3Dで炭酸ガスフィルターを作ることができます

ノースカロライナ州立大学

新しい研究で、ノースカロライナ州立大学の研究者は、3D プリンティングを使用して二酸化炭素捕捉フィルターを作成できることを実証しました。 具体的には、二酸化炭素と水を重炭酸塩に変える反応を促進する酵素、炭酸脱水酵素を保持できるヒドロゲル素材をプリントした。

ジャーナル「Gels」に掲載されたこの研究結果は、3D プリンティングがフィルター設計を作成するためのより高速で汎用性の高い方法である可能性があることを示唆しています。

「3Dプリンティングを使用したこの製造プロセスにより、すべてがより速く、より正確になります」と、研究の筆頭著者であり、ノースカロライナ州立大学の繊維工学、化学、科学の助教授であるJialong Shen氏は述べた。 「プリンターと原材料があれば、この機能性素材を作ることができます。」

この研究では、ノースカロライナ州立ウィルソン繊維大学の研究者らが、2つの異なる有機化合物（印刷「インク」）と炭酸脱水酵素と呼ばれる酵素を含む溶液を混合した。 次に研究者らは、印刷時に溶液を UV 光で固化させながら、ヒドロゲルの糸状フィラメントを 2 次元グリッドに印刷しました。

「私たちは、3D プリントできるほど機械的強度が高く、連続フィラメントに押し出されるような方法でヒドロゲルを配合しました」と Shen 氏は述べています。 「私たちのデザインの背後にあるインスピレーションは、液体で満たされた区画された空間に酵素が詰め込まれた私たち自身の細胞でした。そのような環境は、酵素の働きを助けるのに適しています。」

研究者らは、材料の特性をテストして材料がどの程度曲がり、ねじれるかを理解し、フィルターの炭素捕捉性能を調査しました。 小規模な実験では、フィルターがガス混合物中の二酸化炭素の 24% を捕捉したことがわかりました。 捕捉率は以前の設計で達成したものより低いものの、フィルターの直径は 1 インチ (2 センチメートル) 未満であり、高い柱に積み重ねるためにフィルターをより大きくし、さまざまなモジュール形状にすることができました。 。 研究者らによると、これにより捕獲効率が向上する可能性があるという。

「より高い捕捉率を得るには、フィルターの直径を大きくするか、より多くのフィルターを積み重ねる必要があります」とシェン氏は述べています。 「私たちはそれが問題だとは考えていません。これはテストを容易にするための小規模な初期テストでした。」

研究者らはまた、この材料の濾過耐久性をテストしたところ、1,000 時間を超えても初期の炭素捕捉性能の 52% が保持されていることを発見しました。

「この研究はまだ初期段階だが、我々の研究結果は、炭素捕捉装置用の材料を作る新しい方法があることを示唆している」と、この研究の共著者であり、ノースカロライナ州立大学の繊維工学、化学、科学の准教授であるSonja Salmon氏は述べた。 「私たちは二酸化炭素回収に希望を与えています。」

この研究「炭酸脱水酵素により強化された UV 架橋 PEG-DA/PEO 押出ヒドロゲルの柔軟なフィラメントと CO₂ 捕捉のための耐久性グリッド」は、Gels 誌にオンラインで掲載されました。 共著者には Sen Zhang 氏と Xiaomeng Fang 氏が含まれます。 資金は、ノースカロライナ州立大学、ノボ ノルディスク財団、および米国エネルギー省国立再生可能エネルギー研究所の管理運営請負業者である Alliance for Sustainable Energy, LLC によって提供されました。

-オレニアック-

編集者への注記:研究の要約は次のとおりです。

炭酸脱水酵素により強化された UV 架橋 PEG-DA/PEO 押出ヒドロゲルの柔軟なフィラメントと CO 2 捕捉用の耐久性のあるグリッド

著者: Jialong Shen、Sen Zhang、Xiaomeng Fang、Sonja Salmon

発行日: 2023 年 4 月 16 日、ゲル

土井：10.3390/ゲル9040341

抽象的な：この研究では、ポリ (エチレングリコール) ジアクリレート/ポリ (エチレンオキシド) (PEG-DA/PEO) 相互貫入ポリマー ネットワーク ヒドロゲル (IPNH) を 1D フィラメントと 2D グリッドに押し出しました。 このシステムの酵素固定化および CO2 捕捉用途への適合性が検証されました。 IPNH の化学組成は、FTIR を使用して分光学的に検証されました。 押し出されたフィラメントは、平均引張強度が６．５ＭＰａ、破断点伸びが８０％であった。 IPNH フィラメントはねじったり曲げたりできるため、従来の繊維製造方法を使用したさらなる加工に適しています。 エステラーゼ活性から計算された、捕捉された炭酸脱水酵素 (CA) の初期活性回復率は、酵素用量の増加に伴って減少を示しましたが、高酵素用量のサンプルの活性保持率は、150 日間繰り返し洗浄およびテストした後でも 87% 以上でした。 スパイラルロール構造の充填物に組み立てられた IPNH 2D グリッドは、酵素用量の増加に伴って CO2 捕捉効率の向上を示しました。 CA 固定化 IPNH 構造パッキングの長期 CO2 捕捉性能を 1032 時間の連続溶媒再循環実験でテストしました。初期 CO2 捕捉性能の 52% と酵素寄与の 34% が保持されました。 これらの結果は、粘度の向上と鎖の絡み合いの両方の目的で類似の線状ポリマーを使用し、固定化 CA の高い活性保持と性能安定性を達成する幾何学的に制御可能な押出プロセスによって、急速 UV 架橋を使用して酵素固定化ヒドロゲルを形成する実現可能性を示しています。 。 このシステムの潜在的な用途は、生体触媒反応器やバイオセンサー製造などのさまざまな用途のための 3D プリンティング インクや酵素固定化マトリックスにまで広がります。

ジェル

10.3390/ゲル9040341

炭酸脱水酵素により強化された UV 架橋 PEG-DA/PEO 押出ヒドロゲルの柔軟なフィラメントと CO₂ 捕捉用の耐久性のあるグリッド

2023 年 4 月 16 日

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