成果報告書詳細
管理番号20110000001598
タイトル平成18年度~平成19年度成果報告書 水素安全利用等基盤技術開発 水素に関する共通基盤技術開発 国際共同研究ー微生物を用いた有機性廃水からの実用的・高効率水素生産方法の研究開発
公開日2011/11/9
報告書年度2006 - 2007
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P03015
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約1.事業の概要・開発目標
 食品工場廃液をモデル廃水として用い、好熱性嫌気性細菌と光合成細菌の組合わせによって、高効率の水素発生を実現する。飼料などとしても価値ある菌体や廃水の生成により、最終的な廃水の処理コストを低減する。4モル/グルコース以上の水素発生を目標とする。
2.事業の成果
2~1 光合成細菌の水素発生の最適化(産総研):2種類の光合成細菌株、Rhodobacter sphaeroides RV 株及びその変異株MTP4を200 mlリアクターの受光面内側に各2 mmで二層に寒天固定化した結果、太陽光により、147時間で176.7リットル/m2の水素発生を得た。
2~2 嫌気性細菌との組み合わせ(産総研、一部日大に外注)
(1)光合成細菌の検索:60試料を用いて酢酸から水素発生が可能な光合成細菌を検索すると共に、Rh. sphaeroidesのRV株、S株、IL106株、Rh. palustris株など保存株について、酢酸からの水素生産能力を評価した結果、Rh. sphaeroides RV株が最も優れていた。
(2)嫌気性細菌の発酵液を用いた光合成細菌の水素発生:澱粉基質1 g/lの最大嫌気発酵水素生産は3.5モル/グルコースであった。Rh. sphaeroides RV株の光合成水素発生条件を検討した結果、グルタミン酸窒素源の酢酸基質(gA培地)、初期pH6.5~7.0で水素発生を確認したが、NaClと還元剤Na2Sは水素発生を著しく阻害した。これらの検討結果をもとに、モデル嫌気発酵液を構築してRh. Sphaeroides RV株により1.7モル/酢酸の水素生産が得られたが、対グルコース換算では、0.6モル/グルコースとなった。
(3)大型リアクター運転(三重大と共同):10リットル規模の90℃リアクターにより、窒素を通気し、菌体の増殖を確認後、通気を停止した結果、P. furiosusは自発的に嫌気条件を維持して澱粉5g/lのモデル廃液から58 ml/hのガス発生を確認した。
2~3 嫌気性細菌による水素発生の最適化(ワ~ゲニンゲン大学):澱粉含有モデル廃水を構築し、光合成水素生産を考慮した嫌気発酵の最適条件を検討した。P. furiosusの水素生産にMg2+、NH4Cl は不要で、NaClは0.5%、Na2Sなどの還元剤を要し、最大水素生産は2.6モル/グルコースであった。
2~4 食品工場廃液を用いての実験、水素発生能力の評価(ワ~ゲニンゲン大学):種々のデンプンから水素生産が可能であった。ジャガイモ加工廃液への培地成分の添加の有無による水素生産を検討し、Pyrococcus培地の成分が必要であることを明らかにした。
2~5 大規模屋外培養実験(三重大学):太陽光集光装置と光ファイバーから構成される8リットル規模の内射式リアクターを用いて、自然光による光合成細菌Rh.sphaeroides RV株の培養を行った結果、モデル澱粉廃液(30mM酢酸、5g/lの塩化ナトリウムを含む)からで20 ml/hのガス発生を得た。
2~6 副生成物の評価(三重大学):光合成細菌菌体の栄養学的特性(牛)を人工ルーメン連続培養法とバッチ法で評価した結果、第一胃内の繊維分解率を著しく改善し、またチモシー乾草や濃厚飼料の消化率が改善されたことから、菌体残渣の飼料添加材としての利用の可能性を示した。
3.成果のまとめ:澱粉含有廃液を原料に高温嫌気発酵により水素生産を行い、発酵液を使って光合成水素生産する効率的水素生産条件を検討した結果、嫌気性水素生産3.5モル/グルコース及び光合成水素生産0.6モル/グルコースが得られ、計4.1モル/グルコースを達成した。また飼料価値のある副生成物も得られ、全体として無駄の無い廃液利用を実現する可能性を実証した。
英文要約1. Outline of the project/ Objective of the development
Effective bio-hydrogen production from food factory model waste is accomplished by combination of thermophilic anaerobic bacteria and photosynthetic bacteria. In order to reduce total cost of wastewater treatment, reaction efficiency is improved by reduction of machinery or operating cost making valuable cell pellet and wastewater. A goal of hydrogen yield is 4 mol of hydrogen from 1 mol of glucose as comprehensive hydrogen production.
2. Achievement of the project
2-1. Optimization of hydrogen production by photosynthetic bacteria (AIST)
Two types of photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides RV and a reduced-pigment mutant of R. sphaeroides RV, named MTP4 were immobilized with the double-layered agar inside of 200 ml Roux flask. The total volume of hydrogen produced in the combination of MTP4 and RV was 176.7 l m-2 in 147 h.
2-2. Combination of anaerobic bacteria (AIST)
(1) Screening of photosynthetic bacteria (partly by Nihon Univ.)
Photosynthetic bacterium having hydrogen production ability from acetate as sole substrate were isolated from 60 samples in natural environment, as well as hydrogen productivity of Rh. sphaeroides RV , S, IL106 and palustris were investigated from acetate. Rh. sphaeroides RV revealed its maximum ability.
(2) Photosynthetic hydrogen production from spent culture of anaerobic fermentation
Maximum anaerobic hydrogen production yield was 3.5 mol per 1 mol of glucose when 1 g/l of potato starch was used as a substrate. Photo synthetic hydrogen production by Rh. sphaeroides RV was investigated. Though hydrogen evolved from basal medium containing 10 mM glutamate and 100 mM acetate, NaCl and Na2S (reducing agent) showed inhibitory effect on hydrogen production. Model fermented culture that was constructed from these results. Hydrogen production was achieved 1.7 mol per 1 mol acetate (0.6 mol per 1 mol glucose).
(3) Large scale operation (collaboration with Mie Univ.)
P. furiosus evolved hydrogen gas spontaneously 58 ml/h from 5 g/l of starch after overnight nitrogen gas purge for 18 h by using a large scale 10 litter reactor at high temperature (90℃).
2-3. Optimization of hydrogen production by anaerobic bacteria (Wageningen univ.)
Model wastewater was constructed containing starch. Hydrogen production by Pyrococcus furiosus was investigated considering with photosynthetic hydrogen fermentation. Mg2+ and NH4Cl were not necessary for hydrogen production, while reducing agent such as Na2S and 0.5 g NaCl were required. Maximum yield of anaerobic hydrogen production was 2.6 mol per 1 mol glucose.
2-4. Evaluation of hydrogen producing ability using practical wastewater from food factory (Wageningen univ.)
From different type of starch, hydrogen production was observed regardless of origin of starch. In addition, hydrogen was produced from actual potato wastewater, although Pyrococcus medium ingredients were required.
2-5. Large scale photosynthetic hydrogen production in outdoors
Photosynthetic hydrogen production was performed by natural sunlight using inner irradiation system connecting to optical fiber from condenser ray of light. As a result, Rh. sphaeroides RV evolved 20 ml/h hydrogen from model fermented culture medium containing 30 mM acetate and 5 g/l NaCl.
2-6. Evaluation of byproduct
Nutrient property of cell pellet
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