メタン発酵による資源循環

1．はじめに

 バイオマスとは，生物資源（bio）の量（mass）を表す概念 で，「再生可能な，生物由来の有機性資源で化石資源を除 いたもの」と定義されている（バイオマス・ニッポン総合 戦略，2006）．バイオマスをエネルギーとして利用すると， バイオマス中の炭素は微生物分解や燃焼によって二酸化炭 素として大気中に放出される．しかし，これを植物の光合 成によって吸収し固定することでバイオマスを再び生産で きる．このバイオマス再生産の過程で，化石燃料を使用し て二酸化炭素を放出しない限りは，バイオマスの炭素の循 環の中では大気中の二酸化炭素濃度が増減することはな い．このような性質を「カーボンニュートラル」と呼ぶ．カー ボンニュートラルの特性を持つ再生可能資源であるバイオ マスは，化石資源の代替物として注目されている．  石油や石炭のような化石資源は，長い年月による圧密化 によって生成された高エネルギー密度物質であるが，石油 や石炭を燃焼させて発生した二酸化炭素を再び石油や石炭 に戻すことはできない（小宮山ら，2003）．このように， 化石資源はバイオマス資源とは異なり，大気中の二酸化炭 素を増加させつつ，いずれは枯渇してしまう再生不可能資 源である．そのため，化石資源を基盤とする社会は持続可 能とはいえない．地球温暖化を防止し，持続可能な資源循 環型社会を築いていく上で，バイオマス資源の効率的な利 活用が強く求められている．

2．メタン発酵技術

2.1　メタン発酵技術の位置づけ  バイオマスには様々な種類があるが，高含水率で低密度 なものが多く，エネルギーとして利用するには効率の良く ないものが多い．このようなバイオマスから，微生物を用 いて，人間が利用しやすい形のエネルギー物質を取り出す ことをバイオマスの生物化学的変換という．バイオマスの 生物化学的変換を成立させるためには，微生物の活動に好 適な環境を構築して，微生物が分解しやすい種類のバイオ マス（原料）を用いることが求められる．代表的なバイオ マスの生物化学的変換には，メタン発酵，水素発酵および エタノール発酵がある．  メタン発酵もエタノール発酵も，酸素のない環境（嫌気 的環境）で微生物を用いて有機物を発酵分解し，その時得 られる生成物をエネルギー物質として利用する．メタン発 酵は，原料として用いられる有機物が炭水化物，タンパク 質，脂質と多岐にわたり，また，発酵の際にはたらく微生 物の種類も多様であるのが，エタノール発酵とは異なる特 徴といえる． 2.2　メタン発酵に利用できる原料  メタン発酵は多様な微生物からなる多段階反応系であ り，分解可能な有機物の種類が豊富である．主な原料は， 下水汚泥・生ごみ・畜産排泄物などの廃棄物系バイオマス である．廃棄物系バイオマスの利用は，  ・廃棄物の減量につながる  ・廃棄物をエネルギーもしくは肥料として利用できる  ・廃棄物の焼却処分に必要な化石燃料を減らせる  ・食料との競合が起こらない という特徴を持っており，資源循環的な要求や社会倫理的 な要求，さらには低炭素社会の要求に応えうるバイオマス である． 2.3　反応プロセス メタン発酵は，以下に挙げる 4 つのプロセス（第 1 図）か

メタン発酵による資源循環　発酵消化液の植物生産への利用

遠藤良輔

大阪府立大学大学院生命環境科学研究科（大阪府堺市中区学園町 1−1） 要旨：今日の化石資源の濫用は，大気中の二酸化炭素濃度増加に伴う地球温暖化や，大量生産・大量消費に 伴う大量の廃棄物発生といった環境問題を引き起こしている．そのため，低炭素で循環的利用が可能な資源 に立脚した，環境負荷の低い持続可能社会の確立が急務とされている．バイオマスは「再生可能な生物由来 の有機性資源」であり，カーボンニュートラルの性質を有しているため化石資源の代替物としての利用が注 目されている．メタン発酵は，畜産排泄物や生ごみなどの廃棄物系バイオマスを対象としたバイオマス変換 技術の一つで，廃棄物系バイオマスの生分解を通してエネルギー物質としてメタンを得ることができる．さ らに，発酵後の消化液は，窒素を始めとする植物の主要栄養素を豊富に含み，液肥として圃場に還元できる． 本稿では，メタン発酵技術の概要および消化液の植物生産への利用可能性について概説する． キーワード：資源循環，廃棄物利用，メタン発酵，養液栽培 2014 年 5 月 28 日受理 連絡責任者：遠藤良輔（[email protected]）

らなる（野池，2009）． 加水分解 炭水化物，タンパク質，脂質といった高分子有機物から， 糖，アミノ酸および高級脂肪酸等のモノマーを生成する プロセス 酸生成 モノマーから，酪酸やプロピオン酸などの揮発性脂肪酸 を生成するプロセス 酢酸生成 炭素の数が 3 以上の揮発性脂肪酸から，酢酸および水素 を生成するプロセス メタン生成 水素や酢酸からメタンを生成するプロセス これらのプロセスのうち，メタンを生成するメタン生成古 細菌が反応に関与するのは最終プロセスであるメタン生成 のみで，その他のプロセスは，それぞれ特定の酸生成細菌 群および酢酸生成細菌群が反応に関与する． 2.4　メタン発酵に影響を及ぼす因子  メタン発酵の反応速度に影響を及ぼす環境因子には，主 に以下のものが挙げられる． 温度 メタン生成菌は温度変化に比較的敏感であるとされる． メタン発酵の最適温度は，中温（37℃付近）および高温 （55℃付近）の二箇所にピークを持ち，それぞれ以下の ような異なる特徴を持つ．高温メタン発酵は中温メタン 発酵に比べて，反応速度や有機物投入速度が高いため， 高速処理に適している．また，高温によるサルモネラ菌 などの病原体不活化等の効果もある．一方，中温メタン 発酵は，発酵の阻害を引き起こす要因となる投入物中の アンモニアや重金属に対する耐性が高温メタン発酵に比 べて高いため，反応の安定性により優れているとされる． また，反応槽の加温に投入するエネルギー量も高温発酵 に比べて少なくて済む．投入有機物あたりの最終的なメ タン生成量については，高温発酵と中温発酵による違い は少ないと考えられている（李，1998）． pH メタン生成古細菌の反応至適 pH の範囲は 6.5 ∼ 8.2 の 中性もしくは弱アルカリ性とされる（Speece，1999）． メタン発酵液中には，バイオガス中の CO2が溶解して できた炭酸イオンと重炭酸イオンが平衡しており，中性 付近における緩衝効果を有している．一方，メタン発酵 の中間反応プロセスである酸生成プロセスや酢酸生成プ ロセスでは，酸生成細菌や酢酸生成細菌の働きにより， 投入有機物が分解されて様々な揮発性脂肪酸が生成され る．これらの酸の蓄積が上記の緩衝効果を上回る量にな ると，メタン発酵液の pH は低下する．pH が 6.5 よりも 低くなると，メタン生成古細菌の活性が低下して酢酸の 消費速度が低下するため，さらに pH の低下が進行し， 最終的にはメタン生成反応が停止する．この現象を酸敗 と呼ぶ． アンモニア メタン発酵は，嫌気条件の還元的雰囲気で反応が進行す る．そのため，タンパク質のような窒素を含む有機化合 物が分解されると，アンモニア態窒素が副生成物として 生じる．アンモニア態窒素は，アンモニウムイオン（NH4＋） としてよりも，遊離アンモニア（NH3）として強い毒性 を示す．アンモニウムイオンから遊離アンモニアへの移 第 1 図 メタン発酵の反応プロセス．

行は pH の上昇によって起こり，pH8.0 でアンモニア態 窒素の 5％が，pH8.5 ではアンモニア態窒素の 15％が遊 離アンモニア態となる． 微量金属 ほとんどの微生物は，生命維持のための代謝反応に鉄， セレン，コバルトなどの微量金属を要求する．一方で， 高濃度の銅，クロムなどの重金属は反応の阻害因子とし て作用する．しかし，メタン発酵プロセスは毒性に対し て馴化を示すため，その限界濃度に対してはさらなる調 査が必要である．

3．消化液の植物生産への利用

3.1　概要  メタン発酵による分解を経て無機化の進行した消化液 は，無機態および有機態窒素を始めとした肥料成分を大量 に含んでおり，作物栽培のための液肥として利用できる （Möller and Müller，2012）．これは，エタノール発酵など の他の生物化学的変換技術にはない優れた特徴といえる． 無機態窒素の形態はほとんどアンモニアであり，即効性肥 料に分類される．従来型農業では，土壌に散布する場合は 元肥や追肥として利用されることが多い．散布された消化 液中のアンモニア態窒素は，土壌中の硝化細菌によって硝 酸態窒素に変換され，植物根に吸収される．水田では，消 化液の直接流し込みが試みられている（渡部ら，2011）． 培地を用いない水耕や，人工培地を用いた養液栽培の培養 液として利用するには，アンモニア態窒素の処理および pH の調整が必要となる．欧米では，広く消化液の利用が 行われている一方で，我が国ではこれまで液肥としての利 用実績が北海道を除いて盛んではなく，消化液はコストを かけて水処理した後に自然放流する場合が多かった．近年 は，資源循環の観点から消化液を積極的に農地に還元する 試みが盛んに行われつつある．  メタン発酵消化液には，肥料成分の他にも，多くの微生 物や，原料由来の難分解性固形分や重金属が含まれる可能 性がある．これらは，消化液を用いて食物生産を行う場合 に植物の生育や食の安全に対するリスクとなりうる．長峰 は，消化液を稲作や野菜栽培に用いる場合は，以下の条件 を備えている必要があると指摘している（長峰，2013）． ・農作物や人に害のある微生物が含まれていない ・雑草の種子が含まれていない ・農作物や環境に悪影響のある物質が含まれていない ・肥料成分の濃度が分かっている 3.2　消化液中の肥効成分  消化液は，全窒素の約半分が速効性の無機肥料成分であ るアンモニア態窒素である．このため，消化液は速効性の 化学肥料とほぼ同様に利用できる．これは，同じバイオマ ス利活用方法である堆肥が，消化液に比べてアンモニア態 窒素の割合が低く，緩効性の窒素肥料として用いられるの と対照的である．  消化液中に含まれる窒素，リン，カリウムの濃度は，メ タン発酵に用いられる投入原料の成分組成に強く依存す る．例えば，原料が乳牛ふん尿の消化液の場合，乳牛ふん 尿の成分を反映して，窒素やカリウムに対してリンの含有 量が少なくなる（中村ら，2013）．肥料の投入濃度が過剰 にならないようにするために，消化液の肥料としての施用 量や希釈倍率は，消化液中に最も肥料成分として高濃度に 含まれる要素によって決まる．  開放系で好気的発酵が進行する堆肥化では，反応プロセ スにおける系外への水損失量が大きいため，原料中に含ま れるナトリウムが濃縮されることが問題視されることがあ る．閉鎖系で嫌気的発酵が進行するメタン発酵では，発酵 プロセスでの水分損失量が小さく内容物の濃縮がそれほど 起こらないため，塩分濃度の高い傾向がある生ごみを原料 とした場合でも液肥利用には大きな支障はないとされる． もっとも，投入原料の塩分濃度はメタン発酵反応そのもの にも影響を及ぼすため，特に高濃度の塩分を含む原料を用 いた場合には発酵が正常に行われているか注意する必要が ある．  先に述べたとおり，発酵中の消化液の pH は発酵プロセ スで生じる有機酸量に影響を受けるが，発酵後の消化液の pH は主に液中の以下の化学平衡に左右される（Sommer and Husted, 1995a; Hjorth et al., 2010）．

 NH4＋ ⇔ NH3

 CO2 ⇔ HCO3− ⇔ HCO32−  CH3COOH ⇔ CH3COO−

消化液を開放的なタンクに貯留すると，pH は次第に上昇 する傾向がある．これは，炭酸アンモニウムの生成，液相 中の CO2の気相への放出，揮発性脂肪酸の減少等によっ て起こる（Sommer and Husted，1995b）．

3.3　消化液の固液分離  メタン発酵技術の普及が進んでいるドイツ共和国では， 約 7％のバイオガスプラントで，消化液の固液分離を行っ た後に畑地への液肥の還元を行っている（Witt et al.，2011）． 一般的に，分離後の固形分は有機質に富み，液体成分は窒 素およびカリウムを始めとした無機質に富む（Möller et al.，2010）．リンの大部分は固形分に含まれるが，これは消 化液中のリンのほとんどが沈殿物として存在するためであ る．固液分離の利点としては，液体成分の取り扱いが容易 になること，散布計画が立てやすくなること，全窒素中の アンモニア態窒素の割合を高めて短期的な窒素吸収効果を 向上させられること，貯留容量を減少させられること，散 布に先立つ撹拌の必要性が減少すること，などが報告され ている（Möller and Müller，2012）．

 固形分の用途については，燃料化，乾燥もしくは堆肥化 などが挙げられる．しかし，乾燥および堆肥化ではその過

程で窒素の多くがアンモニアとして空気中に揮散する （Rotz，2004）．このため，肥料利用可能量の減少という形 で消化液の価値が減じられている可能性がある． 3.4　養液栽培用培養液としての利用  養液栽培は，培養液によって植物への潅水と施肥を同時 に行う栽培手法で，培地を用いない水耕や，自然土壌の代 わりに人工培地が用いられる固形培地耕などがある．培養 液は，土壌での生物学的な作用や緩衝作用を経ずに根から 直接植物に吸収される．そのため，植物の状態のモニタリ ングに加え，培養液の濃度や施用量の連続的な管理が必要 になるが，気温や相対湿度などの物理環境制御が可能な温 室と組み合わせて用いることで，水や肥料の利用効率を向 上させ，作物収量を従来の土耕に比べて飛躍的に高めるこ とができる．  消化液を養液栽培のための培養液として用いるにあたっ ては，いくつかの問題がある．まず，消化液の無機窒素形 態がアンモニア態窒素であることが挙げられる．自然土壌 と異なり，養液栽培では培地中に土壌微生物が存在しない ため，アンモニアから硝酸への変換が生じない．高濃度の アンモニアは植物に有毒に作用し，特に硝酸が同時に存在 しない時にその影響が顕著であることが知られている （Britto and Kronzucker，2002）．また，一般に培養液は弱酸 性が好ましいとされるため，消化液が中性から弱アルカリ 性である点も問題となりうる．  そこで，消化液を好気的微生物により生物酸化（硝化） して，アンモニアを硝酸に転換させる試みが研究されてい る．このような消化液の改質により，高アンモニア濃度お よび高 pH の問題が同時に解決できる可能性がある（Endo et al.，2013）．さらに，膜などを用いた固液分離によって固 形分を除去することで，送液チューブのつまりや培養液内 で微生物が増殖する汚染のリスクを低下させることができ る．第 2 図に，消化液を希釈してそのまま培養液として水 耕栽培下のキュウリ個体に用いた場合と，生物酸化および 膜分離による改質を行った消化液を用いた結果を示す． もっとも，培養液の肥効成分を最適化して資源回収効率を 最大化するような環境条件については，例えば消化液の pH が硝化反応や他の無機イオン濃度に複雑に影響を及ぼ しあうこともあり，今後明らかにしなければならない点が 多いのが現状である．

4．おわりに

 メタン発酵が有している特徴は，主として以下のものが 挙げられる． バイオマスエネルギーを産生する効果  メタン発酵により生成される，バイオガス中に含まれる メタンをエネルギーとして使用することで，化石燃料の使 用量を削減して大気中の二酸化炭素の増加を抑制できる． 埋め立て処分される廃棄物系バイオマスからは，自然に生 じるメタン発酵反応で大気中にメタンが放出される．その 量は二酸化炭素に比べると少ないものの，メタンの温室効 果は二酸化炭素の 25 倍もあるため，少量でも無視するこ とはできない．メタン発酵による廃棄物処理はこのような メタンの自然発生を抑制できるだけでなく，これを化石燃 料の代替燃料として用いるため，地球温暖化抑制効果が大 きい． 化学肥料抑制に貢献する効果  化学肥料は，その生産過程で多くの化石燃料を使用する． メタン発酵の消化液を肥料として利用することで，化学肥 料の使用量や生産量を抑制できる可能性がある．  電気・ガス網や輸送用燃料としてのインフラ整備が進ん で い る ス ウ ェ ー デ ン な ど の 欧 州 先 進 諸 国 と 比 べ る （Börjesson et al.，2007）と，我が国におけるメタンガスの利 用はまだ少ない．2012 年の固定価格買い取り制度（Feed-in tariff，FIT）の開始に伴う，発電および売電量の今後の増 加が注目される．また，コンポストや液肥の農地還元が自 然に行われている欧州とは異なり，我が国では消化液を還 元できる畑地が不足している．周囲に畑地がある場合でも， メタン発酵消化液に対する理解と協力が十分ではないこと もあり，極めて大きなコストをかけて水処理を行っている メタン発酵施設は依然多い．我が国におけるメタン発酵技 第 2 図  メタン発酵消化液（A）および改質消化液（B） を培養液として 7 日間水耕栽培したキュウリ個体 実験期間は播種後 10 日目から 17 日目までとし た．培養液中の無機態窒素濃度およびその他の物 理環境条件は同一に調節した．

術が成熟した資源循環技術となるためには，植物生産や環 境に及ぼす消化液の効果をさらに明らかにしたうえで，消 化液の利用手法を開拓してその適用範囲を拡大し，消化液 中の物質を有効に循環利用することが肝要である．

参考文献

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Organic resources recycling with methane fermentation technology

－ Application of anaerobic digestate to plant production －

Ryosuke Endo

Graduate School of Life and Environmental Sciences, Osaka Prefecture University （Gakuencho 1−1, Naka-ku, Sakai-shi, Osaka, Japan）

Summary: Methane fermentation (also called anaerobic digestion) of organic wastes is one of the promising technologies in which micro-organisms break down organic matter into biogas (a mixture of CO2 and CH4) and a residual product, called digestate (a nitrogen-rich materials) in the absence of oxygen. The biogas can be used directly in engines for combined heat and power, burned to produce heat. The digestate can be used as a renewable fertilizer for plant production. Methane fermentation can play an important role as a means of dealing with organic waste and avoiding the emissions of greenhouse gas. In this short review, a biological process of methane fermentation and the chemical characteristics of digestate (especially, nitrogen form) as a fertilizer, are presented with some latest studies.

Journal of Crop Research 59 : 73 − 77（2014） Correspondence : Ryosuke Endo（[email protected]）