CN203694922U - 具有薄膜复合物-水通道蛋白改性膜的中空纤维组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及具有薄膜复合物-水通道蛋白改性膜的中空纤维组件。本实用新型一方面提供一种中空纤维组件，具有以包含水通道蛋白水通道的薄膜复合物层改性的纤维。本实用新型另一方面提供一种以包含水通道蛋白水通道的薄膜复合物层改性的中空纤维膜。

Description

具有薄膜复合物-水通道蛋白改性膜的中空纤维组件

技术领域

本实用新型涉及具有薄膜复合物（TFC）改性纤维膜的中空纤维（HF）组件（module），如在纤维的外部或内部具有聚酰胺TFC层并且在所述TFC层中包含水通道蛋白水通道（aquaporin water channel）。本实用新型也涉及具有薄膜复合物（TFC）改性的分离层的中空纤维膜，其包含水通道蛋白水通道，如在纤维的外部或内部具有聚酰胺TFC层，并且涉及直接在安装于组件中的纤维上进行所述TFC改性的方法并且其中所述包含水通道蛋白水通道的TFC层固定或嵌入于所述层中。 

背景技术

最近，已证明如何在PES中空纤维支撑膜的内表面上通过界面聚合生成聚酰胺薄层来制备薄膜复合物中空纤维膜以用于正向渗透（forward osmosis），其中将含有0.5wt%的三乙胺和0.1wt%的十二烷基硫酸钠的2wt%的间苯二胺（MPD）的水溶液通过底部入口泵入垂直放置的HF组件，然后通过空气干燥，然后导入0.15wt%的己烷中的均苯三甲酰氯（TMC）溶液以形成聚酰胺薄膜，并且最后以空气吹洗并在65°C固化，用去离子水漂洗并存储在去离子水中（Sukitpaneenit&Chung2012）。此外，Peinemann等描述了在中空纤维的内表面上制备类似的TFC层的方法，参照美国公布的专利申请号2007/0199892。然而，对于其中采用中空纤维组件的大范围的分离应用，在过滤过程中可将相对低分子量的有机溶质分离或滤出是重要的。例如，在广泛使用HF组件的血液透析中，尿毒症毒素（auremic toxin）和有机降解产物，如硫酸吲哚酚（硫酸吲哚酚钾盐，CAS号2642-37-7，分子量251.30）构成一个特别困难的问题。硫酸吲哚酚在 慢性肾脏疾病患者的血清中积累。一部分膳食蛋白衍生的色氨酸在肠道细菌中由色氨酸酶代谢成吲哚。吲哚从肠道被吸收至血液，并在肝脏中代谢为硫酸吲哚酚。硫酸吲哚酚（indoxyl sulfate）通常被分泌到尿液中。然而，在血液透析患者中，硫酸吲哚酚的不充分的肾清除导致其血清水平升高，参照Niwa T.（2010）。Niwa等（1997）提出的假设为硫酸吲哚酚的积累加速了肾小球硬化和肾脏疾病的进展。口服吸附剂的给药降低了未经透析的尿毒症患者中硫酸吲哚酚水平。Kidney Int1997;52:S23-S28。目前的透析方法，即血液透析和腹膜透析，后者的特征在于通过连续超滤和溶质去除，不充分地将某些低分子量的降解产物从血清除去，如硫酸吲哚酚和对-甲酚（4-甲基苯酚，CAS号：106-44-5，摩尔质量108.13）。此外，水溶性小分子，如尿素、尿酸、肌酐、和肽/蛋白质，如β2-微球蛋白在透析期间应优选被去除。已发现对甲酚（主要反映对甲苯基硫酸盐）和总死亡率以及在终末期肾脏疾病中的心血管疾病以及慢性肾脏病之间的直接关联。同样，已报道硫酸吲哚酚和总死亡率以及心血管疾病之间的直接关联。应该将生理（必需）蛋白质在连续血液过滤治疗中的损失最小化，并应优化低分子量（<500Da）和中等分子量（约500Da至约40kDa）的尿毒症毒素和肽的除去，参照Wenhao Xie（2011）。 

因此，本实用新型的一个目的是提供能分离低分子量化合物的中空纤维组件。在一个实施方式中，HF组件能够浓缩有机化合物，包括尿素、硫酸吲哚酚、对甲酚和/或对甲苯基硫酸盐和优选的分子量低于约500Da的化合物，并因此能够改善所述化合物的除去。 

Aoike（2011）提到对于用于血液净化治疗中使用的高效膜最重要的性质或质量参数，即，高的水渗透性，除去广泛的尿毒症性毒素的能力和其他特征性质。然而，Aoike也指出现有的高性能膜（HPM）的大孔径将可能允许血液被透析液污染，由于HPM，如聚丙烯腈（PAN）膜，具有大的孔径，允许透析的内毒素片段快速扩散回到血液区室（blood compartment）内。因此，本实用新型的另一个目的是提供一种具有高的水 渗透性但具有更小的孔径的中空纤维组件，如具有小于约5至10nm的孔直径，参照Clark&Gao（2002）。 

实用新型内容

本实用新型涉及一种具有形成于其纤维表面的，如，纤维内表面（内腔）的包含水通道蛋白水通道的TFC层的中空纤维组件。此外，本实用新型涉及制备中空纤维组件的方法，该中空纤维组件包含以包含水通道蛋白水通道的薄膜复合物（TFC）层改性的HF膜，所述方法包括以下步骤： 

a）获得具有从约25至约500LPR/POPR蛋白质的水通道蛋白的囊泡悬浮液（蛋白脂质体或蛋白聚合物）， 

b）制备二胺或三胺的水溶液， 

c）将二酰基卤化物（二酰基卤）或三酰基卤化物（三酰基卤）溶解于非极性有机溶剂中， 

d）通过溶解/混合制备自步骤a）的囊泡与来自步骤b）的溶液来制备胺/水通道蛋白囊泡混合物 

e）利用其末端入口将步骤d）的混合物通过中空纤维的内腔泵送进入中空纤维组件， 

f）利用组件入口通过气体吹洗纤维的内腔侧部以除去多余的水溶液， 

g）将来自步骤c）的酰基卤化物溶液通过中空纤维的内腔注射到该组件中以允许界面聚合反应发生，以及 

h）通过组件入口注射水溶剂来漂洗组件。 

此外，本实用新型涉及以含有水通道蛋白水通道的薄膜复合物（TFC）层改性的中空纤维膜。 

附图说明

图1A是具有9根中空纤维、2个末端入口/出口（1，2）和2个侧面入口/出口（3，4）以及用于密封所述入口/出口的四个端盖的HF组件的示意图。该组件的总长度：100mm；纤维处直径：10mm；密封处直径：130mm。 

图1B是具有984根纤维，2个末端入口/出口（1,2）和2个侧面入口/出口（3，4）的HF组件的示意图。总长度：25cm，纤维直径为700μm。 

图2是中空纤维UltraPES^TM的部分的横截面图，具有壁厚约220μm±15μm，内径为约760μm±30μm，截留分子量（MWCO，葡聚糖，90%，0巴）为65kD±20kD，在25℃下跨膜水流量≥0.65ml/[min x cm²x巴]。图片从Membrana GmbH获得。 

图3是形成于本实用新型的中空纤维上的薄膜复合物层的微观结构的原理概图，参照下面的实施例1。 

具体实施方式

更具体地，本实用新型涉及具有聚醚砜（PES）纤维或其它合适的多孔性支撑材料如聚砜、聚苯砜、聚醚酰亚胺和聚丙烯腈的纤维的HF组件，其已通过形成薄膜复合物层，如通过界面聚合改性。这种HF组件常用于食品和饮料应用，如过滤啤酒和葡萄酒，但也用于一些水和废水应用中，包括废水再利用和游泳池水再循环。例如，德国公司Membrana供给了包含数千根纤维的、每个组件总表面积75平方米的中空纤维组件。代表性的1至2平方米和约8000至20000根纤维的较小组件通常用于医疗透析应用（Fresenius Medical Care,Gambro）。原则上，所有这些商业产品均可 使用本实用新型通过界面聚合涂覆，产生其中并入水通道蛋白水通道的薄膜复合物层，优选在其形成过程中，如通过添加适当的蛋白质悬浮液或溶液，优选以囊泡的形式至反应性胺的水溶液，如间苯二胺溶液，并将该组合溶液泵入或注入通过支撑纤维，除去过量的溶液且随后泵入或注入有机溶剂中的反应性酰基氯，如己烷中的均苯三甲酰氯，并且最后用去离子水漂洗，如MilliQ^TM水。本实用新型的HF组件的壳体材料（housing material）可以是任何通常用于HF组件的合适的材料，如聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯（PVDF）和不锈钢。使用公知的环氧粘合材料和类似材料，纤维可以被密封在HF组件外壳中。根据本实用新型的由TFC改性的HF组件的更多实例见于膜生产商的网站，如： 

http://www.membranafiltration.com/filtration-modules/documentation.cfm

http://www.kochmembrane.com/PDFs/KMS_Puron_Hollow_Fiber_PSH300_P  SH600_PSH1800_Modul.aspx

http://www.kochmembrane.com/Membrane-Products/Hollow-Fiber/Ultrafiltrat  ion/PURON-Series.aspx

http://www.daicen.co.jp/english/membrane/kogata.html

http://www.spectrumlabs.com/filtration/hfmods.html

本实用新型的一个实施方式中使用提取溶液（draw solution）和进料溶液（feed solution）的逆流流动操作HF组件。本实用新型的另一个实施方式中使用提取溶液和进料溶液的共流流动（并流流动）操作HF组件。在本实用新型的另一个实施方式中使用提取溶液与TFC层相反地操作HF组件。在本实用新型的另一个实施方式中使用进料溶液与TFC层相反地操作HF组件。 

本实用新型的另一个方面涉及以包含水通道蛋白水通道的薄膜复合物（TFC）层使中空纤维膜改性的方法，其中包含水通道蛋白水通道的TFC层直接在安装并密封于HF组件中的膜纤维表面上制备，所述方法包括以下步骤： 

a）获得具有从约25至约500LPR/POPR蛋白质（比率基于摩尔含量）（对于脂质/二嵌段共聚物优选100LPR/POPR，对于三嵌段共聚物50POPR）的水通道蛋白的囊泡悬浮液（蛋白脂质体或蛋白聚合物）， 

b）制备二胺如1,3-二氨基苯的水溶液，以得到约1%至约5%，如约2.5%（w/w）浓度的溶液， 

c）将酰基氯，如苯-1,3,5-三羰基氯溶解于烃溶剂中，如具有直链或支链的烃链的己烷、庚烷、辛烷、壬烷或它们的混合物，如Isopar^TM溶剂，以获得约0.05%至约1%，如约0.15%（w/v）的浓度， 

d）如通过溶解/混合制备自步骤a）的囊泡与来自步骤b）的溶液制备二胺/水通道蛋白囊泡混合物，如1,3-二氨基苯/水通道蛋白囊泡混合物， 

e）利用其末端入口将来自步骤d）的混合物泵送通过中空纤维的内腔进入中空纤维组件， 

f）利用组件入口通过气体吹洗纤维内腔侧部去除过量的二胺， 

g）通过入口将来自步骤c）的酰基氯溶液注射入组件中以允许界面聚合反应发生，以及 

h）通过组件入口注射水溶剂漂洗组件。 

可选地，用水填充后，以密封帽将组件密封，防止其干燥。 

在示例性实施方式中，用于制备本实用新型的HF组件的所述脂质体制备自脂质如DPhPC、DOPC、混合大豆脂质（mixed soy bean lipid），如大豆磷脂（asolectin）和大豆卵磷脂，或大肠杆菌混合脂质；并且所述聚合物可以包括亲水-疏水-亲水（A-B-A或A-B-C）类型的三嵌段共聚物或亲水-疏水类型（A-B）的二嵌段共聚物。 

所述水通道蛋白水通道优选AqpZ通道，但是，原则上，所有的水选择性水通道蛋白，如水通道蛋白Z（AqpZ）、Aqp1、GlpF或SoPIP2;1，在本实用新型中是有用的。所述TFC层优选通过胺的水溶液与有机溶剂中的酰基氯的溶液的界面聚合形成，其中，将所述水通道蛋白水通道囊泡并入所述水溶液中。 

所述水通道蛋白水通道优选在并入本实用新型的中空纤维膜的TFC层中之前并入囊泡中，并且所述囊泡可以脂质体或聚合物的形式存在，其中所述脂质体制备自脂质如DPhPC、DOPC、混合大豆脂质、或大肠杆菌混合脂质，且所述聚合物包括亲水-疏水-亲水（A-B-A或A-B-C）类型的三嵌段共聚物或亲水-疏水类型（A-B）的二嵌段共聚物。 

本实用新型的HF膜优选具有通过胺的水溶液与有机溶剂中的酰基氯的溶液进行界面聚合而形成的TFC层，且其中所述水通道蛋白水通道囊泡并入所述水溶液中。 

在本实用新型的HF组件的制备方法的一个实施方式中，在步骤f）中所述纤维经气体吹洗以吹除过量的水的并且在步骤f）中组件是倒置的。 

在本实用新型的另一个方面，提供了具有高的水渗透性和小孔径的中空纤维组件，如具有小于约5至10nm的孔直径，如等于或小于约1nm。在支撑膜纤维内表面以薄膜层的形式形成分离层，导致水运输机制的改变。代替通过正常扩散穿过支撑膜的孔而发生的水运输，发生了另一种类型的水运输，其穿过薄膜层，如称为TFC反向渗透膜，其中膜的渗透性 是有限的。分离层的无孔性质导致水的运输需要“跳跃扩散（jump diffusion）”，如Kotelyansksii et al.1998中所描述。因此，水膜的TFC改性主要用于反向渗透中，其中需要静水压力（hydrostatic pressure）以迫使水透过膜，并获得了这样的优势，即，将被过滤的水中不需要的溶质的分离得到改善。相对于现有技术的反渗透膜，本实用新型的HF组件通过将水通道蛋白水通道并入薄膜层使之形成薄膜复合物层而进一步改进。水通道蛋白的并入通过其中发生高效的单列水运输的其最窄通道处仅为的直径的孔（AqpZ孔，参照Wang et al.2005），具有提供选择性水运输的额外益处。本实用新型的HF组件将具有薄膜分离层的优势和水通道蛋白水通道的优势联合从而提供了改进的分离以及水通量，使得HF组件同时适合反向渗透、正向渗透、纳米过滤等。 

定义 

如本文中使用的术语“中空纤维膜”和“HF膜”涉及任何类型的可用于液体过滤目的的毛细管膜。 

如本文中使用的术语“聚醚砜”涉及在中空纤维组件的制作中使用的膜材料。一个实例是Membrana GmbH销售的膜材料UltraPES^TM。UltraPes^TM纤维的横截面的显微镜照片示于图2中，参照Membrana GMBH。 

如本文中使用的“水通道蛋白”涉及选择性的水通道蛋白，包括按照Maria Karlsson et al.(FEBS Letters537(2003)68-72)所描述的方法或如Jensen et al.US2012/0080377A1描述的方法制备的AqpZ和SoPIP2;1。 

如本文中使用的“大豆磷脂”涉及大豆卵磷脂成分（fraction）[IV-S]，其是高度纯化的含有卵磷脂、脑磷脂、磷脂酰肌醇&大豆油（同义词：大豆卵磷脂（偶氮植物凝血素，azolectin））的磷脂产品。 

如本文中使用的“嵌段共聚物”涉及形成膜或囊泡的同时具有亲水性（A或C）和疏水性（B）嵌段的二嵌段共聚物和三嵌段共聚物；A-B或C-B型的二嵌段共聚物可以形成双层并且A-B-A或A-B-C型的三嵌段共聚物通过自组装形成单层膜，其中所有膜内部具有疏水层。有用的二嵌段共聚物的实例和有用的三嵌段共聚物的实例如下： 

种类	供应商	表达式	n（疏水）	n（亲水）
					P7258	Polymer Source	EO48DMS70	70	48
P5809	Polymer Source	EO15BO16	15	16
					P8365	Polymer Source	EO25DMS8	8	25
P7259	Polymer Source	EO48DMS14	14	48
					P7261	Polymer Source	EO114DMS14	14	114
P3691B	Polymer Source	MOXA6DMS35MOXA6	35	12
					P8061	Polymer Source	MOXA15DMS67MOXA15	67	30
P9548	Polymer Source	MOXA15DMS119MOXA15	119	30

其中EO-嵌段-DMS-嵌段表示聚(二甲基硅氧烷-嵌段-环氧乙烷-嵌段)，EO-嵌段-BO-嵌段表示聚(环氧丁烷-嵌段-环氧乙烷-嵌段)，且MOXA-嵌段-DMS-嵌段-MOXA-嵌段表示聚(2-甲基噁唑啉-嵌段-二甲基硅氧烷-嵌段-2-甲基噁唑啉)。 

如本文中使用的“薄膜复合物”或（TFC）中空纤维膜的制备使用胺反应物，优选芳香族胺，如二胺或三胺，如1,3-二氨基苯（间苯二胺>99%，如，购自Sigma-Aldrich）的水溶液，和酰基卤反应物，如二酰氯或三酰氯，优选芳香族酰基卤，如苯-1,3,5-三羰基氯（CAS号84270-84-8，均苯三甲酰氯（TMC），98%，如，购自Sigma-Aldrich）溶解在有机溶剂中，其中所述的反应物在界面聚合反应中结合，参照US4277344，其中详细描述了在支撑膜，如聚醚砜膜的表面，包含聚酰胺的复合膜层压至多孔膜支撑体的形成过程。苯-1,3,5-三羰基氯化物溶解在溶剂中，如C6-C12烃，包括己烷（>99.9%，Fisher Chemicals）、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷等（直链或支链的烃类）或其他低芳香烃溶剂，如Isopar^TMG Fluid，其生产自石油基原料，用氢在催化剂的存在下处理以产生一种低气味液体，其主要成分包 括异烷烃。Isopar^TM G Fluid：化学名称：烃类，C10-C12，异烷烃，<2%芳香烃；CAS号：64742-48-9，化学名称：石脑油（石油），氢化重质烃（来自ExxonMobil Chemical）。反应物1,3-二氨基苯的替代物包括二胺如六亚甲基二胺等，以及反应物苯-1,3,5-三羰基氯化物的替代物包括二酰氯、己二酰氯（adipoyl chloride）等，如本领域已知的。 

如本文中使用的“气体”意指任何气态流体，如惰性气体、二氮（氮气，dinitrogen）、大气空气等，其可用于吹除溶剂。 

如本文中使用的蛋白脂质体（proteoliposome）通常具有脂质对蛋白比率（LPR计算基于摩尔基础）为25至500之间，如约100至约200。 

如本文中使用的蛋白聚合物（proteopolymersome）通常具有聚合物对蛋白的比率（POPR计算基于摩尔基础）为25至500之间，如当使用三嵌段共聚物时约50至约100以及聚合物对蛋白的比率为25至500之间，如当使用二嵌段共聚物时约100至约200。 

在本实用新型的一个优选的实施方式中，中空纤维束包含以亲水性的毛细管膜材料形式的聚醚砜（UltraPES^TM）支持材料，其具有以下特性（给出平均值）： 

物理特性：壁厚220μm±15μm；内径（内直径）760μm±30μm；拉伸强度≥410cN；断裂伸长率≥40%；爆炸压力（explosion pressure）≥12巴；内爆压力（implosion pressure）≥7巴；最小孔径6-7nm。 

膜性能特点：跨膜流量（水，25°C）≥0.65ml/[min x cm²x巴]；截留分子量MWCO（右旋糖苷，90%，0巴）65kD±20kD。 

给出的特点是优选的由Membrana GmbH,Oehder Straβe28,D–42289Wuppertal,Germany提供的UltraPES材料的代表。 

实验部分 

根据以下实验方案，1mg/mL的大豆磷脂蛋白脂质体的制备，并且脂质对蛋白质比率（LPR）200，使用AqpZ Mw27233： 

1．用5ml的2mg/mL的在CHCl₃中的大豆磷脂原液（分子量786.11g/mol，Sigma）填充50mL玻璃蒸发小瓶。 

2．使用旋转蒸发仪蒸发CHCl₃至少2h以完全干燥。 

3．加入0.8mL的缓冲液（PBS pH7.4中的1.3%的辛基葡糖苷（OG））以再水化在步骤2中得到的蒸发小瓶中的膜。 

4．在平台振荡器（Heidolph轨道平台振荡器Unimax2010或等同物）上以最大转速振荡瓶直到脂质溶解。 

5．加入1.73mg含有Tris pH8、葡萄糖和OG，10mg/mL的蛋白质缓冲液中的AqpZ，并以200rpm旋转小瓶15分钟，根据本文的描述制备AqpZ。 

6．缓慢添加9.03ml的PBS（pH7.4，不含OG），并以200rpm振荡小瓶15min。 

7．于干冰/40℃水浴上冻结/解冻该组合的溶液/悬浮液3次以消除可能的多层结构。 

8．加入250mg水合Biobeads（SM2来自BioRad）并在4℃下以200rpm旋转小瓶1h以吸附去垢剂（OG）。 

9．进一步加入250mg的水合Biobeads并在4℃下以200rpm旋转小瓶2至3天。 

10．Biobeads与吸附的OG然后通过移液管从悬浮液中除去。 

11．使用挤出机将获得的悬浮液通过200nm聚碳酸酯过滤器挤出约11次，如从至少1次和至多约22次以获得均匀的蛋白脂质体悬浮液（囊泡）悬浮液。 

1mg/ml的蛋白聚合物的实验方案，蛋白质对聚合物比率（POPR）50 

聚噁唑啉基三嵌段共聚物，聚(2-甲基噁唑啉-b-二甲基硅氧烷-b-2-甲基噁唑啉，Moxa12：DMS35，分子量3510）（P3691购自Polymer Source^TM，Quebec，加拿大），AqpZ分子量27233 

1．用5ml的2mg/ml的CHCl₃中的P3691原液填充50ml玻璃蒸发小瓶。 

2．使用旋转蒸发仪蒸发CHCl₃至少2h以完全干燥。 

3．加入3.0mL的缓冲液（1.3%O.G.；200mM蔗糖；10mM Tris pH8；50mM NaCl）以再水化在步骤2中在蒸发小瓶中得到的膜。 

4．在平台振荡器（Heidolph轨道平台振荡器Unimax2010或等同物）上以200rpm振荡小瓶3小时以使获得共聚物的溶解。 

5．加入1.55mgμL含有Tris、葡萄糖和OG的蛋白质缓冲液中的AqpZ，并在200rpm和4℃下旋转小瓶过夜。 

6．缓慢加入6.88ml缓冲液（10mM Tris pH8；50mM NaCl）同时使用移液管上下混合。 

7．添加180mg水合Biobeads并在200rpm下旋转1h。 

8．添加210mg水合Biobeads并在200rpm下旋转1h。 

9．添加240mg水合Biobeads并在200rpm4°C下旋转过夜（O.N.）。 

10．添加240mg水合Biobeads并在200rpm4°C下旋转过夜（O.N.）。 

11．随后用移液器将Biobeads与吸附的OG从该悬浮液中移除。 

12．使用挤出机将悬浮液通过200nm聚碳酸酯过滤器挤出约21次，如从至少1次和至多约22次以获得均匀的蛋白聚合物悬浮液（囊泡）悬浮液。 

实施例1：中空纤维组件的制备，其中所述纤维的内表面已使用固定化的AqpZ囊泡官能化 

使用具有聚醚砜膜的中空纤维组件，如定制的组件，如具有9根纤维，对应约10cm²，或如具有至多0.5m²的膜面积，取决于组件的长度可能对应于几百根纤维（Membrana GmbH,Wuppertal,德国），该组件基本按照Sukitpaneenit et al.2011的描述制备，薄膜复合物层通过界面聚合在纤维的内表面制备，所述界面聚合涉及以下步骤： 

1．如上述实施例中制备获得4mL的AqpZ囊泡。 

2．将250mg的1,3-二氨基苯溶解于6mL的MilliQ水中以获得2.5%（w/w）浓度的溶液。 

3．将75mg的苯-1,3,5-三羰基氯溶解在50mL己烷中以获得0.15%（w/v）的最终浓度。 

4．通过溶解/混合制备自步骤1的4mL的囊泡与来自步骤2的6mL溶液制备1,3-二氨基苯/AqpZ囊泡混合物。 

5．利用末端入口1（或入口2）将在步骤4中得到的混合物不断地泵送通过组件2min，参照图1。 

6．利用，如，入口1，参照图1，优选地将组件倒置，通过持续的空气吹洗纤维的内腔侧2min除去过量的1,3-二氨基苯。 

7．随后通过入口1，使用注射泵，如来自TSE系统，参照[于2012年11月9日从互联网上获取：（URL： http://www.tse-systems.com/products/other-products/pumps-infusion/index.htm）]将来自步骤3的苯-1,3,5-三羰基氯溶液以恒定流量经约30秒注入到组件中，以允许界面聚合反应发生。 

8．最后，组件被优选地使用MilliQ水漂洗，使用约10mL，通过侧入口1和3注射。 

在注水后以白色的密封盖（5），参照图1将组件密封以防止其干燥（密封盖是组件的一部分且它与它们一起递送）。 

实施例2：中空纤维组件的制备，其中所述纤维的内表面已使用固定化的AqpZ囊泡官能化 

使用如实施例1的中空纤维组件，薄膜复合物层通过界面聚合在纤维的内表面上制备，所述界面聚合涉及以下步骤： 

1．如上述实施例制备获得到4mL的AqpZ囊泡。 

2．将250mg的1,3-二氨基苯溶解于6mL的MilliQ水中以获得2.5%（w/w）浓度的溶液。 

3．将75mg的苯-1,3,5-三羰基氯溶解在50mL己烷中以获得0.15%（w/v）的最终浓度 

4．通过溶解/混合制备自步骤1的4mL的囊泡与来自步骤2的6mL溶液制备1,3-二氨基苯/AqpZ囊泡混合物。 

5．利用末端入口1（或入口2）将在步骤4中得到的混合物不断地泵送通过组件2min，参照图1。 

6．利用注射泵通过入口1，通过有机流体如己烷的持续流经1min从组件中除去过量的1,3-二氨基苯。 

7．随后通过入口1，使用注射泵，如来自TSE系统，参照[于2012年11月9日从互联网上获取：（URL： http://www.tse-systems.com/products/other-products/pumps-infusion/index.htm）]将来自步骤3的苯-1,3,5-三羰基氯溶液以恒定流量约30秒注入到组件中，以允许界面聚合反应发生。 

8．最后，组件被优选地使用MilliQ水漂洗，使用约10mL，通过侧入口1和3注射。 

在注水后以白色的密封盖（5），参照图1将组件密封以防止其干燥（密封盖是组件的一部分且它与它们一起递送）。 

实施例3：中空纤维组件的制备，其中所述纤维的内表面已使用固定化的AqpZ囊泡官能化 

使用如实施例1的中空纤维组件，薄膜复合物层通过界面聚合在纤维的内表面上制备，所述界面聚合涉及以下步骤并使用注射泵将溶液推过组件： 

1．如上述实施例制备获得4mL的AqpZ囊泡。 

2．将250mg的1,3-二氨基苯溶解于6mL的MilliQ水中以获得2.5%（w/w）浓度的溶液。 

3．将75mg的苯-1,3,5-三羰基氯溶解在50mL己烷中以获得0.15%（w/v）的最终浓度 

4．在将组件以入口向下垂直放置以保证排空空气的情况下将来自于步骤2的溶液通过纤维的内部；溶液可优选地使用约5mL/min的流速泵入并持续泵送该溶液2min，如在组件上末端可见溶液后立即开始计时。 

5．将组件与注射泵断开并将其回转使得过量的溶液流出进入收集杯。 

6．将组件倒置连接至空气并缓慢地开始空气流动直至达到10L/min；使空气流动2min。 

7．将组件连接至苯-1,3,5-三羰基氯溶液注射器，将组件保持在垂直位置并开始苯-1,3,5-三羰基氯/己烷流动，如，保持流速约15mL/min。 

8．将组件连接至己烷注射器并使得己烷流动通过纤维约30s（在组件被填充后，可将其倾斜回水平位置）。 

9．将组件与己烷注射器断开并倒置使得最后的己烷流出；连接至空气并以约10L/min的流速吹洗5-10s。 

10．通过将MilliQ水从玻璃容器中吸出以填充组件。 

在上文概述的多种方法之后，获得了TFC-水通道蛋白改性的中空纤维组件，其中所述纤维的内表面获得了如图3所示的新型显微结构，其中（1）涉及约200nm的TFC层并且（2）涉及220μm的支持膜，（1）和（2）一起表示中空纤维壁的横截面；（3）示意性地表示了在脂质和二嵌段共聚物作为具有亲水性头部基团和疏水性尾部基团的两亲性膜形成材料的情 况下的双层膜。当三嵌段共聚物被用作两亲性的膜材料时（3）将显示具有疏水性的中间部分和亲水性的末端部分的单层。（4）表示水通道蛋白的蛋白，其中示出其四聚体形式。然而，该蛋白也可表现为单体或二聚体，这两者也都是水通道。 

使用正向渗透的过滤结果 

下列表1和表2示出了以测得的水通量，Jw，和测得的反向盐保留（reverse salt retention），Js的形式的过滤结果，对于根据本实用新型制备的HF组件使用均在去离子水（MilliQ水）中的10μM的钙黄绿素（CAS号：1461-15-0，分子量622.55）溶液和2M的NaCl提取溶液（draw solution），并且其中TFC-水通道蛋白层形成于中空纤维的内部（内腔）并且将提取溶液应用到纤维的外部或内部。使用共流或逆流流动。参看图1：通常，进料溶液通过入口（1）泵入并通过（2）流出，且提取溶液通过入口（3）泵入并通过（4）流出。在五个实验中使用了逆流流动，参照表1和表2和下面的说明。在所有实验中使用AqpZ水通道蛋白，并且脂质（大豆磷脂）和各种嵌段共聚物（P3691，P8061）是膜材料。 

每个实验由水通量（Jw）、反向的盐通量（Js）和钙黄绿素排阻（rejection）表征。水通量描述了在给定的时间内多少水被输送通过确定量的膜面积（通常L/m²h）并且通过监测进料溶液的重量损失而测定。反向盐通量表征扩散回进料溶液中的提取溶质的量。它是膜的盐-紧密性（salt-tight）的指标。通过测量进料溶液的导电性变化来确定Js。钙黄绿素排阻用于确定膜的正向排阻特性。此处，荧光标记物，其通过桌面荧光计（desktop fluorometer）（如Qubit fluorometer，Invitrogen）可容易地检测，用于添加到进料溶液中。通过测量其在提取溶液中的浓度我们可确定多少标记被排阻。 

水通量的计算如下： 

Jw=Vt/(A*t)；[L/m²h] 

其中Vt是运输体积，A是活性膜面积且t是以小时计的时间。 

为确定反向盐通量，我们需要测量进料溶液中的导电性。在校准曲线的帮助下我们可因而将导电性与盐浓度相关并由此计算出反向盐通量如下： 

Js=(cf,结束*Vf,结束-cf,开始*Vf,开始)/(A*t);[g/m²h], 

其中，Vf标记开始和结束的体积和c标记进料中的开始和结束的盐浓度。 

钙黄绿素排阻近似为： 

Rca=1-((Vd,结束*cca,d,结束-Vd,开始*cca,d,开始)/(Vt*cca,f,开始)) 

其中Vd是开始和结束的提取体积且cca,d是钙黄绿素在提取溶液中的读数。进料中钙黄绿素的起始浓度（cca,f）设定为一个常数。这是一个近似值，由于排阻钙黄绿素的膜将浓缩（up-concentrate）进料中的钙黄绿素浓度。然而，这是可以容忍的，因为通过在计算过程中将起始浓度维持为常数我们将低估总排阻，其是可以接受的。 

表1 

注：a逆流流动；ab在内侧提取&逆流流动；d根据实施例1 

表1清楚地示出使用本实用新型的HF组件能够得到更大的水通量，Jw，具有9根纤维的薄膜改性的HF组件可获得的通量的至多3L/m²h，同时仍保持了良好的Js/Jw比率，低至约0.22。这将是对于以过滤为目的的优势，其中需要高的水通量并可以容忍低效率的盐保留，如在废水处理中。根据本实用新型的示于表1的结果均为使用逆流流动获得，其可以证明对于高水通量的优势。 

表2 

注：a逆流流动；c在内侧提取；dd根据实施例3制备 

表2清楚地示出使用本实用新型的HF组件能够获得反向盐保留，Js，减少约0.5g/m²h，相应地与具有9根纤维的薄膜改性的HF组件得到的反向盐保留相比减少25%同时仍保持良好的水通量为约8至9L/m²h。这些结果是使用与提取溶液的共流流动在HF组件纤维内侧得到的。 

所有上述的钙黄绿素排阻值优于99%表明，所用的HF组件是非常紧密的（无膜泄漏）。HF组件编号12-0644仅由薄膜层而没有囊泡和/或蛋白质改性从而表现为如Sukitpaneenit&Chung2012公开的现有技术。 

本实用新型的HF组件可用于共流流动和逆流流动二者，并如上面的结果可见其可以优选具有逆流流动。在这种情况下，渗透压的差异将更均匀地分布在纤维的整个长度上。当进料溶液和提取溶液二者在同一侧（共流流动）进入时，水立即被抽出进料流进入提取流，并沿纤维的渗透压差 会迅速减少（进料被浓缩，提取被稀释）。当HF组件正使用逆流操作时，那么我们在一端更清洁的进料溶液遭遇稀释的提取溶液且在另一端高渗透提取溶液遭遇弱渗透进料溶液（盐污染的）。因此，两种液体之间的渗透压差沿纤维的长度方向更接近于相同。这可能促进逆流流动。 

然而，由于内侧泵送产生的压力遇到在纤维外侧泵送产生的相等压力而将促进共流流动。 

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Claims (16)

1.一种中空纤维组件，具有以包含水通道蛋白水通道的薄膜复合物层改性的纤维。 

2.根据权利要求1所述的中空纤维组件，其中，所述水通道蛋白水通道在并入所述薄膜复合物层之前并入囊泡中。 

3.根据权利要求2所述的中空纤维组件，其中，所述水通道蛋白水通道并入其中的所述囊泡是脂质体或聚合物。 

4.根据权利要求1至3的任何一项所述的中空纤维组件，其中，所述脂质体制备自脂质如DPhPC、DOPC、混合大豆脂质、大豆磷脂或大肠杆菌混合脂质。 

5.根据权利要求1至3的任何一项所述的中空纤维组件，其中，所述聚合物包含亲水-疏水-亲水类型的三嵌段共聚物或亲水-疏水类型的二嵌段共聚物。 

6.根据权利要求1至3的任何一项所述的中空纤维组件，其中，所述水通道蛋白水通道是AqpZ通道或SoPIP2;1水通道。 

7.根据权利要求1至3的任何一项所述的中空纤维组件，其中，所述薄膜复合物层通过二胺或三胺的水溶液与在有机溶剂中的二酰基卤化物或三酰基卤化物的溶液的界面聚合而形成，并且其中所述水通道蛋白水通道囊泡被并入所述水溶液中。 

8.根据权利要求1至3的任何一项所述的中空纤维组件，其中，所述中空纤维的支撑材料是聚醚砜。 

9.根据权利要求1至3的任何一项所述的中空纤维组件，其中，所述纤维的面积是从0.1cm²至0.5m²。 

10.一种中空纤维膜，其中，所述中空纤维膜具有以包含水通道蛋白水通道的薄膜复合物层改性的纤维。 

11.根据权利要求10所述的中空纤维膜，其中，所述水通道蛋白水通道在并入所述薄膜复合物层之前并入囊泡中。 

12.根据权利要求11所述的中空纤维膜，其中，所述水通道蛋白水通道并入其中的所述囊泡是脂质体或聚合物。 

13.根据权利要求10至12的任何一项所述的中空纤维膜，其中，所述脂质体制备自脂质如DPhPC、DOPC、混合大豆脂质、大豆磷脂或大肠杆菌混合脂质。 

14.根据权利要求10至12的任何一项所述的中空纤维膜，其中，所述聚合物包含亲水-疏水-亲水类型的三嵌段共聚物或亲水-疏水类型的二嵌段共聚物。 

15.根据权利要求10至12的任何一项所述的中空纤维膜，其中，所述水通道蛋白水通道是AqpZ通道或SoPIP2;1水通道。 

16.根据权利要求10至12的任何一项所述的中空纤维膜，其中所述薄膜复合物层通过二胺或三胺的水溶液与在有机溶剂中的二酰基卤化物或三酰基卤化物的溶液的界面聚合而形成，并且其中所述水通道蛋白水通道囊泡被并入所述水溶液中。