Une équipe multidisciplinaire d'ingénieurs et de scientifiques a développé une nouvelle classe de membranes de filtration pour une variété d'applications, de la purification de l'eau aux séparations de petites molécules en passant par les processus d'élimination des contaminants, qui sont plus rapides à produire et plus performantes que la technologie actuelle. Cela pourrait réduire la consommation d'énergie, coûts opérationnels et temps de production dans les séparations industrielles.

Dirigé par Manish Kumar, professeur agrégé à la Cockrell School of Engineering de l'Université du Texas à Austin, l'équipe de recherche décrit leurs nouvelles membranes haute performance dans un récent numéro de Matériaux naturels .

Les nouvelles membranes de filtration de l'équipe présentent une densité de pores plus élevée que celle des membranes commerciales et peuvent être produites beaucoup plus rapidement — en deux heures, par rapport au processus de plusieurs jours actuellement utilisé. Jusqu'à maintenant, l'intégration des membranes à base de protéines dans la technologie actuelle utilisée pour les séparations industrielles a été difficile en raison du temps nécessaire pour créer ces membranes et de la faible densité de protéines dans les membranes résultantes.

Cet effort de recherche global et collaboratif a réuni des ingénieurs, physiciens, biologistes et chimistes de l'UT Austin, Université d'État de Pennsylvanie, Université du Kentucky, Université de Notre Dame et la société Applied Biomimetic. Le travail présente la première synthèse de bout en bout d'une véritable membrane de séparation à base de protéines avec des pores d'une taille comprise entre un demi-nanomètre et 1,5 nanomètre. Un nanomètre n'est que quelques fois la taille d'une molécule d'eau et cent mille fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain.

Les membranes créées par l'équipe sont biomimétiques, ce qui signifie qu'ils imitent des systèmes ou des éléments de la nature, et imiter ceux qui se produisent naturellement dans les membranes cellulaires pour transporter l'eau et les nutriments. Ils ont récemment publié un autre article soulignant l'inspiration de leur méthode. L'emballage à haute densité de ces canaux protéiques dans des feuilles de polymère forme des pores protéiques à l'intérieur de la membrane, similaires à ceux observés dans les lentilles oculaires humaines, mais dans un environnement polymère non biologique.

Trois membranes biomimétiques différentes ont été fabriquées par l'équipe et ont démontré une netteté, sélectivité unique et réglable avec trois tailles de pores différentes des canaux protéiques membranaires. Les méthodes décrites peuvent être adaptées avec l'insertion de canaux protéiques de différentes tailles de pores ou chimies dans des matrices polymères pour effectuer des séparations spécialement conçues.

"Autrefois, les tentatives de fabrication de membranes biomimétiques ont été bien en deçà des promesses de ces matériaux, démontrant seulement deux à trois fois l'amélioration de la productivité, " dit Yu-Ming Tu, un doctorant en génie chimique de l'UT Austin et responsable du projet. "Notre travail montre un surprenant 20 à 1, Amélioration de la productivité de 000 fois par rapport aux membranes commerciales. À la fois, nous pouvons obtenir une séparation similaire ou meilleure de petites molécules, comme les sucres et les acides aminés, à partir de molécules plus grosses, comme les antibiotiques, protéines et virus."

Cette productivité élevée a été rendue possible par la très haute densité de protéines de pores. Environ 45 000 milliards de protéines peuvent s'adapter à la membrane, s'il avait la taille d'un quartier américain ; les membranes créées étaient 10 à 20 fois plus grandes en superficie. Cette densité de pores est 10 à 100 fois supérieure à celle des membranes de filtration conventionnelles avec des pores de taille nanométrique similaires. En outre, tous les pores de ces membranes ont exactement la même taille et la même forme, leur permettant de mieux retenir les molécules de tailles souhaitées.

« C'est la première fois que la promesse de membranes biomimétiques impliquant des protéines membranaires est traduite de l'échelle moléculaire à des performances élevées à l'échelle membranaire, " dit Kumar. " Depuis si longtemps, les ingénieurs et les scientifiques ont essayé de trouver des solutions aux problèmes pour découvrir que la nature l'a déjà fait et l'a fait mieux. Les prochaines étapes consistent à voir si nous pouvons fabriquer des membranes encore plus grandes et à tester si elles peuvent être emballées dans des modules en feuille plate et en spirale comme ceux courants dans l'industrie. »