CO2直接供給型バイオカソード微生物燃料電池による高速メタン変換・循環システム

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04936
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 多田 千佳 東北大学, 農学研究科, 准教授 (30413892)
• 研究分担者: 横山 幸司 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (00911158) ; 中安 祐太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20827042) ; 梅津 将喜 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (30891387) ; 渡邉 洋輔 山形大学, 有機材料システムフロンティアセンター, 助教 (30891527) ; 古川 英光 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50282827) ; 張 民芳 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60518330) ; 高橋 英志 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (90312652)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• キーワード: メタン菌 / カソード電極 / セミウェット / 3Dプリント

研究実績の概要

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell: MFC)は、微生物の代謝反応を利用して有機物から直接電気エネルギーへと変換する装置である。近年、我々は白金触媒の代わりにメタン菌を触媒に利用したセミウェット型メタン菌カソード電極を開発し、電気エネルギーと共にエネルギーガスのCH4 をCO2 から得るMFCを開発した。今後、電極性能を向上させるためには、構造をデザインして電極を造形する必要がある。そこで3Dでの電極設計と造形、セミウェットを維持可能な3Dゲルプリントを用いてメタン菌カソード電極を構築した。本研究では①メタン菌カソード電極を3Dゲルプリントで造形するためのバイオインクを開発し、できた造形物中でのメタン菌の活性やメタン変換について検討した。②3Dゲルプリントで造形したメタン菌カソード電極をMFCに適用し、電池性能を明らかにした。バイオインクは、ナラ白炭、偏性嫌気性メタン発酵種菌、アルギン酸ナトリウム、シリカ材を混合して作成した。3Dゲルプリンタを用いて設計した構造を好気条件下で印刷した。その後、完成造形物をバイアル瓶に入れて水素と二酸化炭素で置換し、培養した。培養過程でメタン生成量を測定し、造形物中のメタン菌量を分析し、微生物群集解析を行なった。このカソード電極をMFCに設置し、電流測定、ポテンショスタットで電力密度を計測した。植菌濃度が標準のゲルインク造形物からの5日目のメタンガス生成は0.001 mmol gwet-1であった。その時のmcrAのコピー数は標準ゲルインクで8.79×105 copies gwet-1であった。5日目のメタン菌群はMethanobacterium属が全メタン菌群中の相対存在量89%を占めた。上記方法で作成したメタン菌カソード電極をMFCに適用した結果、電流が流れ、板状の電極に比較して約２倍高い電流であった。また、最大電力密度は1.38 mW/m2となった。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 3D-Printed Methane-Producing Electrodes for Microbial Fuel Cells Developed Using Biogel Ink Containing Live Methanogens and White Charcoal, (2023)
  • 著者名/発表者名: Umetsu, M., Watanabe, Y., Ueno, M., Kobayashi, T., Furukawa, H. & Tada, C
  • 雑誌名: Macromolecular Materials and Engineering. 巻: 308, 12 ページ: -
  • DOI: 10.1002/mame.202300215
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Semi-wet methanogen cathode composed of oak white charcoal for developing sustainable microbial fuel cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakano, H., Nakayasu, Y., Umetsu, M. & Tada, C.
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 135(6) ページ: 480-486
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2023.03.009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Three-dimensional printing of electrodes for methanogen-cathode microbial fuel cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Masato UENO, Yosuke WATANABE, Masaki UMETSU, Tatsuya KOBAYASHI, Hidemitsu FURUKAWA, Chika TADA
  • 学会等名: FEMS2023
  • 国際学会
• [学会発表] Livestock Wastewater Treatment and Power Generation Using a Semi-Wet, Biocathode Electrode Microbial Fuel Cell (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Nakano, Masaki Umetsu, Yuta Nakayasu, Koji Yokoyama, Hideyuki Takahashi, Chika Tada1
  • 学会等名: FEMS2023
  • 国際学会
• [学会発表] Improving the Performance of Semi-Wet Biocathode Microbial Fuel Cells by Chemical Surface Treatment of the Anode Electrode (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroto NAKANO, Masaki UMETSU, Koji YOKOYAMA, Hideyuki TAKAHASHI, Chika TADA
  • 学会等名: Water and Environment Technology Conference
  • 国際学会