JP2559683B2 - Bacterial cellulose-containing filtration membrane - Google Patents
Bacterial cellulose-containing filtration membraneInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アセトバクター属に属する微生物が産生す
るバクテリアセルロースを化学修飾したものを主成分と
する濾過膜に関するものである。濾過膜を用いる物質の
分離法は加熱や冷却による分離濃縮法よりもエネルギー
損失が少なく、操作も簡単であることから様々な分野で
の利用が期待されている。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a filtration membrane containing, as a main component, chemically modified bacterial cellulose produced by a microorganism belonging to the genus Acetobacter. The method of separating substances using a filtration membrane has less energy loss than the method of separating and concentrating by heating or cooling, and is easy to operate, so that it is expected to be used in various fields.
従来から濾過膜の材料として種々の素材のものが知ら
れており、例えば植物性セルロースを原料として溶解法
酢化により製造されるセルロースアセテート膜は海水の
淡水化等の実用に供されている。Conventionally, various materials have been known as materials for filtration membranes. For example, a cellulose acetate membrane produced by acetylation by a dissolution method using vegetable cellulose as a raw material has been put to practical use such as desalination of seawater.
従来の植物性セルロースまたはセルロース誘導体を素
材として調製された濾過膜の力学的な強度は強くなく、
また用途が限定されたり、再生使用が限られるため、コ
スト的にも高くなるなど、改良の余地が残されていた。
これは、原料の直物性セルロースの結晶性が低いため、
これを素材として調製した濾過膜の力学的強度が低かっ
たものと考えられる。本発明の目的は、従来の植物起源
のセルロースを原料として調製された濾過膜より強度的
にすぐれ、再生可能な濾過膜を提供することにある。The mechanical strength of the filtration membrane prepared from conventional vegetable cellulose or cellulose derivative is not strong,
Further, there is room for improvement, such as high cost because of limited use and limited reuse.
This is because the raw material cellulose has low crystallinity,
It is considered that the mechanical strength of the filtration membrane prepared from this was low. An object of the present invention is to provide a reproducible filtration membrane that is superior in strength to conventional filtration membranes prepared from plant-derived cellulose.
本発明者らは、長年にわたり酢酸菌の一種であるアセ
トバクター・キシリナム（Acetobacter xylinum）の産
生するバクテリアセルロースの研究にたずさわってき
た。この研究から、バクテリアセルロースが植物性セル
ロースと同様のシート状配向をとっている上に、セルロ
ースの微結晶面（ミラー指数が（１０））が膜面に平
行な方向に配向しているため、植物性セルロースと比較
して強度的に著しくすぐれていることを見出した。さら
に、このバクテリアセルロースを酢化（アセチル化）や
硝化（ニトロ化）などの化学修飾処理することにより、
透水性や物質透過性を変えることが可能であり、濾過対
称物や用途を考慮して適切な性能を有する濾過膜が製造
できることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完
成するに至った。The present inventors have been involved for many years in research on bacterial cellulose produced by Acetobacter xylinum, which is a kind of acetic acid bacteria. From this study, bacterial cellulose has the same sheet-like orientation as vegetable cellulose, and the microcrystalline plane of cellulose (Miller index (10)) is oriented parallel to the membrane surface. It was found that the strength is remarkably superior to that of vegetable cellulose. Furthermore, by subjecting this bacterial cellulose to a chemical modification treatment such as acetylation (acetylation) or nitrification (nitration),
The inventors have found that a water-permeable material or a material-permeable material can be changed, and that a filtration membrane having appropriate performance can be produced in consideration of a filtration symmetry product and an application, and based on such findings, the present invention has been completed.
すなわち本発明は、アセトバクター属に属する微生物
が産出するバクテリアセルロースを化学修飾したものを
主成分とする膜からなる濾過膜に関するものである。That is, the present invention relates to a filtration membrane composed of a membrane whose main component is chemically modified bacterial cellulose produced by a microorganism belonging to the genus Acetobacter.
本発明で使用されるバクテリアセルロースは、アセト
バクター属に属する微生物の産生するものであれば特に
限定はない。バクテリアセルロース産生菌としては、ア
セトバクター属に属する微生物でバクテリアセルロース
の産生能を有する菌株であればいずれでも良いが、中で
もアセトバクター・キシリナム（Acetobacter xylinu
m）の一群の微生物が特に好適に用いられ、具体的には
アセトバクター・キシリナム（A.xylinum、現在はアセ
トバクター・パスツリアヌス（A.pasteurianus）と呼ば
れている。ATCC10245などが挙げられる。The bacterial cellulose used in the present invention is not particularly limited as long as it is produced by a microorganism belonging to the genus Acetobacter. The bacterial cellulose-producing bacterium may be any strain that is a microorganism belonging to the genus Acetobacter and has the ability to produce bacterial cellulose. Among them, Acetobacter xylinu
A group of microorganisms of m) is particularly preferably used, and specifically, it is called Acetobacter xylinum (A. pasteurianus now), such as ATCC10245.
バクテリアセルロースを産生させる培地としては、通
常の細菌を培養する一般的な培地を用いればよく、炭素
源，窒素源，無機塩類，その他必要に応じてアミノ酸，
ビタミン，その他の栄養源を含むものである。具体的に
は、Hestrin−Schramm培地が特に好適に用いられる。As a medium for producing bacterial cellulose, a general medium for culturing ordinary bacteria may be used, and a carbon source, a nitrogen source, inorganic salts, other amino acids as necessary,
It contains vitamins and other nutritional sources. Specifically, Hestrin-Schramm medium is particularly preferably used.
培養条件も通常の条件で良く、pHは菌が生育し、バク
テリアセルロースを産生する条件で良く、通常５ないし
９、好ましくは６である。また、培養温度は20〜40℃、
好ましくは30℃付近である。The culture conditions may be ordinary conditions, and the pH may be such that the bacteria grow and produce bacterial cellulose, and it is usually 5 to 9, preferably 6. Further, the culture temperature is 20 to 40 ° C,
It is preferably around 30 ° C.
培養方法については、通気撹拌培養でもバクテリアセ
ルロースの産生は可能であるが、濾過膜に容易に成型加
工できることから、静置培養で培養液表面に産生させる
方法が好ましい。Regarding the culturing method, although bacterial cellulose can be produced even by aeration and agitation culture, a method of producing it on the surface of the culture solution by static culture is preferable because it can be easily molded into a filtration membrane.
本発明で使用するバクテリアセルロースは、微生物の
培養物からの単離精製したものの他、用途に応じてある
程度不純物を含むものであってもよく、また、菌体があ
る程度含まれているものでも差しつかえない。The bacterial cellulose used in the present invention may be those isolated and purified from a culture of microorganisms, may contain impurities to some extent depending on the application, and may contain bacteria to some extent. can not use.
産生されたバクテリアセルロースは、必要に応じて除
蛋白処理をした後、通常は水洗して使用する。水洗後、
バクテリアセルロースが分解しない方法、たとえば風乾
などの一般的な方法で乾燥させ、膜状に成型し、簡単に
バクテリアセルロース含有膜（以下、バクテリアセルロ
ース膜という。）を得ることができる。The produced bacterial cellulose is subjected to deproteinization treatment if necessary, and then usually washed with water before use. After washing with water
A bacterial cellulose-containing film (hereinafter, referred to as a bacterial cellulose film) can be easily obtained by drying by a general method such as air drying, which does not decompose the bacterial cellulose, and molding into a film.
このようにして調製したバクテリアセルロース膜を、
濾過対象物や用途を考えて、常法による酢化処理や硝化
処理などの化学修飾を行ない、濾過特性を変えて使用す
る。たとえば、酢化処理でセルロース分子中の水酸基を
アセチル基に置換することによりバクテリアセルロース
膜のポア・サイズが変わり、親水性から疎水性へと膜の
特性を変えることができるので、分離膜としての性能を
向上させることができる。このように、バクテリアセル
ロース膜を化学修飾することにより、種々の濾過特性を
もつ力学的強度の強い濾過膜を製造することができ、種
々の用途への適用が可能となる。The bacterial cellulose membrane prepared in this way,
Considering the object to be filtered and the purpose of use, chemical modification such as acetylation or nitrification is performed by a conventional method, and the filtration characteristics are changed before use. For example, by replacing the hydroxyl group in the cellulose molecule with an acetyl group in the acetylation treatment, the pore size of the bacterial cellulose membrane is changed, and the characteristic of the membrane can be changed from hydrophilic to hydrophobic. The performance can be improved. As described above, by chemically modifying the bacterial cellulose membrane, it is possible to manufacture a filtration membrane having various filtration characteristics and high mechanical strength, and it can be applied to various uses.
以下に実施例を示し、本発明を詳しく説明する。 The present invention will be described in detail below with reference to examples.
調製例１（バクテリアセルロース膜の調製） アセトバクター・キシリナムATCC10245をHestrin−Sc
hramm培地（Ｄ−グルコース2.0g,バクトペプトン（ディ
フコ社製）0.5g,酵母エキス（ディフコ社製）0.5g,クエ
ン酸0.115g,リン酸水素ニナトリウム0.27g,蒸留水100m
l,pH6.0）に植菌し、29℃で72ないし96時間静置培養し
た。培養終了後、培養液表面に産生されたバクテリアセ
ルロースを主成分とする膜をとり出し、１％NaOH水溶液
により室温で24時間除蛋白処理を行なった。次いで、１
％酢酸溶液にて室温で24時間中和処理を行なった。水洗
後、ガラス板上で風乾してバクテリアセルロース膜を調
製した。調製した膜の厚さは16μm,直径46mmであった。Preparation Example 1 (Preparation of Bacterial Cellulose Membrane) Acetobacter xylinum ATCC10245 was added to Hestrin-Sc
hramm medium (D-glucose 2.0 g, Bactopeptone (manufactured by Difco) 0.5 g, yeast extract (manufactured by Difco) 0.5 g, citric acid 0.115 g, disodium hydrogen phosphate 0.27 g, distilled water 100 m)
The cells were inoculated to a culture medium at pH 6.0) and statically cultured at 29 ° C for 72 to 96 hours. After the culture was completed, the membrane containing bacterial cellulose as the main component produced on the surface of the culture solution was taken out and deproteinized with a 1% NaOH aqueous solution at room temperature for 24 hours. Then 1
A neutralization treatment was performed at room temperature for 24 hours with a% acetic acid solution. After washing with water, it was air-dried on a glass plate to prepare a bacterial cellulose membrane. The prepared membrane had a thickness of 16 μm and a diameter of 46 mm.
上記のようにして調製したバクテリアセルロース膜の
強度を紙の物理試験法に準じて測定した。その結果、こ
の膜の裂断長は7.92kmであった。一方、対照として用い
たケブラーの繊維シートやガラス繊維の裂断長はそれぞ
れ2.1km,6.3kmであった。また、比破裂度はバクテリア
セルロース膜が5.54であったのに対し、ケブラーの繊維
シートは1.7、ガラス繊維のシートは4.6であった。万能
ひっぱり試験機を使用してヤング率を測定したところ、
バクテリアセルロース膜が5.42×104kg/mm2であったの
に対し、ケブラーの繊維シートおよびガラス繊維のシー
トはそれぞれ1.42×104kg/mm2,0.46×103kg/mm2であっ
た。The strength of the bacterial cellulose membrane prepared as described above was measured according to the physical test method for paper. As a result, the fracture length of this membrane was 7.92 km. On the other hand, the breaking lengths of the Kevlar fiber sheet and glass fiber used as controls were 2.1 km and 6.3 km, respectively. The specific rupture degree was 5.54 for the bacterial cellulose membrane, 1.7 for the Kevlar fiber sheet, and 4.6 for the glass fiber sheet. When Young's modulus was measured using a universal pull tester,
The bacterial cellulose membrane was 5.42 × 10 4 kg / mm 2 , whereas the Kevlar fiber sheet and the glass fiber sheet were 1.42 × 10 4 kg / mm 2 and 0.46 × 10 3 kg / mm 2 , respectively. .
いずれの測定においても、バクテリアセルロース膜は
ケブラーの繊維シートの３〜４倍の強度を示し、またガ
ラス繊維のシートと同程度以上の強度を示した。In all measurements, the bacterial cellulose membrane showed 3 to 4 times the strength of the Kevlar fiber sheet, and the same or higher strength as the glass fiber sheet.
調製例２（酢化バクテリアセルロース膜の調製） 調製例１と同様の方法で調製した風乾バクテリアセル
ロース膜150〜200mgを氷酢酸（浴比50倍、対セルロース
重量比）で室温にて24時間前処理した後、前処理反応浴
より引きあげ、反応浴比100倍で酢化反応浴中に入れ、
室温で１ないし100時間反応させた。酢化反応浴の組成
は無水酢酸250ml,ベンゼン750mlおよび無水酢酸250mlに
濃硫酸5.38gを入れ、100℃で10分間加熱してスルホ酢酸
としたものからなる。酢化反応後、安定化処理としてベ
ンゼンで洗浄し、さらにエタノールで洗浄後、水洗し、
ガラス板上で風乾し酢化バクテリアセルロース膜を調製
した。なお、膜が着色している場合は、80％エタノール
水溶液で50℃、３時間処理して脱色した。Preparation Example 2 (Preparation of Acetated Bacterial Cellulose Membrane) 150-200 mg of air-dried bacterial cellulose membrane prepared in the same manner as in Preparation Example 1 was treated with glacial acetic acid (bath ratio 50 times, weight ratio of cellulose) 24 hours before room temperature. After treatment, pull up from the pretreatment reaction bath and put it in the acetylation reaction bath at a reaction bath ratio of 100 times,
The reaction was carried out at room temperature for 1 to 100 hours. The composition of the acetylation reaction bath consisted of 250 ml of acetic anhydride, 750 ml of benzene and 250 ml of acetic anhydride, and 5.38 g of concentrated sulfuric acid, which was heated at 100 ° C. for 10 minutes to give sulfoacetic acid. After the acetylation reaction, as a stabilizing treatment, washed with benzene, further washed with ethanol, and then washed with water,
Air-dried on a glass plate to prepare an acetylated bacterial cellulose membrane. When the film was colored, it was decolorized by treatment with an 80% aqueous ethanol solution at 50 ° C. for 3 hours.
このようにして調製した膜の置換度（グルコース残基
当り３個存在する水酸基が何個アセチル基で置換された
かを示す）を元素分析法で測定したところ、2.64であっ
た。また、調製した膜の厚さは26μm,直径は44mmであっ
た。The degree of substitution of the thus-prepared membrane (indicating how many acetyl groups replaced three hydroxyl groups present in each glucose residue) was 2.64 when measured by elemental analysis. The prepared film had a thickness of 26 μm and a diameter of 44 mm.
調製例３（硝化バクテリアセルロース膜の調製） 調製例１と同様の方法で調製した風乾バクテリアセル
ロース膜150〜200mgを反応浴比70倍（対セルロース重量
比）で硝化反応浴中に入れ、０℃で５〜60分反応させ
た。硝化反応浴の組成は濃硫酸75gおよび発煙硝酸25gか
らなる。反応後、安定化処理として洗液が酸性を示さな
くなるまで２〜３回蒸留水中で洗浄した。その後、ガラ
ス板上で風乾し硝化バクテリアセルロース膜を調製し
た。調製した膜の置換度を元素分析法で測定したとこ
ろ、1.02であった。また、調製した膜の厚さは21μm,直
径は44mmであった。Preparation Example 3 (Preparation of Nitrifying Bacterial Cellulose Membrane) 150 to 200 mg of air-dried bacterial cellulose membrane prepared in the same manner as in Preparation Example 1 was put in a nitrification reaction bath at a reaction bath ratio of 70 times (to cellulose weight ratio), and the temperature was 0 ° C. And reacted for 5 to 60 minutes. The composition of the nitrification reaction bath consists of 75 g of concentrated sulfuric acid and 25 g of fuming nitric acid. After the reaction, as a stabilizing treatment, the washings were washed 2-3 times in distilled water until they showed no acidity. Then, it was air-dried on a glass plate to prepare a nitrifying bacterial cellulose membrane. The substitution degree of the prepared film was measured by elemental analysis and found to be 1.02. The prepared film had a thickness of 21 μm and a diameter of 44 mm.
実施例１ 調製例１〜３で得られたバクテリアセルロース膜（参
考），酸化バクテリアセルロース膜および硝化バクテリ
アセルロース膜について、純水の透水速度を撹拌型ウル
トラホルダー（加圧濾過器）により測定した。この結果
を第１図に示す。Example 1 With respect to the bacterial cellulose membrane (reference), the oxidized bacterial cellulose membrane and the nitrifying bacterial cellulose membrane obtained in Preparation Examples 1 to 3, the water permeation rate of pure water was measured by a stirring type ultra holder (pressure filter). The results are shown in FIG.
第１図より明らかなように、バクテリアセルロース膜
と比較して酢化バクテリアセルロース膜および硝化バク
テリアセルロース膜は透水速度が低下したが、工業化に
は十分な透水速度であった。透水性は膜の孔の大きさよ
りも膜自身の親水性によることが判った。As is clear from FIG. 1, the acetylated bacterial cellulose membrane and the nitrified bacterial cellulose membrane had a lower water permeation rate than the bacterial cellulose membrane, but the water permeation rate was sufficient for industrialization. It was found that the water permeability is due to the hydrophilicity of the membrane itself rather than the size of the pores of the membrane.
実施例２ 調製例１〜３で得られたバクテリアセルロース膜（参
考），酢化バクテリアセルロース膜および硝化バクテリ
アセルロース膜について、どの程度の大きさを持つ物質
を排除できるのか（排除率）を下記の方法で測定した。
分子量のわかっているポリエチレグリコールとデキスト
ラン、すなわちP.E.G.−6000（分子量6,000）,P.E.G.−
20000（同20,000）,P.E.G.−50000（同50,000），デキ
ストランＴ−500（同500,000），デキストランＴ−2000
（同2,000,000）の５種類を水に各々1,000ppmとなるよ
うに溶かし、室温で圧力4kg/cm2の条件で液体クロマト
グラフィー（カラム:G2000SW,東ソー（株）製）により
溶質濃度を測定し、初めに溶出してきた溶液中の溶質濃
度から排除率を算出した。この結果を第２図に示す。ま
た、この時の各種溶液の透過速度（/m2・hr）を第１
表に示す。なお、参考のために純水の透過速度も第１表
に示した。Example 2 With respect to the bacterial cellulose membrane (reference), the acetylated bacterial cellulose membrane and the nitrifying bacterial cellulose membrane obtained in Preparation Examples 1 to 3, the size of the substance that can be eliminated (exclusion rate) is described below. It was measured by the method.
Polyethylene glycol and dextran of known molecular weight, namely PEG-6000 (molecular weight 6,000), PEG-
20000 (20,000 same), PEG-50000 (50,000 same), Dextran T-500 (500,000 same), Dextran T-2000
Dissolve 5 kinds (2,000,000 in the same manner) in water to 1,000 ppm each, and measure the solute concentration by liquid chromatography (column: G2000SW, manufactured by Tosoh Corp.) under the condition of pressure of 4 kg / cm 2 at room temperature, The exclusion rate was calculated from the solute concentration in the solution that first eluted. The results are shown in FIG. In addition, the permeation rate (/ m 2 · hr) of various solutions at this time is the first
Shown in the table. For reference, the permeation rate of pure water is also shown in Table 1.
第２図から明らかなように、バクテリアセルロース膜
は分子量50,000以上で一定となり、排除率は25％程度で
あるが、酢化バクテリアセルロース膜は分子量105以上
で排除率が90％を超える。なお、酢化バクテリアセルロ
ース膜の結晶性および面配向度の増加と共に排除率が増
加し、該膜の結晶性を高めることにより排除率は100％
近くになる。また硝化バクテリアセルロース膜は分子量
104までの排除率は10％と低いものの、分子量が104以上
では急激に上昇しており、各々異なった濾過特性を示し
た。As is clear from FIG. 2, the bacterial cellulose membrane has a constant molecular weight of 50,000 or more and has a constant exclusion rate of about 25%, whereas the acetylated bacterial cellulose membrane has a molecular weight of 10 5 or more and an exclusion rate of more than 90%. Note that the rejection rate increases with the crystallinity and the degree of plane orientation of the acetylated bacterial cellulose membrane, and the rejection rate is 100% by increasing the crystallinity of the membrane.
Get closer The nitrifying bacterial cellulose membrane has a molecular weight
The exclusion rate up to 10 4 was as low as 10%, but the molecular weight increased sharply at 10 4 and above, showing different filtration characteristics.
第１表より明らかなように、バクテリアセルロース膜
および酢化バクテリアセルロース膜では分子量に関係な
く透過速度が一定であるが、硝化バクテリアセルロース
膜では高分子量になるほど透過速度が急激に低下する濾
過特性を示した。 As is clear from Table 1, the permeation rate is constant regardless of the molecular weight in the bacterial cellulose membrane and the acetylated bacterial cellulose membrane, but in the nitrifying bacterial cellulose membrane, the permeation rate sharply decreases as the molecular weight becomes higher. Indicated.
本発明のバクテリアセルロースを化学修飾したものを
主成分とする膜からなる濾過膜は、力学的強度が強い上
に、濾過対象物や用途を考慮してそれぞれ適切な性質を
もつ濾過膜を調製することができる。したがって、本発
明の濾過膜は逆浸透膜，限外濾過膜などとして様々な分
野で広く利用できる。The filtration membrane of the present invention, which is mainly composed of chemically modified bacterial cellulose, has a high mechanical strength, and in addition, a filtration membrane having appropriate properties is prepared in consideration of the object to be filtered and the intended use. be able to. Therefore, the filtration membrane of the present invention can be widely used in various fields as a reverse osmosis membrane, an ultrafiltration membrane and the like.
第１図は実施例１における純水の透水速度を示す。第２
図は実施例２における各種溶質の排除率を示す。FIG. 1 shows the water permeation rate of pure water in Example 1. Second
The figure shows the exclusion rates of various solutes in Example 2.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深谷 正裕 愛知県知多郡東浦町森岡字濁池１番地の 28 (72)発明者 奥村 一 愛知県半田市山崎町８番地の３ メゾン 山崎302 (56)参考文献 特開 昭63−205109（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masahiro Fukaya 28, No. 1 Hakuikeike, Morioka, Higashiura-cho, Chita-gun, Aichi Prefecture (72) Inventor, Hitoshi Okumura 3 Maison, No. 8 Yamazaki-cho, Handa-shi, Aichi Prefecture 302 (56) ) References JP-A-63-205109 (JP, A)
Claims (1)
るバクテリアセルロースを化学修飾したものを主成分と
する膜からなる濾過膜。1. A filtration membrane composed of a membrane whose main component is chemically modified bacterial cellulose produced by a microorganism belonging to the genus Acetobacter.
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| JPH01199604A JPH01199604A (en) | 1989-08-11 |
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1988
- 1988-02-04 JP JP63022697A patent/JP2559683B2/en not_active Expired - Fee Related
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