高分子膜バイオリアクターにおける酵素活性評価のための小型化システム

Miniaturized systems for evaluating enzyme activity in polymeric membrane bioreactors.

• Mohammad S Islam
• Cindy K Harnett

抄録

酵素コート高分子膜は、植物バイオマスのような原料からのバイオ燃料生産やその他の化学生産のための汎用性の高い触媒である。このようなバイオリアクターは、酵素が室温付近で化学反応を触媒するため、高温法よりもエネルギー効率が高い。植物バイオマスを処理する際の主な課題は、化学分解に抵抗する複雑な芳香族ポリマーであるリグニンの存在である。そのため、エネルギー抽出システムでは、リグニンを分解できるラッカースなどの酵素をコーティングした膜が求められている。本研究では、酵素膜を用いたバイオリアクターの最適化に関する実験的研究を行い、活性領域での高流量と短い滞留時間のトレードオフについて検討した。本研究では、ゼロフローレートボルタンメトリー実験により、導電性高分子電極上でのラケースの電気化学的活性を確認し、ラケースを被覆した多孔質ナイロン膜を用いたフロースルー分光装置を用いて、比色ラケース活性インジケータを用いて、反応物の流量の関数としての触媒反応速度と変換率を測定した。ラッカーゼコーティング前後の膜の空隙率を電子顕微鏡で確認した。

Enzyme-coated polymeric membranes are versatile catalysts for biofuel production and other chemical production from feedstock, like plant biomass. Such bioreactors are more energy efficient than high temperature methods because enzymes catalyze chemical reactions near room temperature. A major challenge in processing plant biomass is the presence of lignin, a complex aromatic polymer that resists chemical breakdown. Therefore, membranes coated with enzymes such as laccase that can degrade lignin are sought for energy extraction systems. We present an experimental study on optimizing an enzyme-based membrane bioreactor and investigate the tradeoff between high flow rate and short dwell time in the active region. In this work, zero flow rate voltammetry experiments confirm the electrochemical activity of laccase on conductive polymer electrodes, and a flow-through spectroscopy device with laccase-coated porous nylon membranes is used with a colorimetric laccase activity indicator to measure the catalysis rate and percent conversion as a function of reactant flow rate. Membrane porosity before and after laccase coating is verified with electron microscopy.

© 2019 The Authors. Engineering in Life Sciences published by WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.