JP6653934B2 - Power generation method using microbial fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、微生物燃料電池を用いた発電方法に関する。   The present invention relates to a power generation method using a microbial fuel cell.

近年、我が国の主要なエネルギー生産方法は火力発電と原子力発電である。一方で、温室効果ガスの発生や放射能汚染といった問題によって、再生可能エネルギーを利用する技術が注目されている。再生可能エネルギー利用の一つに、バイオマス廃棄物からのエネルギー回収が挙げられる。家畜糞などの畜産廃棄物からエネルギー回収を行う技術の1つに微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells、MFCs)が挙げられる。MFCsは、微生物の異化活動を利用し、有機廃水や再生可能なバイオマスから電気を生成する装置である(図1)。   In recent years, the main energy production methods in Japan are thermal power generation and nuclear power generation. On the other hand, due to problems such as generation of greenhouse gases and radioactive contamination, technologies utilizing renewable energy have been receiving attention. One of the uses of renewable energy is energy recovery from biomass waste. One of the technologies for recovering energy from livestock waste such as livestock dung is Microbial Fuel Cells (MFCs). MFCs are devices that use microbial catabolic activity to generate electricity from organic wastewater and renewable biomass (Figure 1).

図1に示すように、微生物燃料電池を使用する際には、アノード102の表面上に、嫌気性下で生育可能な微生物および有機物質を含む液101を配置する。また、カソード103の表面上に空気を流し、カソード103に空気を接触させる。アノード102では、微生物により有機物質から水素イオン(H)および電子(e)が生成される。水素イオンは、イオン透過性膜104を透過して、カソード103側に移動する。アノード102およびカソード103を導線で負荷回路と接続して閉回路を形成すると、アノード102とカソード103との間に電位差が生じ、電位差と負荷回路に流れた電流との積の分、電力エネルギーを得ることができる。 As shown in FIG. 1, when using a microbial fuel cell, a liquid 101 containing microorganisms and organic substances capable of growing under anaerobic conditions is disposed on the surface of an anode 102. In addition, air is caused to flow on the surface of the cathode 103, and the air is brought into contact with the cathode 103. At the anode 102, hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) are generated from the organic substance by the microorganism. The hydrogen ions pass through the ion-permeable membrane 104 and move to the cathode 103 side. When a closed circuit is formed by connecting the anode 102 and the cathode 103 to a load circuit with a conducting wire, a potential difference occurs between the anode 102 and the cathode 103, and power energy is divided by the product of the potential difference and the current flowing through the load circuit. Obtainable.

MFCsと同様に嫌気性処理を用いたエネルギー回収技術であるメタン発酵と比較して、MFCsは発電機やガスの処理を必要としないなどの利点を有する。しかしながら、MFCsは、他のエネルギー生産技術と比較して出力が低いという欠点も有している。このような問題を解決するために、MFCsの改良および種々の燃料を用いた研究が報告されている。   Compared to methane fermentation, which is an energy recovery technology using anaerobic treatment like MFCs, MFCs have advantages such as not requiring a generator or gas treatment. However, MFCs also have the disadvantage of lower power output than other energy production technologies. In order to solve such problems, improvements in MFCs and studies using various fuels have been reported.

例えば、非特許文献1には、環状の単層微生物燃料電池に固形物を含まない酪農廃水を配置して運転する方法が開示されている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a method of arranging and operating dairy wastewater containing no solid matter in an annular single-layer microbial fuel cell.

Mardanpour, M. M., Mohsen, N. E., Tayebeh, B. and Ramin, S., : Single chamber microbial fuel cell with spiral anode for dairy, Biosensors and Bioelectronics., Vol. 38, No. 1, pp. 264-269 , 2012.Mardanpour, MM, Mohsen, NE, Tayebeh, B. and Ramin, S.,: Single chamber microbial fuel cell with spiral anode for dairy, Biosensors and Bioelectronics., Vol. 38, No. 1, pp. 264-269, 2012 .

非特許文献1に示されるように、一般的に有機性廃棄物を燃料とする場合、液体のみを含む有機性廃液を用いることによって、固形物を含有している廃液と比較して高い出力を得られることが知られている。一方で、畜産廃棄物などの固形有機物は、体積あたりの化学エネルギーの含有量が多いため、エネルギーポテンシャルが高いとも考えられる。そのため、家畜糞などの畜産廃棄物を用いて微生物燃料電池により高出力で発電することができる技術が求められている。   As shown in Non-Patent Document 1, when an organic waste is used as a fuel in general, by using an organic waste liquid containing only a liquid, a higher output is obtained as compared to a waste liquid containing a solid matter. It is known to be obtained. On the other hand, solid organic matter such as livestock waste has a high content of chemical energy per volume, and thus is considered to have high energy potential. Therefore, there is a need for a technology capable of generating power at high output by a microbial fuel cell using livestock waste such as livestock dung.

そこで、本発明の目的は、畜産廃棄物を用いる場合でも比較的高い出力を得ることができる、微生物燃料電池による発電方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a power generation method using a microbial fuel cell, which can obtain a relatively high output even when livestock waste is used.

本発明の態様は、以下の通りである。
(1) 微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも畜産廃棄物を含む第一の燃料を用意すること、ここで、前記第一の燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lであり、および
前記第一の燃料を出発燃料として用いて前記微生物燃料電池を運転すること、
を含む、方法。
(2) 運転中、前記微生物燃料電池の燃料反応槽内に配置される燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lに保たれるように、少なくとも畜産廃棄物を含む第二の燃料を前記燃料反応槽内に加えることを含む、(1)に記載の方法。
(3) 前記第一の燃料および/または前記第二の燃料が、畜産廃棄物と水とを含む畜産廃棄物含有溶液である、(1)または(2)に記載の方法。
(4) 前記第一の燃料および/または前記第二の燃料が、畜産廃棄物と水とを含む混合物をブレンダーで処理することにより調製された畜産廃棄物破砕溶液である、(1)または(2)に記載の方法。
(5) 微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも畜産廃棄物を含む燃料を前記微生物燃料電池の燃料反応槽内に配置すること、および
前記燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lに保たれるように、前記微生物燃料電池を運転すること、
を含む、方法。
(6) 前記燃料が、畜産廃棄物と水とを含む畜産廃棄物含有溶液である、(5)に記載の方法。
(7) 前記畜産廃棄物が家畜糞である、(1)〜(6)のいずれかに記載の方法。
Aspects of the present invention are as follows.
(1) A method for generating power using a microbial fuel cell,
Providing at least a first fuel containing livestock waste, wherein the first fuel has a COD Cr of 5,000 to 10,000 mg / L, and the microorganism is prepared using the first fuel as a starting fuel. Driving the fuel cell,
Including, methods.
(2) During operation, the second fuel containing at least livestock waste is added to the fuel so that COD Cr of the fuel placed in the fuel reactor of the microbial fuel cell is maintained at 5,000 to 10,000 mg / L. The method according to (1), which comprises adding the compound to a reaction vessel.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the first fuel and / or the second fuel is a livestock waste-containing solution containing livestock waste and water.
(4) (1) or (1) wherein the first fuel and / or the second fuel is a livestock waste crushing solution prepared by treating a mixture containing livestock waste and water with a blender. The method according to 2).
(5) A method for generating power using a microbial fuel cell,
Placing at least a fuel containing livestock waste in a fuel reaction tank of the microbial fuel cell, and operating the microbial fuel cell so that COD Cr of the fuel is maintained at 5,000 to 10,000 mg / L. ,
Including, methods.
(6) The method according to (5), wherein the fuel is a livestock waste-containing solution containing livestock waste and water.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the livestock waste is livestock dung.

本発明により、畜産廃棄物を用いる場合でも比較的高い出力を得ることができる、微生物燃料電池による発電方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a power generation method using a microbial fuel cell, which can obtain a relatively high output even when using livestock waste.

微生物燃料電池による発電を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining the power generation by the microbial fuel cell. カセット電極の構成を示す模式的分解斜視図である。FIG. 3 is a schematic exploded perspective view showing a configuration of a cassette electrode. 本実施例で使用した微生物燃料電池(CE-MFCs)の構成を説明するための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a configuration of a microbial fuel cell (CE-MFCs) used in the present example.

本発明者は、検討したところ、MFCsでは、畜産廃棄物の濃度上昇に伴って発電量は高くなるが、畜産廃棄物のCODCr(化学的酸素要求量)が高すぎると、効率的に有機物が分解されず、出力が低下する傾向があることを見出した。そこで、本発明者は、検討を進めたところ、意外なことに、CODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内にある燃料を用いることにより高い出力が得られることを発見し、本発明に至った。 The present inventor has studied and found that in MFCs, the amount of power generation increases as the concentration of livestock waste increases, but if COD Cr (chemical oxygen demand) of livestock waste is too high, organic matter can be efficiently removed. Was not decomposed and the output tended to decrease. Therefore, the present inventor has studied and found, surprisingly, that a high output can be obtained by using a fuel having COD Cr in the range of 5,000 to 10,000 mg / L. Reached.

すなわち、本発明に係る発電方法の一態様は、少なくとも畜産廃棄物を含む燃料(第一の燃料とも称す)を用意すること、ここで、前記第一の燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lであり、および前記第一の燃料を出発燃料として用いて前記微生物燃料電池を運転すること、を含む。CODCrが5,000〜10,000mg/Lである燃料を出発燃料(第一の燃料)として用いることにより、高い出力を得ることができる。また、COD(化学的酸素要求量)除去率も比較的高く維持することができ、適度な範囲とすることができる。好ましくは、第一の燃料は、畜産廃棄物と水とを含み、CODCrが5,000〜10,000mg/Lである畜産廃棄物含有溶液(第一の畜産廃棄物含有溶液とも称す)である。つまり、第一の燃料は、畜産廃棄物を、CODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内となるように水と混合させた畜産廃棄物含有溶液であることが好ましい。畜産廃棄物含有溶液は、希釈剤または懸濁剤としての水以外にも、必要に応じて添加剤を含んでもよい。添加剤としては、例えば、微生物の生育に有利に働く栄養剤、pH調整剤などが挙げられる。 That is, one embodiment of the power generation method according to the present invention is to prepare a fuel containing at least livestock waste (also referred to as a first fuel), wherein the COD Cr of the first fuel is 5,000 to 10,000 mg / L and operating the microbial fuel cell using the first fuel as a starting fuel. By using a fuel having a COD Cr of 5,000 to 10,000 mg / L as a starting fuel (first fuel), a high output can be obtained. Also, the COD (chemical oxygen demand) removal rate can be kept relatively high, and can be set in a suitable range. Preferably, the first fuel is a livestock waste-containing solution (also referred to as a first livestock waste-containing solution) containing livestock waste and water and having a COD Cr of 5,000 to 10,000 mg / L. That is, the first fuel is preferably a livestock waste-containing solution in which livestock waste is mixed with water so that COD Cr is in the range of 5,000 to 10,000 mg / L. The livestock waste-containing solution may contain additives as necessary in addition to water as a diluent or suspending agent. Examples of the additives include a nutrient that favors the growth of microorganisms and a pH adjuster.

出発燃料である第一の燃料(好ましくは第一の畜産廃棄物含有溶液)のCODCrは、5,000〜10,000mg/Lであり、6,000〜9,000mg/Lであることが好ましい。上述のように、第一の燃料は、例えば、CODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内となるように畜産廃棄物(例えば家畜糞)を水中に懸濁させることにより調製することができる。また、もし畜産廃棄物自体のCODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内である場合は、特に希釈作業を必要とせずに、畜産廃棄物自体を燃料として用いることもできる。CODCr(化学的酸素要求量)は、試料中の被酸化性物質量を一定の条件下で酸化剤により酸化し、その際使用した酸化剤の量から酸化に必要な酸素量を求めて換算したものである(単位:mg/L)。なお、本実施例では、CODCrは、市販のキット(COD kit(TNT 822およびDR2800、Hach社製))により測定した。 The COD Cr of the first fuel (preferably the first livestock waste-containing solution), which is the starting fuel, is 5,000 to 10,000 mg / L, and preferably 6,000 to 9,000 mg / L. As described above, the first fuel can be prepared, for example, by suspending livestock waste (eg, livestock dung) in water such that COD Cr is in the range of 5,000 to 10,000 mg / L. . If the livestock waste itself has a COD Cr in the range of 5,000 to 10,000 mg / L, the livestock waste itself can be used as a fuel without any need for dilution work. COD Cr (Chemical Oxygen Demand) is calculated by oxidizing the amount of oxidizable substances in a sample with an oxidizing agent under certain conditions and calculating the amount of oxygen required for oxidation from the amount of oxidizing agent used. (Unit: mg / L). In this example, COD Cr was measured using a commercially available kit (COD kit (TNT822 and DR2800, manufactured by Hach)).

また、本発明の好ましい実施形態は、運転(発電)中、微生物燃料電池の燃料反応槽内に配置される燃料のCODCrが5,000〜10,000 mg/Lの範囲内に保たれるように、少なくとも畜産廃棄物を含む第二の燃料(例えば、第二の畜産廃棄物含有溶液)を前記燃料反応槽内に加えること(調整工程)を含む。すなわち、微生物燃料電池の燃料が保持される燃料反応槽(例えばチャンバー)内に配置される燃料のCODCrが常に5,000〜10,000mg/Lの範囲内に保たれるように、第二の燃料を燃料反応槽内に加えることができる。場合によっては、既に燃料反応槽内に入っている所定量(例えば容器内に入っている燃料の半量)の燃料を取り出してから、所定量(例えば取り除いた燃料に相当する量)の第二の燃料を燃料反応槽に加えることができる。また、第二の燃料は、燃料反応槽内から取り出した燃料を用いて調製してもよく、例えば、取り出した燃料に畜産廃棄物を添加して第二の燃料を調製することができる。第二の燃料は、畜産廃棄物自体を用いてもよく、上述のように調製される畜産廃棄物含有溶液を用いてもよい。この調整工程は、1回であってもよく、複数回であってもよく、その回数は特に制限されるものではない。また、該調整工程の他の形態としては、例えば、微生物燃料電池を運転しながら、燃料反応槽中の燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内に保たれるように、所定の流量で燃料(燃料反応槽内に配置されている畜産廃棄物含有溶液)を燃料反応槽から排出しつつ、所定の流量で第二の燃料を燃料反応槽内に流入させることも考えられる。当業者であれば理解できるように、この形態においても、第二の燃料は燃料反応槽内から取り出した燃料を用いて調製してもよい。 In addition, a preferred embodiment of the present invention provides at least a fuel cell disposed in the fuel reaction tank of the microbial fuel cell during operation (power generation) so that COD Cr is maintained in a range of 5,000 to 10,000 mg / L. Adding a second fuel containing livestock waste (for example, a second livestock waste-containing solution) into the fuel reaction tank (adjusting step). That is, the second fuel is supplied such that the COD Cr of the fuel disposed in the fuel reaction tank (for example, the chamber) in which the fuel of the microbial fuel cell is held is always kept in the range of 5,000 to 10,000 mg / L. It can be added into the fuel reactor. In some cases, a predetermined amount (e.g., half the amount of fuel contained in the container) of the fuel already in the fuel reaction tank is removed, and then a predetermined amount (e.g., an amount corresponding to the removed fuel) of the second fuel is removed. Fuel can be added to the fuel reactor. The second fuel may be prepared using a fuel taken out of the fuel reaction tank. For example, the second fuel can be prepared by adding livestock waste to the taken out fuel. As the second fuel, livestock waste itself may be used, or a livestock waste-containing solution prepared as described above may be used. This adjustment step may be performed once or plural times, and the number of times is not particularly limited. Further, as another mode of the adjusting step, for example, while operating the microbial fuel cell, a predetermined amount of COD Cr of the fuel in the fuel reaction tank is maintained in the range of 5,000 to 10,000 mg / L. It is also conceivable to discharge the second fuel at a predetermined flow rate into the fuel reaction tank while discharging the fuel (the livestock waste-containing solution disposed in the fuel reaction tank) from the fuel reaction tank at a flow rate. As will be understood by those skilled in the art, also in this embodiment, the second fuel may be prepared using the fuel taken out of the fuel reactor.

第二の燃料のCODCrは、特に制限されるものではないが、第一の燃料と同じように、5,000〜10,000mg/Lの範囲内であることが好ましく、6,000〜9,000mg/Lの範囲内であることがより好ましい。 The COD Cr of the second fuel is not particularly limited, but is preferably in the range of 5,000 to 10,000 mg / L, and is in the range of 6,000 to 9,000 mg / L, like the first fuel. More preferably, it is within.

第一の燃料および/または第二の燃料は、畜産廃棄物と水とを含む混合物をブレンダーで処理することにより調製された畜産廃棄物破砕溶液であることが好ましい。ブレンダーで畜産廃棄物を水中に破砕しながら懸濁させることにより、均一かつ分解されやすい有機物懸濁液を得ることができる。ブレンダーの回転速度は、特に制限されるものではなく、適宜選択することができる。   Preferably, the first fuel and / or the second fuel is a livestock waste crushing solution prepared by treating a mixture containing livestock waste and water with a blender. By suspending livestock waste while crushing it in water with a blender, a uniform and easily decomposable organic substance suspension can be obtained. The rotation speed of the blender is not particularly limited, and can be appropriately selected.

また、別の本発明に係る発電方法の一態様は、少なくとも畜産廃棄物を含む燃料(例えば畜産廃棄物含有溶液)を微生物燃料電池の燃料反応槽内に配置すること、および前記燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lに保たれるように、前記微生物燃料電池を運転すること、を含む。この発明は、上述の通り、燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内に保たれている場合に高い出力を得ることができるとの知見に基づく。燃料(例えば畜産廃棄物含有溶液)のCODCrが5,000〜10,000mg/Lに保たれるようにする方法としては、上述の実施形態で示したように、既に燃料反応槽内に入っている所定量の燃料を取り出してから、所定量の第二の燃料を燃料反応槽に新たに添加する方法が挙げられる。あるいは、微生物燃料電池を運転しながら、燃料反応槽中の燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lの範囲内に保たれるように、所定の流量で燃料を燃料反応槽から排出しつつ、所定の流量で第二の燃料を燃料反応槽内に新たに流入させる方法が挙げられる。上述の通り、燃料反応槽内に加える第二の燃料は燃料反応槽内から取り出した燃料を用いて調製してもよい。運転開始時の燃料のCODCrは、5,000〜10,000mg/Lの範囲内に入っていなくてもよく、10,000mg/L超であってもよい。しかし、可能な限り、運転開始時の燃料のCODCrは、5,000〜10,000mg/Lの範囲内に入っていることが好ましい。 In another embodiment of the power generation method according to the present invention, a fuel containing at least livestock waste (for example, a livestock waste-containing solution) is placed in a fuel reaction tank of a microbial fuel cell, and COD Cr of the fuel is used. Operating the microbial fuel cell such that is maintained between 5,000 and 10,000 mg / L. The present invention is based on the finding that a high output can be obtained when the COD Cr of the fuel is maintained in the range of 5,000 to 10,000 mg / L, as described above. As a method for maintaining the COD Cr of the fuel (for example, a solution containing livestock waste) at 5,000 to 10,000 mg / L, as described in the above-described embodiment, a method in which the fuel is already in the fuel reaction tank is used. There is a method in which a predetermined amount of the second fuel is added to the fuel reaction tank after a fixed amount of the fuel is taken out. Alternatively, while operating the microbial fuel cell, while discharging the fuel from the fuel reaction tank at a predetermined flow rate, so that the COD Cr of the fuel in the fuel reaction tank is maintained in the range of 5,000 to 10,000 mg / L, There is a method in which the second fuel is newly introduced into the fuel reaction tank at a predetermined flow rate. As described above, the second fuel added to the fuel reaction tank may be prepared using the fuel taken out of the fuel reaction tank. The COD Cr of the fuel at the start of operation may not be in the range of 5,000 to 10,000 mg / L, and may be more than 10,000 mg / L. However, as much as possible, the COD Cr of the fuel at the start of operation is preferably in the range of 5,000 to 10,000 mg / L.

微生物燃料電池の運転中は、燃料の懸濁状態を均一に保つため、燃料を撹拌することが好ましい。   During operation of the microbial fuel cell, it is preferable to stir the fuel in order to maintain a uniform suspension of the fuel.

畜産廃棄物は、畜産業および畜産物加工業において排出される廃棄物であり、例えば、家畜糞、家畜死体、家畜の解体残渣、内臓、または羽毛などを挙げることができる。これらの中でも、家畜糞が好ましい。家畜糞としては、特に制限されるものではないが、例えば、牛、馬、豚、羊、山羊、鶏などの家畜の糞である。家畜糞は、牛糞、豚糞、または鶏糞であることが好ましく、牛糞であることがより好ましい。家畜糞は、尿を含んでもよい。また、畜産廃棄物(例えば家畜糞)は乾燥されていてもよい。また、畜産廃棄物含有溶液(例えば家畜糞含有溶液)としては、ブレンダー処理した家畜糞破砕溶液であることが好ましく、牛糞破砕溶液であることがより好ましい。   Livestock waste is waste discharged in the livestock industry and the livestock product processing industry, and includes, for example, livestock dung, livestock carcass, demolition residues of livestock, internal organs, and feathers. Among these, livestock dung is preferred. The livestock droppings are not particularly limited, but include, for example, livestock droppings such as cows, horses, pigs, sheep, goats, and chickens. The livestock dung is preferably cow dung, pig dung or chicken dung, and more preferably cow dung. Livestock dung may include urine. Also, livestock waste (eg, livestock dung) may be dried. The livestock waste-containing solution (for example, a livestock dung-containing solution) is preferably a blended livestock dung crushing solution, and more preferably a cow dung crushing solution.

畜産廃棄物を分解して電子を供給する微生物としては、特に制限されるものではないが、例えば、嫌気性微生物および好気性微生物が挙げられる。微生物は、嫌気性微生物であることが好ましく、嫌気性微生物を用いて嫌気性下で運転を行うことが好ましい。微生物は、畜産廃棄物中に含まれる微生物を利用してもよいし、外部から燃料に添加してもよい。   The microorganism that supplies the electrons by decomposing the livestock waste is not particularly limited, but includes, for example, an anaerobic microorganism and an aerobic microorganism. The microorganism is preferably an anaerobic microorganism, and the operation is preferably performed under anaerobic conditions using an anaerobic microorganism. As the microorganism, a microorganism contained in livestock waste may be used, or may be added to fuel from outside.

微生物としては、微生物の細胞膜内で電子伝達系を終結しない微生物が望ましく、細胞膜外で電子を負電極で捕捉しやすく、負電極への電子伝達を触媒する微生物を利用することが望ましい。微生物としては、硫黄還元菌、鉄還元菌、二酸化マンガン還元菌、脱塩素菌が好ましい。微生物としては、Geobacter属、Shewanella属が好ましい。   As the microorganism, a microorganism that does not terminate the electron transfer system in the cell membrane of the microorganism is desirable, and a microorganism that easily captures electrons outside the cell membrane with the negative electrode and catalyzes the electron transfer to the negative electrode is desirably used. Preferred microorganisms are sulfur-reducing bacteria, iron-reducing bacteria, manganese dioxide-reducing bacteria, and dechlorinating bacteria. As the microorganism, the genus Geobacter and the genus Shewanella are preferable.

発電に用いる微生物燃料電池は、特に制限されるものではなく、例えば従来公知の微生物燃料電池を用いることができる。微生物燃料電池としては、例えば、カセット電極微生物燃料電池(Cassette-Electrode Microbial Fuel Cells、CE-MFCs)を用いることができる。カセット電極(Cassette Electrode、CE)は、大きさを容易に変えることができ、複数のCEを同時に利用することで、大規模な発電が可能といった特徴を有する。図2にカセット電極の構成例を示す。カセット電極は、イオン透過性膜(プロトン交換膜)204を挟んでカソード203とアノード202とが一体化した構造を有する。図2において、205は外部抵抗を示す。カセット電極は、燃料反応槽中に複数挿入することも可能である。   The microbial fuel cell used for power generation is not particularly limited, and for example, a conventionally known microbial fuel cell can be used. As the microbial fuel cell, for example, cassette-electrode microbial fuel cells (CE-MFCs) can be used. A cassette electrode (Cassette Electrode, CE) has a feature that its size can be easily changed, and large-scale power generation is possible by using a plurality of CEs at the same time. FIG. 2 shows a configuration example of the cassette electrode. The cassette electrode has a structure in which a cathode 203 and an anode 202 are integrated with an ion-permeable membrane (proton exchange membrane) 204 interposed therebetween. In FIG. 2, reference numeral 205 denotes an external resistor. A plurality of cassette electrodes can be inserted into the fuel reaction tank.

1.実験方法
(1)燃料(牛糞破砕溶液)の調製
牛糞は、宮崎大学の住吉フィールドで採取した。採取した所定量の牛糞に超純水350mLを加え、ブレンダー(ワーリングブレンダー 7011HS型、WARINGH社製)を用いて120秒間、回転速度「High」で破砕を行った。その後、ブレンダー処理後の混合物を超純水150mLを用いて、ブレンダーを洗浄しながら収集し、牛糞破砕溶液を調製した。牛糞破砕溶液としては、異なる牛糞量を用いて調製した4種類の試料をそれぞれ調製した(1種類の濃度の試料につき2つの試料)。それぞれの牛糞破砕溶液のCODCrをCOD kit(TNT 822およびDR2800、Hach社製)により測定したところ、それぞれ2938mg/L、6108mg/L、8625mg/L、20900mg/L(n=2の平均)であった(下記表1参照)。
1. Experimental Method (1) Preparation of Fuel (Cow Dung Solution) Cow dung was collected at the Sumiyoshi field of Miyazaki University. 350 mL of ultrapure water was added to a predetermined amount of the collected cow dung, and crushed at a rotation speed of “High” for 120 seconds using a blender (Waring Blender 7011HS, manufactured by WARINGH). Thereafter, the mixture after the blender treatment was collected using 150 mL of ultrapure water while washing the blender to prepare a cow dung crushing solution. As the cow dung crushing solution, four types of samples prepared using different amounts of cow dung were respectively prepared (two samples per one type of concentration). When the COD Cr of each cow dung crushing solution was measured with a COD kit (TNT822 and DR2800, manufactured by Hach), they were respectively 2938 mg / L, 6108 mg / L, 8625 mg / L, and 20900 mg / L (average of n = 2). (See Table 1 below).

(2)カセット電極の作製
カセット電極は、文献(Electricity generation from model organic wastewater in a cassette-electrode microbial fuel cell, Appl Microbiol Biotechnol, DOI 10.1007/s00253-008-1516-0)を参考にし、図2に示す構成のものを作製した。カソードボックスは、プラスチック枠(4.2×22.5cm、内枠3.0×19.5cm)からなる。また、カソードボックスは2つの空気孔(直径:3mm)を有し、空気をカソードボックス内に取り込むことができる。カソードボックスの両側にはカソード(エアーカソード)203が配置されており、カソード203はエポキシ樹脂を用いてカソードボックスに接着されている。カソード203のカソードボックスとは反対側の面にはイオン透過性膜(プロトン交換膜)204(4.5×22.5cm)を介してアノード(グラファイトフェルトアノード)202(4.5×22.5cm)が配置されている。
(2) Preparation of cassette electrode The cassette electrode is shown in Fig. 2 with reference to the literature (Electricity generation from model organic wastewater in a cassette-electrode microbial fuel cell, Appl Microbiol Biotechnol, DOI 10.1007 / s00253-008-1516-0). The thing of the structure shown was produced. The cathode box is made of a plastic frame (4.2 x 22.5 cm, inner frame 3.0 x 19.5 cm). Further, the cathode box has two air holes (diameter: 3 mm), so that air can be taken into the cathode box. Cathodes (air cathodes) 203 are arranged on both sides of the cathode box, and the cathode 203 is bonded to the cathode box using epoxy resin. On the surface of the cathode 203 opposite to the cathode box, an anode (graphite felt anode) 202 (4.5 × 22.5 cm) is disposed via an ion-permeable membrane (proton exchange membrane) 204 (4.5 × 22.5 cm). .

(3)CE-MFCsの運転
チャンバー(電池としての内容積550mL)内に出発燃料としての牛糞尿破砕溶液を配置し、その後、チャンバーにカセット電極を設置した。次に、チャンバー内のヘッドスペースをN2とCO2の混合ガス(80:20)で置換し、CE-MFCsの運転を30℃で開始した。運転の間、燃料(牛糞尿破砕溶液)を常に攪拌(600rpm)した。なお、稙種源として、あらかじめ別の装置の運転に用いられていたMFCsの燃料1.0mLを用いた。該燃料の中には、負電極への電子伝達を触媒する微生物が生育している。なお、外部抵抗は、馴致運転時に470Ωに設定した。運転は11日間行った。
(3) Operation of CE-MFCs A cow manure crushing solution as a starting fuel was placed in a chamber (550 mL internal volume as a battery), and then a cassette electrode was installed in the chamber. Next, the head space in the chamber was replaced with a mixed gas of N 2 and CO 2 (80:20), and the operation of CE-MFCs was started at 30 ° C. During operation, the fuel (cattle manure crushing solution) was constantly stirred (600 rpm). As a seeding source, 1.0 mL of MFCs fuel which had been used in operation of another apparatus in advance was used. Microorganisms that catalyze the transfer of electrons to the negative electrode grow in the fuel. Note that the external resistance was set to 470Ω during the running operation. The operation was performed for 11 days.

2.分析方法
(1)最大電力密度
MFCsの最大電力密度は、ポテンショスタットを用いて電流値から算出した。
2. Analysis method (1) Maximum power density
The maximum power density of MFCs was calculated from the current value using a potentiostat.

(2)CODCr(化学的酸素要求量)
CODCrの測定には、COD kit(TNT 822およびDR2800、Hach社製)を使用した。CE-MFCsを運転する前(0日目)と運転終了後(11日目)のCODCrを測定した。その後、測定結果からCODCr除去率(%)を算出した。
(2) COD Cr (chemical oxygen demand)
For the measurement of COD Cr , a COD kit (TNT822 and DR2800, manufactured by Hach) was used. COD Cr was measured before the operation of CE-MFCs (day 0) and after the operation was completed (day 11). Thereafter, the COD Cr removal rate (%) was calculated from the measurement results.

3.結果
4種の牛糞破砕溶液について上述の実験を行い、得られた結果(最大電力密度、COD除去率)を表1に示す。表1に示されるように、No.2および3の試料において、高い最大電力密度が得られた。
3. Results The above experiment was performed on four types of cow dung crushing solutions, and the obtained results (maximum power density, COD removal rate) are shown in Table 1. As shown in Table 1, high maximum power densities were obtained in the samples of Nos. 2 and 3.

Figure 0006653934
Figure 0006653934

101 微生物および有機物質を含む液
102 アノード
103 カソード
104 イオン透過性膜(プロトン交換膜)
202 アノード
203 カソード
204 イオン透過性膜(プロトン交換膜)
205 外部抵抗
101 Liquid containing microorganisms and organic substances 102 Anode 103 Cathode 104 Ion-permeable membrane (proton exchange membrane)
202 Anode 203 Cathode 204 Ion permeable membrane (proton exchange membrane)
205 External resistance

Claims (8)

微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも家畜糞を含む第一の燃料を用意すること、ここで、前記第一の燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lであり、および
前記第一の燃料を出発燃料として用いて前記微生物燃料電池を運転すること、
を含む、方法。
A method for generating power using a microbial fuel cell,
Providing at least a first fuel containing livestock dung , wherein the first fuel has a COD Cr of 5,000 to 10,000 mg / L, and the microbial fuel using the first fuel as a starting fuel. Driving batteries,
Including, methods.
運転中、前記微生物燃料電池の燃料反応槽内に配置される燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lに保たれるように、少なくとも家畜糞を含む第二の燃料を前記燃料反応槽内に加えることを含む、請求項1に記載の方法。 During operation, a second fuel containing at least livestock dung is introduced into the fuel reactor so that COD Cr of the fuel disposed in the fuel reactor of the microbial fuel cell is maintained at 5,000 to 10,000 mg / L. The method of claim 1, comprising adding. 前記第一の燃料および/または前記第二の燃料が、家畜糞と水とを含む家畜糞含有溶液である、請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the first fuel and / or the second fuel is a livestock dung- containing solution containing livestock dung and water. 前記第一の燃料および/または前記第二の燃料が、家畜糞と水とを含む混合物をブレンダーで処理することにより調製された家畜糞破砕溶液である、請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the first fuel and / or the second fuel is a livestock dung crushing solution prepared by treating a mixture containing livestock dung and water with a blender. 微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも家畜糞を含む燃料を前記微生物燃料電池の燃料反応槽内に配置すること、および
前記燃料のCODCrが5,000〜10,000mg/Lに保たれるように、前記微生物燃料電池を運転すること、
を含む、方法。
A method for generating power using a microbial fuel cell,
Placing at least a fuel containing livestock dung in the fuel reaction tank of the microbial fuel cell, and operating the microbial fuel cell so that COD Cr of the fuel is maintained at 5,000 to 10,000 mg / L,
Including, methods.
前記燃料反応槽内の燃料のCODCOD of fuel in the fuel reactor CrCr が5,000〜10,000mg/Lに保たれるように、少なくとも家畜糞を含むさらなる燃料を前記燃料反応槽内に加えて、前記微生物燃料電池を運転する、請求項5に記載の方法。The method according to claim 5, wherein the microbial fuel cell is operated by adding further fuel containing at least livestock dung into the fuel reactor so that is maintained at 5,000 to 10,000 mg / L. 前記燃料が、家畜糞と水とを含む家畜糞含有溶液である、請求項5又は6に記載の方法。 Wherein the fuel is a livestock manure containing solution containing livestock manure and water, the method according to claim 5 or 6. 前記家畜糞牛糞である、請求項1乃至のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the livestock dung is cow dung .
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