パーストラクション

パーストラクションは膜抽出プロセスであり、2つの液相を膜を介して接触させます。原料中の目的物質（溶質）は選択的に膜を通過し、抽出溶液へと移行します。パーストラクションはもともと、抽出剤の毒性やエマルジョン形成といった液液抽出の欠点を克服するために開発されました。パーストラクションは、発酵^[1] 、廃水処理^[2]、ノンアルコール飲料製造 など、多くの分野に応用されています。

導入

パーストラクションは、液液抽出から発展した分離技術です。膜の存在により、より幅広い抽出剤を選択でき、混和性溶液の使用も可能となります。例えば、硫酸を用いて廃水からアンモニアを回収するといったことが可能です。^[3]

このプロセスは、いくつかの点でパーベーパレーションに類似しています。ただし、透過液は液相です。パーストラクション技術は、相の分散と分離の問題を完全に排除します。^[4]

基本的なパーストラクションは、シングルパーストラクションまたはメンブレンパーストラクションと呼ばれます。利点は、微生物や酵素への毒性ダメージを最小限に抑えられることです。しかしながら、パーストラクションには高価な膜の使用、膜の目詰まりやファウリングなどの問題が伴います。^[5]

アプリケーション

ブタノール発酵におけるパーストラクション

パーストラクションは、ブタノール生産のためにABE（アセトン・ブタノール・エタノール）発酵と組み合わされてきた。^[1]ブタノールは発酵に対して有毒であるため、パーストラクションを適用して、ブタノールが生成されるとすぐに細菌の周囲からブタノールを除去することができる。液液抽出（LLE）は、in situ生成物回収のためにABE発酵と組み合わされたが、ブタノールとの親和性が最も高い抽出剤は細菌に対して有毒である傾向がある。LLEを適用するには、抽出剤を発酵液と接触させる前に滅菌する必要がある。パーストラクションは、発酵液と抽出剤を隔てる膜によりこれらの問題を克服することができる。ABE発酵のin situ生成物回収技術として、パーストラクションはまだ開発段階にある。

荷電膜を通したアミノ酸の分離

膜は分離に多くの新しい要素をもたらします。アミノ酸は抽出によって分離されてきました。^{[6] [7]}膜は抽出剤と一次溶液を分離するだけでなく、アミノ酸に対して選択性も持ちます。荷電膜が使用され、pKaによってアミノ酸が選択されました。さらに、膜の選択性は、膜の厚さ、細孔径、および荷電電位によって影響を受けます。細孔が大きいほど、アミノ酸は膜をよりよく透過します。荷電電位が高いほど、静電除去効果は大きくなります。膜が薄いほど、選択性は低くなります。

きれいな地下水

地下水から汚染物質を除去するには、パーストラクション（浸透圧抽出）が効果的です。^[8]様々な技術が特許を取得しています。^[9]最も古いものは1990年に、最も新しいものは1998年に公開されました。2000年代にはいくつかの特許出願が行われましたが、特許は取得されていません。^[10]

地下水から有機化合物を膜を通して濃縮した。^[8]濃縮係数は1,000～10,000で、0.1ppbの濃度を0.1～1.0ppmにまで低減できる。さらに、汚染物質の濃度はリアルタイムで分析できる。膜はポリサルファンのようなポリマーで、孔径は300μm、厚さは30μmである。

水からの医薬品の除去

医薬品は下水処理場を通過する。エストロゲン複合体と同様に、問題を引き起こす可能性がある。研究対象となった薬物は一般的なもので、水環境に存在し、下水処理場では適切に除去できないものであった。^[11]研究対象となった薬物は7種類であった。ジブチルセバケートとオレイン酸は、カプセルから拡散せず、薬物との親和性を持つため、カプセル内で液体コアを形成した。カプセルの外径は740μmと680μm、内径は570μmと500μmであった。撹拌速度は300rpmであった。平衡時間は30分、50分、90分であった。

セバシン酸ジブチルとオレイン酸は薬物に対する親和性が異なるため、併用した。^[11] 4種類の薬物は40～50分間で効果的に抽出され（少なくとも50%が除去された）、150rpm以上では抽出速度に大きな変化は見られなかった。膜の厚さは結果に大きな影響を与えなかった。対照的に、カプセルのサイズは物質移動に顕著な影響を与えた。

水性媒体から分離された疎水性ゲルガナマイシン

ゲルダナマイシンと呼ばれる抗生物質は、莢膜のパーストラクションによって培地から分離されました。^[12]ゲルダナマイシンは疎水性です。外粒子径は500μm未満から750μmまで変化しました。アルギン酸がカプセルの殻を形成し、その厚さは30μmから90μmまで変化しました。液体コアとしてセバシン酸ジブチルまたはオレイン酸を使用すると、ゲルダナマイシンは良好に抽出されました。撹拌が強く、カプセル膜が薄いほど、移動速度は速くなりました。

ゲルダナマイシンはカプセルから逆抽出された^[12] 。ジブチルセバケートカプセルは、逆抽出によりカプセルから液体コアが出てくるため使い捨てであった。一方、抽出液がオレイン酸で飽和状態になった逆抽出では、オレイン酸はカプセル内に残留した。しかし、逆抽出液中にオレイン酸が存在するため、より多くの精製工程（沈殿、遠心分離、ろ過）が必要であった。オレイン酸はゲルダナマイシンの結晶化を阻害するため、除去された。その結果、ゲルダナマイシンは結晶化し、最終製品は高度に精製された。

酵素はカプセル膜に固定化することができる。^[6]この場合、カプセルの外径は500μm、内径は300μmであった。酵素触媒反応の生成物はカプセルに濃縮することができ、最終生成物阻害は低い。^{[13]酵素のリサイクルは生成物を逆抽出することによって行うことができる。この技術は}ペニシリンGの加水分解に応用されている。

参照

浸透- 膜で隔てられた液体間で溶媒分子が移動するプロセス

参考文献

1. Qureshi, N.; Maddox, IS (2005). 「パーストラクションによるブタノール阻害の軽減」.食品およびバイオ製品加工. 83 (1): 43– 52. doi :10.1205/fbp.04163.
2. du Preez, Jan; Norddahl, Birgir; Christensen, Knud (2005). 「BIOREK®コンセプト：高濃度廃水処理のためのハイブリッド膜バイオリアクターコンセプト」.脱塩. 183 ( 1–3 ): 407– 415. Bibcode :2005Desal.183..407D. doi :10.1016/j.desal.2005.03.042.
3. 「腐食制御とガス転送 - リキセル - メンブラーナプレス」liquicel.com . 2017年8月15日閲覧。
4. 遠藤、I.長宗、T.加藤真司；米本 哲 (2000 年 3 月 17 日)生物分離工学。エルゼビア。 p. 64.ISBN​ 9780080528151。
5. LUQUE, R.、CAMPELO, J.、CLARK, J.編、2011年。『バイオ燃料生産ハンドブック – プロセスと技術』Woodhead Publishing。
6. WYSS, A., VON STOCKAR, U. and MARISON, IW, 2006. 液体コアマイクロカプセルをベースとした新規反応性パーストラクションシステムのリパーゼ触媒生体内変換への応用. バイオテクノロジーとバイオエンジニアリング, 93(1), pp. 28–39.
7. 磯野 雄三・福島 功・川勝 毅・中島 正之, 1995. 荷電膜を用いた新規選択的パーストラクションシステム. 膜科学誌, 105(3), pp. 293–297.
8. ANONYMOUS, 1997. 地下水モニターはパーストラクションを利用する。膜技術、1997(90)、pp.3-4。
9. ANONYMOUS A, 2012, 米国特許。出典: http://patft.uspto.gov/ [2012年1月6日]
10. ANONYMOUS B, 2012, Patent Lens ホーム. 入手可能: http://www.patentlens.net/daisy/patentlens/patentlens.html 2008年1月1日アーカイブ、Wayback Machine [2012年10月6日]
11. WHELEHAN, M., VON STOCKAR, U. and MARISON, IW, 2010. 水からの医薬品の除去：液体コアマイクロカプセルを用いた新規アプローチ. Water Research, 44(7), pp. 2314–2324.
12. WHELEHAN, M. and MARISON, IW, 2011. 莢膜破砕法によるゲルダナマイシンの回収・精製の新規手法. Biotechnology progress, 27(4), pp. 1068–1077.
13. WYSS, A., SEITERT, H., VON STOCKAR, U. and MARISON, IW, 2005. ペニシリンGの加水分解に適用される新規反応性パーストラクションシステム。バイオテクノロジーとバイオエンジニアリング、91(2)、pp.227–236。