微生物燃料電池システムの高効率化に関する研究

• Project/Area Number: 07J06446
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied microbiology
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 石井 俊一 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 生物機能工学研究部門, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2007 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2009: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2008: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2007: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 微生物燃料電池 / 電極還元反応 / 限界電流密度 / 電気産生微生物 / 廃水処理 / 電気産生微生物群集

Research Abstract

微生物燃料電池プロセスの高効率化に関する研究として、空気正極微生物燃料電池を用いて、下水処理場の実排水サンプルを用いた電気産生試験を行った。一年以上の長期運転の結果、約1～2週間の回分サイクルで、廃水中の有機物がほぼ完全に分解される事が分かった。処理水の水質評価を行ったところ、BODは2-6ppmまで分解され(分解率98%)、電子回収率は25%ほどであった。
集積された電気産生微生物群衆の電気産生活性を解析したところ、負極の開回路電位は-250mV vs SHE、限界電流密度は、約800mA/m^2、電力密度は13mW/m^2となった。電気産生微生物の群集構造を16S rRNAによるクローン解析で解析した所、デルタプロテオバクテリアとバクテロイデテスが優占化していく事が分かった。これより、嫌気呼吸により生育するデルタプロテオバクテリアは、電極還元反応において重要な役割を果たしている事が示唆された。また、バクテロイデテスは、下水が有するさまざまな有機化合物を分解していると考えられる。これらの微生物は、電極還元反応に依存した生活を送っていると考えられる。
廃水処理効率を向上するために、電気産生と処理時間の関連性を解析した。750Ωの外部抵抗による電流産生は約0.3mAであるが、回路をつなげない場合は、電流産生が起こらない。無電流条件での処理時間は、20日程度であり、電流産生により処理時間の短縮が見られた。また、ポテンシオスタットを用いて電極電位設定培養(+100mV vs SHE)を行うと、電流産生量が約4mAまで上昇した。その結果、処理時間は4日まで短縮され、電子回収率は60%まで上昇した。
微生物燃料電池の内部抵抗は、装置の改良により、小さくする事が可能である事が知られている。よって、より高速な電極還元菌の集積を行い、装置の内部抵抗を小さくする事で、処理時間の短縮が可能になると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Microbial fuel cells and microbial ecology : applications in ruminant health and production research (2010)
  • Author(s): O.Bretschger, J.B.Osterstock, W.E.Pinchak, S.Ishii, K.H.Nelson
  • Journal Title: Microb.Ecol. 59 Pages: 415-427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 微生物燃料電池における微生物による電子輸送 (2008)
  • Author(s): 石井俊一, 関口勇地
  • Journal Title: 日本微生物生態学会誌 23 Pages: 58-70
  • NAID: 110006873832
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bacterial electrode reducing activities of Geobacter sulfurreducens compared to an enriched consortium in an air-cathode microbial fuel cell (2008)
  • Author(s): S Ishii, K Watanabe, S Yabuki, BE Logan, Y Sekiguchi
  • Journal Title: Appl. Environ. Microbiol 74 Pages: 7348-7355
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Comparison of electrode reducing properties of Geobacter sulfurreducens and an enriched consortium in an air-cathode microbial fuel cell. (2009)
  • Author(s): S.Ishii, Y.Sekiguchi, B.E.Logan, K.H.Nealson, Y.A.Gorby
  • Organizer: 2nd MFC symposium
  • Place of Presentation: GIST, Korea
• [Presentation] Characterization of electrode-reducing rate of Geobacter sulfurreducens in an air-cathode microbial fuel cell (2008)
  • Author(s): S Ishii, K Watanabe, BE Logan, Y Sekiguchi
  • Organizer: 1st MFC symposium
  • Place of Presentation: Penn State University, USA
• [Presentation] Methanogenesis versus electrogenesis: morphological and phylogenetic comparisons of microbial communities (2007)
  • Author(s): 石井俊一
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第23回大会
  • Place of Presentation: 愛媛大学(松山)
  • Year and Date: 2007-09-16
• [Presentation] Characterization of a filamentous biofilm community established in a cellulose-fed microbial fuel cell (2007)
  • Author(s): Shun'ichi Ishii
  • Organizer: Cordon Research Conference of Applied Environmenral Microbiology 2007
  • Place of Presentation: South Hadley,USA