微生物發電開拓能源的未來——DNP・大阪公立大學・TMEIC描繪的環境淨化型社會

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-三方合作計劃是如何開始的?

DNP石川(以下，石川): 2021年，我參加了國立研究開發法人新能源產業技術綜合開發機構 (NEDO) 的年輕研究者支援計劃「年輕支援」，從此聽到了床波教授的研究發表。當我看到蜂巢結構的照片時，這是收集微生物所需的基板，當我看到它時，我的直覺是「DNP技術肯定會有用」。

我一直致力於光刻技術的開發，即在材料表面以高精度形成所需的細微形狀 (圖案) 的圖案技術。微細加工技術是印刷的基礎，通常用於顯示器和半導體等領域，但它也可以轉移到環境和能源主題上。有這樣的感覺，關於共同研究的可能性馬上聯絡了床波教授。

—您看到照片的第一眼就覺得很「有用」。它與DNP的印刷技術有何關聯?

石川:具體而言，這是一種精密製造蜂巢結構基板以收集微生物的技術。DNP擁有使用微細加工技術，從1微米 (μm:100万分之1米) 到奈米尺寸 (10亿分之1米) 的穩定結構製造·量產的技術。

床波教授詢問「不，那就只有我們了吧」。

大阪公立大學床波(下一頁):當時我們的實驗室使用了2cm見方的電池單元 (電池的組成單位) 進行實驗，但沒有辦法再擴大電池單元的面積，苦於擴大規模。我認為這是一個非常重要的合作夥伴關係，可以加速研究並實現實際應用。

—微生物發電是如何運作的?

床波:當微生物分解有機物質時，它會釋放出電子。電極會接收電子，並將其作為電氣取出。我們使用的微生物非常小，只有2~3微米，大約是頭髮厚度的1/100。例如，若要產生足夠的電力來點亮LED燈泡1個輸入格必須包含約3000万種微生物，然後將3個輸入格串聯。

我們的研究使用來自工廠、商店和一般家庭的含有微生物的廢水發電。同時，我們的目標是通過微生物分解有機物來清潔排水。

-需要特殊的微生物嗎?

床波:否。是身邊的微生物。當然也會有電力輸出變高的特定微生物，但我們以實用化為目標的發電對象，並不是只存在於特定的場所或狀況。

大阪公立大學飯田(以下、飯田):微生物發電是自古以來就為人所知的技術，但是長年沒有達到實用化。這是因為微生物產生的電力太弱。在那個時候，床波教授發想「如果能高密度地集結對發電有貢獻的微生物的話就會很有趣」，從那時候開始我和床波教授的共同研究。

在這項共同研究中，我正在進行一項名為「光濃縮」的技術，它使用光線收集微生物。這項技術會先在蜂巢式基板上形成一層金薄膜，作為電池的電極，然後用雷射照射金薄膜。在雷射照射下，金膜會因電子震動而產生局部熱量。這些熱量會加熱周圍的水，產生垂直對流，使電路板的液體產生更大範圍的流動 (水平對流) 來補償稀薄區域。對流會將分散在周圍的微生物聚集到蜂巢結構中。

此外，雷射照射會產生微小的氣泡，而這些氣泡表面的密集流動也有助於微生物的聚集。

另一方面，如果電池過熱，微生物就會死亡。因此電池的壁材使用了不易傳熱的聚合物。聚合物的加熱只限於雷射照射的隔膜附近，從而降低了電池內部的整體溫度上升。因此，在維持適合微生物的內部環境的同時，可實現穩定持續的累積和發電。

—TMEIC是如何參與的?

TMEIC北垣(以下北垣): TMEIC不是電池的製造商，但在發電、蓄電系統的控制和電力轉換等領域擁有豐富的實績和高超的技術力。作為微生物發電的特徵，我們注意到它可以以含有有機物的工業廢水和家庭廢水等未利用生物質能 (可再生生物來源資源) 為原料發電，而不伴隨燃燒、透過化學反應產生電力的清潔發電方式與燃料電池相近。

生物氣體發電是微生物發電的類似技術。通過細菌的作用將生物質轉換為甲烷氣體，通過燃氣渦輪機等發電，但由於伴隨著燃燒產生廢氣。本項目的微生物發電沒有燃燒過程，因此不會產生廢氣。注意到這個優勢，我們決定參與其中。

—三方的知識和技術如何分工?

床波:作為基礎研究，大阪公立大學負責如何有效地提取微生物的電子，以及用光收集微生物的「光濃縮」技術。

石川: DNP的作用是精密製造蜂巢式基板，以收集微生物。以兼具強度與效率的設計，實現了從1μm到奈米尺寸的微細結構。

北垣: TMEIC負責電極薄膜成膜技術、轉換電池電力的技術、蓄電技術，以及整合這些技術的系統整合商。

大阪公立大學的基礎研究，DNP的可量產基礎技術，以及作為電力與社會連接的TMEIC的結構。這三個要素齊備之後，微生物發電才能超越研究階段，邁向實用化的道路。

—三方是如何進行實用化開發的?

石川:雖然我很快就向你發出了邀請，但老實說，當我第一次與你交談時，我並沒有完全描繪出實用化的形象。當時，每個電池都非常小，因此我們想知道是否有足夠的發電量來實現實際應用。於是，我就這樣直率地問了床波教授。然後他詳細介紹了收集微生物的光濃縮，我覺得這是一個非常有創意的方法，不僅僅是理論，還包括實現的可能性。因為在初期階段深深地同意了，所以也能充滿熱情地和公司商量。

將使用微細加工技術的基板的最初的樣品交給床波教授的時候，非常緊張。一邊想著是不是真的有用一邊遞了過去，但馬上就收到「出現了比至今為止更好的數字」的聯絡!第一次實際感受到技術性的效果的瞬間。

床波:在此之前，由於我們使用玻璃製作基板，因此有時會因為測量而破裂，因此在實驗的持續性方面存在很大的限制。由DNP可取得數百張聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基板，因此可廣泛驗證實驗條件，大幅加速研究。因此，我們每年的輸出功率提高了約2倍。

飯田:對我來說印象深刻的是，企業的各位整理的課題抽出的過程。例如，當被要求將製造電池時的零件和組成等實驗條件數據庫化時，我認為這對床波研的研究員來說是一個很大的負擔，最初我有點抗拒，但DNP和TMEIC將所有的課題全面地數據庫化。這是在大學人力有限的研究環境中不常見的方法，感覺是很大的不同。

北垣:為了推進社會實作，我認為有必要將包括研究核心以外的周邊部分在內的課題「視覺化」，一邊分享一邊解決。在這個專案中，我整理了「這是一個應該與大學共同解決的問題」，「這是一個應該適用現有技術的領域」。

床波:然而，每次規模擴大都會帶來新的挑戰。每當你將儲存格從2公分見方增加到4公分，再增加到10公分見方時，就會發生意想不到的問題。每次，我們都會與DNP和TMEIC討論「這個，可以解決嗎」並持續改善。如果克服了課題，下一個課題一定會出現。一直重複。

北垣:總的來說，大學的研究傾向於強調實驗室規模 (早期階段的小規模) 的深度探索，我們的公司傾向於將規模擴大到實際應用。也就是所謂的研究開發和技術開發的不同吧。雖然我們的觀點有所不同，但在這個專案中，我們的三方關係非常平坦，朝向「實用化」的共同目標，不受立場限制，坦誠地交換意見，並致力於解決問題。作為產學合作的項目，這是非常罕見的，我覺得這是寶貴的關係。

因為微生物發電還不是確立的技術，在反覆試驗的過程中，正在構築實用化的道路，這或許也是扁平關係的理由之一。

—床波教授、飯田教授的微生物發電，實現了前所未有的輸出水準，請問具體有哪些優點呢?

飯田:雖然還有其他微生物發電的研究，但我們和床波老師一起進行的研究方法的獨特性和特點是，利用光可以立即將微生物收集到比傳統方法高出幾個數量級的密度。

床波:其他的微生物發電研究必須增加微生物，也就是培養微生物，所以當你想要使用電力時，就無法立即啟動。也就是說到能夠穩定發電需要一定的時間吧。另一方面，在我們的研究中，通過「光濃縮」可以在數10秒到數分鐘內收集數萬個細胞，因此可以在極短時間內發電。我認為這個即時性是很大的優勢。

—實際能產生多少電力?

床波:目前已成功透過串聯三顆電池點亮LED。我們計畫透過大規模化，來確保實用等級的發電量。

北垣:在實驗室等級，尺寸已增加到10cm見方的細胞。此外，我們也成功地將一個單元中運行的單元進行層壓化，從而產生更大的電力。

另一方面，我們也看到了穩定性的問題。下一步，透過最佳化，無論是電力或是排水處理都能穩定。與此同時也在以進一步加大尺寸為目標的階段。

—您在世博會登台時也談到「污水處理廠將成為發電廠」，請談談三者描繪的未來。

床波: 2025年夏天持續破紀錄的高溫，讓我們更加親近氣候變遷。在思考未來時，一想到“地球能否繼續成為下一代和未來世代的永續環境?”，就會有強烈的危機感。基於這樣的課題意識，我們認為微生物發電作為可持續發展的能源技術之一能夠承擔重要的作用。

目前，污水處理廠在處理水的同時使用了巨大的能源，但如果微生物發電投入實際使用，就可以從處理過程中回收能源。污水處理廠從「電力消耗設施」轉變為「發電設施」成為可能。我們將這個結構定位為「環境淨化型微生物發電」。

北垣:微生物發電投入實用後，污水處理廠和發電廠可以集中在同一個地方。此外，系統規模可根據應用和特性靈活設計也是一大優勢。不僅是大規模的集中型設施，也可以建構中小規模的自立分散型系統，因此我們認為這項技術可以幫助解決日本所面臨的社會課題，例如大都市集中、地方人口稀少等。

石川:無需向外排放熱量和CO ₂，從排水中同時獲得「淨化的『水』、『氧氣』」、「電力」這三種價值。水也乾淨，空氣也乾淨。我們認為這是擁有如此前所未有的特性的發電系統。

DNP居內:現在，DNP也在挑戰能源這個新領域的價值創造，在「在身邊的生活場景中產生能源」的構想中，微生物發電是最先進的項目。在2025年的大阪・關西世博會中，我們也在共創區域「未來生活村」內的未來生活體驗 (FLE) 介紹了本項目，引起了許多到場者的興趣。

飯田:閱讀這篇文章後，我希望會有新的公司和合作夥伴「看起來很有趣」或「我想參與」。這種環境淨化型微生物發電在日本全國乃至全世界普及，一邊改善整個地區的環境，一邊以可持續能源支撐整個社會的基礎。我希望能開啟這樣的未來。

-請告訴我你未來的目標

床波:我們將SDGs目標達成的2030年視為第一個里程碑。我們希望透過展示微生物發電實用化的具體途徑，將其確立為有助於碳中和的技術。

北垣:目前來看，我們認為在身邊進行環境淨化等貢獻的同時提供電力，是2030年的目標之一。例如，實際使用與家庭用淨化槽相同尺寸的排水處理裝置，利用浴室和廁所等生活排水進行淨化和發電的形象。電力輸出方面，設想是能夠為手機等裝置充電，同時能夠自行發電供應裝置電力。

床波:我們也在考慮更大規模的廢水處理設備。若能在大阪灣等全國灣岸地區部署微生物發電系統，理論上可擴充數百萬戶到數千萬戶的電力供應。

石川:我被技術的魅力所吸引，參與了這個項目，但如果我們不將其實際應用於社會，我們就無法產生企業價值。以社會實作的最終目標為目標，踏實地進行。

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