JP2022057634A - Methane fermentation promotion method - Google Patents

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Kengo Sasaki
大介 佐々木
Daisuke Sasaki
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Abstract

To provide a methane fermentation promotion method capable of exhibiting efficient and excellent processing capacity even under high load condition and also capable of easy scale-up.SOLUTION: A methane fermentation promotion method includes: (1) a bio-electrochemical chemical treatment process in which a carrier-holding electrode assembled with a carrier at least on a part of an electrode surface is brought into contact with a methane fermentation liquid involving an organic substrate and a microorganism group relating to methane fermentation for methane fermentation treatment of the organic substrate and (2) a fixed film fermentation process in which the fermentation liquid obtained by the bio-electrochemical chemical treatment process is brought into contact with a fixed film involving an electric conductive material. The bio-electrochemical chemical treatment process (1) is run under a controlled electric current of 3 μA/cm2 or under.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、メタン発酵促進方法に関する。特に、本発明は、生物電気化学処理工程及び固定膜発酵工程の2段階工程を備えるメタン発酵促進方法、微生物群が担持された固定膜の作製方法、メタン発酵促進装置、及び微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造装置に関する。 The present invention relates to a method for promoting methane fermentation. In particular, the present invention comprises a methane fermentation promoting method including a two-step step of a bioelectrochemical treatment step and a fixed film fermentation step, a method for producing a fixed film carrying a microbial group, a methane fermentation promoting device, and a microbial group. The present invention relates to an apparatus for producing a fixed film containing a conductive material.

木材、紙、食品残渣、農業残渣、下水汚泥、し尿汚泥、浄化槽汚泥、家畜糞尿等の動植物から生まれた有機性資源(有機性廃棄物又は有機性廃液)は、バイオマスとも言われる。このバイオマスは、化石燃料と異なり、太陽エネルギーを使って、水と二酸化炭素から生物が生成するものであるから、これらのような持続的に再生可能な資源(バイオマスエネルギー)は、持続可能な開発目標(Sustainable Development Goals : SDGs)の1つとして注目されている。 Organic resources (organic waste or organic waste liquid) produced from animals and plants such as wood, paper, food residue, agricultural residue, sewage sludge, human waste sludge, septic tank sludge, and livestock manure are also called biomass. Unlike fossil fuels, this biomass is produced by living organisms from water and carbon dioxide using solar energy, so sustainable renewable resources (biomass energy) such as these are sustainable developments. It is attracting attention as one of the goals (Sustainable Development Goals: SDGs).

これら有機性資源からバイオマスエネルギーを生成する方法としては、特に、有機性資源の分解を促進するメタン発酵が知られている。
メタン発酵は、嫌気条件における、環境微生物群による発酵を意味しており、メタン発酵によって生成した気体(バイオガス)からは、メタン(CH)、水素(H)等の可燃性ガスが得られる。そして、得られた可燃性ガスは、熱源、発電等のバイオマスエネルギーとして利用することができる。
したがって、より効率的なメタン発酵技術を確立し、メタンガスの生産量(回収率)を向上させることが、環境に優しい、クリーンな循環型社会を構築するために、急務となっている。
As a method for producing biomass energy from these organic resources, methane fermentation, which promotes the decomposition of organic resources, is particularly known.
Methane fermentation means fermentation by a group of environmental microorganisms under anaerobic conditions, and flammable gases such as methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) can be obtained from the gas (biogas) generated by methane fermentation. Be done. The obtained combustible gas can be used as biomass energy for heat sources, power generation, and the like.
Therefore, it is an urgent task to establish a more efficient methane fermentation technology and improve the production volume (recovery rate) of methane gas in order to build an environment-friendly and clean sound material-cycle society.

有機性資源をメタン発酵させる方法としては、例えば、メタン発酵菌等の環境微生物群を用いる生物電気化学システム(バイオ電気化学システム)が知られている(例えば、特許文献1)。 As a method for methane fermentation of organic resources, for example, a bioelectrochemical system (bioelectrochemical system) using a group of environmental microorganisms such as methane-fermenting bacteria is known (for example, Patent Document 1).

生物電気化学システムとして、特許文献1には、電極表面の少なくとも一部に疎水性の担体を備えた担体保持電極と有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させ、前記担体保持電極の電位を前記担体保持電極から電子が供給される電位、又は、銀若しくは塩化銀電極電位基準で+0.3Vに制御しながらメタン発酵処理を行うことを特徴とするメタン発酵方法が記載されている。
この特許文献1に記載された方法を用いれば、メタン発酵を促進することができるが、さらに、メタン発酵をスケールアップできる技術が求められている。
As a bioelectrochemical system, Patent Document 1 includes a carrier-holding electrode having a hydrophobic carrier on at least a part of the electrode surface, an organic substrate, and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and the organic substrate is used. Methane fermentation is performed while contacting with a methane fermentation liquid to be treated with methane fermentation and controlling the potential of the carrier holding electrode to + 0.3V based on the potential at which electrons are supplied from the carrier holding electrode or the potential of a silver or silver chloride electrode. A methane fermentation method characterized by carrying out the treatment is described.
Although the method described in Patent Document 1 can be used to promote methane fermentation, there is a demand for a technique capable of scaling up methane fermentation.

一般に、微生物を利用して物質を変換(分解、酸化、還元等)により処理する場合、高負荷条件、例えば、微生物により処理される被処理物の濃度が一定値以上の高濃度になると、微生物の機能が低下し、処理能力が低下することが知られている。
メタン発酵処理においてもこのことは例外ではなく、メタン発酵のスケールアップは困難を伴うことがあり、有機物負荷速度又は水理学的滞留時間が高い高負荷条件下では、メタン発酵槽の酸敗等が生じて、メタン発酵処理能が著しく低下する場合がある。
このような状況に陥ると、メタン発酵槽を再生する必要が生じ、メタン発酵処理が滞ることになる。そこで、高負荷条件下においても処理能力を低下させることなく、連続して処理を行うことのできるメタン発酵方法の確立が望まれている。
Generally, when a substance is treated by conversion (decomposition, oxidation, reduction, etc.) using a microorganism, the microorganism is subjected to high load conditions, for example, when the concentration of the object to be treated by the microorganism becomes a high concentration of a certain value or more. It is known that the function of the microorganism is reduced and the processing capacity is reduced.
This is no exception in the methane fermentation process, and scaling up the methane fermentation can be difficult, and under high load conditions where the organic matter loading rate or the hydraulic residence time is high, acid depletion of the methane fermentation tank occurs. Therefore, the methane fermentation processing ability may be significantly reduced.
When such a situation occurs, it becomes necessary to regenerate the methane fermentation tank, and the methane fermentation process is delayed. Therefore, it is desired to establish a methane fermentation method capable of continuous treatment without reducing the treatment capacity even under high load conditions.

特許第5872148号公報Japanese Patent No. 587214

本発明は、かかる要望に鑑みてなされたものであって、高負荷条件下においても、効率良く、優れた処理能力を発揮することができ、かつ、容易にスケールアップが可能なメタン発酵促進方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a demand, and is a method for promoting methane fermentation that can efficiently exhibit excellent processing capacity even under high load conditions and can be easily scaled up. The purpose is to provide.

また、本発明は、高負荷条件下においても優れた処理能力を発揮する微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法を提供することも目的とする。 Another object of the present invention is to provide a method for producing a fixative film containing a conductive material carrying a group of microorganisms that exhibits excellent processing ability even under high load conditions.

すなわち、本発明は、以下のとおりである。
項1.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理工程、及び、
(2)前記生物電気化学処理工程で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵工程を備える、メタン発酵促進方法であって、
前記(1)生物電気化学処理工程は、3μA/cm以下の電流に制御しながら行う、メタン発酵促進方法。
項2.
前記(1)生物電気化学処理工程において、
前記担体保持電極を作用電極とし、
さらに、対電極、参照電極、及びポテンシオスタットを備え、
前記作用電極と対電極と参照電極とをポテンシオスタットに結線し、
前記作用電極の電流を3電極方式で制御する、項1に記載のメタン発酵促進方法。
項3.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、疎水性である、項1又は2に記載のメタン発酵促進方法。
項4.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、炭素繊維である、項1~3の何れか一項に記載のメタン発酵促進方法。
項5.
前記(2)固定膜発酵工程が、前記(1)生物電気化学処理工程で得られた発酵液中のメタン生成菌を増加させることができる、項1~4の何れか一項に記載のメタン発酵促進方法。
項6.
前記メタン生成菌が、Methanobacterium sp.及びMethanosarcina sp.である、項5に記載のメタン発酵促進方法。
項7.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理工程、及び、
(2)前記生物電気化学処理工程で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵工程を備える、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法であって、
前記(1)生物電気化学処理工程は、3μA/cm以下の電流に制御しながら行う、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
項8.
前記(1)生物電気化学処理工程において、
前記担体保持電極を作用電極とし、
さらに、対電極、参照電極、及びポテンシオスタットを備え、
前記作用電極と対電極と参照電極とをポテンシオスタットに結線し、
前記作用電極の電流を3電極方式で制御する、項7に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
項9.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、疎水性である、項7又は8に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
項10.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、炭素繊維である、項7~9の何れか一項に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
項11.
前記(2)固定膜発酵工程が、前記(1)生物電気化学処理工程で得られた発酵液中のメタン生成菌を増加させることができる、項7~10の何れか一項に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
項12.
前記メタン生成菌が、Methanobacterium sp.及びMethanosarcina sp.である、項11に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
項13.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部、及び、
(2)前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部を備える、メタン発酵促進装置であって、
前記(1)生物電気化学処理部は、3μA/cm以下の電流に制御する、メタン発酵促進装置。
項14.
前記(1)生物電気化学処理部において、
前記担体保持電極を作用電極とし、
さらに、対電極、参照電極、及びポテンシオスタットを備え、
前記作用電極と対電極と参照電極とがポテンシオスタットに結線され、
前記作用電極の電流を3電極方式で制御する、項13に記載のメタン発酵促進装置。
項15.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部、及び、
(2)前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部を備える、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造装置であって、
前記(1)生物電気化学処理部は、3μA/cm以下の電流に制御する、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造装置。
項16.
(1)電極表面の少なくとも一部に疎水性の担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部、及び、
(2)前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部を備える、メタン発酵促進システムであって、
前記(1)生物電気化学処理部は、3μA/cm以下の電流に制御する、メタン発酵促進システム。
項17.
(1)電極表面の少なくとも一部に疎水性の担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部、及び、
(2)前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部を備える、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造システムであって、
前記(1)生物電気化学処理部は、3μA/cm以下の電流に制御する、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造システム。
That is, the present invention is as follows.
Item 1.
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment step containing an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and bringing the organic substrate into contact with a methane fermentation liquid to be treated with methane fermentation, and
(2) A methane fermentation promoting method comprising a fixed membrane fermentation step in which a fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment step and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other.
The above (1) bioelectrochemical treatment step is a method for promoting methane fermentation, which is carried out while controlling the current to 3 μA / cm 2 or less.
Item 2.
In the above (1) bioelectrochemical treatment step
The carrier holding electrode is used as a working electrode.
In addition, it is equipped with a counter electrode, a reference electrode, and a potentiostat.
The working electrode, the counter electrode and the reference electrode are connected to the potentiostat, and the working electrode is connected to the potentiostat.
Item 2. The method for promoting methane fermentation according to Item 1, wherein the current of the working electrode is controlled by a three-electrode method.
Item 3.
In the above (2) fixed membrane fermentation step
Item 2. The method for promoting methane fermentation according to Item 1 or 2, wherein the conductive material is hydrophobic.
Item 4.
In the above (2) fixed membrane fermentation step
Item 6. The method for promoting methane fermentation according to any one of Items 1 to 3, wherein the conductive material is carbon fiber.
Item 5.
Item 2. The methane according to any one of Items 1 to 4, wherein the (2) fixed membrane fermentation step can increase methanogens in the fermentation broth obtained in the (1) bioelectrochemical treatment step. Fermentation promotion method.
Item 6.
Item 5. The method for promoting methane fermentation according to Item 5, wherein the methanogens are Methanobacterium sp. And Methanosarcina sp.
Item 7.
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment step containing an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and bringing the organic substrate into contact with a methane fermentation liquid to be treated with methane fermentation, and
(2) Preparation of a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which comprises a fixed membrane fermentation step in which the fermentation broth obtained in the bioelectrochemical treatment step is brought into contact with a fixed membrane containing a conductive material. It ’s a method,
The above-mentioned (1) bioelectrochemical treatment step is a method for producing a fixative film containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which is carried out while controlling the current to 3 μA / cm 2 or less.
Item 8.
In the above (1) bioelectrochemical treatment step
The carrier holding electrode is used as a working electrode.
In addition, it is equipped with a counter electrode, a reference electrode, and a potentiostat.
The working electrode, the counter electrode and the reference electrode are connected to the potentiostat, and the working electrode is connected to the potentiostat.
Item 8. The method for producing a fixative film containing a conductive material on which a group of microorganisms is supported, wherein the current of the working electrode is controlled by a three-electrode method.
Item 9.
In the above (2) fixed membrane fermentation step
Item 8. The method for producing a fixative film containing a conductive material on which the microorganism group according to Item 7 or 8 is supported, wherein the conductive material is hydrophobic.
Item 10.
In the above (2) fixed membrane fermentation step
The method for producing a fixed film containing the conductive material on which the microorganism group according to any one of Items 7 to 9 is supported, wherein the conductive material is carbon fiber.
Item 11.
Item 3. The microorganism according to any one of Items 7 to 10, wherein the (2) fixed membrane fermentation step can increase methanogens in the fermentation broth obtained in the (1) bioelectrochemical treatment step. A method for producing a fixed film containing a conductive material on which a group is supported.
Item 12.
Item 2. The method for producing a fixative film containing a conductive material carrying a group of microorganisms according to Item 11, wherein the methanogens are Methanosarcina sp. And Methanosarcina sp.
Item 13.
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment unit that contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and is in contact with the methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate, and
(2) A methane fermentation accelerating device including a fixed membrane fermentation unit in which a fermentation broth obtained in the bioelectrochemical treatment unit and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other.
The (1) bioelectrochemical treatment unit is a methane fermentation promoting device that controls a current of 3 μA / cm 2 or less.
Item 14.
In the above (1) bioelectrochemical treatment section,
The carrier holding electrode is used as a working electrode.
In addition, it is equipped with a counter electrode, a reference electrode, and a potentiostat.
The working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are connected to the potentiostat, and the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are connected to each other.
Item 3. The methane fermentation promoting device according to Item 13, wherein the current of the working electrode is controlled by a three-electrode method.
Item 15.
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment unit that contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and is in contact with the methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate, and
(2) Production of a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which comprises a fixed membrane fermented portion in which the fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment section and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other. It ’s a device,
(1) The bioelectrochemical treatment unit is an apparatus for producing a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which controls a current of 3 μA / cm 2 or less.
Item 16.
(1) A carrier-holding electrode having a hydrophobic carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment unit that contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and is in contact with the methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate, and
(2) A methane fermentation promotion system including a fixed membrane fermentation unit in which a fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment unit and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other.
The (1) bioelectrochemical treatment unit is a methane fermentation promotion system that controls a current of 3 μA / cm 2 or less.
Item 17.
(1) A carrier-holding electrode having a hydrophobic carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment unit that contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and is in contact with the methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate, and
(2) Production of a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which comprises a fixed membrane fermented portion in which the fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment section is brought into contact with a fixed membrane containing a conductive material. It ’s a system,
(1) The bioelectrochemical treatment unit is a fixing film manufacturing system containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which is controlled to a current of 3 μA / cm 2 or less.

本発明によれば、優れたメタン発酵処理能を発揮させることができ、しかもその能力は有機性廃棄物等を大量投入(スケールアップ)した高負荷条件下においても発揮されるものとなり、長期にわたり、連続して効率よくメタン発酵処理を行うことができる。 According to the present invention, excellent methane fermentation processing ability can be exhibited, and the ability can be exhibited even under high load conditions in which a large amount of organic waste or the like is input (scaled up), and the ability can be exhibited for a long period of time. , The methane fermentation process can be performed continuously and efficiently.

さらに、本発明の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法によれば、メタン発酵処理において有用な微生物群を導電性材料に担持させた固定膜を得ることができる。 Furthermore, according to the method for producing a fixing film containing a conductive material on which a group of microorganisms is supported, a fixing film in which a group of microorganisms useful in methane fermentation treatment is supported on a conductive material can be obtained.

また、本発明の方法によれば、メタン生成菌を効率的に増加させることができる。 Further, according to the method of the present invention, methanogens can be efficiently increased.

本発明は、第1工程における生物電気化学システムにおいて、安価な炭素電極を用いることができる。また、この電極表面に微弱な電流を流す制御方式を取っているため、エネルギー消費量を低く抑えることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, an inexpensive carbon electrode can be used in the bioelectrochemical system in the first step. In addition, since a control method is adopted in which a weak current is passed through the surface of the electrode, energy consumption can be kept low.

図1は、実施例1において使用した本発明における実験装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of the experimental device of the present invention used in Example 1. 図2は、比較例1において使用した実験装置の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the experimental device used in Comparative Example 1. 図3は、比較例2において使用した実験装置の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the experimental device used in Comparative Example 2. 図4は、本発明における実験装置の他の実施態様を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of the experimental device in the present invention. 図5は、実施例1及び比較例1の各工程で得られたガス(CH、CO、及びH)のガス生成量を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the amount of gas (CH 4 , CO 2 , and H 2 ) produced in each of the steps of Example 1 and Comparative Example 1. 図6は、実施例1及び比較例1の各工程で得られた低級脂肪酸(酢酸、プロピオン酸、及びブタン酸)、及びエタノールの濃度を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the concentrations of lower fatty acids (acetic acid, propionic acid, and butanoic acid) and ethanol obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 1. 図7は、実施例1及び比較例1の各工程で得られたCH、CO、SCFA+エタノール、及び残渣C-SSの量(炭素量)、及びセルロースの炭素量を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the amounts (carbon amounts) of CH 4 , CO 2 , SCFA + ethanol, and residual C-SS obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 1, and the carbon amount of cellulose. 図8は、実施例1及び比較例1の各工程で得られた発酵液画分中の微生物組成を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the microbial composition in the fermentation broth fractions obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 1. 図9は、実施例1及び比較例1の各工程で得られたガス(CH、CO、及びH)のガス生成量を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the amount of gas (CH 4 , CO 2 , and H 2 ) produced in each of the steps of Example 1 and Comparative Example 1. 図10は、実施例1及び比較例1の各工程で得られた低級脂肪酸(酢酸、プロピオン酸、及びブタン酸)、及びエタノールの濃度を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the concentrations of lower fatty acids (acetic acid, propionic acid, and butanoic acid) and ethanol obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 1. 図11は、実施例1及び比較例1の各工程で得られたCH、CO、SCFA+エタノール、及び残渣C-SSの量(炭素量)、及びセルロースの炭素量を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the amounts (carbon amounts) of CH 4 , CO 2 , SCFA + ethanol, and residual C-SS obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 1, and the carbon amount of cellulose. 図12は、実施例1及び比較例2の各工程で得られたガス(CH、CO、及びH)の生成速度を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the production rates of gases (CH 4 , CO 2 , and H 2 ) obtained in each of the steps of Example 1 and Comparative Example 2. 図13は、実施例1及び比較例2の各工程で得られた低級脂肪酸(酢酸、プロピオン酸、及びブタン酸)、及びエタノールの濃度を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the concentrations of lower fatty acids (acetic acid, propionic acid, and butanoic acid) and ethanol obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 2. 図14は、実施例1及び比較例2の各工程で得られたCH、CO、SCFA+エタノール、及び残渣C-SSの量(炭素量)、及びセルロースの炭素量を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the amounts (carbon amounts) of CH 4 , CO 2 , SCFA + ethanol, and residual C-SS obtained in each step of Example 1 and Comparative Example 2, and the carbon amount of cellulose.

以下、本発明のメタン発酵促進方法、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法、メタン発酵促進装置、及び微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造装置について詳細に説明する。また、本発明を実施するための形態について、適宜、図面に基づいて詳細に説明する。なお、装置は、システムと言い換えることができる。 Hereinafter, the method for promoting methane fermentation of the present invention, the method for producing a fixing film containing a conductive material carrying a group of microorganisms, the device for promoting methane fermentation, and the device for producing a fixing film containing a conductive material carrying a group of microorganisms will be described. It will be explained in detail. Moreover, the embodiment for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The device can be rephrased as a system.

<メタン発酵促進方法>
本発明のメタン発酵促進方法は、(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理工程(以下、「第1工程」又は「BES」ということもある。)、及び、(2)前記生物電気化学処理工程で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵工程(以下、「第2工程」又は「FFR」ということもある。)を備えており、特に、本発明は、前記生物電気化学処理工程は、3μA/cm以下の電流に制御しながら行うことを特徴としている。
ここで、BESとは、Bioelectrochemical System(生物電気化学システム)を意味している。なお、このBESを用いないことを、NBES(Non-Bioelectrochemical System(非生物電気化学システム))という。
また、FFRとは、Fixed Film Reactor(固定膜反応器)を意味しており、本明細書では、第2工程を「FFR」という場合もある。なお、このFFRを用いないことを、NFFR(Non-Fixed Film Reactor)という。なお、工程は、部又は手段と言い換えることができる。
以下、図1及び図4を適宜参照しながら、第1工程及び第2工程について説明する。
<Methane fermentation promotion method>
The method for promoting methane fermentation of the present invention includes (1) a carrier-holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface, an organic substrate, and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and the organic substrate is methane. A bioelectrochemical treatment step (hereinafter, also referred to as "first step" or "BES") in which the methane fermentation liquid to be fermented is brought into contact, and (2) fermentation obtained in the bioelectrochemical treatment step. The present invention comprises a fixed film fermentation step (hereinafter, also referred to as “second step” or “FFR”) in which a liquid and a fixed film containing a conductive material are brought into contact with each other. In particular, the present invention comprises the bioelectricity. The chemical treatment step is characterized in that it is performed while controlling the current to 3 μA / cm 2 or less.
Here, BES means a Bioelectrochemical System. Not using this BES is called NBES (Non-Bioelectrochemical System).
Further, FFR means Fixed Film Reactor, and in the present specification, the second step may be referred to as “FFR”. Not using this FFR is called NFFR (Non-Fixed Film Reactor). The process can be paraphrased as a part or a means.
Hereinafter, the first step and the second step will be described with reference to FIGS. 1 and 4 as appropriate.

第1工程:生物電気化学処理工程(BES)
本発明のメタン発酵促進方法における第1工程(生物電気化学処理工程:BES)は、電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させ、担体保持電極の電流を担持対象微生物群の至適範囲に制御しながら生物学的処理を行うようにしている。該第1工程を実施することで、担体に担持対象微生物群を担持させて活性化させることができる。
First step: Bioelectrochemical treatment step (BES)
The first step (bioelectrochemical treatment step: BES) in the methane fermentation promotion method of the present invention comprises a carrier-holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface, an organic substrate, and a group of microorganisms involved in methane fermentation. The organic substrate is brought into contact with the methane fermentation liquid to be treated with methane fermentation, and the biological treatment is performed while controlling the current of the carrier holding electrode within the optimum range of the group of microorganisms to be carried. By carrying out the first step, the carrier can be activated by supporting the group of microorganisms to be supported.

本発明において用いられる担体保持電極としては、微生物反応プロセスに合わせて、電極表面に保持される担体の性質を適宜選択して用いることができる。例えば、親水性の担体に付着し得る微生物を担持させる場合には、親水性の担体を用いればよいし、疎水性の担体に付着し得る微生物を担持させる場合には、疎水性の担体を用いればよい。つまり、電極の性質に依存することなく、担体の性質を適宜選択し、微生物反応プロセスに合わせて微生物群を担持させることができる。
したがって、例えば、電極の表面に親水性の担体と疎水性の担体の双方を保持させることで、親水性の担体に付着する微生物と疎水性の担体に付着する微生物の双方を担持させることも容易に行うことができる。
As the carrier-holding electrode used in the present invention, the properties of the carrier held on the electrode surface can be appropriately selected and used according to the microbial reaction process. For example, when carrying a microorganism capable of adhering to a hydrophilic carrier, a hydrophilic carrier may be used, and when carrying a microorganism capable of adhering to a hydrophobic carrier, a hydrophobic carrier may be used. Just do it. That is, the properties of the carrier can be appropriately selected without depending on the properties of the electrodes, and the microbial group can be supported according to the microbial reaction process.
Therefore, for example, by holding both the hydrophilic carrier and the hydrophobic carrier on the surface of the electrode, it is easy to support both the microorganisms adhering to the hydrophilic carrier and the microorganisms adhering to the hydrophobic carrier. Can be done.

疎水性担体としては、特に限定はなく、例えば、炭素、グラファイト(黒鉛)、ポリエチレン、ポリプロピレン等のプラスチック、プラチナ、アルミナ等の金属等が挙げられる。疎水性担体の形態又は形状としては、特に限定はなく、例えば、板状(シート状、フィルム状等)、ブロック状等が挙げられる。中でも、疎水性担体としては、導電性担体が好ましく、炭素板(炭素シート、炭素フィルム)、及びグラファイトブロックがより好ましい。疎水性担体の大きさとしては特に限定はない。疎水性担体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The hydrophobic carrier is not particularly limited, and examples thereof include plastics such as carbon, graphite (graphite), polyethylene and polypropylene, and metals such as platinum and alumina. The form or shape of the hydrophobic carrier is not particularly limited, and examples thereof include a plate shape (sheet shape, film shape, etc.), a block shape, and the like. Among them, as the hydrophobic carrier, a conductive carrier is preferable, and a carbon plate (carbon sheet, carbon film) and a graphite block are more preferable. The size of the hydrophobic carrier is not particularly limited. The hydrophobic carrier may be used alone or in combination of two or more.

担体保持電極に用いられる電極については、その材質として特に限定はなく、電極上で還元反応が生じ得るあらゆる電極を使用することができる。例えば、担体保持電極としては、プラチナ等の金属、又は炭素等が挙げられる。中でも、電極としては、コスト面から、プラチナ電極に比べて、炭素電極が好ましい。 The material of the electrode used for the carrier holding electrode is not particularly limited, and any electrode capable of causing a reduction reaction on the electrode can be used. For example, examples of the carrier holding electrode include a metal such as platinum, carbon, and the like. Among them, as the electrode, a carbon electrode is preferable to a platinum electrode from the viewpoint of cost.

なお、本発明において用いられる担体保持電極は、電極表面の少なくとも一部に担体が備えられていればよく、電極表面の片面に備えられていることが好ましく、電極表面の全体に備えられていることがより好ましい。電極表面における担体保持面積を高めれば高めるほど、微生物を担持させやすくなる。担体を電極表面に備える方法としては、接着剤による接着、担体を袋状又は筒状にして電極に被せて覆う方法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The carrier-holding electrode used in the present invention may be provided with a carrier on at least a part of the electrode surface, preferably on one side of the electrode surface, and is provided on the entire electrode surface. Is more preferable. The higher the carrier holding area on the electrode surface, the easier it is to carry microorganisms. Examples of the method of providing the carrier on the surface of the electrode include, but are not limited to, a method of adhering the carrier with an adhesive and a method of covering the carrier with a bag or a cylinder to cover the electrode.

ここで、微生物を担持し得る担体は、電極とメタン発酵液との接触を確保し得る通液性を有するものとすることが好ましい。この場合、担体の電極近傍まで十分に微生物を担持させることができるとともに、電極近傍の電流の制御性を確保して、担体上の微生物を十分に活性化させることができる。つまり、仮に担体の素材を炭素のような導電性の素材とした場合においても、微生物の担持量を高める上で空隙率等を向上させれば、導電性能は大幅に低下して実質的には電流が流れなくなるが、担体を電極とメタン発酵液との接触を確保し得る通液性を有するものとしておけば、担体の空隙を満たすメタン発酵液の電流が制御されて担体の電流環境を微生物にとって至適な範囲に制御することができる。 Here, it is preferable that the carrier capable of supporting the microorganism has a liquid permeability that can ensure contact between the electrode and the methane fermentation liquid. In this case, the microorganism can be sufficiently supported up to the vicinity of the electrode of the carrier, and the controllability of the current in the vicinity of the electrode can be ensured to sufficiently activate the microorganism on the carrier. That is, even if the carrier material is a conductive material such as carbon, if the void ratio is improved in order to increase the amount of microorganisms supported, the conductive performance is significantly reduced and substantially. Although no current flows, if the carrier has a liquid permeability that can ensure contact between the electrode and the methane fermented liquid, the current of the methane fermented liquid that fills the voids of the carrier is controlled and the current environment of the carrier is changed by microorganisms. It can be controlled to the optimum range for.

有機性基質は、有機性廃棄物又は有機性廃液であれば特に限定はない。有機性基質として、例えば、木材、紙、紙ごみ、稲藁、麦藁等の藁類、海藻、食品残渣、農業残渣、下水汚泥、し尿汚泥、廃水処理汚泥、浄化槽汚泥、家畜糞尿(畜産廃棄物)、生ゴミ等の各種バイオマス等が挙げられる。また、有機性基質は、その性状により、必要に応じて、破砕、分別等の前処理を行ってからメタン発酵処理を行うこともできる。なお、木材、紙等に含まれる成分であるセルロースは、難分解性の物質であり、メタン発酵が難しいという問題があった。本発明は、特に、セルロースを含む有機性基質に対して、メタン発酵を促進する効果を有している。 The organic substrate is not particularly limited as long as it is an organic waste or an organic waste liquid. Examples of organic substrates include wood, paper, paper waste, rice straw, straw such as wheat straw, seaweed, food residue, agricultural residue, sewage sludge, sewage sludge, wastewater treatment sludge, septic tank sludge, and livestock manure (livestock waste). ), Various types of biomass such as garbage. Further, depending on the properties of the organic substrate, methane fermentation treatment can be performed after pretreatment such as crushing and separation, if necessary. Cellulose, which is a component contained in wood, paper, etc., is a persistent substance and has a problem that methane fermentation is difficult. The present invention has an effect of promoting methane fermentation, particularly on an organic substrate containing cellulose.

本発明において担持させる微生物群としては、特に限定はなく、例えば、被処理物に対して、分解、酸化、還元等の変換処理を行うことのできる微生物群全般;ある生成源物質を利用して物質を生産する能力を有する微生物群全般等が挙げられる。 The group of microorganisms to be supported in the present invention is not particularly limited, and for example, a group of microorganisms capable of performing conversion treatments such as decomposition, oxidation, and reduction on an object to be treated; using a certain source substance. Examples include general groups of microorganisms capable of producing substances.

具体的に、被処理物に対して、分解、酸化、還元等の変換処理を行うことのできる微生物群としては、例えば、SS(固形浮遊物)の分解、COD(化学的酸素要求量)の分解除去、TOC(全有機炭素)の分解除去、テトラクロロエチレン(PCE)、ジクロロエチレン(DCE)及びビニルクロライド(VC)の脱塩素化処理等を行う機能を有する公知又は新規の微生物を担持対象微生物群等が挙げられる。なお、ここでいう微生物群は、これらに限定されるものではない。
例えば、SS(固形浮遊物)の分解、COD(化学的酸素要求量)の分解除去、TOC(全有機炭素)の分解除去には、メタン発酵槽から取得される汚泥に含まれる微生物群を使用することができる。
また、テトラクロロエチレン(PCE)の脱塩素化には、例えば、Desulfitobacterium、Dehalococcoides、Dehalobacter、Geobacter等;ジクロロエチレン(DCE)及びビニルクロライド(VC)の脱塩素化には、例えば、Dehalococcoides等の微生物群を使用することができる。
ある生成源物質を利用して物質を生産する能力を有する微生物群としては、例えば、メタンガス、水素、アミノ酸、各種有機物を生産する機能を有する公知又は新規の微生物を担持対象微生物群が挙げられる。
例えば、これらの微生物群としては、水素と二酸化炭素を生成源としてメタンガスを生成する水素資化性メタン生成菌、酢酸を生成源としてメタンガスを生成する酢酸資化性メタン生成菌、グルコースからエタノール、ブタノール、又はアセトンを生産するClostridium acetobutylicum等が挙げられる。なお、ここでいう微生物群は、これらに限定されるものではない。
Specifically, as a group of microorganisms capable of performing conversion treatments such as decomposition, oxidation, and reduction of the object to be treated, for example, decomposition of SS (solid suspended matter) and COD (chemical oxygen demand). A group of known or novel microorganisms carrying known or novel microorganisms having functions such as decomposition and removal, decomposition and removal of TOC (total organic carbon), tetrachlorethylene (PCE), dichloroethylene (DCE) and vinyl chloride (VC) dechlorination treatment, etc. Can be mentioned. The group of microorganisms referred to here is not limited to these.
For example, for the decomposition of SS (solid suspended matter), the decomposition and removal of COD (chemical oxygen demand), and the decomposition and removal of TOC (total organic carbon), a group of microorganisms contained in sludge obtained from a methane fermenter is used. can do.
Further, for dechlorination of tetrachlorethylene (PCE), for example, Desulfitobacterium, Dehalococcoides, Dehalobacter, Geobacter, etc .; for dechlorination of dichloroethylene (DCE) and vinyl chloride (VC), for example, a group of microorganisms such as Dehalococcoides is used. can do.
Examples of the group of microorganisms having the ability to produce a substance using a certain source substance include a group of known or novel microorganisms having a function of producing methane gas, hydrogen, amino acids, and various organic substances.
For example, these microorganisms include hydrogen-utilizing methanogens that produce methane gas from hydrogen and carbon dioxide, acetic acid-utilizing methanogens that produce methane gas from acetic acid, and glucose to ethanol. Examples thereof include Clostridium acetobutylicum, which produces butanol or acetone. The group of microorganisms referred to here is not limited to these.

水素資化性メタン生成菌としては、例えば、メタン生成菌(メタン生成古細菌、又はメタン菌という場合がある。)としては、例えば、Methanobacterium属、Methanobrevibacter属、Methanosphaera属、Methanothermus属、Methanococcus属、Methanolacinia属、Methanomicrobium属、Methanogenium属、Methanospirillum属、Methanoculleus属、Methanoplanus属、Methanosarcina属、Methanolobus属、Methanococcoides属、Methanoregula属、Methanolinea属、Methanohalophilus属、Methanohalobium属、Methanocorpusculum属等が挙げられる。なお、本実施形態においてはこれらに限定されることなく、メタンを生成できる細菌であればどのようなものも用いることができる。メタン生成菌及び前記した有機物を分解する様々な微生物は、既存の消化タンク等から容易に得ることができる。本発明は、中でも、Methanobacterium sp.及びMethanosarcina sp.を増加させることができる。 Examples of hydrogen-utilizing methanogens include methanogens (sometimes referred to as methanogen archaea or methanogens) include Methanogen, Methanobrevibacter, Methanosphaera, Methanothermus, and Methanococcus. Methanolacinia, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanospirillum, Methanoculleus, Methanoplanus, Methanosarcina, Methanolobus, Methanococcoides, Methanoregula, Methanolinea, Methanohalophilus, Methanohalobium, etc. In addition, in this embodiment, any bacterium capable of producing methane can be used without being limited to these. Methanogens and various microorganisms that decompose the above-mentioned organic matter can be easily obtained from existing digestion tanks and the like. The present invention, among other things, can increase Methanobacterium sp. And Methanosarcina sp.

酢酸資化性メタン生成菌としては、例えば、Methanothrix (Methanosaeta)属、Methanosarcina属等が挙げられる。 Examples of acetic acid-utilizing methanogens include the genus Methanosaeta (Methanosaeta) and the genus Methanosarcina.

グルコースから、エタノール、ブタノール、アセトン等を生産する生成菌としては、例えば、Clostridium acetobutylicum等のClostridium属等が挙げられる。 Examples of the producing bacteria that produce ethanol, butanol, acetone and the like from glucose include the genus Clostridium such as Clostridium acetobutylicum.

本発明において、メタン発酵処理又はメタンガス生成を実施する場合には、疎水性担体を用いることが好ましい。 In the present invention, when carrying out methane fermentation treatment or methane gas production, it is preferable to use a hydrophobic carrier.

メタン発酵液は、有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理することができるものであれば、特に限定されない。例えば、有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含有する培養液を、メタン発酵液とすることができる。培養液は、微生物の培養の際に使用される通常の培養液を用いればよく、微生物のエネルギー源となる物質、pH等の培養環境を制御するための物質等を適宜添加して使用すればよい。なお、培養液には通常、水素イオン(H)、ナトリウムイオン(Na)、カリウムイオン(K)等の一価の陽イオンが含まれていることから、培養液自体に通電性があり、担体保持電極自体の電流制御は容易に行うことができる。 The methane fermentation broth is not particularly limited as long as it contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and the organic substrate can be subjected to methane fermentation treatment. For example, a culture solution containing an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation can be used as a methane fermentation solution. As the culture solution, a normal culture solution used for culturing microorganisms may be used, and a substance that becomes an energy source for microorganisms, a substance for controlling the culture environment such as pH, etc. may be appropriately added and used. good. Since the culture solution usually contains monovalent cations such as hydrogen ion (H + ), sodium ion (Na + ), and potassium ion (K + ), the culture solution itself has electrical conductivity. Therefore, the current control of the carrier holding electrode itself can be easily performed.

なお、担体保持電極とメタン発酵液(担持対象微生物群及び培養液)との接触方法は、特に限定はなく、例えば、培養液に担体保持電極と担持対象微生物群とを別々に入れるようにしてもよいし、担持対象微生物群又は担持対象微生物群を含む微生物群集を、例えばバイオフィルムのような形態で担体に予め担持させておき、これを培養液に入れるようにしてもよい。
いずれの場合にも、担体保持電極の担体に担持対象微生物群を担持させて活性化させることができる。
本発明によれば、担持対象微生物群を担持させて活性化させることができるのは勿論のこと、担持対象微生物群を含む微生物群集のうち、担持対象微生物群を主要な構成成分として担持させて活性化させることができる。つまり、複数種の微生物群を含む微生物群集から所望の微生物群を主要な構成成分として担体に担持させて活性化させることができる。
The method of contacting the carrier holding electrode and the methane fermentation solution (supported microorganism group and culture solution) is not particularly limited. For example, the carrier holding electrode and the carrier target microorganism group are separately put into the culture solution. Alternatively, the microbial community to be supported or the microbial community containing the microbial group to be supported may be previously supported on a carrier in the form of, for example, a biofilm, and this may be placed in a culture solution.
In either case, the carrier of the carrier holding electrode can be supported and activated by supporting the group of microorganisms to be supported.
According to the present invention, it is possible to support and activate a group of microorganisms to be supported, and of course, among the microbial communities including the group of microorganisms to be supported, the group of microorganisms to be supported is supported as a main component. Can be activated. That is, a desired microbial community can be supported on a carrier as a main constituent and activated from a microbial community containing a plurality of types of microbial communities.

担持対象微生物群の至適範囲は、以下に説明する実験方法により導かれる。すなわち、被処理物を変換処理する能力を有する微生物群を担持対象とする場合、一定量の被処理物を培養液に添加し、この培養液に担体保持電極と担持対象微生物群を少なくとも含む微生物群集とを接触させて、担体保持電極を電流に一定期間制御し、培養液に含まれる被処理物の量が大幅に低減している電流範囲を至適範囲とすることができる。
また、生産物を生産する微生物群を担持対象とする場合、一定量の生成源物質を培養液に添加し、この培養液に担体保持電極と担持対象微生物群を少なくとも含む微生物群集とを接触させて、担体保持電極を各種電流に一定期間制御し、生産物の生成量が多い電流範囲を至適範囲とすることができる。
The optimum range of the microorganisms to be carried is derived by the experimental method described below. That is, when a group of microorganisms capable of converting a substance to be supported is to be supported, a certain amount of the substance to be treated is added to the culture solution, and the culture solution contains at least a carrier holding electrode and a group of microorganisms to be supported. By contacting with the community, the carrier holding electrode can be controlled to a current for a certain period of time, and the current range in which the amount of the object to be treated contained in the culture solution is significantly reduced can be set as the optimum range.
When a microbial group that produces a product is to be supported, a certain amount of a source substance is added to the culture solution, and the carrier holding electrode and the microbial community containing at least the microbial group to be supported are brought into contact with the culture solution. Therefore, the carrier holding electrode can be controlled to various currents for a certain period of time, and the current range in which the amount of product produced is large can be set to the optimum range.

本発明によれば、担体保持電極の担体に担持対象微生物群を担持させて活性化することができる。また、本発明によれば、目的の処理を阻害する微生物群を失活させたり、あるいは除去することで、目的の処理を効率よく実施することも可能となる場合もある。なお、本発明のメタン発酵促進方法において、高負荷条件下で実施しても、優れた処理能力を発揮させて効率よく実施することができる要因の一つとして、第1工程(生物電気化学処理工程)により、担体に担持対象微生物群を担持させて活性化させながらも、培養液中の全菌に占める担持対象微生物群の割合を増加させることができ、担体保持電極を培養液とを含めた処理槽全体としての処理能力が向上していることが考えられる。いずれにしても、本発明の構成をとることによって、優れた処理能力を発揮させることができる。つまり、これまでは、特定の電位で制御する生物電気化学処理方法が知られているが、本発明は、生物電気化学処理工程が、極めて微小な電流である、3μA/cm以下の電流に制御して行うことを特徴としている。このような3μA/cm以下の電流に制御して行う生物化学電気処理工程は、これまで具体的には一切開示されていない。 According to the present invention, a group of microorganisms to be supported can be supported on the carrier of the carrier holding electrode and activated. Further, according to the present invention, it may be possible to efficiently carry out the desired treatment by inactivating or removing a group of microorganisms that inhibit the desired treatment. In the method for promoting methane fermentation of the present invention, the first step (bioelectrochemical treatment) is one of the factors that can be efficiently carried out by demonstrating excellent treatment capacity even when carried out under high load conditions. By the step), it is possible to increase the ratio of the carrier target microorganism group to all the bacteria in the culture solution while supporting and activating the carrier target microorganism group on the carrier, and the carrier holding electrode is included with the culture solution. It is considered that the processing capacity of the entire processing tank is improved. In any case, by adopting the configuration of the present invention, excellent processing capacity can be exhibited. That is, until now, a bioelectrochemical treatment method that controls at a specific potential has been known, but in the present invention, the bioelectrochemical treatment step is an extremely minute current, that is, a current of 3 μA / cm 2 or less. It is characterized by being controlled. No specific biochemical electrochemical treatment step performed by controlling the current to 3 μA / cm 2 or less has been disclosed so far.

本発明の方法及び装置は、バイオガスを発生させることができる。バイオガスとは、バイオ燃料の一種で、有機質肥料、生分解性物質、汚泥、汚水、ゴミ、エネルギー作物等の発酵、嫌気性消化等により発生するガスを意味する。バイオガスの主成分は、メタン及び二酸化炭素である。メタンは、化石燃料の代替燃料として、発電、コージェネレーション(熱併給発電)、ボイラ、車両エンジン、及び調理用に利用できる。 The method and apparatus of the present invention can generate biogas. Biogas is a type of biofuel and means gas generated by fermentation of organic fertilizers, biodegradable substances, sludge, sewage, garbage, energy crops, etc., anaerobic digestion, etc. The main components of biogas are methane and carbon dioxide. Methane can be used as an alternative fuel to fossil fuels for power generation, cogeneration, boilers, vehicle engines, and cooking.

なお、本発明において、メタン発酵とは、有機性廃棄物をメタン発酵して減容化し、その過程でメタンガスを含むバイオガスを生成させて回収することを意味している。 In the present invention, methane fermentation means that organic waste is methane-fermented to reduce its volume, and in the process, biogas containing methane gas is generated and recovered.

メタン発酵液には、有機性廃棄物等のメタン発酵処理が行われているメタン発酵槽のメタン発酵液、メタン発酵汚泥を添加した培養液を用いることができる。また、メタン発酵を行うための微生物群を人工的に培養した微生物群集を添加した培養液を用いることもできる。 As the methane fermentation broth, a methane fermentation broth from a methane fermentation tank in which methane fermentation treatment such as organic waste is performed, or a culture broth to which methane fermentation sludge is added can be used. It is also possible to use a culture solution to which a microbial community in which a microbial community for performing methane fermentation is artificially cultured is added.

担体保持電極としては、上記のとおり、電極、例えば炭素板の表面の少なくとも一部に疎水性の担体、例えば、炭素繊維が備えられたものがメタン発酵液に浸される。 As the carrier holding electrode, as described above, an electrode, for example, one provided with a hydrophobic carrier, for example, carbon fiber on at least a part of the surface of a carbon plate, is immersed in the methane fermentation broth.

担体保持電極の電流(カソード)は、3μA/cm以下であり、好ましくは0.01~2.9μA/cmであり、より好ましくは0.1~2.8μA/cmであり、特に好ましくは1~2.75μA/cmである。なお、カソード(cathode)とは、左側の電極(作用電極)であり、電極から溶液に向かって正電荷が流れる方(還元反応が起こる陰極)を意味している。また、アノード(anode)とは、右側の電極(対電極)であり、溶液から電極に向かって正電荷が流れる方(酸化反応が起こる陽極)を意味している。
上記特許文献1には、前記担体保持電極の電位を前記担体保持電極から電子が供給される電位、又は、銀若しくは塩化銀電極電位基準で+0.3Vに制御しながらメタン発酵処理を行うことが記載されているが、特定の電流に制御しながらメタン発酵処理を行うことは記載されていない。しかも、この特許文献1には、カソード電流を0.3μA/cm以下に制御することは全く開示されていない。
本発明において、第1工程における電流を制御する工程は、オンオフを繰り返して、制御してもよい。すなわち、電流は、一定時間電流を流した後、電流を止め、一定時間経過したのち、再度、一定時間電流を流すこともできる。
The current (cathode) of the carrier holding electrode is 3 μA / cm 2 or less, preferably 0.01 to 2.9 μA / cm 2 , more preferably 0.1 to 2.8 μA / cm 2 , and particularly. It is preferably 1 to 2.75 μA / cm 2 . The cathode is the electrode on the left side (working electrode), and means the one in which a positive charge flows from the electrode toward the solution (cathode in which a reduction reaction occurs). Further, the anode is the right electrode (counter electrode), and means the direction in which a positive charge flows from the solution toward the electrode (anode in which an oxidation reaction occurs).
In Patent Document 1, the methane fermentation treatment is performed while controlling the potential of the carrier holding electrode to + 0.3 V based on the potential at which electrons are supplied from the carrier holding electrode or the potential of the silver or silver chloride electrode. Although it is described, it is not described that the methane fermentation treatment is performed while controlling the specific current. Moreover, this Patent Document 1 does not disclose that the cathode current is controlled to 0.3 μA / cm 2 or less at all.
In the present invention, the step of controlling the current in the first step may be controlled by repeating on / off. That is, the current can be passed for a certain period of time, then stopped, and after a certain period of time has passed, the current can be passed again for a certain period of time.

第1工程で用いる反応器としては、特に限定はなく、例えば、密閉容器、図4に示すような箱型密閉容器、H型容器、U型容器等を用いることができる。また、反応器の素材としては、特に限定はなく、例えば、ガラス容器等を用いることができる。ここで、反応器内には、イオン交換膜を備えることができる。イオン交換膜としては、特に限定なく、公知のものを使用することができる。 The reactor used in the first step is not particularly limited, and for example, a closed container, a box-shaped closed container as shown in FIG. 4, an H-shaped container, a U-shaped container, or the like can be used. The material of the reactor is not particularly limited, and for example, a glass container or the like can be used. Here, an ion exchange membrane can be provided in the reactor. The ion exchange membrane is not particularly limited, and known ones can be used.

第1工程で用いる反応器の大きさ(容量)としては、特に限定はないが、例えば、下限として好ましくは100mL以上であり、より好ましくは250mL以上である。反応器の大きさの上限としては特に限定はない。 The size (volume) of the reactor used in the first step is not particularly limited, but for example, the lower limit is preferably 100 mL or more, and more preferably 250 mL or more. The upper limit of the size of the reactor is not particularly limited.

本発明のメタン発酵方法における第1工程(生物電気化学処理工程;BES)は、例えば、図1、又は図4に示す装置により実施することができるが、これらに限定されるものではない。本発明の第1工程で用いる装置(生物電気化学処理工程で用いる装置又はメタン発酵促進装置)は、電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部(以下、「生物電気化学処理部」ということもある。)を備えている。
前記担体保持電極は、作用電極と言い換えることができる。さらに、生物電気化学処理部は、対電極、参照電極等を備えることができる。
また、本発明の第1工程で用いる装置(生物電気化学処理部)は、電気化学測定装置(ポテンショスタット、又はガルバノスタット)を備えることができる。
ガルバノスタットの場合は、参照電極を備えなくてもよい。電気化学測定装置とは、電流の制御に加え、電流の計測等を行う装置で、計測対象となるサンプルセルに対して、電気信号を付加させて化学反応を起こさせたり、その逆に化学反応による応答信号を計測することで、サンプルセルの電気的な性質を計測するための装置である。
ポテンショスタットは、一般的に、作用極、対極、及び参照電極を備える3電極のセルを制御して、電解液の状態によらずに、電極の電流レベル等を任意に制御するための装置である。
ガルバノスタットは、非常に高い内部抵抗を有することで、電極を流れる電流を正確に制御するための装置である。
The first step (bioelectrochemical treatment step; BES) in the methane fermentation method of the present invention can be carried out by, for example, the apparatus shown in FIG. 1 or FIG. 4, but is not limited thereto. The apparatus used in the first step of the present invention (the apparatus used in the bioelectrochemical treatment step or the methane fermentation promoting apparatus) is involved in a carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface, an organic substrate and methane fermentation. It is provided with a bioelectrochemical treatment unit (hereinafter, also referred to as "bioelectrochemical treatment unit") that contains a group of microorganisms and is in contact with a methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate.
The carrier holding electrode can be rephrased as a working electrode. Further, the bioelectrochemical treatment unit can be provided with a counter electrode, a reference electrode and the like.
Further, the apparatus (bioelectrochemical processing unit) used in the first step of the present invention may be provided with an electrochemical measuring apparatus (potentiostat or galvanostat).
In the case of galvanostat, it is not necessary to provide a reference electrode. An electrochemical measuring device is a device that measures current in addition to controlling current. An electrical signal is added to a sample cell to be measured to cause a chemical reaction, and vice versa. It is a device for measuring the electrical properties of the sample cell by measuring the response signal.
A potentiostat is generally a device for controlling a cell of three electrodes including a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode, and arbitrarily controlling the current level of the electrode, etc., regardless of the state of the electrolytic solution. be.
A galvanostat is a device for accurately controlling the current flowing through an electrode by having a very high internal resistance.

第1工程の反応における発酵液の温度としては、特に限定はなく、通常、室温(例えば、25℃)~80℃の範囲であり、好ましくは30~70℃であり、より好ましくは40~60℃である。 The temperature of the fermentation broth in the reaction of the first step is not particularly limited, and is usually in the range of room temperature (for example, 25 ° C.) to 80 ° C., preferably 30 to 70 ° C., and more preferably 40 to 60 ° C. ℃.

第1工程における反応時間としては、特に限定はなく、通常、1時間~1ヶ月の範囲であり、好ましくは1日~20日であり、より好ましくは3日~10日である。 The reaction time in the first step is not particularly limited, and is usually in the range of 1 hour to 1 month, preferably 1 to 20 days, and more preferably 3 to 10 days.

第2工程:固定膜発酵工程(FFR)
本発明のメタン発酵方法は、さらに、第2工程として、前記生物電気化学処理工程で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵工程を備えている。該固定膜発酵工程では、固定膜反応器(FFR)を用いて発酵が行われる。本明細書では、第2工程を「固定膜発酵工程」又は「FFR」という場合がある。固定膜反応器は、充填床反応器、固定膜発酵槽、又は嫌気性消化槽と言い換えることができる。
Second step: Fixed membrane fermentation step (FFR)
The methane fermentation method of the present invention further includes, as a second step, a fixed membrane fermentation step in which the fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment step is brought into contact with a fixed membrane containing a conductive material. In the fixed membrane fermentation step, fermentation is carried out using a fixed membrane reactor (FFR). In the present specification, the second step may be referred to as "fixed membrane fermentation step" or "FFR". The fixed membrane reactor can be rephrased as a packed bed reactor, a fixed membrane fermenter, or an anaerobic digestion tank.

本明細書において、固定膜反応器とは、固定膜を備えた反応器、すなわち、その内部に膜が固定されている反応器のことをいう。
固定膜は、導電性材料を全部又は一部としてもよい。また、導電性材料は、繊維状、多孔質体、粒状物等の三次元構造として表面積を増大させ、微生物の担持量を増大することのできる形態とすることが好ましい。
As used herein, the term "fixed membrane reactor" refers to a reactor provided with a fixed membrane, that is, a reactor in which a membrane is fixed therein.
The fixing film may be the conductive material in whole or in part. Further, the conductive material is preferably in a form capable of increasing the surface area as a three-dimensional structure such as a fibrous material, a porous body, and a granular material, and increasing the amount of microorganisms supported.

導電性材料としては、特に限定はなく、例えば、炭素、カーボンブラック、グラファイト(黒鉛)等が挙げられる。 The conductive material is not particularly limited, and examples thereof include carbon, carbon black, and graphite.

カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられる。 Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black and the like.

グラファイト(黒鉛)としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。 Examples of graphite (graphite) include natural graphite and artificial graphite.

この導電性材料には、嫌気性微生物を担持することができる。導電性材料は、疎水性を有していることが好ましく、さらに細孔(例えば、多孔性、繊維状等)を有するものがより好ましい。繊維は、織物(織布)又は不織布であってもよい。導電性材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Anaerobic microorganisms can be carried on this conductive material. The conductive material preferably has hydrophobicity, and more preferably has pores (for example, porous, fibrous, etc.). The fiber may be a woven fabric (woven fabric) or a non-woven fabric. One type of conductive material may be used alone, or two or more types may be used in combination.

導電性材料としては、炭素繊維が好ましい。炭素繊維としては、通常の炭素繊維だけでなく、例えば、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維等も挙げられる。また、ここでいう炭素繊維は、織物(織布)又は不織布であってもよい。
固定膜は、例えば、導電性材料で作製した膜を使用することもできるし、非導電性材料(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等)で作製した膜の片面又は両面に導電性材料で作製した膜を積層した膜を使用することもできる。ここで、積層する方法としては、接着剤等により接着する方法等が挙げられる。導電性材料として炭素繊維の織物を用い、炭素繊維織物で作製した膜を固定膜として使用することが好ましい。
Carbon fiber is preferable as the conductive material. Examples of carbon fibers include not only ordinary carbon fibers but also single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, gas-phase grown carbon fibers and the like. Further, the carbon fiber referred to here may be a woven fabric (woven fabric) or a non-woven fabric.
As the fixing film, for example, a film made of a conductive material can be used, or a film made of a conductive material can be used on one or both sides of a film made of a non-conductive material (for example, polyethylene, polypropylene, etc.). Laminated films can also be used. Here, as a method of laminating, a method of adhering with an adhesive or the like can be mentioned. It is preferable to use a carbon fiber woven fabric as the conductive material and use a film made of the carbon fiber woven fabric as the fixing film.

導電性材料は、細孔を有することで(空隙率等を向上させれば)、微生物群が付着して生息するので、短時間のうちに微生物を効率的に担持させることができる。しかも、担持させた微生物群が剥離しにくい利点を有している。 Since the conductive material has pores (if the porosity or the like is improved), the microorganism group adheres and inhabits, so that the microorganism can be efficiently supported in a short time. Moreover, it has the advantage that the carried microorganisms are not easily exfoliated.

前記生物電気化学処理工程(第1工程)で得られた発酵液には、微生物群が含まれている。第1工程は、第2工程でより効率的にメタン生成菌を増殖させるための菌叢(きんそう)に整える工程である。第2工程では、特に別途、微生物群を培養して用意する必要はなく、第1工程で得られた発酵液を、有機性基質中に浸漬しておけば、嫌気条件下で有機性基質中に自然状態で存在する微生物(通常は、嫌気性の混合微生物群)を、固定膜又は導電性材料上で培養することができる。ただし、必要に応じて有機性基質中へ浸漬する前に、別途培養した嫌気性微生物を付着させてもよい。 The fermentation broth obtained in the bioelectrochemical treatment step (first step) contains a group of microorganisms. The first step is a step of preparing a flora for more efficiently growing methanogens in the second step. In the second step, it is not necessary to separately culture and prepare a group of microorganisms, and if the fermentation broth obtained in the first step is immersed in the organic substrate, it can be contained in the organic substrate under anaerobic conditions. Microorganisms that exist in their natural state (usually anaerobic mixed microorganisms) can be cultivated on a fixed membrane or conductive material. However, if necessary, a separately cultured anaerobic microorganism may be attached before immersion in the organic substrate.

なお、本発明において用いられる固定膜は、その表面積を高めれば高めるほど、微生物を担持させやすくなる。反応器中に膜を固定する方法として、針金等を用いて固定する方法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The fixed membrane used in the present invention is more likely to carry microorganisms as its surface area is increased. Examples of the method of fixing the membrane in the reactor include, but are not limited to, a method of fixing the membrane with a wire or the like.

本発明は、第1工程における生物電気化学システム(BES)の効果を活かし、第1工程で得られたメタン発酵液を、第2工程の固定膜発酵工程で用いることを特徴としている。それによって、スケールアップすることができ、第2工程のメタン発酵によって、さらに特定のメタン生成菌の量を向上させることができる。つまり、微生物の代謝及び微生物種間の相互作用を変化することができる。 The present invention is characterized in that the methane fermentation broth obtained in the first step is used in the fixed film fermentation step of the second step by utilizing the effect of the bioelectrochemical system (BES) in the first step. Thereby, it can be scaled up, and the amount of specific methanogens can be further increased by the methane fermentation in the second step. That is, it is possible to change the metabolism of microorganisms and the interaction between microbial species.

第2工程で用いる反応器としては、特に限定はなく、例えば、図1及び図4に示すような通常の箱型密閉容器だけでなく、様々な容器を用いることができる。また、反応器の素材としては、特に限定はなく、例えば、ガラス等が挙げられる。 The reactor used in the second step is not particularly limited, and for example, not only the usual box-shaped closed container as shown in FIGS. 1 and 4, but also various containers can be used. The material of the reactor is not particularly limited, and examples thereof include glass and the like.

第2工程で用いる反応器(発酵槽)の大きさ(容量)としては、特に限定はないが、例えば、下限として好ましくは100mL以上であり、より好ましくは250mL以上である。反応器の大きさの上限としては特に限定はなく、工業用スケール、例えば、300L~20,000L)の反応器(反応釜)で第2工程を行うことができる。本発明のメタン発酵促進方法を用いれば、容易にスケールアップすることができる。 The size (volume) of the reactor (fermenter) used in the second step is not particularly limited, but for example, the lower limit is preferably 100 mL or more, and more preferably 250 mL or more. The upper limit of the size of the reactor is not particularly limited, and the second step can be performed with an industrial scale, for example, a reactor (reactor) of 300 L to 20,000 L). By using the method for promoting methane fermentation of the present invention, it can be easily scaled up.

本発明のメタン発酵方法における第2工程(固定膜発酵工程;FFR)は、例えば、図1又は図4に示す装置により実施することができるが、これらに限定されるものではない。本発明の第2工程で用いる装置(固定膜発酵工程で用いる装置又はメタン発酵促進装置)は、前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部(以下、「固定膜発酵部」ということもある。)を備えている。 The second step (fixed membrane fermentation step; FFR) in the methane fermentation method of the present invention can be carried out by, for example, the apparatus shown in FIG. 1 or FIG. 4, but is not limited thereto. The apparatus used in the second step of the present invention (the apparatus used in the fixed membrane fermentation step or the methane fermentation promoting apparatus) brings the fermentation broth obtained in the bioelectrochemical treatment section into contact with the fixed membrane containing the conductive material. It is equipped with a fixed membrane fermentation unit (hereinafter, also referred to as "fixed membrane fermentation unit").

本発明のメタン発酵促進方法及びメタン発酵促進装置は、例えば、電極に電子を移動させる微生物、又は電極から電子を受け取る微生物を使用し、同時発電による廃水処理、水素又はメタンの電気化学的生産、淡水化等にも用いることができる。 The methane fermentation promoting method and the methane fermentation promoting apparatus of the present invention use, for example, a microorganism that transfers electrons to an electrode or a microorganism that receives electrons from an electrode, wastewater treatment by simultaneous power generation, electrochemical production of hydrogen or methane, and the like. It can also be used for desalination and the like.

第2工程における発酵液の温度としては、特に限定はなく、通常、室温(例えば、25℃)~80℃の範囲であり、好ましくは30~70℃であり、より好ましくは40~60℃である。 The temperature of the fermentation broth in the second step is not particularly limited, and is usually in the range of room temperature (for example, 25 ° C.) to 80 ° C., preferably 30 to 70 ° C., and more preferably 40 to 60 ° C. be.

第2工程における発酵時間としては、特に限定はなく、通常、1時間~1ヶ月の範囲であり、好ましくは1日~20日であり、より好ましくは3日~10日である。 The fermentation time in the second step is not particularly limited, and is usually in the range of 1 hour to 1 month, preferably 1 day to 20 days, and more preferably 3 days to 10 days.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
第1工程を生物電気化学システム(BES)で行い、第2工程を固定膜発酵工程(FFR)で行うメタン発酵促進方法について、図1の実験装置の断面図を示しながら、以下説明する。
第1工程(BES)
装置
第1工程は、生物電気化学システム(BES)でメタン発酵を行った。具体的に、BESは、図1に示すように、2つの反応器を有する3電極式H型ガラス反応器(各反応器の作用容量:250ml、総作用容量:500mL)内に、2つのカーボンシート(寸法2.5mm×75mm×2mmのグラファイトブロック)を、それぞれ作用電極(カソード、左側)及び対電極(アノード、右側)として配置した。
また、作用電極(カソード)側(左側)には、Ag/AgCl基準電極(飽和KCl)を挿入した。各反応器にステンレス鋼線を用いて、作用電極及び対電極を固定した。そして、ポテンショスタット(製品名:PS-08、東邦技研製)を、作用電極、対電極及び参照電極に結線した。また、各ガラス製反応器には、ガス採取袋(ガスパック)に接続されたガス排出口を1つずつ取り付けた。
作用電極の電流は、2.7μA/cmに電気化学的に調整し、制御した。
(Example 1)
A method for promoting methane fermentation in which the first step is carried out in a bioelectrochemical system (BES) and the second step is carried out in a fixed membrane fermentation step (FFR) will be described below with reference to a cross-sectional view of the experimental apparatus of FIG.
First step (BES)
Device
The first step was methane fermentation in a bioelectrochemical system (BES). Specifically, as shown in FIG. 1, the BES has two carbons in a three-electrode H-type glass reactor having two reactors (acting capacity of each reactor: 250 ml, total acting capacity: 500 mL). Sheets (graphite blocks measuring 2.5 mm × 75 mm × 2 mm) were placed as working electrodes (cathode, left side) and counter electrodes (anode, right side), respectively.
Further, an Ag / AgCl reference electrode (saturated KCl) was inserted on the working electrode (cathode) side (left side). A working electrode and a counter electrode were fixed to each reactor using stainless steel wire. Then, a potentiostat (product name: PS-08, manufactured by Toho Giken) was connected to the working electrode, counter electrode and reference electrode. In addition, each glass reactor was equipped with one gas outlet connected to a gas sampling bag (gas pack).
The current of the working electrode was electrochemically adjusted and controlled to 2.7 μA / cm 2 .

なお、実施例1では、第1工程を実施する実験装置として、図1の左側に示す実験装置を使用したが、図1に示す実験装置以外の装置を使用することも可能である。他の実験装置としては、例えば、図4の左側に示す実験装置が挙げられる。
図4に示す生物電気化学システム(BES)は、3電極式のガラス製箱型密閉反応器(500mL)内に、2つのカーボンシート(寸法2.5mm×75mm×2mmのグラファイトブロック)が、それぞれ作用電極(カソード、左側)及び対電極(アノード、右側)として配置されている。そして、作用電極(カソード)側(左側)には、Ag/AgCl基準電極(飽和KCl)が挿入されており、各反応器にステンレス鋼線を用いて、作用電極及び対電極が固定されている。また、ポテンショスタット(製品名:PS-08、東邦技研製)が、作用電極、対電極及び参照電極に結線されており、ガラス製箱型密閉反応器には、ガス採取袋(ガスパック)に接続されたガス排出口が1つ取り付けられている。
In Example 1, the experimental device shown on the left side of FIG. 1 was used as the experimental device for carrying out the first step, but it is also possible to use a device other than the experimental device shown in FIG. As another experimental device, for example, the experimental device shown on the left side of FIG. 4 can be mentioned.
In the bioelectrochemical system (BES) shown in FIG. 4, two carbon sheets (graphite blocks having dimensions of 2.5 mm × 75 mm × 2 mm) are contained in a three-electrode glass box-type sealed reactor (500 mL), respectively. It is arranged as a working electrode (cathode, left side) and a counter electrode (anode, right side). An Ag / AgCl reference electrode (saturated KCl) is inserted on the working electrode (cathode) side (left side), and the working electrode and counter electrode are fixed to each reactor using a stainless steel wire. .. In addition, a potentiostat (product name: PS-08, manufactured by Toho Giken) is connected to the working electrode, counter electrode and reference electrode, and the glass box-type sealed reactor is in a gas sampling bag (gas pack). One connected gas outlet is attached.

開始及び操作
第1工程のBESには、55℃で1%グルコースを分解するメタン発酵槽のスラッジ500mLを接種した。接種後、BESのカソード側とアノード側の発酵液を所定量ずつ排出し、同量の新鮮な人工培地を1日1回添加した。
人工培地は、脱イオン水中に、20g/Lのセルロース粉末(ナカライテスク株式会社製)、0.1g/LのKHPO、0.2g/LのKHPO、1g/Lの酵母エキス、2g/LのNaHCO、1g/LのNHCl、0.1g/LのMgCl・6HO、0.1g/LのCaCl・2HO、0.6g/LのNaCl、10mL/Lの微量元素溶液(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen [DSMZ] 141培地)、及び1mL/Lのビタミン溶液(DSMZ 141培地)を含むものである。
The BES in the first step of initiation and operation was inoculated with 500 mL of sludge from a methane fermenter that decomposes 1% glucose at 55 ° C. After inoculation, a predetermined amount of the fermentation broth on the cathode side and the anode side of BES was discharged, and the same amount of fresh artificial medium was added once a day.
The artificial medium was 20 g / L cellulose powder (manufactured by Nakaraitesk Co., Ltd.), 0.1 g / L KH 2 PO 4 , 0.2 g / L K 2 HPO 4 , 1 g / L yeast in deionized water. Extract, 2 g / L NaCl 3 , 1 g / L NH 4 Cl, 0.1 g / L MgCl 2.6H 2 O, 0.1 g / L CaCl 2.2H 2 O , 0.6 g / L NaCl It contains 10 mL / L trace element solution (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen [DSMZ] 141 medium) and 1 mL / L vitamin solution (DSMZ 141 medium).

第2工程(FFR)
第2工程は、固定膜反応器を用いてメタン発酵を行う固定膜発酵工程(FFR)である。具体的に、固定膜反応器として、ガラス製反応器(製品名:DURAN株式会社製、作用容量:250mL)内に、炭素繊維織物[製品名:ドナカーボ(登録商標)ペーパー、大阪ガスケミカル株式会社製);直径25.0mm、高さ70.0mm、厚さ2.4mm]2枚を設置したものを用いた。また、このガラス製反応器には、第1工程と同様に、ガス採取袋(ガスパック)を取り付けた。
前記反応器に、第1工程と同様のスラッジ250mLを接種した。接種後、反応器内の発酵液を、所定量排出し、1日1回、第1工程(BES)の上記排水(カソード側及びアノード側の混合液)を同量添加した。
第1工程(BES)の作用電極(カソード)側及び対電極(アノード)側の内容物は、マグネチックスターラーを用いて十分に混合した後、第2工程(FFR)の反応器に添加した。
培養物の温度は55℃に維持した。操作は3回に分けて行った。
Second step (FFR)
The second step is a fixed membrane fermentation step (FFR) in which methane fermentation is performed using a fixed membrane reactor. Specifically, as a fixed film reactor, a carbon fiber woven fabric [product name: Dona Carbo (registered trademark) paper, Osaka Gas Chemical Co., Ltd.) is contained in a glass reactor (product name: DURAN Co., Ltd., working capacity: 250 mL). (Manufactured); diameter 25.0 mm, height 70.0 mm, thickness 2.4 mm] Two sheets were installed. Further, a gas sampling bag (gas pack) was attached to the glass reactor as in the first step.
The reactor was inoculated with 250 mL of sludge similar to that in the first step. After inoculation, a predetermined amount of the fermented liquid in the reactor was discharged, and the same amount of the above-mentioned waste water (mixture of cathode side and anode side) of the first step (BES) was added once a day.
The contents of the working electrode (cathode) side and the counter electrode (anode) side of the first step (BES) were thoroughly mixed using a magnetic stirrer and then added to the reactor of the second step (FFR).
The temperature of the culture was maintained at 55 ° C. The operation was divided into three times.

(比較例1)
第1工程を非生物電気化学システム(NBES)で行い、第2工程を固定膜発酵工程(FFR)で行う。図2に比較例1で使用する実験装置の断面図を示す。
比較例1は、図2に示すように、第1工程において、参照電極を設けず、また、ガラス容器内のカーボンシートに電流を流さない以外は、実施例1と同様の方法で行った。
(Comparative Example 1)
The first step is carried out in a non-bioelectrochemical system (NBES) and the second step is carried out in a fixed membrane fermentation step (FFR). FIG. 2 shows a cross-sectional view of the experimental device used in Comparative Example 1.
As shown in FIG. 2, Comparative Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the reference electrode was not provided and the current was not passed through the carbon sheet in the glass container in the first step.

(比較例2)
第1工程を生物電気化学システム(BES)で行い、第2工程を非固定膜発酵工程(NFFR)で行う。図3に比較例2で使用する実験装置の断面図を示す。
比較例2は、図3に示すように、第2工程において、ガラス容器内に炭素繊維織物(CFT)からなる膜を配置しない以外は、実施例1と同様の方法で行った。
(Comparative Example 2)
The first step is carried out in a bioelectrochemical system (BES) and the second step is carried out in a non-fixed membrane fermentation step (NFFR). FIG. 3 shows a cross-sectional view of the experimental device used in Comparative Example 2.
As shown in FIG. 3, Comparative Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the film made of carbon fiber woven fabric (CFT) was not arranged in the glass container in the second step.

運転条件
実施例1、比較例1及び比較例2の運転条件を表1に示す。それぞれ、比較的長い水理学的滞留時間(HRT)で17日間運転して順応(馴化)させた後、比較的短いHRTで13日間運転して比較を行った。なお、水理学的滞留時間(HRT)とは、反応器内の全ての作用体積を置換する時間を意味する。
Operating conditions Table 1 shows the operating conditions of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Each was operated for 17 days with a relatively long hydraulic residence time (HRT) to acclimatize (acclimate), and then operated for 13 days with a relatively short HRT for comparison. The hydraulic residence time (HRT) means the time for replacing all the working volumes in the reactor.

Figure 2022057634000002
Figure 2022057634000002

水理学的滞留時間(HRT)が2.5日において、セルロースを主要な炭素源として含む合成培地を、セルロース負荷量3555.6mg-炭素(C)/L/日で実施例1及び比較例1の第1工程の反応容器に添加した。第1工程の運転中、実施例1の投入時pH(6.1)は低下して、排出時pHが5.2±0.3となった。また、比較例1の投入時pH(6.1)も低下して、排出時pHが、5.2±0.2となった。このため、セルロースの大部分は消費されることなく残存し、第1工程後の懸濁物質(SS)の除去量は、実施例1では11.4±4.3%、比較例1では11.6±4.3%であった。
実施例1の第1工程(BES)に続く第2工程FFR[BES→FFR]と、比較例1の第1工程(NBES)に続く第2工程FFR[NBES→FFR]では、投入時pHは、6.1から7.5に上昇し(中性化し)、排出時pHは、それぞれ6.8±0、及び6.4±0.4となった。
上記運転条件に従い、以下の試験例1~試験例6を行った。
Example 1 and Comparative Example 1 were prepared with a synthetic medium containing cellulose as a main carbon source at a hydraulic residence time (HRT) of 2.5 days and a cellulose loading of 3555.6 mg-carbon (C) / L / day. Was added to the reaction vessel of the first step. During the operation of the first step, the pH at the time of charging (6.1) of Example 1 decreased, and the pH at the time of discharging became 5.2 ± 0.3. In addition, the pH at the time of charging (6.1) of Comparative Example 1 also decreased, and the pH at the time of discharging became 5.2 ± 0.2. Therefore, most of the cellulose remains without being consumed, and the amount of suspended solids (SS) removed after the first step is 11.4 ± 4.3% in Example 1 and 11 in Comparative Example 1. It was 0.6 ± 4.3%.
In the second step FFR [BES → FFR] following the first step (BES) of Example 1 and the second step FFR [NBES → FFR] following the first step (NBES) of Comparative Example 1, the pH at the time of charging is , 6.1 to 7.5 (neutralized), and the pH at discharge was 6.8 ± 0 and 6.4 ± 0.4, respectively.
The following Test Examples 1 to 6 were performed according to the above operating conditions.

<試験例1>
反応器中の微生物共同体の微生物16S rRNA遺伝子配列分析
実施例1(第1工程(BES)→第2工程(FFR))及び比較例1(第1工程(NBES)→第2工程(FFR))において、下記に示す各測定箇所の真正細菌数を測定した。
まず、実施例1及び比較例1で成長させた微生物組成物を、表1に示すとおり、それぞれ2.5日及び4.2日のHRTで調べた。
なお、真正細菌数(微生物濃度)は、リアルタイムPCRにより測定した。実施例1の第1工程の反応器のカソードの懸濁画分(BES-カソード)、及びアノードの懸濁画分(BES-アノード)、第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)、及び第2工程の反応器の炭素繊維織物(CFT)膜上の付着画分(FFR-C)について16S rRNA遺伝子コピー数を求めた。
同様に、比較例1の第1工程の反応器の左側の懸濁画分(NBES-左側)、及び右側の懸濁画分(NBES-右側)、第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)、及び第2工程の反応器のCFT膜上の付着画分(FFR-C)について16S rRNA遺伝子コピー数を求めた。これらの結果を表2に示す。
<Test Example 1>
Microbial 16S rRNA gene sequence analysis of the microbial community in the reactor
In Example 1 (1st step (BES) → 2nd step (FFR)) and Comparative Example 1 (1st step (NBES) → 2nd step (FFR)), the number of eubacteria at each measurement point shown below is determined. It was measured.
First, the microbial compositions grown in Example 1 and Comparative Example 1 were examined by HRT for 2.5 days and 4.2 days, respectively, as shown in Table 1.
The number of eubacteria (microorganism concentration) was measured by real-time PCR. The suspended fraction of the cathode of the reactor of the first step (BES-cathode), the suspended fraction of the anode (BES-anode), and the suspended fraction of the reactor of the second step (FFR) of Example 1. , And the 16S rRNA gene copy count was determined for the adherent fraction (FFR-C) on the carbon fiber fabric (CFT) membrane of the reactor in the second step.
Similarly, the suspension fraction on the left side of the reactor in the first step (NBES-left side), the suspension fraction on the right side (NBES-right side), and the suspension fraction in the reactor in the second step of Comparative Example 1. The 16S rRNA gene copy count was determined for (FFR) and the adherent fraction (FFR-C) on the CFT membrane of the reactor in the second step. These results are shown in Table 2.

Figure 2022057634000003
Figure 2022057634000003

結果
表2より、以下のことがわかった。
実施例1の第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びBES-アノード)及び比較例1の第1工程の反応器の懸濁画分(NBES-左側及びNBES-右側)は、pH条件がそれぞれ低いために微生物濃度が低かった。
実施例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)及び比較例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)は、それぞれ第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びBES-アノード、又はBES-カソード及びBES-アノード)に比べて微生物濃度が上昇した。
実施例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)の浮遊微生物濃度は、比較例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)の浮遊微生物濃度に比べて相対的に高かった。
また、実施例1の第2工程のCFT膜上の付着画分(FFR-C)、及び比較例1の第2工程のCFT膜上の付着画分(FFR-C)のともに、CFT膜に付着した画分中の微生物濃度が高かった。
From the result table 2, the following was found.
The suspension fractions of the first step reactor of Example 1 (BES-cathode and BES-anode) and the suspension fractions of the first step reactor of Comparative Example 1 (NBES-left side and NBES-right side) , The microbial concentration was low due to the low pH conditions.
The suspension fraction (FFR) of the reactor of the second step of Example 1 and the suspension fraction (FFR) of the reactor of the second step of Comparative Example 1 are the suspension fractions of the reactor of the first step, respectively. The microbial concentration was increased compared to the minutes (BES-cathode and BES-anode, or BES-cathode and BES-anode).
The concentration of airborne microorganisms in the suspension fraction (FFR) of the second step reactor of Example 1 is relative to the concentration of airborne microorganisms in the suspension fraction (FFR) of the second step reactor of Comparative Example 1. It was expensive.
Further, both the adhered fraction (FFR-C) on the CFT film of the second step of Example 1 and the adhered fraction (FFR-C) on the CFT film of the second step of Comparative Example 1 were applied to the CFT film. The concentration of microorganisms in the attached fraction was high.

<試験例2>
実施例1(第1工程(BES)→第2工程(FFR))及び比較例1(第1工程(NBES)→第2工程(FFR))において、リード数、OTU数、シャノン指数、及びFaithの系統的多様性指数を以下のとおり測定した。
<Test Example 2>
In Example 1 (first step (BES) → second step (FFR)) and Comparative Example 1 (first step (NBES) → second step (FFR)), the number of reads, the number of OTUs, the Shannon index, and Faith. The systematic diversity index of was measured as follows.

リード数(微生物群集分析)
原核生物16S rRNA遺伝子のV3-V4領域は、ゲノムDNAを鋳型として、プライマーPro341F(5’-CCTACGGGNBGCWSCAG-3’)及びPro805R(5’-GACTACNVGGGTATCTAATCC-3’)を用いて増幅した。
PCR増幅は、Takagi R, Sasaki K, Sasaki D, Fukuda I, Tanaka K, Yoshida K, Kondo A, Osawa R. A single-batch fermentation system to simulate human colonic microbiota for high-throughput evaluation of prebiotics. PLos ONE. 2016;11:e0160533.に記載の方法で行った。
ここで、N、B、W、及びVは、それぞれ、特開2011-224539号公報に記載された方法どおり、退化ヌクレオチドA/C/G/T、G/T/C、A/T、及びA/C/Gに対応している。
ポリメラーゼ連鎖反応及びアンプリコンプールの調製は、製造業者の指示(イルミナ社)に従って行った。
アンプリコンをAMPure XP DNA精製ビーズ(ベックマン・コールター社)を用いて精製し、10mM Tris(pH8.5)の25μL中に溶出した。
精製されたアンプリコンを、DNA 1000チップ(アジレント・テクノロジー社、)とQubit(登録商標)2.0装置(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を備えたAgilent 2100 バイオアナライザ電気泳動システムを用いて定量し、等モル濃度(5nM)でプールした。
16S rRNA遺伝子及び内部コントロール(Phix コントロール v3;イルミナ社)を、MiSeqシステム装置(ルミナ株式会社)及びMiSeq Reagent Kit, v3(600 cucles; Illumina)を用いて、ペアエンドシークエンシングに供した。PhiX配列を除去し、Qスコア≧20のペアエンドリードを、Illumina Basespace Sequence Hub(https://bases pace.Illumina.com/)上のFASTQ Generationに従って実行されたAutomated CASAVA 1.8 paired-end demipultlexed fastqを用いて接合した。
配列データの配列品質管理と機能テーブルの構築は、DADA2パイプラインを用いてQIIME 2 version 2018.2で行い、修正した。その結果を表3に示す。
Number of leads (microbial community analysis)
The V3-V4 region of the prokaryotic 16S rRNA gene was amplified using primers Pro341F (5'-CCTACGGGNBGCWSCAG-3') and Pro805R (5'-GACTACNVGGGTATCTAATCC-3') using genomic DNA as a template.
PCR amplification is performed by Takagi R, Sasaki K, Sasaki D, Fukuda I, Tanaka K, Yoshida K, Kondo A, Osawa R. A single-batch fermentation system to simulate human colonic microbiota for high-throughput evaluation of prebiotics. PLos ONE. 2016; 11: e0160533. It was done by the method described.
Here, N, B, W, and V are denatured nucleotides A / C / G / T, G / T / C, A / T, and each, as described in JP-A-2011-224039, respectively. It corresponds to A / C / G.
The polymerase chain reaction and the preparation of the amplicon pool were carried out according to the manufacturer's instructions (Illumina).
Amplicon was purified using AMPure XP DNA purified beads (Beckman Coulter) and eluted in 25 μL of 10 mM Tris (pH 8.5).
Purified amplicons are quantified using an Agilent 2100 bioanalyzer electrophoresis system equipped with a DNA 1000 chip (Agilent Technologies, Inc.) and a Qubit® 2.0 device (Thermo Fisher Scientific). , Pooled at an equimolar concentration (5 nM).
16S rRNA genes and internal controls (Phix Control v3; Illumina) were subjected to pair-end sequencing using a MiSeq system device (Lumina KK) and MiSeq Reagent Kit, v3 (600 cucles; Illumina). PhiX sequences were removed and paired-end reads with a Q score of ≧ 20 were performed using Automated CASAVA 1.8 paired-end demipultlexed fastq performed according to FASTQ Generation on the Illumina Basespace Sequence Hub (https://bases pace.Illumina.com/). Joined.
The sequence quality control of the sequence data and the construction of the function table were performed in QIIME 2 version 2018.2 using the DADA2 pipeline and corrected. The results are shown in Table 3.

OTU数
OTU(Operational Taxonomic Units;操作的分類単位)数は、種の数をおおよそ表している。OTUの分類学的構成は、単純ベイズ分類器(Naive Bayes classifier)を介して分類した。この分類器は、Greengenes 13_8 99% OTU完全長配列データベース上で分析した。その結果を表3に示す。
Number of OTUs The number of OTUs (Operational Taxonomic Units) roughly represents the number of species. The taxonomic composition of OTUs was classified via a naive Bayes classifier. This classifier was analyzed on a Greengenes 13_8 99% OTU full-length sequence database. The results are shown in Table 3.

シャノン指数及びFaithの系統的多様性指数
シャノン指数及びFaithの系統的多様性は、OTUデータから、α-多様性推定に用いた。α-多様性とは、ある1つのサンプルの多様性を表す。土壌、腸等を対象にした菌叢解析において、微生物群集構造の多様性を比較する際に、α-多様性といった指標を用いることがある。すなわち、サンプル固有の指標で、値が大きいほど種の多様性が高い。指標によって「観測された種の数」と「それぞれの種が均等に観測されること」のどちらを重視するのかが異なる。
シャノン指数とは、Shannon CE. A mathematical theory of communication. Bell Syst Tech J. 1948;27:623-56.、及びShannon CE. A mathematical theory of communication. Bell Syst Tech J. 1948;27:379-423.に記載されている。
Faithの系統的多様性とは、Faith DP. Conservation evaluation and phylogenetic diversity. Biol Conserv. 1992;61:1-10.に記載されている。
微生物種の多様性は、シャノン指数で表され、Faithの系統的多様性は、種の豊富さと相関している。その結果を表3に示す。
Shannon Index and Faith Systematic Diversity Index The Shannon Index and Faith systematic diversity were used for α-diversity estimation from OTU data. α-diversity refers to the diversity of a sample. In the bacterial flora analysis of soil, intestine, etc., an index such as α-diversity may be used when comparing the diversity of microbial community structures. That is, it is a sample-specific index, and the larger the value, the higher the species diversity. Depending on the index, it depends on whether "the number of observed species" or "each species is observed evenly" is emphasized.
The Shannon Index is Shannon CE. A mathematical theory of communication. Bell Syst Tech J. 1948; 27: 623-56. And Shannon CE. A mathematical theory of communication. Bell Syst Tech J. 1948; 27: 379-423. .It is described in.
The phylogenetic diversity of Faith is described in Faith DP. Conservation evaluation and phylogenetic diversity. Biol Conserv. 1992; 61: 1-10.
Microbial species diversity is expressed in Shannon index, and Faith's systematic diversity correlates with species abundance. The results are shown in Table 3.

Figure 2022057634000004
Figure 2022057634000004

結果
表3より、以下のことがわかった。
リード数
原核生物ユニバーサルプライマーとMiSeqプラットフォーム(イルミナ社)とを組み合せて同時に使用し、各シーケンシング反応で得られた実施例1(BES-カソード、BES-アノード、FFR、及びFFR-C)、及び比較例1(NBES-左側、NBES-右側、FFR、及びFFR-C)のリード数を合計し、平均したところ、196,444(±29,391)となった。
From the result table 3, the following was found.
Number of leads
Example 1 (BES-cathode, BES-anode, FFR, and FFR-C) obtained by each sequencing reaction using a combination of a prokaryotic universal primer and a MiSeq platform (Illumina) at the same time, and a comparative example. The number of reads of 1 (NBES-left side, NBES-right side, FFR, and FFR-C) was totaled and averaged to be 196,444 (± 29,391).

観察されたOTU数
実施例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)のOTU数、及び比較例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)のOTU数は、pH条件の違いにより、それぞれ実施例1の第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びアノード)のOTU数、及び比較例1の第1工程の反応器の懸濁画分(NBES-右側及び左側)のOTU数に比べて高かった。
Number of OTUs observed The number of OTUs in the suspension fraction (FFR) of the reactor in the second step of Example 1 or the adherent fraction (FFR-C) on the CFT film, and the reaction of the second step of Comparative Example 1. The number of OTUs of the suspension fraction (FFR) or the adhesion fraction (FFR-C) on the CFT film of the vessel depends on the difference in pH conditions, respectively, depending on the difference in the pH conditions, the suspension fraction of the reactor in the first step of Example 1 (FFR-C). It was higher than the number of OTUs of BES-cathode and anode) and the number of OTUs of the suspension fractions (NBES-right side and left side) of the reactor in the first step of Comparative Example 1.

シャノン指数
実施例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)のシャノン指数は、第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びアノード)のシャノン指数よりも高い値を示したが、比較例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)のシャノン指数は、第1工程の反応器の懸濁画分(NBES-右側及び左側)のシャノン指数よりも低い値を示した。
その結果、実施例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)のシャノン指数の値は、それぞれ、比較例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)よりも高かった。
Shannon index The Shannon index of the suspension fraction (FFR) of the reactor of the second step of Example 1 or the adhesion fraction (FFR-C) on the CFT film is the suspension fraction of the reactor of the first step (FFR). Although it showed a value higher than the Shannon index of BES-cathode and anode), it was the suspension fraction (FFR) of the reactor of the second step of Comparative Example 1 or the adhesion fraction (FFR-C) on the CFT film. The Shannon index was lower than the Shannon index of the suspension fractions (NBES-right and left) of the reactor in the first step.
As a result, the values of the Shannon index of the suspension fraction (FFR) of the reactor in the second step of Example 1 or the adherent fraction (FFR-C) on the CFT membrane are the values of the second step of Comparative Example 1, respectively. It was higher than the suspension fraction (FFR) of the reactor or the adhesion fraction (FFR-C) on the CFT membrane.

Faithの系統的多様性
実施例1及び比較例1の第2工程の反応器の懸濁画分(FFR)又はCFT膜上の付着画分(FFR-C)におけるFaithの系統的多様性の値は、それぞれ実施例1の第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びアノード)及び比較例1の第1工程の反応器の懸濁画分(NBES-右側及び左側)の値よりも高かった。
つまり、実施例1では、α-多様性値(シャノン指数及びFaithの系統的多様性)が、CFT膜への付着画分(FFR-C)の方が、反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)よりも高い値を示した。
Faith systematic diversity Value of Faith systematic diversity in the suspension fraction (FFR) or adherent fraction (FFR-C) of the reactor in the second step of Example 1 and Comparative Example 1. Are the values of the suspension fraction (BES-cathode and anode) of the reactor of the first step of Example 1 and the suspension fraction (NBES-right side and left side) of the reactor of the first step of Comparative Example 1, respectively. Was higher than.
That is, in Example 1, the α-diversity value (Shannon index and systematic diversity of Faith) is higher than that of the fraction attached to the CFT membrane (FFR-C), which is the suspension (floating) fraction of the reactor. It showed a value higher than the minute (FFR).

<試験例3>
実施例1(第1工程としてBESを行い、第2工程としてFFRを行うメタン発酵方法;BES→FFR)と、比較例1(第1工程としてNBESを行い、第2工程としてFFRを行うメタン発酵方法;NBES→FFR)のそれぞれにおいて、第1工程終了後、及び第2工程終了後に、生成ガス及び生成物を下記の方法で分析した。
なお、実施例1では、第1工程において、電極として低反応性炭素(カーボン)シート(すなわち、グラファイトブロック)を用い、カソード作動電極に流れる電流を2.7μA/cmと低めに調整することで、発酵が進むにつれて起こる水素(H)の生成を排除することができる。
よって、実施例1と比較例1とを比較することで、有機性基質からの微生物によるCH生成に対する影響を調べることができる。
第1工程におけるH型反応器の両側の反応器性能は、実施例1のカソード側及びアノード側と、比較例1の左側及び右側とでは、同様であったので、以下、第1工程の数値は、実施例1ではカソード側の値及びアノード側の値の平均値、比較例1では左側の値及び右側の値の平均値とする。
<Test Example 3>
Example 1 (methane fermentation method in which BES is performed as a first step and FFR is performed as a second step; BES → FFR) and Comparative Example 1 (NBES is performed as a first step and FFR is performed as a second step) methane fermentation. Methods; In each of NBES → FFR), the produced gas and the product were analyzed by the following methods after the completion of the first step and after the completion of the second step.
In Example 1, a low-reactivity carbon sheet (that is, a graphite block) is used as an electrode in the first step, and the current flowing through the cathode actuated electrode is adjusted to a low value of 2.7 μA / cm 2 . Therefore, it is possible to eliminate the production of hydrogen (H 2 ) that occurs as the fermentation progresses.
Therefore, by comparing Example 1 and Comparative Example 1, the effect of microorganisms on CH4 production from organic substrates can be investigated.
The reactor performance on both sides of the H-type reactor in the first step was the same on the cathode side and the anode side of Example 1 and on the left and right sides of Comparative Example 1. Is the average value of the cathode side value and the anode side value in Example 1, and the average value of the left side value and the right side value in Comparative Example 1.

生成ガス量(CH 、CO 、及びH
生成ガス量は、目盛り付きボンベを用いた水置換法により測定した。
ガス中のCH、CO、及びHの含有量は、熱伝導率検出器(GC390B;ジーエルサイエンス株式会社製)と、活性炭を充填したステンレス製カラム(30/60メッシュ;ジーエルサイエンス株式会社製)とを備えたガスクロマトグラフィー(ジーエルサイエンス株式会社製)を用いて、特開2011-224539号公報に記載された方法と同様の方法で測定した。その結果を表4及び図5に示す。
Amount of gas produced (CH 4 , CO 2 , and H 2 )
The amount of produced gas was measured by a water substitution method using a graduated cylinder.
The contents of CH 4 , CO 2 and H 2 in the gas are determined by a thermal conductivity detector (GC390B; manufactured by GL Sciences Co., Ltd.) and a stainless steel column (30/60 mesh; GL Sciences Co., Ltd.) filled with activated charcoal. The measurement was carried out by the same method as described in JP-A-2011-224039, using gas chromatography (manufactured by GL Sciences Co., Ltd.). The results are shown in Table 4 and FIG.

Figure 2022057634000005
Figure 2022057634000005

結果
表4及び図5より、実施例1の第1工程(BES)及び比較例1の第1工程(NBES)において、バイオガス(CH、CO及びH)の生成が抑制されていることがわかった。
CHを含むバイオガス生成率は、実施例1の方が、比較例1よりもはるかに高かった。
Results From Table 4 and FIG. 5, the production of biogas (CH 4 , CO 2 and H 2 ) is suppressed in the first step (BES) of Example 1 and the first step (NBES) of Comparative Example 1. I understand.
The biogas production rate containing CH 4 was much higher in Example 1 than in Comparative Example 1.

生成物の量(酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、及びエタノール)
酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、及びエタノールの量(濃度)は、Aminex HPX-87Hカラム(バイオ-ラッドラボラトリーズ社)及び屈折率検出器(RID-10A、株式会社島津製作所)を備えた高圧液体クロマトグラフィー(株式会社島津製作所)を用いて測定した。その結果を表5及び図6に示す。
Amount of product (acetic acid, propionic acid, butanoic acid, and ethanol)
The amount (concentration) of acetic acid, propionic acid, butanoic acid, and ethanol is determined by high performance liquid chromatography equipped with an Aminex HPX-87H column (Bio-Radola Volatries) and a refractive index detector (RID-10A, Shimadzu Corporation). It was measured using a graph (Shimadzu Corporation). The results are shown in Table 5 and FIG.

Figure 2022057634000006
Figure 2022057634000006

結果
表5及び図6より、実施例1における第1工程(BES)及び比較例1における第1工程(NBES)後の発酵液中の生成物は、その大部分が、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸等の短鎖脂肪酸(SCFA)及びエタノールで占められていたことがわかった。
また、第2工程後のSCFA及びエタノールの濃度は、実施例1の方が、比較例1に比べて低かった。
Results From Table 5 and FIG. 6, most of the products in the fermentation broth after the first step (BES) in Example 1 and the first step (NBES) in Comparative Example 1 are acetic acid, propionic acid, and butane. It was found that it was occupied by short-chain fatty acids (SCFA) such as acid and ethanol.
In addition, the concentrations of SCFA and ethanol after the second step were lower in Example 1 than in Comparative Example 1.

炭素量(CH 、CO 、SCFA+エタノール、残渣C-SS)
実施例1において、第1工程後の廃液(発酵液)を、第2工程の反応容器に添加した。また、比較例1において、第1工程後の廃液(発酵液)を、第2工程の反応容器に添加した。これらは、SS(Suspended Substance;固形浮遊物(懸濁固体))とSCFA+エタノールからなる残留炭素(C)を、第2工程(FFR)に添加することを意味する。
なお、これらの廃液(発酵液)は、懸濁液となっているため、ガラス繊維フィルター(0.45μm)でろ過し、培養物中のSSを決定し、繊維上の残渣を105℃で120分間乾燥させ、乾燥重量を測定し、以下のようにSSの除去率、固形浮遊物(SS)中の残留炭素(C)量、及びCHの収率を求めた。それらの結果を、表6、表7及び図7に示す。
Carbon content (CH 4 , CO 2 , SCFA + ethanol, residue C-SS)
In Example 1, the waste liquid (fermentation liquid) after the first step was added to the reaction vessel of the second step. Further, in Comparative Example 1, the waste liquid (fermentation liquid) after the first step was added to the reaction vessel of the second step. These mean that the residual carbon (C) consisting of SS (Suspended Substance) and SCFA + ethanol is added to the second step (FFR).
Since these waste liquids (fermented liquids) are suspensions, they are filtered with a glass fiber filter (0.45 μm) to determine the SS in the culture, and the residue on the fibers is 120 at 105 ° C. After drying for a minute, the dry weight was measured, and the removal rate of SS, the amount of residual carbon (C) in the solid suspended matter (SS), and the yield of CH 4 were determined as follows. The results are shown in Tables 6, 7 and 7.

<SSの除去率(%)>
SSの除去率(%)は、下記式1のとおり、発酵前(投入時)と発酵後(排出時)の重量差から計算した。
<SS removal rate (%)>
The SS removal rate (%) was calculated from the weight difference between before fermentation (at the time of input) and after fermentation (at the time of discharge) as shown in Equation 1 below.

Figure 2022057634000007
Figure 2022057634000007

ここで、SSinletは、投入時におけるSSの負荷重量であり、SSoutletは、排出時における発酵後のSSの残留重量である。 Here, SS inlet is the load weight of SS at the time of charging, and SS outlet is the residual weight of SS after fermentation at the time of discharging.

<固形浮遊物(SS)中の残留炭素(C)量>
固形浮遊物(SS)中の残留炭素(C)量(残渣C-SS)は、SS重量に72/162[:6C/(セルロース分子量)]を乗じて計算した。
<Amount of residual carbon (C) in solid suspended matter (SS)>
The amount of residual carbon (C) (residual C-SS) in the solid suspended matter (SS) was calculated by multiplying the SS weight by 72/162 [: 6C / (cellulose molecular weight)].

<CHの収率>
CHの収率は、グラム炭素ベースで計算し、下記式2のように計算した。
<Yield of CH 4 >
The yield of CH 4 was calculated on a gram carbon basis and calculated as in Equation 2 below.

Figure 2022057634000008
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Figure 2022057634000009
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Figure 2022057634000010
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結果
表7のとおり、第2工程(FFR)の運転中、実施例1の投入時pH(7.5)は低下して、排出時pHが6.8±0.0となった。また、比較例1の投入時pH(7.5)も低下して、排出時pHが、6.4±0.4となった。
実施例1の第2工程(FFR)におけるSS除去率は、90.7±2.2%であり、比較例1の第2工程(FFR)におけるSS除去率(66.9±1.1%)よりもはるかに高かった(表7)。
また、実施例1は、第1工程及び第2工程を行うことで、CH収率が37.5±1.4%、ガス中のCH含有量が52.8±0.3vol%となった。一方、比較例1では、CH収率が22.1±1.4%、ガス中のCH含有量が46.8±1.3vol%となることがわかった(表6及び図7参照)。
表7のとおり、水理学的滞留時間(HRT)が2.5日において、セルロースを主要な炭素源として含む合成培地を、セルロース負荷量3555.6mg-炭素(C)/L/日で実施例1及び比較例1の第1工程の反応容器に添加した。第1工程の運転中、実施例1の投入時pH(6.1)は低下して、排出時pHが5.2±0.3となった。
一方、比較例1の投入時は、pH(6.1)も低下して、排出時は、pHが5.2±0.2となった。このため、セルロースの大部分は消費されることなく残存し、第1工程後の懸濁物質(SS)の除去率は、実施例1では11.4±4.3%、比較例1では11.6±4.3%であった。
Results As shown in Table 7, during the operation of the second step (FFR), the pH at the time of charging (7.5) of Example 1 decreased, and the pH at the time of discharging became 6.8 ± 0.0. In addition, the pH at the time of charging (7.5) of Comparative Example 1 also decreased, and the pH at the time of discharging became 6.4 ± 0.4.
The SS removal rate in the second step (FFR) of Example 1 was 90.7 ± 2.2%, and the SS removal rate (66.9 ± 1.1%) in the second step (FFR) of Comparative Example 1. ) Much higher (Table 7).
Further, in Example 1, by performing the first step and the second step, the CH 4 yield was 37.5 ± 1.4%, and the CH 4 content in the gas was 52.8 ± 0.3 vol%. became. On the other hand, in Comparative Example 1, it was found that the CH 4 yield was 22.1 ± 1.4% and the CH 4 content in the gas was 46.8 ± 1.3 vol% (see Table 6 and FIG. 7). ).
As shown in Table 7, a synthetic medium containing cellulose as a main carbon source with a hydraulic residence time (HRT) of 2.5 days was used as an example with a cellulose loading of 3555.6 mg-carbon (C) / L / day. 1 and Comparative Example 1 were added to the reaction vessel of the first step. During the operation of the first step, the pH at the time of charging (6.1) of Example 1 decreased, and the pH at the time of discharging became 5.2 ± 0.3.
On the other hand, when Comparative Example 1 was added, the pH (6.1) also decreased, and when discharged, the pH became 5.2 ± 0.2. Therefore, most of the cellulose remains without being consumed, and the removal rate of suspended solids (SS) after the first step is 11.4 ± 4.3% in Example 1 and 11 in Comparative Example 1. It was 0.6 ± 4.3%.

<試験例4>
微生物の相対存在率(%)
実施例1及び比較例1において、それぞれの発酵液(培養液)中の微生物、及び固定膜(炭素繊維織物(CFT)膜)に付着した画分(微生物)の相対存在率(%)を、特開2011-224539号公報に記載された方法と同様の方法で測定した。
具体的には、各発酵液(培養液)5000μLを、5000×gで遠心分離し、ペレット化したものを200μLのTris-EDTA緩衝液(10mM Tris-HCl、1mM EDTA、pH8.0)に懸濁させた。または、付着した画分(微生物)をボルテックスして、5000μLのTris-EDTA緩衝液中に回収し、そして、遠心分離後のペレット化した材料を上記のように200μLのTris-EDTA緩衝液中に懸濁させた。
これらの懸濁物は、それぞれ300mgのガラスビーズ(直径:0.1mm)、Tris-EDTA飽和フェノール500μL、溶解緩衝液250μL、及び10%(w/v)ドデシル硫酸ナトリウム50μLを各チューブに添加した。次いで、この混合物をFatPrep-24装置(エムピーバイオメディカルズ社)を用いて、5.0m/sで30秒間激しく振盪した。次に、混合物を22,000×gで5分間遠心分離した。上部水性層を、275μLのイソプロピルアルコール及び1/10容量の3M酢酸ナトリウムを含む清潔なチューブに移し、-20℃で10~15分間冷却した。抽出したDNA沈殿物は、22,000×gで5分間遠心分離し、70%エタノールで洗浄した後、真空下で乾燥させた。その後、DNAをTris-EDTA緩衝液に溶解した。
<Test Example 4>
Relative abundance of microorganisms (%)
In Example 1 and Comparative Example 1, the relative abundance (%) of the microorganisms in the respective fermentation broths (culture broths) and the fractions (microorganisms) attached to the fixing film (carbon fiber woven fabric (CFT) film) was determined. The measurement was carried out by the same method as that described in JP-A-2011-224039.
Specifically, 5000 μL of each fermentation broth (culture broth) was centrifuged at 5000 × g, and the pellets were suspended in 200 μL of Tris-EDTA buffer (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8.0). I made it muddy. Alternatively, the attached fraction (microorganism) is vortexed and recovered in 5000 μL Tris-EDTA buffer, and the pelleted material after centrifugation is placed in 200 μL Tris-EDTA buffer as described above. Suspended.
For each of these suspensions, 300 mg of glass beads (diameter: 0.1 mm), 500 μL of Tris-EDTA saturated phenol, 250 μL of lysis buffer, and 50 μL of 10% (w / v) sodium dodecyl sulfate were added to each tube. .. The mixture was then vigorously shaken at 5.0 m / s for 30 seconds using a FatPrep-24 device (MP Biomedicals). The mixture was then centrifuged at 22,000 xg for 5 minutes. The upper aqueous layer was transferred to a clean tube containing 275 μL of isopropyl alcohol and 1/10 volume of 3M sodium acetate and cooled at −20 ° C. for 10-15 minutes. The extracted DNA precipitate was centrifuged at 22,000 × g for 5 minutes, washed with 70% ethanol, and then dried under vacuum. The DNA was then dissolved in Tris-EDTA buffer.

微生物組成の測定(リアルタイムPCR解析)
実施例1及び比較例1の微生物組成は、リアルタイムPCRを用いて測定した。このリアルタイムPCRは、真正細菌を標的とするユニバーサルプライマーセット(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAGT-3’及び5’-GTATTACCGCGGCTGCTGGCAC-3’)を有するLightCycler(登録商標)96システム(ロシュ社)を用いて、全細菌を定量するために実施した。その結果を表8及び図8に示す。
Measurement of microbial composition (real-time PCR analysis)
The microbial composition of Example 1 and Comparative Example 1 was measured using real-time PCR. This real-time PCR was performed using a LightCycler® 96 system (Roche) with universal primer sets (5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAGT-3'and 5'-GTATTACCGCGGCTGCTGGCAC-3') targeting eubacteria. Was carried out to quantify. The results are shown in Table 8 and FIG.

表8の微生物の種類は、下記のとおりである。
A: Methanobacterium sp.
B: Methanothermobacter thermautotrophicus
C: Methanosarcina sp.
D: Anaerolineae; CFB-26
E: Ureibacillus sp.
F: Unclassified Haloplasmataceae
G: Unclassified Clostridiales
H: Unclassified Clostridium
I: Clostridium sp.
J: Thermoanaerobacterium saccharolyticum
K: Lutispora sp.
L: Coprococcus sp.
M: Unclassified Peptococcaceae
N: Unclassified Ruminococcaceae
O: Ruminococcus sp.
P: Syntrophomonas sp.
Q: Unclassified Veillonellaceae
R: Tepidimicrobium sp.
S: Clostridia; MBA08
T: Clostridia; SHA08
U: Others
V: Unclassified bactria
The types of microorganisms in Table 8 are as follows.
A: Methanobacterium sp.
B: Methanothermobacter thermautotrophicus
C: Methanosarcina sp.
D: Anaerolineae; CFB-26
E: Ureibacillus sp.
F: Unclassified Haloplasmataceae
G: Unclassified Clostridiales
H: Unclassified Clostridium
I: Clostridium sp.
J: Thermoanaerobacterium saccharolyticum
K: Lutispora sp.
L: Coprococcus sp.
M: Unclassified Peptococcaceae
N: Unclassified Ruminococcaceae
O: Ruminococcus sp.
P: Syntrophomonas sp.
Q: Unclassified Veillonellaceae
R: Tepidimicrobium sp.
S: Clostridia; MBA08
T: Clostridia; SHA08
U: Others
V: Unclassified bactria

Figure 2022057634000011
Figure 2022057634000011

結果
その結果、大部分の微生物は、実施例1の第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びBES-アノード)及び第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)、並びに、比較例1の第1工程の反応器の懸濁画分(NBES-右側及びNBES-左側)及び第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)と、実施例1の第2工程のCFT膜に付着した画分(FFR-C)、比較例1の第2工程のCFT膜に付着した画分(FFR-C)の中では、3つの系統(門)(Euryarchaeota, Chloroflexi, Firmicutes)に分類されていた。
実施例1の第1工程の反応器の懸濁画分(BES-カソード及びアノード)及び比較例1の第1工程の反応器の懸濁画分(NBES-右側及び左側)では、主にThermoanaerobacterium saccharolyticum(上記菌の種類J)に関連する細菌からなるFirmicutesが支配的であった。
実施例1の第1工程ではClostridium sp.とRuminococcus sp.に関連する細菌が他の主要な微生物であり、比較例1の第1工程ではさらにUnclassiified Clostridialesに関連する細菌が主要であった。
実施例1の第1工程、及び比較例1の第1工程ではpHが低いため、メタン生成菌はほとんど検出されなかった。
実施例1の第2工程、及び比較例1の第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分及びCFT膜への付着画分では、Clostridium sp.に関連する細菌が主要な生物であり、特に、比較例1の第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)では最も多くを占めており、微生物の多様性が低いことに対応していた。
実施例1の第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)では、Unclassified ClostridialesとClostridia; MBA08に関連する細菌が他の主要な微生物であった。
Methanobacterium sp.(菌の種類:A)の相対的な存在量は、実施例1の第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)では、2.585%であったことから、比較例1の第2工程の反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)の1.408%に比べて高かった。
興味深いことに、実施例1の第2工程のCFT膜への付着画分(FFR-C)では、比較例1の第2工程のCFT膜への付着画分(FFR-C)に比べて、メタン生成菌(Methanosarcina sp.、菌の種類:C)の相対的な存在量が0.007%から5.835%へ増加した。
メタン生成菌(菌の種類:A~C)の合計量は、実施例1の第2工程における反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)では2.955%であり、実施例1の第2工程のCFT膜への付着画分(FFR-C)では6.512%であった。比較例1におけるメタン生成菌(菌の種類:A~C)の合計量が、第2工程における反応器の懸濁(浮遊)画分(FFR)で1.474%、及び第2工程のCFT膜への付着画分(FFR-C)で0.703%であったことから、第1工程で作用電極に微弱な電流を流すことによって、明らかにメタン生成菌が増加したことがわかる。
Results As a result, most of the microorganisms are contained in the suspension fraction (BES-cathode and BES-anodide) of the reactor of the first step and the suspension (floating) fraction of the reactor of the second step of Example 1. FFR), and the suspension fraction (NBES-right side and NBES-left side) of the reactor of the first step of Comparative Example 1 and the suspension (floating) fraction (FFR) of the reactor of the second step. Among the fractions (FFR-C) attached to the CFT film of the second step of Example 1 and the fractions (FFR-C) attached to the CFT film of the second step of Comparative Example 1, three lines (gates) It was classified as (Euryarchaeota, Chloroflexi, Firmicutes).
The suspension fractions of the first step reactor (BES-cathode and anode) of Example 1 and the suspension fractions of the first step reactor of Comparative Example 1 (NBES-right and left) are mainly Thermoanaerobacterium. Firmicutes consisting of bacteria related to saccharolyticum (type J of the above bacteria) were dominant.
Bacteria related to Clostridium sp. And Ruminococcus sp. Were the other major microorganisms in the first step of Example 1, and bacteria related to Unclassiified Clostridiales were also the main bacteria in the first step of Comparative Example 1.
Since the pH was low in the first step of Example 1 and the first step of Comparative Example 1, almost no methanogen was detected.
Bacteria related to Clostridium sp. Are the main organisms in the suspension (floating) fraction of the reactor and the fraction attached to the CFT membrane in the second step of Example 1 and the second step of Comparative Example 1. In particular, the suspension (floating) fraction (FFR) of the reactor in the second step of Comparative Example 1 occupies the largest amount, which corresponds to the low diversity of microorganisms.
In the reactor suspension (floating) fraction (FFR) of the second step of Example 1, bacteria associated with Unclassified Clostridiales and Clostridia; MBA08 were the other major microorganisms.
The relative abundance of Methanobacterium sp. (Type of bacterium: A) was 2.585% in the suspension (floating) fraction (FFR) of the reactor in the second step of Example 1, so that comparison was made. It was higher than 1.408% of the suspended (floating) fraction (FFR) of the reactor in the second step of Example 1.
Interestingly, the fraction attached to the CFT film in the second step of Example 1 (FFR-C) was compared with the fraction attached to the CFT film in the second step of Comparative Example 1 (FFR-C). The relative abundance of methanogens (Methanosarcina sp., Bacterial type: C) increased from 0.007% to 5.835%.
The total amount of methanogens (types of bacteria: A to C) was 2.955% in the suspension (floating) fraction (FFR) of the reactor in the second step of Example 1, and the second of Example 1. The fraction attached to the CFT film (FFR-C) in the process was 6.512%. The total amount of methane-producing bacteria (types of bacteria: A to C) in Comparative Example 1 was 1.474% in the suspended (floating) fraction (FFR) of the reactor in the second step, and to the CFT film in the second step. Since the adhered fraction (FFR-C) of was 0.703%, it can be seen that the number of methane-producing bacteria was clearly increased by passing a weak current through the working electrode in the first step.

<試験例5>
回復試験
実施例1において、第1工程の生物電気化学処理として電流を印加することで、第1工程で電流を印加しない比較例1(NBES→FFR)の劣化した状態が回復するかどうかを明らかにすることを試みた。
まず、順応(順化)後の第1工程(NBES)及び第2工程(FFR)をそれぞれ2.5日、4.2日のHRTで運転した。これは、比較例1に相当する。次に、第1工程に電流を流し、順応(順化)後のHRTで2.5日目に生物電気化学処理(BES)を、4.2日目に第2工程(FFR)を行った(BES→FFR)。これは、実施例1に相当する。
排出時(出口)pHは、比較例1の第1工程(NBES)が5.6±0.1であり、比較例1の第2工程(FFR)が6.3±0.1であり、実施例1の第1工程(BES)が5.2±0.1であり、実施例1の第1工程(FFR)が6.6±0.1であった。
上記試験例3と同様に、バイオガス(CH、CO及びH)のガス生成量(mM/日)、生成物の量(酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、及びエタノール)を測定し、炭素量(CH、CO、SCFA+エタノール、残渣C-SS)、及びSS除去率を求めた。それらの結果を、表9~12及び図9~11に示す。
<Test Example 5>
Recovery test
In Example 1, it is clarified whether or not the deteriorated state of Comparative Example 1 (NBES → FFR) in which the electric current is not applied in the first step is recovered by applying the electric current as the bioelectrochemical treatment in the first step. I tried that.
First, the first step (NBES) and the second step (FFR) after acclimatization were operated at HRT for 2.5 days and 4.2 days, respectively. This corresponds to Comparative Example 1. Next, an electric current was passed through the first step, and the bioelectrochemical treatment (BES) was performed on the 2.5th day and the second step (FFR) was performed on the 4.2th day by the HRT after acclimatization. (BES → FFR). This corresponds to Example 1.
The discharge (outlet) pH is 5.6 ± 0.1 in the first step (NBES) of Comparative Example 1 and 6.3 ± 0.1 in the second step (FFR) of Comparative Example 1. The first step (BES) of Example 1 was 5.2 ± 0.1, and the first step (FFR) of Example 1 was 6.6 ± 0.1.
In the same manner as in Test Example 3, the amount of biogas (CH 4 , CO 2 and H 2 ) produced (mM / day) and the amount of product (acetic acid, propionic acid, butanoic acid, and ethanol) were measured. The amount of carbon (CH 4 , CO 2 , SCFA + ethanol, residue C-SS) and the SS removal rate were determined. The results are shown in Tables 9-12 and FIGS. 9-11.

Figure 2022057634000012
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Figure 2022057634000013
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Figure 2022057634000014
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Figure 2022057634000015
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結果
最初に行った、比較例1の第1工程(NBES)でのSS除去率は10.0±0.1%であった。比較例1の第2工程(FFR)では、予想通り、49.9±4.2%しかSS除去されなかった(表12)。
興味深いことに、第1工程において電流を流す(生体電気化学的処理を行う)ことで、第2工程(FFR)では、SS除去率が82.3±3.0%に増加した。このときの第1工程(BES)のSS除去率は23.2±0.9%であった(表12)。
このため、第1工程で電流を流さなかった(NBES)比較例1の第2工程(FFR)ではバイオガス生産量が少ない(合計22.1±3.8mM/日)が、第1工程で電流を流した(BES)実施例1の第2工程(FFR)ではバイオガス生産量が増加した(合計103.3±3.9mM/日)(表9、図9)。
また、比較例1の第2工程(FFR)では、SCFA及びエタノールが多く蓄積していた(合計56.1±1.8mM)が、実施例1の第2工程(FFR)ではSCFA及びエタノールが減少した(合計16.5±1.9mM)(表10、図10)。
その結果、第1工程で電流を流さない比較例1(NBES→FFR)では、CH収率が7.1±1.9%であり、ガス中のCH含有量が47.9±1.9vol%であった。実施例1(BES→FFR)は、第1工程で電流を流すことにより、CH収率が38.4±2.3%、ガス中のCH含有量が60.8±2.4vol%となった(表11及び図11参照)。
つまり、第2工程で固定膜(炭素繊維織物(CFT)膜)を使用することは、本発明のメタン発酵方法(第1工程:生物電気化学システム、第2工程:固定膜発酵工程)の安定運転に必要であるといえる。
Results The SS removal rate in the first step (NBES) of Comparative Example 1 performed first was 10.0 ± 0.1%. In the second step (FFR) of Comparative Example 1, as expected, only 49.9 ± 4.2% of SS was removed (Table 12).
Interestingly, by passing an electric current (performing a bioelectrochemical treatment) in the first step, the SS removal rate was increased to 82.3 ± 3.0% in the second step (FFR). The SS removal rate in the first step (BES) at this time was 23.2 ± 0.9% (Table 12).
Therefore, in the second step (FFR) of Comparative Example 1 in which no current was passed in the first step (NBES), the biogas production amount was small (total 22.1 ± 3.8 mM / day), but in the first step. In the second step (FFR) of Example 1 in which an electric current was passed (BES), the amount of biogas produced increased (total 103.3 ± 3.9 mM / day) (Table 9, FIG. 9).
Further, in the second step (FFR) of Comparative Example 1, a large amount of SCFA and ethanol was accumulated (total 56.1 ± 1.8 mM), but in the second step (FFR) of Example 1, SCFA and ethanol were accumulated. Decreased (total 16.5 ± 1.9 mM) (Table 10, FIG. 10).
As a result, in Comparative Example 1 (NBES → FFR) in which no current was passed in the first step, the CH 4 yield was 7.1 ± 1.9%, and the CH 4 content in the gas was 47.9 ± 1. It was 9.9 vol%. In Example 1 (BES → FFR), the CH 4 yield was 38.4 ± 2.3% and the CH 4 content in the gas was 60.8 ± 2.4 vol% by passing an electric current in the first step. (See Table 11 and FIG. 11).
That is, the use of a fixed film (carbon fiber woven fabric (CFT) film) in the second step stabilizes the methane fermentation method of the present invention (first step: bioelectrochemical system, second step: fixed film fermentation step). It can be said that it is necessary for driving.

<試験例6>
第2工程(FFR)における導電性材料(CFT)膜の必要性
実施例1おける導電性材料膜(固定膜)の必要性を、導電性材料膜(固定膜)を有しない比較例2と比べて、確認した。
まず、順応(順化)後のHRTをそれぞれ2.5日、4.2日とし(表1)、第1工程(BES)と、それに続くCFT無しの第2工程(NFFR)を実施した(比較例2)。比較例2で使用する装置を図3に示す。
第2工程にCFTを設置し、順応(順化)後のHRTで2.5日、4.2日のHRTで、第1工程(BES)と、それに続く第2工程(FFR)を運用した(実施例1)。
排出時pHは、比較例2の第1工程(BES)が5.8±0.4、比較例2の第2工程(NFFR)が6.8±0、実施例1の第1工程(BES)が5.4±0.4、実施例1の第2工程(FFR)が6.6±0.1であった。
上記試験例3と同様に、バイオガス(CH、CO及びH)のガス生成量(mM/日)、生成物の量(酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、及びエタノール)を測定し、炭素量(CH、CO、SCFA+エタノール、残渣C-SS)、及びSS除去率を求めた。それらの結果を、表13~16及び図12~14に示す。
<Test Example 6>
Necessity of Conductive Material (CFT) Membrane in Second Step (FFR)
The necessity of the conductive material film (fixing film) in Example 1 was confirmed as compared with Comparative Example 2 having no conductive material film (fixing film).
First, the HRT after acclimatization was set to 2.5 days and 4.2 days, respectively (Table 1), and the first step (BES) and the subsequent second step (NFFR) without CFT were carried out (NFFR). Comparative example 2). The apparatus used in Comparative Example 2 is shown in FIG.
A CFT was installed in the second step, and the first step (BES) and the subsequent second step (FFR) were operated in the HRT of 2.5 days and 4.2 days after the adaptation (acclimation). (Example 1).
The pH at discharge was 5.8 ± 0.4 in the first step (BES) of Comparative Example 2, 6.8 ± 0 in the second step (NFFR) of Comparative Example 2, and the first step (BES) of Example 1. ) Was 5.4 ± 0.4, and the second step (FFR) of Example 1 was 6.6 ± 0.1.
In the same manner as in Test Example 3, the amount of biogas (CH 4 , CO 2 and H 2 ) produced (mM / day) and the amount of product (acetic acid, propionic acid, butanoic acid, and ethanol) were measured. The amount of carbon (CH 4 , CO 2 , SCFA + ethanol, residue C-SS) and the SS removal rate were determined. The results are shown in Tables 13-16 and FIGS. 12-14.

Figure 2022057634000016
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Figure 2022057634000017
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Figure 2022057634000018
Figure 2022057634000018

Figure 2022057634000019
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結果
表16より、比較例2の第1工程(BES)では、実施例1の第1工程(BES)と同様に、SS除去率は11.9±0.6%であった。比較例2の第2工程(NFFR)のSS除去率は、51.2±1.6%にとどまった。
興味深いことに、第2工程の反応器に導電材料(CFT)膜を設置したことにより、実施例1の第2工程(FFR)ではSS除去率が74.9±5.7%に増加した。実施例1の第1工程(BES)では、SS除去率が8.9±1.5%であった。
反応器にCFT膜を設置しない比較例2の第2工程(NFFR)ではバイオガス生成量が少ない(合計44.4±5.8mM/日)が、反応器にCFT膜を設置する実施例1の第2工程(FFR)ではバイオガス生成量が増加した(合計91.0±1.8mM/日)(表13、図12)。
比較例2の第2工程(NFFR)では、SCFA及びエタノールが多く蓄積した(合計51.5±1.9mM)が、実施例1の第2工程(FFR)ではSCFA及びエタノールが減少した(合計31.4±5.1mM)(表14、図13)。
その結果、比較例2(BES→NFFR)では、CH収率が13.4±3.1%、ガス中のCH含有量が48.8±5.8vol%と低かった。第2工程でCFT膜を添加した実施例1(BES→FFR)は、CH収率が30.0±1.4%となり、ガス中のCH含有量が56.0±2.6vol%となった(表15及び図14参照)。
From the result table 16, in the first step (BES) of Comparative Example 2, the SS removal rate was 11.9 ± 0.6% as in the first step (BES) of Example 1. The SS removal rate in the second step (NFFR) of Comparative Example 2 was only 51.2 ± 1.6%.
Interestingly, the installation of the conductive material (CFT) membrane in the reactor of the second step increased the SS removal rate to 74.9 ± 5.7% in the second step (FFR) of Example 1. In the first step (BES) of Example 1, the SS removal rate was 8.9 ± 1.5%.
In the second step (NFFR) of Comparative Example 2 in which the CFT membrane is not installed in the reactor, the amount of biogas produced is small (total 44.4 ± 5.8 mM / day), but in Example 1 in which the CFT membrane is installed in the reactor. In the second step (FFR), the amount of biogas produced increased (total 91.0 ± 1.8 mM / day) (Table 13, FIG. 12).
In the second step (NFFR) of Comparative Example 2, a large amount of SCFA and ethanol was accumulated (total 51.5 ± 1.9 mM), but in the second step (FFR) of Example 1, SCFA and ethanol decreased (total). 31.4 ± 5.1 mM) (Table 14, FIG. 13).
As a result, in Comparative Example 2 (BES → NFFR), the CH 4 yield was as low as 13.4 ± 3.1%, and the CH 4 content in the gas was as low as 48.8 ± 5.8 vol%. In Example 1 (BES → FFR) to which the CFT film was added in the second step, the CH 4 yield was 30.0 ± 1.4%, and the CH 4 content in the gas was 56.0 ± 2.6 vol%. (See Table 15 and FIG. 14).

結論
本発明の第1工程では、低コストのカーボンシートを陰極及び陽極に用いて、微生物電気分解セルモード(低電流及び無生物H生成)で好熱性BESを運転した。本発明の第2工程では、導電性材料であるCFTからなる膜を含む好熱性FFRを運転した。このような本発明のメタン発酵方法(BES→FFR)は、第1工程が生物電気化学システムを有しない比較例1の方法(NBES→FFR)、及び、第2工程がCFT膜を有しない比較例2の方法(BES→NFFR)に比べて、微生物によるセルロースの分解を促進し、短鎖脂肪酸及びエタノールの蓄積を減少させることでCHの生成を促進することができた。
第1工程における電気化学的なCH生成量は、第2工程後の(実際の)CH生成量と比較すると無視できる程度であった。これらのことから、本発明のメタン発酵方法(BES→FFR)の安定運転には、第1工程における生物電気化学システムと第2工程における固定膜(CFT膜)の両方が必要であることがわかった。
また、本発明のメタン発酵方法の第2工程(FFR)では、第1工程が生物電気化学システムを有しない比較例1の方法の第2工程(FFR)に比べて、浮遊微生物濃度及び付着微生物の多様性が高いことがわかった。
セルロース分解活性及び糖分解活性を有すると考えられる細菌が、本発明のメタン発酵方法の第1工程(BES)、比較例1の方法の第1工程(NBES)、本発明のメタン発酵方法の第2工程(FFR)、及び、比較例1の方法の第2工程(FFR)に存在していた。
さらに、本発明のメタン発酵方法の第2工程(FFR)において、Hを消費するメタン生成菌であるMethanobacterium sp.及びMethanosarcina sp.の浮遊画分及び付着画分中の相対的な存在量が、それぞれ比較例1の第2工程(FFR)に比べて増加した。したがって、第1工程の生物電気化学処理によって、第2工程(FFR)における種間H転移が促進され、セルロースからCHへの変換が加速された。
以上の結果から、本発明のメタン発酵方法(BES→FFR)は、第1工程(BES)のHRTが短く、セルロースの嫌気性消化に有利なシステムであることが示唆された。なお、第1工程(BES)のHRTが短いということは、第1工程(BES)を小規模で、第2工程(FFR)を大規模で運転することが可能であることを意味する。
したがって、本発明は、生物電気化学処理を行う第1工程、及び、嫌気性反応(消化)器にCFT膜を固定化した第2工程を備えた好熱性のメタン発酵方法を提供することができる。本発明のメタン発酵方法は、第1工程で生物電気化学システムを使用しない場合、及び、第2工程でCFT膜を使用しない場合と比較して、微生物によるセルロースのCHへの変換を促進することができる。

CONCLUSIONS In the first step of the present invention, a low cost carbon sheet was used for the cathode and anode to operate the thermophilic BES in microbial electrolysis cell mode ( low current and inanimate H2 production). In the second step of the present invention, a thermophilic FFR containing a film made of CFT, which is a conductive material, was operated. Such a methane fermentation method (BES → FFR) of the present invention includes the method of Comparative Example 1 (NBES → FFR) in which the first step does not have a bioelectrochemical system, and the comparison in which the second step does not have a CFT film. Compared with the method of Example 2 (BES → NFFR ), it was possible to promote the production of CH4 by promoting the decomposition of cellulose by microorganisms and reducing the accumulation of short-chain fatty acids and ethanol.
The electrochemical CH4 production amount in the first step was negligible when compared with the (actual) CH4 production amount after the second step. From these facts, it was found that both the bioelectrochemical system in the first step and the fixed film (CFT film) in the second step are required for the stable operation of the methane fermentation method (BES → FFR) of the present invention. rice field.
Further, in the second step (FFR) of the methane fermentation method of the present invention, the concentration of suspended microorganisms and adhered microorganisms are compared with the second step (FFR) of the method of Comparative Example 1 in which the first step does not have a bioelectrochemical system. It turned out that the variety of.
Bacteria considered to have cellulose-degrading activity and sugar-degrading activity are the first step (BES) of the methane fermentation method of the present invention, the first step (NBES) of the method of Comparative Example 1, and the first step of the methane fermentation method of the present invention. It was present in the second step (FFR) and the second step (FFR) of the method of Comparative Example 1.
Further, in the second step (FFR) of the methane fermentation method of the present invention, the relative abundance of the methanogens Methanobacterium sp. And Methanosarcina sp. , Each increased as compared with the second step (FFR) of Comparative Example 1. Therefore, the bioelectrochemical treatment of the first step promoted the interspecific H2 transfer in the second step ( FFR) and accelerated the conversion of cellulose to CH4.
From the above results, it was suggested that the methane fermentation method (BES → FFR) of the present invention has a short HRT in the first step (BES) and is an advantageous system for anaerobic digestion of cellulose. The short HRT of the first step (BES) means that the first step (BES) can be operated on a small scale and the second step (FFR) can be operated on a large scale.
Therefore, the present invention can provide a thermophilic methane fermentation method comprising a first step of performing bioelectrochemical treatment and a second step of immobilizing a CFT film in an anaerobic reaction (digestor). .. The methane fermentation method of the present invention promotes the conversion of cellulose to CH 4 by microorganisms as compared with the case where the bioelectrochemical system is not used in the first step and the case where the CFT film is not used in the second step. be able to.

Claims (8)

(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理工程、及び、
(2)前記生物電気化学処理工程で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵工程を備える、メタン発酵促進方法であって、
前記(1)生物電気化学処理工程は、3μA/cm以下の電流に制御しながら行う、メタン発酵促進方法。
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment step containing an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and bringing the organic substrate into contact with a methane fermentation liquid to be treated with methane fermentation, and
(2) A methane fermentation promoting method comprising a fixed membrane fermentation step in which a fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment step and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other.
The above (1) bioelectrochemical treatment step is a method for promoting methane fermentation, which is carried out while controlling the current to 3 μA / cm 2 or less.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、疎水性である、請求項1に記載のメタン発酵促進方法。
In the above (2) fixed membrane fermentation step
The method for promoting methane fermentation according to claim 1, wherein the conductive material is hydrophobic.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、炭素繊維である、請求項1又は2に記載のメタン発酵促進方法。
In the above (2) fixed membrane fermentation step
The method for promoting methane fermentation according to claim 1 or 2, wherein the conductive material is carbon fiber.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理工程、及び、
(2)前記生物電気化学処理工程で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵工程を備える、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法であって、
前記(1)生物電気化学処理工程は、3μA/cm以下の電流に制御しながら行う、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment step containing an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and bringing the organic substrate into contact with a methane fermentation liquid to be treated with methane fermentation, and
(2) Preparation of a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which comprises a fixed membrane fermentation step in which the fermentation broth obtained in the bioelectrochemical treatment step is brought into contact with a fixed membrane containing a conductive material. It ’s a method,
The above-mentioned (1) bioelectrochemical treatment step is a method for producing a fixative film containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which is carried out while controlling the current to 3 μA / cm 2 or less.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、疎水性である、請求項4に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
In the above (2) fixed membrane fermentation step
The method for producing a fixative film containing the conductive material on which the microorganism group according to claim 4 is supported, wherein the conductive material is hydrophobic.
前記(2)固定膜発酵工程において、
前記導電性材料が、炭素繊維である、請求項4又は5に記載の微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の作製方法。
In the above (2) fixed membrane fermentation step
The method for producing a fixative film containing the conductive material on which the microorganism group according to claim 4 or 5 is supported, wherein the conductive material is carbon fiber.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部、及び、
(2)前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部を備える、メタン発酵促進装置であって、
前記(1)生物電気化学処理部は、3μA/cm以下の電流に制御する、メタン発酵促進装置。
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment unit that contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and is in contact with the methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate, and
(2) A methane fermentation accelerating device including a fixed membrane fermentation unit in which a fermentation broth obtained in the bioelectrochemical treatment unit and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other.
The (1) bioelectrochemical treatment unit is a methane fermentation promoting device that controls a current of 3 μA / cm 2 or less.
(1)電極表面の少なくとも一部に担体を備えた担体保持電極と、
有機性基質及びメタン発酵に関与する微生物群を含み、かつ、前記有機性基質をメタン発酵処理するメタン発酵液とを接触させる生物電気化学処理部、及び、
(2)前記生物電気化学処理部で得られた発酵液と、導電性材料を含む固定膜とを接触させる固定膜発酵部を備える、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造装置であって、
前記(1)生物電気化学処理部は、3μA/cm以下の電流に制御する、微生物群が担持された導電性材料を含む固定膜の製造装置。
(1) A carrier holding electrode having a carrier on at least a part of the electrode surface,
A bioelectrochemical treatment unit that contains an organic substrate and a group of microorganisms involved in methane fermentation, and is in contact with the methane fermentation liquid for methane fermentation treatment of the organic substrate, and
(2) Production of a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which comprises a fixed membrane fermented portion in which the fermented liquid obtained in the bioelectrochemical treatment section and a fixed membrane containing a conductive material are brought into contact with each other. It ’s a device,
(1) The bioelectrochemical treatment unit is an apparatus for producing a fixed membrane containing a conductive material carrying a group of microorganisms, which controls a current of 3 μA / cm 2 or less.
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