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本研究は酵素を固定化したバイポ-ラ-膜における化学反応とイオンや電子の輸送との連結のメカニズムの解明を目的とした。モデルシステムとして酵素にウレア-ゼを、バイポ-ラ-膜として正及び負に荷電したイオン交換膜を使用した。本系において尿素のウレア-ゼによる分解生成物が正に荷電した一価のアンモニウムイオンと負に荷電した二価の炭酸イオンであると考え、混合イオン系におけるイオンの輸送の問題として、輸送の量や方向について論じた。この結果によると反応生成物は主として正荷電側に流れ生成量は膜厚や膜の荷電密度、酵素の量、尿素の濃度の関数として記述できることを明らかにした。次にアンモニウムイオンと炭酸イオンの濃度の時間変化を測定した。その結果炭酸イオン濃度は理論で予測される結果と同様の傾向を示したが、アンモニウムイオン濃度は理論的予測とは著しい違いを示した。これには次のように原因が考えられる。
1.本系における反応生成物は弱電解質にもかかわらず強電解質イオンの透過の理論を使用した。
2.膜の有効荷電密度が実測値と比べて著しくことなる。
3.膜中のイオンの移動度が水中と比べて著しくことなる。
2、3に関しては使用した膜における強電解質イオンの輸送現象が理論に従がっていることから大きな問題とならないと考えられる。そこで1を中心に考察を進めた。弱電解質系におけるイオン輸送に関して明確な理論体系の欠如が予測からずれる大きな原因と考えられる。このことは今後アミノ酸等の分離において大きな障害になるものと考えられる。そこで次に弱電解質イオンの荷電膜中における輸送について理論的及び実験的検討を行った。
1.各々のイオンは膜外及び膜内で解離平衡が成り立っていると考え、透過の理論式を求めた。
2.亜硫酸ナトリウムを使用して透過実験を行い理論から求めた結果と実験値との対応を行った。
3.以上の結果をもとに尿素の加水分解反応生成物の透過量や透過の方向を予測して実験結果を考察した。
酵素固定化バイボ-ラ-膜における反応と輸送のカップリングは反応生成物である弱電解質イオンの輸送に大きく支配されることが出来る。