de cloreto também conduzem HCO3-, I-, SCN- e NO3- em algumas proteínas transmembranares. Os transportadores de íon metálico incluem transportadores de magnésio, canais de íon de potássio, canais de íon de sódio, canais de cálcio, canais de próton etc.
[011] Em uma realização preferida da invenção, a proteína transmembranar é um canal de água, ou aquaporina. Os canais de água, ou aquaporina, facilitam o transporte de água para dentro ou fora de uma célula. Em uma membrana industrial, os canais de água, ou aquaporina, garantem o fluxo de água por osmose, enquanto outros solutos na solução são rejeitados.
[012] A vesícula da invenção pode estar presente em uma composição líquida antes da imobilização em uma membrana, como uma camada de TFC provida em uma membrana de suporte. A composição líquida pode compreender um tampão para estabilizar as vesículas. Antes de a proteína transmembranar, como aquaporina, ser misturada a outros constituintes, a proteína transmembranar é adequadamente solubilizada em um detergente. A solubilização da proteína transmembranar em um detergente evita ou melhora a tendência da proteína transmembranar se precipitar na solução aquosa. Portanto, as vesículas na composição líquida podem compreender ainda um detergente ou um tensoativo. O detergente pode ser selecionado a partir do grupo que consiste em N-óxido de lauril (LDAO), octil glicosídeo (OG), dodecil maltosídeo (DDM) ou combinações destes.
[013] Sem querer se ater à qualquer teoria em particular, acredita-se que as vesículas contendo grupos reativos livres disponíveis na superfície não só serão fisicamente incorporadas ou imobilizadas (adsorvidas), mas também quimicamente ligadas à camada de TFC, devido aos grupos terminais reativos livres, como grupos amina, grupos hidroxila e grupos carboxila, participarem da reação de polimerização interfacial com o cloreto de acila, como um cloreto de trimesoila (TMC). Desta forma, acredita-se que as vesículas serão ligadas covalentemente na camada de TFC, levando a carga de vesículas relativamente maiores e, assim, fluxo maior de água através das membranas. Além disso, acredita-se que a ligação covalente de vesículas na camada de TFC resulte em maior estabilidade e/ou longevidade dos AQPs e AQP-vesículas quando incorporadas na camada de membrana seletiva.
[014] As vesículas podem ser preparadas em uma composição líquida que incorpora uma proteína transmembranar, compreendendo a etapa de agitação de uma mistura de uma solução de um copolímero dibloco anfifílico do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d, 0,05% a aproximadamente 1% de PDMSe-f funcionalizado com grupo terminal reativo e uma proteína transmembranar. Para se obter o melhor resultado, a agitação continua durante 12 a 16 horas. Os aspectos preferidos do método de preparação são destacados abaixo.
[015] A presente invenção também provê novas membranas de separação, como membranas de filtração, como membranas de TFC, que possuem AQPs incorporados na camada ativa para facilitar o transporte de água, onde os AQPs são incorporados nas vesículas de membrana bicamada polimérica anfifílica. A presente invenção provê ainda composições líquidas que compreendem as vesículas, as quais podem ser imobilizadas na camada ativa ou camada de rejeição de diversas membranas de separação (como membranas de filtração), como membranas de nanofiltração, membranas de osmose inversa e membranas de osmose reversa.
[016] A invenção também se refere à preparação de uma camada de filme fino compósito que imobiliza as vesículas incorporando uma proteína transmembranar sobre uma membrana de substrato poroso. O método compreende as etapas de provisão de uma mistura de vesículas em uma composição líquida preparada conforme revelado acima, e um composto de diamina ou triamina cobrindo a superfície de uma membrana de suporte porosa com a mistura, aplicando-se uma solução hidrofóbica que compreende um composto de haleto de acila, e permitindo que a solução aquosa e a solução hidrofóbica realizem uma reação de polimerização interfacial para formar a camada de filme fino compósito. Em uma determinada realização da invenção, a solução hidrofóbica compreende ainda um agente modificador de camada de TFC em uma quantidade de 0,1 a 10% por volume. O agente modificador de camada TFC possui o objetivo de aumentar o fluxo de água e/ou a rejeição de solutos. Em uma realização adequada, o agente modificador de camada de TFC é um composto de carbonila C3 a C8. Como um exemplo, o agente modificador de camada de TFC é selecionado entre o grupo que consiste em dietileno cetona, 2-pentanona, 5-pentanona e/ou ciclopentanona.
[017] O composto de diamina pode ser selecionado entre uma faixa de compostos que incluem, por exemplo, fenilenodiaminas, como m-fenilenodiamina, p-fenilenodiamina, 2,5-dicloro-p-fenilenodiamina, 2,5-dibromo-p-fenilenodiamina, 2,4,6-tricloro-m-fenilenodiamina, 2,4,6-tribromo-m-fenileno- diamina etc.; diaminobifenis, como 2,2'-diaminobifenil, 4,4'- diaminobifenil, 3,3'-dicloro-4,4'-diaminobifenil, 3,5,3',5'- tetrabromo-4,4'-diaminobifenil etc.; diaminodifenilmetanos, como 4,4'-diaminodifenilmetano, 3,3'-diaminodifenilmetano, 2,2'-diaminodifenilmetano, 3,3'-dicloro-4,4'- diaminodifenilmetano, 2,2'-dicloro-4,4'-diaminodifenilmetano, 3,5,3',5'-tetracloro-4,4'-diaminodifenilmetano, 3,5,3',5'- tetrabromo-4,4'-diaminodifenilmetano etc.; diaminobibenzis, como 4,4'-diaminobibenzil, 3,5,3',5'-tetrabromo-4,4'-diamino- bibenzil etc.; 2,2-bisaminofenilpropanos, como 2,2-bis(4'- aminofenil)propano, 2,2-bis(3',5'-dicloro-4'-amino- fenil)propano, 2,2-bis(3',5'-dibromo-4'-aminofenil)propano etc.; diaminodifenilsulfonas, como 4,4'-diamino- difenilsulfona, 3,5,3',5'-tetracloro-4,4'-diamino- difenilsulfona, 3,5,3',5'-tetrabromo-4,4'-diaminodifenil- sulfona etc.; diaminobenzofenonas, como 4,4'-diamino- benzofenona, 2,2'-diaminobenzofenona, 3,3'-dicloro-4,4'- diaminobenzofenona, 3,5,3',5'-tetrabromo-4,4'-diamino- benzofenona, 3,5,3',5'-tetracloro-4,4'-diaminobenzofenona etc.; diaminodifenil éteres, como 3,3'-diaminodifenil éter, 4,4'-diaminodifenil éter, 3,3'-dibromo-4,4'-diaminodifenil éter etc., piperazina, N-fenil-benzeno-1,3 diamina, melanina, e misturas destes compostos. Em um aspecto preferido, a diamina é selecionada como m-fenilenodiamina (MPD), também conhecida como 1,3-diaminobenzeno.
[018] O composto de triamina pode ser selecionado entre uma faixa de compostos que inclui, por exemplo, dietileno triamina, dipropileno triamina, fenilenotriamina, bis(hexametileno)triamina, bis(hexametileno)triamina, bis(3-aminopropil)amina, hexametilenodiamina, N-alquila de sebo dipropileno, 1,3,5- triazina-2,4,6-triamina, e misturas destes compostos.
[019] O composto de haleto de acila geralmente possui dois ou três grupos de haleto de acila disponíveis para reação com o composto de di ou triamina. Os exemplos adequados de compostos de haleto de diacila ou haleto de triacila incluem cloreto de trimesoila (TMC), brometo de trimesoila, cloreto de isoftaloila (IPC), brometo de isoftaloila, cloreto de tereftaloila (TPC), brometo de tereftaloila, cloreto de adipoíla, cloreto cianúrico, e misturas destes compostos.
[020] Os grupos amina do composto diamina ou triamina concorrerão com os grupos de cloreto ácido do composto de haleto de acila para reação. Geralmente, a proporção em peso do composto de diamina ou triamina com composto haleto de acila é de 0:1 a 30:1. Quando exige alta densidade de vesículas na superfície, a quantidade de grupos de diamina ou triamina geralmente encontra-se na parte inferior da faixa, ou seja, 0:1 a 1:1, como entre 0:1 a 0,5:1. Em outras realizações da invenção, deseja-se uma camada de TFC mais rígida e uma seleção dos reagentes encontra-se na extremidade mais elevada da faixa, como 1:1 a 30:1, de preferência 1:1 a 5:1.
[021] A membrana de suporte porosa pode ser formada por diversos materiais. A escolha específica de material não é essencial contanto que a membrana de suporte possa suportar de forma suficiente a camada de TFC e resistir à decomposição durante a condição de operação, ou seja, capaz de suportar a pressão e/ou ambiente químico em ambos os lados da membrana. Os exemplos específicos de materiais para a membrana de suporte porosa incluem polisulfona ou um polímero de polietersulfona. O suporte pode ser simétrico ou assimétrico. No caso de a membrana de suporte porosa ser assimétrica, a camada de TFC é formada de forma adequada sobre a face da camada de pele.
[022] A membrana de suporte porosa pode ser suportada ainda por um suporte mecânico tecido ou não tecido em algumas realizações para aumentar a construção mecânica e reduzir o risco de fraturas durante a operação.
[023] A membrana de suporte porosa pode ter qualquer aparência física conhecida na técnica, como membrana de folha plana, membrana tubular ou membrana de fibra oca. Em um determinado aspecto da invenção, prefere-se uma membrana de fibra oca uma vez que provê maior densidade de acondicionamento, ou seja, a área ativa da membrana é maior para um determinado volume. As membranas podem ser agrupadas ou montadas em um módulo, como conhecido na técnica. Portanto, uma pluralidade de membranas de folha plana pode ser montada em uma configuração de membrana de placa e estrutura. Os sistemas de membrana de placa e estrutura utilizam membranas estabelecidas sobre uma estrutura similar à placa, que, por sua vez, mantém-se unida por um suporte similar à estrutura.
[024] As membranas de folha plana também podem ser montadas em módulos de filtro enrolado em espiral. Além das membranas de folha plana, os módulos de membrana enrolada em espiral incluem espaçadores de alimentação e espaçadores de penetração enrolados em torno de um tubo oco denominado tubo de penetração. Os elementos enrolados em espiral utilizam tecnologia de fluxo cruzado e, devido à sua construção, podem ser facilmente criados em diferentes configurações com variação de comprimento, diâmetro e material da membrana. Um modulo de filtro enrolado em espiral pode ser produzido primeiramente ao expor uma membrana e então dobrando-a ao meio com a membrana voltada para dentro. O espaçador de alimentação é então colocado entre as membranas dobradas, formando um sanduíche de membrana. O objetivo do espaçador de alimentação é prover espaço para a água fluir entre as superfícies da membrana, e permitir o fluxo uniforme entre as folhas da membrana. Em seguida, o espaçador de penetração é fixado ao tubo de penetração, e o sanduíche de membrana preparado anteriormente é fixado ao espaçador de penetração usando-se cola. A camada de penetração seguinte é estabelecida e vedada com cola, e todo o processo é repetido até todos os espaçadores de penetração necessários terem sido fixados às membranas. As camadas finalizadas de membrana então são enroladas em torno do tubo, criando o formato em espiral.
[025] Os módulos de membrana tubular são estruturas similares ao tubo com paredes porosas. Os módulos tubulares trabalham através de fluxo cruzado tangencial e geralmente são usados para processar fluxos de alimentação difíceis, como aqueles com sólidos altamente dissolvidos, sólidos altamente suspensos e/ou óleo, graxa ou gorduras. Os módulos tubulares consistem em, no mínimo, dois tubos; o tubo interno, denominado tubo da membrana, e o tubo externo, que é a concha. O fluxo de alimentação atravessa o comprimento do tubo da membrana e é filtrado para dentro e para fora da concha enquanto o concentrado coleta na extremidade oposta do tubo da membrana.
[026] As membranas de fibra oca podem ser montadas em um módulo. Portanto, a presente invenção provê a etapa de produção de um módulo de fibra oca ao montar um feixe de fibra ocas em um invólucro, em que uma entrada para passagem de uma primeira solução é conectada ao lúmen das fibra ocas em uma extremidade e uma saída é conectada ao lúmen na outra extremidade, e é provida uma entrada no invólucro para passagem de uma segunda solução para uma saída conectada ao invólucro.
[027] Os módulos da membrana, produzidos em conformidade com a presente invenção, podem ser usados em diversas configurações, inclusive configurações de osmose inversa e configurações de osmose reversa.
[028] Assim, quando a dita proteína transmembranar compreende um canal de íon ou uma aquaporina, ou similar, e as ditas nanoestruturas compreendendo a dita proteína transmembranar são imobilizadas ou incorporadas na dita camada ativa ou seletiva, torna-se viável fabricar novas membranas de separação ou membranas de filtração que possuem seletividade e propriedades de transporte diversas, por exemplo, as membranas de troca iônica quando a dita proteína transmembranar é um canal de íon, ou membranas de filtração de água quando a dita proteína transmembranar é uma aquaporina. Devido à proteína transmembranar manter sua estrutura dobrada biologicamente ativa quando complexada nas nanoestruturas automontadas, em que pode ser protegida da degradação, mesmos proteínas anfifílicas sensíveis podem se tornar suficientemente estáveis e, assim, preservar sua funcionalidade desejada quando processada nas membranas de separação em escala laboratorial e industrial.
[029] Além disso, a presente invenção se refere a uma composição líquida que compreende vesículas tendo incorporado uma proteína transmembranar, em que a dita proteína transmembranar é um canal de água, ou aquaporina, conforme descrito acima e que compreende ainda um detergente e compreendendo opcionalmente um tampão de copolímero tribloco, e um método de fabricação da dita composição líquida.
[030] A nova membrana de separação da invenção é útil em um método de preparação de um filtrado de água pura, como a filtração de uma solução aquosa através de uma membrana de separação em um processo de nanofiltração ou em um processo de osmose reversa. Para as finalidades, o termo “membrana de separação” aqui inclui membranas seletivamente permeáveis e membranas semipermeáveis para filtração de água e separação de água, como membranas assimétricas que compreendem uma camada de suporte micro ou nanoporosa tendo formado em um lado uma camada seletiva, como uma camada ou filme de poliamida aromática reticulada fina ou uma camada de polieletrólitos alternadamente carregados (L-B-L), e no outro lado sendo reforçada por uma camada ou malha tecida ou não tecida feita de fibras de poliéster.
[031] Além disso, a nova membrana de separação da invenção é útil em um método para a concentração de uma solução do produto, o dito método compreendendo a utilização de uma membrana de separação da invenção montada em um invólucro ou módulo de filtro módulo para extrair água da solução do produto, por exemplo, por osmose inversa.
[032] Diversos aspectos da invenção incluem um módulo de fibra oca (HF) que possui membranas de fibra oca modificadas com uma camada seletiva que compreende a formulação de aquaporina líquida da invenção; e onde a dita camada seletiva compreende uma camada de filme fino compósito (TFC) formada na superfície interna das fibras através de uma reação de polimerização interfacial; e onde a dita camada de TFC compreende canais de água, ou aquaporina, que são incorporados em vesículas anfifílicas, como vesículas de copolímero dibloco ou tribloco, cujo exemplo é descrito nos exemplos abaixo.
[033] A nova membrana de separação da invenção pode ser adicionalmente útil em um método para a produção de energia de salinidade usando osmose por retardo de pressão, o dito método compreende o uso da dita membrana de separação para aumentar a pressão hidrostática e usando o aumento da pressão hidrostática como uma fonte de energia de salinidade, conforme documentos de patente WO2007/033675 e WO2014128293 (A1).
[034] As realizações da presente invenção serão agora descritas por meio de exemplos e sem limitação, com referência aos exemplos anexos. No entanto, diversos outros aspectos e realizações da presente invenção ficarão evidentes aos técnicos no assunto em vista da presente revelação.
[035] O termo “e/ou”, onde aqui utilizado, deve ser compreendido como revelação específica de cada um dos dois componentes ou características especificadas com ou sem o outro. Por exemplo, “A e/ou B” deve ser compreendido como revelação específica de cada um entre (i) A, (ii) B e (iii) A e B, como se cada um fosse aqui estabelecido individualmente.
[036] Exceto determinado o contrário pelo contexto, as descrições e definições das características estabelecidas acima não estão limitadas a qualquer aspecto ou realização particular da invenção e aplicam-se igualmente a todos os aspectos e realizações aos quais são descritos.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[037] Mais especificamente, a invenção se refere a vesículas como aqui revelado, cuja vesícula compreende um copolímero dibloco anfifílico do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d, compreendendo opcionalmente de aproximadamente 0,5% a menos que aproximadamente 8 a 10% v/v de um copolímero tribloco do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d-PMOXAa-b como material de formação de membrana e compreendendo ainda, como um aditivo, de aproximadamente 0,01% a aproximadamente 0,2% v/v de um PDMSe-f finalizado terminal hidrofóbico e uma proteína transmembranar.
[038] Os exemplos do dito PDMS funcionalizado terminal são, por exemplo, PDMSe-f terminados em bis(aminoalquila) ou bis(hidroxialquila), onde e-f representa a faixa de 30 a 50, como poli(dimetil siloxano) terminado em bis(aminopropil) tendo a fórmula mostrada aqui abaixo onde (CAS Número 106214-84-0, produto Aldrich no 481246, Mn médio ~5.600 ou CAS Número 106214-84-0, produto Aldrich no 481696, Mn médio ~27.000):
[039] e poli(dimetil siloxano) terminado em bis(hidroxialquila) tendo a formula mostrada aqui abaixo, onde n é aproximadamente 30 a 50 e m e p são ambos números inteiros entre 2 e 5, como 3 ou 4, (CAS Número 156327-07-0, produto Aldrich no 481246, Mn médio ~5.600):
[040]
[041] Os exemplos de proteínas transmembranares água, ou aquaporina, ou seja, aquaporinas e aquagliceroporinas, como aquelas listadas nas definições abaixo.
[042] Além disso, a invenção se refere a um método de fabricação da composição líquida, conforme revelado, no qual uma solução de um copolímero dibloco anfifílico do tipo PMOXAa-b-PDMSc-d compreendendo opcionalmente aproximadamente 2 a 10% de copolímero tribloco do tipo PMOXAa- b-PDMSc-d-PMOXAa-b como um aditivo, e de aproximadamente 0,05% a aproximadamente 1% de PDMSe-f funcionalizado com grupo terminal reativo , como um agente reticulante, é misturada a uma proteína transmembranar.
[043] Como um exemplo, a camada ativa pode ser uma camada de filme fino compósito formada sobre a membrana de suporte. Uma membrana de TFC pode ser formada usando componentes de reação alternativos, por exemplo, conforme descrito por Choumou Zhou et al. em Journal of Membrane Science, Volume 471, 1o de dezembro de 2014, Páginas 381-391 “Thin-film composite membranes formed by interfacial polymerization with natural material sericin and trimesoila chloride for nanofiltration”. Uma camada ativa altamente seletiva também pode ser formada no substrato pelo método de camada por camada (vide Wang et al., Membranes, 5(3): 369-384, 2015).
[044] A membrana de filtração, de acordo com a invenção, pode ser preparada ao adicionar uma composição líquida compreendendo as ditas vesículas de copolímero dibloco, por exemplo, com proteínas de canal de água, ou aquaporina, como a proteína transmembranar, durante o processo de fabricação da membrana, como adição da composição líquida a uma solução aquosa de MPD ao formar uma camada de TFC.
[045] Em um aspecto do processo da invenção, a proteína transmembranar pode ser uma proteína de canal aniônico, como canal aniônico dependente de tensão, o qual é útil na preparação de membranas de troca iônica para eletrodiálise reversa, conforme Dlugolecki et al. (Journal of Membrane Science, 319 214-222, 2008).
Definições e Termos
[046] O termo “proteína transmembranar” (TP), como aqui usado, é um tipo de proteína de membrana que cobre a totalidade da membrana biológica, à qual é permanentemente fixada na natureza. Ou seja, na natureza, as proteínas transmembranares cobrem de um lado de uma membrana ao outro lado da membrana. Os exemplos de proteínas transmembranares são transportadores de amônia, transportadores de ureia, canais de cloreto e canais de água, ou aquaporina.
[047] O termo “canal de água, ou aquaporina”, como aqui usado, inclui um canal de água aquaporina ou aquagliceroporina funcional natural ou sintético, como aquaporina Z (AqpZ), GlPf, SoPIP2;1, aquaporina 1 e/ou aquaporina 2. Os canais de água, ou aquaporina, incluem aquaporinas bacterianas e aquaporinas eucarióticas, como aquaporinas de levedura, aquaporinas vegetais e aquaporinas mamíferas, bem como proteínas de canal relacionado, como aquagliceroporinas. Os exemplos de aquaporinas e aquagliceroporinas incluem: aquaporinas procarióticas, como AqpZ; aquaporinas mamíferas, como Aqp1 e Aqp2; aquaporinas vegetais, como proteínas intrínsecas do plasma (PIP), proteínas intrínsecas tonoplastas (TIP), proteínas intrínsecas do tipo nodulina (NIP) e proteínas intrínsecas pequenas (SIP), por exemplo, SoPIP2;1, PttPIP2;5 e PtPIP2;2; aquaporinas de leveduras, como AQY1 e AQY2; e aquagliceroporinas, como GlpF e Yfl054. As proteínas de canal de água, ou aquaporina, podem ser preparadas de acordo com os métodos aqui descritos ou conforme estabelecido em Karlsson et al. (FEBS Letters 537: 68-72, 2003), ou conforme descrito em Jensen et al. US 2012/0080377 A1 (vide, por exemplo, Exemplo 6).
[048] Os termos “membrana de separação”, como aqui usado, inclui membranas úteis para separação de água e, opcionalmente, determinados solutos de tamanho pequeno, inclusive ânions e cátions, de outros solutos, partículas, coloides e macromoléculas. Os exemplos de membranas de separação são “membranas de filtração”, como membranas de nanofiltração (NF), membranas de osmose inversa (FO) e membranas de osmose reversa (RO). Um tipo de membranas de filtração é uma membrana de “filme fino compósito” (ou TFC), geralmente classificada como membranas de nanofiltração e de osmose reversa. As membranas de TFC normalmente são feitas por depósito de uma camada de poliamida sobre uma polietersulfona ou camada de porosa de polisulfona sobre um suporte de tecido não entrelaçado ou entrelaçado. A camada de rejeição de poliamida é formada através de polimerização interfacial de uma solução aquosa de uma amina com uma solução de um cloreto ácido em um solvente orgânico. As membranas de TFC podem ser produzidas conforme descrito no documento WO 2013/043118 (Nanyang Technological University & Aquaporin A/S). Outros tipos de membranas de filtração são aqueles formados pelo método de depósito camada por camada (LbL), conforme descrito em Gribova et al. (Chem. Mater., 24: 854-869, 2012) e Wang et al. (Membranes, 5(3): 369-384, 2015). Por exemplo, a nanoestrutura automontada pode ser integrada ou incorporada nos filmes multicamada de polieletrólito (PEM), conforme esboçado na Figura 4 de Gribova et al.
[049] Membranas de “filme fino compósito” ou (TFC), como aqui usado, podem ser preparadas usando uma reagente de amina, de preferência uma amina aromática, como uma diamina ou triamina, por exemplo, 1,3-diaminobenzeno (m- Fenilenodiamina, > 99%, por exemplo, conforme adquirido de Sigma-Aldrich) em uma solução aquosa, e um reagente de haleto de acila, como um di ou tricloreto ácido, de preferência, um haleto de acila aromático, por exemplo, cloreto de benzeno- 1,3,5-tricarbonil (CAS no 84270-84-8, cloreto de trimesoila (TMC), 98%, por exemplo, conforme adquirido de Sigma-Aldrich) dissolvido em um solvente orgânico, onde os ditos reagentes combinam-se em uma reação de polimerização por condensação interfacial, conforme Khorshidi et al. (2016) Scientific Reports 6, Artigo número: 22069, e patente norte-americana no: 4.277.344, a qual descreve em detalhes a formação de uma membrana compósito que compreende uma poliamida laminada para um suporte de membrana porosa, na superfície da membrana de suporte, por exemplo, uma membrana de polietersulfona. Cloreto de benzeno-1,3,5-tricarbonil (cloreto de trimesoila) é dissolvido em um solvente, como um hidrocarboneto C6-C12, incluindo hexano (> 99,9%, Fisher Chemicals), heptano, octano, nonano, decano, etc. (hidrocarbonetos de cadeia reta ou ramificados) ou outro solvente de hidrocarboneto aromático baixo, por exemplo, fluido Isopar™ G, o qual é produzido por matérias primas baseadas em petróleo tratadas com hidrogênio na presença de um catalisador para produzir um fluir de baixo odor cujos principais componentes incluem isoalcanos. Fluido Isopar™ G: Nome Químico: Hidrocarbonetos, C10-C12, isoalcanos, < 2% aromáticos; CAS no: 64742-48-9, nome químico: Nafta (petróleo), altamente hidrotratado (da ExxonMobil Chemical). As alternativas ao reagente 1,3-diaminobenzeno incluem diaminas, como hexametilenodiamina, etc., e as alternativas ao reagente cloreto de benzeno-1,3,5-tricarbonil incluem um cloreto de diacila, cloreto de adipoíla, ácido cianúrico, etc., conforme conhecido na técnica.
[050] O termo “copolímero dibloco”, como aqui usado, significa um polímero que consiste em dois tipos de monômeros, A e B. os monômeros são dispostos de modo que haja uma cadeia de cada monômero, e aquelas duas cadeias são enxertadas juntas para formar uma única cadeia de copolímero.
[051] A abreviação Mn significa o número médio do peso molecular. Significa o peso total do polímero dividido pelo número de moléculas de polímero. Assim, Mn é o peso molecular ponderado de acordo com o número de frações. A abreviação Mw significa o peso molecular médio. O peso molecular ponderado de acordo com as frações de peso. A massa molecular pode ser medida pela cromatografia por permeação em gel (GPC) em tetrahidrofurano. O índice de polidispersidade, definido como Mn/Mw, será determinado a partir das curvas de eluição obtidas em GPC.
[052] Tamanho das vesículas: De preferência, as vesículas da presente invenção possuem um tamanho de partícula entre aproximadamente 10 nm de diâmetro até 200 nm de diâmetro, dependendo dos componentes precisos das vesículas e das condições usadas para sua formação. Ficará evidente aos técnicos no assunto que um tamanho de partícula se refere a uma variação de tamanhos e o número aqui mencionado se refere ao diâmetro médio, o diâmetro médio mais comumente daquela variação de partículas. As composições de vesícula da presente invenção compreendem vesículas que possuem diâmetros hidrodinâmicos médios de 300 nm ou menos, em alguns casos, os diâmetros médios que são inferiores a 400 nm, como inferiores a 50 nm.
[053] Os exemplos de proporções molares da proteína transmembranar para o copolímero em bloco são dependentes da proteína transmembranar usada, dos tipos de copolímeros usados e o tamanho desejado da vesícula. Como um exemplo, para vesículas baseadas em dibloco PDMS-PMOXA e canais de água, ou aquaporina, a proporção molar da proteína transmembranar para o copolímero em bloco pode ser entre 1:200 a 1:2000, como 1:400 a 1:1500, como 1:600 a 1:1000.
[054] O termo “automontado”, como aqui usado, refere-se ao processo pelo qual as vesículas são formadas através da interação hidrofílica e hidrofóbica de substâncias anfifílicas, como os copolímeros diblocos aqui descritos, que possuem uma meação de PMOXA relativamente hidrofílica e uma meação de PDMS relativamente hidrofóbica.
[055] “Diâmetro hidrodinâmico”, como aqui usado, representa o tamanho hidrodinâmico das nanopartículas em meio aquoso por dispersão de luz dinâmica (DLS), definido como tamanho de uma esfera rígida hipotética que se difunde da mesma forma que aquela da partícula sendo medida.
[056] Osmose inversa (FO) é um processo osmótico que utiliza uma membrana seletivamente permeável para realizar a separação de água dos solutos dissolvidos. A força condutora para esta separação é um gradiente de pressão osmótica entre uma solução de alta concentração, aqui denominado absorção e uma solução de concentração menor, denominada alimentação. O gradiente de pressão osmótica induz um fluxo líquido de água através da membrana para a absorção, concentrando assim, de forma eficaz, a alimentação. A solução de absorção pode consistir em um único ou diversos sais simples ou pode ser uma substância especificamente adaptada para aplicações de osmose inversa. A solução de alimentação pode ser um fluxo de produto diluído, como uma bebida, um fluxo de resíduo ou água do mar, conforme IFOA, http://forwardosmose.biz/education/what-is- forward-osmosis/
[057] A maioria das aplicações de FO, portanto, recai em três amplas categorias: concentração de produto, concentração de resíduo ou produção de água limpa como um subproduto do processo de concentração. O termo “PAFO”, quando aqui usado, descreve um processo de osmose inversa assistido por pressão. O termo “PRO”, quando aqui usado, descreve a osmose retardada por pressão, que é útil na geração de energia osmótica. As membranas da presente invenção úteis em todos os tipos de processos de osmose inversa e podem ser especificamente adaptadas para cada tipo FO.
[058] O termo “osmose reversa” (RO), usado aqui, refere-se à quando uma pressão de água de alimentação aplicada em uma membrana seletivamente permeável é usada para superar a pressão osmótica. A osmose reversa normalmente remove muitos tipos de substâncias dissolvidas e suspensas da água de alimentação, inclusive bactérias, e é usada tanto em processos industriais quanto na produção de água potável. Durante o processo de RO, o soluto é retido no lado pressurizado da membrana e o solvente puro, o permeado, passa para o outro lado. Seletividade especifica que a membrana não permite que moléculas grandes ou íons atravessem seus poros (orifícios), enquanto permite que componentes menores da solução (como moléculas de solvente) passem livremente. As membranas de osmose reversa por baixa pressão (LPRO) normalmente operam a uma pressão de água de alimentação de aproximadamente < 5 bar e até uma pressão operacional máxima de aproximadamente 25 bar, 15 de fluxo específico LMH/bar. LPRO realizada nas faixas de pressão de alimentação menores, por exemplo 2 a 5 bar, algumas vezes é designada osmose reversa por pressão ultrabaixa. As membranas de LPRO conhecidas na técnica possuem limites operacionais normais para a temperatura da água de alimentação de aproximadamente 45 °C, pH de água de alimentação na faixa de 2 a 11, e limpeza química na faixa de pH 1 a 12.
[059] A presente invenção é ilustrada ainda em referência aos exemplos não limitantes a seguir.
[060] Seção Experimental
[061] Equipamento:
[062] Start FPLC conectado ao Laptop, usando Sistema operacional Unicorn.
[063] Fluxo de vácuo.
[064] Copo de filtro a vácuo estéril 0,45 μM.
[065] Tubos PP de 15 mL.
[066] Abreviações:
[067] CV: volume da coluna.
[068] AQP: Aquaporina Z de E. coli.
[069] LDAO: N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina (no 40234, Sigma).
[070] PAGE: Eletroforese de poliacrilamida em gel.
[071] Materiais e Produtos Químicos:
[072] Material de filtração HisTrap Gel (Ni Sepharose 6 Fluxo Rápido no 17-5318-03, GE Healthcare) embalado em uma coluna XK16/20 (GE Healthcare) a volume conhecido ou pré-embalado 1 mL, 5 mL HisTrap de coluna.
[073] Tampão de ligação de AQP: 20 mM fosfato de sódio, 300 mM NaCl, 20 mM imidazol, 10% glicerol, 0,2% LDAO, pH 8,0.
[074] Tampão de ligação de AQP sem LDAO: 20 mM fosfato de sódio, 300 mM NaCl, 20 mM imidazol, 10% glicerol, pH 8,0.
[075] Tampão de ligação de AQP sem imidazol: 20 mM fosfato de sódio, 300 mM NaCl, 10% glicerol, 0,2% LDAO, pH 8,0.
[076] Tampão de eluição de AQP: 20 mM fosfato de sódio, 300 mM NaCl, 200 mM imidazol, 10% glicerol, 0,2% LDAO, pH 8,0, ddH2O.
[077] Purificação geral de aquaporina e preparação de solução reserva de aquaporina
[078] Produção Recombinante de Aquaporina Z
[079] Todos os tipos e variantes de proteínas de canal de água, ou aquaporina, inclusive aquagliceroporinas, podem ser usados na fabricação de membranas e composição de acordo com esta invenção, conforme métodos descritos no documento de patente WO2010/146365. Os exemplos representativos incluem a proteína de aquaporina de espinafre SoPIP2;1 e a aquaporina-Z bacteriana de E. coli.
[080] A aquaporina-Z funcional foi superproduzida em culturas bacterianas da cepa de E. coli BL21(DE3) como proteína marcada com His com um local de clivagem de vírus com gravação de tabaco. A proteína de fusão possui 264 aminoácidos e Mw de 27234 Da. O DNA genômico de E. coli DH5 foi usado como fonte para amplificar o gene de AqpZ. O gene de AqpZ foi amplificado usando os primers específicos ao gene com a adição de um local de clivagem de vírus com gravação de tabaco (TEV); ENLYFQSN no N-terminal de AqpZ. A AqpZ amplificada foi digerida com a enzima NdeI e BamHI, e então ligada ao DNA vetor pET28b de expressão marcada com 6- His digerido de forma similar. Os clones positivos foram verificados por exame por imagem por PCR. A autenticidade dos constructos foi então confirmada por sequenciamento de DNA.
[081] A cepa de E. coli BL21(DE3) foi usada quanto a expressão de proteína. As culturas de Luria Broth contendo 50 μg/mL de canamicina foram incubadas durante 13 a 16 horas a 37 °C, diluídas 100 vezes em LB broth fresco e propagadas a uma densidade de aproximadamente 1,2 a 1,5 (OD a 600 nm). A expressão da proteína recombinante foi induzida pela adição de 1 mM de IPTG por 3 horas a 35 °C antes da centrifugação. As células coletadas foram novamente suspensas em tampão de ligação gelado (20 mM Tris, pH 8,0, 50 mM NaCl, 2 mM β-mercaptoetanol, 10% glicerol) na presença de 0,4 mg/mL lisozima, 50 unidades de Bensonase e 3% n-octil β-D- Glicopiranosídeo. A amostra foi submetida a cinco ciclo de lise em um microfluidizador a 12.000 Pa. O material insolúvel foi granulado por 30 minutos de centrifugação a 40.000 x g. O sobrenadante atravessou uma coluna de fluxo rápido Q-Sepharose (Amersham Pharmacia), e o fluxo 10 foi coletado. A fração de vazão foi complementada com NaCl a 300 mM antes de ser carregada em uma coluna de Ni-NTA pré-equilibrada. A coluna foi lavada com 100 volumes de coluna de um tampão de lavagem (20 mM Tris, pH 8,0, 300 mM NaCl, 25 mM imidazol, 2 mM β- mercaptoetanol, 10% glicerol) para remover material não especificamente ligado. O material ligado de agarose de Ni-NTA foi eluído com cinco volumes do leito do tampão de eluição (20 mM Tris, pH 8.0, 300 mM NaCl, 300 mM imidazol, 2 mM β- mercaptoetanol, 10% 15 glicerol, contendo 30 mM n-octil β-D- Glicopiranosídeo). AqpZ foi purificada ainda com cromatografia por troca de ânion; coluna monoQ (GE healthcare). A mistura da amostra foi diluída e concentrada para trazer a concentração de sal e imidazol a aproximadamente 10 mM com o concentrador, corte de membrana de 10.000 Da antes de carregamento à coluna MonoQ. O tampão usado durante a cromatografia de troca de ânion foi (A) 20 mM Tris, pH 8,0, 30 mM OG, 10% glicerol, e (B) 20 mM 20 Tris, pH 8,0, 1 M NaCl, 30 mM OG, 10% glicerol. As frações máximas eluídas contendo AqpZ da coluna de troca iônica foram agrupadas. O extrato de AqpZ purificada foi mantido congelado a -80 °C.
[082] Procedimento para Purificação de Proteína de Aquaporina
[083] Um lote do extrato congelado de proteína de aquaporina, como aquaporina Z, AQPZ, por exemplo, de uma fermentação de E. coli, foi obtido e tratado como a seguir para uso nos experimentos para produzir e caracterizar membranas compreendendo nanoestruturas de proteína-PAI da presente invenção.
[084] Um dia antes do experimento de purificação, o extrato de AQP (armazenado a -80 °C no congelador) foi descongelado em gelo ou em um refrigerador a 4 °C. As porções dos tampões e ddH2O foram preparadas a 4 °C. O extrato de AQP foi agitado em uma proveta resfriada adequada em banho de gelo por um bastão magnético para dissolver qualquer precipitado. Foram gradualmente adicionados 1,5 volumes de tampão de ligação de AQP sem LDAO pré-resfriado a 1 volume do extrato solubilizado (usando um tampão adicional de 0,5 volume para enxaguar os tubos do extrato e copo de filtração), misturados bem e filtrados através de um copo de filtro a vácuo estéril de 0,45 μM. Aplicou-se vácuo ao copo do filtro para evitar excesso de formação de espuma e o filtrado foi colocado em gelo para uso em 2 horas.
[085] Uma coluna Histrap foi equilibrada com água estéril, seguido de Tampão de ligação AQP em temperatura ambiente. A taxa de vazão foi estabelecida a 1 mL/min (para 1 mL de coluna pré-embalada) ou 2,5 mL/min (para 5 mL de coluna pré-embalada ou coluna auto-embalada). O extrato diluído 3 vezes (em banho de água em gelo) foi carregado na coluna Histrap usando o programa AKTA. A taxa de vazão foi estabelecida a 1 mL/min (para 1 mL de coluna pré-embalada) ou 2,5 mL/min (para 5 mL de coluna pré-embalada e coluna auto- embalada). O volume de carregamento foi inferior a 30 mL/mL de resina. O fluxo de extrato em banho de água em gelo foi coletado e armazenado a 4 °C para uso adicional. A coluna foi lavada com 10 CV (volume de coluna) de tampão de ligação de AQP gelado. A taxa de vazão foi estabelecida a 2,5 mL/min (para 5 mL coluna pré-embalada e coluna auto-embalada) ou estabelecida a 1 mL/min para 1 mL de coluna pré-embalada. A proteína de AQP foi eluída com tampão de eluição de AQP gelada (10 de volume de coluna) à taxa de vazão de 2,5 mL/min usando o programa AKTA. O volume de fração foi estabelecido a 10 mL e a coleta iniciada em tubos PP de 15 mL após 0,5 a 1 de CV.
[086] As frações eluídas foram niveladas e armazenadas em gelo ou a 4 °C. A pureza e conformação de AQP foram examinadas por análise de desnaturação e PAGE nativa, respectivamente. A concentração proteica foi medida por Nanodrop. O fluxo do extrato pode ser processado uma segunda e terceira vez, conforme necessário, para produzir uma composição de AQP de qualidade adequada.
[087] Quando as análises de qualidade de AQP são aprovadas, a concentração proteica pode ser ajustada para 5 mg/mL adicionando tampão de ligação de AQP sem imidazol gelado contendo 2% de LDAO. Por fim, a AQP foi esterilizada por filtração através do copo esterilizado de 0,45 μM e armazenada a 4 °C em refrigerador para uso no período de um mês, ou ainda armazenada a -80 °C em um congelador.
[088] Exemplos
[089] Preparação de membranas de filtração FO de TFC artesanais
[090] Estas membranas foram feitas de acordo com as etapas delineadas abaixo: a) Dissolver MPD em água MilliQ para obter uma concentração de 2,5%(P/P), vide abaixo b) Dissolver TMC em Isopar a uma concentração final de 0,15% P/V c) Cobrir uma membrana em formato retangular, por exemplo, 5,5 cm x 11 cm de Membrana da membrana PES de 1FPH com membrana de aproximadamente 20 mL/m2 de solução MPD e deixar por 30 segundos em agitação gentil d) Secar o lado não ativo (lado traseiro) com papel de secagem laboratorial (por exemplo, Kim-Wipe) por 5 a 10 segundos e) Colocar a membrana em uma lâmina de vidro e secar gentilmente com N2 até a superfície se transformar de brilhante para opaca f) Aplicar fita ao redor das bordas da membrana (« 1 mm) g) Colocar a lâmina de vidro com a membrana com fita em um recipiente de vidro ou metal, adicionar aproximadamente 155 mL/m2 de membrana TMC-Isopar a uma extremidade e balance suavemente para frente e para trás por 30 segundos h) Remova a lâmina de vidro do reservatório e seque com N2 por 10 a 15 segundos.
[091] Após remoção da fita, a membrana pode ser transferida para MilliQ com o lado ativo recém-formado para cima e mantida úmida durante a manipulação nas etapas subsequentes, se necessário.
[092] Cálculo de solução MPD:
[093] Pese 1,05 g de MPD e dissolva em 35 mL de MilliQ. Adicione 7 mL de composição líquida de AQPZ preparada conforme aqui descrito. Mantenha a solução coberta com gás inerte (Ar ou N2) o máximo possível. Esta solução MPD é usada nos Exemplos 1 a 3.
[094] Pese 1,25 g de MPD e dissolva em 46,25 mL de MiliQ. Adicione 2,5 mL de composição líquida de AQPZ preparada conforme aqui descrito. Mantenha a solução coberta com gás inerte (Ar ou N2, o máximo possível). Esta solução MPD é usada nos exemplos 4 a 6.
[095] As membranas TFC com formulação líquida de AQPZ de 5,5 cm x 11 cm de tamanho foi então montada em uma célula FO Sterlitech CF042 (www.sterlitech.com) e submetida a testes de 60 minutos (5 membranas) e testes de 900 minutos (4 membranas) de duração no modo FO usando 5 μM de Calceína em água desionizada (MilliQ) como alimentação e 1 M de solução aquosa de NaCl como absorção e alimentação e velocidades de absorção de 268 mL/min.
[096] Preparação de membranas BWRO artesanais
[097] As membranas foram feitas de acordo com as etapas delineadas abaixo: a) Prover uma membrana de suporte, por exemplo, um PES não tecido que possui estrutura similar a dedo, de 5,5 cm x 11 cm de tamanho b) Misture 3% em peso de MPD com 3% em peso de ε- caprolactam, 0,5% em peso de NMP e 93,5% em peso de água DI para obter uma solução c) Adicione 0,1 mg/mL de formulação líquida de AQPZ para obter uma suspensão d) Incube a suspensão da etapa c) por 2 horas e) Prepare a solução TMC a partir de 0,09% em peso de TMC, 0,9% em peso de acetona e 99,01% em peso de Isopar E f) Mergulhe a membrana de suporte na suspensão da etapa d) por 30 segundos g) Aplique secagem com a faca de ar h) Adicione a solução TMC da etapa e) para polimerização interfacial i) Siga com 2 min de secagem na capela de laboratório
[098] Pós-tratamento opcional da membrana de TFC após as etapas:
[099] 4 min a 65 °C, 10% ácido cítrico
[100] 2 min de água DI
[101] 1 min de 5% IPA
[102] 2 min de água DI
[103] 1 min de 0,1% NaOCl
[104] 2 min de água DI
[105] 1 min de 0,2% NaHSO3
[106] Foram feitas quatro membranas e montadas em uma célula RO Sterlitech CF042, www.sterlitech.com, operada a 5 bar usando 500 ppm NaCl como alimentação por 60 minutos.
[107] Preparação de membranas de LPRO artesanais
[108] As membranas foram feitas de acordo com as etapas delineadas abaixo: a) Prover uma membrana de suporte, por exemplo, uma membrana de polisulfona preparada em suporte não torcido b) Misture MPD para obter 3% em peso e ε-caprolactam para obter 3% em peso com água DI (3% são as concentrações finais na solução aquosa de revestimento) c) Adicione a formulação líquida de AQPZ para obter 3% em peso da concentração final na solução aquosa de revestimento d) Incube a solução aquosa de revestimento obtida em c) por 15 minutos e) Prepare a solução orgânica de revestimento (solução TMC) por 0,09% em peso de TMC e 99,1% em peso de Isopar E. f) Mergulhe a membrana de suporte na solução aquosa de revestimento da etapa d) por 30 segundos g) Remova o excesso da solução da superfície do suporte através da faca de ar até 1 bar h) Adicione a solução orgânica de revestimento (solução TMC) da etapa e) para polimerização interfacial i) Aplique secagem com faca de ar a 0,5 bar j) Pós-tratamento da membrana TFC: a. 4 min a 70 °C, 20% ácido cítrico b. 2 min a 70 °C de água DI k) Pós-tratamento opcional da membrana TFC após as etapas: a. 4 min a 65 °C, 10% ácido cítrico b. 2 min de água DI c. 1 min de 5% IPA d. 2 min de água DI e. 1 min de 0,1% NaOCl f. 2 min de água DI g. 1 min de 0,2% NaHSO3
[109] As membranas foram fabricadas e montadas em uma célula RO Sterlitech CF042, www.sterlitech.com, operadas a uma pressão de 5 bar e fluxo de 60 L/h usando 500 ppm de NaCl como alimentação por 60 minutos.
[110] Exemplo 1. Preparação de vesículas a partir do copolímero dibloco PMOXA11-PDMS34 e preparação de membrana de água usando as ditas vesículas.
[111] Materiais:
[112] Copolímero dibloco PDMS34PMOXA11 Poli(2- metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano) foi adquirido da ChemPilots como uma solução aquosa de 36 mg/mL.
[113] O tampão de fosfato de 10 mM (PBS) (pH 7,2, 136 mM NaCl, 2,6 mM KCl) foi preparado ao dissolver 8 g de NaCl, 0,2 g de KCl, 1,44 g de Na2HPO4 e 0,24 g de KH2PO4 em 800 mL água purificada MiliQ, ajustando o pH para 7,2 com HCL e completando o volume para 1 L.
[114] N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina BioXtra (N-óxido de Laurildimetilamina) (99% de pureza), LDAO foi adquirido da Sigma Aldrich.
[115] Poli(dimetilsiloxano), bis(3-aminopropil) terminado com MW 2500 Da foi adquirido da Sigma Aldrich e usado conforme recebido.
[116] Método de preparação: 1. Prepare uma solução fresca de PDMS34PMOXA11 ao dissolver uma solução reserva de 36 mg/mL de PDMS34PMOXA11 existente na água reserva MQ a uma concentração final de 3 mg/mL em um cilindro de vidro. 2. Adicione-a no frasco usado para preparar a formulação do Ex. 1. Deixe a solução sem agitação adicional. 3. Adicione 1% poli(dimetilsiloxano), bis(3- aminopropil) terminado com peso molecular de 2500 Da. Agite na presença de um agitador magnético a 170 rotações por min. 4. Interrompa a agitação e adicione a solução reserva purificada de AQPZ (purificada conforme descrito acima) para obter uma proporção proteica molar 1/400 AQPZ/PDMS34PMOXA11. 5. Agite a mistura durante a noite a 170 rotações por min (não mais que 20 horas) em temperatura ambiente. 6. Na manhã seguinte pegue a formulação do Ex. 1 obtida na sequência de etapas 1 a 5, transfira-a ao frasco de armazenamento e a mantenha em temperatura ambiente (testada por até dois meses apenas).
[117] A formulação da vesícula do Exemplo 1 foi testada a partir de tamanho, permeabilidade à água e ponto de vista potencial zeta por DLS, potencial Zeta e medições de vazão interrompidas em 0,5 M NaCl. Os resultados são uma média de 5 medições diferentes correspondentes a 5 lotes diferentes.
[118] Tabela 1
[119] A estabilidade de temperatura e comportamento térmico foram testados ao aquecer até 5 mL da formulação da vesícula do Ex. 1 por 10 min a diversas temperaturas variando de 30 a 100 °C e seu tamanho e permeabilidade à água foram determinados ainda por DLS e medições de vazão interrompida.
[120] O tratamento térmico não afeta significativamente a estabilidade da formulação onde um aumento das estruturas de maior tamanho de aproximadamente 120 nm em temperatura ambiente a 260 nm. A partir do ponto de vista de permeabilidade à água, não puderam ser observadas alterações até 100 °C, os valores Ki de 1700 a 1900 s-1 foram registrados.
[121] A formulação foi imobilizada e testada em membranas FO artesanais que possuem uma camada ativa de TFC, por exemplo, produzidas conforme descrito acima.
[122] Para as membranas FO testadas, os seguintes resultados foram obtidos, e os quais mostraram uma rejeição de calceína muito elevada e uma combinação desejada de fluxo de água (Jw > 5 L/m2h) e alta rejeição de sal (Js < 1.5 g/,2h) resultando na proporção Js/Jw que está muito abaixo de 0,3.
[123] Exemplo 2. Preparação de vesículas do copolímero dibloco PMOXA11-PDMS34 e preparação de membrana de água usando as ditas vesículas.
[124] Materiais:
[125] Copolímero dibloco PDMS34PMOXA11 Poli(2- metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano) foi adquirido da ChemPilots como uma solução aquosa de 36 mg/mL.
[126] Tampão de fosfato 10 mM (PBS) (pH 7,2, 136 mM NaCl, 2,6 mM KCl) foi preparado ao dissolver 8 g de NaCl, 0,2 g de KCl, 1,44 g de Na2HPO4 e 0,24 g de KH2PO4 em 800 mL de água purificada MiliQ, ajustando o pH para 7,2 com HCL e completando o volume para 1 L.
[127] N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina BioXtra (N-óxido de Laurildimetilamina) (99% de pureza), LDAO foi adquirido da Sigma Aldrich.
[128] Poli(dimetilsiloxano), bis(3-aminopropil) terminada com MW 2500 Da foi adquirido da Sigma Aldrich e usado conforme recebido.
[129] Método de preparação 1. Prepare uma solução fresca de PDMS34PMOXA11 ao dissolver 36 mg/mL da solução reserva PDMS34PMOXA11 existente na água reserva MQ a uma concentração final de 3 mg/mL em um cilindro de vidro. 2. Adicione-a no frasco usado para preparar a 4 Amino. Deixe a solução ficar sem agitação adicional. 3. Adicione 0,1% poli(dimetilsiloxano), bis(3- aminopropil) terminado com peso molecular de 2500 Da. Agite na presença de um agitador magnético a 170 rotações por min. 4. Interrompa a agitação e adicione a solução reserva purificada de AQPZ (purificada conforme descrito acima) para obter uma proporção molar de 1/400 de proteína:polímero. 5. Agite a mistura durante a noite a 170 rotações por min (não mais que 20 horas) em temperatura ambiente. 6. Na manhã seguinte, pegue a formulação da vesícula do Ex. 2 obtida na sequência de etapas 1 a 5, transfira-a ao frasco de armazenamento e a mantenha em temperatura ambiente (testado até dois meses apenas).
[130] A formulação da vesícula do Ex. 2 foi testada a partir do tamanho, permeabilidade à água e ponto de vista de potencial zeta por DLS, potencial Zeta e medições de fluxo interrompido em 0,5 M NaCl. Os resultados são medidos 5 vezes para 5 lotes diferentes.
[131] Tabela 3
[132] A estabilidade de temperatura e comportamento térmico foram testados ao aquecer até 5 mL da formulação da vesícula do Ex. 2 por 10 min em diversas temperaturas variando de 30 a 100 °C e seu tamanho e permeabilidade à água foram determinados ainda por DLS e medições de fluxo interrompido.
[133] O tratamento térmico não afeta significativamente a estabilidade da formulação, resultando, no entanto, em um aumento de diâmetro hidrodinâmico das estruturas de maior tamanho de aproximadamente 140 nm em temperatura ambiente a aproximadamente 290 nm. A partir do ponto de vista de permeabilidade à água, não foram observadas alterações até 100 °C, os valores Ki de 1400 a 1527 s-1 foram registrados.
[134] A formulação foi testada em membranas de baixa pressão artesanais de RO, BW-RO e membranas de FO artesanais. Os resultados são fornecidos nas tabelas 4 e 5 abaixo, mostrado reprodutibilidade muito boa (padrão baixo) de todos os parâmetros de desempenho, bem como parâmetros atingindo os valores desejados dentro das expectativas comerciais de RO e FO.
[135] Tabela 4. Formulação da vesícula do Ex. 2 testada nas membranas de baixa pressão artesanais de BW-RO Tabela 5. Formulação da vesícula do Ex. 2 testada nas membranas de FO artesanais
[136] Exemplo 3. Preparação de vesículas da mistura do copolímero dibloco de PMOXA24-PDMS65 + PMOXA32-PDMS65 e preparação de membrana de filtração de água usando as ditas vesículas.
[137] Principais materiais de formação da vesícula:
[138] Copolímero dibloco PDMS65PMOXA24 Poli(2- metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano) (DB1) adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[139] Copolímero dibloco PDMS65PMOXA32 Poli(2- metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano) (DB2) adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[140] Como aditivos:
[141] Copolímero tribloco PMOXA12PDMS65PMOXA12 (TB) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano)- bloco-poli- (2-metiloxazolina) adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido, como um agente de hidrofobicidade, e bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) tendo um peso molecular de 2500 Da adquirido como um líquido da Sigma Aldrich, usado conforme recebido, como um agente reticulante ou agente de funcionalização.
[142] Tampão de fosfato 10 mM (PBS) (pH 7,2, 136 mM NaCl, 2,6 mM KCl) foi preparado ao dissolver 8 g de NaCl, 0,2 g de KCl, 1,44 g de Na2HPO4 e 0,24 g de KH2PO4 em 800 mL de água purificada MiliQ, ajustando o pH para 7,2 com HCL e completando o volume para 1 L. Os aditivos detergentes adicionais foram N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina BioXtra (N-óxido de Laurildimetilamina) (LDAO), adquirido da Carbosynth, e Poloxamer P123, adquirido da Sigma Aldrich como uma solução de 30% em água.
[143] AqpZ 5 mg/mL em 0,2% LDAO na reserva (purificada como descrito acima).
[144] Método de preparação 1. Prepare a solução P123 ao dissolver 15 mL de P123 em 1 L de PBS. 2. Prepare uma solução de 0,05% em PBS ao dissolver 0,05 g de LDAO em 100 mL de PBS. 3. No recipiente de preparação pese DB1 para atingir uma concentração de 0,5 g de DB1/L da formulação preparada. 4. No mesmo recipiente de preparação pese DB1 para atingir uma concentração em 0,5 g de DB2/L da formulação preparada. (proporção em peso de 1:1 de DB1 e DB2) 5. No mesmo peso do recipiente de preparação, adicione o aditivo de hidrofobicidade TB para atingir uma concentração de 0,12 g de TB/L da formulação preparada. 6. Adicione LDAO 5% preparado na etapa 2 na proporção de 100 mL/L da formulação preparada 7. Adicione bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) para atingir uma concentração final de 0,1%. 8. Adicione a solução reserva de AqpZ para atingir uma concentração de 5 mg/L da formulação preparada e uma proporção de 1/400 de proteína:polímero. 9. Adicione a solução poloxamer P123 preparada na etapa 1 para atingir o volume desejado da formulação preparada subtraindo os volumes de LDAO, bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) e AQPZ adicionado nas etapas 6 e 8. 10. Agite a mistura da etapa 10 durante a noite a 170 rotações por minuto (não mais que 20 horas) em temperatura ambiente para atingir a formulação.
[145] 11. Na manhã seguinte, pegue a formulação preparada do Ex. 3 obtida na sequência de etapas 1 a 9, e filtre-a através de filtros de tamanho de poro de 200 nm para esterilizá-la, coloque-a em uma garrafa vedada fechada e a mantenha em temperatura ambiente por não mais que 12 meses.
[146] A formulação da vesícula do Ex. 3 foi testada a partir de tamanho, permeabilidade à água e ponto de vista de potencial zeta por DLS, potencial Zeta e medições de fluxo interrompido em 0,5 M NaCl. Os resultados são medidos 5 vezes para 5 lotes diferentes.
[147] Tabela 6
[148] A estabilidade da temperatura e comportamento térmico foram testados ao aquecer até 5 mL da formulação do Ex. 3 por 10 min em diversas temperaturas variando de 30 a 100 °C e seus tamanho e permeabilidade à água foram determinados ainda por DLS e medições de fluxo interrompido.
[149] O tratamento térmico não afeta significativamente a estabilidade da formulação onde foi observado uma redução do tamanho das estruturas formadas de aproximadamente 317 nm em temperatura ambiente a 290 nm a 40 °C e ainda para 185 nm a 80 °C. A partir do ponto de vista de permeabilidade à água, não puderam ser observadas alterações até 100 °C, os valores de Ki de 1286 a 1321 s-1 até 100 °C foram registrados.
[150] A formulação da vesícula do Ex. 3 foi incorporada e testada nas membranas de baixa pressão artesanais de BW-RO e membranas de FO artesanais. Os resultados são fornecidos nas tabelas 7 e 8 abaixo, mostrando reprodutibilidade muito boa (baixo padrão) de todos os parâmetros de desempenho, bem como parâmetros que atingem os valores desejados dentro das expectativas comerciais de RO e FO.
[151] Tabela 7 Formulação do Ex. 3 testada nas membranas de baixa pressão artesanais de BW-RO
[152] Tabela 8 Formulação do Ex. 3 testada nas membranas de FO artesanais
[153] Exemplo 4
[154] Preparação de vesículas a partir da mistura de copolímero dibloco PMOXA24-PDMS65 + PMOXA32-PDMS65 e preparação de membrana de filtração de água usando as ditas vesículas.
[155] Principais materiais formadores de vesícula:
[156] Copolímero dibloco (PDMS65PMOXA24 - DB1) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano) adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[157] Copolímero dibloco (PDMS65PMOXA32 - DB2) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[158] Aditivos:
[159] O copolímero tribloco PMOXA12PDMS65PMOXA12 (TB) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano)- bloco-poli- (2-metiloxazolina), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido, como um agente de hidrofobicidade, e bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) tendo um peso molecular de 2500 Da, adquirido como um líquido da Sigma Aldrich, usado conforme recebido, como um agente reticulante ou agente de funcionalização.
[160] O tampão de fosfato 10 mM (PBS) (pH 7,2, 136 mM NaCl, 2,6 mM KCl) foi preparado ao dissolver 8 g de NaCl, 0,2 g de KCl, 1,44 g de Na2HPO4 e 0,24 g de KH2PO4 em 800 mL de água purificada MiliQ, ajustando o pH para 7,2 com HCl e completando o volume para 1 L. Os aditivos detergentes adicionais foram N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina BioXtra (N-óxido de Laurildimetilamina - LDAO), adquirido da Carbosynth, e acetato de propileno glicol monometil éter (PGMEA, > 99,5% de pureza), adquirido da Sigma Aldrich.
[161] AqpZ 5 mg/mL em 0,2% LDAO na reserva (purificado como descrito acima).
[162] Método de preparação 1. Prepare uma solução de PGMEA 5% em peso ao dissolver 50 g de PGMEA em 1 L de PBS. 2. Prepare uma solução LDAO 0,05% em peso em PBS ao dissolver 0,05 g de LDAO em 100 mL de PBS. 3. No recipiente de preparação, pese DB1 para atingir uma concentração de 0,5 g de DB1/L da formulação preparada. 4. No mesmo recipiente de preparação, pese DB2 para atingir uma concentração em 0,5 g de DB2/L da formulação preparada. (proporção em peso de 1:1 de DB1 e DB2). 5. No mesmo recipiente de preparação, adicione o aditivo de hidrofobicidade TB para atingir uma concentração de 0,12 g de TB/L da formulação preparada. 6. Adicione LDAO 5% preparado na etapa 2 na proporção de 100 mL/L da formulação preparada 7. Adicione bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) para atingir uma concentração final de 0,1%. 8. Adicione a solução reserva de AqpZ para atingir uma concentração de 5 mg/L da formulação preparada e uma razão de 1/400 de proteína:polímero. 9. Adicione a solução de PGMEA 5% preparada na etapa 1 para atingir o volume desejado da formulação preparada, subtraindo os volumes de LDAO, bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) e AQPZ adicionados na etapa 6 e 8. 10. Agite a mistura da etapa 9 durante a noite a 170 rotações por minuto (não mais que 20 horas) em temperatura ambiente para atingir a formulação. 11. Na manhã seguinte, pegue a formulação preparada do Ex. 4 obtida na sequência de etapas 1 a 10, e filtre-a através de filtros de tamanho de poro de 200 nm para esterilizá-la, coloque-a em uma garrafa vedada fechada e a mantenha em temperatura ambiente por não mais que 12 meses.
[163] A formulação da vesícula do Ex. 4 foi testada quanto ao tamanho, permeabilidade à água e potencial zeta por DLS, potencial Zeta e medições de fluxo interrompido em 0,5 M NaCl. Os resultados são medidos 5 vezes para 5 lotes diferentes.
[164] Tabela 8: Propriedades da formulação da vesícula do ex. 4
[165] Preparação das membranas de folha plana (AA piloto)
[166] As membranas foram feitas de acordo com as etapas delineadas abaixo: a. Prepare uma membrana de suporte ao dissolver 17% de Polisulfona (PS)/Polietersulfona (PES) em N-Metil-2- pirrolidona (NMP)/Dimetilformamida (DMF) e fundindo em suporte de tecido de poliéster não entrelaçado seguido de processo de inversão de fase e água RO para formar a membrana de suporte, tendo uma espessura total de 130 um a 180 um. A membrana de suporte possui uma estrutura similar a dedo/similar a esponja. b. Prepare uma solução aquosa de 3% em peso de MPD e 3% em peso de ε-caprolactam usando um agitador. c. Adicione a formulação da vesícula do Ex. 4 em uma quantidade em conformidade com a tabela 9 abaixo para a solução acima, para obter uma solução aquosa suspensa. d. Incube a solução aquosa da etapa c) por 1 hora com mistura com agitador. e. Prepare a solução orgânica a partir de 0,09% em peso de TMC e 99,91% em peso de Isopar E. f. Dispense a membrana de suporte a partir de um rolo e deixe que ela percorra para dentro de um tanque de imersão contendo a solução aquosa acima. Alternativamente, um molde de fenda é usado para dispensar a solução aquosa mencionada acima na membrana de suporte. O tempo de contato da solução aquosa na membrana de suporte é controlado em 30 a 40 segundos. g. Utiliza-se uma faca de ar na direção vertical em direção à membrana de suporte, a pressão controlada a 0,2 a 2 bar, para remover o excesso da solução aquosa. h. Após a remoção do excesso da solução aquosa no suporte da membrana, permite-se que a membrana percorra para um tanque de imersão contendo a solução de TMC preparada na etapa e). Alternativamente, utiliza-se um molde de fenda para dispensar a solução de TMC na membrana de suporte para permitir a ocorrência da reação de polimerização interfacial. O tempo de contato da solução orgânica é controlado em 20 a 30 segundos. i. Para remover o excesso da solução orgânica, utiliza-se uma faca de ar na direção vertical para a membrana de suporte. A pressão é controlada em 0,2 bar a 1 bar. j. A membrana é, após a polimerização e remoção do excesso da solução orgânica, direcionada para um tanque contendo 10% ácido cítrico a 60 a 70 °C por aproximadamente 4 minutos de imersão. k. A membrana é, após a imersão em ácido cítrico, deixada percorrer para um tanque contendo 15% IPA aquosa, em temperatura ambiente de 22 a 25 °C, por aproximadamente 2 minutos de imersão. l. Em seguida, a membrana é submetida a imersão em água DI antes do pós-tratamento com hipoclorito. m. Utilizam-se 2000 ppm da solução aquosa de hipoclorito para o pós-tratamento da membrana por 1 minuto de imersão em temperatura ambiente, 22 a 25 °C, seguido por enxague em água DI. n. Utiliza-se 1% de bissulfito de sódio para o pós- tratamento da membrana por 1 minuto de imersão em temperatura ambiente, 22 a 25 °C, seguido de imersão de água DI.
[167] A formulação do Ex. 4 incorporada nas membranas feitas na linha piloto de baixa pressão de TW-RO foi testada. Os resultados são fornecidos na tabela 9 abaixo, mostrando um aumento de fluxo quando a quantidade de PGMEA aumenta.
[168] Tabela 9: Formulação do Ex. 4 testada nas membranas feitas na linha piloto de baixa pressão de TW-RO
[169] Condição do teste: 5 bar, 500 ppm NaCl, 25 °C, taxa de vazão de 1 L/minuto, teste de cupom.
[170] Tabela 10: Formulação testada nas membranas artesanais de LPRO
[171] Exemplo 5
[172] Preparação de vesículas a partir da mistura de copolímero dibloco PMOXA24-PDMS65 + PMOXA32-PDMS65 e preparação de membrana de filtração de água usando as ditas vesículas.
[173] Principais materiais de formação da vesícula:
[174] Copolímero dibloco (PDMS65PMOXA24 - DB1) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[175] Copolímero dibloco (PDMS65PMOXA32 - DB2) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[176] Aditivos:
[177] Copolímero tribloco PMOXA12PDMS65PMOXA12 (TB) Poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano)- bloco-poli- (2-metiloxazolina), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme, recebido como um agente de hidrofobicidade, e bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) tendo um peso molecular de 2500 Da, adquirido como um líquido da Sigma Aldrich, usado conforme recebido como um agente reticulante.
[178] Tampão de fosfato 10 mM (PBS) (pH 7,2, 136 mM NaCl, 2,6 mM KCl) foi preparado ao dissolver 8 g de NaCl, 0,2 g de KCl, 1,44 g de Na2HPO4 e 0,24 g de KH2PO4 em 800 mL de água purificada MiliQ, ajustando o pH para 7,2, com HCl e completando o volume para 1 L. Os aditivos de detergente adicionais foram N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina BioXtra (N-óxido de Laurildimetilamina - LDAO), adquirido da Carbosynth, e Kolliphor® HS 15 ou Polietilenoglicol (15)- hidroxiestearato (KHS).
[179] AqpZ a 5 mg/mL em 0,2% de LDAO na reserva (purificada como descrito acima).
[180] Método de preparação 1. Prepare 0,5% em peso de solução KHS ao dissolver 5 g de KHS em 1 L de PBS. 2. Prepare 0,05% em peso da solução de LDAO em PBS ao dissolver 0,05 g de LDAO em 100 mL de PBS. 3. No recipiente de preparação, pese DB1 para atingir uma concentração de 0,5 g de DB1/L da formulação preparada. 4. No mesmo recipiente de preparação, pese DB2 para atingir uma concentração em 0,5 g de DB2/L da formulação preparada. (proporção em peso de 1:1 de DB1 e DB2). 5. No mesmo recipiente de preparação, adicione o aditivo de hidrofobicidade de TB para atingir uma concentração de 0,12 g de TB/L da formulação preparada. 6. Adicione LDAO a 0,05% preparada na etapa 2 na proporção de 100 mL/L da formulação preparada 7. Adicione bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) para atingir uma concentração final de 0,1%. 8. Adicione a solução reserva de AqpZ para atingir uma concentração de 5 mg/L da formulação preparada e uma proporção de 1/400 de proteína:polímero. 9. Adicione a solução de KHS 0,5% preparada na etapa 1 em conformidade com a tabela 12 abaixo para atingir o volume desejado da formulação preparada, subtraindo os volumes de LDAO, bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) e AQPZ adicionada nas etapas 6 e 8. 10. Agite a mistura da etapa 9 durante a noite a 170 rotações por minuto (não mais que 20 horas) em temperatura ambiente para atingir a formulação. 11. Na manhã seguinte, pegue a formulação preparada do Ex. 5 obtida na sequência de etapas 1 a 10 e filtre-a através de filtros de tamanho de poro de 200 nm para esterilizá-la, coloque-a em uma garrafa vedada fechada e a mantenha em temperatura ambiente por não mais que 12 meses.
[181] A formulação da vesícula do Ex. 5 foi testada quanto ao tamanho, permeabilidade à água e potencial zeta por DLS, potencial Zeta e medições de fluxo interrompido em 0,5 M NaCl. Os resultados são medidos 5 vezes para 5 lotes diferentes.
[182] Tabela 11: Propriedades da formulação da vesícula do Ex. 5 Tabela 12: Formulação testada nas membranas artesanais de LPRO
[183] Os resultados relatados na tabela 12 indicam que o fluxo é aperfeiçoado pela adição de KHS à solução aquosa de revestimento em quaisquer das concentrações testadas. Além disso, a rejeição de sal inicialmente aumenta pela adição de 3% KHS, mas reduz quando mais quantidades de KHS são adicionadas. Portanto, uma concentração de 3% KHS parece ser a concentração ideal na qual a vazão de água melhora, sem sacrificar a rejeição de sal.
[184] As membranas de folha plana foram preparadas usando o método de linha piloto indicado no exemplo 4 usando a formulação do exemplo 5 acima no lugar. Os dados são mostrados na Tabela 13 abaixo.
[185] Tabela 13: Formulação testada em membranas artesanais de LPRO
[186] Observou-se que o fluxo aumenta aproximadamente 30% enquanto a rejeição permanece aproximadamente no mesmo nível para 3% KHS na solução aquosa de revestimento. Quando a concentração de KHS é elevada a um nível de 5% ou 7%, a vazão de água aumenta, no entanto, sacrificando a rejeição de sal. Portanto, a composição usando 3% KHS parece oferecer as propriedades ideais e é selecionada para modificação adicional.
[187] A polimerização interfacial da camada de TFC usando a formulação do exemplo 5 que compreende 3% KHS na fase aquosa é alterada ainda pela modificação da fase orgânica com dietilcetona (DEK) e mesitileno (Mes).
[188] Tabela 14: Formulação testada nas membranas artesanais de LPRO
[189] Os resultac os dos experimentos relatados na tabela 14 mostram que um aumento de fluxo de 22% pode ser obtido pela adição de 3% DEK à fase orgânica. Portanto, um total de 43% de aumento no fluxo pode ser obtido pela adição de 3% KHS à fase aquosa e 3% DEK à fase orgânica sem sacrificar substancialmente a rejeição de sal.
[190] A adição de Mes à fase orgânica não aumenta substancialmente mais a vazão de água, no entanto, a rejeição de sal é elevada. Portanto, para aplicações onde uma alta rejeição de sal é de importância, Mes pode ser adicionado à fase orgânica e para aplicações onde um alto fluxo de água é de importância, DEK pode ser adicionado à fase orgânica.
[191] Exemplo 6
[192] Preparação de vesículas a partir da mistura de copolímero dibloco PMOXA24-PDMS65 + PMOXA32-PDMS65 e preparação membrana de filtração de água usando as ditas vesículas.
[193] Principais materiais de formação da vesícula:
[194] Copolímero dibloco (PDMS65PMOXA24 - DB1) poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[195] Copolímero dibloco (PDMS65PMOXA32 - DB2) poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido.
[196] Aditivos:
[197] Copolímero tribloco PMOXA12PDMS65PMOXA12 (TB) poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetilsiloxano)- bloco-poli- (2-metiloxazolina), adquirido como um líquido branco viscoso, usado conforme recebido, como um agente de hidrofobicidade, e bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) tendo um peso molecular de 2500 Da, adquirido como um líquido da Sigma Aldrich, usado conforme recebido, como um agente reticulante.
[198] Tampão de fosfato 10 mM (PBS) (pH 7,2, 136 mM NaCl, 2,6 mM KCl) foi preparado ao dissolver 8 g de NaCl, 0,2 g de KCl, 1,44 g de Na2HPO4 e 0,24 g de KH2PO4 em 800 mL de água purificada MiliQ, ajustando o pH para 7,2 com HCl e completando o volume para 1 L. Além disso, os aditivos detergentes foram N-óxido de N,N-Dimetildedecilamina BioXtra (N-óxido de Laurildimetilamina - LDAO), foi adquirido da Carbosynth, e Beta Ciclodextrina (BCD - 97% de pureza).
[199] AqpZ a 5 mg/mL em 0,2% LDAO na reserva (purificado conforme descrito acima).
[200] Método de preparação 1. Prepare 0,5% em peso de solução de BCD ao dissolver 5 g de BCD em 1 L de PBS. 2. Prepare 0,05% em peso de solução de LDAO em PBS ao dissolver 0,05 g de LDAO em 100 mL de PBS. 3. No recipiente de preparação, pese DB1 para atingir uma concentração de 0,5 g de DB1/L da formulação preparada. 4. No mesmo recipiente de preparação, pese DB2 para atingir uma concentração em 0,5 g de DB2/L da formulação preparada. (proporção em peso de 1:1 de DB1 e DB2). 5. No mesmo recipiente de preparação, adicione o aditivo de hidrofobicidade de TB para atingir uma concentração de 0,12 g de TB/L da formulação preparada. 6. Adicione LDAO 0,05% preparada na etapa 2 na proporção de 100 mL/L da formulação preparada 7. Adicione bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) para atingir uma concentração final de 0,1%. 8. Adicione a solução reserva de AqpZ para atingir uma concentração de 5 mg/L da formulação preparada e uma proporção de 1/400 de proteína:polímero. 9. Adicione a solução de BCD 0,5% preparada na etapa 1 na quantidade indicada na tabela 14 abaixo para atingir o volume desejado da formulação preparada, subtraindo os volumes de LDAO, bis(3-aminopropil) terminado poli(dimetilsiloxano) e AQPZ adicionada na etapa 6 e 8. 10. Agite a mistura da etapa 9 durante a noite a 170 rotações por minuto (não mais que 20 horas) em temperatura ambiente para atingir a formulação. 11. Na manhã seguinte, pegue a formulação preparada do Ex. 4 obtido na sequência de etapas 1 a 10, e filtre-a através de filtros de tamanho de poro de 200 nm para esterilizá-la, coloque-a em uma garrafa sedada fechada e a mantenha em temperatura ambiente por não mais que 12 meses.
[201] A formulação da vesícula do Ex. 6 foi testada quanto ao tamanho, permeabilidade à água e potencial zeta por DLS, potencial Zeta e medições de fluxo interrompido em 0,5 M NaCl. Os resultados são medidos 5 vezes para 5 lotes diferentes.
[202] Tabela 13: Propriedades da formulação da vesícula do Ex. 6
[203] As membranas de folha plana foram preparadas usando o método de linha piloto indicado no exemplo 4, usando solução exemplo 6 acima no lugar. Os dados são mostrados na Tabela 14 abaixo.
[204] Tabela 14: Formulação testada em membranas artesanais de LPRO
[205] Os resultados das formulações testadas mostram que a rejeição de NaCl aumenta significativamente, enquanto o fluxo permanece no mesmo nível.
[206] Referências:
[207] As referências citadas aqui são expressamente incorporadas por referência, para todos os fins, em sua totalidade.
[208] Dlugolecki et al. (Journal of Membrane Science, 319 214-222, 2008)
[209] Gribova et al., Chem. Mater., 24: 854-869, 2012.
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[214] Wang et al., Membranes, 5(3), 2015, 369 384
[215] Patente norte-americana No:4,277,344
[216] Pedido de Patente norte-americana No: 2012/0080377.
[217] WO2010/146365 (Aquaporin A/S).
[218] WO2013/043118 (Aquaporin A/S).
[219] WO2006/122566 (Aquaporin A/S).
[220] WO2007/033675 (Aquaporin A/S).
[221] WO2013/043118 (Aquaporin A/S).

Claims (15)

1. VESÍCULA EM UMA COMPOSIÇÃO LÍQUIDA, a vesícula caracterizada por compreender um copolímero dibloco anfifílico do tipo poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetil siloxano) (PMOXA-PDMS) como material de formação de membrana da vesícula, 0,05% a 1% (v/v) de um aditivo com base na composição líquida, poli(dimetil siloxano) (PDMS) funcionalizado com grupo terminal reativo, e uma proteína transmembranar, em que o grupo terminal reativo é um, dois ou mais grupos de amina, carboxílico e/ou hidroxi.
2. VESÍCULA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo dito PMOXA-PDMS ser selecionado a partir do grupo que consiste em PMOXA10-40-PDMS25-70, e misturas destes.
3. VESÍCULA, de acordo com a reivindicação 2, sendo a mistura caracterizada por compreender pelo menos um primeiro copolímero dibloco anfifílico da fórmula geral PMOXA10-28-PDMS25-70 e um segundo copolímero dibloco anfifílico da fórmula geral PMOXA28-40-PDMS25-70.
4. VESÍCULA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo dito PDMS funcionalizado com grupo terminal reativo ser PDMS30-50 funcionalizado com um ou mais grupos de amina, ácido carboxílico e/ou hidroxi.
5. VESÍCULA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pela proteína transmembranar ser um canal de água aquaporina.
6. VESÍCULA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por compreender ainda 1% (v/v) a 12% (v/v) com base na composição líquida de um copolímero tribloco do tipo PMOXA-PDMS-PMOXA.
7. VESÍCULA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, sendo a composição líquida caracterizada por compreender ainda um agente de aperfeiçoamento de fluxo selecionado dentre alquilato de éter monoalquil alquileno glicol, beta ciclodextrina ou polietilenoglicol (15)-hidroxiestearato.
8. MÉTODO DE PREPARAÇÃO DE VESÍCULAS EM UMA COMPOSIÇÃO LÍQUIDA QUE INCORPORA UMA PROTEÍNA TRANSMEMBRANAR, caracterizado por compreender a etapa de agitação de uma mistura de uma solução de um copolímero dibloco anfifílico do tipo poli(2-metiloxazolina)-bloco-poli(dimetil siloxano) (PMOXA-PDMS), 0,05% a 1% (v/v) com base na composição líquida, de poli(dimetil siloxano) (PDMS) funcionalizado com grupo terminal reativo, e uma proteína transmembranar, em que o grupo terminal reativo é um, dois ou mais grupos de amina, carboxílico e/ou hidroxi.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por compreender ainda um agente de aperfeiçoamento de fluxo selecionado dentre o grupo que compreende alquilato de éter de monoalquil alquileno glicol, beta ciclodextrina ou polietilenoglicol (15)- hidroxiestearato.
10. MEMBRANA DE SEPARAÇÃO, caracterizada por compreender uma vesícula conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.
11. MEMBRANA, de acordo com a reivindicação 10, sendo a membrana de separação caracterizada por compreender uma camada ativa que incorpora a vesícula e uma membrana porosa de suporte.
12. MEMBRANA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, sendo a camada ativa caracterizada por compreender a vesícula incorporada em uma camada de filme fino de compósito (TFC) formada sobre uma membrana de substrato poroso.
13. MÉTODO DE PREPARAÇÃO DE UMA CAMADA DE FILME FINO DE COMPÓSITO QUE IMOBILIZA AS VESÍCULAS QUE INCORPORAM UMA PROTEÍNA TRANSMEMBRANAR EM UMA MEMBRANA DE SUBSTRATO POROSO, caracterizado por compreender as etapas de: a) provisão de uma mistura de vesículas em uma composição líquida preparada conforme definida em qualquer umas das reivindicações 8 ou 9 e um composto de diamina ou triamina; b) cobertura da superfície de uma membrana porosa de suporte com a mistura da etapa a; c) aplicação de uma solução hidrofóbica que compreende um composto de haleto de acila; e d) permitir que a solução aquosa e a solução hidrofóbica realizem uma reação de polimerização interfacial para formar a camada de filme fino de compósito.
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pela membrana porosa de suporte ser uma chapa plana.
15. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 ou 14, caracterizado por compreender a etapa adicional de produção de um módulo de membrana enrolada em espiral ao enrolar a membrana de chapa plana.
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