89 1 2 18 2011 2010 Research and development of basic technology for the production of biogas and bioethanol from biomass Kenji Kida (Department of Applied Chemistry and Biochemistry, Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University, 2-39-1 Kurokami, Kumamoto 860-8555) Seibutsukogaku 89: 2 18, 2011. 5 t 2 8 t 1) 1990 6 20301990 30 1 20 2) NH 4+ 1 1 3 5) NH 4+ 6) Co 2+ Ni 2+ 7) 8) 9) Co 2+ Ni 2+ E-mail: kida@gpo.kumamoto-u.ac.jp 2 89
1 NH 4+ Co 2+ Ni 2+ TOC 42 g/l/d 24 g/l/d 2 10) Methanosarcina Methanobacterium 1 1.2 3 7 2 4 15 30 30 1Co 2+ Ni 2+ 1.1. Co 2+ Ni 2+ CH 4 CO 2 H 2 8 C1 2 methyltransferase methylreductase Co 2+ Ni 2+ Co 2+ Ni 2+ 1 TOC 42 24 g/l/d BOD 70, 40 g/l/d Co 2+ Ni 2+ 4 5 7) 1.2. Co 2+ Ni 2+ Co 2+ Ni 2+ 8) 1 Co 2+ Ni 2+ CSTR1.8 l TOC 8000 mg/l Co 2+ Ni 2+ D = 0.05 d 1 wash out Co 2+ Ni 2+ D = 0.7 d 1 2 2 Co 2+ Ni 2+ 2 D = 0.1 d 1 0.67 μmol/g VSS F 430 D = 0.1 d 1 0.62 μmol/g VSS 2011 1 3
2 C1 F 420 F 430 0.1 d 1 0.1 d 1 100 100 Co 2+ Ni 2+ 10) 2 wash out acetyl-coa methyl-com 11) F 420 C1 H 2 CO 2 D = 0.6 d 1 50.7 D = 0.025 d 1 57.2 1 mol 1 mol CH 4 1 mol CO 2 3 1 3 4 12) 1.3. D = 0.025 d 1 D = 0.6 d 1 2 13,14) FISH 2 Methanosaeta Methanosarcina 2 DNA 16S rrna 43 72 MethanosaetaMethanosarcina 3 G 0 kj/reaction 1 CH 3COO + H 2O CH 4 + HCO 3 31.0 2 CH 3COO + 4H 2O 2HCO 3 + 4H 2 + H + +104.6 3 4H 2 + HCO 3 + H + CH 4 + 3H 2O 135.6 4 2 3 CH 3COO + H 2O CH 4 + HCO 3 31.0 5 CH 3CH 2COO +3H 2O CH 3COO + HCO 3 + 3H 2 + H + +76.0 6 3 3 5 4 4CH 3CH 2COO + 3H 2O 4CH 3COO + 3CH 4 + HCO 3 + H + 100.8 7 6 1 4 4CH 3CH 2COO + 7H 2O 7CH 4 + 5HCO 3 + H + 224.8 4 89
3 PCR Methanosaeta Methanosarcina Methanoculleus 4 Firmicutes PCR 3Methanosaeta 16S rrna Methanosarcina100 Methanoculleus 4 Methanosarcina Methanoculleus 2 0.027 0.035 d 1 15) CH 4, CO 2 1 562 90 4 1.4. 16,17) 3 5 3 7 3 1 D = 0.01 d 1 30 70 D = 0.01 0.3 d 1 F 430 F 420 DNA 5 D = 0.01 d 1 D = 0.3 d 1 9) 5 2011 1 5
H 2 CO 2 C1 CH 4 CH 4 Co 2+ Ni 2+ 1.5. 60 C 18) TOC 0.2 g/l/d 60 C 80 C 77.5 C TOC VFA TOC95 80 o C 665 C 70 C 65 C CH 4 C1 CH 4 70 C C1 CH 4 80 C 6 2 2006 20 2004 11 2.1. 65 98.5 / 20 w/v 1 20 w/v 70 60 70 ph 6 2 l 0.45 l 1.43 l/d ph 7 19) 1 g 451 ml 91, 70, 45 20) 2.2. 5 l Co 2+ Ni 2+ Fe 2+ 8 g/l/d 1 g 900 1000 ml 50 1000 ppm 85 90 66 59 6 89
7 RT-PCR 6 g/l/d 7.5 800 1000 ppm 5 ppm 21) 16S rrna dsra 22 Methanosarcina Methanoculleus dsr 7 4000 20 m 3 2 53 C TS8 kg/m 3 /d 4000 7.5 1000 ppm 100 200 ppm 2002 2003510 kg480 510 kg 2.3. 4 23) 4 875 ml/g-vts 24) VTS28 250 ml/g-vts 893 ml/g- VTS VTS 250 ml/g-vts 625 ml/g- VTS 23) FISH 16S rrna Methanosarcina Methanoculleus 25) CH 4 C1 CH 4 2.4. 2011 1 7
4 SM DCM SW 1 : 1 SM DCM 1 : 16 : 27 1 : 19 : 12 VTS g/l 195.2 49.4 52.7 110.1 54.4 50.0 cp NM 200.0 4,900.0 NM NM 280.0 53 C VTSg/l/d 8.0 15.0 8.0 12.0 8.0 10.0 d 12.5 3.2 10.4 9.2 6.8 5.0 VTS 82.0 42.0 28.0 78.0 40.0 47.0 50.0 58.0 59.0 50.0 58.0 58.0 ml/g- VTS 875.0 460.0 250.0 730.0 250.0 464.0 ml/g- VTS 1,067.0 1,095.0 893.0 936.0 625.0 987.0 ml/g- VTS 440.0 267.0 148.0 365.0 145.0 270.0 SMDCMVTS NM 8 1 2 VTS 13.4 g/l 10 kgf/cm 2 G 150 C 2 80 VSS63 MAP98 ph ph 7 SS VSS MAP NH 4+ NO 3-8 26) 8 89
3 30 Melle Boinot 27,28 29 30 31) 3.1. 1 32,33 Saccharomyces cerevisiae EP1 S. cerevisae IFO 1953 S. cerevisae IR 2 9 9 HA-2KF-7 HA-2 HS-2 KF-7 KF-7 34) K211 35) 2 KF-7 2Wild/wild ph2.7 Wild/wild 17 41 C Wild/wild 12 2 1 1 2 15 YPD 41 C ph3.548 60 g/l 2 3TAL1 KF7M 2NAPX37 TAL1 NAPX37 2.5 YPX NAPX37 1000 mg/l 30 TAL1 NAPX37 3.2. 0.45 l HA-2 1 36) 1 K 2S 2O 5 200 mg/l D = 0.4 h 1 60 g/l D 0.5 h 1 2011 1 9
11 10 5 40 60 g/l 2 37) A B 30 C D = 0.5 h 1 10 A 0.3 l/min 0.67 vvm B 0.67 vvm D = 0.5 h 1 60 g/l A 40 60 g/l 3 38) 90 g/l 0.15 vvm 0 vvm 11 k La 90 h 1 4 39) 36) 1 2 D = 0.2 h 1 2 1.4 10 9 cells/ml 85 g/l 17 g/l/h 19 12 1 17 l 25 D = 0.25 h 1, 84 g/l, 21 g/l/h, 1.3 10 9 cells/ml 5 1 12 1 1 27 2319 10 89
13H Hc Hp Hs Yp/s Yx/s 1 13 HPD 1 26.5 g/l/h6.08 kcal/l/h 0.498 36) 6 1 440 kl250 kl 7 m 50 l 120 10 Pa 100 Pa 10 Pa 24 70, 69 g/l 3.2 10 8 3.3 10 8 87.3 86.5 10 m 3.3. 2.5 150 mg/g- 2.7 l 2 KF-7 4.2. 1 33 C 70 g/l14 g/l/h 3.4. KF-7 33, 35) 40) 20 w/v 30 35 C 30 C 33, 35 C 8 9 80 82 g/l 7.7 g/l/h 33,41) KF-7 K211 22 w/v 2 3 2213 50 91 g/l, 5.3 g/l/h 14 35) 30 C 33 C 35 C 42) 14 22 1, 4 30 C 2, 5 33 C 3, 6 35 C 2011 1 11
3.5. R1 R2 KF-7 R3 R3 R2 Dt = 0.075 h 1 R2 4-4.5 10 8 cells/ml 80 g/l6 g/l/h 38 2009 2 5 4. 2006 5 2030 10E10 4.1. 2030 1 43) 10 85 10 2 43) 1.5 KF-7 D = 0.8 h 1 30 C 30 g/l 24 g/l/h 57 VTS 6 g/l/d VTS 72 790 ml/g-vts 3 44) 19 5 44 46 g/l18 g/l/h 35 C D = 0.3 h 1 41 g/l 80 12 g/l/h C/N 20 5 g/l 85 91 80 70 g/l/h 17 5.3 6.1 12.6 12 89
3 g/kg/d 800 ml/g-vts 84CH 4 90 4.2. 1 2002 20005 15 KF-7 150 g/l CSL 15 ph 4 D = 0.2 h 1 65 g/l 85 13 g/l/h 45) TOC 20,000 mg/l 2 NH 4+ -N NO 3 -N 460 mg/l SO 4 3000 mg/l NH 4+ 2.2. 7.5 H 2S10,000 ppm 100 ppm TOC 3 g/l/d TOCNH 4+ -N NO 3 -N 270 mg/l 30 mg/l 46) 2 6 10 2 1 3 mm 75303080 85 C 170 64.4 g/l, 44.3 g/l ph 6 1998 27Jan08 ha ha t 10 1 16,309 2 1 31,500 196.9 2 13,338 2 23,000 143.6 3 11,073 3 20,000 125.0 4 11,020 4 16,000 100.0 5 10,578 5 15,000 93.8 6 9719 6 14,000 87.5 5000 /ha 12.5 kg/ 2011 1 13
16 CSL 450 ml 9 : 1 33 C ph 4 D = 0.3 h 1 0.03 vvm 20 27.2 g/l 92.0 8.2 g/l/h TAL1 NAPX37 3.1. 3 C/N 40 TOC10 g/l/d TOC92 1700 ml/g- TOC 3 2020 1000 t NEDO 16 2 kl-etoh/y 2009 10 2010 1 40 D = 0.1 h -1, ph 3.5, Temp. 35 C 99.6 1.6 l/g-toc 70 5 17 5.1. 2006 18 60 C 2 14 89
図 17 地域特性を活かした資源循環型まちづくり 図 18 生ごみを含む廃棄物系バイオマスのメタン発酵によるバイオマスタウン構想 福岡県大木町 家庭から出るし尿を混合しメタン発酵させることであ したので 生ごみのメタン発酵 2.2. 参照 だけでなく る 高温可溶化することにより 単独でメタン発酵処理 生ごみのエタノール メタン二段発酵によるバイオエタ するよりもガス発生量は約 1.2 倍に向上した また バ ノール生産を普及させるために 2006 年度熊本市新町 イオガスプラントは中温メタン発酵であるが 菌叢解析 地区の 25 軒で鮮度保持試験を実施した されに 2007 の結果 高温性のメタン生成に関連する細菌が優占して 年度新町および尾上地区 350 軒の協力を得て熊本市が鮮 いることが分かった そのため 季節による槽内温度変 度保持試験を行った 住民の方からは腐敗しない 異臭 動 37 C 42 C 42 C 37 C にも影響を受けない がしない 素晴らしい資源循環といった高い評価を得た ことが分かった 発生するバイオガスはガスエンジンに そこで 生ごみからのエタノール製造コストや製造量お よるコージェネで発電や温水 発電効率 30 数 総 よび製造に伴う二酸化炭素排出量を試算した 合 効 率 80 と し て 利 用 さ れ て お り 場 内 電 力 の 1 製造コスト 47) 熊本市を対象に実験結果に基づ 70 を賄っている また メタン発酵消化液 年間約 6000 t はすべて液肥として農地に還元 水稲 6 t/10 a 麦 5 t/10 a され 栽培された農産物は直売所で販売 き 4.1. 3 参照 経済性評価を行った 湿潤混合生ごみ されている なお 実プラントの立ち上げ時に手違いが あり 高温可溶化槽が機能していない状態であるが 3 年間以上安定して稼動している 350 t/d 家庭系生ごみ 200 t/d 事業系生ごみ 100 t/d から燃料用エタノールは 5150 kl/y 生産され 製造コスト は 140 円 /l- エタノールであったが 生ごみ処理費を 5000 円 /t とすると製造コストは 16 円 /l- エタノールとなった 2 わが国における生ごみからのバイオエタノール製 5.2. 都市における可燃ごみ利活用による低炭素社会 造量 47) エタノール製造量は 年間発生する食品系生 の構築 熊本大学の生協食堂で残飯の鮮度保持に成功 ごみ量を事業系一般生ごみ 600 万 t 家庭系一般生ごみ 2011年 第1号 15
7 g/kg- 100:75 60.0 106.7 80.3 33.0 76.0 51.60 21.0 20.0 20.64 70.0 85.0 78.6 180/162 1000 t 340 t 100 75 1750 t 1 kg 80.3 g 78.6 7 700,000 kl 6,000,000 kl 10 17,500,000 0.172 0.3 0.12 180/162 92/180 0.786 0.8 705,000 kl 3 47) 1 kg A 0.188 kg-co 2/kg- 1 l 2.79 kg-co 2/l-EtOH 1 l 7.49 kg-co 2/l-EtOH 500 t 19 C/N 5.3. 20 100 km65,000 ha 17,000 ha 100 t 6 280,000 kl50,000 kl/y 1 50,000 kl/y 1,060,000 GJ GHG greenhouse gas 86.7 kg-co 2/GJ 12.6 kg-co 2/GJ 78,500 t 1,060,000 86.7-12.6 /1000 GHG85.5 =1-12.6/86.7 19 16 89
20 2 50,000 kl 1 ha 62.5 t, 17.5 kl2857 ha 1 3 1 ha CO 239.5 t 2857 ha CO 2 110,000 t 3CO 2 6.5 t/y/ 12,000 CO 2 78,500 t CO 2 78,555 t/y 2021 1986 12 30 2011 1 17
270 NEDO 1) p.1 6 (1999). 2), p.167 215 (1980). 3) Kida, K., Tenemura, K., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 76, 510 514 (1993). 4) Tanemura, K., Kida, K., Iwasaki, K., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 73, 332 335 (1992). 5) 74, 381 396 (1996). 6) Kida, K., Nakano, Y., Sonoda, Y., Nomura, T., and Tomita, Y.: J. Ferment. Bioeng., 74, 304 308 (1993). 7) Kida, K. and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 75, 235 237 (1993). 8) Kida, K., Shigematsu, T., Kijima, J., Numaguchi, M., Mochinaga, Y., Abe, N., and Morimura, S.: J. Biosci. Bioeng., 91, 590 (2001). 9) 87, 570 596 (2009). 10) p.95, (1993). 11) 35, 539 546 (1999). 12) Schink, B.: Microbiol. Mol. Biol. Rev., 61, 262 280 (1997). 13) Shigematsu, T., Tang, Y., Kawaguchi, H., Ninomiya, K., Kijima, J., Kobayashi, T., Morimura, S., and Kida, K.: J. Biosci. Bioeng., 96, 547 558 (2003). 14) Shigematsu, T., Tang, Y., Kobayashi, T., Kawaguchi, H., Morimura, S., and Kida, K: Appl. Environ. Microbiol., 70, 4048 4052 (2004). 15) Schnurer, A., Svensson, B. H., and Schink, B.: FEMS Microbiol. Lett., 154, 331 336 (1997). 16) Shigematsu, T., Era, S., Mizuno, Y., Ninomiya, K., Kamegawa, Y., Morimura, S., and Kida, K.: Appl. Microbiol. Biotechnol., 72, 401 415 (2006). 17) Koch, M., Dolfing, J., Wuhrmann, K., and Zehnder, A. J. B.: Appl. Environ. Microbiol., 45, 1411 1414 (1983). 18) Tang, Y., Matsui, T., Morimura, S., Wu, X., and Kida, K.: J. Biosci. Bioeng., 106, 180 187 (2008). 19) Ikbal, Kida, K., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 77, 85 89 (1994). 20) Kida, K., Ikbal, Teshima, M., Sonoda, Y., and Tanemura, K.: J. Ferment. Bioeng., 77, 335 338 (1994). 21) Ikbal, Tang, Y., Shigematsu, T., Morimura, S., and Kida, K.: Japanese J. Wat. Treat. Biol., 39, 17 24 (2003). 22) Tang, Y., Shigematsu, T., Ikbal, Morimura, S., Kida, K.: Water Research, 38, 2537 2550 (2004). 23) Liu, K., Tang, Y., Matsui, T., Morimura, S., Wu, X., and Kida, K.: J. Biosci. Bioeng., 107, 54 60 (2009). 24) Liu, K., Tang, Y., Fujimura, Y., Shigematsu, T., Morimura, S., and Kida, K.: Japanese J. Wat. Treat. Biol., 42, 93 98 (2006). 25) Tang, Y., Fujimura, Y., Shigematsu, T., Morimura, S., and Kida, K.: J. Biosci. Bioeng., 104, 281 287 (2007). 26) 4024045 27) Lindeman, L. R. and Rocchiccioli, C.: Biotechnol. Bioeng., 20, 1107 1119 (1979). 28) 38 1028 1033 (1980). 29) Cysewski, G. R. and Wilke, C. R.: Biotechnol. Bioeng., 20, 1421 1444 (1978). 30) Wada, M., Kato, J., and Chibata, I.: Eur. J. Appl. Microbiol. Biotechnol., 8, 241 247 (1980). 31) 75, 15 34 (1997). 32) 65, 169 177 (1987). 33) Kida, K., Morimura, S., Kume, K., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 74, 169 173 (1992). 34), 83, 757 763 (1988). 35) Morimura, S., Zhong, Y., and Kida, K.: J. Ferment. Bioeng., 83, 271 274 (1997). 36), 65, 27 35 (1987). 37) Kida, K., Yamadaki, M., Asano, S., Nakata, T., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 68, 107 111 (1989). 38) Tang, Y., An, M., Zhong, Y., Syo, T., Morimura, S., Wu, X., and Kida, K.: J. Ferment. Bioeng., 109, 41 46 (2010). 39) Kida, K., Asano, S., Yamadaki, M., Iwasaki, K., Yamaguchi, T., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 69, 39 45 (1990). 40) Kida, K., Morimura, S., Kume, K., Suruga, K., and Sonoda, Y.: J. Ferment. Bioeng., 71, 340 344 (1991). 41), 73, 109 112 (1995). 42) Zhong, Y., Morimura, S., and Kida, K.: J. Ferment. Bioeng., 80, 204 207 (1995). 43) Tang, Y., Koike, Y., Liu, K., An, M., Morimura, S., Wu, X. L., and Kida, K.: Biomass and Bioenergy, 32, 1037 1045 (2008). 44) Koike, Y., An, M., Tang, Y., Syo, T., Osaka, N., Morimura, S., and Kida, K.: J. Biosci. Bioeng., 108, 508 512 (2009). 45) Tang, Y., An, M., Liu, K., Nagai, S., Shigematsu, T., Morimura, S., and Kida, K.: Process Biochemistry, 41, 909 914 (2006). 46) An, M., Tang, Y., Morimura,, S., and Kida, K.: Japanese J. Wat. Treat. Biol., 43, 209 217 (2007). 47), p.57 72, NTS (2010). 18 89