環境創成計画学講座
環境分子化学分野

Ecomaterial Design and Process Engineering
Environmentally-Benign Molecular Design and Synthesis

自然環境に順応するChemicalEngineering Technology の創製
Innovative chemical engineering technologies for creating sustainable society

准教授 大田 昌樹
Associate Professor

Masaki Ota

従来の医薬食品製造分野においては、ときに高環境負荷の有機溶媒が使用されることで人体への副作用の問題などが懸念されてきた。これに対し我々は、安心かつ安全な経口 ･ 経皮物質の製造に向けて、二酸化炭素の他、エタノール、水等のグリーン溶媒を用いた高圧流体、特に超臨界・亜臨界流体の利用による環境調和型製造技術の開発に関する応用研究を推進している。特に最近では、Hildebrand 溶解度パラメータを独自に拡張したエントロピー型溶解度パラメータを理論的背景に、化学を基盤において地球環境や生態系保全に向けた持続可能な社会構築を目的として、天然資源や合成化合物の有効利用を可能とする工学技術の開発に関する研究について付加価値順のカスケード利用を可能とするための分離工学、安心安全な物質選定のための高圧溶液化学、超臨界流体抽出・亜臨界溶媒分離技術の社会実装のためのプロセスシステム等において知識と経験を深めてきた。これらの研究を推進するための基礎学問は化学工学にあり、基礎物性の測定からモデル化まで実験・理論の両面から研究を進めている。
Green processing and engineering are required for the chemical engineering of pharmaceuticals, foods, beverages, cosmetics, chemicals, and so on. For
this purpose, we aim to use only non-toxic solvents such as carbon dioxide, ethanol, and water for extraction and separation processes, instead of harmful
or potentially toxic solvents. Recently, we developed an entropy-based solubility parameter—an extended Hildebrand solubility parameter—for highpressure fluids (sub/supercritical fluids) and have applied it to designing extraction and separation techniques in order to achieve sustainable green
chemistry. We are promoting these experimental and theoretical approaches based on chemical engineering to study and develop new environmental
sciences and technologies.

流通式亜臨界溶媒分離技術の開発
最近、我々は関連企業と共同で連続式亜臨界溶媒分離装置（向流接触型高圧抽出装置）のオリジナル開発に成功している（Fig.3）。2013
年には、この装置に搭載した連 動式自動背圧弁が 市販されている。
オリジナリティーは、複数台の自動背圧弁を内蔵タイマーにより交互に吐出する機構そのものにある。2019 年は、ホップエキスやシソなどの天然資源を中心に、高圧気液平衡に基づく亜臨界溶媒分離による分離効率に関する研究を推進してきた。まだ、この連動弁搭載型の流通式亜臨界分離装置はパッケージとして普及していないが、需要が拡大すれば将来的には具現化される可能性があるものと期待している。

所属する化学工学会において第 84 年会および The 18th Asian

医薬食品素材の環境調和型抽出分離を設計するにあたり、1960 年初頭に Hildebrand が提唱した溶解度パラメータ（SP 値）は極めて便によるエントロピー変化を無視できるとした正則溶液論に基づく物性であり、溶剤選定の他、高分子材料の設計などに広く用いられている。
このパラメータは通常、医薬食品素材の抽出・分離において標準状態下で使用されてきたが、最近になって著者は、超臨界・亜臨界流体のような高温高圧状態でも計算できるように理論的手法を新たに展開することができた（Fig.1）。この物性値は、SP 値と互換性のある熱力学が、この理論が開発されたことにより理論予測をしながら高温高圧下の抽出分離実験が実施できるようになり、試行錯誤に要する実験的コストを大幅に削減できるようになった。
（平成 30 年度文部科学大臣表彰・若手科学者賞の受賞内容）今年はその延長線上の実証研究を検討することができた。

Fig.1 Hildebrand solubility parameter (SP) andentropy-based solubility parameter (eSP)

52 Coexistence Activity Report 2019

Although the SP has been widely used under ambient temperature andpressure conditions, we recently extended its value for high-pressure
fluids such as sub-/supercritical fluids (Fig.1). This parameter is termed
the entropy-based solubility parameter (eSP), which extends the regularsolution theory (Fig.2). Now that our thermodynamic property has been
made available, we can more easily predict high-pressure extraction andseparation processes and drastically reduce the economic and time costs
for trial-and-error experiments. Thus, people would choose these things
using the eSP as a tool for selecting a suitable solvent or mixtures fordesigning high-pressure extraction and separation processes. These
contents are based on “The Commendation for Science and Technology by
the Minister of Education, Culture, Sports, Science and Technology: The
Young Scientists’ Prize (2018).”(APCChE 2019)、そして食品科学工学会第 66 回大会に参加した。
ポスター発表を行った APPChE 2019 では、共同研究者の工学研究が行ったシソ成分の亜臨界溶媒分離実験の結果の1 例を Fig. 4 に示す。
このほか、分担執筆ではあるが、著書「分離プロセスの最適化とスケールアップの進め方」にて、超臨界二酸化炭素中の固体溶質の溶解度の第2章第6節，株式会社技術情報協会 (2019).

[5] Y. Obonai, Y. Ueno, Y. Hoshino, M. Ota, Y. Sato, H. Inomata,Kagakukogaku-Ronbunshu, 45, 238-243 (2019). (Japanese)

推算法についてこれまでの研究内容をまとめることができた。
投稿論文では、招待論文の依頼を受けた Jasco Report に亜臨界溶媒分離技術の開発の経緯について執筆することができた。
所属する化学工学会東北支部では、第 27 回若手の会セミナーにて招待講演を行った。

Fig.3 Flow-type subcritical fluid separation apparatus
Fig.2 Correlation between SP and eSP[4] 大田昌樹, 青山裕紀, 分離工程の操作条件最適化とスケールアップ,科修士 2 年 上野裕介氏が Excellent Poster Award を受賞した。彼

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

量であることからエントロピー型溶解度パラメータ（Fig.2）と名付けた

The Hildebrand solubility parameter (SP) is useful for chemical engineering
processing, such as for extraction and separation techniques. Selecting
suitable solvents for production of targeted functional natural resources isusually difficult for high-pressure processing.

Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress[1] H. Komatsu, T. Sasagawa, S. Yamamoto, Y. Hiraga, M. Ota, T. Tsukada,
R.L. Smith, Fluid Phase Equilibria, 489, 41-47 (2019).
[2] S. Sato, M. Ota, Y. Sato, R. L. Smith Jr., H. Inomata, Fluid Phase
Equilibria, 489, 90-98 (2019).
[3] M. Ota, Y. Maeta, K. Sugahara, Y. Hoshino, S. Sato, Y. Obonai, Y.
Ueno, Jasco Report,61, 30-35 (2019). (Japanese)

先端環境創成学専攻

利な指標である。これは、分子の配置配向は完全にランダムかつ混合

Application of our entropy-basedsolubility parameter

Recently, we developed a flow-type subcritical fluid separation apparatus
for separating colors, flavors, and so on from targeted natural resources(Fig.3). The JASCO Corporation collaborated to make interlocking backpressure regulators and another related setup based on our timeprogramming regulation concept. This year, the subcritical fluid separation
apparatus was used to separate hop extract and perilla components.
Although the apparatus has not been widely used in other research, wewould like to conduct PR activities to promote the green separation
processes.

Activities in 2019 (Publications)2019 年の研究活動
エントロピー型溶解度パラメータの応用

Development of flow-type subcriticalfluid separation

Fig.4 Results of subcritical fluid separation fromPerilla at 353 K and different pressures.
Coexistence Activity Report 201953