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大学・研究所にある論文を検索できる 「Methanothermobacter thermautotrophicusの電極付着特性解明によるメタン菌カソード微生物燃料電池の高効率化」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
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Methanothermobacter thermautotrophicusの電極付着特性解明によるメタン菌カソード微生物燃料電池の高効率化

梅津 将喜 東北大学

2020.03.25

概要

畜産排水（家畜排泄物，畜舎洗浄水，パーラー排水等）には窒素やリンが多く含まれるため、周辺河川や地下水への流出は水質汚濁の原因となる。そのため、一定規模以上の畜産事業所から排出される汚水については、水質汚濁防止法により、所定の水質を満たすように処理を行うことが義務付けられている1)。日本国内における家畜排泄物の年間排出量は約8千万トンと推計され、産業廃棄物全体(約3億8千万トン)の5分の１以上を占めている2)ことから、畜産廃水の効率的な処理が非常に重要とされている。しかし、現在最も一般的な廃水処理では、好気性微生物を利用するために曝気のプロセスだけで、廃水1m3当り0.5kWhの電力が必要であり3)、国内総電力の0.5%が活性汚泥法に使用されている4)。

そこで近年、新しい発電方法として注目を集めているのが、微生物燃料電池（Microbialfuelcell：MFC）である。MFCは微生物の代謝を触媒として、有機物を直接電気に変換する技術であり、曝気の必要が無いこと、様々な有機物を基質として利用できること、発生する汚泥の量が少ないことから、排水処理への応用が期待されている（表1-1-1）。MFCでは、アノードの嫌気性微生物が有機物を酸化し、電子とプロトンを生産する（式１）。その後電子がアノード電極へ移動し、アノード電極から外部回路を通って、カソード電極へ伝達されることで発電が行われる。カソードでは、電子を消費するために還元反応を行う必要があるが、一般的に非生物的カソードとして以下の２つの電子受容体が利用されている（図1-1-1）。(1)フェリシアン化カリウム(K3[Fe(CN)6])はカソード基質内に添加することで、電子受容体として機能するメディエーターである（式２）。これは、単純な炭素電極の場合でも高効率のカソードとして利用でき、酸素によって再酸化されることから、実験的なMFCにおいて良く利用される13),14)。一方で、実用化レベルの処理㏿度では再酸化が間に合わず、定期的なフェリシアン化物を補充しなくてはならないこと15)や、自然環境中や連続運転ではメディエーターの使用ができないことから、実用的なカソード反応とは言えない。(2)酸素は酸化還元電位の高さと、コストの低さ、毒性の無さから最も好ましい電子受容体と考えられている16)が、カソード電極表面での酸素還元率は非常に遅い17)ため、白金触媒がカソードに利用される。白金は非常に優れた触媒能力を持つ一方でコストが高く、将来的な資源リスクの可能性が示唆されている。また、廃水のような雑多な環境で白金を使用した場合、触媒活性の低下が起きることから長時間の使用は難しいと考えられている19)。さらに、カソード反応に酸素を利用するMFCでは、カソードで消費し切れなかった酸素がアノード側に流入することで、アノード電極へ伝達されるはずだった電子の消費16),17)や、好気性微生物の増殖による電池寿命の低下18)が問題となっている。したがって、MFCの実用化のためには、低コスト，超寿命を達成する新しいカソード触媒の開発が求められている。

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参考文献

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2) A.E. Rotaru, P.M. Shrestha, F. Liu, M. Shrestha, D. Shrestha, M. Embree, K. Zengler, C. Wardman, K.P. Nevin, D.R. Lovley. A new model for electron flow during anaerobic digestion: direct interspecies electron transfer to Methanosaeta for the reduction of carbon dioxide to methane. Energy Environ. Sci. 2014: Vol.7, 408–415

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