CO2直接供給型バイオカソード微生物燃料電池による高速メタン変換・循環システム
| Project/Area Number |
21H04936
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
多田 千佳 東北大学, 農学研究科, 准教授 (30413892)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横山 幸司 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (00911158)
中安 祐太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20827042)
梅津 将喜 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (30891387)
渡邉 洋輔 山形大学, 有機材料システムフロンティアセンター, 助教 (30891527)
古川 英光 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50282827)
張 民芳 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60518330)
高橋 英志 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (90312652)
関口 貴子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50738086)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000)
Fiscal Year 2023: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
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| Keywords | メタン菌 / カソード電極 / セミウェット / 3Dプリント / CO2 / バイオカソード / 微生物燃料電池 / 表面処理 / 白炭 / 3Dプリンティング / CNT / CH4 / 3Dプリンタ |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、CO2をCH4に変換するバイオカソード微生物燃料電池(以下MFC)へのCO2供給 方法を、微生物に直接的にガス供給 するセミドライ型バイオカソード電極を新たに開発するものである。さらに電極材料のコ ストダウン化、高効率化によるCH4変換速度の促進、セミドライ電極製造を確立するため3 Dゲルプリントによる微生物と炭素材料のプリント化によるMFC製造を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell: MFC)は、微生物の代謝反応を利用して有機物から直接電気エネルギーへと変換する装置である。近年、我々は白金触媒の代わりにメタン菌を触媒に利用したセミウェット型メタン菌カソード電極を開発し、電気エネルギーと共にエネルギーガスのCH4 をCO2 から得るMFCを開発した。今後、電極性能を向上させるためには、構造をデザインして電極を造形する必要がある。そこで3Dでの電極設計と造形、セミウェットを維持可能な3Dゲルプリントを用いてメタン菌カソード電極を構築した。本研究では①メタン菌カソード電極を3Dゲルプリントで造形するためのバイオインクを開発し、できた造形物中でのメタン菌の活性やメタン変換について検討した。②3Dゲルプリントで造形したメタン菌カソード電極をMFCに適用し、電池性能を明らかにした。バイオインクは、ナラ白炭、偏性嫌気性メタン発酵種菌、アルギン酸ナトリウム、シリカ材を混合して作成した。3Dゲルプリンタを用いて設計した構造を好気条件下で印刷した。その後、完成造形物をバイアル瓶に入れて水素と二酸化炭素で置換し、培養した。培養過程でメタン生成量を測定し、造形物中のメタン菌量を分析し、微生物群集解析を行なった。このカソード電極をMFCに設置し、電流測定、ポテンショスタットで電力密度を計測した。植菌濃度が標準のゲルインク造形物からの5日目のメタンガス生成は0.001 mmol gwet-1であった。その時のmcrAのコピー数は標準ゲルインクで8.79×105 copies gwet-1であった。5日目のメタン菌群はMethanobacterium属が全メタン菌群中の相対存在量89%を占めた。上記方法で作成したメタン菌カソード電極をMFCに適用した結果、電流が流れ、板状の電極に比較して約２倍高い電流であった。また、最大電力密度は1.38 mW/m2となった。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(14 results)
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[Journal Article] 3D-Printed Methane-Producing Electrodes for Microbial Fuel Cells Developed Using Biogel Ink Containing Live Methanogens and White Charcoal,2023
Author(s)
Umetsu, M., Watanabe, Y., Ueno, M., Kobayashi, T., Furukawa, H. & Tada, C
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Journal Title
Macromolecular Materials and Engineering.
Volume: 308, 12
Issue: 12
DOI
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Peer Reviewed / Open Access
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