北海道大学 研究シーズ集

環境:14件

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  • UPDATE ナノ微粒子を用いる炭素資源由来の窒素の無害化除去

    Fuel窒素の事前除去と高温ガス精製へのナノ微粒子の利用

    地球環境に調和した炭素資源の高度利用法の原理確立は、次世代に向けて最重要な研究テーマの一つである。本研究では、ナノスケールの金属・金属酸化物微粒子を用い、炭素資源をクリーンエネルギーに効率よく変換できる触媒プロセスの開発を目指している。

    • 図 500˚Cでのピリジン分解に
      対する褐鉄鉱の触媒性能

    研究の内容

    炭素資源中の窒素(Fuel-N)は燃焼時にNOxやN2Oとして排出され、また、高温ガス化では主にNH3に変化し後段のガス燃焼時のNOxソースとなる。本研究では、燃焼やガス化の前段の熱分解過程においてFuel-Nを無害なN2に変換する方法の開発に取り組み、イオン交換法で担持したCaイオンは熱分解時にCaOナノ粒子に変化し、N2生成に触媒作用を示すことを見出した。
    また、褐炭中に元々含まれるFeイオンや褐鉄鉱中に多く存在するFeOOHは加熱過程で容易に金属鉄ナノ粒子となり、この触媒上でNH3、ピリジン、ピロールの分解反応を行うと、N2が選択的に生成することを見出した。このような含N種は石炭ガス化で生成する粗ガス中に含まれるので、これらの化合物の除去を目的とした新しい高温ガス精製法の開発への展開を図っている。

  • UPDATE 撹乱地の生態系復元

    自然・人為により撹乱を受けた生態系をファシリテーションすることでエコフレンドリーな復元を図る

    ファシリテーションとは、ある植物の定着が他種の侵入定着を促進する現象を指す。噴火・火災・津波・採掘等の大撹乱により壊滅的被害を被った生態系において、そのようなファシリテータを検出し導入することで迅速かつエコフレンドリーな生態系復元を図る。

    • 図. 1920年に大規模噴火があった渡島駒ヶ岳においてミネヤナギパッチ内に定着したエゾチドリ。
      ミネヤナギは、多くの種の定着を促進するため生態系の多様性を高めることができる。

    • 図. 札幌市のスキー場斜面におけるファシリテータであるススキの被度と木本植物密度本数との関係(プロットサイズは4 m2 )。
      木本植物本数は、ススキの定着により増加し、ススキ草地を創出することが植林によらない天然林の誘導には有効である。

    研究の内容

    大規模撹乱後の生態系復元は急務であることが多いが、撹乱後の劣悪な環境では、なかなか目的とする植物の定着が進まないことが多かった。ファシリテータとは、その種が定着することで他種の定着を促進する効果のある植物種のことを指す。各撹乱地において、ファシリテータを検出し、それらの種を導入することで目的とする種の侵入定着が促進できれば、生態系復元は安価かつ迅速化でき、人為も軽微となるため、エコフレンドリーな生態系復元技術となる。
    これまで、サロベツ湿原泥炭採掘跡地ではミカヅキグサが、渡島駒ヶ岳ではミネヤナギが、ファシリテータとして機能していることを明らかとしており、さらに、ファシリテータ導入手法として、微地形改変が有効であることを明らかとしている。

  • バイオマス由来の環境にやさしい海洋生物付着防止化合物

    フジツボなどに対する有害な海洋生物付着阻害剤が海洋環境汚染の原因となっており、安全な代替品開発が求められている。私たちは、バイオマス由来の化合物を合成することで強力かつ低毒性化合物の創出に成功している。更なる最適化も可能である。

    研究の内容

    人類の海洋利用(船舶や発電所の冷却管など)は不可欠であるが、フジツボなどの付着生物によって船舶の燃費悪化や詰まりなどの機能低下を引き起こされる。機能低下を防止するために、有機スズ化合物が使用されてきたが毒性のため使用が禁止され、代替品の開発が望まれている。私たちは、ウミウシなどの海洋生物が他の生物の付着から防御するために用いる化合物に着目している。化合物の合成の結果、付着防止に重要な官能基(付着防止ユニット)を見出した。この官能基を安価な海洋生物由来のバイオマスに短工程で導入し、合成品の付着阻害試験(タテジマフジツボのキプリス幼生)を行ったところ、非常に強い付着阻害活性と極めて弱い毒性を併せ持つことを見出した。現在、類似化合物の合成や更なる機能を付与する研究を展開している。

  • CO2ガスの分解と炭素、COガス製造

    -高温溶融塩を用いた電気分解で二酸化炭素から炭素を-

    高温二酸化炭素ガスを原料および熱源として電気分解し、酸素と炭素もしくは一酸化炭素に分解する。

    • 二酸化炭素分解機構の模式図

    • 得られたカーボンナノチューブ

    研究の内容

    化石燃料から排出される高温CO2ガスを原料および熱源として高温溶融塩に導き、3Vの直流電圧を与えると分解して非晶質炭素やカーボンナノチューブ(CNT)もしくは一酸化炭素ガスと、陽極で純酸素ガスを生成する手法を開発した。これを応用する技術開発を企業と共に行いたい。酸化チタンを還元して金属チタンを製造する方法として開発してきたが、CO2でも還元できることに着目した。酸化物イオン伝導体であるジルコニアを陽極に用いて純酸素ガスを製造するので、高温を要する。炭素と酸素を原料とする鉄鋼業界で応用を考えてきた。現在の規模では未だ反応速度が遅く、高炉法に適用するのは無理があるが、高性能なイオン伝導体を得ると効果が期待できる。CNTは厚膜のやや折れ曲がりのある管で、非晶質炭素や結晶質グラファイトも条件次第で多く生成する。

    鈴木 亮輔 特任教授 名誉教授 Ryosuke O. Suzuki
    工学博士
  • 外来種アライグマ対策コスト削減のための
    巣箱型ワナ開発

    低密度状況で効果的・効率的防除手法を目指して

    日本に侵入した外来種の防除対策について、対象種の生態・行動学的特性に合わせ、かつ人間社会の状況に対応した効果的防除技術・戦略の提案を目的に研究を進めています。本研究では、アライグマの樹洞営巣習性を応用した効率的な捕獲ワナを開発しました。

    • 野外に設置した巣箱型ワナと捕獲されたアライグマ

    研究の内容

    北海道を始め全国的に増加し、被害をもたらしている外来種アライグマの防除対策は喫緊の政策課題であり、対策現場では長期化する防除事業のコスト削減が最重要課題となっています。従来の捕獲方法は、誘因餌を用いた箱ワナによる捕獲だけに依存しており、他の動物の混獲予防と誘因餌の交換のために、捕獲の有無にかかわらず毎日の見回り・点検作業を必要とし、低密度化した後でも作業量は低減しないという問題がありました。本研究で開発したアライグマの樹洞営巣性という習性を応用した巣箱型ワナは、誘引餌が不要で混獲も少なく、毎日の点検が不要で防除コストを極めて低価格に抑えることのできるワナになっています。さらに、捕獲情報を電波によってオフィスで受信できるシステムを付与することで、少人数で広範囲な防除対策を低予算で実施することを可能にしました。

  • 社会技術システムとしてのバイオマス利活用に関する研究

    地域循環によるバイオエネルギー普及を目指して

    循環計画システム研究室では、生ごみ、下水汚泥、家畜ふん尿、林地残材や稲わら等のバイオマスを地域内で利用し、地域分散型のバイオエネルギーを創り出すための、技術と社会の仕組み作り(社会技術システム)に関する研究をしています。

    • 左図の説明
      <バイオマス利活用システム構築で考慮すべき要素>
      健全なバイオマスの利活用システムを構築するためには、事業の目的を明確にした上で、(1)バイオマスを収集・運搬するインプット、(2)エネルギー利用や残渣の処理といったアウトプット、(3)インプットの性状に応じた変換技術の選択、(4)事業採算性(事業主体)、そして(5)地域特性のすべてを一体として考える必要があります。

    研究の内容

    本研究室では、バイオマス(生ごみ、下水汚泥、家畜ふん尿、林地残材、稲わらなど)から燃焼やメタン発酵によって回収されたエネルギーを、地域内に存在するエネルギー需要者(公共施設や介護・福祉施設、ビニールハウス等の農業施設、食品工場等)と結びつけることにより、環境と地域振興(経済)の両方に貢献できるシステム提案(実験やフィールド調査に基づく計画、モデリング、評価)を行っています。さらに、民間企業の協力を得て、寄附分野循環・エネルギー技術システム分野(古市徹客員教授、藤山淳史特任助教、http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/mces/)とも連携し、エコで安全なエネルギーに関する研究を行っています。

  • 硝酸態窒素汚染水の触媒法浄化

    硝酸態窒素を還元分解する高性能触媒

    硝酸態窒素による地下水汚染が問題になっています。水中の硝酸態窒素を常温で水素ガスと反応させて窒素ガスへと分解する高性能な固体触媒を開発しました。この触媒を組み込んだ浄化装置を使って、汚染地下水を浄化することに成功しました。

    • ◆触媒法のプロセスイメージ◆
      活性炭にスズとパラジウムの合金微粒子を固定化した高性能な触媒を開発した。

    • ◆浄化装置を使った汚染地下水の浄化◆

    研究の内容

    硝酸態窒素による地下水汚染が、全国的に問題になっています。私は、地下水中の硝酸態窒素を窒素ガスへと分解する、高性能な固体触媒を開発しました。開発触媒を組み込んだ浄化装置を使って、実際の汚染地下水を浄化することに成功しました。
    硝酸態窒素含有水の処理は、嫌気処理と好気処理を周期的に行う生物処理が主流であるが、一般に処理装置は大型で操作も煩雑です。開発した触媒法浄化装置は、非常にコンパクトかつ煩雑な操作を必要せず、温度を制御した触媒反応器に、水素ガスと汚染水を流すだけで汚染水が浄化できます。

  • 膜ファウリングを引き起こす多糖・タンパク質の構造解析

    次世代の水処理技術として注目されている膜処理の普及を阻んでいるのが膜透過性能の劣化(膜ファウリング)である。本研究では、膜ファウリングの合理的制御に向けて膜ファウリングの主因となる多糖類やタンパク質の構造解析を世界に先駆けて行った。

    • 膜ファウリングを引き起こす多糖のMALDI-TOF/MSスペクトル

    • MALDI-TOF/MSスペクトルから推定される多糖構造の一例

    • 膜ファウリング物質の2D-PAGE泳動図

    • アミノ酸配列解析結果

    研究の内容

    膜ファウリング(膜透過性能の低下)は、微生物が生産する多糖類やタンパクが主因となって発生する。しかしどのような多糖類・タンパク質が重要であるのかという点は不明のままであり、効率的な膜ファウリング制御手法の開発が遅れている。本研究では、レクチンアフィニティクロマトグラフィーを用いてファウリング多糖を集積精製した後に部分加水分解を施し、MALDI-TOF/MS分析を行った。MALDI-TOF/MS分析で検出されたピークをデータベースと照合することで、多糖の構造およびその起源となる微生物を推定できた。タンパク質についても、膜ファウリング物質を精製した後に二次元電気泳動を行って分離し、切り出したスポットのアミノ酸配列を読めるようになっている。こちらも、データベースと照合してその構造と起源を推定することが可能である。

  • 簡易病原菌測定装置

    キットにサンプルを添加するだけで病原菌を測定可能

    測定キットにサンプル(下水、廃水、食品抽出液、飲料水)を0.1mL添加し、装置に設置するだけで、早ければ1時間、遅くても12時間以内に大腸菌、大腸菌群、腸球菌の濃度を測定できる技術を開発しました。

    • 図1 キット(マイクロプレート)に大腸菌を含むサンプルを入れ、培養した後のブラックライト下の写真。大腸菌が含まれていたサンプルが添加された場所(穴、ウェル)だけに青色の蛍光が見られる。蛍光を発していないウェルは添加されたサンプルには大腸菌がいなかったことを意味する。

    • 図2 縦軸はキットを装置に設置し、蛍光強度を10分間隔で測定し、蛍光強度がある閾値を超えるまでに要した培養時間(陽性時間と称する)、横軸は市販のキットで測定した大腸菌濃度を示す。大腸菌濃度と本技術で求めた陽性時間に直線関係が見られた。この事から、本技術は市販のキット(1サンプルの測定コストは約1000円)の代わりとなる事が分かった。

    研究の内容

    現在病原菌の測定には、寒天培地を作る、多量のサンプルを何度も希釈する、24時間培養する、など、多大な時間と労力が必要です。我々は、液体サンプルや食品抽出液を0.1mL注入するだけで大腸菌、大腸菌群、腸球菌といった病原細菌(糞便汚染指標細菌)を測定できるキットを開発しました。現在の一般的な細菌測定技術と比べると、サンプルを溶液と混合するだけの極めて簡便な技術です。細菌濃度は蛍光色素を使って測定されます。蛍光色素は液体が濁っていても測定できるので、廃水や食品からの抽出液などの濁ったサンプルでもいかなる前処理もせずに直接各種細菌濃度を測定することができます。

  • アルミノ珪酸塩によるセシウムの捕捉・難溶性態化

    除染廃棄物等に含まれるセシウムの
    アルミノ珪酸塩(アルカリ長石)による捕捉

    焼却底灰中の難溶性態セシウムは、特定の鉱物表面の非晶質相に濃集しており、この鉱物はアルカリ長石であった。この捕捉現象を除染に伴って発生する除去土壌や廃棄物等に利用し、長期の保管においてもセシウムの溶出を抑制する技術の開発を行っている。

    研究の内容

    焼却底灰中のセシウム(以降Cs)が難溶性であるのは、Csがアルカリ長石の一つである微斜長石表面に形成される非晶質相に強固に捕捉されるためである。純粋な微斜長石に炭酸Csならびに塩化Cs等のCs塩を添加し加熱すると、極めて高い割合でCsが捕捉され、難溶性態化する(図1)。本過程で捕捉されたCsはフッ酸でなければ抽出できない程に強固に固定される。微斜長石を合成するの試薬を用いても同様のCs捕捉が起こる(図2)。そこで本研究では、この微斜長石等(アルミノ珪酸塩)によるCsの捕捉現象を、除去土壌や除染廃棄物の減容化熱処理に伴って生ずるCs濃縮物(Cs高濃度飛灰等)に適用し、最終処分される廃棄体でのCsの移動性を極力低下させる技術を確立することを目指している(図3)。

    東條 安匡 准教授 Yasumasa Tojo
    工学博士
  • 地域の自然エネルギーを活用した省エネルギー

    冷涼な外気を活用した空調システム

    本研究開発は、地域の気候特性である冷涼な外気を活用した自然エネルギー利用空調システムを構築し、環境に配慮した超省エネルギーな「環境建築」を実現しました。

    • 外気冷房を用い超省エネルギーを実現した石狩データセンタ

    • 置換換気システムのシステムモデル

    研究の内容

    ■石狩データセンタ: 寒冷地の特性を十分に活かし、IT機器の適切な冷却と運用・省エネルギーを目指す空調システムを実現しました。①100%風量外気導入を可能とした建築・設備計画、②厳しい気象条件、高発熱サーバに対するモックアップ実証、③サーバ排熱利用による暖房効率向上、④外気冷房時の温湿度制御の実現、⑤年間空調消費電力80%削減の超省エネデータセンターの実現。
    ■シチズン夕張新工場: オイルミストが発生する生産施設において、冷涼な気候を活用した外気冷房併用型置換換気システムの設計・施工・運用評価を実施しました。①換気効率の向上を目指した置換換気システム、②冷涼な外気を活用した外気冷房システム、③空気搬送動力の削減を図った空気調和システム、④排熱利用を図った暖房システム、⑤高効率運転に配慮した運転制御システム。

    羽山 広文 教授 Hirofumi Hayama
    博士(工学)
  • 液中微粒子の集団性を利用した沈降・拡散挙動の制御

    粒子の沈降挙動を自由自在にコントロールする

    懸濁液中に濃度差が存在することによって現れる粒子の集団性を上手く利用して、沈降速度を促進させたり、複雑流路中における粒子の分散挙動をコントロールするような技術を紹介します。

    研究の内容

    濃度差によって生じる液中微粒子の集団性を上手く利用して、沈降速度や分散挙動を能動的に制御する技術を提案します。不均一に分散した粒子の沈降形態は、懸濁条件を変えることによって集団的な挙動が見られるようになります。この集団的挙動に密接に関連する濃度界面近傍の粒子の挙動を理解するとともに、それを積極的に利用することによって、各種工学プロセスにおいて重要となる沈降促進、分散制御、輸送効率の向上などを目指しています。

    原田 周作 准教授 Shusaku Harada
    博士(工学)
  • 宇宙からの海洋性植物プランクトン探査

    人工衛星を用いて海洋の植物プランクトンの分類探査と定量化技術の開発

    地球観測衛星を用いて、海洋に生息する浮遊微細藻類(植物プランクトン)を人工衛星より遠隔探査する方法を開発しています。現在、遠隔探査としては世界で最も多い分類グループ数(11グループ)を定量観測する方法を研究しています。

    研究の内容

    海洋の植物プランクトンは、魚類生産に必要な生物エネルギー生産を支える一次生産者であり、異なる種類の植物プランクトン間の存在比は異なる生態系構造(従って異なる生物資源)の指標となると考えられます。衛星探査技術への応用により、異なる生態系構造が、世界中のどこで、いつ、どのように変動しているかといったことが分かるようになり、結果的として、効率的な生物・水産資源の探査や評価、管理が可能になると期待されます。

  • 成長のツボを押す新しい植物生育促進技術

    排水を活用する次世代バイオマス生産と植物工場への共生細菌の利用可能性

    北海道大学植物園のウキクサ亜科植物から全く新しい成長促進細菌P23を発見した。P23は植物の表面スイッチを押すことでその生育を促進する。ウキクサは排水を肥料として生育する高付加価値バイオマスであり、P23との共生によってその生産速度が約2倍

    研究の内容

    水生植物ウキクサは排水中の窒素やリンを吸収して生育することが可能かつ、リグニンやセルロースをほとんど含まないソフトバイオマスである。そのタンパク質含量は大豆に匹敵する約30%であり、生育環境によってデンプン蓄積量も50%に達する。前者の特徴は家畜飼料としてそのまま利用可能であり、後者はバイオ燃料生産および化成品前駆体HMFを生産するための原料として有用である。このような、次世代バイオマスの生産収率を向上するために、私たちは表層細菌の共生作用による植物生育促進技術開発を行っている。その適用範囲は、ウキクサの栽培以外に野菜・穀類の水耕栽培(植物工場)が想定される。これは遺伝子組換えを伴わない、自然の摂理に従った古くて新しいバイオ技術である。

    森川 正章 教授 Masaaki Morikawa
    博士(工学)