微生物发电开拓的能源未来——DNP大阪公立大学TMEIC描绘的环境净化型社会

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—三方合作项目是如何开始的?

DNP石川(以下，石川): 2021年，我在新能源和工业技术开发组织 (NEDO) 的年轻研究人员支持计划“年轻支持”中听了床波教授的研究报告。显示了作为收集微生物所必需的基板的蜂窝结构的照片，并且在我看到它的那一刻，我直觉“DNP的技术肯定是有用的”。

我一直从事光刻，即图案形成技术的开发，该技术以高精度在材料表面形成所需的精细形状 (图案) 。作为印刷基础的微加工技术通常用于显示器和半导体等领域，但它也可以转移到环境和能源的主题上。我有这种感觉，就共同研究的可能性马上联系了床波教授。

-据说您在看到照片的那一刻感觉“有用”，但它是如何与DNP的印刷技术相结合的?

石川:具体来说，这是一种精密制造蜂窝结构基板以收集微生物的技术。DNP拥有使用微细加工技术，可以稳定地制造和批量生产从1微米 (μm:100万分之1米) 到纳米尺寸 (10亿分之1米) 的结构的技术。

床波教授问我:“不，那就只有我们了。”。

大阪公立大学地面波(以下，床波):当时，我们在实验室正在利用2平方厘米的单元 (电池的构成单位) 进行实验，但是没有办法进一步扩大单元的面积，苦于无法扩大规模。我觉得这是加速研究和实际应用的非常重要的合作伙伴关系。

—微生物发电的原理是什么?

床波:微生物在分解有机物时释放出电子，电极接收电子并将其作为电能取出。使用的微生物非常小，只有2~3μm,大约相当于头发厚度的1/100。例如，为了产生足够的电力来点亮LED灯泡，需要在1个电池中累积约3000万种微生物并将3个电池串联在一起。

在我们的研究中，我们使用来自工厂，商店，普通家庭等的含有微生物的废水来发电。与此同时，我们的目标是通过微生物分解有机物来清洁排水。

—需要特殊的微生物吗?

床波:不是。是身边的微生物。当然，有些特定的微生物会增加电力输出，但我们的目标是实际使用的发电目标不仅仅是在特定的地点和情况下。

大阪公立大学饭田(以下，饭田):微生物发电是一项早已为人所知的技术，但多年来一直没有投入实际应用。这是因为存在微生物发电可以提取的电力太弱的问题。因此，床波教授认为“能够高密度地积累有助于发电的微生物很有意思”，从那时起，我和床波教授开始了合作研究。

在这项合作研究中，我正在研究一种使用光收集微生物的技术，称为“光浓缩”。在该技术中，首先在作为单元电极的蜂窝结构基板上形成金薄膜，并向其照射激光。在接受激光照射的金膜中，电子振动并产生局部热量。这种热量加热周围的水，产生垂直对流，允许在电路板上的液体中产生大范围的流动 (水平对流) 来补偿稀释的区域。这是一种机制，分散在周围的微生物通过对流聚集到蜂窝结构中。

此外，激光照射会产生微小的气泡，但气泡表面的密集流动也有助于微生物的积累。

另一方面，如果电池内部温度过高，微生物将被杀死。因此，单元的壁材使用了不易导热的聚合物。通过使用聚合物，加热仅限于用激光照射的隔膜附近，并且抑制了整个电池内部的温度升高。结果，可以实现能够稳定地继续积累和发电的状态，同时维持适合微生物的内部环境。

——TMEIC是如何参与的?

TMEIC北垣(以下，北垣): TMEIC本身不是电池的制造商，但在发电、蓄电系统的控制和电力转换等领域具有丰富的经验和较高的技术力。作为微生物发电的特征，我们注意到它可以以含有有机物的工业废水和家庭废水等未使用的生物质 (可再生生物来源资源) 为原料发电，并且通过化学反应发电而不涉及燃烧的清洁发电方法接近燃料电池。

沼气发电是微生物发电的类似技术。通过细菌的作用将生物质转化为甲烷气体，通过燃气轮机等发电，但由于燃烧，会产生废气。与此相对，本项目的微生物发电没有燃烧过程，因此不会产生废气。我专注于这一优势，并决定参与其中。

-三者的知识和技术如何分工?

床波:作为基础研究，大阪公立大学负责如何有效地提取微生物的电子和用光收集微生物的“光浓缩”技术。

石川: DNP的作用是精确制造蜂窝状基板以收集微生物。通过兼顾强度和效率的设计，实现了从1μm到纳米尺寸的微细结构。

北垣: TMEIC发挥着电极薄膜成膜技术、转换电池输出电力的技术、蓄电技术以及集成这些技术的系统集成商的作用。

大阪公立大学的基础研究，可以批量生产DNP的基础技术，以及TMEIC作为电力连接社会的机制。只有具备了这三个要素，微生物发电才能超越研究阶段，走向实用化的道路。

——三方是如何推进实用化开发的?

石川:虽然我很快就发出了爱情电话，但是当我第一次听到这个故事时，说实话，我还没有完全画出实际应用的形象。当时每个电池都非常小，所以我们想知道我们是否能够获得足够的发电量来实际使用。于是，我就那样坦率地问了床波教授。然后我详细介绍了收集微生物的光浓缩，我觉得这是一种非常有创意的方法，不仅包括理论，还包括实施的可能性。因为在初期阶段就深信不疑，所以也能满怀热情地和公司商量。

将采用微细加工技术的基板的最初样品交给床波教授的时候，我非常紧张。我想知道它是否真的有用，但我把它交给了它，但很快就收到了“一个比以往更好的数字”的消息!这是我第一次感受到技术反应的那一刻。

床波:在此之前，我们用玻璃制作基板，因此有时会因测量而破裂，这在实验的连续性方面存在很大限制。由于能够从DNP获得数百张聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 材料基板，因此可以广泛地验证实验条件，研究速度大大加快。结果，我们实现了每年约2倍的输出改进。

饭田:对我来说印象深刻的是企业里大家整理出来的课题提取过程。例如，当被要求将制造电池时的零件和组成等实验条件数据库化时，我认为这对地板波研的研究人员来说将是一个沉重的负担，并且最初有阻力，但DNP和TMEIC全面地创建了所有问题的数据库。这种方法在大学人员有限的研究环境中并不常见，我觉得这是一个很大的不同。

北垣:为了推进社会实施，我认为有必要将包括研究核心以外的周边部分在内的课题“可视化”，并在共享的同时予以解决。在这个项目中，我们安排了“这是与大学共同解决的问题”和“这是应用现有技术的领域”。

床波:不过，每次扩大规模时都会出现新的挑战。每次将单元从2平方厘米增加到4平方厘米再增加到10平方厘米时，都会出现意想不到的问题。每次我们都与DNP和TMEIC协商“这个，能解决吗”并反复改进。如果你克服了这个问题，下一个问题肯定会出现。就是重复。

北垣:总的来说，大学的研究倾向于强调在实验室规模 (早期阶段的小规模) 的深入探索，我们公司的目标是扩大实际应用的规模。也就是所谓的研究开发和技术开发的区别吧。尽管观点存在差异，但在该项目中，三方关系非常平坦，朝着“实际应用”的共同目标，我们正在努力解决问题，同时坦诚地交换意见，不受职位限制。是的。作为一个产学合作项目，这是非常罕见的，我觉得这是一种宝贵的关系。

由于微生物发电还不是一项成熟的技术，它可能是扁平关系的原因之一，它正在建立一条实际应用的道路，同时反复试验和错误。

-床波教授，饭田教授据说微生物发电实现了前所未有的输出水平，但它的优点具体是什么?

饭田:还有其他关于微生物发电的研究，但我们与床波教授一起推进的研究方法的独特性和特点是使用光立即将微生物收集到比传统方法高一个数量级的高密度。

床波:其他微生物发电研究需要增加微生物，即培养，因此存在当您想要使用电力时无法立即启动的问题。也就是说到能够稳定发电为止，需要一定的时间。另一方面，在我们的研究中，通过“光浓缩”可以在几10秒到几分钟内收集数万个细胞，因此可以在非常短的时间内发电。我认为这种即时性是一个很大的优势。

—实际能发电多少?

床波:目前，通过串联三个单元，LED成功点亮。我们计划通过扩大规模来确保实用水平的发电量。

北垣:在实验室级别，我们可以将尺寸增加到10平方厘米的单元。此外，我们还成功地通过堆叠在一个单元中运行的单元来产生更大的电力。

另一方面，我们也看到了稳定性的问题。下一步，我们将通过优化来稳定电力和排水处理。与此同时，我们正处于进一步扩大尺寸的阶段。

-当您在世博会上发言时，您表示“污水处理厂将成为发电厂”，请您介绍一下三者正在描绘的未来

床波: 2025年夏天破纪录的持续高温，让我更加切身地感受到了气候变化。在思考未来时，如果我想到“地球能否继续成为下一代乃至后代的可持续发展环境?”，我会感到强烈的危机感。基于这种问题意识，我们认为微生物发电可以作为可持续能源技术之一发挥重要作用。

现在，在污水处理厂，我们在处理水的同时使用巨大的能量，但如果微生物发电投入实际使用，我们将能够从处理过程本身回收能量。这意味着污水处理厂可以从“电力消费设施”转换为“发电设施”。我们将这种机制定位为“环境净化型微生物发电”。

北垣:如果微生物发电投入实际使用，污水处理厂和发电厂可以集中在同一个地方。此外，系统规模可以根据应用和特性灵活设计也是一大优势。由于它不仅可以构建为大规模集中式设施，还可以构建为中小型自主分散型系统，因此我们认为这是一项有助于解决日本社会问题的技术，如大城市集中和农村人口减少我会的。

石川:无需向外排放热量和CO ₂，从排水中可以同时获得“净化后的‘水’、‘氧’、‘电力’这三种价值。水也会变干净，空气也会变干净。我认为这是一个具有这种前所未有的特性的发电系统。

DNP居内:现在，作为DNP,我们正在挑战在能源这一新领域创造价值，但在“在熟悉的生活场景中创造能源”的概念中，微生物发电是最先进的项目。即使在2025年的大阪·关西世博会上，我们也在共创区域“未来生活村”的未来生活体验 (FLE) 中介绍了该项目，引起了许多参观者的兴趣。

饭田:读了这篇文章，我希望新公司和合作伙伴会出现“看起来很有趣”或“我想参与”。这种环境净化型微生物发电将在日本全国乃至全世界普及，整个社会的基础将得到可持续能源的支持，同时改善整个地区的环境。我希望能打开这样的未来。

—您今后的目标是什么?

床波:我们首先将实现可持续发展目标的2030年定位为一个里程碑。我们希望展示微生物发电实际应用的具体途径，并将其确立为有助于碳平衡的技术。

北垣:目前，我们认为，在我们身边进行环境净化等贡献的同时供应电力将是2030年的一个目标。例如，实际使用与家用净化槽相同尺寸的排水处理装置，并利用浴室和厕所等生活排水进行净化和发电。作为电力输出，我们假设它可以为移动电话等充电，同时通过自己的发电覆盖设备的电力。

床波:我们还在考虑更大规模的排水处理设备。如果我们能够在大阪湾和全国其他海湾地区部署微生物发电系统，理论上可以从数百万户扩展到数千万户家庭的电力供应。

石川:我参与这个项目是因为我被技术的魅力所吸引，但如果我不把它变成对社会有用的实际形式，我就不会有公司的价值。我们将看准社会实施这一最终目标，切实开展工作。

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