JP2016514039A - 水抽出のためのシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、汚染物質、たとえば重金属および有毒な無機化合物を含めた微量汚染物質を水源から除去するためのROおよび/またはFOを用いるシステムに関する。例には、ホウ素が望ましくない種々の目的、たとえばヒトの摂取用に用いるための、淡水源からのホウ素汚染の除去が含まれる。ホウ素は、灌漑用水および飲用水を生成するために海水源を脱塩に用いる際に、特にやっかいな海水汚染物質である。既存の技術は、十分に低いホウ素濃度を得るためには2つの濾過工程を必要とする。本発明のシステムは、淡水源中の溶存ホウ素をほぼ中性のpHでわずか1回のRO工程後に最大で約65%除去し、中性pHでのFOプロセスに際して最大で約75%除去する;後記の実施例1を参照。他の例はヒ素汚染の除去であり、その場合、本発明のシステムはROおよびFO濾過後に共に約100%を除去できる;後記の実施例2を参照。
最近、作物の灌漑用として、漸減している淡水源を脱塩水で代替し、さらにこの灌漑用水に希釈栄養素塩溶液を添加すること(FDFO)に対する関心が増しつつある。しかし、入手できるFO膜、たとえば、Hydro well filter modules (Hydration Technologies Inc.)から得ることができる膜の使用については欠点がある;その欠点は主に、栄養素塩類、たとえば塩化カリウムの逆方向塩フラックス(reverse salt flux)(Js)が比較的大きいことであり、文献には59.58g/m2hという高い形態(0.222mmole/m2s, Phuntsho et al. 2011)、または6.8〜15.3g/m2h(Achilli et al. 2010,Hydration Technology Innovations,LLC(アリゾナ州スコッツデール)からのフラットシート状トリ酢酸セルロース(CTA)膜を用いた場合)が述べられている。貴重な栄養素イオンの損失を最小限に抑えるためには、可能な限り低いJsをもつことが望ましい。本発明者らはここに、TFC−AqpZ膜を用いるFOシステムで、両親媒性P8061をベシクル形成物質(後記の実験のセクションに従って調製)として、2M KCl溶液を抜取液として、5μMカルセイン(calcein)を含む脱イオン水を供給液として用いて、4g/m2 h未満のJsを得るのが可能であることを示す。次表を参照。
本発明者らは、パロアルト(米国カリフォルニア州)のNASA Ames施設からの科学者らと一緒に、アクアポリン膜を含むシステムについて1回目の実地野外試験を実施した。試験により、特定のTFC−アクアポリン膜を含む水抽出システムが既存の正浸透膜と比較した場合に尿素に対して卓越した阻止率値(>90%)を示すと結論された;Hill & Taylor (2012)を参照。本発明の水抽出システムは、有人宇宙ミッションにおいて宇宙空間へ輸送する必要がある質量を低減する主要な努力、特に宇宙飛行士からの体液の再循環によるものに寄与するであろう。本発明による水抽出システムは、宇宙空間で体液から飲用水を抽出するための簡単、軽量かつ信頼性のあるシステムを求める要求の実現に正に近づくと結論された。
背景:多くの産業廃水が尿素などの非極性溶質を含めた高濃度の化合物を含有し、それらは脱イオン水法または逆浸透膜により除去されない。それらの非極性溶質は化学的に安定であり、したがってUV殺菌法によって容易には分解されない場合が多い。技術水準における尿素廃水処理は一般に2工程を伴なう:1回目に尿素を加水分解してアンモニアと二酸化炭素にし、2回目にアンモニアを除去する。現在の方法は大部分が、高濃度の尿素廃水を生物学的に処理するために嫌気的条件に依存している。しかし、必要な硝化細菌は成長速度が遅く、許容pH範囲が狭く、しばしば他の廃水汚染物質(たとえば、ジシアンジアミド)により阻害される。本発明のシステムの利点は、固定化されたアクアポリン水チャネルを含む膜を備えたフローセルの使用をベースとすることであり、その膜は実験室規模できわめて高い尿素除去率を示した;後記の実施例7を参照。これにより、バイオリアクター技術の必要性が除かれ、原則として、尿素除去に現在用いられている既存の単位操作(たとえば、ポリッシングプロセス)を簡単に改造できるであろう。
このシステムでは、高いモル浸透圧濃度(容量モル浸透圧濃度(osmolarity)または重量モル浸透圧濃度(osmolality))の抜取溶液、たとえばブラインを、本明細書の記載に従って作製したアクアポリン膜、たとえばTFC膜と組み合わせて用いて、正浸透プロセスで水溶液をアップコンセントレーションする。該当する水溶液には、困難な廃水流、医薬および生体産物の溶液、ならびに液体食品が含まれる。態様例は、たとえばアミノ酸およびオリゴペプチドから膜タンパク質を含めたタンパク質までの広範囲の分子サイズをもつ有機分子をアップコンセントレーションするためのシステムである;これらは普通は遠心濃縮装置により、たとえば3K、10K、30K、および100Kの分子量カットオフ(molecular-weight cutoff)(MWCO)で入手できるポリエーテルスルホン(polyether sulfone)(PES)膜−限外濾過遠心デバイスで生物試料を濃縮および脱塩するPierce Concentratorを用いて、目的とする程度にまで濃縮される。本発明によるシステムの利点には、きわめて穏やかな水抽出、低いペプチドまたはタンパク質損失、アミノ酸から小分子ペプチドないし大分子膜タンパク質までの広範囲の分子サイズを濃縮する能力、制御可能でありかつハイスループットのために自動化できる濃縮プロセスであることが含まれ、現在市販されている遠心濃縮装置または真空乾燥による試料濃縮(ただし、これはしばしば重大なの試料材料損失および追加汚染を伴なう)とは対照的である。本発明のシステムは、1回用の固定アクアポリン膜または図8に示すように取り外し可能なアクアポリン膜を備えた濃縮セルとしてセットアップできる。したがって、たとえば洗浄のためにアクアポリン膜を取り外し、そしてセルに再び取り付けることができる場合、後記の実施例4および5に記載するように、そのシステムの水抽出特性を保存しつつEDTAまたはクエン酸による処理を適用できることが示唆される。
“供給溶液(feed solution)”は、水中における溶質の溶液を意味する。
FOセル: CF042−FO(Delrin,アセタール系またはアクリル系)
ROセル: CF042クロスフローセル
サイズ5.5cm×11cmの膜がCF042セルに適合する
FO/ROセル: SEPA CF II
このセルはROトップまたはFOトップを備えることができる。サイズ13.5cm×19cmの膜がSEPA CF IIセルに適合する。
膜のファウリングはフラックス低減を引き起こし、水抽出プロセスの質に影響を及ぼす可能性がある。ファウリング度は、たとえば水抽出システムにおいて特定の時点で供給溶液および抜取溶液の流速により決定されるフラックスの低減を測定することにより管理できる。水抽出システムは、維持を目的とする手段、たとえば空気または洗浄溶液を導入するための手段、あるいはたとえば物理的および/または化学的な洗浄法を利用する手段を含むこともできる。水抽出システムの膜を洗浄するための物理的方法には、順方向フラッシングおよび逆方向フラッシング、バックウォッシング、空気フラッシング(air flushing)(空気洗浄(air scouring)とも呼ばれる)、およびスポンジボール洗浄(Al-Amoudi 2007)が含まれる。1態様において、水抽出システムは空気洗浄用の洗浄溶液に気泡を導入することにより洗浄できる。
本発明の水抽出システムは、アクアポリン膜の堅牢性のため多様なpHおよび温度条件下で有用であり、2のような低いpH値および11のような高いpH、ならびに65℃のような高い温度および10℃のような低い温度に耐えることができる。水フラックスは著しく高いおよび著しく低い値のpHおよび温度の供給液に際して可逆的に低減し、したがって膜はそれの高い初期性能を回復する。次表を参照されたい。
CF042セルにTFC−AqpZ膜を高い供給液pHおよび低い供給液pHで用いるFO実験の結果:
TFC−AqpZ膜をCF042セルに高い供給温度および低い供給温度で用いるFO実験の結果:
AqpZ Mw 27233を用い、下記のプロトコルに従った、1mg/mLおよび脂質−対−タンパク質比(LPR)200のアソレクチンプロテオリポソームの作製:
1. 50mLのガラス製蒸発バイアルに、CHCl3中2mg/mLのアソレクチン(mW 786.11g/mol,Sigma)原液5mLを充填する;
2. 回転蒸発器を用いて少なくとも2時間、CHCl3を蒸発させて、完全に乾固させる;
3. 0.8mLの緩衝液(PBS中1.3%のオクチルグルコシド(OG),pH7.4)を添加して、工程2で蒸発バイアル内に得られたフィルムを再水和する;
4. バイアルをプラットホームシェーカー(HeidolphオービタルプラットホームシェーカーUnimax 2010またはそれに相当するもの)で最大rpmにおいて、脂質が溶解するまで振とうする;
5. Tris pH8、グルコースおよびOG 10mg/mLを含有するタンパク質緩衝液中の1.73mgのAqpZを添加し、バイアルを200rpmで15分間回転させる;AqpZは前記に従って調製されたものである;
6. 徐々に9.03mlのPBS(pH7.4,OGを含有しない)を添加し、バイアルを200rpmで15分間振とうする;
7. 合わせた溶液/懸濁液をドライアイス/40℃の水浴で3回、凍結/融解して、存在する可能性のある多重膜構造体を排除する;
8. 250mgの水和Biobeads(SM2,BioRadから)を添加し、バイアルを200rpm、4℃で1時間、回転させて、界面活性剤(OG)を吸着させる;
9. さらに250mgの水和Biobeadsを添加し、バイアルを200rpm、4℃で2〜3日間、回転させる;
10. OGを吸着したBiobeadsを次いで懸濁液からピペッティングにより除去する;
11. 得られた懸濁液を、約11回(たとえば、少なくとも1回から最大で約22回まで)、200nmのポリカーボネートフィルターを通して押出機により押し出して、ベシクル(液膜)懸濁液の形の均一なプロテオリポソーム懸濁液を得る。
ポリオキサゾリンベースのトリブロックコポリマーであるポリ(2−メチルオキサゾリン−b−ジメチルシロキサン−b−2−メチルオキサゾリン),Moxa 30:DMS 67,Mw 7319(P8061,Polymer Source(商標)から購入,カナダ、ケベック州),AqpZ Mw 27233
1. 50mLのガラス製蒸発バイアルに、CHCl3中2mg/mLのP8061原液5mLを充填する;
2. 回転蒸発器を用いて少なくとも2時間、CHCl3を蒸発させて、完全に乾固させる;
3. 3.0mLの緩衝液(1.3%のO.G.;200mMのスクロース;10mMのTris pH8;50mMのNaCl)を添加して、工程2で蒸発バイアル内に得られたフィルムを再水和する;
4. バイアルをプラットホームシェーカー(HeidolphオービタルプラットホームシェーカーUnimax 2010またはそれに相当するもの)で200rpmにおいて3時間振とうして、コポリマーを溶解する;
5. Tris、グルコースおよびOGを含有するタンパク質緩衝液中の75μLのAqpZを添加し、バイアルを200rpmおよび4℃で一夜回転させる;
6. 6.88mlの緩衝液(10mMのTris pH8;50mMのNaCl)をピペットで上下混合しながら徐々に添加する;
7. 180mgの水和Biobeadsを添加し、200rpmで1時間回転させる;
8. 210mgの水和Biobeadsを添加し、200rpmで1時間回転させる;
9. 240mgの水和Biobeadsを添加し、200rpm、4℃で一夜回転させる;
10. 240mgの水和Biobeadsを添加し、200rpm、4℃で一夜回転させる;
11. OGを吸着したBiobeadsを次いでピペッティングにより懸濁液から除去する;
12. 懸濁液を、約21回(たとえば、少なくとも1回、最大で約22回)、200nmのポリカーボネートフィルターを通して押出機により押し出して、均一なプロテオポリマーソーム懸濁液(ベシクル)懸濁液を得る。
材料:
非極性溶媒:ヘキサンまたはイソパラフィン溶媒、たとえばIsopar G,ExxonMobil Chemical
TMC:1,2,5 ベンゼントリカルボニルトリクロリド,Aldrichから 147532:
MPD:m−フェニルジアミン,Aldrichから P23954:
ベシクル:プロテオポリマーソームまたはプロテオリポソーム,前記に従って、たとえばp8061−MOXZDMSMOXZ(ポリ(2−メチルオキサゾリン−b−ジメチルシロキサン−b−2−メチルオキサゾリン)(Polymer Source Inc.,カナダ、ケベック州)をAQPZ(POPR 50)と共に用いて調製:
支持膜:MICROPES 1FPHまたは2FPH,Membrana GmbHにより製造。
界面重合は、異なるモノマーを溶解した2種類の非混和性液体の界面で起きる重合反応である。本発明においては、MPDを水に溶解し、ベシクルを添加する。多孔質PES支持膜、たとえばMICROPES 1FPHまたは2FPH膜(Membrana GmbHから)を、たとえば5.5cm×11cm、13.5cm×19cm、または20cm×25cmの長方形に切断し、この水溶液に浸漬し、水溶液が細孔を満たした状態で表面が乾燥するのに十分なだけ表面を乾燥させる。TMCを非極性溶媒(ヘキサンまたはIsopar(商標))に溶解し、半乾燥状態の浸漬支持膜の表面に適用する。MPDとTMCが2つの液体の界面で反応して、高度に架橋した網状の芳香族ポリアミドを形成する。TMCは水と反応してカルボン酸基およびHClを生成し、こうしてTMCは水層で分解する。MPDはTMCと反応しやすく、したがって非極性溶媒中へ遠くまで拡散することはない。生成する層は、高度に架橋した芳香族ポリアミドフィルムが100〜700nmの厚さをもつ支持膜表面に包埋されたものである。ベシクルは、架橋したポリアミドフィルムに捕獲または包埋されることにより、固定化された状態になる。
図4は、Washguard SSTポンプ(16)およびRO濾過用浸透圧セル(Sterlitech CF042)を用いてホウ素を除去する水抽出のためのシステムを示す;セルは本明細書の記載に従って作製した5.7cm×11.3cmのTFC−AqpZ膜を保持し、平均含量187μg/LのB、0.20μg/LのAs、113mg/LのCaを含むpH=7.5の水道水(供給源:HOFOR,コペンハーゲン2011)にホウ酸を約5mg/LのBになるように溶解することにより調製されたホウ素汚染した淡水供給源を、RO操作モードにおいて圧力125psiで膜により濾過する。得られた透過液を、たとえばNagaishi & Ishikawa (2009)に従ったICP−MSホウ素元素分析のためにサンプリングすることができ、得られた分析データに基づいて、Kim et al. 2012により得られた結果に匹敵する約45%から約55%までの阻止率の阻止率範囲計算値を得た。
非供給側(抜取溶液に面した側)に有効膜層;図1Cを参照
実施例1に記載したものと同じROシステムを用い、ただし人工的に調製した5mg/LのAsの供給溶液(ヒ酸をMilliQ水に溶解し、1N NaOHを用いてpH9.5に調整したもの)をRO操作モードに際して125psiの圧力でその膜により濾過した。得られた透過液を、たとえばGrosser (2010)に従ったICP−MSヒ素元素分析のためにサンプリングすることができ、得られた分析データに基づいて約100%の阻止率の阻止率範囲計算値を得た。
非供給液(抜取液)に面して有効膜側;図1Cを参照
方法:
FOモジュールを下記の工程により作製する:
1.プラスチック製測定シリンダー(たとえば、アップコンセントレーションすべき体積に応じて1cmの直径をもつものなど)を、面積0.5cm2または3.14cm2に相当する細孔を備えたPlexiglas表面(ここで供給溶液が膜に曝露される)に水密(water tight)固定する;たとえば、シリコーン系接着剤による接着または他の方法で緊密に留め付ける;
2.直下にメッシュ支持体を接着する;
3.TFC−AqpZ膜、たとえば1FPH支持膜およびポリマーソーム用のP8061両親媒性コポリマーを用いて作製したものを前記に従って作製し、トップの有効側を支持体下に接着し、あるいはOリングで水密固定する;
4.場合により、ゴム製ガスケットを膜の後に接着してもよい;
5.このトップパーツをチュービングが配置されるボトムパーツと組み合わせる際に、追加のゴム製ガスケットをクッションとして追加することができる:後記の図7または8を参照;
6.このモジュールを次いでポンプ、たとえば蠕動ポンプに接続し、抜取溶液を一般に40mL/分の流速でシステムに再循環させる。抜取溶液としてMilliQ水中の2M NaClを用いることにより形成された浸透圧勾配が、測定シリンダー内の供給溶液から抜取溶液への水の移動を駆動する。
この例では、注文製造したペプチドGGGSGAGKT(Caslo Laboratoryから凍結乾燥したトリフルオロ酢酸塩として入手;MSにより測定した分子量690.71,純度98.87%)またはアミノ酸L−リジン(Sigma Aldrichから,分子量146.1g/mol,純度97%))の濃縮供給溶液を、等体積のLavaPepキット(gelcompany.comから;このキットはペプチド中のリジン残基に結合し、ここでは実験的に遊離アミノ酸を検出するためにも用いる)と混合し、暗所において室温で1時間インキュベートした。ペプチドおよびL−リジンの検出は、QuBitにより“ssDNA”のセッティングで行なわれる。QuBitにおけるssDNAの検出範囲:励起:400〜490nm,500〜645nm;発光:570〜645nm。
9.3×TES緩衝液中1000から1μg/mLまでの範囲の6種類の異なる濃度のペプチド/リジンを分析する;これらの濃度はアップコンセントレーションに際して供給溶液が約2〜6倍濃縮されるため適切なものである
定量:10μLの濃縮溶液(2〜5×濃度) + 90μLの10×TES緩衝液(この希釈に際して最終的に9.3×緩衝液になる) + 100μLのキット
LavaPepキットの検出範囲:励起:405〜500nm(グリーン543,532nm,ブルー488nm,バイオレット405nmまたはUVA);発光:最大610nm(バンドパスまたは560ロングパス)
励起:540±10nm;発光:630±10nm。
1.開始供給液:1×TES緩衝液中の約50μg/mLのペプチドまたはリジン
2.アッセイを実施する
3.濃縮溶液を採集する
4.10μg/mLの濃縮ペプチド溶液 + 90μg/mLの10×TES緩衝液 + 100μg/mLのキット
5.暗所において室温で1時間のインキュベーション
6.QuBitで蛍光カウントを測定する
7.標準曲線から濃度を読み取る。
供給溶液:200μg/mLのL−リジン(アミノ酸の例)もしくは50μg/mL〜500μg/mLのペプチド(1×TES緩衝液中)、またはタンパク質の例として用いる500μg/mLのウシ血清アルブミン(BSA緩衝液中)(0.303 Osm)
抜取溶液:MilliQ水中の2M NaCl(200mL)
ペプチド、タンパク質およびL−リジン用キット:LavaPepキット(蛍光化合物:エピコッコノン(epicocconone)はリジンに結合し、ペプチド中のリジンの定量に用いられる)。好ましくは、リジン(および他のアミノ酸)はHPLCを用いて定量できる。
実験条件:1Lの供給液および1Lの抜取溶液をSterlitech CF042チャンバーに用いる大規模実験
供給溶液:1×TES緩衝液中200μg/mLのL−リジン
抜取溶液:2M NaCl
操作時間:約1175分
最終濃度のL−リジンは約7倍濃縮される。
供給溶液:1×TES緩衝液中200μg/mLのL−リジン
抜取溶液:2M NaCl
操作時間:約1175分
最終濃度のL−リジンは約6倍濃縮されている。
供給溶液:1×TES緩衝液中50、200または500μg/mLのGGGSGAGKT
抜取溶液:2M NaCl
操作時間:約1175分
体積およびペプチド濃度のアップコンセントレーションを次表に示す。
実験のセクションの記載に従って膜を作製し、クエン酸による処理に対する堅牢性を試験した。膜を0.3%クエン酸溶液に浸し、15分間浸漬しておいた(n=3)。
浸漬プロセスの前と後に、膜をCF042フローセル内で900分間、FOモード(5μMカルセイン供給溶液および抜取溶液としての2M NaClを使用)で作動させた。
Js,totalは、膜を通る逆方向塩フラックスである
Rcalceinは、カルセイン阻止率である
この表から分かるように、この処理は水フラックスに負の影響を及ぼさず、カルセイン阻止率はきわめて高いレベルに維持される。
実験のセクションの記載に従って膜を作製し、EDTAによる処理に対する堅牢性を試験した。膜を0.8% EDTA溶液に浸し、15分間浸漬しておいた(n=3)。
浸漬プロセスの前と後に、膜をCF042フローセル内で900分間、FOモード(5μMカルセイン供給溶液および抜取溶液としての2M NaClを使用)で作動させた。
Js,totalは、膜を通る逆方向塩フラックスである
Rcalceinは、カルセイン阻止率である
この表から分かるように、この処理は水フラックスは負の影響を受けず、カルセイン阻止率はきわめて高いレベルに維持され、膜が無傷であることを示す。
この例では、肥料に含まれる一般的な植物栄養素塩類の阻止率および達成可能な水フラックス値を調べる目的で、肥料抜取−正浸透(Fertilizer Drawn Forward Osmosis)(FDFO)の原理を本発明に従った正浸透水抽出システムで試験した。
水、たとえば水道水またはMilliQ水に、下記の組成をもつ乾燥NPK顆粒(Danish Agroから)を溶解することにより、66.62g/Lの濃縮栄養素溶液を調製した:総N 14.0%、硝酸塩−N 5.7%、アンモニウム−N 8.3%、リン(クエン酸塩および水に可溶性)3.0%、カリウム(水溶性)15.0%、マグネシウム総量2.5%、硫黄総量10.0%、およびホウ素総量0.02%。得られた溶液を組合わせFDFO脱塩システムにおいて抜取溶液として使用できる;図3を参照。あるいは、市販の濃縮液状植物栄養素溶液Blomin(The Scotts Company(Nordic),デンマーク、グロストルップ)を使用できる。この栄養素溶液は下記の組成および濃度の栄養素塩からなる:窒素(N) − 4.4%;リン(P) − 0.9%;カリウム(K) − 3.3%;ホウ素(B) − 0.0002%;銅(Cu) − 0.006%;鉄(Fe) − 0.02%;マンガン(Mn) − 0.008%,硫黄(S) − 0.0003%;モリブデン(Mo) − 0.0002%;および亜鉛(Zn) − 0.004%。
図4を参照すると、このシステムは、45〜75mg/Lの総N(約110mg/Lの尿素に相当する)を含む酪農プロセス水を入れた供給溶液タンク(18)を含む;(16)はポンプである;(17)はバルブである;(19)は透過液である;(20)は透過液タンクである。ポンプ(Washguard SST)からSterlitech CF042フローセルを通ってバルブへ戻る液流は、125psiおよびクロスフロー速度0.26m/sの加圧液流である;残りの液流は加圧されていない液流である。透過液の尿素含量は少なくとも50%低減すると予想される。
この例は、再生可能な供給源からのエネルギー、たとえば太陽光線、風、潮の干満、波および地熱(すなわちグリーンエネルギー)からのエネルギーを貯蔵するための水抽出システムの使用を示す。これらのエネルギー源はしばしばそれらの性質が間欠性であり、そのようなエネルギーの貯蔵については高い要求がある。
この例は、透析溶液の後処理のために本発明の水抽出システムを使用することを示す;図1を参照。透析溶液は無機質イオンおよびグルコースの希釈水溶液であり、一般に血液透析に際して血液と向流で患者から中空繊維限外濾過モジュールを通って走行する。Sam et al. (2006)は、血液透析液の組成および臨床使用を開示している。透析溶液は、血液から除去すべき溶質、たとえば尿素、分解産物、たとえばインドキシル硫酸およびp−クレゾール、ならびに過剰のカリウムおよびリンに関して、限外濾過膜を挟んで十分な濃度勾配を維持し、したがって透析の効率を維持するであろう。このためには多量の超純水、特に毎週約400Lの水が必要である。本明細書に記載する水抽出システムは、この超純水を再利用するためのシステムに、たとえば閉ループのシステムに有用である;その場合、血液透析フィルターに通すことにより血液透析に使用した後の、たとえば尿素などの廃棄物を血液から吸収した後の(希釈された)使用済み透析溶液が、さらなる膜モジュール、すなわちアクアポリン膜を収容したフローセル(1)を貫通する際の供給溶液(7)として機能でき、その際、新鮮な濃縮透析溶液(dialysate solution,dialysis fluid)が抜取溶液として機能することができる。理想的には、濃縮透析溶液を、連続血液透析に直接使用できるのに十分なほど希釈することができる。これは、アクアポリン含有膜の供給側にわずかな圧力を印加することにより達成できる(補助正浸透の概念を利用)。この方法で、汚染された使用済み透析溶液から純水のみを抽出し、この抽出された純水を、他の場合には透析溶液濃縮液を希釈するために新たに補充する必要がある超純水の代替として使用できる。
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Claims (26)
- 下記のものを含む水抽出システム:
a)膜(2)を含むフローセル(1);膜は固定化されたアクアポリン水チャネルを含む有効層(3)および支持層(4)を含み、膜は供給側(5)および非供給側(6)を有する;ならびに
b)膜の供給側と流体連通した供給源水溶液(7)。 - 有効層はアクアポリンベシクルが取り込まれた架橋芳香族アミド薄膜であり、ベシクルはアクアポリンタンパク質懸濁液の存在下での両親媒性脂質またはブロックコポリマーの自己アセンブリーにより形成されたものである、請求項1に記載の水抽出システム。
- 有効層は架橋芳香族アミド層、好ましくは界面重合により形成されたものであり、ベシクルは両親媒性脂質またはトリブロックコポリマー溶液、たとえばアソレクチンまたはPMOXAa−PDMSb−PMOXAaコポリマーから形成されたものである、請求項1または2に記載の水抽出システム。
- アクアポリンは、植物アクアポリン、たとえばSoPIP2;1;哺乳動物アクアポリン、たとえばAqp1;および細菌アクアポリン、たとえばアクアポリン−Zから選択される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 支持層はポリスルホンまたはポリエーテルスルホン支持膜である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 高温プロセスに使用するための、請求項1〜5のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 高pHプロセスに使用するための、請求項1〜5のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 低pHプロセスに使用するための、請求項1〜5のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 膜の非供給側が抜取側として機能し;システムがさらに
c)膜の抜取側と流体連通した抜取水溶液(8)を含み、場合により
d)さらに抜取溶液濃縮ユニット(9)を含む、
正浸透(FO)のための請求項1〜8のいずれか1項に記載の水抽出システム。 - 膜の再生またはファウリング防止のための手段を含み、その手段が約2〜11のpHを有する洗浄液を含み、洗浄液が有機酸、たとえばクエン酸、またはキレート化剤、たとえばEDTAの溶液から選択される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 施肥灌漑システムに使用するための、請求項1〜10のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 下記の機構を含む施肥灌漑システム(図3を参照):
i)供給液流(10)、
ii)ポンプ(16)、
iii)アクアポリン膜、好ましくはTFC−アクアポリン膜(2)を備えたフローセル(1)、好ましくはクロスフローセル、
iv)濃縮植物栄養素抜取溶液(13)、
v)膜の抜取側(8)と流体連通した希釈された抜取溶液(12)、
vi)希釈された抜取溶液の追加希釈のための任意選択的な淡水源(14)、および
vii)生成した、そのまま使用できる希釈された植物栄養素溶液(15);
その際、希釈された抜取溶液をフローセルに再循環させて、より高い希釈度を達成できる。 - 有機溶質、たとえばアミノ酸、ペプチドおよびタンパク質のアップコンセントレーションに使用するための、請求項1〜10のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- 実質的に図7〜10に示す、請求項13に記載の水抽出システム。
- 膜の非供給側が透過側として機能し;水抽出システムがさらに
c)膜の透過側と流体連通した透過液
を含む、逆浸透のための請求項1〜8のいずれか1項に記載の水抽出システム。 - 供給溶液が約0.10m/s〜約0.30m/s、たとえば約0.26m/sのクロスフロー速度、および約100psi〜約130psi、たとえば約125psiの圧力でフローセルを通ってポンプ輸送される、請求項15に記載の水抽出システム。
- 下記の機構を含む、請求項15および16に記載の逆浸透システム(図4を参照):
i)供給溶液タンク(18)、
ii)ポンプ(16)、
iii)バルブ(17)、
iv)逆浸透に適合させたフローセル(1)、
v)TFC−アクアポリン膜(2)、
vi)透過液コンパートメント(19)、および
vii)場合により透過液タンク(20)に採集された、透過液流。 - 供給溶液がヒ酸の形の約0.005mg/Lから約20mg/LまでのAsの溶存含量を有し、透過液が初期含量の約1%未満の溶存ヒ素含量を有する、請求項17に記載の逆浸透システム。
- 供給溶液が約0.005mg/LのB〜約20mg/LのBの溶存ホウ素含量を有し、透過液が初期含量の約50〜20%未満、たとえば25%未満の溶存ホウ素含量を有する、請求項17に記載の逆浸透システム。
- 供給溶液が酪農廃水からのRO透過液であって尿素の形の約10mg/Lから約15mg/LまでのNまたはそれ未満の総溶存窒素含量を有し、透過液が元の含量の約50%未満の総溶存窒素含量を有する、請求項17に記載の逆浸透システム。
- さらに、図5に述べる抜取溶液回収システム(9)の形の希釈された抜取溶液の逆浸透処理、たとえば逆浸透回収を含む、正浸透のための請求項9に記載の水抽出システム。
- 膜の非供給側が抜取側として機能し;水抽出システムがさらに下記のものを含む、浸透圧発電(PRO)のための請求項1〜8のいずれか1項に記載の水抽出システム:
f)抜取溶液を膜の抜取側と流体連通させるための手段:その際、抜取溶液は天然海水または湖水オスモライト(osmolytes)を含み、その手段は位置エネルギーの形の圧力を貯蔵できる閉容積を含む;
g)供給源溶液を膜の供給側へ付与するための手段:供給源は、抜取溶液より高い水活性を有する水を含む;および
h)位置エネルギーを電気に変換するための手段、たとえばタービン。 - 抜取溶液が、塩水源、たとえば海水、淡海水、ソーダ湖水、死海水、塩類溶液、およびブラインから選択される、請求項22に記載の水抽出システム。
- 供給源溶液が抜取溶液の脱塩により得られ、余剰の再生可能エネルギー源により産生される、請求項22または23に記載の水抽出システム。
- 使用済み透析溶液が供給源溶液を構成することを特徴とする、血液透析プロセスにおける使用済み超純水の再利用のための請求項1〜10のいずれか1項に記載の水抽出システム。
- さらに、新鮮な濃縮透析溶液を抜取溶液として使用することを含む、請求項25に記載の水抽出システム。
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