Der Prozess der Trennung nützlicher Moleküle von Gemischen anderer Substanzen macht 15% der Energie des Landes aus, gibt 100 Millionen Tonnen Kohlendioxid aus und kostet jährlich 4 Milliarden US -Dollar.
Kommerzielle Hersteller produzieren beispielsweise Säulen mit porösen Materialien, um potenzielle neue Arzneimittel zu trennen, die von der Pharmaindustrie entwickelt wurden, und auch für die Energie- und chemische Produktion, Umweltwissenschaften sowie die Herstellung von Lebensmitteln und Getränken.
In einer neuen Studie haben Forscher der Case Western Reserve University jedoch festgestellt, dass diese hergestellten Trennmaterialien nicht wie beabsichtigt funktionieren, da die Poren so mit Polymer gepackt sind, dass sie blockiert werden. Das bedeutet, dass die Trennungen ineffizient und unnötig teuer sind.
Lydia Kisley, Ambrose Swasey Assistenzprofessor für Physik und Chemie im Fall Western Reserve, verwendete eine sogenannte Einzelmoleküle-Mikroskopie völlig ungenutzt. Die Forschung wird am 14. Februar in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte.
„Diese Materialien werden als“ voll porös „vermarktet, aber sie sind nicht“, sagte Kisley, der die Arbeit leitete. „Wir waren wirklich überrascht. Warum funktioniert dieses Material nicht so, wie es entworfen wurde und wird für die Arbeit verkauft?“
Kisley, zusammen mit Kollegen, Professor Burcu Gurkan und Associate Professor Christine Duval, von der Abteilung für chemische und biomolekulare Ingenieurwesen der Case School of Engineering, wollte herausfinden, warum.
Die Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie, eine spezielle Technik, mit der Wissenschaftler das Verhalten einzelner Moleküle visualisieren und analysieren, ermöglichte es Kisley, die molekulare Dynamik im Nanoskala zu sehen.
„Wir verwenden Licht, um einzelne Moleküle zu beobachten“, sagte sie, „leuchtete ein Blaulaser, um die Moleküle in Rot zu fluoreszieren.“
Gurkan und eine Postdoktorandforscherin in ihrem Labor, Muhammad Zeeshan, testeten zunächst die von der Industrie angegebenen Materialien, nicht unter den Lösungsbedingungen, die sie tatsächlich verwendet haben, und stellten fest, dass sie wie von den Herstellern angekündigten getestet wurden.
Durch die Bildgebung der gleichen Materialien unter Bedingungen, die bei tatsächlichen Trennungen verwendet wurden, stellte Kisley fest, dass die Hersteller so viel Cellulosematerial hinzufügen, um Moleküle zu fangen, dass es die Poren tatsächlich blockierte. Die Verwendung eines Lösungsmittels zum Entfernen von zusätzlichem Material verbesserte die potenziellen Trennungen.
Kisley hofft, dass ihre Ergebnisse den Herstellern helfen werden, effizientere Trennungen zu entwickeln. „Die Hälfte der Kosten für das Einbringen eines neuen Arzneimittels auf den Markt ist versucht, Moleküle zu trennen, ein Prozess, der zwischen 10 und 20 Mal für eine Substanz durchgeführt werden kann“, sagte sie.
Die Single-Molekül-Mikroskopie-Technik kann zeigen, wie Separatoren tatsächlich funktionieren und ihre Leistung vorhersagen. Wenn dies von der Industrie übernommen wird, könnte dies die jetzt in der Separationswissenschaft verwendeten Versuchs- und Errormethoden beseitigen, sagte sie.
„Vielleicht könnten Sie effizientere Trennungen bekommen und einen ganzen Schritt beseitigen“, sagte sie. „Denken Sie an die Geld- und Zeiteinsparungen. Wir könnten schneller in dem erfolgreichen Medikament zusammenkommen, um die Behandlung von Krankheiten zu behandeln.“
Kisley zitierte Ricardo Monge Neria, einen studentischen Student in der Physik, der die experimentelle Forschung leitet und das veröffentlichte Papier geschrieben hat.
Rachel Saylor, Associate Professor für Chemie und Biochemie am Oberlin College, arbeitete ebenfalls zusammen mit Forschern des Case School of Engineering Swagelok Center für die Oberflächenanalyse von Materialien zusammen mit Forschern.
