2018 Fiscal Year Annual Research Report
Measurements of shear rate distribution and surface charge of bubbles in airlift bubble columns on the basis of structural change in lipid membranes
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16K06827
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
吉本 誠 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80322246)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リポソーム / エアリフト型気泡塔 / せん断ストレス / 脂質膜 / 表面電荷 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
外部循環式エアリフト型気泡塔は，液相，気相及び固体粒子を温和な条件下で混合撹拌できるため，細胞やタンパク質が関わる分離・反応操作へ応用されている。気泡塔内のせん断ストレスや気泡の特性は，細胞の安定性や代謝活性に影響する。本研究では，脂質二分子膜小胞（リポソーム）を用いて，気泡塔における脂質膜の構造変化を定量化することにより，せん断ストレスと気液界面の特性を明らかにした。最終年度は，前年度見出した高分子修飾リポソームが気泡塔内の気泡群と強く相互作用する現象に着目して，リポソーム内または液本体において化学的に生成させた気泡が脂質膜の透過性に及ぼす効果を詳細に検討した。具体的には，酵素カタラーゼによる過酸化水素分解反応により生成させた酸素の微細気泡と脂質膜間の相互作用を色素の膜透過係数に基づいて定量的に評価した。
研究期間全体では，体積，形状及び生成気泡径が異なるエアリフト型気泡塔に窒素ガスを通気して，蛍光色素を内包させた双性リポソームを懸濁した結果，適用した条件下では，色素の膜透過性が気泡塔の形状に由来する特徴や流動条件に依存して変化することを明らかにした。具体的には，生成気泡径が大きい場合あるいは塔高が大きく気泡の合一分散が促進される場合に懸濁ポソームの膜透過性が増大する傾向が認められた。これらの結果より，色素の膜透過係数に基づいて，気泡塔の平均せん断速度を定量化した。また，せん断速度の気泡塔形状依存性に基づいて，せん断速度の大きさに支配的な影響を及ぼす因子，気泡塔部位を推定した。さらに，負または正に帯電させたリポソームを懸濁させたところ，正電荷リポソームの膜透過が気泡塔内で促進されたことから，気泡が負に帯電していることが強く示唆された。以上は，気液接触型装置を用いる細胞やタンパク質が関与する分離・反応操作の合理的な設定において重要な知見となる。
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