Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes
Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi
- Tez No: 540209
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyokimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Çevre Mühendisliği, Biochemistry, Polymer Science and Technology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 228
Özet
Membran teknolojileri günümüzde su arıtımı için öncül teknolojilerden biri olmuştur. Fakat membranların en önemli problemi olan tıkanma, membranların işletme maliyetini ve tüketilen enerjiyi etkilemektedir. Ticari nanofiltrasyon ve ters osmoz membranlarının tükettiği enerjinin fazlalığı araştırmacıları yüksek akı ve seçiciliğe sahip, düşük enerjili membranları geliştirmeye yöneltmiştir. Biyomimetik yaklaşımlar bu bağlamda hem bilimsel hem de teknik açıdan günümüzde önem kazanmaya başlamıştır.“Doğadan öğrenme”,“taklit ederek inovasyon”vb. gibi terimler, yeni membranların araştırılması ve geliştirilmesi için önemli hale gelmiştir. İlk olarak ortaya çıkışı onbir sene önce olan Aquaporin Z proteini ile biyomimetik membran geliştirilmesi günümüzde hâlâ önemini korumaktadır. Aquaporin Z proteini ile üretilmiş membranlar yüksek performanslı olup aynı zamanda düşük enerji tüketimine sahiptir. Bu tez TÜBİTAK destekli“Nanokompozit İçi Boşluklu (Hollow) Fiber (HF) Nanofiltrasyon (NF) Membranlarının Üretimi ve İçme Suyu Arıtımı İçin Uygulanması”isimli 1003 projesi alt iş paketi olarak tasarlanıp oldukça kapsamlı olarak gerçekleştirilmiştir. Proje kapsamında üç farklı ultrafiltrasyon seviyesinde içi boşluklu fiber membran üretilip, optimize edilmiştir. Daha sonra ultrafiltrasyon seviyesindeki membranlar kullanılarak arayüzey polimerizasyonu ile nanofiltrasyon membranı üretilmiştir. Klonlanıp, saflaştırılması gerçekleşen Aquaporin Z ise nanofiltrasyon üretimi sırasında membrana entegre edilmiştir. Tez kapsamında ilk olarak oldukça detaylı iki farklı literatür taraması yapılmıştır. Bunlardan ilki su arıtımında içi boşluklu fiber nanofiltrasyon membranlarının kullanılması ile alakalıdır. İkinci literatür taraması ise biyomimetik yöntemlerle membran üretimi üzerine olup, Aquaporin Z proteininin klonlanması, ekspresyonu ve saflaştırılması geniş kapsamlı olarak açıklanmıştır. Literatürde bulunan Aquaporin Z proteini eklentisi yapılan membranlar ve bu membranlarda kullanılan yöntemler açıklanmıştır. Son olarak da dikey yerleştirilmiş karbon nanotüp ve diğer lipid membranlar ile yapılan diğer biyomimetik yaklaşımlar incelenmiştir. Aquaporin Z geni E.coli Dh5α suşundan elde edilmiştir ve PCR ile çoğaltılıp, pET28+ vektörü kullanılarak ligasyon yapılmıştır. Daha sonra Aquaporin Z geni içeren plasmid kimyasal transformasyon basağı ile E.coli C43 kompetent hücresine aktarılmıştır. Daha sonra kompetent hücrede klonlamanın başarıyla gerçekleşip gerçekleşmediğini anlamak için sekanslama yapılmıştır. Sekans sonucuna göre elde edilen gen dizilimi Aquaporin Z ile birebir uyuşmuştur. Ardından uygun ekspresyon koşulları bulunup, His-tag ekli proteinlerin saflaştırılmasına olanak sağlayan Ni-NTA yöntemi kullanılarak saflaştırma basamakları optimize edilmiştir. Saflaştırmanın başarılı olup olmadığı ise gerçekleştirilen SDS-PAGE analizleri sonucunda anlaşılmıştır. Hidrofobik yapıda olan Aquaporin Z proteinin işlevini gösterebilmesi için hücre zarına bener bir yapı içerisine yerleştirilmesi gerekmektedir. Bu sebeple de 1,2-dioleoil-sn-glisero-3-fosfoçolin (DOPC) lipidi kullanılarak film rehidrasyonu metodu ile Aquaporin Z yerleştirilmiş proteolipozomlar üretilmiştir. Aquaporin Z eklentili proteolipozomların, lipozomlardan daha su geçirgen olduğunu anlamak için stopped-flow spektroskopi ile hiperosmolar bir çözelti kullanılmıştır ve proteolipozomların su geçirgenliklerinde meydana gelen artış ortaya konmuştur. Pozitif kontrol olarak ticari Aquaporin Z temin edilmiştir ve saflaştırılan Aquaporin Z bu ticari Aquaporin Z ile karşılaştırılmıştır. Sonrasında üretilen bu proteolipozomların yüzeylerle etkileşimleri kuvars kristal mikroterazi-disipasyon (QCM-D) yöntemiyle altın, polisülfon ve poliakrilonitril sensör yüzeyleri kullanılarak incelenmiştir. Bunun sonucunda Aquaporin Z eklentili lipozomların farklı yüzeyler kullanıldığında davranışlarının etkilendiği ortaya konulmuştur. Viskoelastik modelleme sonucu lipozomlara kıyasla protelipozomların daha katı bir membran yapısında olduğu görülmüştür. Bu çalışma sonrasında polisülfon yüzeyin kullanılmasına karar verilmiştir. Ara yüzey polimerizasyonu şartlarının ve proteolipozom eklentisi konsantrasyonunun optimizasyonu için düz plaka ultrafiltrasyon membranları kullanılarak bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda iki farklı proteolipozom konsantrasyonu, iki farklı amin monomer bekletme süresi ve ısıl işlem uygulanıp uygulanmaması üzerine denemeler gerçekleştirilmiştir. Membran performansları saf su geçirgenliği, MgSO4 ve hümik asit giderimi, hümik asit filtrasyonu sonucu akı geri kazanımı parametreleri göz önüne alınarak incelenmiştir. 0.1 mg/mL proteolipozom konsantrasyonu 2 dk piperazin bekletme süresi kullanılan ve 50°C'de 5 dk ısıl işleme maruz bırakılan membranların Aquaporin Z eklentisiz membrana göre 1.7 kat daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. Yüksek proteolipozom konsantrasyonu kullanılması nanofiltrasyon membranı performansına olumsuz etki göstermiştir. Ara yüzey polimerizasyonu şartları ve proteolipozom konsantrasyonu düz plaka membranlarla optimize edildikten sonra içi boşluklu nanofiltrasyon membranların üretimi için destek tabakası olacak içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon membranları faz dönüşümü metoduyla ile üretilmiştir. Membran morfoloji ve performansı çeşitli karakterizasyon yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Ultrafiltrasyon membranlarının optimizasyonu için dökme çözeltisi içeriği (gözenek oluşturucu olarak kullanılan polivinilprolidone farklı moleküler ağırlıklarda, MWPVP = 10 kDa; 40 kDa; 65 kDa; 360 kDa; 1000 kDa, denenmiştir), hava boşluğu (0 cm ve 2.5 cm) ve koagülasyon banyosu sıcaklıkları (Tc= 25°C; 35°C; 45°C) değiştirilerek otuz altı farklı membran üretilmiştir. Üretilen içi boşluklu membranlar geçirgenlik, yüzey morfolojisi, yüzey yükü, yüzey hidrofilikliği, bovin serum albumin (BSA) giderimi, mekanik dayanım ve BSA filtrasyonu sonrası tıkanmaya direnci açısından değerlendirilmiştir. Optimum membran 45°C'de, 360 kDa moleküler ağırlıklı PVP kullanılan ve 0 cm hava boşluğu şartlarında üretilen membran olarak bulunmuştur. Destek tabakası niteliğindeki içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon membranları optimize edildikten sonra nanofiltrasyon membranlarının üretimine geçilmiştir. Üç farklı içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon destek tabakası (polimerik, nanokompozit ve güçlendirilmiş) bu çalışma kapsamında kullanılmıştır. Nanokompozit ve güçlendirilmiş içi boşluklu fiber membranları proje kapsamında üretilmiş olup, üretim optimizasyonları tez kapsamında verilmemiştir. Aquaporin Z eklentisinin içi boşluklu fiber membranların dış yüzeyine kaplanması literatürde ilk kez gerçekleştirilmiştir. Aynı şekilde farklı özelliklte içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon membranları da ilk kez Aquaporin Z yerleştirilmesi açısından incelenmiştir. Yapılan yüzey karakterizasyonları Aquaporin Z eklentisinin poliamid matris içerisine başarıyla yerleştirilmiş olduğunu göstermiştir. Aquaporin Z eklentisi yapılmış nanofiltrasyon membranlarında geçirgenlikte meydana gelen artış 2.5 kat olarak bulunmuştur. Membranlar aynı zamanda tuz ve organik madde giderimi açısından değerlendirilmiştir. Güçlendirilmiş içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon destek tabakası AqpZ eklentili poliamid tabakası ile saf su geçirgenliği, seçicilik ve tıkanmaya karşı direnç parametreleri kıyaslandığında en iyi entegrasyonu sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Membrane technologies have become pioneer technology for the water treatment. However, the operation cost of the membrane is dependent on fouling which is“the Achilles heel of the membranes”and consumed energy. The high energy requirements in commercial nanofiltration (NF), reverse osmosis (RO) and forward osmosis (FO) technologies lead researchers to develop new membrane designs having high flux values with high salt rejection values. Biomimetic approaches have gained an important place in the scientific and the technical fields. For the research and development of the membranes, the terms“learning from nature”and“innovation by imitating”become significant. In this respect, Aquaporin Z (AqpZ) protein became popular for the last eleven years. These membranes promise extremely high performance enhancements and offer a decrease in energy consumption. This thesis aims to conduct a very comprehensive study on the development of hollow fiber nanofiltration membranes with incorporated AqpZ. For this purpose, AqpZ protein was cloned from E.Coli bacteria by using many molecular methods such as PCR, ligation, chemical transformation etc. After AqpZ gene is confirmed by sequencing, purification of AqpZ is optimized. Functionality of AqpZ is obtained by reconstituting AqpZ into liposomes. Film rehydration method is used for liposome preparation. In the thesis, the effect of Aquaporin Z (AqpZ) reconstitution on liposome characteristics and behaviors was investigated by evaluating the adsorption performance of proteoliposomes onto gold, polysulfone (PS) and polyacrylonitrile (PAN) surfaces. Commercial AqpZ were used as positive control for cloned AqpZ. AqpZ incorporation into liposomes did not significantly change mean liposome diameter and surface charge, but the water permeability was increased up to almost six fold. Adsorption kinetics was monitored on gold, as the reference substrate, on PS and on PAN spin-coated sensor surfaces, as common nanofiltration membrane materials, via Quartz Crystal Microbalance with dissipation (QCM-D). The results of viscoelastic modelling showed stiffer membrane structure for the lipid bilayer of proteoliposomes compared to that of liposomes. Although liposomes and proteoliposomes were found to be successfully adsorbed on negatively charged PS and neutral charged PAN surfaces, the interaction strength and adsorption rate was found to be different for polymers having different surface properties indicating the importance of polymer for the stabilization of proteoliposomes. According to the findings of this study, PS was chosen as polymer material for membrane fabrication. Interfacial polymerization method was used to fabricate hollow fiber nanofiltration membranes. Proteoliposomes were added to the aqueous phase of interfacial polymerization. Proteoliposome concentration and interfacial polymerization conditions were optimized with flat sheet membranes. Two different proteoliposome concentrations, two different amine monomer reaction times were used and the effects of thermal treatment was investigated for the optimization of flat sheet membranes. Membrane performances were compared in terms of specific permeate flux, MgSO4 and humic rejection; flux recovery after humic acid filtration, the performance of cloned AqpZ incorporated membranes improved 1.7 times regarding TFC membranes. According to the results, increasing liposome concentration did not improved nanofiltration membrane performance. On the contrary, salt rejection performance decreased dramatically. 0.1 mg/mL proteoliposome concentration, 2 min piperazine monomer reaction time and thermal treatment at 50°C for 5 min was found to be the optimized condition. Hollow fiber ultrafiltration membranes were fabricated by phase inversion method. Ultrafiltration (UF) membrane morphology and performance was confirmed by characterization methods. UF membranes were used as support layer for nanofiltration membrane fabrication. For this purposes, in the thesis the combined effects of fabrication conditions and casting mixture composition on the properties of hollow fiber (HF) membranes were investigated. Three variables evaluated are air gap (dgap= 0 cm and 2.5 cm); coagulation bath temperature (Tc= 25°C; 35°C; 45°C) and molecular weight of polyvinylpyrrolidone (MWPVP = 10 kDa; 40 kDa; 65 kDa; 360 kDa; 1000 kDa). Prepared HF membranes were characterized in terms of specific permeate flux; surface morphology, charge and hydrophilicity; bovine serum albumin (BSA) rejection, Young modulus, and resistance to fouling by BSA. Optimal membrane morphology and performance was achieved at higher Tc and higher MWPVP. Optimized conditions were used for the preparation of hollow fiber nanofiltration membranes with Aquaporin Z (AqpZ) immobilized on the outer surface of the separation layer. Three ultrafiltration supports – polymeric, nanocomposite and reinforced were evaluated in terms of their effects on the separation properties of membranes with AqpZ. Surface characterization showed that AqpZ-reconstituted proteoliposomes were successfully integrated with the polyamide matrix leading to permeate flux enhancement of up to 2.5 times. The membranes were also evaluated in terms of salt and organic matter removal. Reinforced UF support allowed for the most effective integration between the polyamide layer and proteoliposomes giving the highest figure of merit – an aggregate metric of membrane performance that includes water permeability, selectivity and resistance to fouling.
Benzer Tezler
- Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Çinko nanotanecik içeren polimer nanokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of polymer nanocomposite materials incorporated zno nanoparticles
ALEV AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY
- Development of 3d biomimetic platform for cornea organoid culture through tissue engineering approaches
Doku mühendisliği yaklaşımı ile kornea organoid modellerinin geliştirilmesine yönelik 3b biyomimetik platform geliştirilmesi
EMİNE KAHRAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
BiyomühendislikDokuz Eylül ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN GÜVEN
- Self-assembled peptide based biomaterials for drug delivery and regenerative medicine
Moleküler kontrollü bir araya gelme yöntemiyle oluşturulan peptit bazlı biyomalzemelerin ilaç taşınımı ve rejeneratif tıp alanlarında uygulamaları
GÖKSU ÇİNAR
Doktora
İngilizce
2016
Biyokimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER
- Peptide-based bioinspired functional materials
Peptit bazli biyoesinlenilmiş fonksiyonel malzemeler
OYA İLKE ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Biyokimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. AYŞE BEGÜM TEKİNAY
DOÇ. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER