98

生分解性プラスチック複合材の分解性および水素生産に関する研究
伊藤 武志*・中山恭秀**・伊藤将志***Decomposition of Biodegradable Plastic Material and Hydrogen
fermentation
Takeshi Ito*, Yasuhide Nakayama**, Masashi Ito***
Abstract
It is necessary, industrial practical use of the biodegradable plastic material with few environmental impacts
is studied. We investigated the resolvability of biodegradable resin using soil and sludge. As the result, thedecomposition of the biodegradable material was most efficient when it was cultured in anaerobic sludge. In thispaper, the optimal decomposition temperature using the sludge anaerobic conditions of a biodegradable plasticmaterial was investigated. The biodegradable plastic material was decomposed early, without mass increasing
above 60 ℃. Furthermore, the hydrogen fermentation using a biodegradable plastic material was considered. The
cultivation using a biodegradable plastic material produced hydrogen 4 times as compared with using only sludge.

１．はじめに見られた。そこで本研究は、効率のよい分解を目的として、嫌気条件下における活性汚泥法を用いた最近年、資源循環型の社会を作る構想（ゼロエミッシ

適分解温度を検討する。

ョン）への動きが活発になっている。特に高分子系複一方、地球温暖化防止のために二酸化炭素放出の合材料などは環境への負荷が大きいため資源リサイ

国別総量規制の交際的合意がなされたことにより､石クルの手法の確立、ならびに資源の循環利用が可能油などの化石燃料に代わる循環型エネルギーの利用な材料開発が必要とされている。こうした背景から、が急務となっている。また、原発事故以来、原子力に植物由来の生分解性樹脂を基軸財とする環境負荷かわる安全なエネルギーの確保が必要となっている。の少ない複合材料グリーンコンポジットの産業的活用

H2 は燃焼しても水しか生産されず、燃料電池の開発が研究されている（文献[1]）。弓削商船高等専門学に伴い、次世代クリーンエネルギーとして注目されて校・中山らはこの生分解性樹脂と天然繊維を組み合いる。H2 はこれまで､各種の H2 生産法が検討されていわせた生分解性プラスチック複合材を設定し、力学的るが､その中で微生物を利用した H2 生産の研究が盛特性や変形挙動を有限要素法により解析を行ったんに行われている（文献[4]、[5]）。また、活性汚泥は、（文献[2]）。また、生分解性樹脂は土壌を用いた分解水素・メタン発酵に利用され、プラチックの分解おいて性に関する研究報告は多いが、活性汚泥を用いた分もメタン生成細菌が作用していることが報告されてい解性に関する報告は少ない。そこで著者らは同複合る（文献[6]、[7]）。そこで本研究では、複合材の分解材の分解性を土壌および活性汚泥を用いて 16 週間、性だけでなく、嫌気培養による水素・メタン生産を検討30℃で調査した（文献[3]）。その結果、脱水した活性する。

汚泥余剰汚泥を用いた嫌気培養で一番高い分解が

*
**

総合教育科
電子機械工学科 ***平成 24 年 9 月 28 日受理
生産システム工学専攻

99
弓削商船高等専門学校

紀要

第 35 号（平成 25 年）

め、自然界の微生物による分解が可能である。土壌２． 実験方法

での分解に関する報告は多くあるが、活性汚泥を用２－１ 生分解性プラスチック複合材および活性汚泥いた報告は少ない。著者らは生分解性プラスチック複本研究で使用した複合材は、生分解性プラスチック合材の分解性を土壌および活性汚泥を用いて 16 週のランディＰＬ-1000（ミヨシ油脂（株））と天然繊維の麻間、30℃で調査した結果、活性汚泥を用いた嫌気培繊維（ラミー麻）を組み合わせて作製した（文献【2】）。

養で一番高い分解が見られた（文献[3]）。

また、弓削浄化センター（愛媛県上島町）から提供さそこで、本研究ではさらなる効率化をめざし、嫌気れた余剰汚泥（脱水）を分解および水素生産に使用し条件下における最適分解温度の検討を行った。そのた。

結果を図 1 に示す。30℃～50℃において、重量はスタート時より重くなり、50℃では約 150％まで重量が増加した。この結果は、以前著者らが 30℃で嫌気培

２－２ 最適分解温度の検討
最適分解温度はシャーレに活性汚泥と成型した複養を行った結果と同様の傾向である。これは、活性汚合材を入れ、30℃～70℃の 10℃間隔で各恒温機に泥中に含まれる水分の吸着及び、分解によって生成て、16 週間の嫌気培養を行い、1 週間ごとに、複合材した水分が複合材内にたまっているのが原因だと考の重量を測定し、分解を検討した。また、12 週間後にえられる。そこで培養 12 週間目に、乾熱機にて水分複合材内にたまった水分を除去し、再び分解を行った。

を除去し重量を測定したところ、重量比が 30℃～嫌気培養は、マイクロプレート角型ジャーにサンプル50℃では同様の約 60％まで減少したことが分かった。とアネロパック－嫌気（酸素吸収剤）を入れ密封する

その後、再び分解を行ったところ、40℃、50℃では再ことによって嫌気状態を確保した。

び水分の吸着による重量上昇が見られたが、30℃では重量上昇がみられることなく、減少していった。

２－３ 水素生産の検討

30℃～50℃では、多少の分解速度の違いや水分吸水素生産の検討は、粉末にした複合材 5ｇと活性汚着による違いは見られるものの、最終的な分解による泥 45ｇを 125 mL 容バイアル瓶中に入れ、60℃、2 週重量変化に大きな差は見られなかった。このことは、間、培養することで行った。複合材を混合した活性汚分解に作用している菌が 30℃～50℃では大きく影響

泥をバイアル瓶に入れた後、窒素ガスを吹き込むことを受けないことが考えられる。
60℃、70℃での分解では重量上昇が見られることで嫌気状態にした。
生成した気体はガスタイトシリンジを用いてサンプルなく、分解され、吸着した水分量より分解された複合を 引 き 取 り 、 ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー （ GC-8A ：材の重量の方が多いことが示唆された。これは、高温Shimadzu ； TCD ： Thermal

により水分が蒸発されやすいことと活性汚泥中の菌ConductivityDetector）で分析した（文献[8]）。の働きが活発になったことが原因と思われる。70℃では、培養 4 週間目で重量比が約 60％まで減少し、熱３． 実験結果および考察と分解による複合材の劣化のため、活性汚泥と一体化し、以降の測定が困難になった。また 60℃では、培３－１ 活性汚泥を用いた嫌気条件における最適分

養 13 週間目で重量比が約 35％まで減少し、70℃の解温度の検討

時と同様活性汚泥と一体化し、それ以降の困難にな生分解性プラスチック複合材は天然素材であるたった。以上の結果より、活性汚泥を用いた嫌気条件で

100
生分解性プラスチック複合材の分解性および水素生産に関する研究（伊藤武・中山・伊藤将）の複合材の分解は 30℃～50℃でも十分であるが、素のみで、メタンは確認できなかった。アンモニアと水60℃以上で効率よく分解することが分かった。また、素によるメタン発酵の阻害は数多く報告され（文献

活性汚泥を用いた生分解性プラスチックの分解には、[11]）、本研究でも、同様の阻害を受けたと考えられる。

メタン生成菌・水素生産菌が関与していることが、報本研究は pH の調整を行わず、添加物も加えず培養告されている（文献[9]）。本研究の生分解性プラスチを行ったため、今後 pH、添加物の検討および副生成ック複合材の分解おいても、メタン生成菌・水素生産物の解析を行うことで、効率の良い水素・メタン生産を菌が関与したことが示唆される。

検討する。また水素はクリーンエネルギーとして使えるため、廃棄物からの水素－メタン二段階発酵が報告されている（文献[12]）。本研究でも最終的には水素－メタン二段階発酵を目指す。また、将来的には、生分解性プラスチック以外での分解を行うことで、プラスチック廃棄物からのエネルギー生産の構築に期待

図 1 活性汚泥嫌気分解の温度解析

水素生産量（mmol)がもたれる。

３－２ 生分解性プラスチック複合材からの水素生産の検討
本研究において、生分解性プラスチック複合材の分解にメタン生成菌・水素生産菌が関与していることが考えられる。そこで、複合材を用いて、60℃における複合材なし複合材あり

図 2 2 週間後の水素生産比較

水素生産を検討した。活性汚泥 45ｇと粉末にした複合材 5ｇを混ぜ、125ｍL 容バイアル瓶にいれて、60℃で4． まとめ

2 週間培養を行った。その結果を図 2 に示す。活性汚泥のみの培養は 0.6mmol であったのに対し、複合材ペットボトルやプラスチックなど高分子複合材料は環を用いた培養では、2.4mmol の水素を生産した。本境への負荷が大きいため、資源リサイクルの手法の培養は、脱水した汚泥を用いた乾式発酵である。通確立や循環利用が可能な材料開発が必要とされてい常、活性汚泥における乾式発酵は水素生産と有機酸る。近年、植物由来の生分解性樹脂を基軸とする環を中間産物として、メタンを生産する(文献[10])。しか境負荷の少ない複合材料グリーンコンポジットの産業し、本研究において、生成したガスは水素と二酸化炭的活用が必要とされている。

101
弓削商船高等専門学校

紀要

第 35 号（平成 25 年）

これら生分解性樹脂は土壌を用いた分解性に関す[7] 安江 梨, 前川 孝昭. 「メタン発酵における生る研究報告は多いが、活性汚泥を用いた分解性に関分解性プラスチックの可溶化に関する研究」， 農する報告は少ない。そこで、同生分解性樹脂の分解業環境工学関連 7 学会合同大会講演要旨集

性を土壌および活性汚泥を用いて 16 週間、30℃で調(2009)，p491

査した結果、脱水した活性汚泥（余剰汚泥）を用いた[8] Nishio, N., Eguchi, S.Y., Kawashima, H., and嫌気培養で一番高い分解が見られた。

Nagai, S.:

Mutual conversion between H2

そこで本研究では、温度を変えて嫌気条件下での分

plus CO２ and formate by a formate-utilizing

解を検討したところ、70℃では 4 週間で測定不能になmethanogen.

るまで分解された。また 60℃でも分解された水分によ557-561 (1983).

J. Ferment. Technol., 61,

る増量が見られることなく 12 週間で約 30％まで分解
XIAO

Dongsheng,

MATSUDA

結果、活性汚泥のみの水素生産と比べ、約 4 倍の水OHMIYA

Kazuhiko.:

Characteristics

素生産が見られた。今後、さらなる条件検討・解析をFermentation

行い効率の良い水素生産を目指す。

Mixed with Household Solid Waste byされた。また、60℃における水素生産の検討を行った[9]of

Biodegradable

Juzo,
of

Plastics

Thermophilic Dry Anaerobic Co-digestion，
参考文献

農業

機械

学会誌

Vol.71, No.3, Page55-62 (2009)[1] 大窪 和也， 高木 均， 合田 公一， 「グリー[10] 西尾 尚道， 「嫌気微生物による有用物質生ンコンポジットとその研究の新展開」， 材料

産と環境浄化・エネルギー回収への応用」， 生

VOl.55，No.4(2006)，pp438-444

物工学会誌，第86巻 1号 (2008)，p2-11[2] 中山 恭秀，伊藤 将吾， 「複合材の弾性変形[11] 中久保亮，石田哲也，松田從三，「牛ふん尿のに関する有限要素法解析」， 弓削商船高等専門

共メタン発酵における副資材過剰投入による発学校紀要，Vol.30(2008)，p75-80

酵阻害」，廃棄物資源循環学会論文誌 20 号

[3]

中山 恭秀，伊藤 将吾，伊藤 武志， 「生分解性樹脂の力学的特性と分解性に関する研究」，[4]（2009）p268-277[12]西尾 尚道， 中島田 豊,「廃棄物からの水弓 削 商 船 高 等 専 門 学 校 紀 要 ， Vol.31(2009) ，素・メタン二段発酵プロセスの事業化に向けて」

p83-88

Journal of Environmental Biotechnology,

Nandi, R., and Sengupta, S.: Microbial

Vol. 9, No. 2, 89–93, (2009)

production of hydrogen: an overview. Crit.
Rev. Microbiol., 24, 61-84 (1998).
[5] Tanisho, S., Suzuki, Y., and Wakao, N.:
FermentativehydrogenevolutionsbyEnterobacter aerogenes stain E. 82005. Int.
J. Hydrogen Energy, 9, 623-627 (1987).
[6] 李玉友. 「メタン発酵技術の概要とその応用展望」, JEFMA., No.53, 4-18 (2005).

,