用于過濾水的膜的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 本申請是中國專利申請CN201110008858. 9的分案申請，后者是中國專利申請 CN200680017301. 9的分案申請，原申請對應于國際申請號PCT/DK2006/000278。
技術領域
[0002] 本發明涉及一種新型膜，其包含適于過濾純水和/或甘油的功能性水通道蛋白 (aquaporin)通道或四聚體，包含這種膜的過濾裝置/純化系統，和利用其生產超純水以及 從含水組合物中提取過量水的方法。本發明還涉及新型疏水性聚合物膜。
【背景技術】
[0003] 已經傳統地開發了用于純化天然水源和受污染水源的各種水處理系統和方法，以 獲得適于人和/或動物食用的純化水。而且，半導體和制藥工業對超純水有很高的需求。 超純水的生產要求更為專業的過濾器和對水源的化學處理。使用了多種技術，例如膜過濾、 離子交換、亞微米粒子過濾器或納米過濾器、紫外光和臭氧處理等。生產的水非常純并且只 含有零到非常低濃度的鹽、有機成分、溶解的氣體例如氧、懸浮固體和微生物例如病毒和細 菌。但是，由于諸如半導體工業中的持續微型化的因素，使得超純水的規格變得日益嚴格。
[0004] 傳統上，水通過各種設計用于公共和使用點（point-of-use)應用的可用水處理 裝置來純化或處理，例如基于下列技術：活性碳除有機物；紫外光消毒；離子交換除硬度 (軟化水），和膜脫鹽例如反滲透（R0)或納米過濾（NF)。但是，在水處理技術領域中，納米 過濾相對較新。NF膜通過截留在水中產生硬度的二價離子來產生軟水。NF膜允許高百分 率的一價離子例如鈉和氯通過，同時其截留高百分率的二價離子。由于一價離子產生滲透 壓，所以需要中到高壓來將水泵送通過R0膜。因此，納米過濾膜將水泵送穿過膜所需的壓 力要小得多，這是因為水壓驅動力不必克服來自一價離子的滲透壓。一般而言，用于住宅和 商業水處理應用的R0膜脫除約98%的全部溶解固體，而納米過濾膜脫除約90%的二價離 子（硬度成分：鈣和鎂）和約50 %的一價離子（氯化鈉）。
[0005] 使用膜元件（例如R0或NF)的脫鹽裝置總是在水離開該元件時產生兩股水流：脫 鹽產品水（其已經穿過膜）和廢鹽水（其已經流過膜表面）。該廢鹽水流必須沖走膜上的 鹽和礦物質，以防止其在膜表面累積和結垢。如果在對膜的給水中連續發生鹽和礦物的累 積，則溶解的物質會沉淀并形成固體膜，使得膜表面結垢。此外，膠體和顆粒污染物也會粘 到膜表面并導致結垢。由于存在許多水生污染物，因此如果膜不可逆地結垢或積垢，則膜不 能被清潔而必須更換。膜法的這種特性尤其對于使用點（P0U)水處理系統帶來在減少廢物 排放方面的嚴重問題，使用點水處理系統通常緊湊并建造得盡可能經濟。
[0006] 離子交換裝置也用于軟化所謂的"硬水"。離子交換水軟化系統的問題在于其通過 與鈉離子交換而脫除水的硬度成分（鈣和鎂離子），從而生產所謂的"軟水"。當進行離子交 換介質再生時，高濃度的鈉、氯、鈣和鎂離子的水流進入下水道系統，產生環境廢棄物處理 問題。這種水純化系統的例子記載于題為"water purification system having plural pairs of filters and an ozone contact chamber"的美國專利 No. 5, 741，416 中，其公 開了一種水純化系統，其有效氧化有機污染物并且消滅該水流中的大多數細菌、病毒和其 它微生物。涉及對一價陽離子具有選擇性的透析膜系統也已在W02004/099088中公開。
[0007] 因此，存在對用于一般家庭目的以及用于先進研宄、工業和制藥目的的處理被或 可能被化學、生物和/或放射性污染物污染的水的水純化系統的持續需求。
[0008] 由于水污染或水污染威脅通常具有高度局部的特征，例如在船舶上或偏遠山村或 營地中，因此需要可以迅速而容易地部署在實際或潛在污染場所的固定或便攜的水純化系 統。尤其相關的是能夠有效除去例如海水等實際或潛在污染的水源中的污染物，以生產適 合人飲用的處理水。
[0009] 由于發現了以選擇性輸送水分子穿過生物膜的能力為特征的水轉運蛋白 aquaporin (水通道蛋白），對設計引入這些蛋白的人工水膜存在一定興趣，參見美國專利 申請No. 20040049230 "Biomimetic membranes"，其涉及描述如何將水轉運蛋白嵌入膜中 以實現水的純化。所描述的優選形式具有常規的濾盤形式。為了制造這種盤，利用LB槽 (Langmuir-Blodgett trough)將5nm厚的合成三嵌段共聚物和蛋白質的單分子層沉積在 25mm商用超濾盤上。隨后，利用紫外光照射該聚合物而使盤上的單分子層交聯以提高其耐 久性。該裝置可以通過將其安裝在使加壓水源穿過膜的室中來測試。但是，沒有關于應該 如何選擇合成三嵌段共聚物的指導，也沒有嵌入的水通道蛋白實際功能的支持數據。
[0010] 已經提出可以通過將水通道蛋白表達成脂質雙分子層囊泡并將這些膜澆鑄在 多孔載體上而創新水純化技術，參見JamesR.Swartz，主頁http：//chemenq. Stanford. edu/OlAbout theDepartment/03Faculty/Swartz/swartz. html〇
[0011] 本發明主要目的在于開發一種包含引入膜中的水通道蛋白的工業用水過濾膜和 裝置，其能夠純化最高純度的水，例如100%。目前沒有已知的技術或過濾器能夠完成這項 任務。
【發明內容】
[0012] 一方面，本發明涉及一種用于過濾水的膜，該膜利用在脂質囊泡中重組并轉換成 支承層的水轉運蛋白aquaporin(水通道蛋白），以利用例如Langmuir-Blodgett方法形成 水過濾膜。
[0013] 本發明的水膜的優點包括：海水（97-98%的地球水為海水）的有效除鹽，而不需 要除鹽化學品和提供便攜式除鹽過濾器（一種類似于"咖啡過濾器"的能夠分離水和鹽的 裝置），用于半導體工業的高效水純化、耐用的家庭用水/飲用水純化和不用電的水純化， 例如用于第三世界國家。
[0014] 因此，一方面，本發明涉及一種水膜，其包含具有至少兩個滲透性載體層和隔開所 述滲透性載體層的至少一個包含功能性水通道蛋白水通道的脂質雙分子層的夾層結構。這 樣，該滲透性或多孔載體將允許水分子透過載體到達沉積在載體層之間的至少一個脂質雙 分子層。然后，包含分散的功能性水通道蛋白通道的脂質雙分子層只濾過水，或者在水通道 蛋白為GLpF通道的情況下還濾過甘油，使其到達對側的多孔載體層，產生由純水構成的濾 液。優選這種濾過的水為超純水（UPW)，其是離子、顆粒、有機物和膠體含量低的高度純化 水。本發明的水膜代表了利用已知最具選擇性的水運輸通道的新一代反滲透膜。
[0015] 在本文中，"水膜"是指一種允許水通過而同時不允許大多數其它材料或物質通過 的結構。優選本發明的水膜基本只透過水（一些情況下透過甘油），而不許溶質和其它溶劑 通過。
[0016] 本發明的第二方面涉及一種水膜，其包含具有至少兩個脂單分子層的夾層結構， 當其組合成一個雙分子層時，所述夾層結構包含功能性水通道蛋白水通道，并且所述至少 兩個脂單分子層被至少一個滲透性載體層隔開。在這個實施方案中，當載體層包括穿孔時， 該滲透性載體層將能夠形成脂質雙分子層的兩個脂單分子層隔開。
[0017] 本發明的另一方面涉及一種水過濾裝置，其包含本發明的水膜，任選密封在安裝 于外殼中的穩定化膜中，所述外殼具有用于待純化含水液的入口和用于純化水的出口。
[0018] 本發明還涉及一種制備水膜的方法，其包括下列步驟：
[0019] a)獲得包含水通道蛋白水通道的脂質微囊泡，所述水通道蛋白水通道占所述微囊 泡的至少〇. 1% mol/mol，
[0020] b)將所述囊泡融合到平面脂質雙分子層中，所述脂質雙分子層位于具有親水性表 面的基本為平面的滲透性載體上，其中水通道蛋白的蛋白覆蓋至少1%的脂質雙分子層區 域，
[0021] C)任選重復步驟b)以獲得多個融合的雙分子層，
[0022] d)將具有親水性表面的基本為平面的第二滲透性載體沉積到步驟b)或c)中獲得 的脂質雙分子層上，以獲得夾層結構，和
[0023] e)任選將所得的夾層結構封閉在滲透性的穩定化膜中。
[0024] 本發明還涉及一種制備水膜的方法，其包括下列步驟：
[0025] a)獲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 〇? 1% mol/mol，
[0026] b)將所述囊泡融合到平面脂質雙分子層中，所述脂質雙分子層組裝在具有疏水性 表面的基本為平面的滲透性載體周圍，其中所述水通道蛋白覆蓋至少1%的脂質雙分子層 區域，和
[0027] c)任選將所得的夾層結構封閉在滲透性的穩定化膜中。
[0028] 本發明還涉及一種包含作為反滲透過濾膜的水膜（例如本發明的水膜）的反滲透 水過濾裝置，所述水膜包含功能性水通道蛋白水通道。
[0029] 本發明還涉及一種用于從諸如尿液、奶和汗液的體液中提取和回收水的水過濾裝 置，其包括含有功能性水通道蛋白水通道的水膜。
[0030] 此外，本發明涉及一種制備純水的方法，所述純水通過用本發明的水膜過濾天然 或受污染的水源獲得。所述純水的特征在于沒有例如溶解物質或顆粒的污染物。本發明還 涉及一種獲得純化水的方法，其利用包含功能性水通道蛋白通道的反滲透膜來過濾水源。
[0031] 另外，本發明的不同方面涉及一種疏水性聚合物膜，其將在下文中詳細描述。
[0032] 最后，本發明水膜的總體設計也被認為適用于其它用途的膜，其中在以其它方式 設計用作本發明水膜的膜中引入除水通道蛋白以外的其它跨膜蛋白。這些膜也是本發明的 一部分，并且除了跨膜蛋白的選擇之外，這些膜在各方面都與本文所公開的膜相同，并且所 有涉及這些膜的公開內容都將在經過必要的修改后（mutatis mutatndis)應用于含有除水 通道蛋白以外的其它跨膜蛋白的膜。
[0033] 適用于本發明的膜內含物的不同于水通道蛋白的跨膜蛋白例如選自但不限于在 轉運蛋白分類數據庫（TO)B)中的任意跨膜蛋白。TCT)B可從http ://www. tcdb. org講入。
[0034] 包括在本發明中的T⑶B跨膜蛋白的例子為：
[0035] 氣溶素通道形成毒素
[0036] 土壤桿菌目標寄主細胞膜陰離子通道
[0037] a_溶血素通道形成毒素
[0038] 丙甲菌素通道
[0039] 海藻酸鹽出口孔蛋白
[0040] 阿米巴溶素
[0041] 兩親肽蜂毒肽
[0042] 淀粉樣蛋白b_蛋白肽
[0043] 動物內向整流K+通道
[0044] H吳聯蛋白
[0045] 細胞凋亡調節劑
[0046] ArpQ 穴蛋白
[0047] AS-48
[0048] ATP選通陽離子通道
[0049] 自動轉運蛋白
[0050] 枯草桿菌j 29穴蛋白
[0051] 細菌類III目標細胞氣孔
[0052] 細菌通透性增加蛋白
[0053] 細菌素AS-48環狀多肽
[0054] 菌視紫紅質
[0055] Beticolin 通道
[0056] BlyA 穴蛋白
[0057] 肉毒菌和破傷風毒素
[0058] 布魯氏菌-根瘤菌孔蛋白
[0059] 甘油復合制劑的主要外膜孔蛋白
[0060] Cathilicidin
[0061] 形成陽離子通道的熱激蛋白70
[0062] 天蠶抗菌肽
[0063] 形成通道的炭疽桿菌保護性抗原
[0064] 形成通道的神經酰胺
[0065] 形成通道的大腸桿菌素
[0066] 形成通道的大腸桿菌素V
[0067] 形成通道的d-內毒素殺蟲結晶蛋白
[0068] 形成通道的e-內毒素
[0069] 形成通道的殺白細胞素細胞毒素
[0070] 衣原體孔蛋白
[0071] 氯化物通道
[0072] 葉綠體膜的陽離子通道形成物
[0073] 葉綠體的外膜溶質通道
[0074] 結合膽固醇的硫醇激活溶細胞素
[0075] 梭菌細胞毒素
[0076] 補體蛋白C9
[0077] 復合聚羥基丁酸酯_Ca2+通道
[0078] 棒狀桿菌孔蛋白
[0079] Cphl穴蛋白
[0080] C型尿鈉排泄肽
[0081] 藍細菌孔蛋白
[0082] 環糊精孔蛋白
[0083] 細胞溶血素
[0084] 細胞毒素糊精
[0085]抵御素 [0086] 皮抑菌肽
[0087] 白喉毒素
[0088] Divergicin A
[0089]蚯蚓lysenin毒素
[0090] 包膜病毒El通道
[0091] 上皮的氯化物通道
[0092] 上皮的Na+通道
[0093] FadL外膜蛋白
[0094]Fusobacterial的外膜孔蛋白
[0095] 形成縫隙連接的連接蛋白
[0096] 形成縫隙連接的innexin
[0097] -般的細菌孔蛋白
[0098] 葡萄糖選擇性OprB孔蛋白
[0099] 谷氨酸鹽選通的神經傳遞素受體離子通道
[0100] gp91ph°x巨噬細胞NADPH-氧化酶相關的cyt b 558H+通道
[0101] 短桿菌肽A通道
[0102]H+或Na+移位的細菌鞭毛電機
[0103]H+或Na+移位的細菌MotAB鞭毛電機/ExbBD外膜運輸
[0104] 哈比特屬外膜孔蛋白
[0105]HP1穴蛋白
[0106] 流感病毒基質_2通道
[0107] 昆蟲抵御素
[0108] 胞內氯化物通道
[0109]J11穴蛋白
[0110]jAdh穴蛋白
[0111] JU53 穴蛋白
[0112] Laetacin X
[0113] Lacticin 481
[0114] Lactocin S
[0115] 乳球菌素972
[0116] 乳球菌素A
[0117] 乳球菌素G
[0118] 高電導機械感應離子通路
[0119] lholin S
[0120] 配體選通的神經傳遞素受體離子通道
[0121] LrgA 穴蛋白
[0122] LydA穴蛋白
[0123] 爪蟾抗菌肽
[0124] 主要的內在性蛋白
[0125] 蜂毒溶血肽
[0126] 金屬離子轉運蛋白（通道）
[0127]小菌素E492
[0128] 線粒體和質體孔蛋白
[0129] 分枝桿菌孔蛋白
[0130] 乳酸鏈球菌肽
[0131] 非選擇性陽離子通道-1
[0132] 非選擇性陽離子通道-2
[0133] 形成核苷特異性通道的外膜孔蛋白
[0134] OmpA-OmpF 孔蛋白
[0135] OmpG 孔蛋白
[0136] 細胞器的