新東技報 No.40 ʼ22

高圧グリーン流体による特異な反応・分離場による素形材製造技術の開発
名古屋大学 大学院工学研究科 物質プロセス工学専攻 助教

神田英輝

1. テーマ設定の背景

質のナノレベルでの相状態の変化の理論解明。

無機物・有機物を問わず素形材に係る反応・分離においては、化学的に高活性な酸・塩基が多用

4. 訴求点されるが、高活性であるが故に毒性がある。近年、筆者らの研究に関連する既往の学術分野とし

酸・ 塩 基 を 無 毒 な グ リ ー ン 媒 体（CO 2・ 水・て、非平衡プラズマと超臨界・亜臨界流体技術がDME=ジメチルエーテル）に代替するSDGsの流ある。まず既往の非平衡プラズマに関する研究分れがあるが、無毒とは活性が低いことと同義であ野では、容易にプラズマ場を生成できるように、り、そのままでは代替物質として利用できない。

減圧もしくは大気圧環境で低い印加電圧を印加す

そこでグリーン媒体を昇温・昇圧して超臨界もしる。しかし代償としてプラズマ場で生じる活性種

くは亜臨界状態にするとともに、高電圧やレーの密度が非常に低く、単位体積当たりの反応速度ザー光を印加して高圧プラズマ状態にして更に高が低下する問題が生じる。これに対して筆者らは活性化することで、グリーン媒体の反応・分離場

40 気圧以上の超臨界・亜臨界流体中で非平衡プとしての利用促進というニーズに応える。

ラズマを生じさせる「超臨界・亜臨界プラズマ場」を活用する試みに挑んだ。超臨界・亜臨界プラズ

2. 素形材分野との関連性

マ場の発生には数十kVの高電圧の印加や、高密世界的なSDGsの機運の高まりにより、単に環度のパルスレーザーの照射が必要となるものの、境調和に寄与できる素形材を作成するだけでなその帰結として生じたプラズマ場のエネルギー密く、素形材の作成工程にも環境調和性が求められ度は非常に高くなり、従前に無い高活性な反応場ており、従来用いられてきた酸・塩基をグリーンが得られる。加えて、超臨界・亜臨界流体は液体媒体で代替する必要がある。

並みの高密度である故に様々な物質を溶解できる上に、密度上昇に応じて単位体積当たりの反応速3. 研究開発の成果度も数ケタ高くなる。さらには、拡散係数が気体主要な成果を抜粋する。超臨界CO 2 を媒体と並みに高くなるので分子や物質間の衝突頻度が数したナノレベルの中空構造を有した高分子ファイケタ上昇する。これらの複数の効果により移動速バーの作成。亜臨界Arを媒体とした化学的に不度・反応速度が飛躍的に上昇し、従前に無い特異安定なブルッカイト型TiO 2 粒子の合成ならびにな分離・反応場を提供できる。これに加えて、高炭素被覆。超臨界CO 2 を貧溶媒晶析場とした高圧力故にプラズマ場で溶融した金属やその酸化物結晶性カロテノイドの結晶成長の防止によるナノの表面に均等な圧力が加わり、ナノ微粒子や構造微粒子化。亜臨界DMEを媒体とした微細藻類か体へと形状加工できる。これにより、例えばエネらの油脂の省エネルギー分離。亜臨界DMEを媒ルギー的に準安定な結晶形態であるブルッカイト体とした動物組織（大動脈等）からの脱細胞化組型TiO 2 のナノ微粒子の合成と形状加工が可能と織（生体ポリマー構造体）の作成。亜臨界DMEなった。例えば 40 気圧の亜臨界Ar中でTi電極を媒体としたアミノ酸結晶形態の制御と微粒子とグリシン水溶液の表面の間に 18kVの電圧を印化。計算化学手法を用いた固体表面に接触した物加すると、安定的にブルッカイト型TiO2 のナノ－ 93 －

高圧グリーン流体による特異な反応・分離場による素形材製造技術の開発

微粒子を合成できる。加えて、グリシン水溶液中状や化学性質を維持しつつ、生物の遺伝情報のみで グ リ シ ン を 炭 化・ 重 合 さ せ る こ と に よ り、を除去する操作を可能にした。DMEをグリーン

TiO 2 ナノ微粒子の表面をグラファイトで被覆で媒体として用いる技術は、筆者らが基本特許を日き、光吸収量の増大による光触媒活性の更なる向本・米国・欧州・中国・上と、安定相であるルチル型への転移の防止が可豪州などで取得する能である。

とともに、関連する
特 許 登 録 は 40 件 を超えている。近年で

CO2は欧州食品安全機関(PVP)

がDMEを 新 た な グ(a) PVP
CO2

リーン媒体として使(b) PVP
CO2用基準を示し、この特許に基づく反応・
(c)

CO2

図1

1

分離装置も世界的に(d) PVP
CO2

 臨界CO 2 を媒体としたナノ中空構造を有した高超分子ファイバーの作成

また既往の超臨界・亜臨界流体技術との対比と市販されている。

1cm
図2 亜
 臨界DMEを媒体として得た脱細胞化大動脈

参考文献

しては、これまでCO 2 をグリーン反応・分離場

1）H . K a n d a , D . A n d o , R . H o s h i n o , T .

として利用する事が学問として体系化されている

Yamamoto, Wahyudiono, S. Suzuki, S.

が、超臨界CO 2 を適用するには、乾燥した生体

Shinohara, M. Goto, Surfactant-free

組織と無極性の有機物に限られる等、適用可能なdecellularization of porcine aortic tissue by

対象物に制約があった。これに対して著者らは

subcritical dimethyl ether, ACS Omega, 6,DME（ジメチルエーテル）がグリーン媒体の特13417-13425, 2021

徴に適合することを世界で初めて見いだし、新た

2）W ahyudiono, S. Machmudah, H. Kanda, S.

なグリーン媒体として利用した。DMEはエーテ

Okubayashi, M. Goto, Formation of PVP

ルの一種でありながら、一般的なエーテル類とは

hollow fibers by electrospinning in one-step

甚だ異なる特徴を持つ。DMEは「二酸化炭素とp r o c e s s a t s u b a n d s u p e r c r i t i c a l C O2 ,異なり、液化状態では水と混合可能な適度な極性

Chemical Engineering and Processing:を有しながら、気化すれば水への溶解度が低く、Process Intensification, 77, 1-6, 2014

さらに無毒で、沸点が低く常温常圧で除去でき、3）S. Machmudah, Wahyudiono, N. Takada, H.

安価に製造可能な物質」であり、日本化学会が発

Kanda, K. Sasaki, M. Goto, Fabrication of

刊した化学便覧に掲載された有機物 6600 種類のgold and silver nanoparticles with pulsed

中で、唯一DMEだけがこの条件に該当する。こl a s e r a b l a t i o n u n d e r p r e s s u r i z e d C O2 ,の性質により亜臨界DMEを用いると、高含水のAdvances in Natural Sciences: Nanoscience

生体組織や極性有機物に対しても抽出や微粒子化

and Nanotechnology, 4, 045011, 2013といった反応・分離場を提供できる。DMEの適用は、超臨界CO 2 処理の前段階で必要な乾燥工程で分解される生理活性物質の加工や、製造に際して酸・塩基・界面活性剤の利用が禁忌とされる
再生医療用の立体バイオスキャホールドの物理形－ 94 －