3Dプリントされた固体バイオリアクターが、メタン廃棄物を有用な化学物質に変換する(3D-printed, solid-state bioreactor converts methane waste to useful chemicals)

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2026-09-22 ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)

ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)の研究チームは、3Dプリンティングで作製した固体型バイオリアクターを用いて、廃棄物由来のメタンを有用化学品のコハク酸(succinate)へ変換する技術を開発した。従来の液体型バイオリアクターでは、メタンの水への溶解度が低いため物質移動が遅く、攪拌に大きなエネルギーを要していた。新技術では、3Dプリントした多孔質格子状スキャフォールドの薄い壁にメタン資化菌を含むハイドロゲルを固定化し、ガスを直接微生物へ接触させる。小型リアクターは従来の液体型より10倍以上高い性能を示し、消費電力も少なかった。2mLから1Lまでスケールアップされており、埋立地や下水処理施設など小規模施設でのメタン資源化への応用が期待される。

3Dプリントされた固体バイオリアクターが、メタン廃棄物を有用な化学物質に変換する(3D-printed, solid-state bioreactor converts methane waste to useful chemicals)

The scaffolds hold microorganisms in place, providing an alternative to the traditional liquid-based reaction.

<関連情報>

気体廃液流からの効率的なエネルギー回収のための固体バイオリアクター Solid-state bioreactors for efficient energy recovery from gaseous waste streams

Samantha Ruelas, Hawi B. Gemeda, Nathan C. Ellebracht, Joshua R. DeOtte, Jennifer M. Knipe, Natalie A. Hwee, Ellsbeth Webb, Michael T. Guarnieri, Calvin A. Henard, Xumeng Ge, Eric B. Duoss, Sarah E. Baker & Fang Qian

Scientific Reports  Published:22 July 2026

DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-54237-1  Early provide

Abstract

Energy recovery from gas-phase waste streams is essential for reducing environmental impact, promoting sustainable industrial practices, and increasing profit margins. Compared to thermochemical pathways, biocatalytic conversions offer a compelling alternative due to their mild operating conditions and high specificity. However, conventional systems are hindered by slow gas-to-liquid mass transfer, resulting in high energy consumption and low productivity. Here, we demonstrate a new solid-state bioreactor (SSB) technology through a case study of methane-to-succinate conversion using methanotrophs. SSBs immobilize high densities of methanotrophs within gas-permeable, 3D-printed geometries that operate under gas-phase and static conditions. These reactors exhibit a 1–2 order of magnitude increase in biocatalytic performance compared to traditional liquid-phase reactors. Computational models of the SSB are developed and benchmarked against conventional stirred-tank reactor models to highlight design advantages.

生物化学工学
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