反芻胃の機能的構造を組み入れた草本系バイオマス用メタン発酵システムの開発

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K06271
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 松本 明人 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30252068)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: メタン発酵 / ろ紙粉末 / 撹拌子回転数 / セルロース分解 / メタン生成 / 鉛直分布

Outline of Annual Research Achievements

本研究は草本系バイオマスのメタン発酵の高効率化を目的に、①反応槽内の撹拌を適度に抑え、意図的に槽内に不均一構造を作り出し、投入されたバイオマスの分解状況に応じた滞留時間(たとえば分解されていない固形物の滞留時間を長くする)を作り出すこと、②反応槽中に水処理装置用担体を投入することで、多種多様な微生物を高濃度に保持することを実現したメタン発酵システムの構築を目標としている。
27年度は撹拌の影響を調べるため、撹拌子回転数を10rpmおよび100rpmに設定し、24時間連続で撹拌した。なお基質にはろ紙粉末を用い、水理学的滞留時間8日、運転温度35℃の条件下で運転を実施した。得られた実験結果は以下のとおりである。
1. 反応槽内の固形物濃度の鉛直分布(運転開始後24日)は100rpmの場合、およそ3390mg/Lで均一であり、完全混合状態である。一方、10rpmでは上・中層が740mg/Lであったのに対し、下層は3100mg/Lとおよそ4倍高濃度であった。2. メタン生成量(運転開始後19～34日の平均)は100rpmで165mL/日であったのに対し、10rpmでは244mL/日と1.5倍ほど多い。3. 揮発性脂肪酸濃度の鉛直分布(運転開始後24日)は、100rpm、10rpmいずれでも均一で、100rpmで全揮発性脂肪酸濃度が850mg/Lであったのに対し、10rpmでは160mg/Lと残存する全揮発性脂肪酸濃度は低かった。
以上のように、撹拌子回転数10rpmでは槽内に固形物濃度の不均一状態が形成されることと、10rpmのほうが良好なメタン生成がおこることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初、投入する基質として刈草、水理学的滞留時間は2日と5日、撹拌子回転数を10rpmとし、撹拌時間と撹拌間隔を変化させ実験をおこなう予定であったが、安定した実験結果を得るために基質は品質にばらつきのない工業製品であるろ紙粉末へ変更し、計画した滞留時間（2日と5日）ではメタン発酵が不安定であったため、滞留時間を8日のみとし、さらに滞留時間を単一にしたことに伴い、二つの反応槽の撹拌子回転数（24時間連続撹拌）をそれぞれ10rpmおよび100rpmに設定し、実験をおこなった。
その結果、完全混合状態である100rpmよりも10rpmのほうが良好なメタン生成が進行するという結果が得られた。混合状態の評価としては回転数でとらえることが工学的に明解であること、また回転数100rpmでの実験は29年度実施予定の条件を前倒しした実験であったため、予定していた滞留時間（2日と5日）や撹拌パターン（撹拌時間や撹拌間隔）の検討は未実施であるが、研究の進展としてはほぼ順調と判断した。

Strategy for Future Research Activity

27年度の実験で撹拌子回転数10rpmと100rpmではメタン生成量に明確な差が観測され、撹拌子回転数のメタン生成に及ぼす影響が明らかになったため、追加で撹拌子回転数30rpmの実験を実施する。これにより撹拌の影響をより詳細に評価できる。
続いてもっとも良好なメタン生成がおきた撹拌子回転数で滞留時間の短縮を試みる。すなわち現状の8日から当初予定していた5日、2日と滞留時間を短縮する。そしてメタン生成が阻害された時点、あるいは2日のデータを収集したのちに28年度実施予定である担体投入実験をおこなう。投入量は計画通り反応槽体積の10％とする。そして滞留時間を1日、0.5日とさらなる短縮が可能であるかを検討する。
なお刈草や稲わら等、実際の草本系バイオマスの処理実験はそれまでに得られた最適条件で最終年度である29年度に実施する。一方、撹拌パターン（撹拌時間や撹拌間隔）の実験に関しては、撹拌・混合の評価指標との関連付けが困難であるため、今回の研究では実施しないことも含め、文献調査を続けながらさらに検討していく。