2015 Fiscal Year Research-status Report
生物学的エタノール生成を前処理に用いる食品廃棄物のメタン発酵
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26340105
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
古崎 康哲 大阪工業大学, 工学部, 准教授 (90454553)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | メタン発酵 / バイオエタノール / 食品廃棄物 / 炭水化物 / バイオマス利活用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は食品廃棄物のメタン発酵において、廃棄物中の炭水化物成分を糖化・エタノール化処理によりエタノールに変換させる前処理を行い、そこからエタノールを抽出せずにメタン発酵させるフローを提案し、バイオガス中メタン濃度の向上および発酵槽の小型化を目指すものである。当研究の内容は、エタノール化とメタン発酵に分けられるが、平成26年度の実験結果および文献調査から、メタン発酵部分に新規性が高いことから、本年はメタン発酵中心に行った。実験は連続実験と回分実験の両方を行ったが、特に連続実験で大きな成果を得ることができたので、以下にその概要を示す。
連続実験は約140日間、汚泥の馴致を入れると約240日間、前処理を行わない対照系とともに定常状態が得られるまで運転を行った。その結果、対照系のバイオガス中メタン濃度が50~55%であったのに対し、前処理系では65~70%となり、約15%メタン濃度が向上することがわかった。投入基質あたりのメタン生成量は対照系で0.42 L-CH4/g-投入VTS、前処理系で0.46 L-CH4/g-投入VTSとなり、前処理を行うことでメタン収率が高くなることがわかった。汚泥濃度は前処理系では経過と共に徐々に減少したため、途中から遠心分離を行い、固形分を全て返送する操作を行った。汚泥生成速度は対照系では0.21 g/L/日、前処理系では0.13 g/L/日となり、前処理を行うことで汚泥が増殖しにくくなることがわかった。物質収支からは、前処理系における糖化・エタノール化およびメタン発酵によるCO2生成量は対照系とほぼ同じであり、研究計画調書p.3記載の化学式に従って反応が起こっていることが示唆された。
以上のように、糖化・エタノール化を前処理に行うことで長期的に安定した運転を行いながら、メタン濃度の向上、汚泥生成量の低減などの効果が得られることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は生物学的エタノール化反応と、メタン発酵反応について検証することとしている。エタノール化反応部分は1日程度と比較的短時間に理論値に近いエタノール収率が得られており、メタン発酵槽の水理学的滞留時間である約30日から較べると十分に小さいことから、実用化に向けた十分な結果を得ることができたと考えられる。一方でメタン発酵部分は現象を検証している段階であり、連続実験は26年度の提案に含まれているが、既存の報告が存在せず新規性が高いことから慎重にデータを積み重ねた。前処理系では汚泥の生成量が少なくなることが見られたために、汚泥濃度が安定するまでに時間を要した。また、メタン発酵は汚泥の馴致に長期間を要するが、本研究でも実験開始までの馴致に約100日を要しており、様々な処理方式を試すことができなかった。回分実験は速度論解析等を行うために行ったが、汚泥活性の面で信頼のおける結果を得ることができなかった。また、前処理系では汚泥生成量が少なく、回分実験に十分な汚泥を確保することができなかった。
以上のように提案書p.3図4に示した計画からは少し遅れているが、信頼性が高く、かつ新規性の高い結果を得ることができた。また、当初予想していたガス生成量の変動や減少などはなく、実用化しやすい結果を得ることができた。さらに、汚泥の生成量が少なくなるなど、運転上のメリットに関係する新しい知見を得ることができ、メタン発酵に関与する微生物の菌叢が変化したことを示唆する結果を得ることができた。このことは既存のメタン発酵の代謝経路を変えた新しい処理方法として、技術ブレークスルーになる可能性を持っていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年間の成果で前処理の効果を示すことができたが、これを理論的に裏付けするためにメタン発酵に関与する微生物群の菌叢変化を調べる必要があると考えている。汚泥生成量が少なくなったことから、既存の構成細菌の一部が大きく減少していることが考えられるが、これは例えば基質の可溶化や酸生成に関与する細菌が減少していることが考えられる。また、前処理後の基質中にはエタノール化に関与した酵母類も含まれており、これらがどのように残存しているかを検討することで、汚泥減少、すなわち投入基質の分解性向上を説明できる可能性がある。このように糖化・エタノール化を前処理として行うフローについて、細菌叢の観点からもその反応の正当性を裏付けたいと考えている。現在は昨年度の汚泥についてDNA抽出を行っており、前処理系汚泥の変化を調べている。さらにクローニングを行い、主要な細菌を明らかにしたいと考えている。
また、本研究で示すメリットとして、装置の小型化（p.2図3）があるが、現時点では回分実験で可能性を示しているだけであり、連続実験でそれを示すことは実用化に向けて重要なことであると考えている。本研究のメタン発酵連続実験は、1日1回基質を投入する半連続運転である。本年は現場での投入方法を意識して、また一度に投入することによるVFAの急激な生成による阻害を考慮して、連続投入装置を作成するなどして、投入方法を1日複数回に分けて投入したいと思っている。
他に、基質の動力学的な解析も重要であると考えている。提案書に記載した内容を考慮しながら、本年度もメタン発酵特性の検討を中心に進めたいと考えている。
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