JP7208693B1

JP7208693B1 - 陽極及び陰極にルーメン内微生物（細菌叢）を定着させた竹炭電極を用いた発電方法及び発電装置

Info

Publication number: JP7208693B1
Application number: JP2022134435A
Authority: JP
Inventors: 吉広宗田; 浩澤田; 友幸芝原; 鐘蔵新井
Original assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2042-08-25
Also published as: JP2023035948A

Abstract

【課題】反芻動物のルーメン細菌叢を活用した発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】反芻動物のルーメン内容物由来の媒体を含有し、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置した発電槽を備えた、微生物発電装置及び当該微生物発電装置を用いた微生物発電方法。【選択図】なし

Description

特許法第３０条第２項適用１．研究集会名：第１６４回日本獣医学会学術集会開催日：令和３年（２０２１年）９月７日～１３日（オンライン形式）２．刊行物名：２０２２年度精密工学会春季大会学術講演会大会講演論文集発行日：令和４年（２０２２年）３月２日３．研究集会名：２０２２年度精密工学会春季大会学術講演会開催日：令和４年（２０２２年）３月１５日（オンライン形式）

本発明は、例えば反芻動物のルーメン内容物由来の媒体及び竹炭電極を用いた微生物発電方法及び微生物発電装置に関する。

2019年12月以来、1年以上にわたる新型コロナウイルス感染症(COVID-19)のパンデミックの拡大を受けて、地球規模で、持続可能な社会、特に持続可能なエネルギー生産や食料生産に対する関心が高まっており、今後、短期的には2030年まで、長期的には2050年までに様々な変革や技術革新が求められることとなる。特にエネルギー生産に関しては、日本政府が、我が国における温室効果ガスの排出について、2050年までに実質ゼロにするという目標を立てており、現在の石油や石炭等の化石燃料を原料とした火力発電や廃棄物処理に問題がある原子力発電に代わる、持続可能且つ再生可能なクリーンエネルギーの生産システムの確立は急務であり、社会的ニーズは高い。また、食料生産の面でも、近年顕在化した社会課題として、持続可能な食料生産や食品ロスの削減、未利用バイオマスの活用及び食品廃棄物の利用等の解決が求められている。

一方、従来において、シュワネラ属菌やジオバクター属菌のように、土壌や汚泥中に存在する発電細菌が報告され、その発電及び汚水処理等への利活用が盛んに研究されている。また、特許文献１には、ウシのルーメン内容物を用いた微生物発電が開示されている。さらに、非特許文献１には、竹炭を電極として、コンポスト型微生物発電に利用することが開示されている。しかしながら、非特許文献１では、正極と負極の両極とも竹炭電極を利用すると発電力は低くなり、鉄あるいは炭素繊維との組み合わせが必要であるとされている。従来において、発電に用いる電極として炭素繊維(カーボンファイバー)や金属電極が使用されてきた。しかしながら、炭素繊維は非常に高価であり、家畜衛生分野への実用化が困難である。また、金属電極の場合は、微生物を内部に定着させることが不可能であり、また、発電後の堆肥利用やバイオマス発電への利用を困難にする等の問題がある。

台湾公開公報TW201031049A

鐘ヶ江ら, 2011年, 「竹炭を活用したコンポスト型微生物電池の開発」, 土木学会西部支部研究発表会

本発明は、上述の実情に鑑み、ウシ等の反芻動物のルーメン細菌叢を活用した安価で簡易な発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、ウシ等の反芻動物のルーメン内容物(細菌叢)を微生物発電に利用し、竹炭電極に陽極特異的菌叢及び陰極特異的菌叢を定着させることにより、従来では不可能であった両極に竹炭電極を用いた発電方法を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下を包含する。
（１）反芻動物のルーメン内容物由来の媒体を含有し、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置した発電槽を備えた、微生物発電装置。
（２）前記媒体において異なる微生物叢が層状に存在する環境中に、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置する、（１）記載の微生物発電装置。
（３）第一の竹炭は、その内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭であり、且つ、第二の竹炭は、その内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭である、（１）又は（２）記載の微生物発電装置。
（４）反芻動物がウシ目動物である、（１）～（３）のいずれか１記載の微生物発電装置。
（５）前記媒体を37～39℃に保温する手段をさらに含む、（１）～（４）のいずれか１記載の微生物発電装置。
（６）発電槽が活性酵母粉末をさらに含有する、（１）～（５）のいずれか１記載の微生物発電装置。
（７）（１）～（６）のいずれか１記載の微生物発電装置を電源として備え、電気利用機器に電力を供給する、電力供給装置。

（８）反芻動物のルーメン内容物由来の媒体において、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置することで、発電を行うことを含む、微生物発電方法。
（９）前記媒体において異なる微生物叢が層状に存在する環境中に、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置する、（８）記載の微生物発電方法。
（１０）第一の竹炭は、その内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭であり、且つ、第二の竹炭は、その内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭である、（８）又は（９）記載の微生物発電方法。
（１１）第一の竹炭及び第二の竹炭を、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体に配置することにより、第一の竹炭の内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させ、且つ、第二の竹炭の内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させることをさらに含む、（１０）記載の微生物発電方法。
（１２）反芻動物がウシ目動物である、（８）～（１１）のいずれか１記載の微生物発電方法。
（１３）前記媒体を37～39℃の温度条件下に保温する、（８）～（１２）のいずれか１記載の微生物発電方法。
（１４）前記媒体が、活性酵母粉末を添加したものである、（８）～（１３）のいずれか１記載の微生物発電方法。
（１５）（８）～（１４）のいずれか１記載の微生物発電方法により発電した電力を、電気利用機器に供給することを含む、電力供給方法。

本発明によれば、安価で簡易な発電システムを提供することができ、例えばと畜場や畜舎の衛生環境モニタリングのためのセンサ電源及びウシ自体の生体モニタリングを行う各種生体センシングセンサの電源を自給することが可能となる。

実施例１において作製した典型的な1台の発電槽における構築時からの電圧(V)及び電流(mA)の経時的変化を示すグラフである。デジタルマルチメーターにより毎日測定した。電流は4月29日から測定を開始した。4月24日に電極が腐食したため、交換した。5月8日はデータ無し。6月以降も継続的に測定した。実施例１において作製した発電槽を室温（約20℃）環境下で保持した場合と、牛の体温である約38.5℃のウォーターバス内に浸漬した場合の前後2週間の電圧及び電流をデジタルマルチメーターにより毎日測定した結果を示すグラフである。 38.5℃のウォーターバスに浸漬した、実施例１において作製した発電槽に、抗生物質カクテル（ペニシリン、ストレプトマイシン、ゲンタマイシン及びファンギゾン）を添加した場合の前後1週間の電圧及び電流をデジタルマルチメーターにより毎日測定した結果を示すグラフである。実施例１における、竹炭に予め陽極細菌叢及び陰極細菌叢を定着させた竹炭の走査型電子顕微鏡像である。（A）未処理コントロール竹炭(×700倍)、（B）陰極(アノード)細菌叢を定着させた竹炭(×8,000倍)、（C）陽極(カソード)細菌叢を定着させた竹炭(×19,000倍)。（A）には菌は定着していない。（B）には球菌様の細菌塊が多く観察された。（C）にはらせん菌や長桿菌が多く観察された。実施例１において作製した、良好な発電状態を示すルーメン内容物発電槽中で約2週間の期間、竹炭電極に予め陽極特異的細菌叢及び陰極特異的細菌叢を定着させた教育竹炭の走査型電子顕微鏡像である。(A)未処理未教育竹炭（×100倍）、(B)教育した陽極竹炭（×100倍）、（C）教育した陰極竹炭（×500倍）、（D）Bの拡大像（×2200倍）、(E)Cの拡大像（×2700倍）。(A)では竹炭に特徴的な内部の6角形構造が観察されるがその内部には細菌は認められなかった。(B)及び(C)の教育済み竹炭ではそれぞれ竹炭の内部の6角形構造の内部に細菌の集塊が認められた。(D)の陽極教育竹炭の拡大像では、細菌がバイオフィルムを形成しているような像が認められ、一方、(E)の陰極教育竹炭の拡大像では、細菌の像も認められるが、結晶様の構造物が多く認められ、明らかに陽極教育竹炭とは異なる特徴を示した。実施例２において、ルーメン細菌叢発電の陰極側に飼料添加物を加えることによるルーメン細菌叢発電の効率化及び配線腐食の抑制効果を示すグラフ及び表である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る微生物発電装置(以下、「本発明に係る装置」と称する)は、反芻動物のルーメン(第一胃)内容物由来の媒体を含有し、第一の竹炭を陽極として該媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として該媒体の下層に配置した発電槽を備えたものである。本発明に係る装置における発電槽においては、陽極及び陰極の双方として竹炭電極を配置し、一方、含有する反芻動物のルーメン内容物由来の媒体において、媒体の上層に位置する陽極の竹炭電極には陽極細菌叢が定着し、且つ媒体の下層に位置する陰極の竹炭電極には陰極細菌叢が定着する。

また、本発明に係る微生物発電方法は、本発明に係る装置を用いて、発電を行うことを含む方法であり、具体的には、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体において、第一の竹炭を陽極として該媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として該媒体の下層に配置することで、発電を行うことを含むものである。

ここで、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体とは、反芻動物から採取したルーメン内容物、反芻動物から採取したルーメン液及びルーメン内で細菌叢の餌となる揮発性脂肪酸（VFAs）の主体である酢酸又は酢酸ナトリウムを含む混合物、あるいは当該混合物を破砕して得られる媒体をいう。破砕方法としては、例えばフードプロセッサー等を使用して細切にする方法が挙げられる。また、酢酸及び酢酸ナトリウムの添加濃度としては、生理的濃度である約50mMを中心として、例えば10mM～100mM程度が挙げられる。

また、反芻動物としては、例えばウシ、ヒツジ、ヤギ、シカ、ラクダ等のウシ目動物が挙げられ、好ましくはウシである。

電極とする竹炭は、例えば業務用竹炭平板15cm V-7（竹炭市場製）が挙げられる。
発電槽としては、例えばプラスチック容器（LOCK PACK Wide L 2.6L（サナダ精工株式会社）及び食品用しっかりパックI ２L（NAKAYA））が挙げられる。

発電槽中には、得られた反芻動物のルーメン内容物由来の媒体で満たし、且つ竹炭電極を配置する。第一の竹炭電極(陽極)を、媒体の上層に空気に触れる形で配置する。一方、第二の竹炭電極(陰極)を、媒体中に浸漬し、媒体の下層に配置する。例えば、発電槽中の反芻動物のルーメン内容物由来の媒体の表面と発電槽底面との間の深さ約5～6cmに対して、第一の竹炭電極(陽極)を該媒体の表面上に配置し、且つ第二の竹炭電極(陰極)を、発電槽底面から上に0cm～1cmの位置に配置する。また、第一の竹炭電極(陽極)及び第二の竹炭電極(陰極)をそれぞれ複数配置してもよい。

発電槽では、配置した各竹炭電極の細孔内にルーメン内容物由来の細菌叢を担持させる。

第一実施形態では、発電槽において、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体において異なる微生物叢が層状に存在する環境を作製すべく、第一の竹炭電極(陽極)を、媒体の上層に空気に触れる形で配置し、第二の竹炭電極(陰極)を、媒体中に浸漬し、媒体の下層に配置し、例えば2週間程度インキュベートする。当該インキュベーションによれば、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体において異なる微生物叢が層状に存在する環境中に、陽極の竹炭電極には、陽極に特異的に定着する媒体中の細菌叢(陽極細菌叢)が存在することとなる。陽極細菌叢は、電子を受け取る細菌である。このような陽極細菌叢としては、例えばVerrucomicrobia WCHB1-25属、Oleibacter属、Corynebacterium属、Pseudomonas属、Bacteroides属(種：Bacteroides graminisolvens)、Clostridium属(種：Clostridium thiosulfatireducens)、Enterococcus属(種：Enterococcus thailandicus)等に属する細菌が挙げられる。一方、陰極の竹炭電極には、陰極に特異的に定着する媒体中の細菌叢(陰極細菌叢)が存在することとなる。陰極細菌叢は、電子を放出する細菌である。このような陰極細菌叢としては、例えばBacillus属(種：Bacillus calauii、Bacillus horti、Bacillus toyonensis)、Fusobacterium属、Succinivibrio属、Paraclostridium属(種:Paraclostridium benzoelyticum)等に属する細菌が挙げられる。

第二実施形態では、予め、第一の竹炭電極(陽極)を、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体の上層に空気に触れる形で配置し、第二の竹炭電極(陰極)を、当該媒体中に浸漬し、媒体の下層に配置し、例えば2週間程度インキュベートする。当該インキュベーションによれば、第一の竹炭電極は、その内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢(陽極細菌叢)を定着させた竹炭電極となり、且つ、第二の竹炭電極は、その内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢(陰極細菌叢)を定着させた竹炭電極となる。このようにして得られた各細菌叢を定着させた竹炭電極を、発電槽に上記した配置に設置し、新たな反芻動物のルーメン内容物由来の媒体を発電槽に満たす。

一方、発電を行う際、発電槽中の反芻動物のルーメン内容物由来の媒体の温度は、例えば室温(環境温度)であってよいが、本発明に係る装置は、発電槽中の反芻動物のルーメン内容物由来の媒体を、例えば37～39℃(特に、ウシの体温である約38.5℃)に保温する手段をさらに含んでもよい。当該温度に媒体を保温すると、発電により得られる電流及び電圧は、室温に比べて有意に上昇する。保温手段としては、例えば、発電槽を浸漬するウォーターバス等が挙げられる。

また、第二の竹炭電極(陰極)側(媒体の下層)等の、発電槽中の反芻動物のルーメン内容物由来の媒体に、活性酵母粉末を添加してもよい。活性酵母粉末を添加することで、配線に用いるワニ口クリップ等の金属がルーメン内容物に直接接しなくなることで、ルーメン内容物由来の媒体による当該金属の腐食を抑制する一方で、竹炭電極に定着させた反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢の嫌気性を向上させることで、発電効率を上昇させることができる。

活性酵母粉末は、活性酵母(生きた酵母)を粉末化したものである。活性酵母粉末として用いられる活性酵母としては、例えば、ビール酵母、パン酵母、清酒用酵母等一般に食品工業で用いられているものが挙げられる。このような活性酵母としては、例えばサッカロマイセス(Saccharomyces)属、ピキア(Pichia)属、ハンゼヌラ(Hansenula)属、デバリオマイセス(Debariomyces)属、キャンディダ(Candida)属、クリベロマイセス(Kluyveromyces)属、チゴサッカロマイセス(Zygosaccharomyces)属等に属する活性酵母が挙げられ、サッカロマイセス(Saccharomyces)属のパン酵母が好ましい。

また、活性酵母の粉末化の方法としては、従来公知の方法が挙げられ、スプレー式乾燥、流動層乾燥を挙げられる。

あるいは、活性酵母粉末として、活性酵母粉末を含有する市販の飼料添加物を使用してもよく、このような飼料添加物としては、例えばビスタセル(登録商標)(あすかアニマルヘルス株式会社製：Saccharomyces cerevisiae(パン酵母)含有)、イーサック(株式会社チュウチク製)、アクティサフ（株式会社ワイピーテック社製）及びレブセルSC（ラレマンドバイオテック社製）等が挙げられる。

次いで、第一の竹炭電極(陽極)と第二の竹炭電極(陰極)とを、例えばワニ口クリップあるいはジャンパー線等で回路により電気的に接続することで、発電を行う。

また、複数の発電槽を直列及び/又は並列に配線し、数Vかつ数mAで安定的に発電する電力を100～500F程度の大容量コンデンサーに蓄電し、多様な電気利用機器(アプリケーション)に接続し、電力を供給することで、当該アプリケーションを作動させることができる。このように、本発明は、本発明に係る装置を電源として備え、電気利用機器に電力を供給する、電力供給装置も提供する。さらに、発電した電気を、例えば大容量コンデンサーやリチウムイオンバッテリーに蓄電又は充電してもよい。電気利用機器(アプリケーション)としては、例えば各種の生体センシングセンサ、環境モニタリングセンサ、衛生資材(好ましくは、表１に記載されているようなアプリケーション)、食塩水を電気分解し、微酸性次亜塩素酸水を作製する、微酸性次亜塩素酸水作製装置が挙げられる。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕ルーメン細菌叢発電槽の作製及びその使用
１．材料及び方法
１）ルーメンフィステル牛からウシのルーメン内容物約1500mlを採取して、10mMの酢酸ナトリウム100ml及びルーメン液100mlを加えた後、内容物をそのままあるいはフードプロセッサーで細切した後、2Lプラスチック容器（食品用しっかりパックI ２L(NAKAYA)）等に竹炭電極(業務用竹炭平板15cm V-7(竹炭市場製)、陽極・陰極各3本)と共に配置した。竹炭電極の陰極電極は、容器底部あるいは容器底部に1cm程度のルーメン内容物を敷きつめた上に配置した。さらにその上部にルーメン内容物を5cm程度敷き詰めた上に、陽極電極を空気に触れるように配置した。陽極・陰極からそれぞれワニ口クリップ等を用いて、電気を取り出し、デジタルマルチメーターにより、電圧及び電流を連続的あるいは間歇的に測定した。

２）また、発電槽を室温で静置した場合と牛の体温である約38.5℃のウォーターバス内で保温した場合の前後各2週間の電流及び電圧を比較した。

３）さらに、発電槽を38.5℃のウォーターバス内で保温した状態で、発電槽内及び竹炭電極の陽極上に抗生物質カクテル（ペニシリン、ストレプトマイシン、ゲンタマイシン、ファンギゾンの混合液）を1日おきに3回添加した前後各1週間の電流及び電圧を比較した。

４）ルーメン内容物及び竹炭電極を用いて、約2週間かけて構築した良好な発電状態を示している発電槽から取り出した、教育済み陽極竹炭及び教育済み陰極竹炭を用いて、新たに採取したルーメン内容物を媒体として発電槽を構築し、予め陽極及び陰極にそれぞれ特異的なルーメン細菌叢を定着させた場合（「教育」と呼ぶ）における初期発電に対する促進効果を検討した。

２．結果及び考察
１）作製した発電槽1台当たり電圧約0.5V且つ電流数mAの発電が1か月以上持続する、ルーメン内容物を用いた安価で簡易な微生物発電槽の構築に成功し、20台程度を直列・並列に配線し、数Vかつ数mAで安定的に発電する電力を100～500F程度の大容量コンデンサーに蓄電することで、多様なアプリケーションの作動を確認した(図１及び表１）。また、発電した電気はリチウムイオンバッテリーへの蓄電・充電も可能であった。

２）発電槽を室温で静置した場合と牛の体温である約38.5℃のウォーターバス内で保温した場合の前後各2週間の電流及び電圧を比較した結果、牛の体温である38.5℃に発電槽を置いた場合は室温に比べて、電流及び電圧ともに有意に上昇した（図２）。

３）発電槽を38.5℃のウォーターバス内で保温した状態で、発電槽内及び竹炭電極の陽極上に抗生物質カクテル（ペニシリン、ストレプトマイシン、ゲンタマイシン、ファンギゾンの混合液）を1日おきに3回添加した前後各1週間の電流及び電圧を比較した結果、電圧に有意な差は生じなかったが、抗生物質カクテルの添加により電流は有意に低下することが示された（図３）。

４）さらに、ルーメン細菌叢発電に活用している竹炭電極も素材は炭素であるが、非常に安価(1本、100円未満)且つ入手が容易であり、ある一定温度以上の焼成温度で竹を竹炭化することで、電気伝導性が高く、且つ六角形のハチの巣構造を保ったまま炭化されることが知られている。この竹炭の六角形構造は、ちょうど細菌が住処するのに適切なサイズ(細菌1～数μmに対して、竹炭の六角形構造は数十μm)であり、金属電極と異なり、予めルーメン内容物あるいは内容液や発電細菌の培養液等で処理しておくことで、陰極及び陽極にそれぞれ発電にとって重要な細菌(あるいは細菌叢)を定着させておくことが可能であると考えられた(表２)。

電子顕微鏡でこのような予め陽極及び陰極にそれぞれに特異的な細菌叢を定着させた竹炭を撮影すると、陽極と陰極で明らかに異なる形態の細菌叢(陰極：球菌様の細菌塊が多い。陽極：長桿菌(らせん菌)が多い)が定着していることが観察された(図４)。

５）実際に、ルーメン内容物により、活発に発電を示している発電槽中で約2週間の期間、予め陽極竹炭及び陰極竹炭にそれぞれに特異的な細菌叢を定着させた竹炭（「教育竹炭」と呼ぶ）を用いて、別の新鮮なルーメン内容物中へ教育竹炭として配置すると、本来は約1～2週間変えて徐々に上昇してくる（図１)のルーメン細菌叢発電の初期の発電圧・電流・電力について、いずれも有意に促進することができた。これにより、表３に示すように、未教育の細菌叢が定着していない竹炭に比べて、初期の発電が格段に促進され、電圧、電流、電力ともに有意な向上を示した。また、発電槽の構築直後からLED電球を点灯させることが可能であった。

電子顕微鏡でこのような教育竹炭の陽極教育竹炭及び陰極教育竹炭を観察すると、未教育の竹炭では竹炭内部の六角形のハチの巣状構造が確認されるが、その内部に菌は定着していないのに対して、陽極教育竹炭では、多数の細菌叢が竹炭内部の六角形のハチの巣状構造内に確認された。また、陰極教育竹炭でも、少量の細菌叢とともに多くの結晶物構造が確認され、明らかに陽極教育竹炭と陰極教育竹炭では異なる細菌叢が定着していることが推察された（図５）。

〔実施例２〕ルーメン細菌叢発電の配線として用いる金属の腐食に対する、飼料添加物の影響
ルーメンフィルテル牛から、牛のルーメン内容物を採取し、ルーメン内容物約1.5Lにルーメン内容液100mL及び10mM酢酸ナトリウム100mLを添加して、陰極側に竹炭電極(予め細菌叢を定着させたもの)3本をルーメン液に浸るように配置した。また陽極側に竹炭電極(予め細菌叢を定着させたもの)3本を空気に触れるように配置して発電槽を作製した。

陰極及び陽極からはワニ口クリップを用いて配線し、デジタルマルチメータを用いて、1日1回、電圧(V)及び電流(mA)を測定し、電力(mW)を計算した。配線の腐食により、電流が流れなくなった際には、新しいワニ口クリップに交換した。

発電槽はルーメン内容物のみで構築したものと陰極側に市販の活性酵母を含む飼料添加物(ビスタセル：あすかアニマルヘルス)を加えたものの2種類作製し、作製後約5ヶ月にわたって、電圧(V)、電流(mA)及び電力(mW)を比較した。さらに、配線に用いたワニ口クリップの腐食による交換回数を陽極・陰極それぞれについて、比較した。結果を図６に示す。

図６に示すように、ルーメン内容物発電の陰極側に市販の活性酵母を含む飼料添加物を添加すると、電圧（V）に大きな変化はないが、電流（mA）は有意に高くなった。その結果電力（mW）も有意に高くなった。配線に用いたワニ口クリップについては、ルーメン内容物のみで構築した際には、陽極・陰極とも腐食により5カ月間の間に各2回ずつ交換が必要であったが、陰極側に市販の活性酵母を含む飼料添加物を添加した場合は、腐食によるワニ口クリップの交換は0回であった。配線の腐食抑制及び活性酵母による酸素消費により陰極側の嫌気性が高まることで、これらの効果が得られることが推測された。

〔実施例３〕予め竹炭内に細菌叢を定着させた良好な発電を示す発電槽の竹炭電極内からの陽極・陰極特異的細菌の分離と16s rRNA解析による細菌種同定
予め陰極及び陽極に細菌叢を定着させて、実施例２に記載の方法により作製した良好な発電(電圧0.5V、電流1mA程度)を示している発電槽から、陰極及び陽極として用いている竹炭電極を取り出して割り、その割面を滅菌綿棒を用いてふき取り、市販の羊血液寒天培地、アネロコロンビア血液寒天培地及びBrain Heart Infusion (BHI)培地に塗布した後、アネロパック嫌気(三菱ガス化学株式会社)システムを用いて、嫌気バック内にて37.5℃で嫌気培養を行った。嫌気培養により、得られた細菌コロニーについて、16s rRNAの配列解析を行って、菌種の推定を行った。結果を表４に示す。

〔実施例４〕ルーメン細菌叢発電により得られた電力により作製された微酸性次亜塩素酸水の各種病原体に対する消毒効果と100V電源で作製した微酸性次亜塩素酸水との効果比較
実施例１で作製したルーメン細菌叢発電の発電槽を10～20台程度直列及び並列に接続し、発電された電力を市販の大容量コンデンサーに蓄電し、蓄電された電力を、USB出力できる回路を作製した。

ルーメン細菌叢発電により発電された電力及び既存の100V電源を用いて、市販の微酸性次亜塩素酸水作製装置を作動させ、食塩水を電気分解して、pH5.0～6.5且つ有効塩素濃度70～80ppmとなる微酸性次亜塩素酸水を作製した。この電解液を用いて、大腸菌、サルモネラ(グラム陰性菌)、豚丹毒菌(グラム陽性莢膜形成菌)、アメリカ腐疽病菌(グラム陽性芽胞形成菌)、牛伝染性気管支炎ウイルス(エンベロープありウイルス)、牛アデノウイルス(エンベロープなしウイルス)に対する消毒効果について、表５に示す条件下で検討したところ、ルーメン細菌叢発電由来の電力で作製された微酸性次亜塩素酸水は、既存の100V電源により作製された微酸性次亜塩素酸水と同等の消毒効果を有していることが示された。

Claims

反芻動物のルーメン内容物由来の媒体を含有し、前記媒体がルーメン細菌叢を含有し、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置した発電槽を備えた、微生物発電装置。
前記媒体において異なる微生物叢が層状に存在する環境中に、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置する、請求項１記載の微生物発電装置。
第一の竹炭は、その内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭であり、且つ、第二の竹炭は、その内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭である、請求項１記載の微生物発電装置。
反芻動物がウシ目動物である、請求項１記載の微生物発電装置。
前記媒体を37～39℃に保温する手段をさらに含む、請求項１記載の微生物発電装置。
発電槽が活性酵母粉末をさらに含有する、請求項１記載の微生物発電装置。
請求項１記載の微生物発電装置を電源として備え、電気利用機器に電力を供給する、電力供給装置。
反芻動物のルーメン内容物由来の媒体において、前記媒体がルーメン細菌叢を含有し、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置することで、発電を行うことを含む、微生物発電方法。
前記媒体において異なる微生物叢が層状に存在する環境中に、第一の竹炭を陽極として前記媒体の上層に配置し、且つ、第二の竹炭を陰極として前記媒体の下層に配置する、請求項８記載の微生物発電方法。
第一の竹炭は、その内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭であり、且つ、第二の竹炭は、その内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させた竹炭である、請求項８記載の微生物発電方法。
第一の竹炭及び第二の竹炭を、反芻動物のルーメン内容物由来の媒体に配置することにより、第一の竹炭の内部に陽極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させ、且つ、第二の竹炭の内部に陰極に特異的な反芻動物のルーメン内容物由来の細菌叢を定着させることをさらに含む、請求項１０記載の微生物発電方法。
反芻動物がウシ目動物である、請求項８記載の微生物発電方法。
前記媒体を37～39℃の温度条件下に保温する、請求項８記載の微生物発電方法。
前記媒体が、活性酵母粉末を添加したものである、請求項８記載の微生物発電方法。
請求項８記載の微生物発電方法により発電した電力を、電気利用機器に供給することを含む、電力供給方法。