JP6666619B2 - 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。食品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、微生物を用いて有機物の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、微生物が有機物を分解・代謝する過程で生じる電子を電極から取り出すことで電流を発生させることができる(図1)。MFCsにより、有機廃水や再生可能なバイオマスから電気を生成することができる。   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, attention has been paid to technologies using renewable energy. One of the uses of renewable energy is energy recovery from biomass waste. One of the technologies for recovering energy from food waste is microbial fuel cells (MFCs). MFCs are devices that directly convert the chemical energy of organic substances into electrical energy using microorganisms, and can generate electric current by extracting electrons from the electrodes that are generated in the process of microorganisms decomposing and metabolizing organic substances (Figure 1). ). MFCs can generate electricity from organic wastewater and renewable biomass.

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ため、任意の規模での設置が可能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 do not require a generator or gas treatment, and thus have the advantage of being able to be installed on any scale. 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、ビール工場の排水処理に単槽微生物燃料電池を利用する方法が開示されている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a method using a single-tank microbial fuel cell for wastewater treatment in a beer factory.

Feng, Y., Wang, X., Logan, B. E., and Lee, H. : Brewery wastewater treatment using air-cathode microbial fuel cells Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 78, p. 873-880, 2008.Feng, Y., Wang, X., Logan, B.E., and Lee, H .: Brewery wastewater treatment using air-cathode microbial fuel cells Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 78, p. 873-880, 2008.

非特許文献1に示されるように、ビールなどのアルコール飲料を製造する工場からの排水は有機化合物を比較的多く含むため、その排水の酸性度が中性付近であれば、その排水を微生物燃料電池の燃料として利用できる。排水を用いた微生物燃料電池による発電は、発電と同時に排水も処理することができるため、非常に有用である。   As shown in Non-Patent Document 1, wastewater from a factory that manufactures alcoholic beverages such as beer contains a relatively large amount of organic compounds. Can be used as fuel for batteries. Power generation by the microbial fuel cell using wastewater is very useful because wastewater can be treated simultaneously with power generation.

しかし、どのような排水でも微生物燃料電池の燃料として用いることができるというわけではない。特に、日本の南部で多く生産される焼酎の製造過程で発生する焼酎粕は、そのpHが低いため、微生物燃料電池の燃料として利用することが困難である。焼酎粕は、産業廃棄物として廃酸に分類され、廃棄前に処理を施す必要がある。焼酎粕の処理としては、活性汚泥法などの高いエネルギー・コストを必要とする方法が一般的に用いられる。そのため、焼酎粕をより低いエネルギー・コストで処理可能な技術が求められている。   However, not all wastewater can be used as fuel for microbial fuel cells. In particular, shochu lees generated in the process of producing shochu, which is often produced in the southern part of Japan, has a low pH, and is difficult to use as fuel for microbial fuel cells. Shochu lees are classified as waste acid as industrial waste and must be treated before disposal. As a treatment of shochu lees, a method requiring high energy and cost such as an activated sludge method is generally used. Therefore, a technology capable of processing shochu lees at lower energy cost is required.

そこで、本発明の目的は、焼酎粕を用いて効率的に発電することができる微生物燃料電池を用いた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 that can efficiently generate power using shochu lees.

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、
少なくとも焼酎粕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5,000〜20,000mg/Lの範囲内であり、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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、少なくとも焼酎粕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、焼酎粕と水とを含む焼酎粕含有溶液である、(1)または(2)に記載の方法。
(4) 微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも焼酎粕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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、前記微生物燃料電池を運転すること、
を含む、方法。
(5) 前記燃料が、焼酎粕と水とを含む焼酎粕含有溶液である、(4)に記載の方法。
(6) 前記焼酎粕が、芋、麦、米又は蕎麦の焼酎を製造する過程で発生した焼酎粕である、(1)乃至(5)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 shochu lees, wherein the COD Cr of the first fuel is in the range of 5,000 to 20,000 mg / L, and using the first fuel as a starting fuel. Operating the microbial fuel cell,
Including, methods.
(2) During operation, a second liquid containing at least shochu lees so that the COD Cr of the fuel disposed in the fuel reactor of the microbial fuel cell is substantially maintained within the range of 5,000 to 20,000 mg / L. The method according to (1), further comprising adding the fuel described above to the fuel reaction tank.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the first fuel and / or the second fuel is a shochu lees-containing solution containing shochu lees and water.
(4) A method for generating power using a microbial fuel cell,
Placing a fuel containing at least shochu lees in a fuel reaction tank of the microbial fuel cell, and the microbial fuel so that COD Cr of the fuel is substantially maintained in the range of 5,000 to 20,000 mg / L. Driving batteries,
Including, methods.
(5) The method according to (4), wherein the fuel is a shochu lees-containing solution containing shochu lees and water.
(6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the shochu lees are shochu lees generated in the process of producing shochu of potato, wheat, rice, or buckwheat.

本発明により、焼酎粕を用いて効率的に発電することができる微生物燃料電池を用いた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 capable of efficiently generating power using shochu lees.

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. 実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental result.

本発明者は、焼酎粕を用いたMFCsによる発電について検討したところ、焼酎粕をCODCr(化学的酸素要求量)が所定の範囲内になるように希釈した燃料を用いることにより、効率的に有機物を分解できるようになり、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 power generation by MFCs using shochu lees, and found that the use of a fuel obtained by diluting shochu lees so that COD Cr (chemical oxygen demand) is within a predetermined range is effective. The present inventors have found that organic substances can be decomposed and a high output can be obtained, leading to the present invention.

すなわち、本発明に係る微生物燃料電池を用いた発電方法の一態様は、少なくとも焼酎粕を含む燃料(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5,000〜20,000mg/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。 That is, one embodiment of the power generation method using the microbial fuel cell according to the present invention is to prepare a fuel containing at least shochu lees (also referred to as a first fuel), wherein COD Cr of the first fuel is Operating the microbial fuel cell using 5,000-20,000 mg / L, and using the first fuel as a starting fuel.

CODCrが5,000〜20,000mg/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、焼酎粕と水とを含み、CODCrが5,000〜20,000mg/Lである焼酎粕含有溶液(第一の焼酎粕含有溶液とも称す)である。つまり、第一の燃料は、焼酎粕を、CODCrが5,000〜20,000mg/Lの範囲内となるように水と混合させた焼酎粕含有溶液であることが好ましい。焼酎粕含有溶液は、希釈剤または懸濁剤として機能する水以外にも、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。 By using a fuel having a COD Cr of 5,000 to 20,000 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 shochu lees-containing solution (also referred to as a first shochu lees-containing solution) containing shochu lees and water and having a COD Cr of 5,000 to 20,000 mg / L. That is, the first fuel is preferably a shochu lees-containing solution in which shochu lees is mixed with water such that COD Cr is in the range of 5,000 to 20,000 mg / L. The shochu lees-containing solution may contain additives as necessary in addition to water that functions as a diluent or a 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(好ましくは焼酎粕と水とを含む第一の焼酎粕含有溶液)のCODCrは、5,000〜20,000mg/Lであり、7,000〜12,000mg/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5,000〜20,000mg/Lの範囲内となるように焼酎粕を水中に懸濁させることにより調製することができる。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。 COD Cr of the first fuel (preferably the first shochu lees-containing solution containing shochu lees and water) which is the starting fuel is 5,000 to 20,000 mg / L, and may be 7,000 to 12,000 mg / L. preferable. As described above, the first fuel can be prepared, for example, by suspending shochu lees in water such that COD Cr is in the range of 5,000 to 20,000 mg / L. 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5,000〜20,000 mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、少なくとも焼酎粕を含む第二の燃料(例えば、焼酎粕と水とを含む第二の焼酎粕含有溶液)を前記燃料反応槽内に加えること(調整工程)を含む。 Further, a preferred embodiment of the present invention is arranged such that during operation (power generation), the COD Cr of the fuel disposed in the fuel reaction tank of the microbial fuel cell is substantially maintained in the range of 5,000 to 20,000 mg / L. And adding a second fuel containing at least shochu lees (for example, a second shochu lees-containing solution containing shochu lees and water) into the fuel reaction tank (adjustment step).

すなわち、運転中、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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、焼酎粕を含む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、取り出した燃料に焼酎粕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、焼酎粕自体を用いてもよく、上述のように調製される焼酎粕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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、所定の流量で燃料(燃料反応槽内に配置されている焼酎粕含有溶液)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。 That is, during operation, such that the COD Cr of the fuel disposed in the fuel reaction tank (e.g., chamber) in which the fuel of the microbial fuel cell is held is substantially maintained in the range of 5,000 to 20,000 mg / L, A second fuel containing shochu lees 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 shochu lees to the taken out fuel. As the second fuel, shochu lees itself may be used, or a shochu lees-containing solution prepared as described above may be used. This adjustment step may be performed once or a plurality of times, and the number of times is not particularly limited. In another mode of the adjusting step, for example, while operating the microbial fuel cell, the COD Cr of the fuel in the fuel reaction tank is substantially maintained in the range of 5,000 to 20,000 mg / L. It is also conceivable that the second fuel is allowed to flow into the fuel reaction tank at a predetermined flow rate while the fuel (shochu lees-containing solution disposed in the fuel reaction tank) is discharged from the fuel reaction tank at a predetermined flow rate. . As will be appreciated by those skilled in the art, in this embodiment also, the second fuel may be prepared using fuel removed from the fuel reactor.

なお、「運転中、CODCrが所定の範囲内に実質的に保たれる」とは、運転開始から運転停止までの運転期間のすべてにおいて、CODCrが必ず所定の範囲内に入っていることを要求するものではなく、本発明の効果である高い効率性が得られるようになる期間においてCODCrが所定の範囲内に保たれることを意味する。具体的には、運転期間の8割以上の期間においてCODCrが所定の範囲内に保たれることが好ましく、運転期間の9割以上の期間においてCODCrが所定の範囲内に保たれることがより好ましく、運転期間中の10割の期間においてCODCrが所定の範囲内に保たれることがさらに好ましい。CODCrが所定の範囲から外れる時としては、例えば、第二の燃料を補充する前後などが挙げられる。 Note that "COD Cr is substantially kept within a predetermined range during operation" means that COD Cr is always within the predetermined range during the entire operation period from the start of operation to the stop of operation. However, it does not mean that COD Cr is kept within a predetermined range during a period in which high efficiency, which is an effect of the present invention, can be obtained. Specifically, the COD Cr can preferably be kept within a predetermined range in more than 80% of the duration of the operating period, COD Cr in more than 90% of the period of operation time is kept within a predetermined range Is more preferable, and it is further preferable that COD Cr be kept within a predetermined range during 100% of the operation period. The time when COD Cr deviates from the predetermined range includes, for example, before and after replenishing the second fuel.

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、5,000〜20,000mg/Lの範囲内であることが好ましく、7,000〜12,000mg/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 20,000 mg / L, and is in the range of 7,000 to 12,000 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、焼酎粕と水とを含む混合物であることが好ましい。焼酎粕を適当な希釈倍率に調整することにより、処理と発電に適した有機物懸濁液を得ることができる。   It is preferable that the first fuel and / or the second fuel is a mixture containing shochu lees and water. By adjusting the shochu lees to an appropriate dilution ratio, an organic suspension suitable for processing and power generation can be obtained.

また、本発明に係る発電方法の別の一態様は、少なくとも焼酎粕を含む燃料(例えば焼酎粕含有溶液)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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的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(例えば焼酎粕含有溶液)のCODCrが5,000〜20,000mg/Lの範囲内に保たれるように運転する方法としては、上述の実施形態で示したように、例えば、焼酎粕を含む第二の燃料を燃料反応槽に添加する方法、場合によっては、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5,000〜20,000mg/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も挙げられる。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、5,000〜20,000mg/Lの範囲内に入っていなくてもよく、20,000mg/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も、5,000〜20,000mg/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 shochu lees (for example, a solution containing shochu lees) is disposed in a fuel reaction tank of a microbial fuel cell, and COD Cr of the fuel is 5,000. Operating the microbial fuel cell to be substantially maintained in the range of 20,00020,000 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 substantially kept in the range of 5,000 to 20,000 mg / L, as described above. As a method of operating so that the COD Cr of the fuel (eg, shochu lees-containing solution) is kept in the range of 5,000 to 20,000 mg / L, as described in the above-described embodiment, for example, A method of adding a second fuel to the fuel reaction tank, and in some cases, a method of removing a predetermined amount of fuel already in the fuel reaction tank and then adding a predetermined amount of the second fuel to the fuel reaction tank. No. 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 within the range of 5,000 to 20,000 mg / L, There is also a method of newly flowing the second fuel 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 20,000 mg / L, and may be more than 20,000 mg / L. However, as much as possible, it is preferable that the COD Cr of the fuel at the start of operation also falls within the range of 5,000 to 20,000 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.

焼酎の原料は、特に制限されるものではないが、例えば、芋、麦、米又は蕎麦である。すなわち、焼酎粕は、例えば、芋、麦、米又は蕎麦の焼酎を製造する過程で発生した焼酎粕である。また、焼酎粕の種類としては、特に制限されるものではないが、例えば、仕込み粕(生粕、糖化粕)、余剰酵母などを挙げることができる。これらの中でも、生粕が好ましい。また、焼酎粕は、乾燥されていてもよい。   The raw material of shochu is not particularly limited, but is, for example, potato, barley, rice, or soba. That is, the shochu lees are, for example, shochu lees generated in the process of producing shochu of potato, wheat, rice or buckwheat. The type of shochu lees is not particularly limited, and examples thereof include mashed lees (raw lees, saccharified lees), excess yeast, and the like. Among these, raw lees are preferable. The shochu lees may be dried.

焼酎粕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、焼酎粕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 shochu lees is not particularly limited, and examples thereof include 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 microorganisms, microorganisms contained in shochu lees 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、硫酸還元菌、硝酸還元菌、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 sulfate-reducing bacteria, nitrate-reducing bacteria, 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. The cassette electrode (Cassette Electrode, CE) has a feature that the size can be easily changed, and large-scale power generation is possible by simultaneously using a plurality of CEs. 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(焼酎粕溶液)の調製
焼酎粕は県内の酒造所から採取した芋焼酎の焼酎粕を用いた。超純水を用いて、焼酎粕をCODCrが500mg/L、1,000mg/L、5,000mg/L、10,000mg/L、20,000mg/L、70,000mg/L(原液)となるように調整した。CODCrはCOD kit(TNT 822およびDR2800、Hach社製)により測定した(下記表1参照)。
1. Experimental method (1) Preparation of fuel (shochu lees solution) Shochu lees of potato shochu collected from a brewery in the prefecture were used. Using ultrapure water, shochu lees was adjusted so that COD Cr became 500mg / L, 1,000mg / L, 5,000mg / L, 10,000mg / L, 20,000mg / L, 70,000mg / L (stock solution). . COD Cr was measured using a COD kit (TNT822 and DR2800, manufactured by Hach) (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. 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焼酎粕溶液を配置し、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(焼酎粕溶液)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 shochu lees solution as a starting fuel was placed in a chamber (550 mL in internal volume as a battery), and then a cassette electrode was placed 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 the operation, the fuel (shochu lees 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)と所定の日数運転後の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 for a predetermined number of days. Thereafter, the COD Cr removal rate (%) was calculated from the measurement results.

3.結果
6種の焼酎粕含有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)を表1に示す。表1に示されるように、No.3〜5の試料において、高い最大電力密度が得られた。COD除去効率については、図4に示されるように、No.3〜5において、高い処理効率が得られた。
3. Results The above-described experiment was performed on six types of shochu lees-containing solutions, and the results (maximum power density) obtained are shown in Table 1. As shown in Table 1, in samples of Nos. 3 to 5, high maximum power densities were obtained. Regarding the COD removal efficiency, as shown in FIG. 4, high treatment efficiency was obtained in Nos. 3 to 5.

Figure 0006666619
Figure 0006666619

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 (6)

微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも焼酎粕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5,000〜20,000mg/Lの範囲内であり、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 shochu lees, wherein the COD Cr of the first fuel is in the range of 5,000 to 20,000 mg / L, and using the first fuel as a starting fuel. Operating the microbial fuel cell,
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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、少なくとも焼酎粕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, the second fuel containing at least shochu lees is provided so that COD Cr of the fuel disposed in the fuel reaction tank of the microbial fuel cell is substantially maintained within the range of 5,000 to 20,000 mg / L. The method of claim 1, comprising adding into the fuel reactor. 前記第一の燃料および/または前記第二の燃料が、焼酎粕と水とを含む焼酎粕含有溶液である、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 shochu lees-containing solution containing shochu lees and water. 微生物燃料電池を用いて発電する方法であって、
少なくとも焼酎粕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5,000〜20,000mg/Lの範囲内に実質的に保たれるように、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 a fuel containing at least shochu lees in a fuel reaction tank of the microbial fuel cell, and the microbial fuel so that COD Cr of the fuel is substantially maintained in the range of 5,000 to 20,000 mg / L. Driving batteries,
Including, methods.
前記燃料が、焼酎粕と水とを含む焼酎粕含有溶液である、請求項4に記載の方法。   The method according to claim 4, wherein the fuel is a shochu lees-containing solution containing shochu lees and water. 前記焼酎粕が、芋、麦、米又は蕎麦の焼酎を製造する過程で発生した焼酎粕である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the shochu lees are shochu lees generated in the process of producing shochu of potato, wheat, rice, or buckwheat.
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