バイオメタン生産グループ

環境分野のバイオメタネーション技術

バイオメタン生産グループ

嫌気性微生物を用いたバイオマス利活用

今までに取り組んだテーマ

  • 下水汚泥と地域バイオマスの共消化
  • 下水汚泥の高濃度消化
  • 担体（炭化物、MOF）
  • メタン発酵前処理（水熱反応、エタノール化）
  • 膜分離嫌気性消化（AnMBR）
  • 水素発酵
  • バイオエタノール生産
  • バイオメタネーション
  • ライフサイクルアセスメント（LCA）

メタネーションの社会的背景

メタネーション反応

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

合成メタン（e-methane）：再エネ由来水素から生産したメタン ※日本ガス協会

2050年カーボンニュートラルの実現

第6次エネルギー基本計画（2021.10.22）

  • 非電力部門は、脱炭素化された電力による電化を進める
  • 電化が難しい部門については、水素や合成燃料などを活用
    して脱炭素化をはかる
ガス全体に占める比率

図1　2050年ガスのカーボンニュートラル化の実現に向けた姿
（日本ガス協会）

メタネーションの種類

表3　メタネーション方式の比較

メタネーション方式の比較表
  • 触媒メタネーションは発電所や焼却工場など、規模の大きいメタネーションに有利と考えられる。
  • 現時点でバイオメタネーションは、嫌気性消化（メタン発酵）との組み合わせが適していると考えられる。
メタネーションシステムのイメージ

図2　メタネーションシステムのイメージ

バイオメタネーションの市場性

下水処理施設への消化槽導入件数

図3　下水処理施設への消化槽導入件数

下水処理施設への嫌気性消化の導入は、伸びしろのあるビジネスといえる。

さらに
下水処理施設の消化ガス発電賦存量

図4　下水処理施設の消化ガス発電賦存量

消化ガスCH4濃度を60%→90%にアップグレードすると、賦存量は発電量として6500GWh/年*となる。

※両グラフとも平成28年度下水道統計に基づく

※日本の全発電量（2019年度863,000GWh）の0.8%

バイオメタネーションとは

バイオメタネーション反応

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

バイオメタネーションのイメージ

図5　バイオメタネーションのイメージ

  • 触媒法と同様、水素と二酸化炭素を基質として進行する。
  • 水素濃度が低い場合などは、酢酸を経由する反応もある。
  • リアクタ温度はメタン生成菌の活性から、37、55、65℃で運転される。
嫌気性消化プロセス

図6 嫌気性消化プロセス

水素資化メタン生成反応

Wolfeサイクル

図7　Wolfeサイクル

表1　バイオメタネーションのGibbsエネルギー（pH7）

バイオメタネーションのGibbsエネルギー（pH7）

表2　水素資化メタン生成菌（Metanogens）の例

水素資化メタン生成菌（Metanogens）の例

バイオメタネーションのフロー

In-situ型

基質の消化とメタネーションを同じ反応槽で行う。

  • 1槽で高濃度バイオガスが得られる。
  • 水素により消化反応が阻害される恐れがある。
Ex-situ型

基質の消化とメタネーションを別々の反応槽で行う

  • 高負荷運転やメタネーションに特化した装置形状が可能
富士市東部浄化センター

写真1　富士市東部浄化センター（神鋼環境ソリューションHP）
https://www.kobelco-eco.co.jp/topics/news/2018/20190327.html

Store&Goプロジェクト

写真2　Store&Goプロジェクト（スイス,基質：バイオガス）
https://www.storeandgo.info/demonstration-sites/switzerland/index.html

バイオメタネーションの技術課題

表3　気体の水中飽和濃度

気体の水中飽和濃度
  • 水素の飽和濃度は二酸化炭素の約1/40
  • 水素資化メタン生成菌の水素利用速度は速く、かつ飽和定数も小さい

バイオメタネーションに関する報告の多くが、水素の液中への効率的な溶解が課題であることを指摘している

※1：(社)日本化学会, 化学便覧 基礎編 改訂5版, 丸善株式会社, 2004, pp. Ⅱ-144-146；モル分率、25℃、1atmに記載の水への溶解度から算出

バイオメタネーションリアクタの運転・評価指標

  • 水素容積負荷(L/L/d)＝投入水素量(L/d)÷リアクタ容積(L)
  • ガス滞留時間(d)＝

    リアクタ気相部容積(L)

    投入ガス量(L/d)＋出口ガス量(L/d)）÷２

  • メタン生成速度（MER）(L/L/d)＝出口メタン量(L/d)÷リアクタ容積(L)
  • 水素変換率(%)＝100－出口水素量(L/d)÷投入水素量(L/d)×100
  • 出口メタン濃度(%)

リアクタ形状

各種バイオメタネーションリアクタ
  • リアクタ形状の方向性は収束しつつある。
  • 他にも加圧リアクタ、パイプ型リアクタなどが提案されている。
  • その多くが気－液－微生物の接触に着目した内容である。

図10　各種バイオメタネーションリアクタA:完全混合反応槽(CSTR)、B：気泡塔リアクタ、C：固定床リアクタ、D：散水床リアクタ、E：中空糸膜リアクタ(MBfR)、F：微生物燃料電池システム(BES)

出典：C.-Y.Lai,L.Zhou,Z.Yuan,J.Guo,“Hydrogen-driven microbial biogas upgrading Advances challenges and solutions,”Water Research,197,p.117120,2021

リアクタ性能に関する研究開発状況

表4　各種リアクタにおけるバイオメタネーション性能（ex-situ）

各種リアクタにおけるバイオメタネーション性能（ex-situ）

※高温の方が変換能が高い、という報告の方が多い。
※近年は散水床（トリクルベッド）が増えている。
※現状の最高値は水素負荷40 L/L/dくらいと考えられる。

※1二酸化炭素変換率、※2全ガス量、※3出口メタンの値を4倍した
出典：杉本裕,古崎康哲,他： 二酸化炭素有効利用技術　～DACから物質合成、産業利用まで～,㈱エヌ・ティー・エス,pp.137-145(2022.5)

バイオメタネーション性能向上に関する因子

図11 リアクタのイメージ

  • 水素溶解速度
  • ガス滞留時間
  • 気相部混合特性
  • 微生物（菌叢）
リアクタのイメージ

基本的な考え方

水素は液中に溶解しにくい

気相部を無視できない

メタン菌の水素親和性は高い
水素は液中に溶解しにくい

液相中の水素濃度はほぼゼロ

メタネーションの律速は
水素溶解

水素溶解に関する指標：kLa、CS

図12 水素溶解に関する指標

水素溶解速度：dCH2dt　＝　KLa(Cs,H2 - CH2)Cs,H2：液中の飽和水溶濃度(mg/L)CH2：液中の溶存水素濃度(mg/L)

水素溶解に関する指標

kLaの目標

リアクタモデル

図13　リアクタモデル

水素、二酸化炭素、メタンの物質収支式

式1　水素、二酸化炭素、メタンの物質収支式

※水素の溶解が律速であるとして、微生物反応式を省略する

シュミレーション結果

図14　シュミレーション結果

高負荷で運転するためには高いKLaが求められる

気相部の混合特性について

1槽型（左）、槽列型（右）

図15　1槽型（左）、槽列型（右）

気相部が完全混合の場合、
投入ガスの4割がGRTの半分の時間が流出してしまう。

滞留時間の半分までに流出する割合

図14　滞留時間の半分までに流出する割合

押出し流れに近づけてショートカットを防ぐことが重要

当センターでの今までの取り組み①

マイクロバブル(2020)

リアクタ全体写真（気泡塔型と比較）

写真3　リアクタ全体写真（気泡塔型と比較）

MB生成部　マイクロバブルノイズ(OKE-MBO4FJ)

写真4　MB生成部

写真5
マイクロバブルノイズ
(OKE-MBO4FJ)

微細気泡による溶解効率向上をねらった

結果：水素負荷4.0　L/L/dで出口メタン濃度92％前後

※発泡が多く、十分な稼働時間をえられなかった。
※ノズル部で汚泥が乾燥して閉塞することがあった。

当センターでの今までの取り組み②

霧化（2021）

超音波霧化ユニット（IN1-24, 星光技研）

写真6　超音波霧化ユニット
（IN1-24, 星光技研）

※充円錐ノズルはすぐに閉
塞したため使えなかった。
※詰まらないノズルは水滴
が大きく、効果がなかっ
た。

蒸留水の霧化

写真7　蒸留水の霧化

消化汚泥の霧化

写真8　消化汚泥の霧化

汚泥を微細な水滴にしてガス接触面積の増大をねらった。

※清水に較べるとわずかな量しか霧化できない（粘性、浮遊物）
※一度霧になると、ミストの分離が困難でガスだけの回収困難

消化汚泥の霧化

写真9　消化汚泥の霧化

当センターでの今までの取り組み③

界面活性剤（2021）

植物由来の界面活性剤「サポニン」を使用した。
※活性汚泥法では酸素供給に効果があることが知られている。

サイカチからのサポニン抽出方法

写真10　サイカチからのサポニン抽出方法

  1. ①サイカチの種子、
  2. ②種子粉砕後、
  3. ③サイカチ100 gを24hr浸漬、
  4. ④サイカチ25 gを0hr浸漬、
  5. ⑤サイカチ25 gを24hr浸漬、
  6. ⑥布ろ過

界面活性効果によりkL値が向上し
水素溶解が促進されることを期待した。

サイカチ」、「ムクロジ」抽出物を
使用したが、効果はみられなかった。

当センターでの今までの取り組み④

散水床型(2021)

散水床型(2021)

空塔型(2021)

空塔型(2021)

泡沫型(2021-)

泡沫型(2021-)

加圧型(2022-)

加圧型(2022-)

写真11　その他メタネーション写真

出口メタン濃度

※出口メタン濃度の目標値は90％以上とした。

連続メタネーション実験における出口ガス濃度（2021年度実施分）

図17　連続メタネーション実験における出口ガス濃度（2021年度実施分）

泡沫充填型リアクタは実験継続中（水素負荷26 l/l/d、出口メタン濃度90%）

菌叢の変化

次世代ｼｰｹﾝｻによる菌叢解析

※16S rRNA(V3-V4)，qiime2，Greengene(ver.13.8,97% OTU)

門（phylum）レベルの菌叢

Euryarchaeota（古細菌）
の比率が増加

種汚泥
6%

ﾒﾀﾈｰｼｮﾝ汚泥
24~%31%

※種汚泥：中温消化汚泥

Euryarchaeota門の菌叢（属ﾚﾍﾞﾙ）

図18　Euryarchaeota門の菌叢（属ﾚﾍﾞﾙ）

優占種が酢酸資化から水素資化ﾒﾀﾝ生成菌へと変化した

水素資化菌が少ない消化汚泥でも種汚泥として利用可能

※第57回日本水環境学会年会（2023）発表資料

実験結果からのkLaの算出

  • 水素溶解が律速
  • 水素資化メタン生成菌の飽和定数は低い

液中の水素濃度はほぼゼロと考えると、水素
消費速度と水素分圧からkLaを算出できる。

図19　水素消費速度と気相部水素分圧の関係

※第58回日本水環境学会年会（2024）発表資料

rt：水素消費量(mol/L/hr)
PH2g：気相中出口ガス分圧(atm)
H：ヘンリー定数(atm/mol/L)
kL：総括物質移動係数（1/h）

※J.L.Vega et.al. (1988) Biotech.Bioeng.を参照に導出

MERとkLaの関係（文献値）

図20　MERとkLaの関係（文献値）

※D.Rusmanis et.al. (2019) Bioengineered

まとめ：バイオメタネーション

  • 「e-methane」は気体燃料としてカーボンニュートラル社会で重要
  • バイオメタネーションは嫌気性消化施設での普及が期待できる
  • 技術的課題は「水素の液中への効率的な溶解」
  • 現在の性能最高値：水素負荷 40 l/l/d、当研究室：26 l/l/d
  • 性能向上因子：水素溶解速度、ガス滞留時間、気相部混合特性、微生物叢
  • 水素溶解指標：a気液界面積、kL界面移動係数、CS飽和濃度
  • 実験結果からkLaを算出することができる。

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