JP2014100645A - Selective permeable membrane and method of producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】リン脂質二重膜よりなる被覆層を有し、分離性能が高い、選択透過膜及びその製造方法を提供する。
【解決手段】選択的透過性を有した膜本体と、該膜本体の表面に形成されたリン脂質二重膜よりなる被覆層とを有する選択性透過膜の製造方法であって、リン脂質二重膜のベシクルの分散液と該膜本体とを該リン脂質二重膜の相転移温度よりも高い温度にて接触させて該被覆層を形成するベシクル融合工程を有する選択性透過膜の製造方法において、該ベシクルの平均粒径が0.5〜5μmであることを特徴とする選択性透過膜の製造方法。
【選択図】図3A selectively permeable membrane having a coating layer made of a phospholipid bilayer membrane and having high separation performance and a method for producing the same are provided.
A method for producing a selective permeable membrane comprising a membrane body having selective permeability and a coating layer made of a phospholipid bilayer membrane formed on the surface of the membrane body, comprising: A method for producing a selective permeable membrane having a vesicle fusion step of contacting a dispersion liquid of a vesicle of a bilayer membrane and the membrane body at a temperature higher than a phase transition temperature of the phospholipid bilayer membrane to form the coating layer The method for producing a selective permeable membrane according to claim 1, wherein the vesicle has an average particle size of 0.5 to 5 µm.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、水処理分野で使用される選択性透過膜の製造方法に係り、特にリン脂質二重膜よりなる被覆層を有する選択性透過膜の製造方法に関する。また、本発明は、この方法により製造された選択性透過膜に関する。 The present invention relates to a method for producing a selective permeable membrane used in the field of water treatment, and more particularly to a method for producing a selective permeable membrane having a coating layer comprising a phospholipid bilayer membrane. The present invention also relates to a selective permeable membrane produced by this method.
海水やかん水の淡水化、排水回収等の分野で選択性透過膜として逆浸透(RO)膜が使用されている。RO膜の材料としては、酢酸セルロースやポリアミドが用いられている。酢酸セルロースRO膜は、加水分解されやすく、汚染時にアルカリ洗浄ができないといった課題がある。ポリアミドRO膜は、アルカリ洗浄が可能であるが、酢酸セルロース膜と比較して生物代謝物等による膜汚染を起こし易いという課題がある。 Reverse osmosis (RO) membranes are used as selective permeable membranes in the fields of seawater and brine desalination, wastewater recovery, and the like. Cellulose acetate and polyamide are used as materials for the RO membrane. The cellulose acetate RO membrane is easily hydrolyzed and has a problem that it cannot be washed with alkali when contaminated. The polyamide RO membrane can be washed with an alkali, but has a problem that membrane contamination due to a biological metabolite or the like is likely to occur as compared with a cellulose acetate membrane.
リン脂質は、生物の細胞表面を構成する物質であり、生体適合材料として、医療器具や人工臓器の表面にコーティングする手法が知られている(非特許文献1)。このコーティングによりバイオミメティックな表面を構築することができれば、生物代謝物による汚染が起こり難いことが期待される。 A phospholipid is a substance that constitutes the cell surface of a living organism, and a technique for coating the surface of a medical instrument or an artificial organ as a biocompatible material is known (Non-patent Document 1). If a biomimetic surface can be constructed with this coating, it is expected that contamination by biological metabolites is unlikely to occur.
選択透過膜の耐汚染性を向上させるためにリン脂質コーティングを行うことも検討されており、耐汚染性が上がることが報告されている(非特許文献2,3)。
In order to improve the stain resistance of the permselective membrane, it has been studied to apply a phospholipid coating, and it has been reported that the stain resistance is improved (
リン脂質に代表される、親水基と疎水基とを有し、脂質2重層(lipid bylayer)やリポソームを形成する物質(以下、リン脂質と表記することがある。)を基材表面に吸着させる方法として、ラングミュラーブロジェット法が挙げられる。例えば、同方法でトリブロックコポリマーマトリックスに膜タンパク質を組み込んで成膜する方法(特許文献1)、透過性支持体層でアクアポリンをサンドイッチ構造にする方法(特許文献2)がある。 A substance that has a hydrophilic group and a hydrophobic group, represented by phospholipids, and forms lipid bilayers and liposomes (hereinafter sometimes referred to as phospholipids) is adsorbed on the substrate surface. As a method, there is a Langmuir-Blodgett method. For example, there is a method for forming a film by incorporating a membrane protein into a triblock copolymer matrix by the same method (Patent Document 1), and a method for forming an aquaporin sandwich structure with a permeable support layer (Patent Document 2).
リン脂質二重膜よりなるベシクルを平板に吸着させて平膜状のリン脂質二重膜を形成する方法として、ベシクル融合法がある(非特許文献4,5)。非特許文献4のp.209左欄のFig.2には、球殻状ベシクルが固体基板の表面に付着(吸着)し、融合、開裂、展開して平面脂質膜が形成される現象が図示されている。同欄の13〜15行には、ベシクル融合による膜形成では直径30〜200nmのベシクルを用いるのが一般的であると記載されている。
As a method for forming a flat phospholipid bilayer membrane by adsorbing a vesicle composed of a phospholipid bilayer membrane to a flat plate, there is a vesicle fusion method (Non-patent
非特許文献5には、NF膜の表面にベシクル融合法でリン脂質層を形成させる方法が記載されている。選択性透過膜としての機能を発現させるためには、ベシクル融合法で形成されるリン脂質層をコントロールすることが重要となる。非特許文献5には、100nm(0.1μm)の孔径のポリカーボネートトラックエッチング膜(孔径の制御されたMF膜)で10回濾別して得た微細ベシクルを用いて被覆層を形成することが記載されている(非特許文献5のP.7389右欄21〜25行)。
Non-Patent
非特許文献5の上記P.7389右欄には、粒径100nm以下のベシクルと、チャンネル物質としてのアクアポリンとを含む液をNF膜に付着させて被覆層を形成することが記載されている。 The above-mentioned P. The right column of 7389 describes that a coating layer is formed by adhering a liquid containing a vesicle having a particle size of 100 nm or less and aquaporin as a channel substance to an NF film.
このように粒径の小さいベシクルを用いると、形成される被覆層に欠陥(例えばボイド、クラックなど)が生じ易くなることが種々の研究の結果見出された。このような欠陥を防止するために被覆層の膜厚を大きくすることが考えられるが、膜厚を大きくすると透過性が低下する。 As a result of various studies, it has been found that when a vesicle having such a small particle size is used, defects (for example, voids, cracks, etc.) are likely to occur in the formed coating layer. In order to prevent such defects, it is conceivable to increase the film thickness of the coating layer. However, if the film thickness is increased, the permeability is lowered.
本発明は、リン脂質二重膜よりなる被覆層を有し、分離性能に優れた選択透過膜及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a selectively permeable membrane having a coating layer composed of a phospholipid bilayer membrane and excellent in separation performance and a method for producing the same.
本発明の選択性透過膜の製造方法は、選択的透過性を有した膜本体と、該膜本体の表面に形成されたリン脂質二重膜よりなる被覆層とを有する選択性透過膜の製造方法であって、リン脂質二重膜のベシクルの分散液と該膜本体とを該リン脂質二重膜の相転移温度よりも高い温度にて接触させて該被覆層を形成するベシクル融合工程を有する選択性透過膜の製造方法において、該ベシクルの平均粒径が0.5〜5μmであることを特徴とするものである。 The method for producing a selective permeable membrane of the present invention is the production of a selective permeable membrane having a membrane body having selective permeability and a coating layer comprising a phospholipid bilayer membrane formed on the surface of the membrane body. A vesicle fusion step in which a dispersion of a vesicle of a phospholipid bilayer membrane and the membrane body are contacted at a temperature higher than a phase transition temperature of the phospholipid bilayer membrane to form the coating layer. In the method for producing a selective permeable membrane, the average particle diameter of the vesicle is 0.5 to 5 μm.
リン脂質二重膜を構成する両親媒性分子の分子量は200〜2000であることが好ましい。 The molecular weight of the amphiphilic molecule constituting the phospholipid bilayer is preferably 200 to 2000.
前記ベシクルの分散液は、粒径0.5μm未満の微細ベシクルを含むことを特徴とする。 The dispersion of vesicles includes fine vesicles having a particle size of less than 0.5 μm.
前記ベシクルはチャンネル物質を含有することが好ましい。 The vesicle preferably contains a channel substance.
チャンネル物質としては、グラミシジン、アムホテリシンB、ヘモリシン、又はアクアポリンが好ましい。 As the channel substance, gramicidin, amphotericin B, hemolysin, or aquaporin is preferable.
前記膜本体としてはNF膜が好ましい。 The membrane body is preferably an NF membrane.
本発明の選択性透過膜は、かかる本発明方法によって製造されたものである。 The selective permeable membrane of the present invention is produced by the method of the present invention.
なお、本発明において、ベシクルの平均粒径とは、動的光散乱法によって測定される散乱強度から求めた、粒度分布における50%累積値である。具体的には、動的光散乱法により検出された散乱強度を、ヒストグラム法のMarquadt解析法で解析することにより求めたベシクル粒度分布において、小粒径側から頻度を累積した際の50%累積値である。この粒度分布の測定には、例えば、大塚電子(株)製の電気泳動光散乱光度計ELSZ−2等の、動的光散乱法により粒度分布を測定できる装置を好適に用いることができる。また、上記の解析処理は、付属のソフトウェアにより行うことができる。 In the present invention, the average particle size of the vesicle is a 50% cumulative value in the particle size distribution obtained from the scattering intensity measured by the dynamic light scattering method. Specifically, in the vesicle particle size distribution obtained by analyzing the scattering intensity detected by the dynamic light scattering method using the Marquad analysis method of the histogram method, 50% accumulation when the frequency is accumulated from the small particle size side. Value. For the measurement of the particle size distribution, for example, an apparatus capable of measuring the particle size distribution by a dynamic light scattering method such as an electrophoretic light scattering photometer ELSZ-2 manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. can be suitably used. Further, the above analysis processing can be performed by attached software.
発明者は、研究の結果、ベシクル融合法でリン脂質のベシクルを基材となる選択透過膜(NF膜等)に吸着させる際のベシクルサイズがリン脂質層の特性に影響を与え、チャネル物質を組み込んだ被覆層の性能に影響を与えることを見出した。 As a result of research, the inventor found that the vesicle size when adsorbing phospholipid vesicles to a selective permeation membrane (NF membrane, etc.) as a base material by the vesicle fusion method affects the characteristics of the phospholipid layer, It was found to affect the performance of the incorporated coating layer.
前述の非特許文献5のように小粒径のベシクルのみを使用して被覆層を形成すると、被覆層に欠陥が生じやすくなり、欠陥の生成を抑制するために厚い吸着層を形成する必要が生じてしまう。このような厚膜は、チャネル物質のチャネルとしての性能を引き出す上で大きな障害となる。ところが、平均粒径が0.5〜5μmのベシクルを使用すると、1つのベシクルがカバーする基材表面が広くなると共に、小ベシクルが隙間を埋める。これにより、吸着層を厚くすることなく、欠陥のないリン脂質二重層を形成することができる。
When the coating layer is formed using only vesicles having a small particle diameter as in
本発明によると、NF膜の表面に、親水基と疎水基を有するリン脂質二重膜よりなる被覆層が形成される。好ましくはこの被覆層にチャネル物質を含有させることによって、耐汚染性、分離性能が高く、安定な選択透過膜が提供される。 According to the present invention, a coating layer composed of a phospholipid bilayer membrane having a hydrophilic group and a hydrophobic group is formed on the surface of the NF membrane. Preferably, a channel material is contained in the coating layer, thereby providing a stable permselective membrane having high contamination resistance and separation performance.
本発明では、ベシクルを吸着させて被覆層を形成するに際し、ベシクルの流動性を上昇させるため、リン脂質の相転移温度よりも5〜40℃高い温度で吸着させるのが好ましい。
In the present invention, when the vesicle is adsorbed to form a coating layer, it is preferably adsorbed at a
本発明においては、水の透過部となるチャネルを形成する化合物(チャンネル物質)をベシクルに含有させることが好ましい。このチャンネル物質としては、グラミシジン、アムホテリシンB、ヘモリシン、アクアポリンなどを挙げることができる。 In the present invention, the vesicle preferably contains a compound (channel substance) that forms a channel serving as a water-permeable portion. Examples of the channel substance include gramicidin, amphotericin B, hemolysin, aquaporin, and the like.
本発明方法では、ベシクル分散液と選択的透過性を有した膜本体とを接触させて該膜本体の表面にリン脂質二重膜よりなる被覆層を形成する。 In the method of the present invention, a vesicle dispersion and a membrane body having selective permeability are brought into contact with each other to form a coating layer made of a phospholipid bilayer membrane on the surface of the membrane body.
この膜本体としては、NF膜、UF膜、又はMF膜を用いることができるが、表面が平坦であることからNF膜とUF膜が好ましく、特にNF膜が好適である。 As this membrane body, an NF membrane, a UF membrane, or an MF membrane can be used, but an NF membrane and a UF membrane are preferred because the surface is flat, and an NF membrane is particularly preferred.
本発明では、リン脂質よりなる平均粒径0.5〜5μmのベシクルを用いて膜本体の表面にベシクル融合法により被覆層を形成する。ベシクルを構成するリン脂質としては、ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)、ジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)、ジステアロイルホスファチジルコリン(DSPC)、パルミトイルオレオイルホスファチジルコリン(POPC)などが挙げられる。 In the present invention, a coating layer is formed on the surface of the membrane body by a vesicle fusion method using vesicles made of phospholipid and having an average particle size of 0.5 to 5 μm. Examples of the phospholipid constituting the vesicle include dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC), dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC), distearoyl phosphatidylcholine (DSPC), palmitoyl oleoyl phosphatidylcholine (POPC), and the like.
ベシクルを形成するに際しては、まずリン脂質を好ましくはチャンネル物質と共に溶媒に溶解させる。チャンネル物質としては、グラミシジン、アムホテリシンB、ヘモリシン、アクアポリンなどを用いることができる。 In forming the vesicles, the phospholipid is first dissolved in a solvent, preferably with the channel material. As the channel substance, gramicidin, amphotericin B, hemolysin, aquaporin and the like can be used.
リン脂質とチャンネル物質との混合割合は、両者の合計に占めるチャンネル物質の割合が1〜20モル%特に3〜10モル%となる程度が好適である。 The mixing ratio of the phospholipid and the channel substance is preferably such that the ratio of the channel substance to the total of both is 1 to 20 mol%, particularly 3 to 10 mol%.
平均粒径0.5〜5μmのベシクル分散液は、特に限定されるものではないが、例えば以下の方法で製造可能である。 The vesicle dispersion having an average particle size of 0.5 to 5 μm is not particularly limited, but can be produced by the following method, for example.
まず、リン脂質とチャンネル物質とを溶媒に溶解させる。リン脂質とチャンネル物質を溶解させるための溶媒としては、クロロホルム、クロロホルム/メタノール混合液などを用いることができる。 First, a phospholipid and a channel substance are dissolved in a solvent. As a solvent for dissolving the phospholipid and the channel substance, chloroform, chloroform / methanol mixed solution, or the like can be used.
次に、リン脂質とチャンネル物質との0.1〜1.0wt%特に0.2〜0.5wt%溶液を調製し、減圧乾燥させることにより、乾燥脂質膜を得、これに純水を添加し、リン脂質の相転移温度よりも高い温度とすることにより、球殻形状を有したベシクルの分散液とする。 Next, 0.1 to 1.0 wt%, particularly 0.2 to 0.5 wt% solution of phospholipid and channel substance is prepared and dried under reduced pressure to obtain a dry lipid membrane, and pure water is added thereto By setting the temperature higher than the phase transition temperature of the phospholipid, a vesicle dispersion having a spherical shell shape is obtained.
本発明の一態様では、このベシクル分散液を孔径0.05〜0.8μmのポアを有した膜(例えばポリカーボネートトラックエッチング膜)で濾過して粒径0.05〜0.8μm又はそれ以下の球殻状ベシクルの分散液とする。次いで、このベシクル分散液を、リン脂質の相転移温度よりも高い温度と、凍結温度以下とに繰り返し保持する凍結融解法により、球殻状ベシクルを粒成長させて、平均粒径が0.5〜5μmのものとする。 In one embodiment of the present invention, the vesicle dispersion is filtered through a membrane having pores having a pore size of 0.05 to 0.8 μm (for example, polycarbonate track etching membrane) to have a particle size of 0.05 to 0.8 μm or less. A dispersion of spherical shell vesicles is used. Subsequently, the spherical shell vesicles are grown by a freeze-thaw method in which this vesicle dispersion is repeatedly held at a temperature higher than the phase transition temperature of the phospholipid and below the freezing temperature, so that the average particle size is 0.5. ˜5 μm.
本発明の別の一態様では、かかる凍結融解処理を施すことなく、そのまま平均粒径0.5〜5μmのベシクル分散液として用いる。 In another embodiment of the present invention, it is used as it is as a vesicle dispersion having an average particle size of 0.5 to 5 μm without performing such freeze-thaw treatment.
本発明で用いるベシクル分散液のベシクルの平均粒径は、好ましくは0.5〜5μm、特に好ましくは1〜5μmである。このベシクル分散液には、平均粒径が0.5μm未満(例えば粒径0.1μm〜0.5μm)のものを含有させてもよい。このように小粒径のベシクルを含有させると、得られる膜が緻密化する。また、ベシクル分散液のベシクルの粒度分布は、動的光散乱法による散乱強度の25%累積値が0.5μm以上であり、散乱強度の75%累積値が5μm以下であることが膜を緻密化させるためには好ましい。 The average particle diameter of the vesicles of the vesicle dispersion used in the present invention is preferably 0.5 to 5 μm, particularly preferably 1 to 5 μm. This vesicle dispersion may contain an average particle size of less than 0.5 μm (for example, a particle size of 0.1 μm to 0.5 μm). When a vesicle having a small particle diameter is contained in this way, the resulting film is densified. In addition, the particle size distribution of the vesicles in the vesicle dispersion is such that the 25% cumulative value of the scattering intensity by the dynamic light scattering method is 0.5 μm or more and the 75% cumulative value of the scattering intensity is 5 μm or less. It is preferable to make it.
このベシクル分散液と膜本体とを接触させる。このベシクル分散液の温度を相転移温度以上とし、好ましくはリン脂質の相転移温度よりも、5〜40℃特に10〜30℃高い温度とし、このベシクル分散液に接触させた状態に0.5〜6Hr特に1〜3Hr程度保つことにより、膜本体の表面にベシクルを吸着させ、リン脂質二重膜の被覆層を形成する。その後、被覆層付きの膜本体を溶液から引き上げ、必要に応じ超純水又は純水で水洗することにより、リン脂質二重膜の被覆層を有した選択性透過膜が得られる。 This vesicle dispersion is brought into contact with the membrane body. The temperature of the vesicle dispersion is set to be equal to or higher than the phase transition temperature, preferably 5 to 40 ° C., particularly 10 to 30 ° C. higher than the phase transition temperature of the phospholipid, and 0.5% in a state of being in contact with the vesicle dispersion. By maintaining ˜6 Hr, particularly about 1 to 3 Hr, vesicles are adsorbed on the surface of the membrane body to form a coating layer of the phospholipid bilayer membrane. Thereafter, the membrane main body with the coating layer is pulled up from the solution and washed with ultrapure water or pure water as necessary to obtain a selective permeable membrane having a coating layer of a phospholipid bilayer membrane.
リン脂質二重膜の厚さは1〜30層特に1〜15層程度であることが好ましい。この被覆層の表面にポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、タンニン酸などのアニオン性物質を吸着させてもよい。リン脂質二重膜の表面はカチオン性の親水基が存在しているため、アニオン性の物質を接触させることで定着させることができる。 The thickness of the phospholipid bilayer membrane is preferably about 1 to 30 layers, particularly about 1 to 15 layers. Anionic substances such as polyacrylic acid, polystyrene sulfonic acid, and tannic acid may be adsorbed on the surface of the coating layer. Since the surface of the phospholipid bilayer membrane has a cationic hydrophilic group, it can be fixed by contacting an anionic substance.
本発明では、ジミリストリメチルアンモニウムプロパン(DMTAP)、ジオレオイルトリメチルアンモニウムプロパン(DOTAP)などのカチオン性脂質をベシクルに導入することが好ましい。このようにカチオン性脂質を導入することにより、リン脂質ベシクルに正電荷が付与される。この理由は次の通りである。 In the present invention, it is preferable to introduce a cationic lipid such as dimyris trimethyl ammonium propane (DMTAP) or dioleoyl trimethyl ammonium propane (DOTAP) into the vesicle. By introducing the cationic lipid in this way, a positive charge is imparted to the phospholipid vesicle. The reason is as follows.
ベシクル融合の際はHCl添加でpHを下げているため、両性リン脂質(DPPC、DMPCなど)は正電荷を有する。従って、このDMTAP等を導入しなくても、支持膜にリン脂質が吸着される。しかし、DMTAP、DOTAPのようなカチオン性脂質を添加していないと、成膜後、純水で洗浄した際にpHが中性になるため、静電的相互作用が働かなくなり、次第にコーティングしたリン脂質が剥がれるという現象が生じる可能性がある。DMTAP、DOTAP等のカチオン性脂質をベシクルに導入しておくと、かかるリン脂質の剥離が防止される。なお、リン脂質にPOPCを用いた際は、相転移温度に影響を与えないよう不飽和カチオン脂質であるDOTAPを添加することが好ましい。DMTAPのようなカチオン性脂質と、DPPCなどの両性のリン脂質との配合比は、好ましくはモル比で、DMTAP/(リン脂質+DMTAP)=5〜40モル%、より好ましくは、10〜30モル%である。 During vesicle fusion, the pH is lowered by the addition of HCl, so amphoteric phospholipids (DPPC, DMPC, etc.) have a positive charge. Accordingly, phospholipids are adsorbed on the support membrane without introducing DMTAP or the like. However, if cationic lipids such as DMTAP and DOTAP are not added, the pH becomes neutral when the film is washed with pure water after film formation. There is a possibility that the phenomenon of lipid peeling occurs. When a cationic lipid such as DMTAP or DOTAP is introduced into the vesicle, the phospholipid is prevented from peeling off. When POPC is used as the phospholipid, it is preferable to add DOTAP, which is an unsaturated cationic lipid, so as not to affect the phase transition temperature. The compounding ratio of the cationic lipid such as DMTAP and the amphoteric phospholipid such as DPPC is preferably a molar ratio, DMTAP / (phospholipid + DMTAP) = 5 to 40 mol%, more preferably 10 to 30 mol. %.
以下、実施例及び比較例について説明する。 Hereinafter, examples and comparative examples will be described.
[NF膜]
以下の実施例及び比較例では、NF膜としてスルホン化ポリエーテルスルホン系ナノ濾過膜NTR−7450(日東電工製、純水透過係数27〜38×10−12m/(sPa)、透過流束1.75〜2.46m3/(m2d)、脱塩率0.50〜0.55)を用いた。
[NF membrane]
In the following examples and comparative examples, a sulfonated polyethersulfone-based nanofiltration membrane NTR-7450 (manufactured by Nitto Denko, pure water permeability coefficient 27-38 × 10 −12 m / (sPa),
[膜の性能試験装置]
以下の実施例及び比較例で使用した膜の性能評価装置を図1,2に示す。供試膜Mは、図2の通り、平膜セル10に装着される。このセル10は、下半体11と上半体12との間に多孔質支持板13が挟持され、この多孔質支持板13の下面側に供試膜Mを配置し、Oリング14でシールするよう構成したものである。下半体11内にはスターラー16の撹拌子17が配置されている。
[Membrane performance testing equipment]
The film performance evaluation apparatus used in the following examples and comparative examples is shown in FIGS. The test membrane M is attached to the
被処理水をポンプ1によって下半体11内に流入口2から供給し、透過水を取出口3から流出させ、濃縮水を排出口4から排出管5へ排出させる。排出管5には、背圧バルブ6が設けられている。
The treated water is supplied from the
[膜性能の評価方法]
膜性能の評価水としては、純水、500ppm塩化ナトリウム水溶液、および100ppm尿素水溶液を使用した。その際の操作圧力は0.75MPaであり、水温は25℃±2℃である。透過流束、純水透過係数、脱塩率及び尿素阻止率は以下の式で求めた。
透過流束[m/s]=透過流量[m3/s]/膜面積[m2]×温度補正係数[−]
純水透過係数[m/(sPa)]=純水透過流束[m/s]/操作圧力[Pa]
脱塩率[−]=1−透過水電気伝導度[mS/m]/濃縮水電気伝導度[mS/m]
尿素阻止率[−]=1−透過水TOC[mg/L]/濃縮水TOC[mg/L]
[Method for evaluating membrane performance]
As evaluation water for the membrane performance, pure water, a 500 ppm sodium chloride aqueous solution, and a 100 ppm urea aqueous solution were used. The operating pressure at that time is 0.75 MPa, and the water temperature is 25 ° C. ± 2 ° C. The permeation flux, pure water permeation coefficient, desalination rate, and urea rejection rate were determined by the following equations.
Permeation flux [m / s] = permeation flow rate [m 3 / s] / membrane area [m 2 ] × temperature correction coefficient [−]
Pure water permeability coefficient [m / (sPa)] = pure water flux [m / s] / operating pressure [Pa]
Desalination rate [−] = 1−permeated water electrical conductivity [mS / m] / concentrated water electrical conductivity [mS / m]
Urea rejection rate [−] = 1−permeated water TOC [mg / L] / concentrated water TOC [mg / L]
[相転移温度の測定方法]
相転移温度はDSC(示差操作熱量計)で測定した。使用した装置は、Perkin Elmer製のDSC8500である。この装置により測定されたリン脂質もしくはそのチャンネル物質混合物の相転移温度は次の通りである。
DPPC/DMTAP/GA(モル比76/19/5):45.23℃
DPPC:41.4℃
DMPC:23.9℃
DMPC/DMTAP/GA(モル比76/19/5):26.9〜29.9℃
POPC:−2.9℃
[Measurement method of phase transition temperature]
The phase transition temperature was measured by DSC (differential operation calorimeter). The device used is a DSC8500 manufactured by Perkin Elmer. The phase transition temperature of the phospholipid or its channel substance mixture measured by this apparatus is as follows.
DPPC / DMTAP / GA (molar ratio 76/19/5): 45.23 ° C.
DPPC: 41.4 ° C
DMPC: 23.9 ° C
DMPC / DMTAP / GA (molar ratio 76/19/5): 26.9 to 29.9 ° C
POPC: -2.9 ° C
[実施例1]
ベシクルを構成するリン脂質としてジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)を用い、カチオン性脂質としてジミリストイルトリメチルアンモニウムプロパン(DMTAP)を用い、ベシクルに導入するチャネル物質としてグラミジンA(GA)を用いた。
[Example 1]
Dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) was used as the phospholipid constituting the vesicle, dimyristoyltrimethylammoniumpropane (DMTAP) was used as the cationic lipid, and gramidine A (GA) was used as the channel substance to be introduced into the vesicle.
リン脂質とチャネル物質は、50:50vol%のクロロホルム/メタノールに溶解し、混合比としてDPPC/DMTAP/GA=76/19/5(mol%)の0.3wt%溶液を調製した。ベシクルの作製には、減圧下で有機溶媒を蒸発させることで容器内に残存した乾燥脂質膜に純水を添加し、DPPC/DMTAP/GAから構成される薄膜を60℃で水和させた。得られた球殻状ベシクルの分散液を孔径0.2μmのポリカーボネートトラックエッチング膜で濾過して粒径0.2μm以下に小径化したのち、液体窒素と60℃の湯浴に交互に浸漬させる操作を5回繰り返す凍結融解法により、粒成長させた。 The phospholipid and the channel substance were dissolved in 50:50 vol% chloroform / methanol, and a 0.3 wt% solution of DPPC / DMTAP / GA = 76/19/5 (mol%) was prepared as a mixing ratio. For the production of vesicles, pure water was added to the dry lipid film remaining in the container by evaporating the organic solvent under reduced pressure, and the thin film composed of DPPC / DMTAP / GA was hydrated at 60 ° C. The resulting spherical shell vesicle dispersion is filtered through a polycarbonate track etching membrane having a pore size of 0.2 μm to reduce the particle size to 0.2 μm or less, and then immersed in liquid nitrogen and a 60 ° C. hot water bath alternately. Were grown by freeze-thaw method repeated 5 times.
このベシクル分散液のリン脂質濃度が1.5mMになるように純水で希釈し、希塩酸を加えpHを2.0に調整した。動的光散乱法(大塚電子製・ELSZ−2を使用)によりベシクルの粒径分布を測定した結果を図3に示す。調製されたDPPC/DMTAP/GAベシクルの平均粒径は2300nm(2.3μm)であった。このベシクルは、粒径0.5μm以下のものを実質的に含んでいない。このベシクル分散液とNF膜NTR−7450(日東電工)とを接触させ、60℃に加熱した恒温槽中で3時間静置し、NF膜表面にベシクルを吸着させた。その後、膜を水中から引き上げ、純水で洗浄した。 The vesicle dispersion was diluted with pure water so that the phospholipid concentration was 1.5 mM, and diluted hydrochloric acid was added to adjust the pH to 2.0. The result of measuring the particle size distribution of the vesicles by the dynamic light scattering method (manufactured by Otsuka Electronics, ELSZ-2) is shown in FIG. The average particle diameter of the prepared DPPC / DMTAP / GA vesicle was 2300 nm (2.3 μm). This vesicle is substantially free of particles having a particle size of 0.5 μm or less. This vesicle dispersion was brought into contact with an NF membrane NTR-7450 (Nitto Denko) and left to stand in a thermostatic chamber heated to 60 ° C. for 3 hours to adsorb the vesicle on the surface of the NF membrane. Thereafter, the membrane was pulled up from the water and washed with pure water.
このDPPC/DMTAP/GAよりなるベシクル吸着層を形成させたNF膜の特性を評価したところ、純水透過係数2.2×10−12min/(sPa)、純水透過流束0.14m3/(m2d)、脱塩率0.95、尿素阻止率0.45であった。吸着量から算出されるリン脂質二重層の厚さは10層であった。 When the characteristics of the NF membrane on which the vesicle adsorption layer made of DPPC / DMTAP / GA was formed were evaluated, the pure water permeability coefficient was 2.2 × 10 −12 min / (sPa), and the pure water permeability flux was 0.14 m 3. / (M 2 d), the salt rejection was 0.95, and the urea rejection was 0.45. The thickness of the phospholipid bilayer calculated from the amount of adsorption was 10 layers.
[実施例2]
ベシクルを構成するリン脂質としてジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)を用い、カチオン性脂質としてDMTAPを用い、ベシクルに導入するチャネル物質としてGAを用いた。リン脂質、カチオン性脂質及びチャネル物質は、50:50vol%のクロロホルム/メタノールに溶解し、混合比としてDMPC/DMTAP/GA=76/19/5[mol%]の0.3wt%溶液を調製した。この溶液を減圧して有機溶媒を蒸発させた後、容器内に残存した乾燥脂質膜に純水を添加し、DMPC/DMTAP/GAから構成される薄膜を45℃で水和させた。次いで、ベシクル分散液のリン脂質濃度が1.5mMになるように純水で希釈し、希塩酸を加えpHを2.0に調整した。動的光散乱法(実施例1と同じ装置を使用)によりベシクルの粒径分布を測定した結果を図4に示す。調製されたDMPC/DMTAP/GAベシクルの平均粒径は940nm(0.94μm)であり、粒径0.1〜0.2μmの微細なものを散乱強度分布で4%含んでいた。
[Example 2]
Dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) was used as the phospholipid constituting the vesicle, DMTAP was used as the cationic lipid, and GA was used as the channel substance to be introduced into the vesicle. Phospholipids, cationic lipids and channel substances were dissolved in 50:50 vol% chloroform / methanol, and a 0.3 wt% solution of DMPC / DMTAP / GA = 76/19/5 [mol%] was prepared as a mixing ratio. . After depressurizing this solution and evaporating the organic solvent, pure water was added to the dry lipid membrane remaining in the container, and the thin film composed of DMPC / DMTAP / GA was hydrated at 45 ° C. Subsequently, it diluted with pure water so that the phospholipid density | concentration of a vesicle dispersion liquid might be set to 1.5 mM, and diluted hydrochloric acid was added and pH was adjusted to 2.0. The result of measuring the particle size distribution of the vesicles by the dynamic light scattering method (using the same apparatus as in Example 1) is shown in FIG. The prepared DMPC / DMTAP / GA vesicle had an average particle size of 940 nm (0.94 μm), and contained 4% fine particles having a particle size of 0.1 to 0.2 μm in terms of scattering intensity distribution.
このベシクル分散液とNF膜NTR−7450(日東電工)を接触させ、45℃に加熱した恒温槽中で3時間静置し、NF膜表面にベシクルを吸着させてDMPC/DMTAP/GAの被覆層を有したNF膜を製造した。この被覆層付きNF膜の特性を評価したところ、純水透過係数2.1×10−12m/(sPa)、純水透過流束0.14m3/(m2d)、脱塩率0.98、尿素阻止率0.58であった。吸着量から算出されるリン脂質二重層の厚さは5層であった。 The vesicle dispersion is brought into contact with the NF film NTR-7450 (Nitto Denko) and left in a thermostatic chamber heated to 45 ° C. for 3 hours to adsorb the vesicles on the surface of the NF film, thereby coating the DMPC / DMTAP / GA coating layer. An NF membrane having When the characteristics of the NF membrane with a coating layer were evaluated, the pure water permeability coefficient was 2.1 × 10 −12 m / (sPa), the pure water permeability flux was 0.14 m 3 / (m 2 d), and the salt rejection was 0. The urea rejection was 0.58. The thickness of the phospholipid bilayer calculated from the amount of adsorption was 5 layers.
[比較例1]
DPPC/DMTAP/GAから構成される薄膜を60℃で水和させた後に、液体窒素と60℃の湯浴に交互に浸漬させる操作を5回繰り返す凍結融解法を実施する代わりに、ベシクル溶液を孔径0.1μmのポリカーボネートトラックエッチング膜で濾過することにより、粒径0.1μm未満で平均粒径0.08μmのベシクルの分散液を調製し、この分散液を用いたこと以外は、実施例1と同様の手順で、DPPC/DMTAP/GAの吸着層を形成させたNF膜を製造した。この膜の脱塩率は0.75以下であり、十分な脱塩性能が得られなかった。
[Comparative Example 1]
Instead of performing a freeze-thaw method in which a thin film composed of DPPC / DMTAP / GA is hydrated at 60 ° C. and then alternately immersed in liquid nitrogen and a 60 ° C. water bath five times, a vesicle solution is used. A vesicle dispersion having a particle size of less than 0.1 μm and an average particle size of 0.08 μm was prepared by filtering through a polycarbonate track etching membrane having a pore size of 0.1 μm, and Example 1 was used except that this dispersion was used. The NF membrane in which the adsorption layer of DPPC / DMTAP / GA was formed was manufactured in the same procedure as described above. The desalting rate of this membrane was 0.75 or less, and sufficient desalting performance was not obtained.
[比較例2]
DMPC/DMTAP/GAから構成される薄膜を45℃で水和させた後に、ベシクル溶液を孔径0.1μmのポリカーボネートトラックエッチング膜で濾過することにより、粒径0.1μm未満で平均粒径0.08μmのベシクルの分散液を調製し、この分散液を用いたこと以外は、実施例2と同様の手順で、DMPC/DMTAP/GAの吸着層を形成させたNF膜を製造した。この膜の脱塩率は0.75以下であり、十分な脱塩性能が得られなかった。
[Comparative Example 2]
A thin film composed of DMPC / DMTAP / GA is hydrated at 45 ° C., and then the vesicle solution is filtered through a polycarbonate track etching film having a pore diameter of 0.1 μm. A NF membrane having an adsorption layer of DMPC / DMTAP / GA was produced in the same manner as in Example 2 except that a dispersion of 08 μm vesicle was prepared and this dispersion was used. The desalting rate of this membrane was 0.75 or less, and sufficient desalting performance was not obtained.
[比較例3]
ベシクル分散液とNF膜NTR−7450(日東電工)とを接触させ、45℃の恒温槽中で3時間静置する代わりに、25℃の恒温槽中で3時間静置するようにしたこと以外は、実施例2と同様の手順で、DMPC/DMTAP/GAの吸着層を形成させたNF膜を製造した。
[Comparative Example 3]
Other than contacting the vesicle dispersion with the NF membrane NTR-7450 (Nitto Denko) and leaving it in a 45 ° C constant temperature bath for 3 hours, instead of leaving it in a 25 ° C constant temperature bath for 3 hours Manufactured an NF film having a DMPC / DMTAP / GA adsorption layer formed in the same procedure as in Example 2.
この被覆層(吸着層)付きNF膜の特性を評価したところ、純水透過係数12×10−12min/(sPa)、純水透過流束0.78m3/(m2(D))、脱塩率0.1以下、尿素阻止率0であった。この比較例3より、接触温度がDMPC/DMTAP/GA(モル比76/19/5)の相転移温度よりも低い場合、十分な脱塩性能が得られないことが認められた。
When the characteristics of the NF membrane with this coating layer (adsorption layer) were evaluated, the pure
[実施例3]
ベシクルを構成する脂質としてパルミトイルオレオイルホスファチジルコリン(POPC)を用い、カチオン性脂質としてジオレオイルトリメチルアンモニウムプロパン(DOTAP)を用い、ベシクルに導入するチャネル物質としてグラミジンA(GA)を用いた。脂質とチャネル物質は、50:50vol%のクロロホルム/メタノールに溶解し、混合比としてPOPC/DOTAP/GA=76/19/5[mol%]の溶液を調製した。
[Example 3]
Palmitoyl oleoyl phosphatidylcholine (POPC) was used as the lipid constituting the vesicle, dioleoyltrimethylammoniumpropane (DOTAP) was used as the cationic lipid, and gramidine A (GA) was used as the channel substance to be introduced into the vesicle. The lipid and the channel substance were dissolved in 50:50 vol% chloroform / methanol, and a solution having a mixing ratio of POPC / DOTAP / GA = 76/19/5 [mol%] was prepared.
ベシクルの作製には、減圧下で有機溶媒を蒸発させることにより脂質を乾燥させ、次いで容器内に残存した乾燥脂質膜に純水を添加し、POPC/DOTAP/GAから構成される薄膜を25℃で水和させた。得られたベシクル溶液をポリカーボネートトラックエッチング膜で濾過して粒径を0.2μm程度に小径化したのち、液体窒素と40℃の湯浴に交互に浸漬させる操作を5回繰り返す凍結融解法により、大きな一枚膜ベシクルを作製した。 For the production of vesicles, the organic solvent was evaporated under reduced pressure to dry the lipid, and then pure water was added to the dry lipid film remaining in the container, and a thin film composed of POPC / DOTAP / GA was formed at 25 ° C. Hydrated with. The obtained vesicle solution was filtered through a polycarbonate track etching film to reduce the particle size to about 0.2 μm, and then the operation of alternately immersing in liquid nitrogen and a 40 ° C. hot water bath was repeated five times by a freeze-thaw method. Large single film vesicles were prepared.
ベシクル溶液の脂質濃度が1.5mMになるように純水で希釈し、希塩酸を加えpHを2.0に調整した。動的光散乱法(大塚電子製ELSZ−2を使用)によりベシクルの粒径分布を測定した結果を図5に示す。 The solution was diluted with pure water so that the lipid concentration of the vesicle solution was 1.5 mM, and diluted hydrochloric acid was added to adjust the pH to 2.0. The result of measuring the particle size distribution of the vesicles by the dynamic light scattering method (using ELSZ-2 manufactured by Otsuka Electronics) is shown in FIG.
ベシクル溶液とナノ濾過膜NTR−7450(日東電工)を接触させ、25℃で3時間静置し、NF膜表面に脂質層を吸着させ、POPC/DOTAP/GAの吸着層付きNF膜を製造した。この膜の純水透過係数は3.6×10−13m/(sPa)、純水透過流束は0.027m3/(m2d)、脱塩率は0.97であった。吸着量から算出されるリン脂質二重層の厚さは5層であった。吸着させるベシクルの相転移温度が0℃以下であり、吸着時の温度が25℃であるため、分離性能のある膜が得られたと考えられる。 The vesicle solution and the nanofiltration membrane NTR-7450 (Nitto Denko) were contacted and allowed to stand at 25 ° C. for 3 hours to adsorb the lipid layer on the surface of the NF membrane to produce an NF membrane with an adsorption layer of POPC / DOTAP / GA. . This membrane had a pure water permeation coefficient of 3.6 × 10 −13 m / (sPa), a pure water permeation flux of 0.027 m 3 / (m 2 d), and a desalting rate of 0.97. The thickness of the phospholipid bilayer calculated from the amount of adsorption was 5 layers. Since the phase transition temperature of the vesicle to be adsorbed is 0 ° C. or lower and the temperature at the time of adsorption is 25 ° C., it is considered that a membrane having separation performance was obtained.
10 平膜セル
13 多孔質支持板
10
Claims (7)
リン脂質二重膜のベシクルの分散液と該膜本体とを該リン脂質二重膜の相転移温度よりも高い温度にて接触させて該被覆層を形成するベシクル融合工程を有する選択性透過膜の製造方法において、
該ベシクルの平均粒径が0.5〜5μmであることを特徴とする選択性透過膜の製造方法。 A method for producing a selectively permeable membrane comprising a membrane body having selective permeability and a coating layer comprising a phospholipid bilayer membrane formed on the surface of the membrane body,
A selective permeable membrane having a vesicle fusion step in which a dispersion of a vesicle of a phospholipid bilayer membrane and the membrane body are brought into contact with each other at a temperature higher than the phase transition temperature of the phospholipid bilayer membrane to form the coating layer In the manufacturing method of
A method for producing a selective permeable membrane, wherein the vesicle has an average particle size of 0.5 to 5 µm.
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