Membrana de agua que comprende una construcción en sándwich que tiene al menos dos capas permeables de soporte separadas por al menos una bicapa de lípidos que comprende canales de agua de acuaporina funcionales

Membrana para el filtrado de agua.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a membranas de agua que comprenden canales de acuaporina funcionales o tetrámeros adecuados para la filtración de agua pura y/o glicerol, un dispositivo de filtración/sistema de purificación que comprende esta membrana, y procedimientos de utilización de la misma para la producción de agua ultra pura y para extraer el exceso de agua de una composición acuosa.

Antecedentes de la invención

Varios sistemas y procedimientos de tratamiento de agua tradicionalmente han sido desarrollados para purificar las fuentes de agua natural y contamina para obtener agua purificada, que es adecuado para el consumo humano y/o animal. Además, el agua ultra pura tiene una gran demanda en la industria de los semiconductores y farmacéutica. La producción de agua ultra pura demanda filtros más especializados y el tratamiento químico de la fuente de agua. Una pluralidad de técnicas se utilizan, tal como la filtración de membrana, intercambiadores de iones, filtros de partículas de submicrones o nano-filtros, tratamiento con luz ultravioleta y ozono. El agua producida es extremadamente pura y contiene muy bajas concentraciones de sales, compuestos orgánicos, gases disueltos como oxígeno, sólidos en suspensión, y microorganismos como virus y bacterias. Sin embargo, debido a factores tales como la continua miniaturización en la industria de los semiconductores, las especificaciones del agua ultra pura cada vez son más estrictas.

Tradicionalmente, el agua se purifica o trata a través de una variedad de dispositivos disponibles de tratamiento de agua diseñados para comunidades y para aplicaciones de punto de uso, por ejemplo sobre la base de las siguientes tecnologías: carbón activado para la retirada de componentes orgánicos; desinfección con luz ultravioleta; intercambio de iones para la eliminación de la dureza (ablandar el agua), y la desalinización de membrana, tal como ósmosis inversa (OI) o nanofiltración (NF). Sin embargo, la nanofiltración es relativamente nueva en el campo de la tecnología de tratamiento de agua. Una membrana de NF produce agua dulce mediante la retención de la dureza, creando iones divalentes presentes en el agua. Una membrana de NF permite que un alto porcentaje de iones monovalentes, tales como sodio y cloruro, pasen mientras se mantiene un alto porcentaje de iones divalentes. Son los iones monovalentes los que crean la presión osmótica que requiere la moderada a alta presión necesaria para bombear agua a través de una membrana de OI. Por lo tanto, las membranas de nanofiltración requieren mucha menos presión para bombear agua a través de la membrana debido a que la fuerza de conducción hidráulica no tiene que superar el efecto de la presión osmótica derivada de los iones monovalentes. En términos generales, las membranas de OI utilizadas para aplicaciones de tratamiento de agua residencial y comercial eliminan todos los sólidos disueltos en aproximadamente un 98%, mientras que las membranas de nanofiltración eliminan iones divalentes (componentes de la dureza: calcio y magnesio) en aproximadamente un 90% e iones monovalentes (cloruro de sodio) en aproximadamente un 50%.

Los dispositivos de desalinización que utilizan elementos de membrana (por ejemplo: OI o NF) siempre crean dos corrientes de agua al salir el agua del elemento, agua de producto desalinizado (que ha pasado a través de la membrana), y una salmuera de residuos (que ha fluido a través de la membrana de superficie). Esta corriente de salmuera de residuos es necesaria para eliminar las sales y los minerales fuera de la membrana para evitar la acumulación de suciedad en la superficie de la membrana. Si la acumulación de sales y minerales en el agua alimentada a una membrana se produce de forma continua, las sustancias disueltas pueden precipitar y formar una película sólida, ensuciando de la superficie de la membrana. Además, contaminantes y partículas coloidales también pueden adherirse a la superficie de la membrana y causar la contaminación. Con muchos contaminantes transmitidos por el agua, si una membrana se vuelve irreversiblemente escalada, o sucia, no puede limpiarse y debe ser reemplazada. Esta característica de los procesos de membranas plantea un problema importante en la reducción de los residuos de efluentes, especialmente en sistemas de tratamiento de agua de punto de uso (POU), que son típicamente compactos y son de la forma más económica posible.

Los dispositivos de intercambio iónico se utilizan también para suavizar las llamadas "aguas duras". El problema con los sistemas de ablandamiento de agua por intercambio iónico es quitar los componentes de la dureza del agua (iones de calcio y magnesio) intercambiándolos por iones de sodio para crear lo que se llama "agua dulce". Cuando se realiza la regeneración del medio de intercambio iónico, una corriente de agua concentrada de sodio, cloruro, calcio y magnesio va a través del sistema de desagüe, creando un problema de eliminación de residuos ambiental. Un ejemplo de un sistema de purificación de agua de este tipo se describe en la patente US 5.741.416 para un "sistema de depuración de agua que tiene pares plurales de filtros y una cámara de contacto de ozono"; describiendo un sistema de purificación de agua que es efectivo para oxidar contaminantes orgánicos y destruir la mayor parte de las bacterias, virus y otros microbios en estas corrientes de agua. Sistemas que implican membranas de diálisis que son selectivas para cationes monovalentes también se han descrito en WO 2004/099088.

Por consiguiente, existe una continua necesidad de sistemas de purificación de agua para el tratamiento de agua que está o puede estar contaminada con componentes químicos, biológicos y/o contaminantes radiológicos, tanto para uso doméstico normal, como para la investigación avanzada, uso industrial y farmacéutico.

Dado que la contaminación o las amenazas de contaminación del agua son a menudo de un carácter muy local, por ejemplo, en un barco o un pueblo alejado o en un campamento, hay una necesidad de un sistema de purificación de agua fijo o móvil que pueda instalarse rápida y fácilmente en un lugar de contaminación real o potencial. De especial importancia es un sistema que sea efectivo para eliminar los contaminantes de un suministro de agua real o potencialmente contaminado, tal como agua del mar, para producir agua tratada que sea apta para el consumo humano.

Desde el descubrimiento de las proteínas de transporte de agua de acuaporina, que se distinguen por su capacidad de transportar selectivamente moléculas de H₂O a través de membranas biológicas, ha habido un cierto interés en la elaboración de una membrana artificial de agua que incorpore estas proteínas, ver la solicitud de Patente US 20040049230 "Membranas biomiméticas", cuyo objetivo es describir cómo las proteínas de transporte de agua están incrustadas en una membrana para permitir la purificación del agua. La forma preferida descrita tiene la forma de un disco de filtro convencional. Para fabricar un disco, una monocapa de 5 nm de espesor, de copolímero de tribloque sintético y proteína se deposita en la superficie de un disco de 25 mm de ultrafiltración comercial utilizando una artesa de Langmuir-Blodgett. La monocapa en el disco se reticula a continuación, utilizando luz UV para el polímero para aumentar su durabilidad. El dispositivo puede ser analizado mediante la instalación en una cámara que fuerza agua de la fuente a presión a través de la membrana. Sin embargo, no existe una orientación de cómo se debe seleccionar un copolímero tribloque sintético ni existe ningún dato en soporte de la propia función de la acuaporina incrustada.

Se ha sugerido que una tecnología de purificación de agua podría crearse mediante la expresión de la proteína acuaporina en vesículas bicapa de lípidos y fundir estas membranas sobre soportes porosos, ver James R. Swartz, página de inicio: http://chemeng.stanford.edu/01 About the Department/03Faculty/Swartz/swaftz.html. La invención tiene como principal finalidad el desarrollo de una membrana de filtración de agua industrial y el dispositivo que comprende acuaporinas incorporadas en una membrana capaz de purificar el agua con la más alta pureza, por ejemplo, 100%. Ninguna técnica o filtros conocidos hoy en día se pueden realizar esta tarea.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere en un aspecto a una membrana para el filtrado de agua, cuya membrana utiliza proteínas de transporte de agua de acuaporina que se han reconstituido en vesículas de lípidos,...

1. Membrana de agua que comprende una construcción en sándwich que tiene al menos dos capas permeables de soporte separadas por al menos una bicapa de lípidos que comprende canales de agua de acuaporina funcionales.

2. Membrana de agua que comprende una construcción en sándwich que tiene al menos dos monocapas de lípidos, que, cuando se montan en una bicapa, comprende canales de agua de acuaporina funcionales, comprendiendo también un material hidrofóbico perforado que forma la superficie de contacto con las monocapas de lípidos y en el que la bicapa de lípidos está formada en las perforaciones del material perforado hidrofóbico.

3. Membrana de agua según la reivindicación 2, en la que dicho material perforado hidrofóbico es una membrana de soporte porosa con una superficie hidrofóbica, en la que las monocapas de lípidos montadas en cada lado de bicapas de lípidos se unirán en los poros de la membrana de soporte porosa, donde los canales de agua de acuaporina se pueden reconstituir.

4. Membrana de agua según la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en la que el material hidrofóbico es una película de teflón y tiene un grado de hidrofobicidad que corresponde a un ángulo de contacto de al menos 100º entre una gota de agua desionizada y el material hidrofóbico, donde la medición del ángulo de contacto se realiza a 20ºC y a presión atmosférica.

5. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que el material hidrofóbico es plano y las perforaciones están distribuidas uniformemente y todas substancialmente con la misma forma geométrica en el plano intermedio entre las 2 superficies del material hidrofóbico.

6. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que las perforaciones tienen un diámetro en el rango de milímetros a micras.

7. Membrana de agua según la reivindicación 6, en la que cada una de dichas perforaciones tiene un área de abertura suficientemente grande para permitir el paso de vapor de agua, pero lo suficientemente pequeña para impedir el paso de agua líquida, tal como un área en el intervalo entre 100 nm²-1 mm².

8. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en la que la forma geométrica de las perforaciones se selecciona entre circular y elíptica.

9. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en la que dicho material perforado hidrofóbico consiste en una película de polímero hidrofóbico.

10. Membrana de agua según la reivindicación 9, en la que la película tiene un espesor en el rango de milímetros a micras.

11. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que la bicapa de lípidos consiste esencialmente en lípidos anfifílicos seleccionados entre el grupo que consiste en fosfolípidos, tal como DPPC, fosfoglicéridos, esfingolípidos y cardiolipina, o mezclas de los mismos.

12. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la acuaporina es AQP1, tal como AQP1 bovina.

13. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la acuaporina es de origen vegetal, tal como una acuaporina TIP, PIP, o NIP y mezclas e híbridos de las mismas.

14. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el canal de agua de acuaporina se selecciona entre el grupo que consiste en acuagliceroporinas (GLpF), tal como un canal GLPA, un canal GLPB1, un canal GLPB2, un canal GLPB3, y un canal GLPY2, y mezclas e híbridos de los mismos.

15. Membrana de agua según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha acuaporina es una proteína mutante.

16. Membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está también encerrada en un alojamiento para proporcionar un dispositivo de filtración de agua.

17. Procedimiento para preparar un filtrado de agua ultra pura, que comprende filtrar una solución acuosa a través de la membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, para retener iones, partículas, materia orgánica y coloides, mediante el cual el filtrado es agua esencialmente libre de iones, partículas, materia orgánica y coloides.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que se aplica una presión osmótica en el lado posterior de dicha membrana de agua.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha presión osmótica se deriva de una solución concentrada que tiene una presión osmótica mayor que la fuente de agua a purificar.

20. Dispositivo de filtrado de agua por ósmosis inversa para la producción de agua desalinizada a partir de una fuente de agua salada, siendo útil dicha agua desalinizada para la agricultura de riego y/o como agua potable, en donde al menos uno de una(s) membrana(s) de filtrado de ósmosis inversa final ha sido sustituida por una membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende canales de agua funcionales de acuaporina.

21. Dispositivo de filtrado de agua por ósmosis inversa para la producción de agua ultra pura a partir de una fuente de agua cruda, siendo útil dicha agua ultra pura en la industria de los semiconductores y/o en la industria farmacéutica, en donde al menos uno de una(s) membrana(s) de filtrado de ósmosis inversa final ha sido sustituida por una membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende canales de agua funcionales de acuaporina.

22. Dispositivo de filtrado de agua por ósmosis inversa para la producción de agua pura a partir de una fuente de agua cruda útil en la industria del agua municipal, la industria química, la industria del agua potable, la industria alimentaria, la industria electrónica, la industria del petróleo y gas, la industria de refinerías, la industria de pulpa y papel, la industria metalúrgica, la industria minera, y la industria de alimentación, en donde al menos uno de una(s) membrana(s) de filtrado de ósmosis inversa final ha sido sustituida por una membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, que comprende canales de agua funcionales de acuaporina.

23. Dispositivo de filtración de agua para extraer y recuperar agua de fluidos corporales, tal como orina, leche y sudor/transpiración, que comprende una membrana de agua que comprenden los canales de agua de acuaporina funcionales, tal como una membrana de agua según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.