母なる自然を模倣する。新鮮な真水を作る新しい膜

母なる自然を模倣する。新鮮な水を作る新しい膜物理

藻類のタンパク質にヒントを得たサンディアの電気透析膜

サンディアの科学者とその共同研究者は、藻類のタンパク質から構造をヒントにして、農業やエネルギー生産に必要な淡水を供給する電気透析用の新しい膜を開発しました。

研究チームは、この膜の設計について、科学雑誌「Soft Matter」に掲載された論文で発表しました。

電気透析は、電力を利用して水から溶解した塩分を除去する技術です。

現在、電気透析は、海水から塩分を回収して食卓塩を製造したり、汽水から塩分を除去して淡水を作るのに使われていますが、廃水から塩分を除去して新たな淡水の供給源とすることも可能です。

研究チームは、フェニルアラニンという一般的なアミノ酸を電気透析膜に添加することで、ナトリウムなどの陽イオンをよりよく捕捉・除去できることを発見しました。

「フェニルアラニンを電気透析膜に添加すると、陽イオンの選択性が大幅に向上することがわかり、大変驚きました。」と、本プロジェクトの主任バイオエンジニアであるSusan Rempe氏は語っています。

淡水の十分な供給を確保することは、国家安全保障上の問題です。

淡水は、飲料水や農業、原子力や石炭、天然ガスを使った発電所でのエネルギー生産など、あらゆる場面で不可欠です。

少ない電力できれいな水を

現在、海水や汽水から塩分を除去して淡水を作る方法として、逆浸透膜という方法が実用化されていますが、いくつかの限界があります。

ひとつは、塩分濃度が高くなった水から淡水を取り出すために、高い圧力が必要なことです。

高圧の駆動力にはコストがかかり、水に溶けていない物質によって膜が簡単に目詰まりしたり、汚れたりする原因になるとSusan氏は言います。

塩分濃度が高ければ高いほど、問題は大きくなります。

そのため、塩分を含んだ廃水を浄化するための選択肢は少ないのが現状です。例えば、天然ガスを回収するために水圧破砕法で作られた水は、海水の10倍もの塩分を含んでいることがありますが、一般的には環境に戻されることなく地下に埋められているとSusan氏は言います。

ナトリウムと塩化物は、海水や食卓塩に含まれる2大イオンです。

もちろん、海水や廃水には、他にもさまざまな正負の電荷を帯びたイオンが含まれています。

電気透析は、逆浸透膜よりも優れた方法である可能性があります。

なぜなら、電流を使って塩のイオンを引き出し、真水を残すことができるからです。

電気透析は逆浸透膜よりも優れた方法です。

電気透析では、ナトリウムなどのプラスの電荷を帯びたイオンを捕らえる膜と、塩化物などのマイナスの電荷を帯びたイオンを捕らえる膜の2種類の膜を使って真水を作ります。

生物学にヒントを求めて

サンディアのバイオエンジニア、スーザン・レンプ(右)と材料科学者のスティーブン・パーシヴァルが、生物学的に開発した電気透析膜を使って真水を作る様子。

サンディアのバイオエンジニア、スーザン・レンプ(右)と材料科学者のスティーブン・パーシヴァルが、生物学的に開発した電気透析膜を使って真水を作る様子。藻類のタンパク質を模倣したこの膜は、海水や廃水から塩分を取り除き、少ない電力で真水を作ることができる。©Randy Montoya

Susan氏とそのチームは、イオンを輸送するチャネルロドプシンという特殊なタンパク質から、生物学的なインスピレーションを得ました。

チャンネルロドプシンは藻類に由来するタンパク質で、生物学者が光を使って特定の生細胞を制御する技術であるオプトジェネティクス1光でタンパク質を制御する手法の総称で、光遺伝学ともいう。によく用いられます。

このイオン輸送タンパク質は、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、プロトンなど、さまざまな正電荷のイオンを通しますが、負電荷のイオンは通しません。

このような選択性は、電気透析膜にとって重要です。

Susan氏と元博士研究員のChad Priest氏は、タンパク質のイオン輸送経路に、タンパク質を構成する20種類の構成要素の1つであるフェニルアラニンと呼ばれるある種のアミノ酸が多く含まれていることに着目しました。

Susan氏は、「私たちは、チャネルロドプシンというタンパク質の特性や、特定のイオンに対する選択性を理解するために、かなり長い間研究を続けてきました。私たちは、イオン輸送経路にフェニルアラニンの側鎖2鎖式化合物において,もっとも炭素数の多い炭素鎖,または主官能基のある炭素鎖を主鎖といい,それから枝分れしている炭素鎖を側鎖という 化学辞典がいくつか並んでいることに気づき、『フェニルアラニンはそこで何をしているのだろう』と考えました。通常、フェニルアラニンは、生体内の輸送タンパク質で水やイオンをはじく分子と考えられています。」

Susan氏とPriest氏の計算機による計算では、フェニルアラニンのフェニル側鎖が、チャネルロドプシンタンパク質の輸送経路に沿ったいくつかの結合部位の構成要素を形成していることがわかりました。

また、これらのフェニルアラニン結合部位は、ナトリウムイオンと十分に相互作用するため、陽イオンは安定していますが、チャネルを移動しなくなるほどではないことが計算で示されました。

層ごとの構築

Susan氏は、サンディアの材料科学者であるStephen Percival氏、Leo Small氏、Erik Spoerke氏と、この生物学的な奇妙さについて話し合いました。

研究チームは、フェニルアラニンという小さな分子を電気透析膜に組み込むことで、電気透析の際に水から正電荷のイオンを分離しやすくなるのではないかと考えました。

電気透析膜の作り方は、昔ながらのロウソク作りに似ています。

Stephen氏はまず、市販の多孔質支持膜を正の電荷を帯びた溶液に浸し、膜を洗い流した後、負の電荷を帯びた溶液に浸しました。

博士研究員としてこのプロジェクトに参加したStephen氏は、「2つの溶液は逆の電荷を帯びているため、自己組織化して膜の両面にコーティングを施すことができます。」と述べています。

彼は、フェニルアラニンを加えた場合と加えない場合で、アミノ酸の添加が膜にどのような影響を与えるかを調べました。

2回の溶解サイクルのたびに、陽イオンを捕捉できる非常に薄い膜が追加されました。

このプロジェクトでStephen氏は、主に2液層の厚さが5層または10層の膜を作りました。

フェニルアラニンを含む、または含まない5層の膜は、髪の毛の約50倍の薄さでした。

10層の膜は、髪の毛の25倍の薄さでした。

電気透析の膜の厚さは重要で、膜が厚いとイオンを通すために必要な電気量が多くなるからです。

Stephen氏は、「浸漬液にフェニルアラニンを加えるだけで、完成した電気透析膜にフェニルアラニンを組み込むことができることがわかりました。さらに、フェニルアラニンを含まない標準的な膜と比較して、塩化物イオンよりもナトリウムイオンに対する膜の選択性を高めることができました。」

具体的には、フェニルアラニンを使用した5層の膜は、フェニルアラニンを使用しない10層の膜と同様の選択性を有していましたが、コーティングが厚いことによる抵抗の増加はありませんでした。

つまり、フェニルアラニンフィルムは、少ない電力で効果的に水を浄化することができるため、効率が良いということだとStephen氏は言います。

ただし、このアミノ酸は溶液に混ぜただけなので、Susan氏モデルの生体タンパク質とまったく同じように陽のナトリウムイオンと相互作用するかどうかはわからないといいます。

Stephen氏は、「このプロジェクトのバイオインスパイアされた性質と、異なる分野の専門家との共同作業、そして学部生のインターンの指導の間で、これは私が最も誇りに思っている論文の一つです。また、この論文で得られた知見は非常に重要なものでした。この論文では、膜の抵抗とは無関係にイオンの選択性を高めることができることを実証できたので、非常に有利でした。」と述べています。

共同研究と今後の展開

サンディアのチームは、テキサス大学エルパソ校の土木工学教授であるShane Walker氏と協力して、膜のさらなるテストを行いました。

Walker氏とそのチームは、実験室規模の複雑な電気透析システムで、サンディアの電気透析膜と市販の膜を比較しました。

その結果、塩分濃度の低下、電力消費量、水の透過率など、さまざまなパラメータが確認されました。

「テキサス大学エルパソ校のパートナーは、実際の電気透析システムで私たちの膜を分析しました。彼らは膜のサンプルをラボスケールのシステムに入れて、さまざまなテストを行い、私たちの膜と市販の膜を比較しました。私たちの膜は非常に優れていました。」とスーザンは言います。

Walker氏のチームは、サンディアのバイオインスパイアされた膜が、市販の電気透析膜と競合することを発見しました。

具体的には、サンディアの膜は、電流密度の面で平均を上回っていました。

また、塩分を含んだ入力水から淡水への水の移動に関係する水の透過率は、平均よりも高かったのです。

サンディアの膜は、1時間後の塩分濃度の減少率が平均よりもわずかに低く、消費電力もテストした6組の膜のほとんどよりも多かたのです。

これらの結果は、3月19日に科学雑誌「Membranes」に掲載された論文で発表されました。

論文の中で研究者たちは、サンディアのバイオインスパイアされた膜は、市販の膜と競争力があるものの、まだ改善の余地があると結論づけています。

企業がこの膜から学んで、電気透析膜の効率を改善できることを期待しています。

将来的には、希土類金属イオンなど、経済的に価値のある特定のイオンを分離できる電気透析膜を設計したいと考えています。

レアアースは、自動車の触媒、強力な磁石、充電池、携帯電話などに使われており、そのほとんどが中国で採掘されています。

「このプロジェクトの当然の次のステップは、やはり生物学をヒントにして、レアアースイオンを膜上で特異的に移動させる膜を設計することです。レアアースは貴重な金属であり、国内での供給不足は国家安全保障上の問題です。水の供給に気を配り、貴重な鉱物をリサイクルすることは、環境安全保障と気候緩和のために重要なことです。」とSusan氏は言います。

Published by Sandia National Laboratories. Stephen J. Percival et al, Bio-inspired incorporation of phenylalanine enhances ionic selectivity in layer-by-layer deposited polyelectrolyte films, Soft Matter (2021). DOI: 10.1039/D1SM00134E AHM, Golam Hyder et al, Evaluation of Electrodialysis Desalination Performance of Novel Bioinspired and Conventional Ion Exchange Membranes with Sodium Chloride Feed Solutions, Membranes (2021). DOI: 10.3390/membranes11030217
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