2021 Fiscal Year Research-status Report
細菌の空間的すみ分けを組み込んだセルロース系バイオマス用高効率メタン発酵槽の開発
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19K04664
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
松本 明人 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30252068)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 豊 信州大学, 学術研究院農学系, 准教授 (00542911)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メタン発酵 / セルロース / 緩速撹拌 / 最適pH / Bacteroidota / 回分式バイアル試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セルロース系バイオマスを高効率にメタンへ変換するため、反芻動物の反芻胃をヒントに、槽内を緩速撹拌（撹拌子回転速度：10 rpm）することによりセルロース（ろ紙粉末）とセルロース分解菌を反応槽底部に沈降させ、両者を長時間接触させる状態で、pHなどの最適運転条件や担体投入の効果を調べるための実験をおこなう。
令和３年度は令和２年度の実験に引き続き、pH（pH6.5とpH7.0）がセルロース分解とメタン生成に及ぼす影響を調べた。さらにセルロースのメタンへの変換を促進するため、セルロースにペプトンやグルコースを添加した基質で回分式バイアル試験を実施した。いずれも発酵温度は35℃である。なお連続および回分実験の実施、そして水質およびガス分析は松本が担当し、菌叢解析は上野が担当した。
実験の結果、反応槽下層でのセルロース除去率はpH7.0では平均64％であったのに対し、pH6.6では平均68％と大きな差はなかった。一方、メタン生成量はpH7.0では平均290 mL/ｄであったのに対し、pH6.6では380 mL/ｄと大きく増大した。令和２年度での実験結果とあわせ、pH6からpH7の範囲ではpH6.6がセルロースのメタン発酵の最適pHであることがわかった。
また菌叢に関してはpH7.0の系ではBacteroidotaが細菌の半分以上を占め、令和２年度に実施したpH7.1の系でおよそ半分を占めたSpirochaetotaは10％程度に低下し、変化がおきていた。
回分式バイアル試験では、セルロース（槽内濃度2250mg/L）にペプトン（槽内濃度250mg/L）を少量添加した基質を使用したところ、一次反応速度定数はセルロース（槽内濃度2500mg/L）単独基質でおこなった実験に比べ、1.3倍に増大したが、メタン生成ポテンシャルの増大はなく、セルロースのメタンへの変換率の向上はなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和３年度の実験ではpH6.5とpH7.0における反応槽下層でのセルロース除去率とメタン生成量を求めた。そして令和２年度に得られたpH6.0での結果とあわせ、緩速撹拌条件下でのセルロースのメタン発酵における最適pHはpH6.6であることを明らかにした。さらに菌叢解析結果よりpH7.0の系ではBacteroidotaが優占菌種であることがわかった。なお最適pHであるpH6.6での菌叢に関しても、すでに解析用試料は採取済みである。
また回分式バイアル試験により、セルロースのメタン発酵の効率化を検討するため、セルロースにグルコースやペプトンを添加し、その添加効果を調べた。その結果、セルロース（槽内濃度2250mg/L）にペプトン（槽内濃度250mg/L）を少量添加した基質を使用した実験でのみ、セルロース（槽内濃度2500mg/L）単独基質でおこなった実験に比べ一次反応速度定数の上昇が見られた。ただしメタン生成ポテンシャルの増大はなく、セルロースのメタンへの変換率に対する促進効果はなかった。
一方、令和３年度に実施予定であった最適pHにおける処理限界となるセルロース容積負荷の検討に関しては完了することが出来ず、現在、pH6.6の条件下でセルロース容積負荷を1.25 kg/(m3・d)から2.0 kg/(m3・d)にあげ、運転中である。
以上のことを鑑み、進捗状況に関してはやや遅れているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
セルロースのメタン発酵の最適pHであるpH6.6にて現在、セルロース容積負荷2.0 kg/(m3・d)で運転をおこなっており、引き続き容積負荷を3.2 kg/(m3・d)、そして5.0 kg/(m3・d)と増大させながら反応槽下層でのセルロース分解率およびメタン生成量を求める。そして処理限界となるセルロース容積負荷を決定する。
最適pHであるpH6.6で運転している反応槽内の菌叢についても、すでにセルロース容積負荷1.25 kg/(m3・d)で運転した反応槽からは菌叢解析用試料を採取済みであり、現在、運転中の2.0 kg/(m3・d)をはじめ、今後、実施する各セルロース容積負荷における反応槽からも試料を採取し、菌叢解析を実施する。
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| Causes of Carryover |
令和３年度に実施予定であったセルロース容積負荷の検討が完了しなかったため、その経費が残った。残額は令和４年度に実施する物品費、さらに成果発表をおこなうための学会参加費に使用する。
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