嫌気性発酵・バイオガス変換

メンバー

Li Yemei, Hyungmin Choi, Ruth Daniel, 本村大穂

嫌気性微生物プロセスによるバイオガス・水素エネルギー変換技術の開発

本研究の背景と目的

近年、食品廃棄物や農業残渣、下水汚泥などの有機性廃棄物をエネルギー資源として有効利用する「循環型バイオエコノミー」の重要性が高まっています。特に、嫌気性発酵プロセスは、これらの有機廃棄物を微生物の働きによってメタンや水素、有機酸へ変換できる環境調和型技術として注目されています。メタン発酵は再生可能エネルギーであるバイオガスを生成できる一方、水素発酵ではクリーンエネルギーである水素や、バイオプラスチック原料となる揮発性脂肪酸（VFA）を同時に生産できる可能性があります。
また、世界各地では地域特有のバイオマス廃棄物の大量発生が社会課題となっています。例えばマレーシアでは、パーム油産業に伴いPOME（Palm Oil Mill Effluent）やEFB（Empty Fruit Bunch）と呼ばれる高濃度産業排水、廃棄バイオマスが大量に発生しており、その処理過程における温室効果ガス排出や環境負荷が問題視されています。しかし、これらのバイオマスは適切に利用することで、再生可能エネルギーや有価物へ転換可能な未利用資源でもあります。本研究室では、嫌気性微生物の代謝機能と微生物群集構造に着目し、高効率なメタン発酵・水素発酵プロセスの開発を進めています。さらに、16S rRNA遺伝子解析やメタゲノム解析などの分子生物学的手法に加え、機械学習（ML）やAIを活用したデータ駆動型解析を組み合わせることで、発酵性能や微生物挙動を予測・最適化する新たなアプローチにも取り組んでいます。これにより、地域特有の未利用バイオマスを対象とした安定かつ高効率なエネルギー・有価物回収技術の実現を目指しています。

論文情報 (詳細は業績をご覧ください)

In situ biogas upgrading performance, microbial community structures, and metabolic potentials during biomethanation in a thermophilic anaerobic membrane bioreactor treating sewage sludge

Hafuka A, Oshiki M, Fujino S, Takahashi K, Okabe S, Ito R, Mizuno S, Oshita K, Kimura K.
ACS EST Water, 2025.

本研究では、高温嫌気性膜分離リアクター（AnMBR）を用いて、下水汚泥から発生するバイオガス中のCO₂を微生物によってメタンへ変換する「in situバイオガスアップグレード」に取り組みました。リアクター内へ水素ガスを供給することで、水素資化性メタン生成菌によるバイオメタン化反応を促進し、バイオガス中のメタン濃度を最大94%まで向上させることに成功しました。さらに、微生物群集解析により、高温条件下でMethanothermobacter属メタン生成菌が優占化することを明らかにしました。本研究は、嫌気性消化と再生可能エネルギー由来水素を統合した次世代型バイオガス高度化技術として、カーボンニュートラル社会に向けた新たな可能性を示しています。本研究は水再生工学研究室との共同研究成果になります。

より詳細な情報は以下のページをご覧下さい
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Thermophilic dark fermentation for hydrogen and volatile fatty acids production from breadcrumbs

Oshiki M, Yamaguchi G, Takahashi K, Okabe S, Kawano S, Nakagawa J, Fukushima T.
Chemical Engineering Journal, 501, 157633, 2024.

本研究では、パン廃棄物を原料として、高温暗発酵による水素および揮発性脂肪酸（VFA）の同時生産に取り組みました。55℃で運転される高温発酵リアクターにおいて、最大7.0 L-H₂/L/dayの高い水素生成速度を達成するとともに、酢酸や酪酸などの有価な有機酸の生成を確認しました。また、長期運転中の発酵性能変動に対し、16S rRNA遺伝子解析および代謝ポテンシャル解析を実施し、水素生成の安定性と微生物群集構造の関係を明らかにしました。本研究は、食品廃棄物からのクリーンエネルギー・有価物回収の可能性を示すとともに、嫌気性発酵プロセス安定化に向けた重要な知見を提供するものです。本研究は九州大学、日本製鉄株式会社との共同研究成果です。