Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi

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.