CN101267875B - 用于产生盐度能的含有水通道蛋白的仿生水膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含有水通道蛋白的膜在盐度能产生中的用途。所述膜优选是引入了重构的水通道蛋白通道的脂双层，例如夹在多孔载体物质之间，或者包封高度疏水的多孔载体物质。本发明还公开了一种产生盐度能的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的含有功能化水通道蛋白通道或水通道蛋白通道四聚体的仿生水膜，所述膜适于通过渗透压梯度的驱动将水从膜的一侧输送到另一侧。压力延迟渗透将用于产生盐度能(Salinity power)。
通过这种方法我们利用自然法则产生洁净的且环境友好的能量。
背景技术
在淡水中稀释含盐的水时，可以提取大量的能源潜能。盐度能是不依赖于天气或风的稳定能源。它是可再生的并且不会产生任何已知的严重环境效应。
盐度能的原理称作压力延迟渗透(PRO)，且指的是利用盐水与淡水混合时可以释放的能量。通过用膜将每一个室分成独立的容器来使这种情况发生。这种膜允许淡水流过，但是不允许盐水流过，见图1。然后淡水将流过到达另一侧，且可以通过使用涡轮机来利用这种水流中的能量。对于稀释盐的天然需求是如此巨大，以至相当于27巴，换句话说，相当于水龙头中压力的5至6倍，或者相当于淡水下落260米的压力。这种能量就是所谓的淡水与盐水之间的渗透压。
盐度能是还没有被开发的可再生的最大的能源之一，全世界可开发的潜能估计为每年2000TWh，而且为了充分利用这种能源，相当可观的技术开发是必要的。因此，从这种来源得到的能量潜在的成本也高于大部分常规的水能，但是却与已经用大规模的设备制备的其它形式可再生能源的成本相当。
对于产生盐度能，膜的堵塞和流动能力是关键，而且如今，在开发产生盐度能的潜能中，分别为海水在一侧而淡水在另一侧的分隔两室的水膜是限制性步骤。
自从发现水运输型水通道蛋白质具有选择性地将H2O分子转运穿过生物膜的能力以来，设计引入这些蛋白质的人工水膜已经受到了一定的关注，参见公开的US专利申请NO.2004/0049230“Biomimetic membrance”，该申请的目的在于描述水运输型蛋白质怎样包埋于膜中以使水纯化，其中所述的优选方式具有常规的过滤盘的形式，为了制作这种盘，通过使用Langmuir-Blodgett槽将合成三嵌段共聚物和蛋白质的5nm厚单层沉积在25mm商购的超滤盘的表面，然后用UV光使盘上的单层交联成聚合物以增加其耐久性。
有建议认为，可以通过将水通道蛋白表达为脂双层囊泡并将这些膜流延在多孔性载体上而创立水纯化技术，参见James R.Swartz，主页http://chemeng.stanford.edu/01About the Department/03Faculty/Swartz/swartz.html。
此外，本发明的受让人之前递交了一份国际专利申请，其中水通道蛋白包含于夹层结构中，所述夹层结构或者具有被至少一个包含功能性水通道蛋白水通道的脂双层隔开的至少两个可渗透的载体层，或者具有包围在疏水穿孔载体层周围的脂双层，参见国际专利申请NO.PCT/DK2006/000278，该国际申请要求了丹麦专利申请NO.PA200500740和US临时专利申请NO.60/683466的优先权。PCT/DK2006/000278所公开的含有水通道的膜通过引用在本文中并入，且被认为是最有希望用于本发明的水膜，并且因此在PCT/DK2006/000278中所有涉及水膜以及它们的制备的公开都认为是本发明重要的实施方案。
以前公开的在人工膜中使用水通道蛋白的所有申请，其目的在于制备纯净水。本发明将天然的水运输通道即水通道蛋白的使用范围拓展到可持续能量解决方案的领域。本发明的目的在于使用含有功能性水通道蛋白的仿生膜利用压力延迟渗透技术产生盐度能。
发明内容
本发明一方面涉及用于压力延迟渗透(PRO)的包含水通道蛋白的仿生膜，另一方面本发明涉及所述膜在用于产生盐度能的PRO系统中的应用。
含有水运输型水通道蛋白的仿生水膜可以使用多种不同的工艺制备。
本发明涉及任何用于产生盐度能的含有水通道蛋白的仿生水膜。
本发明的优点包括利用自然界本身的系统将水运输提升到树木顶部。水通道蛋白是通过使用渗透压作为驱动力运输水的性质而设计的分子-这在本发明中被开发用于产生对环境友好的能量。
附图说明
图1是描述压力延迟渗透原理的附图。两个室中分别充满海水和淡水，并通过水可渗透膜间隔开。渗透压梯度将会造成淡水流入海水室中，建立可用于产生能量的压力。
图2是描述含有水通道蛋白的仿生膜的设计的附图。该图表示出了根据本发明的一个实施方案的膜的各种组成部分，在根据本发明的水膜的夹层结构实例中所述膜具有引入水通道蛋白分子的支撑脂双层或嵌段共聚物。
图3是描述含有水通道蛋白的仿生膜的设计的附图。
该图表示出了根据本发明另一个实施方案的膜的各种组成部分，所述膜具有引入水通道蛋白分子的支撑脂双层或嵌段共聚物，并夹包在由多孔性、固体的、化学惰性的四氟乙烯的聚合物例如多孔性TeflonTM薄膜形成的薄膜周围形成夹心结构。
图4表示蛋白质的水通道蛋白和水-甘油通道蛋白组的各成员。
图5为PRO系统的实例。它表示PRO设备，淡水与海水流入间隔开的水过滤器中，之后水流彼此通过半透膜的每一侧，在这种情形中仿生水膜含有功能性水通道蛋白通道。然后透过物和盐水具有升高压力的部分混合物流到涡轮机产生电能。渗透水流的剩余部分流到压力转换器，在此处对引入的海水加压，并送入膜组件中。
具体实施方式
在二十世纪七十年代，美国Israeli的研究人员发明了盐度能原理，但是迄今为止没有人设法开发出一种足够好以便从存储在海水和淡水之间的渗透压梯度的潜能中获利的膜技术。含有功能化水通道蛋白通道的仿生水膜可能是这个问题的解决方法。
在本文中，“水膜”表示一种结构，该结构允许水的通过，而同时不允许大部分其它材料或物质通过。优选的用于本发明的水膜基本上仅可透过水(在一些情况中是丙三醇)，而不允许溶质和其它溶剂通过。
水通道蛋白
活细胞被脂双层膜包封，其与其它细胞以及它们的胞外介质分隔开。脂双层膜基本上不能透过水、离子以及其它极性分子，但是在许多情况中，这些物质经常响应细胞外或细胞内的信号，需要被快速且选择性地运输穿过膜。运输水的任务通过水通道蛋白这种水通道蛋白质实现(Preston等，1992)。水通道蛋白对任何形式的生命都是至关重要的，并且在从细菌到植物再到人的所有有机体中都发现了它们。水通道蛋白便于快速、高选择性地运输水，因此使得细胞能够根据跨越细胞膜的流体静力学和/或渗透压差调节其体积和内部渗透压。人体中水通道蛋白的生理重要性也许在肾脏中是最显著的，肾脏中每天有约150-200升水需要从原尿中重新吸收，即当必须快速从体液中重新补回水时，会调用便于水运输的水通道蛋白。在肾脏中，这可以主要通过表示为AQP1和AQP2的两种水通道蛋白(已知在人体中有11种不同的水通道蛋白)实现。在植物中，水通道蛋白对于在根部吸收水分和在整个植物体内保持水平衡也是至关重要的(Agre等，1998，Borgnia等，1999)。在植物中，通过正如本发明所要用于PRO系统中产生盐度能的相同的渗透力吸收水分。
各种有机体和组织中的水运输研究表明，水通道蛋白具有狭孔，其阻碍任何大分子、离子(盐)以及甚至是质子(H3O+)和氢氧根离子(OH-)的流过，同时保持极高的水渗透速率；每秒钟每通道约109分子水(Agre等，1998，Borgnia等，1999)。直到2000年和2001年报道了AQP1的第一个高清晰度的3D结构和与甘油传输相关的细菌通道蛋白质水-甘油水通道蛋白GLpF的第一个高清晰度的3D结构(Fu等，2000；Murata等，2000；Ren等，2001；Sui等，2001)，但是却几乎不知道水选择性的原因。
但是，在实验结构的基础上，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阻碍质子渗漏的能力(de Groot和Grubmüller，2001；Tajkhorshid等，2002，Jensen等，2003，Zhu等，2003，de Groot等，2003，Burykin和Warshel，2003，Ilan等，2004，Chakrabarti等，2004)。实质上，水通道蛋白通道的体系结构仅允许水分子仅以单行方式通过，而通道内部的静电调节又控制着水通道蛋白对于任何带电物质的选择性，也就是说阻止任何盐(离子)以及质子和氢氧根离子的运输(de Groot和Grubmüller，2001；Tajkhorshid等，2002，Jensen等，2003，Zhu等，2003，de Groot等，2003，Burykin和Warshel，2003，Ilan等，2004，Chakrabarti等，2004)。简而言之，这意味着仅有水分子穿过水通道蛋白的水孔，而没有其它的物质。
水通道蛋白通道中的每个单元运输约109H2O分子/秒，也即约4×109分子/通道/秒。因此，1g水通道蛋白在很高的压力下能够运输约720升水/秒。
本文使用的术语“膜蛋白的水通道蛋白族”还包括GLpF蛋白质，其除了是水分子通道以外还是甘油通道。
本发明一方面涉及一种用于压力延迟渗透的含有水通道蛋白的仿生膜，另一方面本发明还涉及所述膜在用于产生盐度能的PRO系统中的应用。
含有水运输型水通道蛋白的仿生水膜可以使用多种不同的工艺制备。在前面描述的专利申请中描述了不同的方法。
与脂双层膜用途相关的方面
在下列的工艺中描述了使用一种例如Langmuir-Blodgett法的方法，其中水通道蛋白在脂质囊泡中重构，并转化为支撑脂双层膜以形成水过滤膜：
膜材料的内在渗透性必须是安全的。具有低渗透性的材料是优选的，但是它同时必须是坚固耐用的且能够引入水通道蛋白以总体上构建稳定的且致密的2D过滤阵列。多种通用的方法用于制备支撑双层。一种简单的技术为Langmuir-Blodgett法。将脂质在合适的有机溶剂中的溶液铺展在Langmuir槽中的亚水相上且使有机溶剂蒸发。用一对可移动的屏障将脂质薄膜横向压缩到期望的表面压力。然后使底物垂直穿过薄膜，从而将一分子厚的脂质层(单层)转移到该底物上。第二个单层可以通过使所述底物再次穿过薄膜而转移。总共三个单层通过垂直(Langmuir-Blodgett)沉积的方法转移，但是，第四层可以通过水平的沉积而转移以用于最后一层，即用所谓的Langmuir-Schaeffer(LS)。这种方法可用于多种脂质。天然生物膜经常是不对称的，LB和LS都提供了制备不对称双层的可能性。这通过在沉积物之间的亚相上交换脂质薄膜而实现。
另一种制备支撑双层的方法为囊泡融合法(Brain and McConnell1984)。将小的单层薄膜囊泡(SUV)溶液涂敷在一片亲水化的硅或刚劈下的云母表面上。当该样品置于低温(4℃)下时，囊泡与表面融合从而制得连续的双层。不拘泥于任何理论，假设囊泡首先吸附于底物的表面，然后融合制得扁平的、像薄饼一样的结构并最终破裂和铺展，在表面上得到单一的双层(Reviakine and Brisson 2000)。还有提议认为与底物融合后，只有直接与底物接触的部分囊泡变成支撑双层(Leonenko等，2000)。在这个机理中，囊泡在具有最大曲率的边缘破裂，并且双层的顶部然后可以迁移到底物的表面以增大形成的支撑双层的尺寸。还报道了，双层在将溶液涂布到底物上的几分钟内形成(Tokumasu等，2003)，但是如此短的培养时间可能导致不完整的双层。也有报道几小时或过夜培养的(Reimhult等，2003，Rinia等，2000)。
第三种可用于制备支撑双层的技术为旋涂法(Reimhult等，2003，Simonsen和Bagatolli 2004)。在旋涂法中，脂质溶解于合适的溶剂中，且液滴置于基质上，然后旋转底物，同时蒸发溶剂形成脂质涂层。取决于脂质溶液的浓度，旋涂薄膜由一个或多个脂双层构成。但是在水合时，多层显示出是不稳定的，且通常只有一个支撑双层保留在表面上。该方法是简单且快速的，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)和具有很高转变温度的脂质(神经酰胺)实施。可用的脂质包括，例如磷脂质和两性脂质。
当想要在支撑双层中引入多肽和蛋白质时，囊泡融合技术最为适用，因为提及的其它方法涉及蛋白质或多肽在有机溶剂中的溶解。许多膜蛋白质会在有机溶剂中变性，特别是如果它们在膜的两侧都有大的暴露于水溶液的区域时。因此，优选将多肽或蛋白质嵌入囊泡。许多多肽和蛋白质例如水通道蛋白可以在形成囊泡之前与脂质共溶于有机溶剂中，然后将含有多肽的囊泡涂布到底物上。这已经用多种多肽实施，例如WALP(Rinia等，2000)、短杆菌肽(Mou等，1996)、抗菌肽A(Van Kan等，2003)以及淀粉样β蛋白(Lin等，2001)。膜蛋白质例如水通道蛋白优选通过其它的手段嵌入囊泡中。这可以利用膜蛋白重构进入囊泡的策略做到，如本文引用的Danielle Keller的论文“Supported bilayers as models ofbiological membranes”，2005年2月，MEMPHYS-center for biomembranephysics，Physics Department，University of Southern Denmark and DansihPolmer Centre，Ris
National Laboratory，Denmark的第4章第41-45页引言中所述的细胞色素c氧化酶作为模型蛋白质的方法。
单独的2D阵列的多层堆叠是可以的且可能是所期望的。堆叠阵列的最终维数将取决于所选择的膜材料/膜组合物的整体坚固性和内在的渗透能力。堆叠可能不同于蛋白质一般而言轻微嵌入独立的可能是支撑的双层中的系统。假设囊泡首先必须与合适的水通道蛋白一起重构，在支撑双层上的后续一系列囊泡崩塌事件然后可以提供多层过滤单元装置。将堆叠的单元装置引入到稳定的膜或稳定的聚合物基质中且随后缝合这些单独的单元，最终经自组装过程产生整体的滤网。
表1列出了可用于本发明的水膜中形成脂双层的脂质：
可用于水通道蛋白重构以及脂双层的形成的脂质有：POPC、DPPC、神经酰胺和它们的混合物，参见表1。
表1
磷脂酰胆碱
1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰胆碱(DMPC)
1，2-二棕榈酰基磷脂酰胆碱(DPPC)
1，2-二硬脂酰基磷脂酰胆碱(DSPC)
1，2-二油酰基磷脂酰胆碱(DOPC)
1，2-二肉豆蔻油酰基磷脂酰胆碱
1，2-二棕榈油酰基磷脂酰胆碱
1，2-二岩芹酰基(petroselinoyl)磷脂酰胆碱
1，2-二反油酰基(elaidoyl)磷脂酰胆碱
1，2-二亚油酰基磷脂酰胆碱
1，2-二亚麻酰基磷脂酰胆碱
1，2-双二十二酰基磷脂酰胆碱
1，2-二花生四烯酰基磷脂酰胆碱
1，2-二芥子酰基磷脂酰胆碱
1，2-二神经酰基磷脂酰胆碱
1-棕榈酰基-2-油酰基磷脂酰胆碱(POPC)
1-棕榈酰基-2-亚油酰基磷脂酰胆碱
1-棕榈酰基-2-花生四烯酰基磷脂酰胆碱
1-棕榈酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰胆碱
1-硬脂酰基-2-油酰基磷脂酰胆碱(SOPC)
1-硬脂酰基-2-亚油酰基磷脂酰胆碱
1-硬脂酰基-2-花生四烯酰基磷脂酰胆碱
1-硬脂酰基-2-二十二碳六烯酰基磷脂酰胆碱
1-油酰基-2-棕榈酰基磷脂酰胆碱
1-油酰基-2-硬脂酰基磷脂酰胆碱
1，2-双二十二碳六烯酰基磷脂酰胆碱
磷脂酰乙醇胺
1，2-双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
1，2-二花生四烯酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二十二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-双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
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磷脂酰丝氨酸
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1-硬脂酰基-2-花生四烯酰基磷脂酰丝氨酸
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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)
1，2-二十二碳六烯酰基磷脂酰丝氨酸
1，2-二芥子酰基磷脂酰丝氨酸
特殊脂质
心磷脂
双极性脂质
可聚合脂质
1，2-二-10，12-二十三烷二酰基-sn-甘油基-3-磷酸胆碱(DTPC)
1，2-二-10，12-二十三烷二酰基-sn-甘油基-3-磷酸乙醇胺(DTPE)
1-棕榈酰基-2，10，12-二十三烷二酰基-sn-甘油基-3-磷酸乙醇胺(PTPE)(DC8，9PC[1，2-双(10，12-二十三烷二酰基)-sn-甘油基-3-磷酸胆碱]二PhyPC[1，2-二-植烷酰基-sn-甘油基-3-磷酸胆碱]
天然脂质提取物
蛋黄卵磷脂
牛心卵磷脂
脑卵磷脂
牛肝卵磷脂
大豆卵磷脂
埃希式大肠杆菌(E.Coli)磷脂酰乙醇胺
牛心磷脂酰乙醇胺
脑磷脂酰乙醇胺
牛肝磷脂酰乙醇胺
蛋磷脂酰乙醇胺
牛肝磷脂酰肌醇
大豆磷脂酰肌醇
脑磷脂酰丝氨酸
大豆磷脂酰丝氨酸
使用嵌段共聚物膜方面
以下描述了将水通道蛋白引入嵌段共聚物膜模拟天然环境的过程：
一种形成生物相容性膜的方法，其中优选使用基于嵌段共聚物的膜：
在溶剂中形成嵌段共聚物的溶液(BC溶液)。这种溶液可以是两种或多种嵌段共聚物的混合物。所述溶液优选含有1到90％，更优选2到20％，或者还更优选5到10％，例如7％w/v的共聚物。
在预制的BC溶液中制备水通道蛋白溶液，优选加入1.0到50.0mg/ml的优选的水通道蛋白，更优选1.0到10.0mg/mL。
将很少体积(例如4微升)的水通道蛋白/BC溶液滴在每一个孔上或每一个孔的亚组上，并且使其干燥，由此除去溶剂。
如果需要的话对所有的孔重复该步骤。
将溶剂选择为既能够与用于该工艺的水性组分混溶，又能与嵌段共聚物的B组分混溶的溶剂。据信，合适的溶剂包括甲醇、乙醇、2-丙醇、1-丙醇、四氢呋喃、1，4-二氧杂环己烷、溶剂混合物等，所述溶剂混合物可以包括更极性的溶剂，例如二氯甲烷等，只要混合物具有合适的混溶性即可。(可以适当地纯化和处理含有任意倾向于形成破坏蛋白质的污染物例如过氧化物的溶剂组分)。溶剂典型地包含10％v/v或更多的涂布水通道蛋白/BC溶液，优选20％或更多，可以使用30％或更多。
以上描述的将水通道蛋白引入到在存在嵌段共聚物情况下含有非水性溶剂的溶液中的方法起到稳定活性水通道蛋白的作用。非水性组分可以包含所有的溶剂。
嵌段共聚物的混合物可以是两种或多种以下种类物质的混合物，其中各组分可以属于相同类别但是却具有不同的聚合物嵌段分布：
聚合物源三嵌段共聚物E/EP/E：聚乙烯(E)与聚乙烯丙烯(EP)三嵌段共聚两性电解质。在(N，N-二甲氨基)异戊二烯中，这种聚合物为Ai14S63A23，Ai31S23A46，Ai42S23A35，苯乙烯和甲基丙烯酸Ai56S23A21，Ai57S11A32。
苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(KRATON)G 1650，苯乙烯占29％，三嵌段共聚物溶液(25-wt％的聚合物)的粘度为8000，100％的三嵌段苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(S-EB-S)嵌段共聚物；(KRATON)G 1652，苯乙烯占29％，溶液(25-wt％的聚合物)粘度为1350，100％的三嵌段S-EB-S嵌段共聚物；(KRATON)G 1657，溶液(25-wt％的聚合物)粘度为4200，35％的二嵌段S-EB-S嵌段共聚物；上述所有聚合物均来自Shell ChemicalCompany。这些嵌段共聚物包括可以商品名称(KRATON)G 1726商购的苯乙烯-乙烯/丙烯(S-EP)类型，苯乙烯占28％，溶液(25-wt％的聚合物)粘度为200，70％的二嵌段S-EB-S嵌段共聚物；(KRATON)G-1701x，苯乙烯占37％，溶液粘度＞50000，100％的二嵌段S-EP嵌段共聚物；以及(KRATON)G-1702x，苯乙烯占28％，溶液粘度＞50000，100％的二嵌段S-EP嵌段共聚物。
硅氧烷三嵌段共聚物PDMS-b-PCPMS-b-PDMS(PDMS＝聚二甲基硅氧烷，PCPMS＝聚(3-氰基丙基甲基硅氧烷))可通过动态控制地聚合六甲基环三硅氧烷来制备，所述聚合通过锂硅醇盐封端的PCPMS大分子引发剂引发。该大分子引发剂可以通过平衡3-氰基丙基甲基环硅氧烷(DxCN)与二苯基硅烷二醇的二锂盐(DLDPS)的混合物制备。DxCN可以通过水解3-氰基丙基甲基二氯硅烷，然后环化和平衡所得到的水解物来合成。DLDPS可以通过二苯基硅烷二醇和二苯基甲基锂的去质子化制备。DxCN和DLDPS的混合物可以在100℃下平衡5-10小时。通过控制DxCN与DLDPS的比例，可获得不同分子量的大分子引发剂。在大分子引发剂平衡中的主环是四聚体(8.6+-0.7wt％)，五聚体(6.3+-0.8wt％)和六聚体(2.1+-0.5wt％)。
已经表征了2.5k-2.5k-2.5k、4k-4k-4k和8k-8k-8k三嵌段共聚物，这些三嵌段共聚物是透明的、微相分离的和高粘度的液体。由聚氧乙烯(PEO)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)共聚物形成的PEO-PDMS-PEO三嵌段。官能化的聚(2-甲基噁唑啉)-嵌段-：这些A-B-A聚合物包括聚(二甲基硅氧烷)-嵌段-型式，其中A组分含有MW大约为2kDa的聚(2-二甲基噁唑啉)三嵌段，且共聚物的B组分为大约5kDa，以及(b)：A组分具有大约1kDa的MW，B组分为大约2kDa。聚(d/1-乳酸)(“PLA”)-PEG-PLA三嵌段共聚物，聚(苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯)三嵌段共聚物。
聚乙烯(这种聚合物包括Pluronic F127，Pluronic P105，或氧化物)/聚环氧丙烷Pluronic L44，来自BASF(Performance Chemicals)。三嵌段共聚物PDMS-PCPMS-PDMS。环氧基和乙烯基封端的聚硅氧烷同系物(聚二甲基硅氧烷-含有分子量系列变化的聚氰基丙基甲基硅氧烷三嵌段共聚物)可以使用LiOH作为引发剂通过三嵌段共聚物阴离子聚合瓜来合成。来自于DAIS-Analytic，odessa，FL.的作为Protolyte A700的聚二烯烃-聚苯乙烯-聚二烯烃。偶氮官能化的苯乙烯-丁二烯-HEMA三嵌段共聚物。带有可聚合端基的两性三嵌段共聚物。间同立构的聚甲基丙烯酸甲酯(sPMMA)-聚丁二烯(PBD)-sPMMA三嵌段共聚物。叔胺甲基丙烯酸酯三嵌段可生物降解的PLGA-b-PEO-b-PLGA-三嵌段共聚物，聚乳酸-b-聚异丙烯-b-聚乳酸三嵌段共聚物，聚(异戊二烯-嵌段-苯乙烯-嵌段-二甲基硅氧烷)三嵌段共聚物，聚(氧乙烯)-嵌段-聚苯乙烯-嵌段-聚(氧乙烯)三嵌段共聚物，聚(氧乙烯)-聚(THF)-聚(氧乙烯)三嵌段共聚物，氧乙烯三嵌段聚E-己内酯(Birmingham Polymers，Birmingham)，AL聚(DL-丙交酯-共-乙交酯)(Birmingham Polymers)，聚(DL-丙交酯)(Birmingham Polymers)，聚(L-丙交酯)(Birmingham Polymers)，聚乙交酯(Birmingham Polymers)，聚(DL-丙交酯-共-己内酯)(BirminghamPolymers)，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段(Japan Synthetic Rubber Co.，Tokyo，Japan)MW＝140kg/mol，共聚物嵌段比PS/PI＝15/85。PMMA-b-PIB-b-PMMA聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚异丁烯(PIB)。聚(DL-丙交酯-共-乙醇酸酯)共聚物(PLGA)和PEO的PLGA-PEO-PLGA三嵌段聚合物。磺化苯乙烯/乙烯-丁烯/苯乙烯(S-SEBS)三嵌段共聚物质子传导膜。聚(1-丙交酯)-嵌段-聚(氧乙烯)-嵌段-聚(1-丙交酯)三嵌段共聚物。聚-酯-酯-酯三嵌段共聚合物PLA/PEO/PLA三嵌段共聚物。三嵌段共聚物可以通过DL-丙交酯或ε-己内酯在聚乙二醇的存在下，使用无毒的Zn金属或氢化钙代替辛酸亚锡作为共引发剂开环聚合合成制备。可以通过调节聚酯/聚醚的比例而改变共聚物的组成。
以上聚合物可以使用两种或多种相同或不同类别的聚合物的混合物。例如，在两种聚合物的混合物中测量第一种聚合物的重量百分比，这种混合物可以含有10-15％、15-20％、20-25％、25-30％、30-35％、35-40％、40-45％或45-50％的第一种聚合物。或者，例如使用三种聚合物时，聚合物组分总量中可以含有10-15％、15-20％、20-25％、25-30％、30-35％、35-40％、40-45％或45-50％的第一种聚合物，且第二种可以是剩余部分的10-15％、15-20％、20-25％、25-30％、30-35％、35-40％、40-45％或45-50％。
本发明方面的其它特征
用于本发明的水膜优选根据PCT/DK2006/000278教导的方法制备。该特定专利的教导如上所述既可以应用于在脂双层中含有水通道蛋白的水膜的制备，也可应用于含有包含在嵌段共聚物中的水通道蛋白的水膜的制备。
然而，许多优选的实施方案如下所述：
正如上面提到的，在一个实施方案中，水膜可以包含具有至少两个可渗透支撑层的夹层结构，所述至少两个可渗透支撑层通过至少一个含有功能化的水通道蛋白水通道的脂双层或嵌段共聚物间隔开。
本实施方案中的水膜可以因此由两性脂质膜，例如含有上表1所述的脂质的膜组成，或由嵌段共聚物组成。因此脂双层基本上是由选自由磷脂、磷酸甘油酯、神经鞘脂、心磷脂及它们的混合物的两性脂质组成，例如比如1，2-二棕榈酰基-sn-磷脂酰胆碱(DPPC)的磷脂，或磷脂的混合物。
作为替代方案，脂双层可以基本上由表1列出的可聚合脂质组成或含有表1列出的可聚合脂质。
用于本发明实施方案的水膜因此在与多孔性载体接触的脂双层中含有重构的水通道蛋白水通道。在可用于本发明的膜中使用的载体层应该与采用上面的教导制备的水膜大体相容。
用于制备根据本发明的水膜的具有亲水性表面的可用载体材料优选选自云母，例如白云母、云母带、聚砜(polysulfon)、AlO2和具有亲水性表面的聚合材料，例如纤维素。载体材料为基本上平面的，这意味着载体优选是平面的，但是载体的曲率也是允许的，例如如果需要制造螺旋形缠绕的膜时。在这种情况下，载体材料优选为柔性的，例如纤维素膜。
多孔性载体优选可以包含具有亲水性表面的基本上平面结构的材料例如云母，并且其中形成微孔或纳米孔，所述微孔或纳米孔例如通过蚀刻形成。因此，在具体实施方案中，可渗透的载体层包含基本上平面的亲水性层，所述亲水性层含有层厚度为mm到μm级别的云母或云母带，且其中形成直径小于约50nm(典型地在10-40nm的范围内)的纳米孔(通过蚀刻例如通过径迹蚀刻技术)，云母优选白云母。
可渗透的支撑层还可以具有亲水性的膜表面，例如选自硅氧烷膜、聚砜、AlO2和具有亲水性表面的聚合物例如纤维素的膜，其中形成直径小于约50nm(典型的在10-40nm的范围内)的纳米孔。
含有水通道蛋白通道的脂质膜可以是类似于生物细胞膜的天然构造的双层，或者脂质膜可以由融合了沉积的脂质囊泡的多重双层组成。脂质优选是两性的天然物质，例如磷脂(或磷酸甘油酯)、神经鞘脂和心磷脂。当在多孔性载体上沉积脂质层时，水通道蛋白通道优选可以沉积在与载体材料中预先存在的孔邻近处或处于其中。
用于本发明优选实施方案中的可渗透的或多孔性载体优选根据R.M.Webber，J.L.Anderson，M.S.John，Macromolecules 23(1990)，1026-1034制备。
优选获得孔的最终数目和分布大约等于脂质层中水通道蛋白通道的数目和分布。
如上所述，另一个实施方案需要在平面脂双层中重构水通道蛋白的水通道，所述平面脂双层组装在具有疏水性表面的多孔性载体膜例如特氟龙薄膜周围，其中脂单层组装在多孔性载体膜的两侧。在多孔性载体膜的孔中，脂双层将会组装在水通道蛋白的水通道可以重构的地方。
因此，这个实施方案利用含有夹层结构的水膜，所述水膜具有至少两个脂单层，其中，当脂单层组装成一个双层时，所述水膜含有功能化的水通道蛋白水通道，所述至少两个脂单层通过至少一个可渗透的载体层分隔开。典型的，载体层包含与脂单层形成接触表面的疏水性穿孔材料，且其中脂双层在疏水性穿孔材料的穿孔中形成。
优选，在本实施方案中疏水性材料具有对应于去离子水与疏水材料之间至少100°接触角的疏水性，其中接触角的测量在20℃大气压力下进行，但是优选更高度的疏水性，例如那些对应于至少105°、110°、120°和120°的接触角的疏水性。优选的疏水性材料为石蜡膜或特氟纶(Teflon)。
疏水性材料典型地为平面的(但是可以是柔性的且因此可以是可弯曲的)，并且穿孔通常在疏水性材料的2个表面之间的中间平面内均匀分布，并且基本上所有的穿孔具有基本相同的几何形状，关于疏水性材料中穿孔的细节在下文中提供。
“中间平面”定义为由距平面疏水性材料的两个表面的每一面的垂直距离都相等的点构成的平面。
疏水性材料中穿孔的尺寸应当仅仅确保可以在穿孔中形成稳定的两性脂双层，因此它们可以具有nm、μm或mm范围的尺寸。
疏水性材料优选被穿孔为使得材料的穿孔区域与非穿孔区域之间的比最大，因为这为具有水通道蛋白的脂双层提供了最大面积来实现水的运输。通过穿孔构成的图案因此具有的重要性正如每个穿孔之间的距离的重要性。最合适图案为六边形排列的穿孔，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。
用于本发明实施方案中的水膜因此还包含两性脂质膜，例如包含表1所述脂质的膜。因此脂双层基本上是由选自磷脂、磷酸甘油酯、神经鞘脂、心磷脂和它们的混合物的两性脂质组成，例如1，2-二棕榈酰基-锡-磷脂酰胆碱(DPPC)等磷脂，或由磷脂的混合物组成。与第一个方面的区别主要在于该膜仅仅在疏水性载体被穿孔的区域构成双层，而脂质被组织为疏水的末端面对着疏水性的载体且亲水性末端面对着水相环境。
可用于制备根据本发明的水膜的水通道蛋白为：AQP1、TIP、PIP、NIP，参见图4，以及它们的混合物和杂合体。由于大大降低了包括对人体有害的污染物，例如致病病毒和朊病毒的风险，因此，植物来源的水通道蛋白是特别希望的。此外，植物水通道蛋白是植物的天然基因的产物，且可以过量表达和在植物中制造。
因此水通道蛋白水通道优选选自水性-甘油水通道蛋白(GLpF)，例如GLPA通道、GLPB1通道、GLPB2通道、GLPB3通道和GLPY2通道以及它们的混合物和杂合体。
用于本发明的水膜优选包封于稳定的可渗透的或多孔性的膜中，所述膜可以是刚性的或柔性的，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。作为替代或另外地，本发明的水膜可以沉积在滤盘上形成水过滤器。
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。
生物相容性膜可以紧挨着固体材料形成，例如涂布在玻璃上、表面改性以增加疏水性的碳上或者聚合物(例如聚醋酸乙烯酯，PDMS，Kapton(R)，全氟聚合物，特氟纶，PVDF，PEEK，聚酯或UHMWPE，聚丙烯或聚砜)上。聚合物例如PDMS提供了优良的可用于建立开口的载体，在所述开口上可以形成生物相容性的膜。
用于制备根据Mueller基脂双层膜(Mueller等，1962)或Montal癸烷基膜(Montal等，1972)的水膜的有用多孔性材料为特氟纶薄膜和其他具有疏水性表面性质的多孔性膜材料。
本发明还涉及这些膜类的高端产品，其中在特氟纶隔膜或具有疏水性表面性质的其他材料中形成多个孔，且含有水通道蛋白的脂双层膜或嵌段共聚物膜根据图3所示设计在该材料周围形成。
任选用于包封本发明水膜的用于稳定膜的有用材料为微孔硅氧烷膜，其具有相对小的孔径且在大约室温下或低于大约50℃的温度下固化。
本发明的有创造性的膜将只能通过水分，因此便于压力延迟渗透。已知所有污染物都不能通过所述水通道蛋白，所述污染物包括细菌、病毒、矿物质、蛋白质、DNA、盐、除垢剂、溶解的气体以及甚至是来自于水溶液的质子。相关的水-甘油水通道蛋白(GLpF)族此外还能够运输甘油。已经证明水的迁移是对称的且可以在任意一个方向上进行，这一事实是重要的，因为这一过程并不消耗能量。通过渗透压引起水在特定的方向上运动通过膜。
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实现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。
水通道蛋白膜比常规的体系快速。常规的高速反向渗透单元每分钟可以制得28.4升(7.5加仑)洁净的水。目前的研究(Pohl，P.，Saparov，S.M.，Borgnia，M.J.和Agre，P.，(2001)，Proceedings of the NationalAcademy of Science 98，p.9624-9629)表明水分子以54μ.mol/sec的速率运动穿过水通道蛋白饱和的脂质膜(0.0177mm2)。
最后，生产基于蛋白质的新型膜也不昂贵。包含具有源自牛红细胞的AQP1的细胞膜碎片的脂质微囊泡是廉价的水通道蛋白源。
作为替代方案，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.2004/0049230。
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献通过引用全部并入本文。
从以下公开的内容和所附权利要求中，本发明的另外方面的特征和实施方案将会更加明显。
本发明描述了功能性水通道蛋白如何可以引入水膜的实例，但是本发明并不局限于这些实施例。本发明涉及任何用于盐度能的含有水通道蛋白的仿生水膜。
此外，本发明还涉及所述膜在PRO系统中的应用。图5描述了PRO设备，其中水流在彼此通过半透膜的每一侧之前，淡水与海水流入分隔的水过滤器，在这种情形中仿生水膜含有功能化的水通道蛋白通道。然后，具有升高压力的一部分透过物与盐水的混合物流到涡轮机以产生电能。渗透流的剩余部分流到压力转换器，引入的海水在压力交换器中被加压，并被送入膜组件中。
在本发明PRO设备中，直接水力回收淡盐水中的压能用于给引入的海水加压。因此避免了在用于此目的的普通水泵中通常发生的一部分损失。通过避免这部分损失，PRO设备可以建立在地平面上，而不是建立在低于地平面处，且仍然达到可接受的效率。
通过对引入的海水直接水力加压而进行压能的回收，其中在装置的一半中的涡轮机压力将海水直接推入膜组件中。在另一半中淡盐水被反向推动并推出PRO设备，同时泵入海水。这里提到的过程分别发生在装置的两半中，轮流通过含水部分的旋转或通过在提及的装置中控制阀门系统而用于将海水水力加压。
关于PRO系统另外的信息可以在公开的国际专利申请No：WO02/13955中找到，该文献通过引用并入本文。
本发明并不仅限于这个PRO系统的实例，而是涉及用于PRO系统中并用于产生盐度能的任何含有水通道蛋白的仿生水膜。
因此，本发明总的方面涉及利用盐度能的产能设备，所述设备包括：
-至少一个第一和至少一个第二蓄水池，所述蓄水池通过含有功能性水通道蛋白通道的水膜分隔开(例如本文公开的水膜)，和
-至少一个从至少2个蓄水池之间的流体静力学压力差中提取能量的装置。该提取能量的装置典型地为涡轮机、推进器或任何其它能够将流体静力学/流体动力学能量转化为方便形式的能量(电能、热能等)的装置。
正如上面所讨论的，本发明的产能设备使用分隔开的至少一个第一蓄水池的进水口和至少一个第二蓄水池的进水口，且其中至少一个第一蓄水池的进水口提供比至少一个第二蓄水池的进水口氯化钠浓度更高的水。方便地，含有高盐浓度的水(例如海水)的蓄水池能够容纳来自低盐蓄水池的相当大量的水，以用于在两个蓄水池之间形成相当大的流体静力学压力。
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Claims (17)
1.一种使用压力延迟渗透利用盐度能的产能设备，所述设备包括：
-至少一个第一和至少一个第二蓄水池，所述蓄水池通过含有水通道蛋白水通道的仿生膜分隔开，和
-至少一个从所述至少一个第一和至少一个第二蓄水池之间的流体静力学压力差中提取能量的装置。
2.根据权利要求1的产能设备，其中所述提取能量的装置为涡轮机。
3.根据权利要求1的产能设备，其包括分隔开的所述至少一个第一蓄水池的进水口和所述至少一个第二蓄水池的进水口，且其中所述至少一个第一蓄水池的进水口提供比所述至少一个第二蓄水池的进水口氯化钠浓度更高的水。
4.根据权利要求1～3任一项的产能设备，其中所述水通道蛋白水通道引入到脂双层膜或嵌段共聚物膜或由融合了沉积的脂质囊泡的多重双层组成的脂质膜中。
5.根据权利要求4的产能设备，其中所述脂双层膜或嵌段共聚物膜包在具有疏水性表面性质且具有nm、μm或mm范围的多个孔的薄膜周围形成夹心结构。
6.根据权利要求1-3任一项的产能设备，其中所述水通道蛋白水通道是源于植物的。
7.根据权利要求6的产能设备，其中所述水通道蛋白水通道为TIP、PIP或NIP水通道蛋白以及它们的混合物和杂合体。
8.根据权利要求4的产能设备，其中所述脂双层膜由选自磷脂、磷酸甘油酯、鞘脂、心磷脂以及它们的混合物的两性脂质组成。
9.一种利用压力延迟渗透产生盐度能的方法，所述方法包括利用含有水通道蛋白水通道的仿生膜来升高流体静力学压力，并将升高的流体静力学压力用作盐度能的来源。
10.根据权利要求9的方法，其中升高的流体静力学压力驱动涡轮机以提取能量。
11.根据权利要求9或10的方法，其中所述水通道蛋白水通道引入到脂双层膜或嵌段共聚物膜或由融合了沉积的脂质囊泡的多重双层组成的脂质膜中。
12.根据权利要求11的方法，其中所述脂双层膜或嵌段共聚物膜包在具有疏水性表面性质且具有nm、μm或mm范围的多个孔的薄膜周围形成夹心结构。
13.根据权利要求9或10的方法，其中所述水通道蛋白水通道是源于植物的。
14.根据权利要求13的方法，其中所述水通道蛋白水通道为TIP、PIP或NIP水通道蛋白以及它们的混合物和杂合体。
15.根据权利要求11的方法，其中所述脂双层膜由选自磷脂、磷酸甘油酯、鞘脂、心磷脂以及它们的混合物的两性脂质组成。
16.一种利用压力延迟渗透产生盐度能/能量的方法，包括：
1)将第一水溶液引入至少一个第一容器中，和
2)将第二水溶液引入至少一个第二容器中，所述第一水溶液的氯化钠浓度比所述第二水溶液的高，且其中所述至少一个第一和至少一个第二容器通过包含仿生膜的水可渗透壁相互间隔开，所述仿生膜包含水通道蛋白水通道，由此水从所述至少一个第二容器流到所述至少一个第一容器从而在所述至少一个第一容器中形成相对于所述至少一个第二容器正的流体静力学压力，和
3)利用所述流体静力学压力作为能源。
17.根据权利要求16的方法，其中通过借助涡轮机从所述至少一个第一容器中引出水而实现步骤3)中的利用。
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