CN101198398B - 用于过滤水的膜 - Google Patents
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Abstract
公开了一种新型水膜，其包含引入功能性水通道蛋白的脂质双分子层。该脂质双分子层布置为包括亲水性或疏水性载体材料的夹层结构。还公开了一种包括反渗透过滤装置的水纯化装置/系统，所述反渗透过滤装置/系统包括具有功能性水通道蛋白的膜。还公开了纯化水的方法和制备膜的方法。此外，本发明提供了一种新型穿孔疏水性聚合物多孔膜和含有引入其它跨膜蛋白而不是水通道蛋白的膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型膜，其包含适于过滤纯水和/或甘油的功能性水通道蛋白(aquaporin)通道或四聚体，包含这种膜的过滤装置/纯化系统，和利用其生产超纯水以及从含水组合物中提取过量水的方法。本发明还涉及新型疏水性聚合物膜。
背景技术
已经传统地开发了用于纯化天然水源和受污染水源的各种水处理系统和方法，以获得适于人和/或动物食用的纯化水。而且，半导体和制药工业对超纯水有很高的需求。超纯水的生产要求更为专业的过滤器和对水源的化学处理。使用了多种技术，例如膜过滤、离子交换、亚微米粒子过滤器或纳米过滤器、紫外光和臭氧处理等。生产的水非常纯并且只含有零到非常低浓度的盐、有机成分、溶解的气体例如氧、悬浮固体和微生物例如病毒和细菌。但是，由于诸如半导体工业中的持续微型化的因素，使得超纯水的规格变得日益严格。
传统上，水通过各种设计用于公共和使用点(point-of-use)应用的可用水处理装置来纯化或处理，例如基于下列技术：活性碳除有机物；紫外光消毒；离子交换除硬度(软化水)，和膜脱盐例如反渗透(RO)或纳米过滤(NF)。但是，在水处理技术领域中，纳米过滤相对较新。NF膜通过截留在水中产生硬度的二价离子来产生软水。NF膜允许高百分率的一价离子例如钠和氯通过，同时其截留高百分率的二价离子。由于一价离子产生渗透压，所以需要中到高压来将水泵送通过RO膜。因此，纳米过滤膜将水泵送穿过膜所需的压力要小得多，这是因为水压驱动力不必克服来自一价离子的渗透压。一般而言，用于住宅和商业水处理应用的RO膜脱除约98％的全部溶解固体，而纳米过滤膜脱除约90％的二价离子(硬度成分：钙和镁)和约50％的一价离子(氯化钠)。
使用膜元件(例如RO或NF)的脱盐装置总是在水离开该元件时产生两股水流：脱盐产品水(其已经穿过膜)和废盐水(其已经流过膜表面)。该废盐水流必须冲走膜上的盐和矿物质，以防止其在膜表面累积和结垢。如果在对膜的给水中连续发生盐和矿物的累积，则溶解的物质会沉淀并形成固体膜，使得膜表面结垢。此外，胶体和颗粒污染物也会粘到膜表面并导致结垢。由于存在许多水生污染物，因此如果膜不可逆地结垢或积垢，则膜不能被清洁而必须更换。膜法的这种特性尤其对于使用点(POU)水处理系统带来在减少废物排放方面的严重问题，使用点水处理系统通常紧凑并建造得尽可能经济。
离子交换装置也用于软化所谓的“硬水”。离子交换水软化系统的问题在于其通过与钠离子交换而脱除水的硬度成分(钙和镁离子)，从而生产所谓的“软水”。当进行离子交换介质再生时，高浓度的钠、氯、钙和镁离子的水流进入下水道系统，产生环境废弃物处理问题。这种水纯化系统的例子记载于题为″water purificationsystem having plural pairs of filters and an ozone contactchamber″的美国专利No.5,741,416中，其公开了一种水纯化系统，其有效氧化有机污染物并且消灭该水流中的大多数细菌、病毒和其它微生物。涉及对一价阳离子具有选择性的透析膜系统也已在WO2004/099088中公开。
因此，存在对用于一般家庭目的以及用于先进研究、工业和制药目的的处理被或可能被化学、生物和/或放射性污染物污染的水的水纯化系统的持续需求。
由于水污染或水污染威胁通常具有高度局部的特征，例如在船舶上或偏远山村或营地中，因此需要可以迅速而容易地部署在实际或潜在污染场所的固定或便携的水纯化系统。尤其相关的是能够有效除去例如海水等实际或潜在污染的水源中的污染物，以生产适合人饮用的处理水。
由于发现了以选择性输送水分子穿过生物膜的能力为特征的水转运蛋白aquaporin(水通道蛋白)，对设计引入这些蛋白的人工水膜存在一定兴趣，参见美国专利申请No.20040049230“Biomimetic membranes”，其涉及描述如何将水转运蛋白嵌入膜中以实现水的纯化。所描述的优选形式具有常规的滤盘形式。为了制造这种盘，利用LB槽(Langmuir-Blodgett trough)将5nm厚的合成三嵌段共聚物和蛋白质的单分子层沉积在25mm商用超滤盘上。随后，利用紫外光照射该聚合物而使盘上的单分子层交联以提高其耐久性。该装置可以通过将其安装在使加压水源穿过膜的室中来测试。但是，没有关于应该如何选择合成三嵌段共聚物的指导，也没有嵌入的水通道蛋白实际功能的支持数据。
已经提出可以通过将水通道蛋白表达成脂质双分子层囊泡并将这些膜浇铸在多孔载体上而创新水纯化技术，参见James R.Swartz，主页http://chemenq.stanford.edu/01About the Department/03Faculty/Swartz/swartz.html。
本发明主要目的在于开发一种包含引入膜中的水通道蛋白的工业用水过滤膜和装置，其能够纯化最高纯度的水，例如100％。目前没有已知的技术或过滤器能够完成这项任务。
发明内容
一方面，本发明涉及一种用于过滤水的膜，该膜利用在脂水囊泡中重组并转换成支承层的水转运蛋白aquaporin(水通道蛋白)，以利用例如Langmuir-Blodgett方法形成水过滤膜。
本发明的水膜的优点包括：海水(97-98％的地球水为海水)的有效除盐，而不需要除盐化学品和提供便携式除盐过滤器(一种类似于“咖啡过滤器”的能够分离水和盐的装置)，用于半导体工业的高效水纯化、耐用的家庭用水/饮用水纯化和不用电的水纯化，例如用于第三世界国家。
因此，一方面，本发明涉及一种水膜，其包含具有至少两个渗透性载体层和隔开所述渗透性载体层的至少一个包含功能性水通道蛋白水通道的脂质双分子层的夹层结构。这样，该渗透性或多孔载体将允许水分子透过载体到达沉积在载体层之间的至少一个脂质双分子层。然后，包含分散的功能性水通道蛋白通道的脂质双分子层只滤过水，或者在水通道蛋白为GLpF通道的情况下还滤过甘油，使其到达对侧的多孔载体层，产生由纯水构成的滤液。优选这种滤过的水为超纯水(UPW)，其是离子、颗粒、有机物和胶体含量低的高度纯化水。本发明的水膜代表了利用已知最具选择性的水运输通道的新一代反渗透膜。
在本文中，“水膜”是指一种允许水通过而同时不允许大多数其它材料或物质通过的结构。优选本发明的水膜基本只透过水(一些情况下透过甘油)，而不许溶质和其它溶剂通过。
本发明的第二方面涉及一种水膜，其包含具有至少两个脂单分子层的夹层结构，当其组合成一个双分子层时，所述夹层结构包含功能性水通道蛋白水通道，并且所述至少两个脂单分子层被至少一个渗透性载体层隔开。在这个实施方案中，当载体层包括穿孔时，该渗透性载体层将能够形成脂质双分子层的两个脂单分子层隔开。
本发明的另一方面涉及一种水过滤装置，其包含本发明的水膜，任选密封在安装于外壳中的稳定化膜中，所述外壳具有用于待纯化含水液的入口和用于纯化水的出口。
本发明还涉及一种制备水膜的方法，其包括下列步骤：
a)获得包含水通道蛋白水通道的脂质微囊泡，所述水通道蛋白水通道占所述微囊泡的至少0.1％mol/mol，
b)将所述囊泡融合到平面脂质双分子层中，所述脂质双分子层位于具有亲水性表面的基本为平面的渗透性载体上，其中水通道蛋白的蛋白覆盖至少1％的脂质双分子层区域，
c)任选重复步骤b)以获得多个融合的双分子层，
d)将具有亲水性表面的基本为平面的第二渗透性载体沉积到步骤b)或c)中获得的脂质双分子层上，以获得夹层结构，和
e)任选将所得的夹层结构封闭在渗透性的稳定化膜中。
本发明还涉及一种制备水膜的方法，其包括下列步骤：
a)获得包含水通道蛋白水通道的脂微囊泡，所述水通道蛋白水通道占所述微囊泡的至少0.1％mol/mol，
b)将所述囊泡融合到平面脂质双分子层中，所述脂质双分子层组装在具有疏水性表面的基本为平面的渗透性载体周围，其中所述水通道蛋白覆盖至少1％的脂质双分子层区域，和
c)任选将所得的夹层结构封闭在渗透性的稳定化膜中。
本发明还涉及一种包含作为反渗透过滤膜的水膜(例如本发明的水膜)的反渗透水过滤装置，所述水膜包含功能性水通道蛋白水通道。
本发明还涉及一种用于从诸如尿液、奶和汗液的体液中提取和回收水的水过滤装置，其包括含有功能性水通道蛋白水通道的水膜。
此外，本发明涉及一种制备纯水的方法，所述纯水通过用本发明的水膜过滤天然或受污染的水源获得。所述纯水的特征在于没有例如溶解物质或颗粒的污染物。本发明还涉及一种获得纯化水的方法，其利用包含功能性水通道蛋白通道的反渗透膜来过滤水源。
另外，本发明的不同方面涉及一种疏水性聚合物膜，其将在下文中详细描述。
最后，本发明水膜的总体设计也被认为适用于其它用途的膜，其中在以其它方式设计用作本发明水膜的膜中引入除水通道蛋白以外的其它跨膜蛋白。这些膜也是本发明的一部分，并且除了跨膜蛋白的选择之外，这些膜在各方面都与本文所公开的膜相同，并且所有涉及这些膜的公开内容都将在经过必要的修改后(mutatismutatndis)应用于含有除水通道蛋白以外的其它跨膜蛋白的膜。
适用于本发明的膜内含物的不同于水通道蛋白的跨膜蛋白例如选自但不限于在转运蛋白分类数据库(TCDB)中的任意跨膜蛋白。TCDB可从http://www.tcdb.org进入。
包括在本发明中的TCDB跨膜蛋白的例子为：
气溶素通道形成毒素
土壤杆菌目标寄主细胞膜阴离子通道
a-溶血素通道形成毒素
丙甲菌素通道
海藻酸盐出口孔蛋白
阿米巴溶素
两亲肽蜂毒肽
淀粉样蛋白b-蛋白肽
动物内向整流K+通道
膜联蛋白
细胞凋亡调节剂
ArpQ穴蛋白
AS-48
ATP选通阳离子通道
自动转运蛋白
枯草杆菌j29穴蛋白
细菌类III目标细胞气孔
细菌通透性增加蛋白
细菌素AS-48环状多肽
菌视紫红质
Beticolin通道
BlyA穴蛋白
肉毒菌和破伤风毒素
布鲁氏菌-根瘤菌孔蛋白
甘油复合制剂的主要外膜孔蛋白
Cathilicidin
形成阳离子通道的热激蛋白70
天蚕抗菌肽
形成通道的炭疽杆菌保护性抗原
形成通道的神经酰胺
形成通道的大肠杆菌素
形成通道的大肠杆菌素V
形成通道的d-内毒素杀虫结晶蛋白
形成通道的e-内毒素
形成通道的杀白细胞素细胞毒素
衣原体孔蛋白
氯化物通道
叶绿体膜的阳离子通道形成物
叶绿体的外膜溶质通道
结合胆固醇的硫醇激活溶细胞素
梭菌细胞毒素
补体蛋白C9
复合聚羟基丁酸酯-Ca2+通道
棒状杆菌孔蛋白
Cph1穴蛋白
C型尿钠排泄肽
蓝细菌孔蛋白
环糊精孔蛋白
细胞溶血素
细胞毒素糊精
抵御素
皮抑菌肽
白喉毒素
Divergicin A
蚯蚓lysenin毒素
包膜病毒E1通道
上皮的氯化物通道
上皮的Na+通道
FadL外膜蛋白
Fusobacterial的外膜孔蛋白
形成缝隙连接的连接蛋白
形成缝隙连接的innexin
一般的细菌孔蛋白
葡萄糖选择性OprB孔蛋白
谷氨酸盐选通的神经传递素受体离子通道
gp91phox巨噬细胞NADPH-氧化酶相关的cyt b558 H+通道
短杆菌肽A通道
H+或Na+移位的细菌鞭毛电机
H+或Na+移位的细菌MotAB鞭毛电机/ExbBD外膜运输
哈比特属外膜孔蛋白
HP1穴蛋白
流感病毒基质-2通道
昆虫抵御素
胞内氯化物通道
J11穴蛋白
jAdh穴蛋白
JU53穴蛋白
Laetacin X
Lacticin 481
Lactocin S
乳球菌素972
乳球菌素A
乳球菌素G
高电导机械感应离子通路
lholin S
配体选通的神经传递素受体离子通道
LrgA穴蛋白
LydA穴蛋白
爪蟾抗菌肽
主要的内在性蛋白
蜂毒溶血肽
金属离子转运蛋白(通道)
小菌素E492
线粒体和质体孔蛋白
分枝杆菌孔蛋白
乳酸链球菌肽
非选择性阳离子通道-1
非选择性阳离子通道-2
形成核苷特异性通道的外膜孔蛋白
OmpA-OmpF孔蛋白
OmpG孔蛋白
细胞器的氯化物通道
细胞外膜的分泌素
外膜辅助蛋白
外膜因子
外膜伞毛接引孔蛋白
外膜孔蛋白
外膜受体
P2穴蛋白TM
P21穴蛋白S
足球菌素
Phospholemman
Pilosulin
植物抵御素
植物的胞间连丝
植物硫堇
乳杆菌素EF
乳杆菌素JK
16kDa的质体外包膜孔蛋白
21kDa的质体外包膜孔蛋白
24kDa的质体外包膜孔蛋白
聚胱氨酸阳离子通道
聚谷氨酸盐离子通道
成孔海葵毒素
成孔溶血素E
成孔RTX毒素
PRD1穴蛋白M
蛋白感染素的肽片段
Pseudomanas丁香HrpZ目标寄主的细胞膜
假单胞菌OprP孔蛋白
棉子糖孔蛋白
丝核PorCa孔蛋白
兰尼碱-肌醇-1，4，5-磷酸三盐受体的Ca2+通道
皂角苷通道
Shiga毒素B-链
短链酰胺和尿孔蛋白
小电导机械感应离子通路
糖孔蛋白
丁香霉素通道
Syringopeptin channel
T4穴蛋白
T4免疫穴蛋白
T7穴蛋白
鲎抗肽菌
Tolaasin通道
用于外膜受体(OMR)-介导-活化剂的TonB-ExbB-ExbD/TolA-TolQ-TolR
瞬时型受体电势Ca2+通道
三深裂溶血素BL
Two-partner分泌孔蛋白
B型流感病毒NB通道
尿转运蛋白(通道)
尿/酰胺通道
空泡细胞毒素
弧菌chitoporin/Neisseria孔蛋白
电压选通的离子通道总科
鞭虫杆状突孔蛋白
酵母菌杀菌毒素K1
酵母伸展激活的阳离子选择性Ca2+通道
本发明的其他方面包括使用水膜从含水物质或溶液中提取过量水，例如获得增加的期望溶质浓度。
附图说明
图1是显示根据本发明一个实施方案的水膜的各种组成部分的示意图，该水膜在具有根据本发明水膜的夹层结构示例中引入水通道蛋白分子的支撑脂质双分子层。
图2是显示根据本发明一个实施方案的水膜的各种组成部分的示意图，该水膜具有在根据本发明水膜的夹层结构示例中引入水通道蛋白分子的支撑脂质双分子层，其中包含水通道蛋白通道的脂质双分子层位于渗透性或多孔载体材料的孔内。
图3是描述包含水通道蛋白的仿生膜设计的示意图。该图显示根据本发明另一个实施方案的膜的各种组成部分，该膜具有引入水通道蛋白的支撑脂质双分子层，所述水通道蛋白夹在多孔聚四氟乙烯膜周围。
图4是描述包含水通道蛋白的仿生膜设计的示意图。该图显示根据本发明另一个实施方案的膜的各种组成部分，该膜具有引入水通道蛋白的支撑脂质双分子层，所述水通道蛋白夹在多孔聚四氟乙烯膜周围并进一步包封在夹层结构中。
图5是显示一种水膜的各种组成部分的示意图，所述水膜包含引入水通道蛋白的包封夹层结构脂质双分子层。
图6是本发明的包封水膜的示意图，此时所述水膜安装在根据本发明另一个实施方案的具有入口和出口的过滤器外壳内。
图7是显示根据本发明又一个实施方案的水纯化系统的各组件的示意图。该系统包括下列组件：粗水入口、双介质过滤室、水软化剂室，其中任选加入亚硫酸氢盐和苛性剂、反渗透过滤器1和2(RO1，RO2)，其连接至具有用于附加纯化的通过RO1和RO2过滤器的回路的泵、排放出口和具有UV消毒室的储槽。
图8示出蛋白质的水通道蛋白和水-甘油通道蛋白组的各成员。
图9是在云母上形成的膜的原子力显微镜照片。该膜根据实施例1中描述的程序制备。
图10显示一种包含本发明的螺旋缠绕水膜的过滤装置。
图11是沿图10的线II-II截取的横断面视图。
图12是示出通过从空气-水界面LB沉积脂质制备支撑双分子层的示意图。左边显示第一单分子层的沉积，右边显示第二层的沉积。
图13是示出囊泡融合程序的示意图。囊泡吸附到基片上并破裂以形成支撑双分子层。
图14是示出通过旋涂法制备支撑脂质双分子层的示意图。
具体实施方式
活细胞被脂质双分子层膜所封闭，而与其它细胞及其胞外基质隔开。脂质双分子层膜基本上不可透过水、离子和其它极性分子；然而，在许多情况下，这些实体通常由于响应胞外或胞内信号而需要被快速和选择性地跨膜转运。水转运任务通过水通道蛋白(Preston et al.，1992)完成。水通道蛋白对任何形式的生命都至关重要，并且在从细菌经植物到人的所有有机体中都被发现。水通道蛋白促进快速和高选择性的水运输，从而允许细胞根据细胞膜两侧的静压差和/或渗透压差来调节其体积和内部的渗透压。人体内水通道蛋白的生理重要性也许在肾脏中最为显著，肾脏中每天需要从原尿中重新吸收～150-200升水，即当水必须迅速从体液中回收时激活水通道蛋白促进的水运输。在肾脏内，这可能主要通过两种称为AQP1和AQP2的水通道蛋白(已知人体内有11种不同的水通道蛋白)实现。在植物中，水通道蛋白对于根部的水吸收和维持植物体内的水平衡也至关重要(Agre et al.，1998，Borgnia et al.，1999)。各种有机体和组织内的水运输研究表明，水通道蛋白具有狭孔，其防止任何大分子、离子(盐)甚至质子(H3O+)和氢氧根离子(OH-)的流过，同时维持极高的水渗透速率；～109分子H2O每通道每秒(Agre et al.，1998，Borgnia et al.，1999)。直到2000和2001年报导了AQP1的第一个高精度3D结构和相关的传输甘油的细菌通道蛋白水-甘油通道蛋白GIpF时(Fu et al.，2000；Murata et al.，2000；Ren et al.，2001；Sui et al.，2001)，关于水选择性的原因还知之甚少。
但是，基于实验结构，提出了详细的计算机模型，其不仅解释了高渗透速率和严格的水选择性，而且解释了水通道蛋白防止质子渗漏的能力(de Groot and Grubmüller，2001；Tajkhorshid et al.，2002，Jensen et al.，2003，Zhu et al. 2003，de Groot et al.，2003，Burykin and Warshel 2003，Ilan et al.，2004，Chakrabarti at al.，2004)。实质上，水通道蛋白的结构允许水分子仅以单行通过，而通道内部的静电调节控制水通道蛋白对任何带电物质的选择性，即取消任何盐(离子)以及质子和氢氧根离子的运输(de Groot andGrub-müller，2001；Tajkhorshid et al.，2002，Jensen et al.，2003，Zhu et al.2003，de Groot et al.，2003，Burykin and Warshel 2003，Ilan et al.，2004，Chakrabarti at al.，2004)。简言之，这意味着只有水分子通过水通道蛋白的水孔，其它的都不能通过。
水通道蛋白的通道中的每个单元运输～109H2O分子/秒，即～4×109分子/通道/秒。因此，1g水通道蛋白在极高压下能够运输～720升水/秒。通过功能性水通道蛋白的通道过滤获得的水为～100％纯水，不含离子、颗粒、有机物和胶体，例如由～100％的H2O组成。
如本文所用的膜蛋白的水通道蛋白族也包括GLpF蛋白，除水分子之外其也是甘油通道。优选的水通道蛋白具有植物来源，例如TIP、PIP或NIP水通道蛋白，参见图8。
下文公开的本发明的膜将只通过水，从而通过反渗透促进水的纯化、脱盐和分子浓缩。已知水通道蛋白拒绝通过所有的污染物，包括细菌、病毒、矿物、蛋白、DNA、盐、洗涤剂、溶解的气体和甚至水溶液中的质子，但是由于其结构，水通道蛋白能够运输水。此外，相关的水-甘油通道蛋白(GLpF)家族能够运输甘油。每个水通道蛋白包含将蛋白质锚定在膜内的跨膜α螺旋区和两个高度保守的NPA(天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸)环，所述环在蛋白质的中心顶点对顶点连接，形成一种沙漏形状。已经证明，水的运动是对称的，并且能够沿任意方向前进；这个事实很重要，因为该过程不消耗能量。由于水压或渗透压，水沿特定方向穿过膜。
因此，可以从不可饮用的水源获得纯水，或者如果源水含有感兴趣的化学物质，则可以选择性地除水，在输入室中留下高浓度的期望化学物质。但重要的是，对于除其对水的排他选择性之外的其它原因，水通道蛋白也适用于本发明。这种蛋白质家族的许多成员能够承受污染源水的苛刻条件而不丧失功能。水通道蛋白能够抵抗由于暴露于酸、电压、洗涤剂和热引起的变性或解折叠。因此，本发明的膜可用于纯化被可能堵塞或毁坏其它膜的化学物质污染的源水，并且其能够用于持续经历高温的区域。
水通道蛋白也是可突变的。由于蛋白质可以根据影响其最终形状和功能的基因序列在寄主细菌中特异性表达，所以技术人员可以轻易改变其遗传代码，以改变蛋白质的性状。因此，蛋白质可以被设计为执行不同于蛋白质初始功能的期望应用。例如，仅仅通过将水通道中央附近的特定氨基酸残基改变为半胱氨酸，所产生的水通道蛋白就会结合溶液中任何游离的汞，并由于阻塞而终止水的运输。因此，膜装置中所用的这些突变蛋白质能够通过有毒物质浓度过高时的简单停止流动来检测水样品中的汞污染。
最后，生产基于蛋白质的新型膜也非常便宜。包含具有源自牛红血细胞的AQP1的细胞膜碎片的脂质微囊泡是廉价的水通道蛋白源。
作为选择，水通道蛋白可以从工程埃希氏大肠杆菌(E.coli)菌株中以毫克级的量获得。据估计，可从生产它的每升培养物中获得约2.5mg的纯蛋白，参见美国专利申请No.20040049230。
因此，我们在此公开利用生物学组件从结垢的、含盐的或其它方式污染的水中实现高效生产完全纯水的方法和设备。本发明证明水运输生物蛋白和外部装置的集成，并指出能够大规模生产水纯化装置的生产途径。
本发明的第一方面
在本发明的上述第一方面中，水膜具有夹层结构，所述夹层结构具有至少两个渗透性载体层和隔开所述至少两个渗透性载体层的包含功能性水通道蛋白的水通道的至少一个脂质双分子层。
因此，本发明第一方面的水膜由两亲脂质膜构成，例如包含表1所描述的脂质的膜。因此，脂质双分子层基本由选自磷脂、磷酸甘油酯、鞘脂和心磷脂及其混合物的两亲脂质构成，例如1，2-二棕榈酰基-sn-磷脂酰胆碱(DPPC)等磷脂，或磷脂的混合物。
作为选择，脂质双分子层可基本由可聚合脂质构成或含有可聚合脂质，参见表1。
因此，本发明的水膜包含多孔载体上的重组水通道蛋白的水通道。用于制备根据本发明水膜的具有亲水表面的有用载体材料优选选自：云母如白云母、云母带、聚砜、AlO2和例如具有亲水表面的聚合物材料如纤维素。载体材料基本上是平面的，这意味着该载体优选是平坦的，但是允许载体具有曲率，例如制造螺旋缠绕过滤器时所需的曲率。这种情况下，载体材料优选是柔性材料，例如纤维素膜。
该多孔载体优选包含例如云母等材料，其具有包括亲水表面的基本平面的结构，并且其中已经例如通过蚀刻形成微孔或纳米孔。因此，在第一方面的实施方案中，渗透性载体层包括层厚为毫米到微米级的含有云母或云母带的基本平面的亲水层，并且其中形成有直径小于约50纳米(通常在10～40纳米的范围)的纳米孔(例如通过蚀刻如径迹蚀刻技术形成)。云母优选为白云母。
该渗透性载体层也可以包含亲水的膜表面，例如选自硅氧烷膜、聚砜、AlO2和例如纤维素等具有亲水表面的聚合物的膜，其中形成有直径小于约50纳米(通常在10～40纳米的范围)的纳米孔。
含有水通道蛋白的脂质膜可以是类似于生物细胞膜天然结构的双分子层，或该脂质膜可由多个融合沉积的脂质囊泡的双分子层构成。所述脂质优选具有两亲，例如磷脂(或磷酸甘油酯)、鞘脂和心磷脂。当将脂质层沉积到多孔基片上时，水通道蛋白的通道可以优选沉积到载体材料中预先存在的孔附近或孔内。
本发明的优选实施方案中所用的渗透性或多孔载体优选根据R.M.Webber，J.L Anderson，M.S.John，Macromolecules 23(1990)，1026-1034制备，其中记载：
“膜由约7纳米厚的白云母薄片通过径迹蚀刻技术制成。对于径迹蚀刻膜，通过用氢氟酸溶液蚀刻由锎252源的准直裂变碎片产生的轨迹形成孔。孔的数量由膜暴露于裂变源的时间所控制，而孔的半径由蚀刻时间、温度和氢氟酸水浴的浓度决定。这些孔的尺寸均匀，并垂直于膜的表面。孔径的均匀性是这些膜的一个重要特征，因为显著的孔径分布将由于通过大孔的偏流导致聚合物层水力学厚度不明确的后果。膜被照射部分的孔的横断面积分数为约1％；因此，通过二项式孔径分布模拟的单孔总数大于96％。由于孔垂直于膜的表面，所以孔的长度(1)等于膜厚；该厚度从已知的膜尺寸和重量确定。”
优选获得与脂质层中水通道蛋白的数量和分布大致相等的孔的最终数量和分布。
本发明的第二方面
也可以在平面脂质双分子层内重组水通道蛋白的水通道，所述脂质双分子层组装在例如聚四氟乙烯膜的具有疏水表面的多孔载体膜周围，其中脂质单分子层组装在多孔载体膜的两侧。在多孔载体膜的孔内，脂质双分子层将组装在可以重组水通道蛋白的水通道的地方。
因此，本发明的第二方面由包含具有至少两个脂质单分子层的夹层结构的水膜构成，当所述脂质单分子层组装成一个双分子层时，所述水膜包含功能性水通道蛋白的水通道，所述至少两个脂质单分子层被至少一个渗透性载体层隔开。通常地，载体层包含与脂质单分子层形成接触表面的疏水性多孔材料，并且其中脂质双分子层形成在疏水性多孔材料的孔内。
优选疏水材料具有相当于去离子水液滴和疏水材料之间至少100°接触角的疏水性，其中接触角的测量在20℃和大气压力下进行，但是优选更高程度的疏水性，例如相当于至少105°、110°、120°和120°接触角的疏水度。优选的疏水材料为parafilm或聚四氟乙烯。
疏水材料通常为平面的(但可以是柔性的并因此可弯曲的)，而穿孔通常在疏水材料的2个平面之间的中平面内均匀分布并且基本上所有穿孔具有基本相同的几何形状；关于疏水材料的穿孔的详细情况将在下文中提供。
“中平面(intermediate plane)”定义为由到平面疏水材料2个表面中任一表面的垂直距离相等的点构成的平面。
疏水材料中穿孔的尺寸应该只确保可以在穿孔内形成稳定的两亲脂质双分子层，使它们可以具有纳米、微米或毫米级的尺寸。
疏水材料优选被穿孔成材料的穿孔和非穿孔面积之间的比例最大，因为这为具有水通道蛋白的脂质双分子层提供了最大面积来实现水的运输。由穿孔构成的图案的重要性在于每个穿孔之间的距离。最优图案为六边形的穿孔排列，在该图案中每个穿孔之间具有最小的“壁厚”。但是，证明四方形图案也可以是足够的。
因此，本发明第二方面的水膜也由两亲脂质膜组成，例如包含表1中描述的脂质的膜。因此，脂质双分子层基本上由选自磷脂、磷酸甘油脂、鞘脂和心磷脂及其混合物的两亲脂质组成，例如1，2-二棕榈酰基-sn-磷脂酰胆碱(DPPC)等磷脂或磷脂的混合物。与第一方面的差别主要在于该膜只在疏水载体穿孔的区域处构成双分子层，而脂质被组织为其疏水端面对疏水载体且其亲水端面对水相环境。
双分子层的制备
必须确保膜材料的内渗透性。具有低渗透性的材料将被优选，但是同时其必须坚固并能够引入水通道蛋白以构成整体稳定和致密的2D过滤阵列。通常使用各种程序来制备支撑脂质双分子层。简单的技术是LB法。将合适有机溶剂中的脂质溶液铺展在Langmuir槽内的水亚相上并蒸发有机溶剂。使用一对可移动的阻挡片从侧面将脂质膜压缩至期望的表面压力。然后将基片垂直穿过膜，由此将一个分子厚的脂质层(单层)转移到基片上(见图12)。可以通过使基片再次穿过膜而转移第二单分子层。通过垂直(Langmuir-Blodgett)沉积方法转移总共三个单分子层，但是，第四层可以利用所谓Langmuir-Schaeffer(LS)的水平沉积法转移为最后一层。这些方法可与各种脂质一起使用。原生的生物膜通常是不对称的。LB和LS都提供了制备不对称双分子层的可能性。这通过沉积之间交换亚相上的脂质膜实现。
制备支撑双分子层的另一种方式是囊泡融合法(Brian andMcConnell 1984)。将小的单分子层囊泡(SUV)的溶液涂布到亲水化硅片或新劈开云母片的表面上。当该样品置于低温(4℃)下时，囊泡和表面融合形成连续的双分子层(图13)。不限于任何理论，已经假定囊泡首先吸附到基片表面，然后融合形成平坦的薄饼状结构，最终破裂并展开，在表面上形成单个双分子层(Reviakineand Brisson 2000)。也提出在与基片融合之后，只有直接接触基片的囊泡部分变成支撑双分子层(Leonenko et al.2000)。通过这种机理，囊泡在具有最高曲率的边缘处破裂，并且双分子层的顶部可以随后迁移到基片的表面，以增加所形成的支撑双分子层的尺寸。已经报道了在溶液涂布到基片上的几分钟内形成双分子层(Tokumasu et al.2003)，但是这种短温育时间可能产生不完整的双分子层。数小时或过夜温育也已有报道(Reimhult et al.2003，Rinia et al.2000)。
可用于制备支撑双分子层的第三种技术是旋涂法(Reimhultet al.2003，Simonsen and Bagatolli 2004)。在旋涂法中，脂质溶解在合适的溶剂中，并将液滴置于基片上，然后旋转基片，同时溶剂蒸发并产生脂质涂层。根据脂质溶液的浓度，旋涂膜由一个或多个脂质双分子层构成。但是，一旦水合，所述多层被证明是不稳定的，并且通常只有一个支撑双分子层保留在表面上(图14)。该程序简单快捷，并且已经利用低熔点脂质(POPC)以及具有中间转变温度的脂质(DPPC)和具有非常高的转变温度(神经酰胺)的脂质完成。例如，可用的脂质包括磷脂和两亲脂质。
当还想在支撑双分子层中引入肽和蛋白质时，囊泡融合技术最为适用，因为所提及的其它程序涉及蛋白质或肽在有机溶剂中的增溶。许多膜蛋白可能在有机溶剂中变性，尤其是如果它们包含的大功能区暴露在膜两侧的水溶液中时。因此，优选将肽或蛋白质插入囊泡中。在形成囊泡之前，许多肽和蛋白质例如水通道蛋白可与脂质一起在有机溶剂中共溶，然后将包含肽的囊泡涂布到基片上。这已经用多种肽完成，例如WALP(Rinia et al. 2000)、短杆菌肽(Mou et al.1996)、抗菌肽A(van Kan et al.2003)和淀粉样肽β蛋白(Lin et al.2001)。优选通过其它方式将膜蛋白例如水通道蛋白插入囊泡中。这可以利用膜蛋白重组进入囊泡的策略完成，如本文引入的Danielle Keller的论文″Supported bilayers as models ofbiological membranes″，2005年2月，MEMPHYS-center forbiomembrane physics，Physics Department，University of SouthernDenmark and Dansih Polymer Centre，Ris
National Laboratory，Denmark的第四章41～45页的引言中对作为模型蛋白的细胞色素c氧化酶的描述。
单个2D阵列的多层堆叠是可能的并且可能值得期待。堆叠阵列的最终尺寸将取决于选定的膜材料/膜组成的整体坚固性和内在渗透性。堆叠可能脱离蛋白质轻微嵌入单个双分子层且可能是支撑双分子层处的系统。然后，在支撑双分子层上的后续一系列囊泡坍塌事件可提供多层过滤单元装置，假定囊泡的先决条件是由合适的水通道蛋白重组。将堆叠的单元装置引入稳定化膜或稳定化聚合物基质以及随后缝合这些单个单元将最终通过自组装过程产生整体过滤网。
本发明各方面的共同特征
许多特征是本发明各方面共有的：
用于制备根据本发明的水膜的有用水通道蛋白为：AQP1、TIP、PIP、NIP(参见图8)及其混合物和杂合体。尤其期望植物来源的水通道蛋白，因为其包含例如病原性病毒和蛋白感染素等对人有害的污染物的风险大幅降低。此外，植物的水通道蛋白是天然的植物基因产物，并且能够在植物中过度表达和生产。
因此，水通道蛋白的水通道优选选自水-甘油通道蛋白(GLpF)，例如GLPA通道、GLPB1通道、GLPB2通道、GLPB3通道和GLPY2通道及其混合物和杂合体。
本发明的水膜优选封闭在稳定化的渗透膜或多孔膜中，所述膜可以是刚性或柔性的，并且可以充当水膜的保护以及从待纯化的含水液中去除粗颗粒物质的预过滤器。作为选择或额外地，本发明的水膜可以沉积在滤盘上形成水过滤器。
对任选用于封闭本发明水膜的稳定化膜的有用材料为微孔硅氧烷膜，其具有相对较小的孔径并在约室温或低于约50℃的温度下固化。
用于水通道蛋白重组和脂质双分子层形成的有用脂质为：POPC、DPPC、神经酰胺(参见表1)及其混合物。
表1是用于形成本发明水膜所采用的脂质双分子层的有用脂质的列表：
卵磷脂：
1，2-二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)
1，2-二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)
1，2-二硬脂酰基磷脂酯胆碱(DSPC)
1，2-二油酰基磷脂酰胆碱(DOPC)
1，2-二肉豆蔻酰油酰基(myristoleoyl)卵磷脂
1，2-二棕榈油酰基卵磷脂
1，2-二岩芹酰基(petroselinoyl)卵磷脂
1，2-二反油酰基(elaidoyl)卵磷脂
1，2-二亚油酰基卵磷脂
1，2-二亚麻酰基(linolenoyl)卵磷脂
1，2-二二十碳烯酰基(eicosenoyl)卵磷脂
1，2-二花生四烯酸酰基卵磷脂
1，2-二芥酰基(erucoyl)卵磷脂
1，2-二二十四碳烯酰基(nervonoyl)卵磷脂
1-棕榈酰基-2-油酰基卵磷脂(POPC)
1-棕榈酰基-2-亚油酰基卵磷脂
1-棕榈酰基-2-花生四烯酸酰基卵磷脂
1-棕榈酰基-2-二十二碳六烯酰基卵磷脂
1-硬脂酰基-2-油酰基卵磷脂(SOPC)
1-硬脂酰基-2-亚油酰基卵磷脂
1-硬脂酰基-2-花生四烯酸酰基卵磷脂
1-硬脂酰基-2-二十二碳六烯酰基卵磷脂
1-油酰基-2-棕榈酰基卵磷脂
1-油酰基-2-硬脂酰基卵磷脂
1，2-二二十二碳六烯酰基卵磷脂
磷脂酰乙醇胺：
1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰乙醇胺(DMPE)
1，2-二棕榈酰基磷脂酰乙醇胺(DPPE)
1，2-二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺(DSPE)
1，2-二油酰基磷脂酰乙醇胺(DOPE)
1-棕榈酰基-2-油酰基磷脂酰乙醇胺(POPE)
1棕榈酰基-2-亚油酰基磷脂酰乙醇胺
1-棕榈酰基-2-花生四烯酸酰基磷脂酰乙醇胺
1-棕榈酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰乙醇胺
1-硬脂酰基-2-油酰基磷脂酰乙醇胺(SOPE)
1-硬脂酰基-2-亚油酰基磷脂酰乙醇胺
1-硬脂酰基-2-花生四烯酸酰基磷脂酰乙醇胺
1-硬脂酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二反油酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二亚油酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二亚麻酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二花生四烯酸酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二二十二碳六烯酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二棕榈油酰基磷脂酰乙醇胺
磷脂酰甘油：
1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰甘油(DMPG)
1，2-二棕榈酰基磷脂酰甘油(DPPG)
1，2-二硬脂酰基磷脂酰甘油(DSPG)
1，2-二油酰基磷脂酰甘油(DOPG)
1-棕榈酰基-2-油酰基磷脂酰甘油(POPG)
1-棕榈酰基-2-亚油酰基磷脂酰甘油
1-棕榈酰基-2-花生四烯酸酰基磷脂酰甘油
1-棕榈酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰甘油
1-硬脂酰基-2-油酰基磷脂酰甘油(SOPG)
1-硬脂酰基-2-亚油酰基磷脂酰甘油
1-硬脂酰基-2-花生四烯酸酰基磷脂酰甘油
1-硬脂酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰甘油
磷脂酰丝氨酸：
1-棕榈酰基-2-油酰基磷脂酰丝氨酸(POPS)
1-棕榈酰基-2-亚油酰基磷脂酰丝氨酸
1-棕榈酰基-2-花生四烯酸酰基磷脂酰丝氨酸
1-棕榈酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰丝氨酸
1-硬脂酰基-2-油酰基磷脂酰丝氨酸(SOPS)
1-硬脂酰基-2-亚油酰基磷脂酰丝氨酸
1-硬脂酰基-2-花生四烯酸酰基磷脂酰丝氨酸
1-硬脂酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰丝氨酸
1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰丝氨酸(DMPS)
1，2-二棕榈酰基磷脂酰丝氨酸(DPPS)
1，2-二硬脂酰基磷脂酰丝氨酸(DSPS)
1，2-二油酰基磷脂酰丝氨酸(DOPS)
1，2-二二十二碳六烯酰基磷脂酰丝氨酸
1，2-二芥酰基磷脂酰丝氨酸
特殊脂质：
心磷脂
双极性脂质
天然脂质提取物：
蛋黄卵磷脂
牛心卵磷脂
大脑卵磷脂
牛肝卵磷脂
大豆卵磷脂
埃希氏大肠杆菌(E.Coli)磷脂酰乙醇胺
牛心磷脂酰乙醇胺
大脑磷脂酰乙醇胺
牛肝磷脂酰乙醇胺
蛋的磷脂酰乙醇胺
牛肝磷脂酰环己六醇
大豆磷脂酰环己六醇
大脑磷脂酰丝氨酸
大豆磷脂酰丝氨酸
可聚合脂质：
1，2-二-10，12-tricosadiynoyl-sn-丙三氧基-3-胆碱磷酸(DTPC)
1，2-二-10，12-tricosadiynoyl-sn-丙三氧基-3-磷酸乙醇胺(DTPE)
1-棕榈酰-2，10，12-tricosadiynoyl-sn-丙三氧基-3-磷酸乙醇胺(PTPE)
(DC8，9PC[1，2-双(10，12-tricosadiynoyl)-sn-丙三氧基-3-胆碱磷酸]
二PhyPC[1，2-二植烷酰基(phytanoyl)-sn-丙三氧基-3-胆碱磷酸]
水处理系统和水过滤装置
在一个实施方案中，本发明具有常规滤盘的形式，因为其易于检测功能性。为了制造这种盘，将包含功能性水通道蛋白的蛋白质的磷脂膜双分子层通过LB槽沉积到25mm商用超滤盘表面上。在本发明的优选实施方案中，水膜任选与常规膜一起螺旋缠绕形成螺旋缠绕的RO模块，参见图10和11。
滤盘安装在具有入口和出口的密闭室中，例如经管连接至具有泵的水源的滤盘室，所述泵使加压的源水穿过膜并从出口流出。当只有纯水穿过膜的另一侧，并且污染溶质在始发室中保持高浓度时，则认为该装置具备功能。必须对受污染溶液加压，以克服纯水流入具有更多溶解颗粒的室的隔室中的自然趋势，从而克服水的渗透压，对于饮用水约为10psi。本发明水膜的目的是反渗透并使纯水与污染溶质分离。系统的这种趋势或渗透压可用磅每平方英寸(psi)表示。例如，海水的渗透压为360～400psi。
有几种方法可用于允许该装置承受这些类型的压力。一种方法是添加高浓度的无毒且易除去的溶质到新制水室中，以在由于室的加压也出现反渗透时促进跨膜的正常渗透压。而且，反渗透所需压力也可以通过在包含浓度连续降低的污染物的密封连接室的级联中使用多层水通道蛋白膜来降低。每对室中纯化水所需的合成压力是反渗透所必需的总压力的一部分。因此，每个膜只需承受小压力，从而具有较大的机会保持完好。因此，如果每对室之间的浓度差只有10％，而不是100％，那么在每个连接处纯化源水只需10％的上述高压。纯水将在压力和流动恒定的末级室中连续生产。
水通道蛋白反渗透膜可只在一个步骤中纯化含有几种不同类型污染物的水。传统的高纯系统需要能包含水软化剂、碳过滤器、离子交换器、UV或化学消毒的几个部分，并且设置联合使用的双通道反渗透过滤器，然后才能生产纯化水。这种复杂装置不能如水通道蛋白膜一样除去溶解的气体或小于150道尔顿的物质。此外，所有这些部分需要维护。UV灯泡需要更换和能量。离子交换器在饱和时需要化学再生。软化剂需要盐。碳和反渗透筒在结垢时必须更换。最后，单步装置将要求远低于典型纯化系统的空间和重量，并且这种优势可通过包含本发明水通道蛋白的水膜的便携装置实现。
水通道蛋白膜也比常规系统更快。常规的高速反渗透单元每分钟能够生产约28.4升(7.5加仑)的清洁水。目前的研究表明水分子以54μmol/秒的速率运动穿过水通道蛋白饱和的脂质膜(0.0177mm2)。(Pohl，P.，Saparov，S.M.，Borgnia，M.J.，and Agre，P.，(2001)，Proceedings of the National Academy of Sciences 98，p.9624-9629)。因此，表面积为1.0m2的理论水通道蛋白反渗透膜每分钟能够过滤最高达3295升的纯水。这个速率是正常纯化装置的116倍。
本发明的再一方面涉及一种水处理系统，其用以从中去除化学、放射性、生物学和/或颗粒污染物，该系统包括入口被布置为连接外部水源的整体式外壳，其中该整体式外壳内布置有一个或多个包含本发明水膜的水过滤单元，所述水膜布置用于处理来自外部水源的水以生产超纯水流，并且其中该整体式外壳包括用于从中排放所述超纯水的出口。这种处理系统的例子为反渗透过滤装置。
但是，本发明的水膜也可以用包含功能性水通道蛋白的其它膜替换，例如US2004/049230中教导的包含水通道蛋白的膜。无论包含水通道蛋白的膜的确切性质如何，相信本文描述的这种水处理系统和过滤器装置凭其自身的能力而具有创造性。
因此，本发明还包括用于从盐水源生产脱盐水的反渗透水过滤装置，所述脱盐水可用于农业灌溉和/或饮用水，其中至少一个末级反渗透过滤膜已经替换为包含功能性水通道蛋白水通道的水膜，例如本发明的膜。同样地，本发明还包括从粗水源生产超纯水的反渗透水过滤装置，所述超纯水可用于半导体工业和/或制药工业，其中至少一个末级反渗透滤膜已经替换为包含功能性水通道蛋白水通道的水膜的这种水膜。本发明还涉及一种用于从用于城市用水工业、化学工业、饮用水工业、食品工业、电子工业、油气工业、精炼工业、纸浆和造纸工业、金属工业、矿业和电力工业所用的粗水源生产纯水的反渗透水过滤装置，其中至少一个末级反渗透滤膜已经替换为这种包含功能性水通道蛋白水通道的水膜。通常，渗透压被施加到所述水膜的下游侧以驱动水流动。该渗透压通常来自渗透压大于待纯化水源的浓溶液。
本发明还涉及一种用于从体液例如尿液、奶和汗液中提取和回收水的水过滤装置，其包括含有功能性水通道蛋白的水通道的水膜，例如本发明的水膜。
本发明的水纯化系统/过滤装置还可包括水膜装置上游的颗粒过滤模块，其用于预处理水流并从中除去至少部分颗粒污染物。
这种颗粒过滤模块的功能是减轻下游水过滤装置的负担，使得水流充分流动所需的压力较低，从而优化整个系统的能耗并提高其运行效率。
颗粒过滤模块优选包括一个或多个选自(a)中空纤维膜分离器和(b)超滤元件的过滤元件。多个中空纤维膜分离器和超滤元件可采用交替方式使用，以使这种颗粒过滤模块的颗粒去除能力最大化。
过滤元件优选包括本领域熟知的切向流或交叉流过滤装置，以防止过滤表面的堵塞。
为了将这种颗粒过滤模块的易损性降低至单个过滤器的失效，并且为了降低单个过滤器清洁和维护期间的系统停工时间，这种颗粒过滤模块优选包括多个平行布置的过滤元件，其中每个元件为水流提供独立的过滤路径。
在初步过滤器上游优选采用这种颗粒过滤模块，例如其可以具有约10μm到约20μm的孔隙率，以便滤出水流中的大颗粒(例如固体颗粒、孢子和细菌)，并延长下游颗粒过滤模块中所用过滤器的寿命。
这种污染物去除单元可以包含用于除去水流中的离子的纳米过滤(NF)模块或反渗透(RO)模块。RO模块已经常规用于这个目的并被证明有效。此外，与RO模块相比，纳米过滤需要较低的压力和较少的能量和水消耗。
本发明的水处理系统还可以包括所处理的水流入其中的液压蓄槽，以维持系统内均匀的压力并为下游的水消耗工厂提供基本恒定的供水。
本发明的水处理系统还可以包括水质监测模块，其连续监测一种或多种指示待处理水流质量的变量(例如包括但不限于：氯浓度、pH值、电导率、总有机碳、溶解氧、化学耗氧量、浊度和放射性)，将这些变量和通过这些变量的预先观测值测定的基线值相比较，识别与这些基线值的显著偏差，并产生指示所述偏差的输出信号。自动传感器可用于精确测量这些变量，并且取样器可用于常规采集离散的水样品，这允许在出现偏差时将样品和时间框架分离。然后可以对该样品实施各种分析程序，以识别水中导致这种偏差的污染物。该水质监测模块还可以根据需要运行以接通或断开水处理系统，和/或警告当局水质不符合预定的饮用水质标准。
本发明的水处理系统可以是固定的或便携的。其优选被建造和布置用于车辆运输和部署，以使其可以用于向远方供水。
本发明的系统可以采用并行和/或串联冗余的方式配置各种组件，以提高系统可靠性和整个系统的性能。还将认识到，本文描述的系统和实施方案可以采用功能冗余以实现水中污染物的完全去除。
系统/水过滤装置可用于纯化水，并且如上所述，本发明还确实涉及制备纯化水的方法，其中所述方法包括使水通过本发明的系统/装置。这样获得的水例如将基本不含离子、颗粒、有机物和胶体，因为这些部分已经截留在装置内。
本发明的疏水膜
如本发明第二方面的上述公开内容所述，即水膜可以在脂质单分子层包围的中间支撑层中包含疏水材料，可以制备疏水膜形式的材料，该疏水膜包含具有均匀的形状和尺寸的均匀分布的穿孔。相信这种疏水膜本身具有创造性。
因此，本发明还涉及包含多个穿孔的疏水聚合物膜，其中所述穿孔均匀分布在膜中，并且在疏水材料的2个平面之间的中平面内基本上所有穿孔具有基本相同的几何形状。当这些穿孔均具有大得足以允许水蒸气通过但又小得足以防止液态水通过的开口面积时，例如100nm2～1mm2的面积时，该膜将产生与例如Goretex
的材料等效的作用，即该膜可以透气但又防水。相信本发明的膜优于诸如Goretex
的材料，因为穿孔的尺寸和几何形状受到良好的控制。
本文中的术语“疏水膜”是指基本平面的疏水材料。该膜通常是柔性的，使得平面材料可获得曲面的形式(即，如果材料绕轴缠绕)，从而使该疏水膜适合用作衣物和其它柔性结构中的织物的一部分。
该穿孔通常具有纳米到毫米范围的最大横断面长度，例如微米范围，并且该膜通常具有毫米到微米的厚度。
通常，穿孔的几何形状选自圆形和椭圆形。当使用激光设备在膜中引入穿孔时，两种形状都容易获得-例如，圆孔可以利用静止的激光束获得，而在暴露期间膜相对于激光束的运动(通过移动膜或激光束)将提供椭圆形或甚至棒状的孔。在优选的实施方案中，穿孔均具有基本相同的尺寸。膜材料通常选自与本发明第二方面的公开内容相关的上述疏水材料。
当参照本发明特定实施方案来描述本发明时，将会理解许多变更、修改和实施方案是可能的，因此所有这些变更、修改和实施方案将被理解为在本发明的精神和范围之内。本文引用的所有参考文件通过引用全部并入本文。
由以下公开内容和所附权利要求，本发明的其它方面、特征和实施方案将更加充分的明显。
实施例1
DPPC脂质囊泡中AQP-1(脂蛋白体)的重组
使用下列程序制备根据本发明的水膜
1.小单分子层囊泡的制备(SUV)
a.将干的DPPC脂质悬浮在milli-Q水中以得到1.3～1.5mM的浓度。
b.将悬浮液在55℃下温育1小时水合得到多分子层囊泡(MLV)
c.通过将MLV溶液挤压穿过两个100纳米的聚碳酸酯过滤器12次来制备SUV
d.在55℃下保存SUV溶液。
2.BioBeadsTM(聚苯乙烯珠)的制备
a.用milli-Q水洗涤约4g BioBeadsTM 5次
b.将经洗涤的BioBeadsTM在水抽吸下声处理1小时
3.重组
a.将适当体积的SUV溶液用移液管移入eppendorf管中
b.加入50μl 20％的Triton X-100
c.将磷酸缓冲液中变性形式的10μl AQP-1(浓度0.5mg/ml)加入其中，所述AQP-1根据Zeidel et al.(1992)描述的方法纯化
d.加入milli-Q水至终体积200μl
e.在室温下温育溶液，并振摇15分钟
f.将约75mg经洗涤的BioBeads加入溶液中，然后温育并振摇30～45分钟
g.将该溶液用移液管移入干净的Eppendorf管中
h.重复步骤f～g3次(共四倍的BioBeads)
i.该脂质蛋白体溶液备用
图9显示白云母上DPPC膜的原子力显微镜(AFM)照片，并显示DPPC膜中重组的AQP-1，其表明已经完成重组工作和所得囊泡的支撑双分子层。如测量图像所得，图像中的小环形结构面积约为36nm2。这与脂质双分子层中的蛋白质表面面积非常符合。平均起来(来自三个不同区域的6张不同尺寸的图像)，蛋白质覆盖48％的表面，而脂质覆盖52％的表面。假定脂质面积为0.5nm2，则计算的脂质-蛋白质比例(LPR)为77。支撑双分子层通过LPR为50的脂蛋白体囊泡融合制得。
实施例2
在多孔白云母上形成脂质双分子层和可能其它多个双分子层，以获得如图1示意性示出的水膜。
1.将白云母片(约1cm2)用带劈开
2.劈开后立即将实施例1中的25μl脂蛋白体溶液涂布到云母表面。
3.将样品在室温下(21℃)温育10分钟以形成融合的双分子层。
4.温育后，用milli-Q水洗涤样品7次，以除去过量的未结合囊泡。
5.最后将新劈开的第二片白云母沉积到所形成的脂质双分子层上。
实施例3
E.Coli脂质提取物囊泡中AQP-1的重组
在氯仿中的E.coli全部脂质提取物得自Avanti Polar Lipids(Alabaster，AL)。溶剂(氯仿、乙醇、甲醇、癸烷)全部购自Sigma-Aldrich(St.Louis，MO)。SM-2 BioBeads购自BioRadLaboratories(Hercules，CA)。所有制备中用的水为超纯milli-Q水(18.2MΩ cm-1)。由牛的红细胞纯化的水通道蛋白-1作为无折叠蛋白质的悬浮液由University of Aarhus的Dr.Jan Enghild获得。
从脂质溶液中蒸发氯仿，并将干脂质用100mM KCl在55℃下水合30分钟。搅拌溶液，并且通过使溶液在Lipex挤出器(Northern Lipids，Vancouver，CD)中穿过两个100nm的聚碳酸酯滤器12次形成小单分子层囊泡(SUV)。通过加入Triton X-100(Sigma)至1.25％(wt/vol)的最终溶度并随后加入AQP-1至脂质-蛋白质比(LPR)为1000∶1而制得重组混合物。通过除去洗涤剂形成脂蛋白体。这可以通过吸附到疏水的BioBeads(SM-2)上来实现。脂蛋白体可以在制备当天或之后一天使用。实验之间，溶液在4℃下保存。
实施例4
平面双分子层膜的形成和电压钳试验：AQP-1引入脂质双分子层中而不增加离子传导率
电压钳将双分子层(或细胞膜)的电势V控制(或“钳制”)在期望的水平。此处所用的方法测量跨越两水溶液之间的隔离物处形成的双分子层的电势。将涂有AgCl的银电极放在一个室中，并电性比较该电压和待维持的电压(称为支配电压)。然后钳制电路通过另一电极将电流返回另一个室中。即使面对渗透性的变化，该反馈电路也将跨双分子层电势维持在期望的水平。最重要的是，该装置允许同时测量将跨双分子层电势保持在既定电压所需的电流I。因此，电压钳技术指示膜电势如何影响跨膜离子电流。该影响以电流-电压(I/V)关系表示。
平面双分子层由E.coli(Avanti Polar Lipids，Alabaster，AL)的正癸烷溶液(2.5％wt/vol)穿过Teflon隔离物中的孔(直径1.3mm)形成，所述隔离物将实验当天制备的两种无缓冲的0.1M KCl水溶液隔离。在22℃下通过用涂有AgCl的银线作为电极的AxoPatch200放大器(Axon Instruments，Sunnyvale，CA)完成双分子层I/V实验。建立I/V协议，并利用Clampex 9.2软件(AxonInstruments，Sunnyvale，CA)记录数据。该数据利用八极贝赛尔滤波器(Bessel filter)(Frequency Devices，Haverhill，MA)在500Hz(-3dB)的角频率下低通滤波，并在进行16位AD转换(DigiDatal332A，Axon Instruments，Sunnvale，CA)后存储于PC(Dell Computer，Austin，Texas)中用于分析。分析数据，并通过ClampFit 9.2(Axon Instruments，Sunnyvale，CA)和OriginPro 7.5(OriginLab，Northhampton，MA)显示。
用配有冷光源(IntraLux 5000，Volpi，CH)的立体显微镜(Zeiss)监测双分子层的形成。在脂质沉积在隔离物的孔内后，脂质多分子层的牛顿衍射颜色逐渐消失，并在10分钟后形成被更厚的脂质/癸烷圆环包围的透明“黑色”脂质膜。这种淡化也反映在零电位IRMS下跨双分子层电流的均方根的暂时变化中。初始IRMS为约1.6pA，然后升至约6pA的稳态值，这指示形成了稳定的双分子层。该双分子层直径为约1200μm。在双分子层形成后，利用步进协议获得跨双分子层电流，其中电势以10mV的增量从-100mV步进至+90mV。每一步持续1000ms，步间为1000ms。
在将含有AQP-1的囊泡加入双分子层形成液(2∶1vol/vol)之后，AQP-1被引入平面双分子层中，得到类似的结果。
AQP-1引入脂质双分子层没有改变离子电流，但是与对照相比，其改变了包含AQP-1的双分子层的时间常数。对于一级近似，后一观测可解释为圆环和双分子层的有效介电常数的变化。这是可能的，因为与烃类材料相比，AQP-1蛋白质材料较低的介电常数将导致双分子层和圆环二者中较低的时间常数。
实施例5
渗透梯度实验：引入脂质双分子层中的AQP-1产生渗透梯度，导致低渗侧未搅拌层内的离子浓度增加
在含有AQP-1的脂质双分子层形成后，通过测量膜附近未搅拌层中K+离子浓度的变化观测到渗透压驱动的跨膜水通量。
根据Zeuthen的技术，使用1.2mm的OD玻璃毛细管(Corning120F)制造双管K+电极。
通过采用12位BioLogic 1401+AD/DA接口(Biologic，Claix，France)连接至PC(Dell Computer，Austin，TX)的DUO773放大器(WPI)记录来自双管的电极电压。
将双管电极置于含有用20mM三[羟甲基]-氨基甲烷盐酸盐(TRIS)(T3253，Sigma，St Louis，MO)缓冲的pH7.2的100mMKCl的后(顺)室中进行记录。安装电极夹具，使电极相对于水溶液表面成45°角伸入顺室中，并利用水压微操纵器(David KnopfInstruments，Model 1207B)操纵，最小步长为0.25μm。双分子层的形成和电极的粗定位利用5.3节描述的立体显微镜监测，并且在脂质沉积10～20分钟后开始记录。双分子层电极距离的总精确度调整为约±7μm，并且通过紧密接触双分子层后电极电势的大幅变化来调整绝对距离。跨双分子层的渗透梯度通过含有用20mMTRIS缓冲的pH7.2的含有4M脲(452042V，BDH，Poole，UK)的前(反)侧KCl溶液诱导产生。
观察到，在存在跨双分子层渗透梯度的情况下，引入AQP-1的脂质双分子层诱发水流动。
与本体K+浓度相比，在存在渗透梯度时，引入脂质双分子层中的AQP-1使K+离子浓度在低渗侧距双分子层20μm范围内增加了约8％。
膜能够承受4M的渗透梯度。
实施例6
包含根据本发明的膜的UPW系统
图10和11显示根据本发明一个实施方案的水纯化系统。图10是元件的透视剖面示意图，而图11是沿图10的线II-II切开的横断面视图。
该元件具有布置在元件中央的中空管1，并且其表面形成有数个通孔1a。反渗透膜2、渗透液通道膜3和进料液通道膜4以下文描述的方式环绕中空管1的外表面缠绕。
每个反渗透膜2整体具有袋状的形状，而渗透液通道膜3布置于其中。袋状的反渗透膜2连接到中空管1的外表面，同时其开口2a封闭在中空管1中形成的通孔1a，使得反渗透膜2的内部和渗透液通道膜3与通孔1a连通。
每个进料液通道膜4布置在与其相连的反渗透膜2之间，并且配置为允许液体穿过其中的框架构件5连接到膜和通道组件的两端，由此获得螺旋结构。
上述元件布置在压力容器中，并适于在预定压力下从其一端(上游侧)供给进料液6。
当进料液6沿进料液通道构件4流动时，其遭受反渗透膜2的反渗透分离，被分离成渗透液和溶质。穿过反渗透膜2并具有低溶质浓度的渗透液流入通孔1a并汇集在中空管1中。然后从元件的下游侧取出渗透液6a。
没有穿过反渗透膜2的进料液继续沿进料液通道构件4流向下游侧。在流动期间，进料液吸收从进料液中分离并留在膜表面的溶质，从而变成具有高溶质浓度的浓缩液6b。
在操作元件时有一个关键问题，即元件性能由于浓差极化而降低。
浓差极化是一种结垢物质例如进料液中包含的杂质和污染物富集在与进料液通道构件4接触的反渗透膜2的表面而使得进料液中溶质和结垢物质的浓度高于膜表面的现象。结果，渗透压升高。
当出现浓差极化时，渗透液的量减少，并且例如凝胶和水垢等杂质沉淀在膜表面。为此，反渗透膜不能发展其容量，而元件的性能则降低。
浓差极化的发生可以通过进料液在膜表面上的湍流来抑制。例如，通过利用厚度较小的进料液通道构件4来增大膜表面上进料液的线速度更容易发生湍流，使得浓差极化层可以变薄。
但是，由于进料液通道构件4具有较小的厚度，使得由进料液通道构件4限定的通道容易被进料液中的结垢物质例如杂质和微生物所堵塞。结果，元件性能降低并且进料液中的压力损失增加。为了保持渗透液的质与量，进料液的操作压力需要提高，因此必须提供需要电力运行的高压泵和高压管，其导致液体生产成本增加。
至少一个反渗透膜是根据本发明的包含水通道蛋白和/或水-甘油通道蛋白通道的水膜。
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Claims (33)
1.一种水膜，其包含具有至少两个渗透性载体层的夹层结构，所述至少两个渗透性载体层被至少一个包含功能性水通道蛋白水通道的脂质双分子层隔开。
2.一种水膜，其包含具有至少两个脂质单分子层的夹层结构，当组合成一个双分子层时，所述夹层结构包含功能性水通道蛋白水通道，其中所述至少两个脂质单分子层被至少一个渗透性载体层隔开，所述载体层包含与所述脂质单分子层形成接触表面的疏水穿孔材料，并且其中所述脂质双分子层形成在所述疏水穿孔材料的穿孔内。
3.根据权利要求2的水膜，其中所述疏水穿孔材料是具有疏水表面的多孔载体膜，脂质单分子层组装在其两侧并且脂质双分子层将组装在所述穿孔载体膜的穿孔内，其中水通道蛋白水通道可以重组。
4.根据权利要求2或3的水膜，其中所述疏水材料选自聚四氟乙烯并且具有相当于去离子水液滴和所述疏水材料之间至少100°接触角的疏水度，其中所述接触角的测量在20℃和大气压力下进行。
5.根据权利要求2或3的水膜，其中所述疏水材料是平面的，所述穿孔在所述疏水材料的2个表面之间的中平面内均匀分布并且基本上所有所述穿孔都具有基本相同的几何形状。
6.根据权利要求2或3的水膜，其中所述穿孔具有毫米到微米范围的直径。
7.根据权利要求6的水膜，其中每个所述穿孔均具有大到足以允许水蒸气通过但小到足以防止液态水通过的开口面积。
8.根据权利要求6的水膜，其中每个所述穿孔均具有100nm2～1mm2范围的开口面积。
9.根据权利要求2或3的水膜，其中所述穿孔的几何形状选自圆形和椭圆形。
10.根据权利要求2或3的水膜，其中所述疏水穿孔材料由疏水聚合物膜构成。
11.根据权利要求10的水膜，其中所述聚合物膜具有毫米～微米范围的厚度。
12.根据权利要求1～3中任一项的水膜，其中所述脂质双分子层基本上由选自磷脂、磷酸甘油脂、鞘脂和心磷脂及其混合物的两亲脂质构成。
13.根据权利要求12的水膜，其中所述磷脂是DPPC。
14.根据权利要求1～3中任一项的水膜，其中所述水通道蛋白为AQP1。
15.根据权利要求14的水膜，其中所述水通道蛋白为牛的AQP1。
16.根据权利要求1～3中任一项的水膜，其中所述水通道蛋白来自植物。
17.根据权利要求16的水膜，其中所述水通道蛋白是TIP、PIP或NIP水通道蛋白或其混合物或杂合体。
18.根据权利要求1～3中任一项的水膜，其中所述水通道蛋白水通道选自水-甘油通道蛋白(GLpF)。
19.根据权利要求18的水膜，其中所述水通道蛋白选自GLPA通道、GLPB1通道、GLPB2通道、GLPB3通道和GLPY2通道及其混合物和杂合体。
20.根据权利要求1～3中任一项的水膜，其中所述水通道蛋白为突变体蛋白。
21.根据权利要求1～3中任一项的水膜，其还被装入外壳以提供水过滤装置。
22.一种制备超纯水滤液的方法，其包括通过根据权利要求1～21中任一项的水膜过滤水溶液，以截留离子、颗粒、有机物质和胶体，由此所述滤液为基本不含离子、颗粒、有机物质和胶体的水。
23.一种用于从盐水源生产脱盐水的反渗透水过滤装置，所述脱盐水可用于灌溉农业和/或用作饮用水，其中至少一个末级反渗透过滤膜替换为根据权利要求1～21中任一项的包含功能性水通道蛋白水通道的水膜。
24.一种用于从粗水源生产超纯水的反渗透水过滤装置，所述超纯水可用于半导体工业和/或制药工业中，其中至少一个末级反渗透过滤膜替换为根据权利要求1～21中任一项的包含功能性水通道蛋白水通道的水膜。
25.一种用于从粗水源生产纯水的反渗透水过滤装置，其用于城市用水工业、化学工业、饮用水工业、电子工业、油气工业、炼制工业、金属工业、采矿工业和电力工业，其中至少一个末级反渗透过滤膜替换为根据权利要求1～21中任一项的包含功能性水通道蛋白水通道的水膜。
26.权利要求25的反渗透水过滤装置，其用于食品工业以及纸浆和造纸工业。
27.根据权利要求23～26中任一项的水过滤装置，其中对所述水膜的下游侧施加渗透压。
28.根据权利要求27的水过滤装置，其中所述渗透压来自渗透压大于待纯化水源的浓溶液。
29.一种用于从体液中提取和回收水的水过滤装置，其包括根据权利要求1～21中任一项的水膜。
30.根据权利要求29的水过滤装置，其中所述体液是尿液、奶或汗液。
31.一种平面疏水穿孔材料，其与至少两个脂质单分子层形成接触表面并且其中在所述疏水穿孔材料的穿孔中形成脂质双分子层，所述脂质双分子层包括功能性水通道蛋白水通道。
32.根据权利要求31的疏水穿孔材料，其中所述疏水材料是聚四氟乙烯膜并且具有相当于去离子水液滴和所述疏水材料之间至少100°接触角的疏水度，其中所述接触角的测量在20℃和大气压力下进行。
33.根据权利要求31或32的疏水穿孔材料，其中：(a)所述穿孔在所述膜内均匀分布；和/或(b)所述穿孔具有毫米至微米范围的最大横截面长度；和/或(c)所述膜具有毫米至微米范围的厚度；和/或(d)所述穿孔的几何形状为圆形或椭圆形。
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