Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes

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 osmozmembranlarının tükettiği enerjinin fazlalığı araştırmacıları yüksek akı ve seçiciliğesahip, düşük enerjili membranları geliştirmeye yöneltmiştir. Biyomimetikyaklaşımlar 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 on bir sene önce olan Aquaporin Z proteini ile biyomimetikmembran geliştirilmesi günümüzde hala önemini korumaktadır. Aquaporin Z proteini ile üretilmiş membranlar yüksek performanslı olup aynı zamanda düşük enerji tüketimine sahiptir. Bu tez TÜBİTAK destekli 'Nanokompozit İçi Boşluklu Fiber Nanofiltrasyon Membranlarının Üretimi ve İçme Suyu Arıtımı İçinUygulanması' 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 ultrafiltrasyonseviyesindeki membranlar kullanılarak arayüzey polimerizasyonu ile nanofiltrasyon membranı üretilmiştir. Klonlanıp, saflaştırılması gerçekleşen Aquaporin Z isenanofiltrasyon üretimi sırasında membrana entegre edilmiştir. Tez kapsamında ilk olarak oldukça detaylı iki farklı literatür taraması yapılmıştır. Bunlardan ilki su arıtımında içi boşluklu fiber nanofiltrasyon membranlarınınkullanılması ile alakalıdır. İkinci literatür taraması ise biyomimetik yöntemlerlemembran üretimi üzerine olup, Aquaporin Z proteininin klonlanması, ekspresyonu vesaflaştırılması 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 lipidmembranlar ile yapılan diğer biyomimetik yaklaşımlar incelenmiştir. Aquaporin Z geni E. coli Dh5 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 hücresineaktarılmıştır. 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 ekspresyonkoşulları bulunup, His-tag ekli proteinlerin saflaştırılmasına olanak sağlayan Ni-NTAyöntemi kullanılarak saflaştırma basamakları optimize edilmiştir. Saflaştırmanınbaşarılı 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 lipidi kullanılarak film rehidrasyonumetodu ile Aquaporin Z yerleştirilmiş proteolipozomlar üretilmiştir. Aquaporin Zeklentili proteolipozomların, lipozomlardan daha su geçirgen olduğunu anlamak içinstopped-flow spektroskopi ile hiperosmolar bir çözelti kullanılmıştır veproteolipozomların 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 buproteolipozomların yüzeylerle etkileşimleri kuvars kristal mikroterazi-disipasyon yöntemiyle altın, polisülfon ve poliakrilonitril sensör yüzeylerikullanılarak incelenmiştir. Bunun sonucunda Aquaporin Z eklentili lipozomlarınfarklı yüzeyler kullanıldığında davranışlarının etkilendiği ortaya konulmuştur. Viskoelastik modelleme sonucu lipozomlara kıyasla protelipozomların daha katı bir membran yapısında olduğu görülmüştür. Bu çalışma sonrasında polisülfon yüzeyinkullanılmasına karar verilmiştir. Ara yüzey polimerizasyonu şartlarının ve proteolipozom eklentisikonsantrasyonunun optimizasyonu için düz plaka ultrafiltrasyon membranları kullanılarak bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda iki farklı proteolipozomkonsantrasyonu, iki farklı amin monomer bekletme süresi ve ısıl işlem uygulanıp uygulanmaması üzerine denemeler gerçekleştirilmiştir. Membran performansları saf su geçirgenliği, MgSO 4 ve hümik asit giderimi, hümik asit filtrasyonu sonucu akıgeri kazanımı parametreleri göz önüne alınarak incelenmiştir. 0.1 mg/mLproteolipozom 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 proteolipozomkonsantrasyonu kullanılması nanofiltrasyon membranı performansına olumsuz etki göstermiştir. Ara yüzey polimerizasyonu şartları ve proteolipozom konsantrasyonu düz plakamembranlarla 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 membranlarınınoptimizasyonu için dökme çözeltisi içeriği (gözenek oluşturucu olarak kullanılanpolivinilprolidone 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 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 optimizeedildikten sonra nanofiltrasyon membranlarının üretimine geçilmiştir. Üç farklı içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon destek tabakası 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 özellikle içi boşluklu fiber ultrafiltrasyon membranları da ilk kez Aquaporin Z yerleştirilmesi açısından incelenmiştir. Yapılan yüzey karakterizasyonları Aquaporin Z eklentisinin poliamid matris içerisinebaşarıyla yerleştirilmiş olduğunu göstermiştir. Aquaporin Z eklentisi yapılmışnanofiltrasyon 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 tabakasıAqpZ eklentili poliamid tabakası ile saf su geçirgenliği, seçicilik ve tıkanmaya karşı direnç parametreleri kıyaslandığında en iyi entegrasyonu sağlamıştır.