| Project/Area Number |
19K15611
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
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| Research Institution | Hokkaido University of Science |
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Principal Investigator |
三原 義広 北海道科学大学, 薬学部, 講師 (90733949)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 吸着剤 / 水質浄化技術 / 汚染物質吸着ゲル / ナノ材料 / 水質浄化 / 自律浮沈 / 酵素反応 |
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| Outline of Research at the Start |
アルギン酸ゲル粒子に微生物を内包すると、ゲル粒子は水中や水底で気泡を発生させつつ液面まで浮上し、液面で気泡が消失すると沈降し、気泡を発生させながら浮上と沈降を繰り返すゲルの自律浮沈現象を初めて発見し、その製造法に関する特許を公開した。
本研究では自律浮沈機能を有するアルギン酸ゲル粒子に吸着機能と回収性能を層状に付与する「多層ゲル粒子」の構造設計と使用条件を明らかにし、新興国で課題となっているフッ素汚染を解決するためのアルギン酸ゲル粒子を開発する。ゲル粒子が自ら浮沈することでフッ素の除去率が向上し、凝集剤の回収も簡単になる。どんな場所でも低コストで施工が可能な水質浄化材の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フッ素による水質汚染の浄化を目的とし、汚染物質除去可能な吸着剤を内包した自律浮沈機能を有するゲル粒子（以下「自律攪拌吸着材」という。）を開発した。本技術と有害物質を吸着する物質を融合することで、水浄化の機能を有した自律浮沈ゲルが実現できる。自律浮沈ゲルの基本技術は、酵素反応による浮力の変化である。
微生物の発酵が続く限り水中を自律的に浮沈することができるゲル粒子となる。この技術を応用し、自律浮沈ゲルをエネルギー源（エネルギー層）に用い、その周りに有害物質を吸着する層（機能層）を設けることにより、水浄化の機能を有した自律浮沈ゲルとして構成されている。特に、セルロースナノファイバーを含む粒子は、水中で水面と水底の間での鉛直方向の浮沈（上下運動）挙動の際に、更に上記鉛直方向と交差する方向に大きな移動（左右運動）挙動も示すことを明らかとしている。
上記成果につき、例えば、粒子を、浄化処理用途の汚染物質除去剤に適用した場合、水中における移動距離がより増大し、浄化効率が向上すると考えられる。自律浮沈ゲルの挙動確認のための粒子位置自動計測ソフトの開発し、浮沈するゲル粒子の検出と認識を実施した。得られたデータより単位時間当たりの浮沈回数増加のための自律浮沈ゲルの処方を再検討し、粒子の高機能化を実施した。その結果、粒子の全挙動を追うことができて、いくつかの浮沈パターンに分類できるようになった。さらに、計測時間が2時間で可能となり、解析にかかる労務が大幅に短縮できた。浮沈粒子の処方の見直しに素早くフィードバックすることが可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の目的でもあるフッ素による水質汚染の浄化を可能とする水中の自律浮沈機能をもつ吸着剤（以下「自律攪拌吸着材」ともいう。）を開発することに成功した。自律攪拌吸着材は、上述の水中で液面と液底の間での鉛直方向の浮沈（上下運動）挙動の際に、更に上記鉛直方向と交差する方向に大きな移動（左右運動）挙動も示すことを明らかとしている。つまり、上記粒子は、左右への横揺れを示しながら水中で液面と液底の間での鉛直方向の浮沈挙動を繰り返す。上記結果として、例えば、粒子を、被除去成分を含む溶液の浄化処理用途の汚染物質除去剤に適用した場合、水性媒体内における移動距離がより増大し、浄化効率が向上すると考えられる。本提案は、これまでが開発した自律浮沈技術を応用することで実現し、従来の水質浄化材料に無い吸着効率や高回収性に新規性、優位性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
飲料用の水から有害物質を安価に除去することを途上国中心に高く望まれているが、浄化コストと浄化機械の維持管理が難しいことが問題視されている。そこで本研究では、機械を使用せず、さらには電力も使用せずに水を浄化するため、自律運動する浮沈粒子の性能を最大限にすることにより、3 年後の実用化を目指す。自動計測ソフトウエアの完成によってゲル粒子の挙動解析の精密さが向上し、解析に係る時間が大幅に縮小した。浮沈挙動のパターンと、ゲル粒子製造条件との因果関係では、製造後の粒子の組織構造（分散粒子の大きさと形状の測定、ゲル網目構造、細孔）の分析を小角Ｘ線散乱で行う予定である。
浮沈粒子観察研究のDX化に向けて、① 浄化粒子の数理モデルの作成、② 浄化性能の向上に貢献する計算手法の作成、③浄化性能の向上につながるパラメータの算出、④さまざまな汚水水質における浄化性能のシミュレーションを中心に、数理データサイエンス分野における数理・AIの活用研究を行っている研究者と共同研究を行っていく予定である。粒子の挙動データを解析しながら自律浮沈ゲル粒子の製造方法を見直し、環境浄化の浄化効率をより向上させる。
現在の実験環境では、浮沈ゲル粒子を生の状態で長時間保存することができない。ゲル製造の際、ドライイーストやグルコースと一緒に配合するため、水分と反応して発酵が始まる。真空乾燥法によって処理されたアルギン酸ゲル粒子は、イーストやグルコースを保存するのに優れているが、乾燥ゲルを製造するための各種条件（予備凍結温度、時間、１次乾燥条件、２次乾燥条件）が曖昧で改善の余地が残されている。製造された生ゲル粒子は、高濃度のグルコースや塩類、微粒子が内包されている。
今後の研究の推進方策として、浮沈ゲルの浮沈機能を担保した乾燥保存の製法を確立する。
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Report
(3 results)
Research Products
(11 results)
