(57)【要約】【課題】エタノール製造過程で得られる糖化残渣又は蒸留残液を土壌改良材として用いるときに、メタンガスの発生を抑制することができる土壌改良材の施用方法を提供する。【解決手段】稲藁を基質として該基質を糖化酵素により糖化処理し、得られた糖化溶液を発酵処理して発酵溶液を得た後、発酵溶液を蒸留してエタノールを製造するときに、糖化溶液に含まれる糖化残渣を分離すると共に、発酵溶液の蒸留後に残された蒸留残液を回収し、糖化残渣又は蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用する。前記土壌改良材を水田土壌に施用した後、水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶに維持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスとしての稲藁を基質として該基質を糖化酵素により糖化処理し糖化溶液を得る工程と、該糖化溶液を発酵処理して発酵溶液を得る工程と、該発酵溶液を蒸留してエタノールを得る工程とによりエタノールを製造するときに、該糖化溶液に含まれる糖化残渣を分離すると共に、該発酵溶液の蒸留後に残された蒸留残液を回収し、該糖化残渣又は該蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用する土壌改良材の施用方法において、
該糖化残渣又は該蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用した後、該水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶの範囲に維持することを特徴とする土壌改良材の施用方法。
【請求項２】
請求項１記載の土壌改良材の施用方法において、イネを播種前又は播種後に、前記水田土壌に間断灌漑を行うことによって、該水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶの範囲にすることを特徴とする土壌改良材の施用方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の土壌改良材の施用方法において、前記糖化残渣は、８〜４０の範囲のＣ／Ｎ比と、３０〜１５０ｍｇ／ｇの範囲の生物化学的酸素要求量とを有することを特徴とする土壌改良材の施用方法。
【請求項４】
請求項３記載の土壌改良材の施用方法において、前記バイオマスからなる基質は前記糖化酵素により、８０％以上の糖化率となるように糖化処理されていることを特徴とする土壌改良材の施用方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２記載の土壌改良材の施用方法において、前記蒸留残液は、２〜２０の範囲のＣ／Ｎ比と、３０〜１００ｍｇ／ｇの範囲の生物化学的酸素要求量とを有することを特徴とする土壌改良材の施用方法。
【請求項６】
請求項５記載の土壌改良材の施用方法において、前記発酵溶液は、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が７０％以上となるように発酵されていることを特徴とする土壌改良材の施用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌改良材の施用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、温室効果ガス（Greenhouse Gas、以下ＧＨＧと略記することがある）削減のために、バイオエタノールの利用が検討されている。バイオエタノールは、例えばリグノセルロース系バイオマス等のバイオマスからなる基質を糖化酵素により糖化処理し、糖化処理により得られた糖化溶液を発酵させ、発酵により得られた発酵溶液をさらに蒸留することにより製造されている。
【０００３】
前記バイオエタノールは、原料となる植物がその成育過程で光合成により二酸化炭素を吸収しているので、該バイオエタノールを燃焼させて二酸化炭素を発生しても、全体としては新たな二酸化炭素を排出したことにならない、という所謂カーボンニュートラル効果を得ることができるとされている。
【０００４】
一方、前記発酵溶液の蒸留後に残される蒸留残液は有機物を含んでいるので、該蒸留残液を土壌改良材として用いることが知られている（例えば特許文献１参照）。前記土壌改良材は、土壌に施用することにより前記有機物により該土壌の肥効性等を改良することができる。
【０００５】
また、前記糖化溶液は、前記糖化処理後には未糖化の前記バイオマスや該糖化処理に用いた糖化酵素等の糖化残渣を含んでおり、該糖化残渣はそれ自体有機物である。そこで、前記糖化溶液から前記糖化残渣を分離し、前記蒸留残液と同様に土壌改良材として用いることが考えられる。
【０００６】
前記リグノセルロース系バイオマスとして稲藁を用いる場合、前記蒸留残液または前記糖化残渣を土壌改良材として水田土壌にリサイクルすることができれば、前季の水稲栽培により得られた資源を次季の水稲栽培に還元することができるとの利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−５４６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記糖化残渣又は前記蒸留残液は、土壌改良材として水田土壌に施用したときにＧＨＧの１種であるメタンガスの発生源となることがあり、バイオエタノール利用の最終目的であるＧＨＧガス削減効果を低減することがあるという不都合がある。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、前記糖化残渣又は前記蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用しても、メタンガスの発生を抑制することができる施用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明の土壌改良材の施用方法は、バイオマスとしての稲藁を基質として該基質を糖化酵素により糖化処理し糖化溶液を得る工程と、該糖化溶液を発酵処理して発酵溶液を得る工程と、該発酵溶液を蒸留してエタノールを得る工程とによりエタノールを製造するときに、該糖化溶液に含まれる糖化残渣を分離すると共に、該発酵溶液の蒸留後に残された蒸留残液を回収し、該糖化残渣又は該蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用する土壌改良材の施用方法において、該糖化残渣又は該蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用した後、該水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶの範囲に維持することを特徴とする。
【００１１】
前記糖化残渣又は前記蒸留残液は、糖、酵素、菌体等の易分解性有機物を含んでいる。そこで、前記糖化残渣又は前記蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用すると、メタン生成菌が前記易分解性有機物を基質としてメタンガスを生成するものと考えられる。
【００１２】
本発明の土壌改良材の施用方法によれば、前記水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶの範囲に維持することにより、前記メタン生成菌の活動を抑制することができる。この結果、前記糖化残渣又は前記蒸留残液を土壌改良材として水田土壌に施用しても、メタンガスの発生を抑制することができる。
【００１３】
前記酸化還元電位が−１６５ｍＶ未満では、前記メタン生成菌の活動を抑制することがない。また、前記酸化還元電位を＋５００ｍＶを超えるような酸化条件ではしばしばイネの生育が阻害される事態が発生する。
【００１４】
本発明の土壌改良材の施用方法では、イネを播種する前又は播種した後に、前記水田土壌に間断灌漑を行うことによって該水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶの範囲にすることが好ましい。このようにすることにより、水稲の乾田直播栽培が可能となると共に、該乾田直播栽培を行う全期間に亘って、前記水田土壌の酸化還元電位を±０〜＋５００ｍＶの範囲とすることができる。
【００１５】
また、本発明の土壌改良材の施用方法において、前記糖化残渣は、８〜４０の範囲のＣ／Ｎ比と、３０〜１５０ｍｇ／ｇの範囲の生物化学的酸素要求量とを有することが好ましい。前記糖化残渣は、Ｃ／Ｎ比が８未満かつ生物化学的酸素要求量が３０ｍｇ／ｇ未満であるときには、土壌に施用しても、該土壌を十分に改良することができないことがある。また、前記糖化残渣は、Ｃ／Ｎ比が４０を超えかつ生物化学的酸素要求量が１５０ｍｇ／ｇを超えると、前記易分解性有機物が腐敗し、水稲の生育を阻害することがある。
【００１６】
また、本発明の土壌改良材の施用方法において、前記バイオマスからなる基質は、前記糖化酵素により８０％以上の糖化率となるように糖化処理されていることが好ましい。このようにすることにより、前記糖化残渣のＣ／Ｎ比と生物化学的酸素要求量とを前記範囲とすることができる。
【００１７】
また、本発明の土壌改良材の施用方法において、前記蒸留残液は、２〜２０の範囲のＣ／Ｎ比と、３０〜１００ｍｇ／ｇの範囲の生物化学的酸素要求量とを有することが好ましい。前記蒸留残液は、Ｃ／Ｎ比が２未満かつ生物化学的酸素要求量が３０ｍｇ／ｇ未満であるときには、土壌に施用しても、該土壌を十分に改良することができないことがある。また、前記蒸留残液は、Ｃ／Ｎ比が２０を超えかつ生物化学的酸素要求量が１００ｍｇ／ｇを超えると、前記易分解性有機物が腐敗し、水稲の生育を阻害することがある。
【００１８】
また、本発明の土壌改良材の施用方法において、前記発酵溶液は、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が７０％以上となるように発酵されていることが好ましい。このようにすることにより、前記蒸留残液のＣ／Ｎ比と生物化学的酸素要求量とを前記範囲とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の土壌改良材の施用方法を示すフローチャート。
【図２】本発明の実施例１，２及び比較例１におけるイネの栽培方法を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施例１，２及び比較例１におけるメタンガス発生量を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例１，２及び比較例１におけるイネの生育状態（葉齢）を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例１，２及び比較例１におけるイネの生育状態（草丈）を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２１】
本実施形態の土壌改良材は、リグノセルロース系バイオマスである稲藁を基質とし、該稲藁を糖化、発酵させてエタノールを製造する過程で得られる糖化残渣又は、蒸留残液からなる。そこで、次に、稲藁を基質とするエタノールの製造方法について説明する。
【００２２】
前記エタノールの製造方法では、まず、リグノセルロース系バイオマスからなる基質としての稲藁とアンモニア水とを攪拌し、基質混合物を得る。得られた基質混合物は、貯留槽内で所定時間貯留されることにより、加熱することなく前記稲藁からリグニンを解離し、又は該稲藁を膨潤させることにより、糖化前処理物を得る。
【００２３】
尚、本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。
【００２４】
前記糖化前処理物はアンモニア水を含有しているので、次にアンモニアを分離することにより、アンモニア分離糖化前処理物とされる。前記アンモニア分離糖化前処理物は、糖化酵素と混合され、所定時間保持されることにより、前記基質としての稲藁に含まれるセルロース、ヘミセルロース等が糖化された糖化溶液が得られる。前記基質としての稲藁は、前記糖化酵素により８０％以上の糖化率となるように糖化処理されている。前記糖化溶液は、未糖化の前記稲藁、前記糖化酵素等を糖化残渣として含んでいるので、次に、固液分離により前記糖化残渣が分離される。
【００２５】
次に、前記糖化残渣が分離された前記糖化溶液に、酵母等の発酵菌を混合し、所定時間保持する。この結果、前記糖化溶液に含まれる糖が前記酵母等の発酵菌によりエタノール発酵し、エタノールを含む発酵溶液が得られる。前記発酵溶液は、前記糖化溶液中の糖のアルコールへの変換率が７０％以上となるように発酵されている。アルコールへの変化率は、前記発酵菌の種類によって変化する。
【００２６】
次に、前記発酵溶液を蒸留することにより、前記エタノールを分離すると共に、該発酵溶液の蒸留後に残された蒸留残液を回収する。
【００２７】
そして、前記糖化溶液から分離された糖化残渣又は、前記発酵溶液の蒸留後に回収された蒸留残液を本実施形態の土壌改良材として使用する。
【００２８】
ここで、前記糖化残渣は、Ｃ／Ｎ比が８〜４０の範囲にあると共に、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）が３０〜１５０ｍｇ／ｇの範囲にある。また、前記蒸留残液は、Ｃ／Ｎ比が２〜２０の範囲にあると共に、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）が３０〜１００ｍｇ／ｇの範囲にある。
【００２９】
次に、本実施形態の土壌改良材の施用方法について、図１に基づいて説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の土壌改良材の施用方法では、土壌改良材としての前記糖化残渣又は前記蒸留残液を、播種の前に水田土壌に施用する。そして、前記水田土壌の酸化還元電位が±０〜＋５００ｍＶの範囲に維持されるようにすることにより、該水田土壌を酸化状態に保つ。この後、前記水田土壌が水で飽和するよう灌水を行う。尚、前記水田土壌の酸化還元電位は、土壌表面下５ｃｍの部分で測定したものとする。
【００３１】
次に、前記水田土壌に水稲を直接播種（以下、直播と略記する）する。
【００３２】
直播の場合には、収穫までの間、前記水田土壌に間断灌漑を行うことにより、該水田土壌の酸化還元電位が±０〜＋５００ｍＶの範囲に維持されるようにする。このようにすることにより、水稲の乾田直播栽培を行うことができる。
【００３３】
前記乾田直播栽培によれば、播種前の灌水及び播種後の間断灌漑により、前記水田土壌の酸化還元電位が±０〜＋５００ｍＶの範囲に維持されるので、該水田土壌中の根圏環境におけるメタン生成菌の活動を抑制することができる。この結果、乾田直播栽培において、前記土壌改良材を施用した場合にもＧＨＧであるメタンガスの発生を抑制することができ、バイオエタノールによるＧＨＧガス削減効果を向上することができると共に、前季の水稲栽培により得られた資源（前記糖化残渣又は前記蒸留残液）を次季の水稲栽培に有利に還元することができる。
【００３４】
前記乾田直播栽培では、前記播種から収穫までの間に、さらに前記土壌改良材として、例えば前記蒸留残液を追肥として施用してもよい。また、乾燥害による生育不良、高温障害による不稔の多発、玄米品質の劣化等の発生が懸念される場合、或いは冷害防止のために深水栽培を行う必要がある場合には、出穂前３０日から出穂後１０日の間、必要に応じて湛水するようにしてもよい。このとき、湛水期間中、土壌の種類や天候等の影響によって酸化還元電位が一時的に±０ｍＶより低くなることがあるが、乾田に戻すことによって酸化還元電位が±０ｍＶより大きくなる。このような場合においても、育成期間中の平均の酸化還元電位は±０ｍＶより高く維持されることになり、連続して湛水条件に置かれていた水田と比べるとメタンの発生量も低くなる。
【００３５】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例】
【００３６】
〔実施例１〕
本実施例では、図２（ａ）に示すように、まず１／５０００ａワグネルポットに水田土壌３．５ｋｇを充填した。前記水田土壌は、水稲栽培後、稲藁を鋤き込んでいないものを目開き１ｃｍの篩にかけ、該篩を通過したものを使用した。
【００３７】
次に、土壌改良材として、稲藁を基質とするエタノール製造過程で得られた糖化残渣１０．３ｇ及び蒸留残液５．６ｇからなる土壌改良材１５．９５ｇを前記ポット内の土壌に元肥として施用し、培土を調製した。前記糖化残渣及び蒸留残液は播種の１１日前に施用した。前記糖化残渣はＣ／Ｎ比１９．３、ＢＯＤ１４０ｍｇ／ｇであり、前記蒸留残液はＣ／Ｎ比７．１、ＢＯＤ８６．５ｍｇ／ｇである。
【００３８】
次に、前記ポット内の土壌に７００ｇの水を灌水し、該土壌が水で飽和するようにした。
【００３９】
次に、前記培土調製から１日目にコシヒカリの催芽籾を前記ポット内の土壌に直播した。その後、前記培土調製から４７日目まで、前記ポット内の土壌に間断灌漑を行った。前記間断灌漑は、前記ポット内の土壌表面が乾燥した際に、灌水して土壌表面が乾燥することがないように行った。また、この間に前記蒸留残液５．６５ｇからなる土壌改良材を前記ポット内の土壌に追肥として施用した。尚、前記蒸留残液には、発酵過程においてイネの生育に必要な肥料成分が付加されており、該肥料成分のそれぞれの濃度は、窒素０．８７質量％、リン酸０．６１質量％、カリ１．７９質量％であった。
【００４０】
本実施例では、播種前の灌水及び播種後の間断灌漑により、土壌表面下５ｃｍの酸化還元電位が＋１６０〜＋３７１ｍＶの範囲に維持された。
【００４１】
次に、４７日目に、メタンガスの発生量を測定すると共に、イネの生育状態として、葉齢と草丈とを観察した。メタンガスの発生量は、６０ｃｍ×４０ｃｍ×１００ｃｍのアクリル製チャンバーを用い、クローズド法により測定した。
【００４２】
本実施例では、メタンガスの発生は全く無く、イネの生育は見かけ上順調であった。メタンガス発生量の測定結果を図３に、イネの生育状態の観察結果を図４及び図５に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、図２（ｃ）に示すように、まず実施例１と全く同一にして、前記ポットに水田土壌を充填した。次に、播種の１１日前に、１ｃｍの長さに裁断した稲藁７．２ｇ（乾燥重量）を前記ポット内の土壌に施用し、培土を調製した。前記稲藁は、Ｃ／Ｎ比４５、ＢＯＤ２２０ｍｇ／ｇであった。次に、実施例１と全く同一にして、前記ポット内の土壌に灌水した。
【００４３】
次に、前記播種後１９日目に前記ポットの土壌に湛水して代掻きした。このとき、化成肥料を施肥した。そして、前記播種後２０日目に、別途調製した苗床に生育させたイネの苗を、前記ポットの土壌に移植した。
【００４４】
次に、前記播種から４７日目まで、前記ポット内の土壌を湛水状態とした。
【００４５】
本比較例では、前記播種から４７日目までの土壌表面下５ｃｍの酸化還元電位は、−２０８〜−１４７ｍＶの範囲であった。
【００４６】
次に、前記播種から４７日目に、実施例１と全く同一にして、メタンガスの発生量を測定すると共に、イネの生育状態として、葉齢と草丈とを観察した。
【００４７】
本比較例例では、イネの生育は見かけ上順調であったが、多量のメタンガスが発生した。メタンガス発生量の測定結果を図３に、イネの生育状態の観察結果を図４及び図５に示す。
【００４８】
図３から、実施例１，２の施用方法によれば、前記土壌改良材を施用した土壌中でメタンガスの発生を抑制することができることが明らかである。また、図４及び図５から、実施例１，２の施用方法によれば、イネの生育を阻害することがないことが明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
符号なし。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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