平成１３年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要


研究推進分野名　環境負荷の影響評価と軽減
　
研究プロジェクト名　高温高圧処理による廃棄物の資源化技術の開発
　
（英文名）　Development of Wastes Recycle Technologies Using High Temperature and High Pressure Treatments
　
研究期間　平成　９　年度 〜 平成　１３　年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 ４７８，６６５千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名		 藤江幸一 ・豊橋技術科学大学 ・工学部 ・教授 内訳 平成　９年度８７，３７９千円
平成１０年度８６，３５７千円
平成１１年度１０４，９２９千円
平成１２年度１００，０００千円
平成１３年度１００，０００千円

１．研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
迫田章義 東京大学・生産技術研究所・教授 木質系素材の反応データベース化
胡　洪営 豊橋技術科学大学・工学部・助教授 食品系高含窒素未利用物質の有価物化(H9年4月1日からH11年12月31日まで)
成瀬一郎 豊橋技術科学大学・工学部・助教授 金属材料の表面加工
大門裕之 豊橋技術科学大学・工学部・助手 高温高圧水反応の用途拡大(H12年4月1日から)
下ヶ橋雅樹 東京大学・生産技術研究所・助手 モデルプロセスの構築および評価(H12年4月1日から)
堤　和男 豊橋技術科学大学・副学長 反応プロセスの評価(H9年4月1日からH11年3月31日まで)
野沢満実枝 日本学術振興会研究員 生成物の定性・定量(H9年5月1日からH11年12月31日まで)
野田怜治 日本学術振興会研究員 高温高圧水中での反応機構の解明(H9年8月1日からH11年3月31日まで)
Armando. T. Quitain 日本学術振興会研究員 タンパク質系素材の反応機構の解明(H12年4月1日からH13年9月30日まで)
浦野真弥 日本学術振興会研究員 反応装置の最適条件の検討(H12年4月1日からH14年3月31日まで)
藤田昌史 日本学術振興会研究員 高温高圧水中での反応機構の解明(H13年10月1日からH14年3月30日まで)
Mohd Shamsul Hairi Salleh 日本学術振興会研究員 生成物の定性・定量(H13年12月5日からH14年3月31日まで)
望月和博 日本学術振興会研究員 総合的有価物化プロセスの提示(H9年4月1日からH13年3月31日まで)
申　慎壽 日本学術振興会研究員 連続処理プロセスの開発(H12年10月1日からH14年3月31日まで)
王　殿霞 日本学術振興会研究員 分離プロセスの検討(H12年4月1日からH14年3月31日まで)
李　元堯 日本学術振興会研究員 分離プロセスの検討(H12年4月1日からH14年3月31日まで)

２．研究計画の概要

　健全な物質循環プロセスの構築を念頭に置いて、現状の不要物、未利用物に潜在する物質の質的転換を行うとともに、生産物を階層的に有効利用する物質循環システムを設計・構築するための要素となる技術の開発を目的とした。発生量が莫大な天然物起源未利用物質に加えて、人工的に合成された樹脂や各種産業から排出される未利用物質を対象として、高温高圧水による特異的な反応によって未利用物質から有用成分を合成・抽出・分離するための新しい資源利用技術の開発を行う。亜臨界水および超臨界水による反応を利用して、タンパク質系廃棄物、木質(セルロース)系廃棄物に加えて、プラスチック、水溶性高分子、金属加工過程廃棄物などを対象として、反応生成物・反応機構等と反応条件との関係を実験的に解析するとともに、回分式、半回分および連続式のベンチスケール反応装置を開発し、各種装置の特性を活かして、実用装置の設計および運転条件の設定にいたる関連情報の集積を行う。
３．研究目的
　本研究では、健全な物質循環プロセスの構築を念頭に置いて、現状の不要物、未利用物に潜在する物質の質的転換を行うとともに、生産物を階層的に有効利用する物質循環システムを設計・構築するための要素となる技術の開発を目的とした。研究拠点（豊橋技術科学大学）および研究副拠点（東京大学生産技術研究所）における研究目的はそれぞれ下記のとおりであった。
＜豊橋技術科学大学＞　１）天然起源の高含窒素未利用物質の有価物化を中心に、亜臨界・超臨界水反応を用いて、各種反応条件下での反応機構、反応生成物等を解析し、与えられた未利用素材から目的とする有価物を高い収率で回収する最適反応条件の検索を可能にする。２）高温高圧水反応による廃棄物資源化技術を地域の物質循環プロセスに導入するために、物質収支およびエネルギー収支の観点から可能性を検討するとともに、システムの提案を行う。３）高温高圧水反応の幅広い利用用途の開拓を行う。
＜東京大学生産技術研究所＞　４）大量に発生する天然起源未利用物質である木質・セルロース系素材を対象として、高温高圧水反応による有価物生成に関するデータベースを構築する。５）バイオマス系未利用素材の処理による有価物生成が可能な反応プロセスを開発し、持続的な資源・エネルギーの供給・利用を実現するためのバイオマス循環モデルの構築を行う。
４．研究成果の概要
４−１　研究計画、目的に対する成果
研究計画、目的に対応する成果を、上記の目的に添って以下に示す。
１）各種タンパク質系天然起源廃棄物からアミノ酸を生成・回収する最適反応条件を決定する手法の確立を行った。水産、食肉、蚕糸等の加工廃棄物に含まれるタンパク質からアミノ酸を生成する過程と生成したアミノ酸が分解する過程を高温高圧水反応によって進行させ、反応の生成物、経路、速度、収率等に対する反応条件の影響を実験的解析し、反応マップの作成を行っている。併せて、反応生成物、反応速度、収率等を予測するモデルを構築している。２）高温高圧水反応による資源化を組み入れた物質循環プロセスの設計を目指して、愛知県において再資源化およびサーマルリサイクルの対象となる未利用素材のフローを解析し、プロセスの概念設計を行った。３）水溶性高分子廃棄物を原料とした有価物の合成、使用済炭素繊維樹脂、金属表面処理、アルミドロス残灰等各種産業廃棄物の再資源化への適用の可能性を示した。４）木質の高温高圧水処理による生成物と反応条件の関係を明らかにし、関連データおよび情報を集積した。５）スクリューフィーダーによる連続供給と有価物の抽出を同時に進行できる高温高圧水によるバイオマス処理・有価物化装置を開発し、反応性生物組成、反応速度、収率等に対する操作条件の影響を明らかにした。これらの成果を基に、再生可能資源を原料およびエネルギーとして利用するバイオリファイナリープロセスを提案している。
　高温高圧水反応装置の特性と地域の物質およびエネルギーフローの解析結果を基に、地域物質循環プロセスの概念設計を計画していたが、多種多様な未利用物質の再資源化を実現するためには、各種再資源化技術の情報収集と特性評価が併せて必要であることから、再資源化技術のデータベース構築を継続している。特定地域を定めて、資源・エネルギーの消費削減と未利用廃棄物の排出が削減できる物質循環プロセスの提案を行いたい。
　高温高圧水反応装置については特に小型装置での固形物の取り扱いに解決すべき課題が残された。用途開拓を継続しながら、固形物の最適取り扱い方式を検討する計画である。
４−２　研究計画、目的外の成果
当初は天然起源の未利用有機物を有価物へ転換しこれを階層的に利用する反応装置の開発、最適反応条件の確立、地域物質循環プロセスへの導入などを主な目的として研究を展開してきた。この研究を遂行する過程で、高温高圧水反応の様々な特性が明らかになってきた。上記以外の目的では、炭素繊維強化樹脂からの炭素繊維の再生・リサイクル、水溶性高分子を原料とした有価物の合成、アルミドロス残灰（主成分：窒化アルミ）の無害化・再資源化、鋳物廃砂の表面洗浄・再生、排水処理の前処理としての生物分解性向上など多数の目的外成果が得られている。これらは全て特許出願済みである。超臨界水、亜臨界水の特異な反応については、用途開拓を継続している。
炭素繊維強化樹脂の再生については、大学が有する技術シーズを活用して、既に民間企業との共同開発に発展している。リサイクル炭素繊維を普及させることで、炭素繊維製造時と製品の軽量化によって、2010年には我国だけでも原油換算で100,000KLもの省エネルギー効果が明らかになるなど、省資源・省エネルギーと環境負荷低減に向けて開発が急がれる。
アルミドロス残灰のリサイクル、鋳物廃砂のリサイクルについても民間企業と研究開発計画を策定中である。研究計画に沿った成果に、当初目的としていなかった成果を加えて、今後、環境負荷低減をめざした物質循環システムの設計および構築に大きく貢献できるものと判断している。
４−３　研究成果の展望
　この研究プロジェクトが開始される以前の高温高圧流体に関する研究は、主に物性・反応性にかかわる基礎研究と有害物質や汚泥等の無害化・減容化等が主体であった。しかし、この研究プロジェクトが開始されてからは、高温高圧流体による反応を利用した技術の開発分野は、未利用素材や廃棄物の有価物化・再資源化に向けられるようになった。従来の基礎研究から応用研究に軸足を移動することで蓄積されていた物性・反応性等の基礎情報が技術開発に活用できるようになるとともに、多様な研究分野との接点が生まれた。原始地球での生命誕生に繋がる高温高圧水場でのアミノ酸生成に関する研究で得られた知見は、タンパク質系廃棄物分解からアミノ酸の生成に適用することができ、相互の情報交換も可能となる。炭素繊維強化樹脂の再生に関する研究では、高温高圧水処理により炭素繊維表面での元素組成に変化が観察され、再資源化にとどまらず、生産プロセスに組み入れる可能性が見えてきた。砂の表面へのシラノール基の形成、ポリビニルアルコールなど水溶性直鎖高分子からの環状物質合成をはじめ、多様な物質を取り扱う環境分野に高温高圧水技術の適応を試みたことで、多くの知見が見出されるようになった。環境保全、物質循環は総合科学・工学であり、この分野には異なった分野からの研究者が参画していることから、現実に即した多様な知見が得られやすく、成果も波及しやすい。
４−４　本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
　人類の希求するところであり、我々に課せられた課題は、人間活動の持続性と生活の質を維持向上することである。有機溶媒等の利用を必要としない超臨界、亜臨界状態の高温高圧水を利用した再資源化技術、技術の開発が進行したことは、省資源・省エネルギーと環境負荷低減を併せて実現することを目的としたゼロエミッションをめざした物質循環プロセスの構築の要素となる再資源化技術に、新たな選択肢を提供できたことになる。すなわち、大量に発生するタンパク質系、セルロース系等の天然起源有機質廃棄物を機能性物質であるアミノ酸、有機酸、各種多糖類など高温高圧水による反応で多様な有価物に変換することが可能になった。水を反応溶媒とした有機合成、炭素繊維、金属、無機材料等の表面改質をはじめ、工業生産プロセスへの新技術の導入、多様な未利用物質、廃棄物の有価物への変換による再資源化技術の新展開の可能性が示された。再資源化技術の開発にとどまらず、工業生産プロセスへの導入から生命科学との連携にいたるまで、次世代技術として様々な波及効果が期待される。

５．キーワード

(1)高温高圧水反応、(2)反応装置開発、(3)再資源化技術
(4)天然起源含窒素素材、(5)木質・セルロース系素材、(6)超臨界流体
(7)反応機構、(8)物質循環プロセス設計、(9)用途開拓

６．研究成果発表状況

A.学術雑誌論文（Journal Papers）
全著者名 論文名
Mochidzuki, K. , A. Sakoda and M. Suzuki Measurement of the hydrothermal reaction rate of cellulose using novel liquid-phase thermogravimetry
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Thermochimica Acta 348 ??? 69-76 2000

全著者名 論文名
Lu, Xiuyang, A. Sakoda, and M. Suzuki Decomposition of cellulose by continuous near-critical water reactions
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Chinese Journal of Chemical Engineering 8 4 321-325 2000

全著者名 論文名
望月和博 高温高圧水処理による植物バイオマス系未利用素材の有価物化
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
分離技術 30 ??? 136 2000

全著者名 論文名
Kazuhiro Mochidzuki Resource recovery of unutilized biomass by high temperature and high pressure water
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Separation Technology 30 ??? 136 2000

全著者名 論文名
Mochidzuki, K. , A. Sakoda, M. Suzuki, J. Izumi and N. Tomonaga Structural Behavior of Rice Husk Silica in Pressurized Hot Water Treatment Processes
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Ind. & Eng. Chem. Res. 40 ??? 5705-5709 2001

全著者名 論文名
望月和博, 迫田章義 高温高圧水中におけるバイオマス分解の熱重量測定
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
ケミカルエンジニヤリング 46 ??? 360 2001

全著者名 論文名
Kazuhiro Mochidzuki, Akiyoshi Sakoda Thermogravimetric analysis of biomass decomposition in high temperature and high pressure water
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Chemical Engineering 46 ??? 360 2001

全著者名 論文名
Li, Y.Y., K. Mochidzuki, A. Sakoda and M. Suzuki Activation Studies of Vapor-Grown Carbon Fibers with Supercritical Fluids.
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Carbon ??? 39 2143-2150 2001

全著者名 論文名
Kilyoon Kang, Armando T. Quitain, Hiroyuki Daimon, Reiji Noda, Naohiro Goto, Hong Y. Hu and Koichi Fujie Optimization of Amino Acids Production from Waste Fish Entrails by Hydrolysis in Sub- and Supercritical Water
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Canadian Journal of Chemical Engineering 79 ??? 65 - 70 2001

全著者名 論文名
Kilyoon Kang, Armando T. Quitain, Shin-ya Urano, Hiroyuki Daimon and Koichi Fujie Rapid Sample Injection for Semi-Batch Hydrothermal Treatment of Solid Wastes
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Industrial & Engineering Chemistry Research 40 16 3717 - 3720 2001

全著者名 論文名
Hiroyuki Daimon, Kilyoon Kang, Nobuaki Sato and Koichi Fujie Development of Marine Waste Recycling Technologies using Sub-and Supercritical Water
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Journal of Chemical Engineering of Japan 34 9 1091 - 1096 2001

全著者名 論文名
Armando T. Quitain, Nobuaki Sato, Hiroyuki Daimon, Koichi Fujie Production of Valuable Materials by Hydrothermal Treatment of Shrimp Shells
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Industrial & Engineering Chemistry Research 40 25 5885 - 5888 2001

全著者名 論文名
佐藤伸明、 佐伯孝、 大門裕之、 藤江幸一 高温高圧水中におけるポリビニルアルコールの分解挙動
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
化学工学論文集 27 5 652 - 656 2001

全著者名 論文名
Nobuaki Sato, Takashi Saeki, Hiroyuki Daimon and Koichi Fujie Decomposition behavior of Polyvinyl alcohol in high temperature and high pressure water
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Kagaku Kougaku Ronbunsyu 27 5 652 - 656 2001

全著者名 論文名
佐藤伸明、 大門裕之、 藤江幸一 高温高圧水中におけるグリシンの分解
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
化学工学論文集 28 1 113 - 117 2002

全著者名 論文名
Nobuaki Sato, Hiroyuki Daimon and Koichi Fujie Decomposition of Glycine in high temperature and high pressure water
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Kagaku Kougaku Ronbunsyu 28 1 113 - 117 2002

全著者名 論文名
佐藤伸明、 大門裕之、 藤江幸一 再資源化技術としての高温高圧水反応の利用
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
廃棄物学会論文誌 13 1 1 - 11 2002

全著者名 論文名
Nobuaki Sato, Hiroyuki Daimon and Koichi Fujie Application of high temperature and high pressure water reaction as resouruce recovery technique
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Waste Management Research 13 1 1 - 11 2002

全著者名 論文名
Armando T. Quitain, Muhammad Faisal, Kilyoon Kang, Hiroyuki Daimon and Koichi Fujie Low-Molecular-Weight Carboxylic Acids from Hydrothermal Treatment of Organic Wastes
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Journal of Hazardous Materials ??? ??? ??? ???

全著者名 論文名
Mochidzuki, K. , A. Sakoda and M. Suzuki Liquid-phase thermogravimetric measurement of the conversion of biomass wastes in pressurized hot water：A kinetic study
学術雑誌名 巻 号 ページ 発行年
Advances in Environmental Research ??? ??? ??? ???

B.国際会議発表論文（International Conferences）
全著者名 論文名
Koichi Fujie Development of Wastes Recycle Technologies Using High Temperature and High Pressure Treatments (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
JSPS Small-scale seminars on specialized topics University of Manche ??? ??? 2001

全著者名 論文名
Koichi Fujie Contribution of Chemical Engineering to Design Recycling Society (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Regional Symposium on Chemical Engineering 2001 Bandung, Indonesia ??? ??? 2001

全著者名 論文名
Bae, S.D., Li, Y.Y., Nomura, T., Sakoda, A. and Suzuki, M. Performance of carbon whisker membranes on cross-flow filtration
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
7 th Intl. Conf. on Fundamentals of Adsorption Nagasaki ??? ??? 2001

全著者名 論文名
Yuan-Yao Li, Sang-Dae Bae, Takeshi Nomura, Akiyoshi Sakoda, and Motoyuki Suzuki Preparation of Custom-Tailored Carbon Whisker Membranes by Chemical Vapor Deposition
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
AIChE Annual Meeting Reno ??? ??? 2001

全著者名 論文名
Shin-ya Urano, Kilyoon Kang, Armando T. Quitain, Hiroyuki Daimon, Koichi Fujie Applications of High Temperature and High Pressure Water Reaction for Resource Recovery and Treatment of Solid Waste and Wastewater
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Fifth International Symposium on Waste Management Problems in Agro-Industry Nagahama, Japan ??? 359 - 364 2001

全著者名 論文名
Motoyuki Suzuki, Yuan-Yao Li, Sang-Dae Bae, Takeshi Nomura and Akiyoshi Sakoda Characterization and Applications of Carbon Whisker Membranes
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
AIChE Annual Meeting Reno ??? ??? 2001

全著者名 論文名
Hiroyuki Daimon, Takashi Saeki, Shin-ya Urano, Koichi Fujie Applications of Sub- and Supercritical Water Reaction to Waste Resource Recovery and Industrial Processes
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
AIChE Annual Meeting 2001 Reno, Nevada 176f ??? 2001

全著者名 論文名
Armando T. Quitain, Kilyoon Kang, Nobuaki Sato, Hiroyuki Daimon and Koichi Fujie Behavior of Hydrothermal Decomposition of Silk Fibroin: A Model for Amino Acid Production from Proteinaceous Wastes
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
AIChE Annual Meeting 2001 Reno, Nevada ??? 171 2001

全著者名 論文名
Ery M. Fajar P., Armando T. Quitain, Shin-ya Urano, Byung-Ran Lim, Hiroyuki Daimon, and Koichi Fujie Biodegradability Improvement of Textile Dyeing Wastewater Using Sub- and Supercritical Water
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Regional Symposium on Chemical Engineering 2001 Bandung, Indonesia WT7-1 ??? 2001

全著者名 論文名
Hiroyuki Daimon, Nobuaki Sato, Yuki Sawahara and Koichi Fujie Applications of Waste Recycling Technologies Using Sub- and Supercritical Water
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
5th International Symposium on Supercritical Fluids Atlanta, Georgia, US P27 ??? 2000

全著者名 論文名
Hiroyuki Daimon, Nobuaki Sato and Koichi Fujie Development of Waste Recycle Technologies using Sub- and Supercritical Water
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
The first Joint China/Japan, Chemical Engineering Symposium Beijing, China ??? 80 - 85 2000

全著者名 論文名
K. Mochidzuki, X. Lu, T. Takayama, A. Sakoda, M. Suzuki Advanced utilization of agricultural wastes by steam-explosion and continuous hot compressed liquid water treatment
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Proc. the 1st Joint China/Japan Chemical Engineering Symposium Beijing, China ??? 287-292 2000

全著者名 論文名
Wang, Dianxia, Akiyoshi Sakoda and Motoyuki Suzuki Biodegradation and Utilization of Lignocellulosic Waste by Mushroom Cultivation
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
The First Joint China/Japan Chemical Engineering Symposium Beijing, China ??? ??? 2000

全著者名 論文名
K. Mochidzuki, A. Sakoda and M. Suzuki Liquid-phase thermogravimetric measurement of reaction kinetics of waste plant biomass under hydrothermal conditions
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Proc. Topical Conferences of AIChE Annual Meeting CA, USA Energy and the Envir 386-389 2000

全著者名 論文名
Bae Sang Dae, Li Yuan Yao, T. Nomura, A. Sakoda. M. Suzuki Control of Bacterial Attachment on Carbon Whisker Membrane
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
AIChE 2000 Annual Meeting Los Angels, USA 145j ??? 2000

全著者名 論文名
A. Quitain, K. Kang, H. Daimon, S. Urano and K. Fujie Various Reaction Modes for Production of Amino Acids from Fish Wastes By Sub- and Supercritical Water Hydrolysis
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Regional Symposium on Chemical Engineering 2000 Singapore, Singapore PDD1.2 ??? 2000

全著者名 論文名
Wang, Dianxia, A. Sakoda and M. Suzuki Solid-State Fermentation of Brewery Spent Grain with White-rot Fungus Pleurotus Ostreatus
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
The 16th International Conference on Solid Waste Technology and Management Philadelphia, PA, US A26 ??? 2000

全著者名 論文名
Reiji Noda, Kill-Yoon Kang, Hong-Ying Hu and Koichi Fujie Conversion of Food Processing Wastes to Value Added Materials Using Supercritical Water Oxidation(SCWO)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Proceedings of IAWQ 19th Biennial International Conference Vancouver P-G026 ??? 1998

全著者名 論文名
Hiroyuki Daimon, Kilyoon Kang, Nobuaki Sato and Koichi Fujie Development of Water Recycle Strategies using Sub- and Supercritical Water
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
The 22nd International Symposium on Capillary Chromatography Gifu, Japan PK405 ??? 1999

全著者名 論文名
Hiroyuki Daimon, Kilyoon Kang, Nobuaki Sato and Koichi Fujie Applications of Sub- and Supercritical Water Reaction for Waste Recycle Technologies
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Regional Symposium on Chemical Engineering, 1999 and The Ninth National Chemical Engineering and Applied Chemistry Conference Songkla, Thailand A48 - 1 ??? 1999

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