(57)【要約】【課題】建築廃材等の木質バイオマスから機能性に富んだ炭を得ることと炭の用途を提供すること。【解決手段】含水率１５％以下の木質バイオマスを９００〜１２００℃で炭化させる第１の工程と、前記第１工程を経た炭化物を９００〜１２００℃で過熱蒸気と反応させる第２の工程を経て得られた炭を硝化菌担持用とし、植物栽培等に用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
含水率１５％以下の木質バイオマスを９００〜１２００℃で炭化させる第１の工程と、
前記第１工程を経た炭化物を９００〜１２００℃で過熱蒸気と反応させる第２の工程、
を経て得られた炭を硝化菌担持用とすることを特徴とする硝化菌担持用炭の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の第１、第２工程を有し、前記第２工程における過熱蒸気の物質量が前記第１工程を経た炭化物の炭素の物質量の１．３〜２．０倍であることを特徴とする炭の製造方法。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された炭に硝化菌が担持されていることを特徴とする硝化菌担持炭。
【請求項４】
メタン発酵消化液に請求項３に記載の硝化菌担持炭を混合し、硝化反応を経て得られた溶液を植物栽培用とすることを特徴とする栽培用硝化液の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の製造方法によって製造された栽培用硝化液を養液として植物に施用することを特徴とする養液栽培方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭の製造方法、用途に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や廃棄物削減等、企業や自治体にとっては環境問題への取組み、特に、循環型社会実現に向けた取組みが重要な課題となりつつある。例えば、畜産分野では家畜排せつ物によって近隣に引き超す悪臭問題、水道水源の汚染といった水質汚濁問題等、様々な問題が挙げられる。また、農業分野においても化成肥料の施肥過剰による地力低下等の農家レベルの問題から過剰な窒素やリン等による汚染、バクテリアの異常発生、魚の窒息死等の地域・地球レベルの問題まで様々な問題がある。
【０００３】
建築廃材や間伐材等の木質系廃棄物については、焼却の際に熱エネルギーを取り出すサーマルリサイクルが一般的である。近年ではこれらの廃棄物から発電や水素を生成することが行われている（特許文献１）。特許文献１に係る特開２０１８−２８０８では有機物を乾燥、炭化、分解し、炭素含有率が高い炭化物とするものである。しかしながら、当該文献は反応残留物である炭を最小化すること、無害化することを目的とするものである。当該文献は炭の用途を示唆するものではなく、また、最終生成物である炭は廃棄処分となっているのが実情である。
【０００４】
牛糞等の家畜排泄物については、有機肥料として運用することが古くから行われてきた。牛糞等の有機化合物を植物の栄養源として利用するためには、有機化合物を微生物によって分解し、ＮＨ４＋（アンモニウムイオン）を経由して植物が栄養分とするＮＯ３−（硝酸イオン）へと無機化する必要がある。また、水耕栽培では化成肥料を施用することにより行われるのが一般的であり、有機質肥料を施用する方法はアンモニウムイオンが作物に悪影響を及ぼすためほとんど見られない。また、植物は窒素源として、主に硝酸イオンを吸収し、硝酸イオン濃度が低減すると成長速度が低下してしまう。そのため、有機質肥料を断続的に追肥する必要があるが、有機質肥料から硝酸イオンへの無機化反応が遅いとアンモニウムイオン濃度が上昇し、植物の育成阻害を引き起こすという別の問題が生じる。
【０００５】
有機質を微生物に分解させ、硝酸イオンへと無機化させるものとして、所定条件下の水耕栽培装置を用いた方法が開示されている（特許文献２、３、非特許文献１）。
【０００６】
特許文献２に係る特開２０１０−８８３６０号は、排水口を備えた容器に軽石を充填し、これにメタン発酵後に得られるメタン消化液を徐添加して静置した後に水を添加して前記容器の排水口から流出させることで前記軽石を洗浄する処理を当該流出液に硝酸態窒素が生成され始めるまで繰り返して行うことにより、前記軽石にメタン消化液に含まれるアンモニア態窒素を硝化する活性を付与させた軽石培地の製造方法と養液栽培方法に関するものである。これはメタン消化液に含まれるアンモニア態窒素を硝化する活性を付与させた軽石を固形培地として用いることによって、メタン消化液を肥料成分として直接添加して、固形培地耕での養液栽培を行うというものである。
【０００７】
特許文献３に係る特開２０１０−８８３５９号は、水を溜めることができる容器に水を張り、並行複式無機化反応を行う微生物群を所定の条件を満たすように前記水中の環境を維持することで、前記並行複式無機化反応を行う微生物群を培養し、前記水と接する所定の固体表面にバイオフィルムを形成させ、次いで、当該バイオフィルムを回収し、回収された前記バイオフィルムを、並行複式無機化反応の触媒として最適化された微生物群の種菌とする種菌の製造方法と植物の栽培方法に関するものである。これは有機物からアンモニア態窒素への分解とアンモニア態窒素から硝酸態窒素への硝化とを同一の反応系で連続的に行うものある。この反応系における微生物担体としては竹炭や木炭等が想定されている。
【０００８】
前記特許文献２、３はいずれも有機化合物を微生物によって分解させ、アンモニウムイオンを経由して植物が栄養分とする硝酸イオンへ無機化させる一連の流れを同一系内（同一装置内）で行うものである。アンモニウムイオンから硝酸イオンへの無機化を行うにあたっては、特許文献２では無機化機能を有する硝化菌を軽石に担持させ、特許文献３では硝化菌を竹炭や木炭等に担持させている。いずれの文献も同一系内で一連の反応を稼働・維持することを対象としており、系全体として最適化することに主眼を置いたものである。すなわち、引用文献において用いられる硝化菌担持体は硝化菌が定着し得る素材を選択し、これを適量系内に用いるにとどまり、硝化菌を担持する素材について、より硝化菌の定着に適したもの、機能性を高めたものにするための具体的な製造方法を示すものではなく、栽培による効果については収量を示すにとどまるものである。
【０００９】
また、非特許文献１にも示されている有機質肥料養液中のアンモニウムイオンを硝酸イオンに硝化する一連の反応系による場合、実質的には約１か月の調整期間を要することから、有機肥料を適量範囲を超えて断続的に追肥するとアンモニウムイオン濃度が上昇し、植物の育成阻害を引き起こすという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１８−２８０８号公報
【特許文献２】特開２０１０−８８３６０号公報
【特許文献３】特開２０１０−８８３５９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｓｈｉｎｏｈａｒａ Ｍ，Ａｏｙａｍａ Ｃ，Ｆｕｊｉｗａｒａ Ｋ，  Ｗａｔａｎａｂｅ Ａ，  Ｏｈｍｏｒｉ Ｈ，Ｕｅｈａｒａ Ｙ，Ｔａｋａｎｏ Ｍ （２０１１） Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎｔｏ ｎｉｔｒａｔｅ ｔｏ ａｌｌｏｗ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｉｎ ｈｙｄｒｏｐｏｎｉｃｓ，Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｌａｎｔ ＮｕｔｒｉｔｉＯＮ ５７（２）：１９０−２０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、建築廃材等の木質バイオマスから機能性に富んだ炭を得ることと炭の用途を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、含水率１５％以下の木質バイオマスを９００〜１２００℃で炭化させる第１の工程と、前記第１工程を経た炭化物を９００〜１２００℃で過熱蒸気と反応させる第２の工程を経て得られた炭を硝化菌担持用とすることを特徴とする硝化菌担持用炭の製造方法である。また、第２の発明は前記第１、第２工程を有し、前記第２工程における過熱蒸気の物質量が前記第１工程を経た炭化物の炭素の物質量の１．３〜２．０倍であることを特徴とする炭の製造方法である。また、第３の発明は、前記第１又は第２の発明の製造方法によって製造された炭に硝化菌が担持されていることを特徴とする硝化菌担持炭である。また、第４の発明は、メタン発酵消化液に前記硝化菌担持炭を混合し、硝化反応を経て得られた溶液を植物栽培用とすることを特徴とする栽培用硝化液の製造方法である。また、第５の発明は、前記第４の発明の製造法によって製造された栽培用硝化液を養液として植物に施用することを特徴とする養液栽培方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、含水率が約１５％又はそれ以下の木質バイオマスを９００〜１２００℃で炭化させ、その後、９００〜１２００℃で過熱蒸気と反応させることで木質バイオマスを硝化菌の定着に適した硝化菌担持用炭とする効果が期待できる。前記第２工程における過熱蒸気の物質量を前記第１工程を経た炭化物の炭素の物質量の１．３倍以上、２．０倍以下の範囲とすることで炭化物と過熱蒸気との熱分解反応により硝化菌等の担持等に適した特性の炭とする効果が期待できる。この炭に硝化菌を担持した硝化菌担持炭を用いることで従来の担持物を用いた場合よりも硝酸イオンの生成等を促進する効果が期待できる。また、メタン発酵消化液に前記硝化菌担持炭を混合し、硝化反応によって得られた水溶液を植物栽培用とすることで、化成肥料を用いた場合に比べて植物の品質を高める効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は木質バイオマスの処理フローイメージである。
【図２】図２は栽培装置を用いたレタス栽培の様子である。
【図３】図３はレタス収穫量の結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態を以下に説明する。
【実施例１】
【００１７】
（１）炭の製造（処理フローイメージ：図１）（設備：（株）高橋製作所製）
木質系バイオマスには大きさ５０ｍｍ以下の木質チップを用いた。広葉樹や針葉樹を原料としたものであるが、これらに限定されるものではなく、また、間伐材、建築廃材等、どのような起源のものであるか限定されるものではない。まず、含水率５５％以下の木質チップを乾燥させ、木質チップの含水率を１５％以下にした。次に、燃焼温度９００〜１２００℃で約１時間かけて木質チップを炭化させた（炭化工程）。ここで、燃焼温度範囲や燃焼時間について限定するものではないが、タールの発生を抑制しつつ炭化を進行させるための燃焼温度範囲としては１０００〜１１００℃がさらに好ましい。炭化物中の炭素含有率が８０％であることが炭化の目安となる。次に、炭化工程で炭素含有率を８０％以上とした炭化チップを７３０〜８３０℃の過熱蒸気とともに９００〜１２００℃で加熱して熱分解反応させた（水性ガス反応工程）。水性ガス反応工程における生成（残留）炭は、重量比で、投入した木質チップに対して約２（重量）％だった。この反応工程における炭化物と過熱蒸気との反応は、炭素と水のみに着目すると、
Ｃ＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋Ｈ２          （吸熱反応）
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋２Ｈ２     （吸熱反応）
という反応が想定され、左辺から右辺に反応が進行すると炭素成分が消失する。実際には投入木質チップ（含水率約１５％）に対して前記の通り約２％の硝化菌担持用炭が残留物となる。また、実際に起こっている反応は上記２つの式だけではない。上記第一式のＣＯについてはさらに、
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋Ｈ２       （発熱反応）
の反応も起こる。その他にも水性ガス反応工程では様々な反応が起こり、それらの反応の進み易さは各成分の物質量や反応温度等の影響を受ける。この水性ガス反応を通じて硝化菌担持等の機能性に富んだ炭を得るための過熱蒸気の量（物質量）は投入する炭化物の炭素の量（物質量）の１．５倍が最も効果的であるが、１．３〜２．０倍の範囲内であれば近しい特性の炭を得ることができる。また、本発明のための処理装置としては、前記各工程の条件を実現できるものであれば何でもよく、全工程を一括的に処理するもの、工程別に分離処理するものでもよい。例えば、特許文献１に記載の装置や方法、又は、これに準じた装置や方法を用いて炭を製造することができる。本発明で生じた炭の炭素含有率は９０〜９５％、残りの成分は大半がカルシウム（炭素以外の全成分の５０〜７０％）、比表面積は３００〜４００ｍ２／ｇであった。
【００１８】
（２）硝化菌の担持
前記（１）で製造した炭への硝化菌の担持にあたっては、水槽中で有機質肥料と炭を混合し、曝気により酸素（空気）を送り込む方法を挙げることができる。なお、硝化菌とはＮＨ４＋をＮＯ２−（亜硝酸イオン）に酸化する亜硝酸菌、ＮＯ２−をＮＯ３−に酸化する硝酸菌がある。前者はＮｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ属、Ｎｉｔｏｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ属、Ｎｉｔｒｏｓ ｏｓｐｉｒａ属の、後者はＮｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ属、Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ属の細菌が挙げられる。本実施例は自然由来の硝化菌を前記（１）の方法により製造した炭に下記条件下で担持するものである。本発明の炭に硝化菌を担持したものは、植物栽培において効果を示し（後述）、硝化菌の担持に適したものであることが確認された。本発明により製造した炭は炭化物表面の炭素に水が反応（水性ガス反応）し、菌の担持に適した表面形状や孔サイズ等になっている可能性が示唆される。従って、本発明の炭への担持に適した菌は前記菌に限定されるものではなく、前記菌と同等の大きさを有する等のその他の菌にも適用してもよい。また、硝化菌の担持条件についても下記条件に限定されるものではなく、硝酸態窒素濃度等を指標に条件を変えてもよい。
＜硝化菌担持条件＞
水：３０Ｌ
牛糞堆肥（種源）：１５０ｇ
有機質肥料：３０ｇ
炭：１０００ｇ
空気流量：２００−３００ｍＬ／ｍｉｎ
経過日数：２０日以上（硝酸生成量が安定するまで）
【００１９】
（３）硝化菌担持炭による硝酸化反応効果確認
下記（ａ）の混合条件下、下記（ｂ）の硝酸化反応効果が確認された。
（ａ）混合条件
下表（表１）に示す条件で水槽中にて硝化菌担持炭を混合した。
【表１】
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（ｂ）硝酸化反応効果
表１の実験Ａ〜Ｃのいずれにおいても約１週間で硝酸態窒素濃度が上昇し始めた。実験Ｂ及びＣにおいては３０日以上観測を続けた。硝酸態窒素の濃度は、実験Ｂにおいては９日経過後から急激に上昇し、１５日経過後には３０ｐｐｍを超えた。その後の濃度はほぼ一定であった。実験Ｃにおいては７日経過後から急激に濃度が上昇し、９日経過後には１０ｐｐｍを超え、その後はほぼ一定であった。これにより本発明の炭に硝化菌が限界数まで担持されたことを確認した。
【００２０】
（４）水耕栽培
前記（３）で製造した硝化菌担持炭を用いてレタスを水耕栽培した。
（ａ）栽培条件
栽培対象：リーフレタス（（株）サカタのタネ）
温湿度：２２℃、５５％（恒温恒湿室内）
照度：１０，０００ ｌｕｘ（１６ｈ／日）
水耕栽培装置：長さ１３０ｃｍ、幅５ｃｍ、深さ ６ｃｍ、２列３段 （株）アルミス製（図２）
養液の条件は下表（表２）の通りである。表中の消化液とは有機質がメタン発酵した後の液のことである。
【表２】
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（化成肥料：大塚ハウス １、２ 号混合標準（株）大塚化学）
【００２１】
（ｂ）結果
収穫したレタスの収穫量と成分分析の結果を表３（収量結果）及び表４（成分結果）に示す。
【表３】
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【表４】
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収量に関する効果は、葉重（ｇ）と葉長（ｃｍ）に関しては、化成肥料＞硝化菌担持炭、葉枚（枚）に関しては、硝化菌担持炭＞化成肥料、であった。一方、成分に関する効果は、硝化菌担持炭を用いた場合の方が、化成肥料を用いた場合に比べて硝酸態窒素濃度を４分の１以下に低減でき、かつ、Ｌ−グルタミン酸濃度を高めることができた。ここで、硝化菌担持炭を用いた場合の硝酸イオン濃度は試験開始時に約１００ｐｐｍであり、レタスの成長に伴って低下することが確認された（本実施例では、７日間で約６０ｐｐｍ、１０日間で約３０ｐｐｍ、１４日間で約２０ｐｐｍ、２１日間で約１０ｐｐｍ）。一方、レタスの重量は日数経過とともに増大したが、硝酸イオン濃度が低い環境においては成長が遅くなることが確認された（レタス重量は７日間で２０ｇ、１０日間で３０ｇ、１４日間で３８ｇ、２１日間で４０ｇ）。栽培物の収穫量の観点では硝酸濃度が少なくとも３０ｐｐｍ以上を維持する必要があることが示唆された。この硝酸濃度は６０ｐｐｍ以上を維持することがより好ましく、１００ｐｐｍを維持することがさらに好ましい（硝酸イオンを１００ｐｐｍに維持した場合、硝酸イオン濃度が自然減衰した場合に比べ、レタス重量は７日間で約２５％、１０日間で約３０％、１４日間で約４５％、２１日間で７５％増加した）。硝酸濃度を維持する方法としては限定するものではないが、例えば、初期に投入した消化液の１〜３％の量の消化液を１〜２日間隔で追加投入することが挙げられる（ただし、硝化菌担持炭の性能を踏まえ、正確な消化液の投与量、投与間隔は濃度確認を行いつつ決定することが必要である）。
【００２２】
また、本実施例では硝化反応を行いつつレタスを栽培できたが、事前に硝化液を製造しておき、これを本実施例の条件に準じ、養液として施肥する栽培、すなわち、水耕栽培や養液土耕栽培等に有用であることが示唆される。養液の使用条件は前記リーフレタス栽培の硝酸イオン濃度レベルが参考になるが、これに限定されるものではない。
【００２３】
本発明に係る炭とその他の炭の効果について以下に説明する。本発明とは別の炭（モウソウ竹炭）に硝化菌を担持した場合の効果と本発明品の効果との比較を図３に示す。モウソウ竹炭に関する効果確認試験は別の試験系で行ったものである。それぞれの試験における比較対象用として用いた化成肥料が同一であるため、化成肥料を基準に間接的にそれぞれの炭の効果を比較したものである（化成肥料を用いた場合の効果を１とした）。図３は、栽培したレタスの糖度とＬ−グルタミン酸濃度について、化成肥料を用いた場合の結果を基準に（化成肥料を用いた場合のレタス糖度、Ｌ−グルタミン酸濃度を基準に）グラフ化したものである。うま味成分として知られるＬ−グルタミン酸について本発明に係る炭を用いた場合に最も高い効果が得られた。糖度に関しても、本発明に係る炭を用いた場合に最も高い効果が得られた。本発明に係る炭に硝化菌を担持して植物栽培に供することで植物の品質向上に寄与することが、すなわち、本発明に係る炭は植物栽培において他の炭よりも有用性が大きいことが示唆された。
【００２４】
今回、確認された効果については水性ガス反応等を通じて生成された炭の特性（表面形状、孔サイズ、組成等）を要因として挙げることができる。さらに、このような炭の特性を活かした展開としては、菌の担持等に限らず、他の用途、例えば、物理吸着特性を活かした脱臭等への展開等を挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、木質バイオマスから硝化菌担持用炭、硝化菌担持炭、栽培用硝化液、及び、機能性植物の栽培方法等を提供する技術として有用である。また、本発明に係る炭の特性を活かし、菌の担持等に限らず、他の用途、例えば、物理吸着特性を活かした脱臭等への利用可能性を挙げることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年9月28日(2018.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された炭に硝化菌を担持することを特徴とする硝化菌担持炭の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
第１の発明は、含水率１５％以下の木質バイオマスを９００〜１２００℃で炭化させる第１の工程と、前記第１工程を経た炭化物を９００〜１２００℃で過熱蒸気と反応させる第２の工程を経て得られた炭を硝化菌担持用とすることを特徴とする硝化菌担持用炭の製造方法である。また、第２の発明は前記第１、第２工程を有し、前記第２工程における過熱蒸気の物質量が前記第１工程を経た炭化物の炭素の物質量の１．３〜２．０倍であることを特徴とする炭の製造方法である。また、第３の発明は、前記第１又は第２の発明の製造方法によって製造された炭に硝化菌を担持することを特徴とする硝化菌担持炭の製造方法である。また、第４の発明は、メタン発酵消化液に前記硝化菌担持炭を混合し、硝化反応を経て得られた溶液を植物栽培用とすることを特徴とする栽培用硝化液の製造方法である。また、第５の発明は、前記第４の発明の製造法によって製造された栽培用硝化液を養液として植物に施用することを特徴とする養液栽培方法である。