牛ふん尿のメタン発酵における食品廃棄物投入の効果

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【論

文】

牛ふん尿のメタン発酵における食品廃棄物投入の効果

中久保

亮 * ・石田哲也 ** ・松田從三 * ・近江谷和彦 *

【要旨】食品廃棄物が牛ふん尿のメタン発酵に及ぼす影響を三大栄養成分別に調べるために，たんぱく質，炭水化物，脂質をそれぞれ主成分としたプロテイン，パン粉，バターを牛ふん尿とともに有効容積 6 L の発酵槽に投入し，水理学的平均滞留日数 30 日の中温連続メタン発酵実験を行った。発酵性能の低下が発生しない食品廃棄物の限界 VS 負荷は，パン粉 2.2 gVS/L・day，バター 2.4 gVS/L・day，プロテイン 0.8 gVS/L・day であった。食品廃棄物の投入 VS あたり平均メタンガス発生量はバターが最も大きく 0.82 L/gVS，次いでパン粉 0.42 L/gVS，プロテイン 0.31 L/gVS の順であった。プロテインのメタンガス発生量は理論値の 54% と低かった。たんぱく質の共発酵では発酵阻害物質であるアンモニアが発生するためと考えられる。食品廃棄物のメタンガス濃度はバターが最も高く 68%，次いでプロテイン 64%，パン粉 57% であった。キーワード：メタン発酵，嫌気性発酵，共発酵，食品廃棄物，発酵阻害

1．緒

言

共発酵とは 2 種類以上の有機性資材を混合して発酵させるメタン発酵技術であり，家畜ふん尿処理用バイオガスプラントにおいては，生ごみや食品加工残さなどの食品廃棄物を発酵基質である家畜ふん尿とともに発酵させることを指す。デンマークのバイオガスプラントでは全投入量の 20% 程度の食品廃棄物を投入することでメタンガス発生量を増加させて，プラント経済性を向上させており1)_{，共発酵はバイオガスプラントの運営に必要不} 可欠な発酵技術となっている。しかし共発酵は同時に，食品廃棄物中のたんぱく質の分解によるアンモニア態窒素の蓄積や食品廃棄物の投入による有機物負荷の過剰に起因する発酵阻害を招く危険性もあり2,3)_{，デンマークの共同型バイオガスプラント} では年に 1 回程度の頻度で発酵阻害トラブルが発生することも珍しくない。発酵阻害が発生すると，まず有機物分解率や有機物あたりメタンガス発生量などの発酵性能が低下し，最悪の場合はメタン発酵プロセスが完全に停止する4-6)_。メタン発酵が完全に停止した場合は，正常な発酵状態に回復するまでに数ヶ月を要することもあるため，バイオガスプラントは深刻な経済的ダメージを受ける。このように，食品廃棄物の共発酵はバイオガスプラントの経済性の向上を可能にする一方で，発酵阻害を回避するためには，より慎重なプラント運転を要求するという側面も合わせ持つ。発酵阻害を回避するには，pH や揮発性脂肪酸 (VFA) などの発酵パラメータを監視するとともに，食品廃棄物の発酵特性を把握してその投入量をコントロールすることが重要である。近年日本においても，家畜排泄物の管理に関する法律が施行され，また家畜ふん尿を原因とした環境問題に注目が集まる中，環境問題に対応でき，しかもエネルギーを供給することが可能なバイオガスプラントへの関心が農家の中で急激に高まってきている7)_{。しかし，北海道} では 52 基の家畜ふん尿処理用バイオガスプラントが稼働しているものの，食品廃棄物を家畜ふん尿と共発酵している畜産農家用プラントはまだほとんどなく，食品廃棄物の発酵特性についてもあまり知られていない。また，デンマークでは豚ぷん尿の共同型高温発酵が，ドイツでは豚ぷん尿の個別型中温発酵が主流となっており，日本原稿受付 2007. 11. 19 原稿受理 2008. 7. 4 * 北海道大学大学院農学研究科 ** (独)土木研究所寒地土木研究所連絡先：〒 060-8589 札幌市北区北 9 条西 9 丁目北海道大学大学院農学研究科中久保亮 E-mail : [email protected]

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で主流となっている牛ふん尿の個別型中温発酵における共発酵についての研究は少ない。このような背景から，牛ふん尿の中温発酵における食品廃棄物の発酵特性の解明が現在必要とされている。食品廃棄物は主に炭水化物，脂質およびたんぱく質などの生物ポリマーと，糖類，長鎖脂肪酸およびアミノ酸などのオリゴマーから構成されている。このうち，三大栄養素である炭水化物，脂質およびたんぱく質からのメタンガス発生量理論値については，様々な研究が報告されている。Schulz et al.8)_{は炭水化物，脂質，たんぱく質} のメタンガス発生量およびメタンガス濃度をそれぞれ 0.395 L/gTS (50%)，0.85 L/gTS (68%)，0.497 L/gTS (71%)と，Mudrack et al.9)_{は 0.443 L/gTS (50%)，1.075} L/gTS (70%)，0.493 L/gTS (84%)と報告している。これに対して Angelidaki et al.1)_{は 0.415 L/gVS (50%)，} 1.014 L/gVS (70%)，0.496 L/gVS (50%)としており，たんぱく質からのメタンガス濃度理論値が Schulz et al. や Mudrack et al. の研究と大きく異なる。このように様々な理論値が考案されている原因としては，嫌気性発酵の新陳代謝システムがまだ完全に解明されていないことがあげられる。よって理論値から食品廃棄物の効果を予測することは難しい。また，実際の発酵では，発酵温度，アンモニア態窒素濃度，pH，VFA 濃度などの発酵環境に発酵性能は大きく依存するために，理論値は限定的にしか適用できない。そこで本研究では，牛ふん尿の中温発酵における食品廃棄物の発酵特性を基礎的に調べるために，食品廃棄物の主要な栄養成分である脂質・たんぱく質・炭水化物の三大栄養素別の共発酵資材を用いたメタン発酵実験を行い，メタンガス発生量，メタンガス濃度などの発酵性能を三大栄養素別に調査した。

2．実験方法

2.1 実験装置実験は(独)土木研究所寒地土木研究所土壌保全研究室のファーメンタを用いて行った。ファーメンタは市販の微生物用ファーメンタ ((株)東京理科機器 MBF-800ME) をメタン発酵実験用に改造したものを使用した。発酵槽は槽容積 8 L，有効容積 6 L のガラス円筒製で，図 1 に示すように上部に発酵原料投入口，下部に消化液採取口を設けた。発酵槽内スラリーはプロペラ式攪拌機により連続攪拌を行った。攪拌回転数は原料生スラリーのみを投入する対照区で 80 rpm，スラリー粘度の上昇やバイオガス発生量の増加が予測される共発酵資材投入区で 100 rpm とした。温度調節器により調温された温水を，発酵槽の下部 1/2 を覆うウォータージャケットに循環させ，発酵液温度を一定に保った。 2.2 供試材料表 1 に供試材料の性状を示す。 2.2.1 原料生スラリー原料生スラリーは(独)土木研究所寒地土木研究所別海資源循環試験施設の固液分離液分ピットから採取した牛ふん尿スラリー (固液分離機により大きな敷料等を取り除いたもの) を用いた。これは同試験施設内のバイオガスプラントに投入されている牛ふん尿スラリーと同一のものである。図 1 実験装置 ― 0.2 63.4 3.0 ― 81 6.8 2.0 5.9 81.8 88.1 92.3 9.0 83.7 89.8 94.5 7.2 ― 5.7 ― 牛ふん尿バターパン粉プロテイン pH TS (%w. b.) VS (%w. b.) 脂質 (%) 炭水化物 (%) たんぱく質 (%) 表 1 供試材料の性状 ― 0.6 14.6 87.5

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2.2.2 共発酵資材保存性，均質性が高く，かつ取り扱いが簡便な食品を共発酵資材として選定した。たんぱく質，炭水化物，脂質の三大栄養成分別のメタン発酵特性を調べるために，それぞれ，プロテイン，パン粉およびバターを用いた。プロテインとはスポーツ選手用サプリメントとして市販されている高たんぱく質含有食品である。本実験では牛乳に多く含まれる動物性たんぱく質であるホエイを主成分としたプロテインを使用した。パン粉は市販の料理用乾燥パン粉をブレンダーにより粉末加工したものを使用した。バターは，(独)土木研究所寒地土木研究所別海資源循環試験施設のバイオガスプラントで試験投入されている廃棄バターを使用した。これは，不要になった品質検査用サンプルバターをバター工場から譲り受けたもので，市販品との差異はない。発酵槽への投入を容易にするために，投入前に液状になるまで加熱したものを使用した。 2.3 実験条件脂質，炭水化物，たんぱく質の三大栄養成分別の食品廃棄物のメタン発酵特性，限界投入有機物負荷を明らかにするために，表 2 に示す実験条件を設定した。各栄養成分について，それぞれ投入負荷の異なる実験を 2〜3 回行った。実験毎に 2〜4 基の発酵槽を使用した。各実験にはそれぞれ牛ふん尿のみを投入した対照区を設定した (表 2 中では表示を省略)。各実験において，水理学的平均滞留日数 (HRT) である 30 日以上となる， 30〜60 日の共発酵資材投入日数を設けた。すべての実験において発酵槽温度 37℃，水理学的平均滞留日数 (HRT) 30 日，総投入量 33.3 g/L・day として連続式中温メタン発酵を行い，総投入量に対する共発酵資材の混合割合を変化させて，共発酵資材投入負荷を設定した。以下は，投入した共発酵資材の主成分と，その湿重量ベースでの混合割合を実験区名として表す (例：バターを総投入湿重量の 8wt% 投入→脂質 8 % 投入区)。共発酵資材としてバターを供試した脂質実験，およびパン粉を供試した炭水化物実験では，総投入湿重量に対して 2, 4, 8, 12, 16% の共発酵資材混合割合で実験を行った。プロテインを供試したたんぱく質実験では，総投入湿重量に対して 1, 3, 8%の共発酵資材混合割合で実験を行った。表 2 に各実験の共発酵資材混合割合における共発酵資材投入 VS 負荷を示す。本研究では湿重量ベースでの共発酵資材混合割合を基準に投入負荷を設定したが，共発酵資材の VS は 82〜92% (表 1 参照) と大きな差がなかったため，共発酵資材混合割合の等しい実験区間では共発酵資材投入 VS 負荷に大きな差はみられなかった。各実験開始前に，メタン発酵菌群を発酵条件に馴化させるため，種スラリー (牛ふん尿中温メタン発酵スラリー) と牛ふん尿スラリーを 1 : 5 の割合で混合し，1 週間以上原料を無投入の回分式で馴養した。実験開始後，発酵液抜き取りおよび原料投入は 1 日 1 回定時に行った。バターバタースラリー対照区スラリー脂質 2 % 投入区脂質 4 % 投入区脂質 8 % 投入区脂質 12% 投入区脂質 16% 投入区脂質実験表 2 実験条件 0 100 VS 混合割合 (%) 発酵停止 42 30 42 共発酵資材投入日数 (day) 2.6 2.4 1.9 総 VS 負荷 (gVS/L・day) 57 43 31 69 8 92 2.4 1.8 0.8 1.8 0.2 2.2 0.0 1.9 投入 S 負荷 (gVS/L・day) 4.2 7.7 92 2.7 97 0.7 99 0 100 湿重量混合割合 (%) 対照区たんぱく質実験プロテインスラリープロテインスラリープロテインスラリープロテインスラリー 33 42 共発酵資材投入日数 (day) たんぱく質 8 % 投入区たんぱく質 3 % 投入区たんぱく質 1 % 投入区 43 38 62 25 75 0 100 VS 混合割合 (%) 発酵停止発酵停止 42 33 5 4.2 2.9 2.4 1.9 総 VS 負荷 (gVS/L・day) 75 25 70 30 57 湿重量混合割合 (%) 4.7 1.6 3.5 1.5 2.4 1.8 1.1 1.8 0.6 1.8 0.0 1.9 投入 VS 負荷(gVS/L・day) 6.3 スラリーパン粉スラリー 16 84 12 88 8 92 4 96 2 98 0 100 炭化 4 % 投入区炭化 2 % 投入区対照区炭水化物実験パン粉スラリーパン粉スラリーパン粉スラリーパン粉スラリーパン粉発酵停止 60 60 60 60 共発酵資材投入日数 (day) 炭化 16% 投入区炭化 12% 投入区炭化 8 % 投入区 76 24 69 31 59 41 33 67 18 82 0 100 VS 混合割合 (%) 発酵停止 0.0 1.7 投入 VS 負荷(gVS/L・day) 5.8 4.8 3.7 3.3 2.8 1.7 総 VS 負荷 (gVS/L・day) 96 2 98 0 100 湿重量混合割合 (%) 4.4 1.4 3.3 1.5 2.2 1.5 1.1 2.2 0.5 2.3 バタースラリーバタースラリーバタースラリーバタースラリー 16 84 12 88 8 92 4

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2.4 測定項目 2.4.1 発生ガス測定項目発酵槽からのガス発生量は湿式ガスメータにより測定し，パルス記録計に記録した。メタンガス (CH4) 濃度，炭酸ガス (CO2) 濃度および硫化水素 (H2S) 濃度はガスクロマトグラフ (島津製作所 GC-14B) を用いて測定した。以下にガスクロマトグラフの運転条件を示す。 (1) 検出器：TCD (2) キャリアガス：ヘリウムガス (3) カラム槽温度：80℃ 検出器温度：120℃ (4) メタン・二酸化炭素分析用カラム：信和化工 Porapak Q (試料ガス量 0.5 mL) (5) 硫化水素分析用カラム：信和化工 Sunpak-S (試料ガス量 2.0 mL) 2.4.2 牛ふん尿，共発酵資材，消化液 (1) pH：ガラス電極 pH メーター (2) 総固形分 (TS)・有機物分 (VS)：通風乾燥機 (105℃ 24 時間)，電気炉 (550℃ 6 時間) (3) 揮発性脂肪酸 (VFA) 濃度：リン酸添加水蒸気蒸留法 (4) アンモニア態窒素 (NH4+-N) 濃度：水酸化ナトリウム添加水蒸気蒸留法 2.5 共発酵資材の投入 VS あたりメタンガス発生量共発酵資材の投入 VS あたりメタンガス発生量は，実験期間中の共発酵資材投入区の総メタンガス発生量から，牛ふん尿由来のメタンガス発生量を減じた差を，実験期間中の総共発酵資材 VS 量で除して算出した。牛ふん尿からのメタンガス発生量は対照区の投入 VS あたりメタンガス発生量を基に算出した。

3．結果と考察

脂質実験および炭水化物実験では 2, 4, 8%，たんぱく質実験では 1, 3%の共発酵資材混合割合で発酵阻害が発生することなく正常にメタン発酵が行われた。しかし，これ以上の共発酵資材投入負荷である，炭水化物 12% 投入区および 16% 投入区，脂質 12% 投入区および 16% 投入区，たんぱく質 8%投入区では，メタンガス発生量，メタンガス濃度，pH の低下などがみられ，メタン発酵が停止した。 3.1 発酵槽容積あたりメタンガス発生量図 2 に共発酵資材投入区および対照区 (牛ふん尿 100% 投入区) の発酵槽容積あたりメタンガス発生量を示す。対照区の発酵槽容積あたりメタンガス発生量は各実験において設定された合計 5 つの対照区の平均値を示した。発酵槽容積あたりメタンガス発生量は，共発酵資材投入開始直後のガス発生量が不安定な期間を除いた実験期間中における，発酵槽容積あたりメタンガス発生量の平均値である。また，図中データラベルの括弧 [ ] 内に，各実験における対照区のメタンガス発生量を 100 とした場合の，共発酵資材投入によるメタンガス発生量増加率，および発酵槽容積あたりメタンガス発生量の標図中括弧 [増加率，標準偏差] は各実験の対照区に対する共発酵資材投入区の発酵槽容積あたりメタンガス発生量増加率，および発酵槽容積あたりメタンガス発生量の標準偏差。図 2 発酵槽容積あたりメタンガス発生量

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準偏差を示した ([増加率，標準偏差])。いずれの共発酵資材投入区においても発酵槽容積あたりメタンガス発生量に対してその標準偏差は小さく，安定してメタンガスが発生していた。牛ふん尿からの発酵槽あたりメタンガス発生量が 0.47 L/L・day であったのに対して，脂質 8 % 投入区では 2.31 L/L・day，炭水化物 8 % 投入区では 1.50 L/L・day，たんぱく質 3 % 投入区では 0.71 L/L・day と，脂質，炭水化物，たんぱく質のいずれを主成分とする共発酵資材においても，発酵槽容積あたりメタンガス発生量は増加した。特に脂質 8% 投入区の発酵槽あたりメタンガス発生量増加率は 499% と高かった。 3.2 投入 VS あたりメタンガス発生量図 3 に共発酵資材の投入 VS あたりメタンガス発生量と共発酵資材 VS 負荷との関係を示す。メタン発酵が正常に行われた共発酵資材投入区では，共発酵資材の投入 VS あたりメタンガス発生量は共発酵資材 VS 負荷に影響されずほぼ一定であった。バイオガスプロセスに発酵阻害が発生すると，まず投入 VS あたりメタンガス発生量やメタンガス濃度などの発酵性能の低下がみられ，最終的には発酵プロセスが完全に停止する。図より VS 負荷の上昇に伴う投入 VS あたりメタンガス発生量の低下はみられないため，炭水化物 8%投入区，脂質 8%投入区，たんぱく質 3%投入区の共発酵資材 VS 負荷までは発酵阻害は発生しなかったと考えられる。よって，パン粉 2.2 gVS/L・day，バター 2.4 gVS/L・day，プロテイン 0.8 gVS/L・day が，各共発酵資材の投入による発酵性能の低下が発生しない共発酵資材限界 VS 負荷だと考えられる。表 1 に示すように，これらの共発酵資材は三大栄養素の各成分を主成分としているため，上記のパン粉，バター，プロテインの限界 VS 負荷は牛ふん尿の中温メタン発酵における，それぞれ炭水化物，脂質，たんぱく質の限界 VS 負荷に近似すると考えられる。各実験の対照区における牛ふん尿スラリーの投入 VS あたり平均メタンガス発生量は，共発酵資材と比較して小さく 0.23 L/gVS (標準偏差 0.02) であった。これは，牛ふん尿スラリーは難分解性炭水化物であるセルロースを多く含有しているためと考えられる。共発酵資材の投入 VS あたり平均メタンガス発生量はバターが最も大きく 0.82 L/gVS (標準偏差 0.04)，次いでパン粉 0.42 L/gVS (標準偏差 0.03)，プロテイン 0.31 L/gVS (標準偏差 0.03) の順であった。パン粉中には約 21%w. b. の脂質およびたんぱく質が含有されている。バターおよびプロテインの投入 VS あたりメタンガス発生量を用いてパン粉の投入 VS あたりメタンガス発生量を補正すると，パン粉中炭水化物のメタンガス発生量は 0.39 L/gVS であった。 Angelidaki et al.1)_{による三大栄養素のメタンガス発生} 量理論値から算出した，これらの共発酵資材のメタンガス発生量理論値はバター 0.82 L/gVS，パン粉 0.42 L/gVS，プロテイン 0.31 L/gVS である。よって本実験における共発酵資材のメタンガス発生量理論値達成率はバター 81%，パン粉 85%，プロテイン 54% であった。プロテインはスポーツ選手用サプリメントであり，体内摂取後速やかに分解吸収されるように設計されているために，プロテインがバターおよびパン粉と比較して著しく難分解性有機物を含有しているとは考えられない。それにもかかわらず，たんぱく質のメタンガス発生量理論値達成率は脂質および炭水化物と比較して低かった。この原因については，後節 3.4 において考察する。 3.3 VFA 濃度表 3 に発酵が正常に行われた共発酵資材投入区の実験終了時の VFA，アンモニア態窒素，硫化水素の各濃度， VS, pH を示す。たんぱく質 1%投入区 (共発酵資材 VS 負荷 0.2 gVS/ L・day) の VFA 濃度は 2,860 mg/L であった。これは共発酵資材 VS 負荷が 2 倍以上の脂質 2%投入区および炭水化物 2%投入区を上回る VFA 濃度である (表 3 参照)。また，たんぱく質 3%投入区の VFA 濃度は 4,740 mg/L であった。これは共発酵資材 VS 負荷が約 1.4 倍の脂質 2%投入区および炭水化物 2%投入区の 2 倍以上の VFA 濃度である (表 3 参照)。以上より，たんぱく質のメタン発酵プロセスでは，脂質，炭水化物と比較して VFA が蓄積しやすいと考えられる。VFA はメタン図 3 投入 VS あたりメタンガス発生量と共発酵資材 VS 負荷との関係

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発酵の中間生成物であり，VFA の分解によりメタンガスは生成される。よって VFA の蓄積は，VFA からメタンガスを生成するメタン生成菌の VFA 分解速度が低かったことが原因だと考えられる。このために，たんぱく質投入区のメタンガス発生量理論値達成率は，脂質および炭水化物と比較して小さかったと考えられる。脂質 2%投入区および 4%投入区，炭水化物 2%投入区および 4%投入区の VFA 濃度は，牛ふん尿のみを投入した対照区とほぼ等しかった (表 3 参照)。バターおよびパン粉の分解によって生成された VFA は，蓄積することなくメタン生成菌によりメタンガスに分解されたと考えられる。また，この時の発酵槽容積あたりメタンガス発生量増加率は，脂質 4 % 投入区で 283%，炭水化物 4 % 投入区で 211% であった。以上より，脂質 4 % 投入区および炭水化物 4%投入区の共発酵資材 VS 負荷である 1.1gVS/L・day 程度の脂質および炭水化物の投入は，メタン発酵プロセスに大きな影響は与えず，牛ふん尿単独発酵と同等の発酵安定性を確保したまま，メタンガス発生量を大きく増加させることが可能であると考えられる。一方，たんぱく質 1%投入区 (共発酵資材 VS 負荷 0.2 gVS/L・day) では，投入 VS 負荷が小さいにもかかわらず，VFA 濃度は対照区平均値の 2,050 mg/L から 2,860 mg/L まで増加した。たんぱく質の投入は，低い共発酵資材 VS 負荷においてもメタン発酵プロセスに影響すると考えられる。 3.4 アンモニア態窒素濃度たんぱく質は窒素を含有しており，その嫌気性分解過程ではアンモニア態窒素が生成される。このため，たんぱく質投入区ではアンモニア態窒素濃度が増加した。アンモニアは細菌の成長に必須の栄養素ではあるが，高濃度のアンモニア態窒素は発酵プロセスを阻害する10-13)_。 pH8 のし尿汚泥の中温メタン発酵では，アンモニア態窒素濃度 3,017 mgNH4-N /L において初期の発酵阻害が発生する14)_{と報告されている。たんぱく質 3%投入区} のアンモニア態窒素濃度はこの値を大きく上回る 5,090 mgNH4-N/L であったが，投入 VS あたりメタンガス発生量についての考察から，発酵阻害は発生しなかったと考えられる。アンモニア態窒素の発酵阻害濃度は，発酵菌群の種類やアンモニア態窒素に対する順応度により異なるためと推察される。しかし，上述のようにアンモニア態窒素はメタン生成菌に対して強い毒性をもっている。また，メタン生成菌は VFA を生成する酸発酵菌よりも，アンモニア態窒素による阻害を受けやすい。そのために，低い投入 VS 負荷においてもたんぱく質分解時にはメタン生成菌の VFA 分解速度が遅くなり，その結果，たんぱく質投入区の投入 VS あたりメタンガス発生量は恒常的に理論値を大きく下回った (理論値達成率 54%) と推察される。脂質投入区ではアンモニア態窒素濃度は減少した。バターには窒素が含有されていないためだと考えられる。炭水化物投入区ではアンモニア態窒素濃度の減少は確認できなかったが，これはパン粉がたんぱく質を 14.6% 含有しているためだと考えられる。 3.5 メタンガス濃度図 4 に共発酵資材の分解により発生するメタンガス濃度と共発酵資材 VS 負荷との関係を示す。メタン発酵が正常に行われた共発酵資材投入区では，共発酵資材のメタンガス濃度は共発酵資材 VS 負荷に影響されずほぼ一 2,170 2,330 1,840 4.0 7.8 2,050 2,750 2,640 3.7 7.9 たんぱく質投入区炭水化物投入区脂質投入区対照区 VFA 濃度 (mg/L) NH4-N 濃度 (mg/L) H2S 濃度 (mg/Lgas) VS (%w. b.) pH 表 3 実験結果 (VFA，アンモニア態窒素，硫化水素，VS，pH) 1 % 4 % 2 % 8 % 4 % 2 % 4,740 5,090 5,850 4.0 8.2 2,860 3,410 4,460 3.7 7.9 3,230 2,880 1,600 4.6 8.3 2,360 2,980 1,700 4.4 7.7 2,380 2,880 1,980 4.2 7.7 4,610 1,980 780 4.6 7.9 1,940 2,180 1,310 4.0 7.8 8 % 3 % 図 4 メタンガス濃度と共発酵資材 VS 負荷との関係

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定であった。投入 VS あたりメタンガス発生量と同様に， VS 負荷の上昇に伴うメタンガス濃度の低下はみられなかった。これは，炭水化物 8%投入区，脂質 8%投入区，たんぱく質 3%投入区の共発酵資材 VS 負荷までは発酵阻害は発生しなかったとする，前述の考察を支持するものである。共発酵資材のメタンガス濃度はバターが最も高く 68% (標準偏差 1)，次いでプロテイン 64% (標準偏差 1)，パン粉 57% (標準偏差 2) であった。パン粉中に含有されている約 21%w.b.の脂質およびたんぱく質を考慮し，バターおよびプロテインの投入 VS あたりメタンガス発生量を用いてパン粉の投入 VS あたりメタンガス発生量を補正すると，パン粉中炭水化物のメタンガス濃度は 54% であった。Schulz et al.8)_{はたんぱく質のメタン} ガス濃度理論値が三大栄養素中で最も高く 71% と， Mudrack et al.9)_{も同様に，たんぱく質のメタンガス濃度} が最も高く 84% と報告している。しかし，本実験ではバターのメタンガス濃度が最も高かった。前述のアンモニア態窒素濃度に関する考察と同様に，実際のたんぱく質のメタン発酵ではアンモニア態窒素のメタン生成菌に対する強い毒性により恒常的に発酵性能が低下するために，プロテインのメタンガス濃度は理論値を大きく下回ったと考えられる。実際の食品廃棄物のバイオガスプラントへの投入においては，メタンガス濃度の増加が最も期待できる食品廃棄物は脂質を主成分としたものであると考えられる。本実験では牛ふん尿スラリーのメタンガス濃度は 64% (標準偏差 1) であったが，家畜ふん尿処理用バイオガスプラントのメタンガス濃度は一般に 50%〜60% で運転されており，脂質およびたんぱく質を主成分とした食品廃棄物によりメタンガス濃度の増加が期待できると考えられる。 3.6 硫化水素濃度校閲たんぱく質投入区の硫化水素濃度 (1%投入区：4,460 ppm，3 % 投入区：5,850 ppm) は対照区平均値 (2,640 ppm) と比較して高かった。これはたんぱく質が硫黄を含有しているためと考えられる。脂質投入区および炭水化物投入区では硫化水素濃度は減少した (表 3 参照)。脂質および炭水化物は硫黄を含有していないために，共発酵資材の投入によるメタンガス発生量の増加により硫化水素濃度が相対的に減少したと考えられる。生物脱硫装置の脱硫性能が不安定なバイオガスプラントでは，たんぱく質を主成分とする食品廃棄物の投入を避けて，脂質および炭水化物を主成分とする食品廃棄物を投入することにより，脱硫装置に負担をかけることなくバイオガス発生量を増加させることが可能だと考えられる。また，酸化鉄脱硫装置を有するプラントにおいても脱硫コストを低減させることが可能である。

4．結

論

牛ふん尿の中温発酵における食品廃棄物の発酵特性を基礎的に調べるために，食品廃棄物の主要な栄養成分である脂質・たんぱく質・炭水化物の三大栄養素別の共発酵資材 (バター，プロテイン，パン粉) がメタンガス発生量，メタンガス濃度などの発酵性能に及ぼす影響を調査した。三大栄養素のいずれを主成分とする共発酵資材においても発酵槽容積あたりメタンガス発生量は増加した。特に脂質 8%投入区では，発酵槽あたりメタンガス発生量増加率は 499% と高かった。共発酵による発酵性能の低下が発生しない共発酵資材の限界 VS 負荷は，パン粉 2.2 gVS/L・day，バター 2.4 gVS/L・day，プロテイン 0.8 gVS/L・day であった。共発酵資材の投入 VS あたり平均メタンガス発生量はバターが最も大きく 0.82 L/gVS，次いでパン粉 0.42 L/gVS，プロテイン 0.31 L/gVS の順であった。プロテインのメタンガス発生量は理論値の 54% と低かった。たんぱく質の共発酵では発酵阻害物質であるアンモニアが発生するためと考えられる。脂質および炭水化物の共発酵資材 VS 負荷 1.1 gVS/L・day 程度での投入では，牛ふん尿の単独発酵と同等の発酵安定性を確保したまま，発酵槽容積あたりメタンガス発生量を牛ふん尿単独発酵時と比較して脂質の投入で約 3 倍，炭水化物の投入で約 2 倍に増加させることが可能であった。一方たんぱく質の投入では，低い共発酵資材 VS 負荷 (0.2 gVS/L・day) においても VFA の蓄積がみられた。共発酵資材のメタンガス濃度はバターが最も高く 68%，次いでプロテイン 64%，パン粉 57% であった。たんぱく質は硫黄を含有しているため，たんぱく質投入区の硫化水素濃度 (1 % 投入区：4,460 ppm，3 % 投入区：5,850 ppm) は対照区平均値 (2,640 ppm) と比較して高かった。参考文献

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Effects of Cosubstrates on the Anaerobic Digestion of Cattle Manure

Ryoh Nakakubo*, Tetsuya Ishida**, Juzo Matsuda* and Kazuhiko Ohmiya*

* Graduate School of Agriculture, Hokkaido University ** Civil Engineering Research Institute of Hokkaido

† _{Correspondence should be addressed to Ryoh Nakakubo :}

Graduate School of Agriculture, Hokkaido University (Kita 9 Nishi 9, Kita-ku, Sapporo 060-8589 Japan)

Abstract

Methane gas yields and production processes were studied in laboratory experiments on the codigestion of cattle manure with organic cosubstrates using digesters with an effective volume of 6 liters maintained at a mesophilic temperature of 37℃ and with a hydraulic retention times of 30 days. Butter, breadcrumbs and protein supplements were used as cosubstrates. We found that lipids, carbohydrates and proteins contribute differently when used as cosubstrates for cattle manure digestion. The maximum loading rates of the cosubstrates before they inhibit methanogenesis were 2.2 gVS/L per day for breadcrumbs, 2.4 gVS/L per day for butter and 0.8 gVS/L per day for protein. We measured methane gas (CH4) yields per amount of

volatile solids (VS) for each cosubstrate. Butter showed the highest yield (0.82 L/gVSlipidat 68 percent

concentration). The yield of breadcrumbs was second highest (0.42 L/gVScarboat 57 percent). Protein yield

ranked third (0.31 L/gVSproteinat 64 percent) and was only 54 percent of the theoretical methane yield of

protein. NH4-N generated by protein codigestion seemed to inhibit methanogenesis even at low loading

rates.

牛ふん尿のメタン発酵における食品廃棄物投入の効果

【 論

文 】