炭化繊維布の投入による直接電子伝達の促進と緩速撹拌によるメタン発酵の効率化

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04375
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 上野 豊 信州大学, 学術研究院農学系, 准教授 (00542911) ; 清野 竜太郎 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (90214915)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: メタン発酵 / 緩速撹拌 / 可溶性でんぷん / 導電性炭化繊維布 / セルロース / プロピオン酸 / 回分式バイアル試験 / 菌叢解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究では廃棄物系バイオマスのメタン発酵の効率化のため、槽内を緩速撹拌（10 rpm）することで菌体など固形物を反応槽底部に沈降させ、菌体の高濃度化と固形物同士の長時間接触により、発酵の効率化を図る。さらに槽内へ導電性の多孔質炭化繊維布を投入することで、細菌間の直接電子伝達を促進し、より円滑な発酵を目指す。
令和4年度は導電性炭化繊維布（直径6 mmの円型に加工）の添加効果の確認と最適添加量を求めるため、回分実験をおこなった。添加量は液相部の重量パーセントで0 %、0.1 %、1 %とし、基質にはプロピオン酸ナトリウム、可溶性でんぷん、ろ紙粉末を用いた。
実験の結果、メタン生成ポテンシャルに関してはいずれの基質とも炭化繊維布添加による効果は見られなかったが、一次反応速度定数に関してはプロピオン酸ナトリウムでは0.1 ％添加で14 %、1 ％添加で10 %、可溶性でんぷんでは0.1 ％添加で7 %、1 ％添加で11 %、、ろ紙粉末では0.1 ％添加で28 %、1 ％添加で15 %と添加による速度定数の増大が確認された。なお菌叢は基質の種類や炭化繊維布添加により、変化した。
また緩速撹拌条件（撹拌子回転速度:10 rpm）での処理が、溶解性有機物排水処理でも問題ないかを調べるため、可溶性でんぷんを基質に用い、撹拌子回転速度10 rpmおよび完全混合状態になる100 rpmで連続実験をおこなった。運転pHはでんぷんのメタン発酵の至適pHである6.6とした。
実験の結果、回転速度10 rpmでのメタン転換率は77 ％、回転速度100 rpmでの転換率は72 ％となり、溶解性有機物排水の処理でも緩速撹拌で完全混合状態と同等な処理性能が得られた。菌叢に関しては、pH 7.1でのメタン発酵では両回転速度ともBacteroidotaが寡占していた（pH 6.6に関しては5年度に解析する）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和4年度の実験では、まず導電性炭化繊維布の添加効果の確認と最適添加量を求めるため、回分実験をおこなったところ、プロピオン酸ナトリウム、可溶性でんぷん、ろ紙粉末のいずれの基質でもメタン生成ポテンシャルに関する炭化繊維布添加による効果は見られなかったが、一次反応速度定数に関してはいずれの基質でも増大が確認できた。特にろ紙粉末では0.1 ％添加で28 %、1 ％添加で15 %と大きく増大した。以上のように、令和5年度の実験で使用する基質の選定と炭化繊維布添加量の決定に関する重要な情報が得られた。
また緩速撹拌条件（撹拌子回転速度:10 rpm）での処理が、溶解性有機物排水処理でも処理効率の低下など問題がないかを調べるため、可溶性でんぷんを基質に用い、撹拌子回転速度10 rpmおよび100 rpmで連続実験をおこなったところ、いずれの回転速度でもメタン転換率は同等で、良好なメタン発酵がおこることが確認できた。このことから、緩速撹拌は溶解性有機物排水の処理でも問題がないことが確認できた。
菌叢解析に関しては研究分担者である上野准教授から解析結果を提供されており（でんぷん基質のpH 6.6でのメタン発酵槽の解析用試料は準備済み）、炭化繊維布の電子顕微鏡による観察写真は、研究分担者の清野准教授から提供されている。

Strategy for Future Research Activity

導電性炭化繊維布の添加効果の確認と最適添加量を求めるために実施した回分実験から、プロピオン酸ナトリウム、可溶性でんぷん、ろ紙粉末のいずれの基質でも一次反応速度定数の増大が認められたため、令和5年度は、緩速撹拌によるメタン生成量の増大がこれまでに確認されているろ紙粉末を基質として使用する。そして、撹拌子回転速度10 rpmでの緩速撹拌条件下の反応槽に導電性炭化繊維布を添加し、メタン発酵に及ぼす影響を連続実験で調べる。なお炭化繊維布の添加量はろ紙粉末基質での回分実験の結果から0.1 ％とする。ただし、槽内撹拌に関しては炭化繊維布の添加により撹拌がうまくいかなくなる可能性もあるが、そのような場合は無撹拌や間欠撹拌運転で対応する。
測定項目は炭化繊維布を発酵槽内に投入するため有機物の指標としてTOCの代わりにCODCrを利用する。また固形物の指標には、VSSの代わりにSSを用いる。このほかメタン生成量等も測定する。菌叢解析は研究分担者である上野准教授に、微生物および微生物が付着した炭化繊維布の電子顕微鏡による観察・写真撮影は、研究分担者の清野准教授に引き続き、依頼する。

Causes of Carryover

当初計画で見込んだよりも、若干安価に購入できた物品があったため次年度使用額が生じた。次年度の物品購入に使用する。