成果報告書詳細
管理番号20120000000992
タイトル平成19~23年度成果報告書 「微生物機能を活用した環境調和型製造基盤技術開発/微生物群のデザイン化による高効率型環境バイオ処理技術開発/デザイン化微生物群を用いた高効率固定床メタン発酵の研究開発」
公開日2012/12/19
報告書年度2007-2011
委託先名財団法人電力中央研究所
プロジェクト番号P07024
部署名バイオテクノロジー・医療技術部
和文要約件名:平成19年度~平成23年度成果報告書 微生物群のデザイン化による高効率型環境バイオ処理技術開発 「デザイン化微生物群を用いた高効率固定床メタン発酵の研究開発」
有機系廃棄物の嫌気処理方法の一つであるメタン発酵において、発酵プロセスの効率化を図り、発酵槽容積のコンパクト化を目指して研究開発を進め、下記の5項目に関して成果を得た。
1ザイン化の素材となる有用微生物群の取得と特性・機能評価
模擬固形廃棄物を用いて固形廃棄物の分解に適した有用微生物群の取得とその維持に成功し、デザイン化担体の素材としての有用微生物群を取得した。
2取得した有用微生物群を用いたデザイン化微生物群担体の作製
 担体の特性が固定床メタン発酵に及ぼす影響を検討した結果、担体の種類によっては、担体上の高い微生物量と特定のメタン菌の増大が観察され、高負荷時のメタン発酵のメタン生成維持に効果をもたらすことを明らかにした。本研究開発では、高負荷時の安定性に寄与するという観点から、繊維状の担体が適当であるという結果を得た。
3デザイン化微生物群担体の電気制御・安定化技術の開発
 メタン発酵に対して通電の効果を検討するために、発酵槽に電極を設置して設定電位の制御を行った結果、高負荷条件においても安定したメタン生成、低級脂肪酸の蓄積が少ない等、発酵槽の能力として優れた性能を発揮できることを示した。発酵槽に設置した電極に対して適切な電位制御を行うことで、メタン発酵の処理能力向上に効果があることを明らかにし、高負荷条件での安定化技術の可能性を見いだした。
4デザイン化微生物群担体のためのバイオエンジニアリング技術の開発
 デザイン化微生物群担体として、高負荷時の安定性と担体の電気化学的性質という観点を考慮して、炭素繊維に炭素板を組み合わせた担体を考案した。また、デザイン化微生物群担体を通電によって電位制御しながらメタン発酵を行う通電型固定床メタン発酵槽の形状を検討し、その性能を定量的に評価した。その結果、発酵槽に電極を設置して電位制御した通電型メタン発酵槽よりも、さらに高い有機物負荷量において安定した処理が可能であることを見いだし、一定の廃棄物を処理するための発酵槽をよりコンパクトにすることが可能となった。目標とした負荷量(25.5gCODcr/L/日)以上での安定したメタン発酵を実現し、メタン発酵の発酵槽の50%コンパクト化に関して当初の目標を達成した。
5デザイン化微生物群担体を用いた固定床メタン発酵による技術立証
 実廃棄物として濃縮下水汚泥を用いて通電型固定床メタン発酵槽の性能を評価した。その結果、実廃棄物においても、実機に比べて通電型固定床メタン発酵槽において4倍以上の高い有機物負荷量で処理が可能であることを示し、メタン発酵槽を設置面積で50%以下にコンパクト化できることを示した。
英文要約itle : Development of High-efficiency Environmental Biotreatment Technology Using Artificially Designed Microbial Communities. Development of a methanogenic packed-bed reactor using designed supporting material with microbial consortium (FY2007-FY2011) Final Report
1 Acquirement and investigations of useful microbial consortium
Methanogenic reactor was continuously operated using an artificial garbage slurry (AGS) in order to acquire the useful microbial consortium capable of degrading organic solid waste. The reactor was able to produce methane stably from the AGS. The useful microbial consortium was acquired and its consortium was maintained in the reactor.
2 Designed supporting material with acquired microbial consortium
The effect of supporting materials on methanogenic reactor was investigated. The results of gas-generation rate showed that the reactor installed nonwoven fabrics such as carbon fiber nonwoven as a supporting material enabled high methanogenic activity. From microbial community analyses, it seems that microbial community structure and dense in those supporting materials might influence performance of the methanogenic reactors.
3 Effects of bioelectrochemical regulation on methanogenic reactor
The effects of bioelectrochemical regulation for the performance of methanogenic reactor were investigated on the bioelectrochemical condition at 0.0 V to -0.8 V (vs. Ag/AgCl). Higher stability for increasing of organic loading rate (OLR) was seen in the reactors with a potential of -0.6 V or -0.8 V, than in those with other potentials, in spite of similar copy number and similar microbial consortium of the prokaryotic and methanogenic in all bioelectrochemical conditions. Bioelectrochemical regulation at a potential of -0.6 V or -0.8 V was effective in stabilizing the methanogenic reactors with high OLR.
4 Development of bioelectrochemical packed-bed methanogenic reactor (BPR)
We developed BPR installed carbon fiber nonwoven contacted with carbon sheet as a supporting material. The performance of BPR was investigated with AGS, maintaining the supporting material on the bioelectrochemical condition at -0.8V. The stable methane fermentation was observed at a high OLR of 89.3 gCODcr/L/day. This OLR value was higher than the desired value of OLR (25.5 gCODcr/L/day).
5 Performance of BPR degrading thickened sewage sludge (TSS)
TSS from a sewerage center was selected for investigating the treatment efficiency of the BPR with an actual waste. The BPR was employed for degrading TSS at -0.8 V, and the reactor performance were investigated and compared with those of packed-bed reactor and stirred tank reactor. The stable methane fermentation was observed in BPR at high OLR condition. As compared with the performance of methane fermentation system operated in the sewerage center, stable performance was observed in our BPR at the high OLR.
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