研究紹介

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亜臨界水を用いたプロセス

1.亜臨界水とは

亜臨界水は明確に定義されていないが、当研究室で「150℃以上、臨界点温度以下において加圧により液体状態を保った水」を亜臨界水としている。この状態の水は常温状態の水と比較して、イオン積が100〜1000倍大きくなることから加水分解作用を持つ。また、比誘電率が小さくなり疎水性物質を溶解しやすくなる。このような性質の亜臨界水を利用した反応は、安価で安全な水を利用した非常に“green”なプロセスであり、現在では廃棄物の再資源化や、バイオ燃料製造の分野などでの応用法が期待されている。 環境に負荷をかけないプロセスの構築が期待される亜臨界水であるが、亜臨界水そのものの物性の評価はあまり報告されておらず、より効率のよい運用には基礎的な知見が不可欠である。本研究では、酸感受性の二糖であるスクロースを亜臨界水反応により分解させ、その分解速度などを詳細に解析し、亜臨界水中での酸成分状態を把握しようとしている。これにより、亜臨界水中での酸、アルカリイオンの状態をより詳細に知ることが期待される。

2.亜臨界水を用いた流通型反応器によるグリセリンからの乳酸の生産

石油代替燃料としてバイオディーゼル燃料(BDF)が注目されている。BDF生産時の副生成物であるグリセリンは現在供給過剰状態にあり、有効な用途が見つかっていない。最近、アルカリ添加した亜臨界水によりグリセリンを処理すると、乳酸に転換できることがわかってきた。乳酸は重合することで生分解性のプラスチック原料であるポリ乳酸を合成できるため有用な物質である。そこで本研究室では亜臨界水を用いてグリセリンを分解し、乳酸を得ることを目的に実験を行っている。グリセリンの処理方法としてマイクロフロー反応系と亜臨界水条件を組み合わせることにより、環境低負荷かつ高効率な乳酸生成を可能にした。
(Toshinori Shimanouchi, Shouhei Ueno, Kazuki Shidahara, Yukitaka. Kimura “Rapid Conversion of Glycerol to Lactic Acid under Alkaline Hydrothermal Condition, by Using Continuous Flow Reaction System”,Chemistry Letters, Vol.43, No.4, 535-537 (2014))

3.亜臨界水で前処理した山核桃殻を含む生分解性な発泡体の調製

現在、亜臨界水を用いてバイオマスから有用成分の抽出に関する研究が盛んである。しかし、抽出後の固体残物の利用についての研究は依然として少ない。本研究では、亜臨界水を用いて中国産山核桃の殻から炭水化物を抽出した後、固体残物とスターチを混合して、生分解性を持つ発泡体の調製を試みる。

(Toshinori Shimanouchi, Shohei Ueno, Wei Yang, Yukitaka Kimura "Extraction of Reducing Sugar with Anti-Oxidative Compounds from Peels of Carya cathayenisis sarg: Use of Subcritical Water",Environ. Eng. Res., 19(1), 41-45 (2014))

4.亜臨界水を用いたクルミ殻からのバイオオイルの生産

亜臨界水は様々な用途に利用される。本研究では亜臨界水を利用した熱液化という方法でクルミの殻からバイオオイルを得ることを目的とする。バイオオイルの生産は従来では熱分解方法が用いられていた。本方法で得られるバイオオイルは従来よりも良質であることが期待される。
(Wei Yang, Ichiro Shimizu, Tsutomu Ono, Yukitaka Kimura "Preparation of Biodegradable Foam from Walnut Shells Treated by Subcritical Water", Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 90, 44-49, (2015))

5.亜臨界水を用いたナノエマルションの調製

現在、ナノエマルションの調製法には超音波ホモジナイザーなどでシェアストレスをかけるトップダウン方式の調製法が用いられている。しかし、粒径を小さくするのに限界があり、近年、溶解した均一相からの析出を利用したボトムアップ方式の開発が重要視されている。ボトムアップ方式はいまだ研究段階であるがナノオーダーでの粒径制御が期待されている。このことから本研究では新しいボトムアップ方式のナノエマルション調製法である亜臨界水乳化法に着目した。亜臨界水は通常の水とは異なる性質(低い比誘電率と高いイオン積)を有している。比誘電率の低下は極性物質の溶解を促進する。亜臨界水乳化では、この性質を利用し、油相を亜臨界水に溶解し、油相が溶解した亜臨界水に常温の界面活性剤水溶液を混合して温度を下げることで水から分離してくる油の滴を界面活性剤により安定化し、O/Wナノエマルションが調製できる。そこで本研究室では亜臨界水乳化でのナノエマルション調製とその有効性について研究している。
(Toshinori Shimanouchi, Takashi Tange, Yukitaka Kimura "Subcritical Water-Assisted Emulsification of Oil/Water: The Effect of Solubility of Organic Solvent and Surfactants", Solvent Extraction Research and Development, Japan, 21, 223-230, (2014), Toshinori Shimanouchi, Takashi Tange, Yukitaka Kimura "Subcritical Water-Assisted Emulsification of Decane/Water : Influence of Surfactants",Solvent Extraction Research and Development, Japan, 21, 191-199, (2014))

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