光化学工業生産
前回から引き続きメモです(下記の書籍*1)より)。
酸化反応と還元は脳を同じ反応場(光触媒上)で同時に進行させることができる、という光触媒反応特有で他の反応系では実現不可能な特徴を利用し、有機合成に応用する研究が進められています。
必須アミノ酸の一種であるL-リシンを原料に、無酸素雰囲気の水溶液中で光触媒反応を行うと、ピペコリン酸が生成します。光触媒反応によるピペコリン酸の合成は、これまで知られている合成経路のうちで、特別な試薬を必要としない唯一の反応であり、また、͡この反応には励起電子と正孔による酸化還元反応が含まれており、副生成物が生成しません。このような光触媒による有機合成は、
(1)常温・常圧下で反応が進行するため比較的不安定な物質も対象となる。
(2)水溶性の化合物を原料にする事が出来る。
(3)酸化剤・還元剤の添加による副生成物が生成しない。
(4)光照射を止めれば反応が止まる。など、グリーンケミストリーに求められる特徴を有しています。しかし、設備投資に見合うだけの工程的・価格的メリットのある合成反応を見出せておらず、現在、工業化・製品化には至っていません。
L-ピペコリン酸の合成 現在、工業生産に利用されている光化学反応は、恐らくPNC法と呼ばれる、東レが開発した「光ニトロソ化法によるε-カプロラクタム合成」だけです。ε-カプロラクタムは6-ナイロンの原料で、恐らく全世界で年間数十万トンの量が合成されています。光触媒反応による有機合成反応も、基本的には他の反応より優れた点が数多くありますが、実際に工業化するためには、これまでに利用されたことが無い装置を作る段階、すなわちゼロから始める必要があります。
*1)しくみ図解 光触媒が一番わかる 高島舞 大谷文章著 2019年第1刷 p68, 170
人工光合成実現後の姿と課題
前回から引き続きメモです(下記の書籍*1)より)。
経産省とＮＥＤＯによる人工光合成プロジェクトでは、太陽光と光触媒による水分解で製造したＨ２とＣＯ２から、化学原料であるエチレン・プロピレンなどの機関化学品を製造する化学プロセスの開発を目指しています。このプロジェクトでは開発課題を次の3つに分け、それぞれ大学や民間企業が中心となり協力して研究が進められています。
(1) 光触媒による水分解による水分解によるH2・O2その製造
(2)分離膜によるＨ２の安全な分離
(3)合成触媒によるＨ２とＣＯ２からの低級(C2～C4)オレフィンの製造
人工光合成プロジェクト
将来の化学プラント クリーンなエネルギーとして期待されているＨ２ですが、低コストのＨ２を大量に供給できるかが最大の課題です。将来的に、化石燃料と同程度の価格(30円/Nm3)で水素を供給できなければ、実用化は難しいです。実用的な人工光合成プロセスの実現には、このＨ２価格の実現を見据えた効率やコストの改善が必要です。
*1)しくみ図解 光触媒が一番わかる 高島舞 大谷文章著 2019年第1刷 p20-22, 67
CO2と地球の歴史
下記の書籍*1)から自分が気になった事のメモとして、抜粋記載致します。
地球が出来た当時の大気はほぼＣＯ２でした。しかし、光合成を行う生物の増加によって大気中のＣＯ２濃度は大きく減少し、代わってＯ２濃度が増加しました(図 地球の歴史とＣＯ２・Ｏ２の濃度変化) 。かつて大気中にあったＣＯ２の多くは、現在、生物や土壌中に有機物として堆積しているのです。
地球の歴史とＣＯ２・Ｏ２の濃度変化 今日の人間の経済活動も光合成に依存しています。石油や石炭などの化石燃料は、地球によって長い年月をかけて動植物の死骸から作り出されたものです(図 石油・石炭の作られ方)。つまり、例えば、化石燃料を使っている火力発電による電気エネルギーも、元をたどると光合成です。
石油・石炭の作られ方 人間による化石燃料の使用による大気中へのＣＯ２の放出量が、産業革命以降、特にここ70年ほどの間で、急激に増加していることが問題となっています(図 各温室効果ガス濃度変動推移)。地中と大気中のＣＯ２のバランスが崩れてしまった結果、環境問題やエネルギー問題が引き起こされてしまいました。
各温室効果ガス濃度変動推移 地球の歴史に匹敵するほど長い年月をかけ、太陽の光エネルギーと植物がもつ光触媒(クロロフィル)によって作られた有機物を、私たち人類は、特に産業革命以降、とても短時間で大量に消費してしまい、様々な問題を引き起こしています。しかし今度は、太陽の光エネルギーと、我々が作り出す別の”光触媒”を使う事で、それらの問題を解決しようともしています(図 光合成と人工光合成)。
光合成と人工光合成
*1)しくみ図解 光触媒が一番わかる 高島舞 大谷文章著 2019年第1刷 p10-16
コンビニの汁もの変化
毎日夕食はコンビニを利用しています。汁物を食べた後に、気づきました。
「(油脂とかではないのに)汁が固まっている」
固まるはずのないおでんの汁が固まっている事実を目の当たりにし思わず気持ち悪い感覚を持ちました。調べてみると、体に悪い物ではなく、天然のゲル化剤(ゼラチン、カラギーナン、 寒天などが一般的)が使用されているとの事でした。
私の気持ちが落ち着いた所で化学メーカー社員として改めて考えてみると、ゲル化剤はとても便利な薬剤だと思いました。温かければ液体となり、冷えれば液体と固体の間のゲルになる。実に取り扱いやすいですね。化学原料でも高融点の物質はありますので、それに近いイメージです。ゲル化剤の凄い所は高融点物質ではない物質(水とか)を高融点物質に変えてしまう所です。化学工場で関係する課題があれば、参考にしてみます。
・ゲルについて
Microsoft PowerPoint - C-15(v-1)ゲル0305 [互換モード] (osaka-u.ac.jp)
・参考サイト
CO2還元(光合成について)
CO2還元に関して、前回の植物の反応から先の反応を書籍*1)を元に考えてみます。
反応にいく前に、植物の葉緑体を下図にて示します。光合成は下図のチラコイドで起こる反応と、ストロマで起こる反応からなります*2)。
1. チラコイドで起こる反応
葉緑体のクロロフィルは光エネルギーを吸収して活性化されます。この吸収エネルギーよりH2Oが[H]*3)と酸素(O2) に分解され、酸素は細胞外に排出されます。水素Hは水素イオンH+と電子e-に分かれ、電子だけが酵素間で受け渡されていきます。この過程でATP(アデノシン三リン酸)が合成されます。エネルギーを失った電子e-は、水素イオンH+と結びついて水素[H]となり、あとの反応で利用されます。
12H2O → 6O2 + 24[H] ④
2. ストロマで起こる反応(カルビン・ベンソン回路)
外部から取り込まれた二酸化炭素CO2は、葉緑体中にあるリブロース(五炭糖)に取り込まれますが、ただちに分解してグリセリン酸(C3)になります。グリセリン酸は、チラコイドで作られたATPのエネルギーで活性化された後、水素[H]で還元され、グリセルアルデヒド(三炭糖)となります。グリセルアルデヒドはその一部はグルコースとなる一方、残りはリブロースに戻ります。
6CO2 + 24[H] → C6H12O6 + 6H2O ⑤
④、⑤をまとめて
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ⑥
前回の②は今回でいうチラコイドで起こる反応であり(つまり④)、それとストロマで起こる反応とまとめたのが⑥なので、CO2を還元する植物光合成の総括反応式は⑥となります。下図がとても分かりやすいので、御参照下さい。
*1)理系大学受験 化学Ⅰ・Ⅱの新研究 卜部吉庸著 2005年第6刷 p680
*2)葉緑体内部にある、緑色の扁平な袋状のものをチラコイドといい、ここにはクロロフィルをはじめ、各種の光合成色素が存在する。それ以外は、無色の基質部分でストロマと呼ばれる。
*3)[H]は、補酵素NADP(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸)と結合した状態の水素を示す。
✕ 脱炭素社会→〇 CO2還元社会
化学工学系専門雑誌*1)から自分の理解の為に転記します(記事内容から少し表現変更)。
人間を含む全ての生き物は炭素の塊です。よって、"脱炭素社会"や"脱炭素化"の文言は人間の自己否定となる為、これを科学の専門用語で表現すると「CO2を炭素のダイナミズムに戻すこと」、つまりCO2還元という文言になります。
CO2を酸素(O2)に還元している植物の反応を参考に考えていきます。まず水分子を"光酸化"し、酸素分子(O2)1モルを生成し、同時に"ヒドリド"(H-)2モルを生成し、当該"ヒドリド"2モルがCO2を還元する(糖と水生成)。要は、水の光酸化の式が①より、②となります(②の後の反応は後日記載します)。
H- = H+ + 2e- ①
2H2O+4hν → O2+4e- + 4H+ → O2+2H- + 2H+ ②
上式①の"光子(hν)による電子エネルギー(e-)への変換"は、植物では葉緑素に仕組まれた触媒機能がなします。人工的には光触媒がなす事になります。この記事の筆者は"CO2還元メタノール化"に成功している*2)との事。原理は"ヒドリド"3モルによるCO2の還元(③)です。
3H- + CO2 + 3H+ → CH3-OH(メタノール) + H2O ③
*1)生産技術専門紙 化学装置 2021年4月号 p63
*2)Y. Matsushita, A. Murata, T. Murata, H. Tanibata, T. Suzuki, T. Ichimura, "Photosynthesis of High-Value Added Compounds in Microreaction System", Micro Total Analysis System 2007 2, 1462-1464(2007), 1
好奇心について
今日は会社(工場)の人との会話から好奇心について考える機会があったのでメモします。
会話をしたその人は工場の(主任)オペレータです。私は技術スタッフ。その人は先日「自分は高校で機械を学んだから、(化学)工場の事はよく分からない。」と言っていたので、会話の切り口として「機械寄りの設備管理(という部署)に興味は無いのですか？」と私が訊きました。その後の会話は社内業務の事情の話をしたのですが、ひとしきり話した後その人は「自分達の時代はあまり勉強せんでも良かった。高卒はあまり専門とか気にしていない。」「それでも機械に興味はあるんですよね？」「機械に特に興味があるとかは無い」「そうですか。僕は化学に興味があります。」「それは大学で勉強したからよね。だから今、頭で仕事をしているんよ。俺らはその代わり体力で仕事をしている。」
その後、高卒でも工場に詳しい人を私が挙げたものの、個人的素養ではなくその人自身の元々の能力によるもの(私が高卒と思っていた人が実は大卒だったり)だ、との事でした。鶏が先か、卵が先かの話になりますが、私は個人的素養(遺伝的な性質?)が先で環境影響(学歴？)が後かな、と思います。その理由は、(私の経験だけですが)素養がある人に情報が集まりやすい傾向にあると思うからです。やはりこれを裏付けるデータが欲しいですね。。
