2014年05月30日09:34
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电池领域利用生物的事例也越来越多，例如利用昆虫的体液和微生物的燃料电池。大阪大学研究生院工学研究科机械工学专业教授森岛圭祐领导的研发小组就试制了利用蟑螂体液的燃料电池……
用蟑螂的体液点亮LED
电池领域利用生物的事例也越来越多，例如利用昆虫的体液和微生物的燃料电池。大阪大学研究生院工学研究科机械工学专业教授森岛圭祐领导的研发小组就试制了利用蟑螂体液的燃料电池（图3）注3）。
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图3：利用昆虫的体液发电 大阪大学的研发小组试制了以昆虫体液中所含的一种糖（海藻糖）为能源发电的燃料电池。用蟑螂的体液构成这种电池时，可获得最大50.2μW的电力，点亮了LED灯。试制的电池用酶（海藻糖酶等）来分解海藻糖、生成葡萄糖，然后使葡萄糖在负极氧化。而正极一侧采用的是生成水来发电的机制。（图由《日经电子》根据大阪大学的资料制作） |
注3）这是与东京农工大学的共同研究成果，森岛研究室的庄司观在2014年1月举行的国际学会“IEEE MEMS 2014”上发表了相关论文。
针对遇险者搜救和环境状况监控等用途，在昆虫体内融合传感器等的“赛博格昆虫”研究非常盛行。其课题在于电源供给，目前利用的是纽扣电池，但存在对于昆虫而言尺寸过大，以及更换麻烦等课题。为了解决这些问题，森岛研究室开始研究如何利用昆虫自己的体液内的糖来发电，然后驱动传感器等器件。
此次利用了蟑螂体液中所含的海藻糖注4）。用海藻糖酶等酶类将海藻糖分解为葡萄糖。然后利用其他酶在负极一侧使葡萄糖氧化，提取电子和质子。在正极一侧利用电子和质子对氧气进行还原反应从而发电。用连接器将带正负极的反应室安装到蟑螂背部。蟑螂的背部开孔，体液从这个孔通过连接器流向反应室。
注4）选择蟑螂是因为其寿命长、食用的饲料少、环境适应性高，而且在昆虫中体积较大、体液多、体液中所含的糖的浓度高等。装上电池后还能存活1～2年也是选择蟑螂的理由之一。
森岛研究室利用这一机制，获得了最大50.2μW的输出电力。对获得的电力进行升压并存储在电容器中，用其点亮了LED。3小时后仍能维持10μW的输出。
微生物发电
东京药科大学生命科学部生命能源工学研究室教授渡边一哉领导的研究小组则是利用被称做“发电菌”的微生物来研发燃料电池（微生物燃料电池）。如果将微生物燃料电池用于家中的污水和工厂的废水处理，与污水处理常用的“活性污泥法”相比，不但能削减处理所需电力，还能利用废水中的有机物发电。
活性污泥法是利用废水中的“需氧型微生物”来分解废水中含有的有机物，从而完成净化。其特点在于效率较高，但存在的课题是，向微生物供氧需要大量电力，而且会大量产生含有过剩繁殖的微生物等的“剩余污泥”，形成工业废弃物等注5）。污水处理所需的电力中，约40％用于供应空气，20～30％用于剩余污泥的运送等。
注5）据渡边介绍，“关于活性污泥法中用于污水处理的电力，家庭污水和工厂废水加在一起共占日本总耗电量的约1.4％。产生的剩余污泥相当于日本工业废物量的约20％，而工业废物的处理也要消耗电力”。
微生物燃料电池利用的是微生物分解有机物时的化学反应。微生物分解有机物时会生成二氧化碳、质子和电子。“电子介体”将生成的电子转移到负极（图4）。正极一侧利用质子、电子以及空气中的氧气生成水。由此作为电池工作。
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图4：利用微生物制作燃料电池 东京药科大学等的研发小组试制了利用微生物进行氧化反应的燃料电池（a）。为了提高发电效率，将多个实现了正负极等一体化的盒式电极像S桩那样配置，提高了发电效率（b、c）。（图由《日经电子》根据东京药科大学的资料制作） |
微生物燃料电池无需活性污泥法必不可少的空气供给。而且微生物繁殖较少，能减少污泥量，因此还能削减运送污泥所需的电力。发电量相当于利用活性污泥法进行污水处理时所需电力的20～30％。将微生物燃料电池用于污水处理时，预计耗电量可较活性污泥法削减80％左右。
采用微生物燃料电池的污水处理设备设置成本比活性污泥法高，不过，估计维护等运行成本较低，原因是耗电量小，而且微生物繁殖少。
处理性能与活性污泥法差不多
梦幻般的微生物燃料电池此前存在的课题是，废水处理性能比活性污泥法低。渡边等人为解决该课题，采用了可促进反应的电池结构，使其性能接近实用化水平。渡边研究室试制了体积约为一升的微生物燃料电池装置，利用该装置实施了废水处理模拟实验。实验结果表明，这种电池实现了与活性污泥法同等的处理速度。每天可处理一升废水中所含的约1g有机物注6）。
注6）这是NEDO的委托业务“绿色与可持续化学工艺基础技术开发项目、采用微生物催化剂的发电型废水处理基础技术开发”的成果。除东京药科大学外，东京大学、积水化学工业和松下也参加了研究。
渡边研究室采用水田的土壤作为微生物源。水田土壤中含有“地杆菌（Geobacter）”等发电菌。渡边等为试制品制作了在正负极之间设置质子交换膜、将正极与负极集为一体的“盒式电极”，为了让负极接触到含有微生物的水溶液，配置了多个这种盒式电极，形成了蛇形流路。通过该流路，使发电菌紧贴在负极，从而提高了处理性能。渡边并没有公布详情，只表示采用了发电菌容易紧贴在负极的电极材料和电极构造等。
今后的计划是，以此次开发的微生物燃料电池为基础向企业转移技术，力争在2020年之前实现实用化。计划在2014年内在工厂旁边设置采用微生物燃料电池的污水处理设备，开展验证实验。（作者：根津祯、中道理，日经技术在线！供稿）
