2021 Fiscal Year Research-status Report

Biologically upgrading of biogas generated from anaerobic digestion

Research Project

Project/Area Number	20K12245
Research Institution	Osaka Institute of Technology
Principal Investigator	古崎康哲大阪工業大学, 工学部, 教授 (90454553)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	バイオメタネーション / 水素溶解 / 気泡 / バブル / kLa
Outline of Annual Research Achievements	今年度（2021年度）は提案時の考え方に立ち戻り、汚泥を微細な水滴としてガス中に吹き込むことを試みた。液を霧状に噴霧できるスプレーノズルを用いたが、汚泥中のわずかな夾雑物の存在がノズルを閉塞させ、使用できなかった。そのため閉塞しにくいノズルを使用したが、液滴が大きいために水素変換率は低かった。次に、超音波による霧化を試みたが、汚泥は粘性があり、薄めてもほとんど霧が発生しなかった。続いて界面移動に着目し表面張力を低下させる界面活性剤を検討した。生薬として用いられるサイカチ、ムクロジは古くから石鹸の代替として用いられており、排水の生物処理での実績がある。しかし、水素変換率の向上は確認できず、表面張力低下による水素溶解効果は得られないことがわかった。続いて汚泥と水素を発泡させて供給させることで気液界面を大きく取れるのではないかと考えた。リアクタの汚泥は発泡しやすく生成した泡はつぶれにくいので、曝気の形で供給するよりも気液接触時間を長く取れる効果も期待した。リアクタは前年度よりも少し小さい有効容積のものを作成し、バイオガスと水素の混合ガスを前年度同様に供給した。結果は水素負荷4.0 L-H2/L-容積/dの条件において、出口ガス中メタン濃度90%、水素消費率97%という結果が得られた。これは前年度同負荷でマイクロバブルエジェクターを使用した結果（出口メタン濃度90%、水素消費率97%）と同等であった。それぞれの水素供給方式の溶解効率を、連続実験の結果から総括気液移動係数（kLa）を求めて比較したところ、発泡型は前年度のマイクロバブル供給型についで高い値であることがわかった。以上のことから基質ガスを泡としてリアクタに供給する方法は、水素の溶解方法として優れていることがわかった。比較的省エネルギーで閉塞等のトラブルも少ない手法として実用化の観点からも優れていると考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 今年度（2021年度）は様々な方式のガス供給方法について、連続実験でその効果を検証することができた。出口ガス濃度は90%以上を得ることができ、実用面可能な能力を持つリアクタおよびその実験結果を示すことができた。水素資化菌の高度培養については、種汚泥が下水汚泥を基質とした嫌気性消化汚泥である場合は、馴致期間が短くてもメタネーション反応は十分に行われることを確認できた。先行研究を調査しても、律速は微生物反応ではなく水素の溶解にあることを確認できた。ただし、複数の研究報告で高温（55℃程度）の方がメタネーション効率が高くなることが報告されており、本研究は中温（37℃）で行ったことから、今後検討する必要があると考えている。このように、研究の重点を効率的な水素の溶解として検討を進めてきた。今年度は水素溶解をモデル化し、溶解速度を考慮するシミュレーションを行った。十分な結論には至らなかったが、バイオメタネーションで重要なのは気相部分であり、その滞留時間と混合特性であるとの方向性を見出すことができた。これらのことから研究計画調書に記した２年目および３年目の内容を取り組むことができ、課題はおおむね順調に進展しているといえる。
Strategy for Future Research Activity	本研究を提案した2019年と較べて、バイオメタネーションに対する社会の期待は高まっている。特に国際情勢による天然ガスの供給不安が高まる中、温暖化ガス排出削減に加えて、エネルギー安全保障の面からも、できるだけ早い社会実装が求められている。さらに、再生可能エネルギーの余剰電力の問題が現実のものとなり、供給過多の場合は電力の買い上げを行わない事例も出てくるようになり、再エネのさらなる普及のためにも、余剰電力の有効利用技術の多角化が緊急の課題となっている。本研究はこれらのことを考慮して研究を進める。すなわち、報告書にも示している触媒メタネーションの二酸化炭素負荷100 L-CO2/L-容積/dでの運転を目標とする。そうすることでリアクタの小型化が可能となり、既存の嫌気性消化施設に追加設備として導入しやすくなると考えられる。このように今後の研究の方向性は、出口濃度を実用化レベルのメタン濃度としながら、容積負荷を高める（ガス滞留時間を短くする）ことである。これについては進捗状況で述べたように滞留時間と混合特性に留意しながら溶解能力の高い手法が最大限の性能を出せるように、シミュレーションも行いながら実験を進めていく。具体的には今年度（2021年度）効果を確認した発泡供給型の手法を主体にして、出口濃度を高められるリアクタ形状を考えた連続実験を行う。また、今までの種汚泥は中温嫌気性消化汚泥であったが、取り扱いの難しいい高温嫌気性消化汚泥もその能力を検討したいと考えている。それらの実験結果を踏まえ、今後のさらなるリアクタ小型化に向けた技術的なコンセプトをモデル化を通して提示したい。
Causes of Carryover	残額があることを失念していたため。次年度に消耗品として使用する。