| 研究課題/領域番号 |
19K04664
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
松本 明人 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30252068)
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| 研究分担者 |
上野 豊 信州大学, 学術研究院農学系, 准教授 (00542911)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | メタン発酵 / セルロース / 緩速撹拌 / pH / 固形物滞留時間 / Bacteroidetes / Firmicutes |
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| 研究実績の概要 |
セルロース系バイオマスを高効率にメタンへ変換するため、反芻動物の反芻胃をヒントに、槽内を緩速撹拌（撹拌子回転数:10 rpm）することによりセルロース（ろ紙粉末）とセルロース分解菌を反応槽底部に沈降させ、両者を長時間接触させる状態で、pHなどの最適運転条件や担体投入の効果を調べるために実験をおこなう。
令和元年度はpH（pHは7.0から6.3まで）および固形物滞留時間（以下、SRTと略記 8日から55日まで）がセルロース分解およびメタン生成に及ぼす影響を調べた。いずれも発酵温度は35 ℃である。水質とガス分析は松本が担当し、菌叢解析は上野が担当した。
実験の結果、pHの影響に関してはメタン生成速度とセルロースが蓄積する底部のセルロース分解率が、pH 7.0でそれぞれ260 mL/L/d、67%であったのに対し、pHが6.4から6.5ではメタン生成速度が290 mL/L/d、セルロース分解率は84%と改善が見られた。一方、SRTの影響をpH 7.0に保った反応槽で調べたところ、SRTと底部セルロース分解率に相関が見られ、SRTが12日で90%と最も高く、それ以上になるとセルロース分解率は低下し、SRT 51日で33%まで低下した。しかしメタン生成速度とSRTの関係は求められなかった。なおSRT 8日ではセルロース分解率は73%、メタン生成速度は280 mL/L/dであった。
菌叢解析はpH 7.0、SRT 8日で運転したpH変動実験およびSRT変動実験の各反応槽でおこなった。その結果、底層の細菌数はpH変動実験槽で、SRT変動実験槽より1.8倍多く、底層の古細菌数はSRT変動実験槽がpH変動実験槽の3.7倍多かった。さらにpH変動実験槽底層では細菌のうちBacteroidetesが52%、SRT変動実験槽底層では水素生成能をもつFirmicutesが42％を占めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和元年度はpHの影響としてpHを7.0、6.5、6.0での実験を計画していた。しかし反応装置の撹拌系のトラブルでpH 6.0の実験データは現在、得られていない。ただしpH 7.0に比べ、pHが6.4から6.5ではメタン生成速度およびセルロース分解率が良好という結果が得られ、またデータは少ないが、pH低下途中のpH 6.3で、メタン生成速度およびセルロース分解率が低下するというデータも得られており、今回得られたpH 6.4から6.5が至適pHである可能性は高い。また菌叢解析に関してはpH 7.0の解析結果が得られ、しかもSRT変動実験槽とpH変動実験槽で菌叢が異なるという興味深い結果も得られた。この理由は現在検討中であるが、SRT変動実験槽は前年度にあたる平成30年度に、一時的に発酵温度を39 ℃へ上げたこと、pH変動実験槽では平成30年度にも一度、pHを6.6まで低下させたことが考えられる。なおpH 6.5での菌叢は現在、解析中である。
一方、当初の研究計画になかったSRTの影響に関して検討をおこなっており、現在、SRTが8日とSRTが12日から55日のデータが得られている。その結果、SRTはセルロース分解率に影響を及ぼしており、暫定的であるが、SRTが12日でもっとも良好という結果が得られている。
以上を鑑み、令和元年度実験は、おおむね順調と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
pHの影響に関しては、令和元年度、実験できなかったpH 6.0の定常データを取得する。一方、SRTの影響に関しては、SRTの安定した制御が難しいところであるが、現行の中層からの汚泥の引き抜きに加え、底層からも引き抜きを実施し、これまでのところ、セルロース分解がもっとも良好であったSRTが12日を中心に10日から14日と、その倍のSRTである20日から28日のデータを得ることを試み、SRTがセルロース分解とメタン生成に及ぼす影響について、より正確な評価をおこなう。
なお当初の実験計画では令和２年度に検討予定であった担体投入に関しては、研究の前提であった低pH下でのセルロース分解の促進と揮発性脂肪酸の蓄積、そして低pH下でのメタン生成の阻害が、これまでの実験（pHは7.0から6.3まで）ではおこっておらず、今後、pH低下に伴うセルロース分解能の向上とメタン生成の阻害が起きたときに、担体を投入し、仮説として考えた投入担体表面に形成された生物膜内でのpH勾配による低pH下での良好なメタン生成の検証をおこなう。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症対策のため、参加を予定していた学会が急きょ中止になり、出張費の一部が残った。令和２年度予算と合わせ、学会参加の費用として使用する予定である。
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