炭化繊維布の投入による直接電子伝達の促進と緩速撹拌によるメタン発酵の効率化

添加碳化纤维布促进电子直接传递，缓慢搅拌提高沼气发酵效率

• 批准号: 22K04375
• 负责人: 松本 明人
• 金额: $ 2.33万
• 依托单位: Shinshu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04375/
• 关键词: メタン発酵; 緩速撹拌; 可溶性でんぷん; 導電性炭化繊維布; セルロース; プロピオン酸; 回分式バイアル試験; 菌叢解析; 炭化繊維布; 異種間直接電子伝達; 廃棄物系バイオマス

本研究では廃棄物系バイオマスのメタン発酵の効率化のため、槽内を緩速撹拌（10 rpm）することで菌体など固形物を反応槽底部に沈降させ、菌体の高濃度化と固形物同士の長時間接触により、発酵の効率化を図る。さらに槽内へ導電性の多孔質炭化繊維布を投入することで、細菌間の直接電子伝達を促進し、より円滑な発酵を目指す。令和4年度は導電性炭化繊維布（直径6 mmの円型に加工）の添加効果の確認と最適添加量を求めるため、回分実験をおこなった。添加量は液相部の重量パーセントで0 %、0.1 %、1 %とし、基質にはプロピオン酸ナトリウム、可溶性でんぷん、ろ紙粉末を用いた。実験の結果、メタン生成ポテンシャルに関してはいずれの基質とも炭化繊維布添加による効果は見られなかったが、一次反応速度定数に関してはプロピオン酸ナトリウムでは0.1 ％添加で14 %、1 ％添加で10 %、可溶性でんぷんでは0.1 ％添加で7 %、1 ％添加で11 %、、ろ紙粉末では0.1 ％添加で28 %、1 ％添加で15 %と添加による速度定数の増大が確認された。なお菌叢は基質の種類や炭化繊維布添加により、変化した。また緩速撹拌条件（撹拌子回転速度:10 rpm）での処理が、溶解性有機物排水処理でも問題ないかを調べるため、可溶性でんぷんを基質に用い、撹拌子回転速度10 rpmおよび完全混合状態になる100 rpmで連続実験をおこなった。運転pHはでんぷんのメタン発酵の至適pHである6.6とした。実験の結果、回転速度10 rpmでのメタン転換率は77 ％、回転速度100 rpmでの転換率は72 ％となり、溶解性有機物排水の処理でも緩速撹拌で完全混合状態と同等な処理性能が得られた。菌叢に関しては、pH 7.1でのメタン発酵では両回転速度ともBacteroidotaが寡占していた（pH 6.6に関しては5年度に解析する）。

在本研究中，为了提高废弃生物质甲烷发酵的效率，缓慢搅拌（10转/分）罐内，使细菌细胞等固体物质沉降到反应罐底部，从​​而提高发酵效率。细菌细胞和固体物质的浓缩提高了发酵效率。此外，通过在罐内插入导电多孔碳化纤维布，促进细菌之间的电子直接传递，使发酵更顺利。 2020财年，我们进行了批量实验，以确认添加导电碳化纤维布（加工成直径6毫米的圆形）的效果，并确定最佳添加量。添加量为液相重量的0％、0.1％、1％，以丙酸钠、可溶性淀粉、滤纸粉为底物。实验结果表明，碳化纤维布的添加对任何基质的产甲烷潜力均没有影响，但丙酸钠的一级反应速率常数在0.1%添加时为14%，在1%添加时为10% ,可溶性淀粉:添加0.1%时7%,添加1%时11%,滤纸粉:添加0.1%时28%,1已证实添加时速率常数增加了15%。细菌菌群根据基材类型和碳化纤维布的添加而变化。另外，为了考察慢速搅拌条件（搅拌器转速：10 ​​rpm）下的处理是否会对可溶性有机废水处理造成问题，以可溶性淀粉为底物，搅拌器转速为10 rpm，完全混合以 100 rpm 进行连续实验。操作pH值设置为6.6，这是淀粉甲烷发酵的最佳pH值。实验结果，转速10rpm时甲烷转化率为77%，转速100rpm时转化率为72%，这表明即使在处理可溶性有机废水时，缓慢搅拌具有与完全混合状态相同的处理性能。关于细菌菌群，在 pH 7.1 的甲烷发酵中，拟杆菌在两种转速下均呈寡头垄断（pH 6.6 的分析将在第 5 财年进行）。