Creation of plasma-assisted biorefinery science using stable isotopes
| Project/Area Number |
23K22484
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| Project/Area Number (Other) |
22H01213 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14030:Applied plasma science-related
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
伊藤 昌文 名城大学, 理工学部, 教授 (10232472)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志水 元亨 名城大学, 農学部, 准教授 (20423535)
西川 泰弘 名城大学, 薬学部, 准教授 (20633580)
加藤 雅士 名城大学, 農学部, 教授 (70242849)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
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| Keywords | 大気圧プラズマ / バイオリファイナリー / 安定同位体 / バイオエタノール / 反応速度 / 酸素ラジカル / 酸素原子 / セルロース / DMPO / 酸素同位体 / 反応生成物 / 多糖 / フェノール |
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| Outline of Research at the Start |
昨年度までにプラズマ中の電気的に中性な酸素系のラジカルで特に基底状態の酸素原子O・が液中の有機分子と直接反応し酸化することを同位体酸素を用いることで見出した。またOH・は水溶液から蒸発する水分子とプラズマ中の電子衝突により効果的に液中に生成されることを見出した。さらに、O・は有機分子のベンゼン環などは開環反応には寄与せず、官能基を選択的に酸化することが分かった。一方OH・はベンゼン環も開環し、低分子であるシュウ酸等の分子まで高効率に酸化分解することが明らかとなった。本年度は、リグニンのモデル化合物等を用いて、分解酵素やバイオ燃料の生成効率を向上させる知見を得るためのデータベースを構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、プラズマからの様々な活性種とバイオマス資源との相互作用について酸素や窒素などの同位体を用いて反応経路や反応速度を調査し、酵素分解効率やバイオ燃料の生成効率を向上させる知見を得るためのデータベースを構築することを目的としている。
バイオマスとの反応を見る前に、純水中の有機分子とプラズマから選択的に生成した酸素ラジカルとの反応について酸素の安定同位体を用いて調査した。昨年度はフェノール分子との反応に関して調査を行ったが、本年度は純水中に存在する5-ジメチル-1-ピロリン-N-オキシド(DMPO)という寿命の短いOHやO2-などと選択的に反応して寿命の長い有機ラジカルを生成する分子とプラズマから選択的に生成した酸素ラジカルとの反応について酸素の安定同位体を用いて調査した。その結果、DMPOに同位体である質量数18の酸素原子（O）が付加したDMPO-Oが検出され、通常質量16の酸素原子は付加されないことが判明した。このことからプラズマに供給される酸素ガスから生成した酸素ラジカルの中でも主に酸素原子が有機分子と直接反応し、酸化していることを確認した。
また、水溶液と接するプラズマからは水溶液から蒸発する水分子が電子やイオンと衝突して生成されるOHラジカルが大量に生成され、空気中の酸素から生成される酸素原子よりも強力な酸化力を示し、有機分子を低分子まで分解することが空気をArで置換することで明らかとなった。
これらの結果と昨年度までの知見によりバイオマス資源であるセルロースやリグニンの環構造を開環して低分子のシュウ酸等まで分解するにはOHラジカルを選択的に供給することが重要であり、開環せずに分解するには酸素原子の供給が重要であることが確認された。
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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
成果を多くの国際会議で発表し、複数の成果を論文投稿する準備段階にあるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
反応生成物の同定と反応パスの推定を引き続き進める。さらにプラズマから生成する酸素ラジカル、OHラジカル、Oラジカル、NOラジカルなどと糖やリグニンのどの部分と選択的に反応し、どのような生成物ができるかを同位体を用いて調査する。各ラジカルを定量的に照射し、これら反応生成物の量についても調査を行い、各ラジカルと糖分子等との反応速度について調査を進める。これらの知見を基に多糖類の高効率分解を実現するラジカル組成を検討し、実用化の指針を得る。
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Report
(2 results)
Research Products
(20 results)
