JP7802000B2 - 防汚半透膜 - Google Patents

Description

本開示は、防汚半透膜に関し、より具体的には、多孔質支持層と、支持層の表面に形成された薄膜複合（ＴＦＣ）層と、ＴＦＣ層の上に形成された架橋ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）層とを含む防汚半透膜に関する。更に、本発明は、防汚半透膜を含むモジュール、及び乳清、コーヒー抽出物、果汁、ココナッツミルクなどの液体食品由来の流れを処理するためのこれらのモジュールの使用に関する。

逆浸透（ＲＯ）は、一般的に、溶解した塩を含む水を処理するために使用される。逆浸透技術の１つの適用例は、海水又は汽水を使用して脱塩飲料水を製造することである。近年、正浸透（ＦＯ）の人気が高まっている。正浸透工場では、典型的に、供給物を脱水して供給流を濃縮するが、膜を横切って移動する水によってドロー溶液を希釈する。

ＲＯ膜及びＦＯ膜がしばらく使用されると、膜の表面上の堆積物が目立つようになる。この現象は常にファウリングと呼ばれ、一般的に膜の性能を低下させる。

ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）は、逆浸透膜へのファウリングによる堆積を防止するか又は遅延させるためのコーティング層としてＵＳ２００５０７７２４３（Ａ１）に使用された。ＰＶＡコーティングは、水膨潤性であるが水不溶性であるポリマーから製造される。該ポリマーが水不溶性であるため、コーティングが堆積された後、架橋する必要がない。ＰＶＡ層への適用により、表面を滑らかにし、粒子状物質が堆積する傾向を低減する。

ＵＳ６４１３４２５ＢＡには、支持膜及びポリアミド薄膜複合（ＴＦＣ）層を含むＲＯ膜が開示されている。分離層の表面にＰＶＡ（平均重合度ｎ＝２６００）層をコーティングして比表面積を減少させることにより、ファウリング傾向を低減する。ＰＶＡは、２５℃で水不溶性であるが、８０℃で水溶性であり、９９％～１００％の範囲の鹸化度を有する。逆浸透複合膜は、高いファウリング耐性を有し、比較的に低い圧力で実用的な脱塩を可能にする。

ＵＳ２０１０２２４５５５（Ａ１）には、内部にナノ粒子が配置されたポリマーマトリックスを有するＰＶＡフィルムを含むナノ複合膜が開示されている。該膜を、架橋剤（例えば、ジアルデヒド及び二塩基酸）及び触媒（例えば、２．４重量％の酢酸）を含む溶液と（例えば、ＰＶＡ側から）約１秒間接触させることができる。次に、該膜をオーブン内で所定の温度で所定の期間加熱することができる。ＰＶＡ溶液中の様々な架橋剤（グルタルアルデヒド、ＰＶＡ－グルタルアルデヒド混合物、パラホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド、グリオキザール）及び添加剤（ホルムアルデヒド、エチルアルコール、テトラヒドロフラン、塩化マンガン及びシクロヘキサン）を使用して、既存の膜上にキャストされたＰＶＡフィルムを製造し、製造されたＰＶＡフィルムの熱処理と組み合わせてフィルムの特性を変更することができる。ＵＳ２０１０３２０１４３（Ａ１）及びＵＳ２０１１０２７５９９（Ａ１）には、ＰＶＡ層にナノ粒子を封入する同様の技術が開示されている。

ＵＳ２０１０１７８４８９（Ａ１）には、ポリアミド樹脂を含むスキン層と、スキン層を支持する多孔質支持体とを含む複合半透膜が開示されている。銀系抗菌剤及びＰＶＡを含む抗菌層でスキン層をコーティングしてもよい。ＰＶＡ層をスキン層のポリアミド系樹脂に付着させるために、ポリビニルアルコールを架橋してもよい。ポリビニルアルコールの架橋は、スキン層上に抗菌層を形成し、次に塩酸で酸性化されたグルタルアルデヒドを含む溶液に抗菌層を浸漬することを含む。

従来技術で提案されたＰＶＡ層は、ＰＶＡ層によって提供される平滑性の増加に起因する膜のファウリング傾向を低減し得る。しかしながら、膜上の追加の層は、水流束を減少させる傾向もある。本発明は、高い表面平滑性を維持して供給物における粒子状物質の堆積を防止又は低減するとともに、より高い水流束を得ることを目的としている。

本発明は、多孔質支持層（ｐｏｒｏｕｓ ｓｕｐｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ）と、前記支持層の表面に形成された薄膜複合（ＴＦＣ）層（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ （ＴＦＣ） ｌａｙｅｒ）と、前記ＴＦＣ層の上に形成された架橋（ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｅｄ）ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）層とを備える防汚半透膜（ａｎｔｉ－ｆｏｕｌｉｎｇ， ｓｅｍｉ－ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）に関し、前記架橋ＰＶＡ層が、ＰＶＡと架橋剤との反応生成物であり、前記架橋剤が、３種以上の酸基を含む多塩基酸またはその前駆体である。

従来技術では、架橋剤は、膜の長い耐用年数を保証するために、膜のＴＦＣ層へのＰＶＡ層の付着に焦点を合わせてきた。本発明には、３種以上の酸基又はそれらの前駆体を含む多塩基酸を架橋剤として使用して、ＰＶＡ層の構造を開放するとともに、表面平滑性を維持するか又は更に向上させることが提案されている。ＰＶＡ層の開放構造は、水の浸透を増加させるため、水流束についての速度制限が少なくなる。平滑性を高めることで、膜のファウリングを軽減することができる。

本発明の防汚半透膜で使用される多孔質支持層は、水の浸透を実質的に阻害しない多孔質基板、例えば、ナノ多孔質層又はマイクロ多孔質層である。場合によっては、多孔質支持層は、例えばポリエステル繊維から形成される織布シート又は不織布シート上にキャストされることにより更に強化されてもよい。多孔質支持層は、一般的に、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリフェニレンスルホン、ポリエーテルイミド、ポリビニルピロリドン及びポリアクリロニトリル（それらのブレンド及び混合物を含む）から製造される。本発明の１つの実施形態では、多孔質支持膜は、溶媒に溶解したポリマーを含むドープから製造される。ドープが所望の厚さの層にキャストされた後、水のような非溶媒中での急冷により転相が実行される。

多孔質支持層は、その表面上に、例えば界面重合によって薄膜複合（ＴＦＣ）層を形成することにより改質される。ＴＦＣ層は、アミン反応物、好ましくはジアミン又はトリアミンなどの芳香族アミン、例えば水溶液中の１，３－ジアミノベンゼン（ｍ－フェニレンジアミン－ＭＰＤ）と、二酸塩化物又は三酸塩化物などのハロゲン化アシル反応物、好ましくは芳香族ハロゲン化アシル、例えば有機溶媒に溶解したベンゼン－１，３，５－トリカルボニルクロリド（ＴＭＣ）とを使用して製造されてもよく、上記反応物は界面重合反応で結合されたものである。

本発明の１つの特定の実施形態では、ＴＦＣ層は、アクアポリン水チャネルなどのナノ多孔質水チャネルを含む。ナノ多孔質水チャネルは、理想的に、水のみを浸透させることができる構造を有する。しかしながら、実際には、少量の還流溶質も供給溶液からＴＦＣ層に浸透してドロー溶液又は浸透液に入る。ナノ多孔質水チャネルは、供給溶液からの全て又は大部分の他の溶質の再吸収を低減又は除去する。好ましくは、ＴＦＣ層は、アクアポリン水チャネルを含み、その高い選択性により、水分子のみを通過させる。アクアポリン水チャネルをＴＦＣ層に組み込む前に安定させてもよい。

小胞は、アクアポリン水チャネルにとって自然な環境であり、天然由来リン脂質を含む多くの異なる小胞形成材料によって形成されてもよい。適切には、安定したアクアポリンは、ＷＯ２０１８／１４１９８５又はＷＯ１８０８７２８９に開示されているように、アクアポリンタンパク質調製物の存在下で両親媒性マトリックス形成化合物の自己組織化によって形成される小胞の形態であってもよい。或いは、ＷＯ２０１７１３７３６１Ａ１に開示されているように、ＰＥＩ（ポリエチレンイミン）によって、アクアポリン水チャネルを安定化させてもよい。これらの安定化したアクアポリン水チャネルを使用して製造された膜は、堅牢であり、高い水輸送能力と低いイオン逆流束を有することが証明されている。本発明の１つの特定の実施形態では、アクアポリン水チャネルは、小胞内に存在する。

適切には、小胞は、１種以上のポリマーによって製造されたポリマーソームである。ポリマーソームは、比較的に高い圧力に耐えることができるため、逆浸透プロセスに適し得る。ポリマーソームのポリマーをＰＭＯＸＡ－ＰＤＭＳジブロックコポリマー（ポリ（２－メチルオキサゾリン）－ブロック－ポリ（ジメチルシロキサン）ジブロックコポリマー）として適切に選択して、アクアポリン水チャネルなどの膜貫通タンパク質と自己組織化小胞を形成してもよい。次に、小胞は、膜貫通タンパク質が組み込まれるか又は固定化されかつ水分子が膜を通過することを可能にするために活性化されたＴＦＣ層の製造に使用することができる。例えば、アクアポリン水チャネルを含む膜を製造するために、ジアミン又はトリアミンなどの芳香族アミン、例えば多孔質支持膜の表面に適用された１，３－ジアミノベンゼン（ＭＰＤ）を含む水性液体組成物に小胞を添加してもよく、このような芳香族アミンは、有機溶媒中の酸ハロゲン化物の溶液と接触する場合に、界面重合反応に関与して、上記支持体に薄膜複合層を形成するため、上記小胞が固定化されるか又は組み込まれる分離膜を形成する。

１つの特定の態様では、小胞のＰＭＯＸＡ_ａ－ｂ－ＰＤＭＳ_ｃ－ｄは、ＰＭＯＸＡ_{１０－４０}－ＰＤＭＳ_{２５－７０}及びそれらの混合物からなる群から選択される。小胞の堅牢性を向上させるために、一般式ＰＭＯＸＡ_{１０－２８}－ＰＤＭＳ_{２５－７０}の第１の両親媒性ジブロックコポリマー（ａｍｐｈｉｐｈｉｌｉｃ ｄｉｂｌｏｃｋ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）及び一般式ＰＭＯＸＡ_{２８－４０}－ＰＤＭＳ_{２５－７０}の第２の両親媒性ジブロックコポリマーを少なくとも含む混合物を使用することが好ましい。第１の両親媒性ジブロックコポリマーと第２の両親媒性ジブロックコポリマーとの重量比は、通常、０．１：１～１：０．１の範囲である。液体組成物中の両親媒性ジブロックコポリマーの濃度は、一般的に、０．１～５０ｍｇ／ｍｌの範囲であり、例えば０．５～２０ｍｇ／ｍｌ、好ましくは１～１０ｍｇ／ｍｌである。

小胞の反応性末端基で官能基化されたＰＤＭＳ_ｅ－ｆ（反応性末端基で官能基化されたポリ（ジメチルシロキサン））は、通常、小胞を含む液体組成物中に約０．０５％ｖ／ｖ～約１％ｖ／ｖの濃度で存在する。反応性末端基で官能基化されたＰＤＭＳ_ｅ－ｆは、１つ、２つ又はそれ以上のアミン基、カルボン酸基及び／又はヒドロキシ基で官能基化されてもよい。適切には、整数ｅは、２０～４０の範囲で選択され、例えば３０であり、整数ｆは、４０～８０の範囲から選択され、例えば５０である。本発明の１つの特定の態様では、反応性末端基で官能基化されたＰＤＭＳ_ｅ－ｆは、ビス（アミノアルキル）、ビス（ヒドロキシアルキル）又はビス（カルボン酸アルキル）で終端されたＰＤＭＳ_ｅ－ｆであり、例えばポリ（ジメチルシロキサン）、ビス（３－アミノプロピル）又はポリ（ジメチルシロキサン）、ビス（３－ヒドロキシプロピル）である。更に、反応性末端基で官能基化されたＰＤＭＳ_ｅ－ｆは、Ｈ_２Ｎ－ＰＤＭＳ_{３０－５０}、ＨＯＯＣ－ＰＤＭＳ_{３０－５０}及びＨＯ－ＰＤＭＳ_{３０－５０}並びにそれらの混合物からなる群から選択されてもよい。上記末端官能化されたＰＤＭＳ_ｅ－ｆ（ｅ－ｆは３０～５０の範囲を表す）の例としては、以下に示す式を有するビス（アミノプロピル）末端ポリ（ジメチルシロキサン）（ＣＡＳ番号：１０６２１４－８４－０、アルドリッチ製品番号：４８１２４６、平均Ｍｎ：約５６００又はＣＡＳ番号：１０６２１４－８４－０、製品番号４８１６９６アルドリッチ、平均Ｍｎ：約２７０００）と、

以下に示す式（ｎは約３０～５０であり、ｍ及びｐは両方とも２～５の整数、例えば３又は４である）を有するビス（ヒドロキシアルキル）末端ポリ（ジメチルシロキサン）（ＣＡＳ番号：１５６３２７－０７－０、アルドリッチ製品番号：４８１２４６、平均Ｍｎ：約５６００）とが挙げられる。

小胞の完全性を向上させるために、小胞は、約１％ｖ／ｖ～約１２％ｖ／ｖのＰＭＯＸＡ_ａ－ｂ－ＰＤＭＳ_ｃ－ｄ－ＰＭＯＸＡ_ａ－ｂタイプのトリブロックコポリマーを更に含んでもよい。典型的には、上記小胞は、約８％ｖ／ｖ～約１２％ｖ／ｖのＰＭＯＸＡ_ａ－ｂ－ＰＤＭＳ_ｃ－ｄ－ＰＭＯＸＡ_ａ－ｂタイプのトリブロックコポリマーを含む。ＰＭＯＸＡ_ａ－ｂ－ＰＤＭＳ_ｃ－ｄ－ＰＭＯＸＡ_ａ－ｂタイプのトリブロックコポリマーは、典型的に、ＰＭＯＸＡ_{１０－２０}－ＰＤＭＳ_{２５－７０}－ＰＭＯＸＡ_{１０－２０}から選択される。

本発明の液体製剤中の小胞は、水流束を増加させるか又は塩逆流束を減少させるか又はその両方を行うために、流束改善剤を更に含んでもよい。流束改善剤は、化合物の大きなグループから選択されてもよいが、一般的には、アルキレングリコールモノアルキルエーテルアルキラート、ベータシクロデキストリン又はポリエチレングリコール（１５）－ヒドロキシステアレートとして選択されることが好ましい。流束増加剤は、通常、液体組成物の０．１重量％～１重量％の量で存在する。

特定の理論に拘束されることを望まないが、表面に利用可能な反応性基（ｆｒｅｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｇｒｏｕｐｓ）が遊離している小胞は、ＴＦＣ層に物理的に組み込まれるか又は固定化される（吸着される）だけでなく、化学的に結合されると考えられており、その原因としては、アミノ基、水酸基及びカルボキシル基などの反応性遊離末端基（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｆｒｅｅ ｅｎｄ ｇｒｏｕｐｓ）がトリメソイルクロリド（ＴＭＣ）などのアシルクロリドとの界面重合反応に関与するからである。このようにして、小胞がＴＦＣ層に共有結合する結果として、比較的多くの小胞が投入されることになり、膜を通過する水流束が高くなると考えられている。更に、ＴＦＣ層における小胞の共有結合により、選択的な膜層に組み込まれた場合に、アクアポリン水チャネル及びアクアポリン水チャネルを含む小胞のより高い安定性及び／又は長い寿命をもたらすと考えられている。

ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）は、一般的に、ポリ（酢酸ビニル）から製造される。ポリ（酢酸ビニル）の重合度は、典型的に、１００～５０００である。ポリ（酢酸ビニル）のエステル基は、ポリ（酢酸ビニル）をポリビニルアルコールと酢酸に変換する塩基加水分解に対して感受性がある。本明細書において、該プロセスは、加水分解と呼ばれるが、従来技術では鹸化とも呼ばれてもよい。

本発明の１つの特定の実施形態では、ＰＶＡは、ポリ酢酸ビニルの加水分解に由来し、ポリ酢酸ビニルの加水分解度は、９０％～９９．９％である。好ましくは、加水分解度は、９５％～９９．５％の間であり、例えば９８．０～９９．０％である。したがって、ＰＶＡポリマーは、実際には、ビニルアルコールと少量の酢酸ビニルコモノマーとのコポリマーである。

重合度が増加するにつれて粘度が増加するため、重合度は、一般的に、粘度で測定される。１つの特定の態様では、２０℃で４％水溶液として測定されたＰＶＡの粘度は、２０～８０ｍＰａ・ｓの間である。１つの好ましい実施形態では、高い水流束を得るために、重合度は、適切に５０～７０Ｐａ・ｓの間である。ポリビニルアルコールは、様々なベンダーから入手できるが、現在ではＫｕｒａｒａｙ Ｐｏｖａｌから入手される。適切なグレードには、完全加水分解グレード、すなわち、約３０ｍＰａ・ｓ又は約６０ｍＰａ・ｓの粘度を有する９８～９９モル％の加水分解が含まれる。

ＰＶＡポリマーは、アルデヒド及び酸などの化学薬品と紫外線照射とで架橋されてもよい。本発明によれば、多塩基酸、すなわち、３種以上の酸基又はそのような酸基の前駆体を有する化合物が使用される。酸基の前駆体基には、例えば、アルデヒド（－ＣＨＯ）、酸ハロゲン化物（－ＣＯＯＸ、ここで、ＸはＣｌ、Ｂｒ又はＩである）及びカルボン酸のアルカリ金属塩（－ＣＯＯＭ、ここで、ＭはＬｉ、Ｎａ又はＫである）が含まれる。一般的に、場合によってはトリメシン酸のような芳香族架橋剤も使用されてもよいが、脂肪族架橋剤は好ましい。適切には、多塩基酸は、クエン酸、１，２，３，４－ブタンテトラカルボン酸、２，３，５－ヘキサントリカルボン酸及び１，２，３－ブタントリカルボン酸（１，２，３－ｂｕｔａｎｅｔｒｉｃａｒｂａｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ）からなる群から選択される。１つの好ましい態様では、多塩基酸は、クエン酸である。クエン酸は、生物学的耐性が高いため、限定なしで食品の製造に使用できる。したがって、クエン酸を架橋剤として使用して製造された膜は、一般的に、食品の処理も含むより広い適用領域を有すると見なされている。

多塩基酸の量は、一般的に、ＰＶＡポリマー上での反応に利用可能なヒドロキシ基の量に調整される。したがって、１つの特定の実施形態では、多塩基酸の量は、ＰＶＡポリマー上の少なくとも４０％のヒドロキシ基が反応することができるように調整される。本発明の１つの好ましい態様では、多塩基酸の量は、ＰＶＡポリマー上のヒドロキシ基の少なくとも６０％、例えば少なくとも８０％である。１つの好ましい実施形態では、多塩基酸の量は、約１００％の利用可能なヒドロキシ基が多塩基酸の酸基と反応することができるように調整される。

多孔質支持膜は、中空繊維膜又はフラットシート膜であってもよい。現在、フラットシート膜が、適しており、板枠モジュール（ｐｌａｔｅ－ａｎｄ－ｆｒａｍｅ ｍｏｄｕｌｅｓ）又はスパイラル巻きモジュールなどの様々なモジュールの製造に使用され得る。

本発明はまた、防汚半透膜を製造する方法に関し、該方法は、
表面に薄膜複合（ＴＦＣ）層が形成された多孔質支持層を含む半透膜を提供するステップと、
ポリビニルアルコールと架橋剤とのＰＶＡ水性混合物の層を前記膜のＴＦＣ層表面に適用するステップと、
前記混合物を反応させるステップとを含み、
前記架橋剤は、３種以上の酸基又はそれらの前駆体を有する多塩基酸である。

水性混合物を前処理なしで半透膜に適用することができるが、前記ＰＶＡ水性混合物を適用する前に、表面に薄膜複合層が形成された支持層を含む半透膜をグリセロール水溶液で処理することが適切である。ＰＶＡ水性混合物を適用する前に、グリセロール水溶液を多孔質側、ＴＦＣ層側又はその両方に適用してもよいが、一般的に、ＰＶＡ水性混合物を適用する前に、グリセロール溶液のみをＴＦＣ膜の支持層の表面に適用する。膜の多孔質側へのみ水性グリセロールを適用することにより、例えばグリセロール濃度の変動に対してより寛容で、水流束の変動がより少ない製造が可能となる。

適切には、グリセロール溶液中のグリセロールの濃度は、５％～５０％の間、例えば１０％～４０％であってもよい。一般的に、好ましくは、グリセロール溶液中のグリセロールの濃度は、１３重量％～８０重量％である。

注入及び噴霧を含む多くの方法を使用してＰＶＡ水性混合物をＴＦＣ膜に適用してもよい。好ましい方法では、より高い水流束を得るために、ＰＶＡ水性混合物を噴霧によってＴＦＣ膜に適用する。

一般的には、多塩基酸は、クエン酸、１，２，３，４－ブタンテトラカルボン酸、２，３，５－ヘキサントリカルボン酸及び１，２，３－ブタントリカルボン酸からなる群から選択される。１つの特定の態様では、多塩基酸は、クエン酸である。多塩基性架橋剤は、ＰＶＡ層の構造を開放することにより水流束を増加させると考えられている。

１つの特定の実施形態では、多塩基酸の重量濃度は、ＰＶＡ水性混合物中のＰＶＡの重量濃度以上である。好ましくは、クエン酸の重量濃度は、水性混合物中のＰＶＡの濃度の少なくとも２倍である。

驚くべきことに、ＰＶＡ水性混合物への多塩基酸の添加により、膜がＰＶＡ層でコーティングされるときに平均粗さが低下するという結果をもたらす。更に、多塩基酸をＰＶＡ溶液に添加する場合に、接触角及びゼータ電位が大幅に低下する。一般的に、膜の防汚特性を改善するには、表面の粗さとゼータ電位が低いことが重要であるとされている。クエン酸をＰＶＡ溶液に添加する場合に、表面電荷が中性になる傾向があるという事実も、防汚特性の向上に寄与していると考えられる。

実施例１．１ 支持膜の製造
ＴＡＣＴ Ｃｈｅｍｉｅから入手した８３％のＤＭＦ（Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド）に溶解した１７％のポリスルホン（ソルベイＰ３５００ ＭＢ７ ＬＣＤ）からドープを製造した。均一な粘度を得るために、ドープを密閉容器内で４５℃で９０ｒｐｍの混合速度で８時間混合した。

２３０μｍのキャストギャップを使用して、ドープをナイフオーバーロールキャストモードで三菱から入手した不織布ポリエステルシート（モデルＰＭＢ－ＳＫＣ）にキャストした。１．９秒間の曝露時間を経た後、１３℃の水で１６秒間急冷することにより転相を行った。続いて、支持膜を６０℃の水で１２０秒間洗浄した。約１３０μｍの厚さを得た。

実施例１．２ アクアポリン水チャネルの製造
大腸菌においてジャポニカイネ（日本米）からのヒスチジンタグ付きアクアポリンを発現させ、固定化金属アフィニティークロマトグラフィー（ＩＭＡＣ）を使用して精製した。

大腸菌における発現を改善するために、Ｇｅｎｅａｒｔの（サーモフィッシャーサイエンティフィックの子会社）サービスを使用して、ジャポニカイネ（ＵＮＩＰＲＯＴ：Ａ３Ｃ１３２）からのアクアポリンをコードする遺伝子をコドン最適化した。１０個のヒスチジンをコードするコドンを、それぞれ、Ｃ末端で追加し、Ｎ末端及びＣ末端で隣接するＮｄｅｌ／Ｘｈｏｌ制限部位に追加することにより、得られた遺伝子を合成した（遺伝子ＩＤ：ａｑｕａｐｏｒｉｎ＿Ｏｒｙｚａ＿ｓａｔｉｖａ＿Ｊａｐｏｎｉｃａ）。合成遺伝子断片をＮｄｅｌ／Ｘｈｏｌ制限酵素で消化し、Ｎｄｅｌ／Ｘｈｏｌで消化して精製したベクターｐＵＰ１９０９断片に連結した。得られた連結混合物を大腸菌ＤＨ１０Ｂに形質転換し、カナマイシン耐性形質転換体を、カナマイシンを含むＬＢ寒天プレート上で選択した。遺伝子構築物の配列決定によって形質転換体を確認した。続いて、単離されたベクターＤＮＡを産生宿主である大腸菌ＢＬ２１に移転した。

大腸菌でアクアポリンを異種発現させるために、３０ｇ／Ｌのグリセロール、６ｇ／Ｌの（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４、３ｇ／ＬのＫＨ_２ＰＯ_４、５ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．２５ｇ／ＬのＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ、０．４ｇ／Ｌのクエン酸鉄（ＩＩＩ）及び１ｍＬ／Ｌの滅菌ろ過微量金属溶液からなる最少培地で産生宿主を増殖させた。微量金属溶液は、１ｇ／ＬのＥＤＴＡ、０．８ｇ／ＬのＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、１．５のＭｎＣｌ_２－４Ｈ_２Ｏ、０．４ｇ／ＬのＣｕＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ、０．４ｇ／ＬのＨ_３Ｏ_３、０．８ｇ／ＬのＮａ_２ＭｏＯ_４・２Ｈ_２Ｏ、１．３ｇ／ＬのＺｎ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２・２Ｈ_２Ｏからなる。接種して一晩増殖させた後、更に０．２５ｇ／ＬのＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏを添加した。

バッチ発酵プロセスで大腸菌をｅｚ－対照とともに３ＬのＡｐｐｌｉｋｏｎバイオリアクターで培養した。最終濃度が０．５ｍＭになるまでＩＰＴＧを約３０の光学密度（ＯＤ ６００ｎｍ）で添加することにより、タンパク質の産生を誘導した。培養を約２４時間誘導し、５３００ｇで２０分間遠心分離して細菌細胞を回収した。

大腸菌細胞を含むペレットをバッファー（プロテアーゼ阻害剤ＰＭＳＦ及びＥＤＴＡの水溶液）に再懸濁し、Ｓｔａｎｓｔｅｄ ｎｍ－ＧＥＮ７５７５ホモジナイザーで１０００バールで均質化した。温度を約１０～１５℃に維持した。混合物を５３００ｇの最高速度で３０分間遠心分離した。ペレットには膜タンパク質が含まれており、上清を廃棄した。

ペレットを０．９％の塩化ナトリウム溶液に再懸濁することにより、総タンパク質濃度が約５０ｍｇ／ｍｌになった。２８ＬのＴＲＩＳ結合バッファーと４．５リットルの５％のｎ－ラウリルジメチルアミンＮ－オキシド（ＬＤＡＯ）を５Ｌの再懸濁ペレット材料に添加することにより、膜タンパク質の可溶化を行った。室温で穏やかに撹拌し、混合物を２～２４時間インキュベートした。

可溶化プロセスの後に、混合物を２Ｌの容器内で５３００ｇで９０分間遠心分離した。上清を回収し、希釈バッファーを添加することによりＬＤＡＯ濃度を０．２％に調整した。

可溶化及び清澄化後に、ＩＭＡＣを使用してタンパク質を捕捉し、１０００ｍＭのイミダゾール及び０．２％ｗ／ｖのＬＤＡＯを含む溶出バッファーで溶出した。溶出画分をＳＤＳ Ｐａｇｅで分析し、日本米からのアクアポリンのサイズに相当する２７ｋＤａのバンド一本のみが検出された。更に、空ベクターで形質転換された大腸菌からの陰性対照精製と比較することにより結果を確認した。陰性対照は精製タンパク質をもたらさなかった。ヒスチジンタグに特異的な抗体（ＴａＫａＲａ Ｂｉｏ）を用いたウエスタンブロット分析では、予想通り、精製タンパク質からの明確なシグナルが得られるが、陰性対照からのシグナルがなく、精製タンパク質がヒスチジンタグ付き膜タンパク質由来であることが確認された。

２％のＬＤＡＯを含む氷冷したイミダゾールを含まないバッファーを添加してタンパク質の濃度を５ｍｇ／ｍｌに調整することにより、ストック溶液を製造した。最後に、アクアポリンストック溶液を０．４５ｍＭの滅菌カップでろ過して滅菌し、冷蔵庫で４℃で１ヶ月以内に使用するか又は冷凍庫で－８０℃で保存した。

実施例１．３ アクアポリン製剤の製造
１）５ｇのＫＨＳを１１のＰＢＳ（８ｇのＮａＣｌ、０．２ｇのＫＣｌ、１．４４ｇのＮａ_２ＨＰＯ_４及び０．２４ｇのＫＨ_２ＰＯ_４を８００ｍＬのＭｉｌｉＱ精製Ｈ_２Ｏに溶解させ、ＨＣｌでｐＨを７．２に調整し、容積を１Ｌに達成させることにより調製される）に溶解させて、０．５重量％のＫｏｌｌｉｐｈｏｒ（登録商標）ＨＳ１５（ポリエチレングリコール（１５）－ヒドロキシステアレート）（ＫＨＳ）溶液を調製する。
２）０．０５ｇのＬＤＡＯを１００ｍＬのＰＢＳに溶解させて、ＰＢＳ中に０．０５重量％のＬＤＡＯ溶液を調製する。
３）調製容器内で、調製した製剤１Ｌあたり０．５ｇのポリ（２－メチルオキサゾリン）－ブロック－ポリ（ジメチルシロキサン）ジブロックコポリマー（ＰＤＭＳ_６５ＰＭＯＸＡ_２４）を計量する。
４）同じ調製容器内で、ポリ（２－メチルオキサゾリン）－ブロック－ポリ（ジメチルシロキサン）ジブロックコポリマー（ＰＤＭＳ_６５ＰＭＯＸＡ_３２を計量して、調製した製剤の濃度を０．５ｇ／Ｌに達成させる（ＰＤＭＳ_６５ＰＭＯＸＡ_２４とＰＤＭＳ_６５ＰＭＯＸＡ_３２との重量比は１：１である）。
５）同じ調製容器内に、ポリ（２－メチルオキサゾリン）－ブロック－ポリ（ジメチルシロキサン）－ブロック－ポリ－（２－メチルオキサゾリン）トリブロックコポリマーＰＭＯＸＡ_１２ＰＤＭＳ_６５ＰＭＯＸＡ_１２を添加して、調製した製剤の濃度を０．１２ｇ／Ｌに達成させる。
６）ステップ２で調製した０．０５％のＬＤＡＯを、調製した製剤の１００ｍＬ／Ｌの割合で添加する。
７）分子量２５００Ｄａのビス（３－アミノプロピル）末端ポリ（ジメチルシロキサン）を添加して、最終濃度を０．１％に達成させる。
８）アクアポリンストック溶液を添加して、調製した製剤の濃度を５ｍｇ／Ｌに達成させ、タンパク質とポリマーとの比率を１／４００とする。
９）ステップ１で調製した３重量％のＫＨＳ溶液を添加し、ステップ６及び８で添加されたＬＤＡＯ、ビス（３－アミノプロピル）末端ポリ（ジメチルシロキサン）及びアクアポリンの容積を差し引いた、調製した製剤の所望の容積に達成させる。
１０）ステップ９の混合物を、室温で毎分１７０回転で一晩（２０時間以内）撹拌して、製剤を得る。
１１）翌朝、ステップ１～１０の順序で得られた調製した製剤を取り、２００ｎｍの細孔径のフィルターでろ過して滅菌し、密閉ボトルに入れ、室温で１２月間以内に保管する。

実施例１．４ 支持膜上でのＴＦＣ層の製造
ａ）ＤＩ水に以下のｉ～ｉｉｉの成分を混合して水溶液を調製する。
ｉ）３．０％のＭＰＤ
ｉｉ）０．７５％のε－カプロラクタム（ＣＡＰ）
ｉｉｉ）３％のアクアポリン製剤
ｂ）アイソパーＥ中で０．１３％のＴＭＣで有機溶液を調製する。
ｃ）ＴＦＣを形成する。
ｉ）支持膜を水溶液に５０秒間浸した。
ｉｉ）膜をエアガンで１バールで乾燥させた。
ｉｉｉ）有機溶液を２０～２２秒間添加した。
ｉｖ）膜をエアガンで約０．１バールで乾燥させた。
ｄ）ＴＦＣ層を備えた膜を７０℃の１０％のクエン酸に入れて４分間放置し、次に６０℃のＤＩ水に入れて２分間放置した。
ｅ）膜を２０００ｐｐｍの次亜塩素酸ナトリウム溶液に２分間浸し、次に室温の脱イオン水に１分間浸し、最後に１％の亜硫酸水素ナトリウム（ＳＢＳ）に浸した。

実施例２ ＰＶＡ層前のグリセロール処理
１０％のグリセロール水溶液及び２０％のグリセロール水溶液を調製した。最初の実行では、実施例１．４で得られた膜をグリセロール溶液に１分間浸し、エアナイフで処理して過剰のグリセロール溶液を除去し、次に０．３５％のＰＶＡ水溶液（Ｋｕｒａｒａｙ Ｐｏｖａｌ、タイプ６０－９８）を３０秒間注入することにより処理し、１バールのエアナイフで処理して過剰のＰＶＡ溶液を除去し、オーブン内で６０℃で４分間乾燥させた。結果を以下の表１に示す。

適用方法を、膜全体をグリセロール溶液に浸すことから実施例１．４で得られた膜の裏面にグリセロール溶液を単に適用することへ変更することにより、別の試験を実行した。結果を以下の表２に示す。

表１及び２に示す結果は、１０％のグリセロールと比較して、２０％のグリセロールを使用する場合に流束が改善されることを示している。グリセロールディップの除去率のわずかな低下が観察された。しかしながら、裏面グリセロール（ｂａｃｋ－ｓｉｄｅ ｇｌｙｃｅｒｏｌ）の場合は、グリセロール濃度の変化は除去率に影響を与えないようである。グリセロールディップと比較して、流束の偏差も小さくなる。

グリセロール溶液の反応時間を３分と長くして、テスト運転を繰り返した。結果を表３に示す。

表３の結果は、ＰＶＡ溶液に関して２０％のグリセロール溶液で処理し、反応時間を３分間にすることにより、最高の流束及び同じ除去率が得られることを示している。

実施例３ ＰＶＡ溶液の反応時間及び種類
裏面が２０％のグリセロールで３分間処理された膜に、０．３５％のＰＶＡ ６０－９８溶液を１０秒間又は３０秒間注入し、１バールのエアナイフで処理して、オーブン内で６０℃で４分間乾燥させた。結果を表４に示す。

結果は、流束及び除去率が本質的に変化しないままであることを示している。したがって、更なる調査のために、１０秒間のＰＶＡ反応時間を使用した。

上記試験の実行経験を使用して、すなわち、２０％のグリセロールで裏面処理を３分間行い、０．３５％のＰＶＡ溶液を注入法で適用して１０秒間反応させ、１バールのエアナイフで処理して過剰のＰＶＡ溶液を除去し、オーブン内で６０℃で４分間乾燥させるように、Ｋｕｒａｒａｙ Ｐｏｖａｌ（登録商標）から入手可能な様々な種類のＰＶＡをスクリーニングした。様々なＰＶＡ種類及び品質に関して、結果を以下の表５に示す。

命名法の第１の数値は、ＰＶＡのモル質量の相対的な尺度として、２０℃での４％の水溶液の粘度を示す。第２の数値は、ＰＶＡが由来するポリ酢酸ビニルの加水分解度を示す。

表５に示す結果は、ＰＶＡ ３０－９８及びＰＶＡ ６０－９８が、高い流束と除去率を示すだけでなく、低い偏差を示すため、優れた候補であることを示す。これらの候補を、市販のＨｙｐｅｒｓｈｅｌｌ ＤＯＷ膜（ベンチマーク）と比較した。結果を以下の表６に示す。

表６に示されている結果に基づいて、ＰＶＡ６０－９８は、ＰＶＡ ３０－９８と比較して流束及び除去率が高いため、更なる開発のために選択される。除去率は、ベンチマークと同じレベルで不可欠であるが、流束は約２５％高くなる。

実施例４ ＰＶＡの適用方法
コーティングされた膜のＰＶＡ層は、ＰＶＡ色素試験によって、かなり厚いことが観察された。比較的に厚い層は、対照膜と比較して、流束が比較的に大きく低下することによるものである可能性がある。したがって、ＰＶＡ溶液を適用するための噴霧法を使用し、注入法と比較した。流束に関する結果を以下の表７に示す。

表７の結果は、噴霧によってＰＶＡ溶液が適用された膜が、注入方法と比較してＰＷＰ流束を約２０％改善し、ＤＯＷのベンチマークと比較して６０％改善することを示している。

実施例５ クエン酸（ＣＡ）架橋剤
流束を更に改善するために、架橋剤又は細孔形成剤としてクエン酸をＰＶＡ溶液に添加した。

上記のように調製されたＰＶＡ溶液に、ＰＶＡの利用可能なＯＨ基と反応したときの５０％の架橋度に相当する０．４２重量％のクエン酸を補充した。ＰＶＡを噴霧法で適用し、過剰のＰＶＡ溶液をエアナイフで除去する前に、１０秒間反応させた。結果を以下の表８に示す。

試験条件：２０００ｐｐｍのＮａＣｌ供給、１５．５バール、１．８のＬＰＭ流量。

結果は、クエン酸をＰＶＡ溶液に添加することにより約９％の流束の改善が得られることを示している。

表面粗さＲａ（ｎｍ）、接触角及びゼータ電位（ｍＶ）を、ＰＶＡ膜及びＰＶＡ＋ＣＡ（５０％）について調査し、ＰＶＡで処理されていない対照膜と比較した。結果を以下の表９に示す。

表９の結果は、膜がＰＶＡ層でコーティングされている場合に平均粗さが低下することを示している。粗さの更なる低下は、ＰＶＡ溶液へのクエン酸の添加によって得られる。更に、クエン酸をＰＶＡ溶液に添加する場合に、接触角及びゼータ電位が大幅に低下する。低い表面粗さ及びゼータ電位は、一般的に、膜の防汚特性を改善すると考えられている。クエン酸をＰＶＡ溶液に添加する場合に、表面電荷が中性になる傾向があるという事実も、防汚特性を改善すると見なされる。

更なる実験は、５０％の架橋度と１００％の架橋度とを比較するために設計された。１００％の架橋度のＰＶＡ溶液は、０．８４重量％のクエン酸を含んでいる。結果を以下の表１０に示す。

試験条件：２０００ｐｐｍのＮａＣｌ供給、１５．５バール、１．８のＬＰＭ流量。

表１０に示される結果は、ＰＶＡ溶液中のクエン酸の量が５０％の架橋度から１００％の架橋度に増加した場合に、約９％の改善された流束が得られることを示している。

様々な態様及び実装は、本明細書の様々な実施形態に関連して説明されてきた。しかしながら、特許請求される主題を実施する際に、当業者は、本開示の研究及び添付の特許請求の範囲から、開示された実施形態に対する他の変形例を理解し実施することができる。特許請求の範囲において、「含む」という語は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。

Claims (7)

1. 多孔質支持層と、前記多孔質支持層の表面に形成された薄膜複合（ＴＦＣ）層と、前記ＴＦＣ層の上に形成された架橋ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）層とを含み、前記架橋ＰＶＡ層が、ＰＶＡと架橋剤との反応生成物であり、前記架橋剤が、３以上の酸基又はそれらの前駆体を含む多塩基酸であり、
   前記ＴＦＣ層が、アミン反応物と、ハロゲン化アシル反応物との反応生成物からなり、
   前記ＴＦＣ層は、アクアポリン水チャネルを含む、防汚半透膜を製造する方法であって、
   前記ＴＦＣ層が表面に形成された前記多孔質支持層を含む半透膜を提供するステップと、
   グリセロール水溶液を、前記ＴＦＣ層に接触していない前記多孔質支持層の表面に適用するステップと、
   前記ＰＶＡと前記架橋剤とのＰＶＡ水性混合物の層を、前記膜の前記ＴＦＣ層の表面に適用するステップと、
   前記ＰＶＡ水性混合物を反応させて、前記ＴＦＣ層の上に前記架橋ＰＶＡ層が形成されるようにするステップとを含み、
   前記酸基の前駆体が、アルデヒド、酸ハロゲン化物、及びカルボン酸のアルカリ金属塩からなる群から選択される、方法。
2. 前記ＰＶＡは、ポリ酢酸ビニルの加水分解に由来し、ポリ酢酸ビニルの加水分解度は、９０％～９９．９％である、請求項１に記載の方法。
3. ２０℃で４％水溶液として測定された前記ＰＶＡの粘度は、３０ｍＰａ・ｓ～８０ｍＰａ・ｓの間である、請求項１に記載の方法。
4. 前記グリセロール水溶液中のグリセロールの濃度は、１３重量％～８０重量％である、請求項１に記載の方法。
5. 前記多塩基酸は、クエン酸、１，２，３，４－ブタンテトラカルボン酸、２，３，５－ヘキサントリカルボン酸及び１，２，３－ブタントリカルボン酸からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
6. 前記多塩基酸の重量濃度は、前記ＰＶＡ水性混合物中のＰＶＡの重量濃度以上である、請求項１に記載の方法。
7. 前記多塩基酸がクエン酸であるときのクエン酸の重量濃度は、前記ＰＶＡ水性混合物中のＰＶＡの濃度の少なくとも２倍である、請求項５に記載の方法。