2020 Fiscal Year Annual Research Report
Biogas upgrading from methane fermentation of organic waste biomass using hydrogen based on the concept of Power to Gas
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20H02286
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
大下 和徹 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90346081)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福谷 哲 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (00332734)
日高 平 京都大学, 工学研究科, 講師 (30346093)
日下部 武敏 京都大学, 工学研究科, 助教 (40462585)
高岡 昌輝 京都大学, 工学研究科, 教授 (80252485)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | Power to gas / 廃棄物系バイオマス / メタン発酵 / 水素 / 数理モデル / 反応阻害 / バイオメタネーション / 食品廃棄物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、欧州で研究が先行する風力発電や太陽光発電など、自然変動型再生可能エネルギー由来の余剰電力をガスに変換する“Power to Gas”の概念により得られる水素を用いた有機性廃棄物メタン発酵の高度化を目的とする。
本年度は、廃棄物系バイオマスの有機物基質として、下水汚泥、食品廃棄物を用いて、中温域(37℃)、および高温域(55℃)での、水素添加型バッチ式メタン発酵実験を行った。その結果、基質+種汚泥(42mL)に対し100mLの水素添加によりバイオガス中メタン濃度が約60%から、75.5%(食品廃棄物/高温)、 73.6%(下水汚泥/中温)、 78.1%(汚泥/高温)まで上昇し、CO2のメタン化が確認された。この水素添加範囲では、メタン発酵阻害は確認されなかった。また、この過程での汚泥性状の変化については、水素添加の有無の影響は認められなかった。
また、別途下水汚泥を対象に、高温、かつ水素過剰な条件でバッチ実験を行ったところ、水素の過剰な添加は、酢酸の生成と、嫌気性酢酸酸化の両方を抑制し、メタン発酵阻害が生じた。この主な理由は，pHの上昇やCO2減少ではなく、汚泥相中のH2濃度増加に起因することがわかった。したがって、阻害を抑制するためには、汚泥相における水素の物質移動を制限する必要があり、実プロセスにおける高さ方向の水素添加位置を考察する必要性が示された。
これら一連の結果に関連して、メタン発酵についての数理モデルのプロトタイプを構築した。標準的な下水汚泥の嫌気性消化シミュレーションに適用し、一般的な運転条件下で、標準的なバイオガス発生率が再現されることを確認した。そして、水素添加条件を計算することで、投入水素量に応じたメタンガス生成量の増加、過度の水素添加による微生物反応の阻害などを表現できることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以下に、実施内容ごとに進捗の詳細を示す。
種々の基質を用いた水素添加型メタン発酵実験については、下水汚泥および食品廃棄物を基質として、温度条件を変化させたバッチ実験を行い、結果を得ているが、未実施の条件があり、2021年度に実施し、連続実験に移行する予定である。また、本実験に関連する水素添加に伴う微生物叢変化の解析については、リアルタイムPCRによる真正細菌の定量と、次世代シーケンシング(NGS)による真正細菌・古細菌のDNA解析を行ったが、発酵阻害との関連性は現段階では認められず、継続して解析を進める予定である。
水素添加型メタン発酵数理モデルの開発については、当初予定通り順調に進んでいる。
放射性ラベル化トレーサーを用いたメタン発酵実験によるモデルキャリブレーションについては2020年度に実験条件などを決定し、2021年度から開始予定である。
種々の基質による水素添加型メタン発酵プロセスのライフサイクル評価(LCCO2、LCC)については、 Power to Gas由来の余剰電力を用いた水電解から、高度化されたメタン発酵までのバウンダリー設定、対象サイトやシナリオの決定、関連するデータの文献収集を実施した。
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| Strategy for Future Research Activity |
備品として購入予定であったジャーファーメンター1台については、購入をとりやめ、民間企業から7台を貸与することとし、この移設、整備費に研究費をあてた。2021年度はこれらの装置を活用し、水素添加型メタン発酵の半連続式実験を効率的に進める予定である。
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