電子産業廃水の省エネ・無害化処理を可能にする新規メタン生成菌
新潟薬科大学 応用生命科学部
応用生命科学科
准教授 井口 晃徳
2023年11月7日

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本技術の概要
第四級アンモニウム塩の水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH) を分解可能なメタン生成菌を活用し、嫌気処理の早期立ち上げと安定的なTMAH分解を可能にする技術。
半導体製造等の電子産業分野から排出される廃水に含まれ、毒物に指定されているTMAHは、物理化学処理、好気性処理により処理される事が一般的である。
本技術は、単離したTMAH分解メタン生成菌を活用し、TMAHの分解・無害化、メタンエネルギー回収による創エネ化、常温嫌気処理による省エネ化を図ることが出来る。

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本技術の背景水酸化テトラメチルアンモニウム (TMAH)

・最もシンプルな第四級アンモニウム塩
・強塩基性 (1%水溶液のpHは12.9)
・筋肉や神経に影響を及ぼす毒性を有する(2013年より毒物指定)

多様な利用用途

国内外での需要増加

・ポジ型フォトレジストの現像液・エッチング剤・相間移動触媒
・洗浄剤 etc…

世界市場規模3億4180万USドル (2020)
4億6420万USドル (2027) 予測

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本技術の背景2021年現在、全世界人口の約半数(40億人)がスマートフォンを所有“電子産業”は21世紀における成長産業のひとつ(Strategy Analytics, 2021)

電子機器の基幹部品：半導体【集積回路IC】
現像技術”フォトリソグラフィー”を応用した製造プロセス

有機化学物質を含む“電子産業廃水”が発生① フォトリソグラフィーの現像液として
水酸化テトラメチルアンモニウム(CH3)4N+OH-：TMAH② レジストを除去するための剥離液としてモノエタノールアミン
H2N(CH2CH2OH)：MEA③ 純水洗浄後の脱水としてイソプロピルアルコール(CH3CHOHCH3)：IPA

毒物
劇物
PRTR法
届け出対象物質危険物

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本技術の背景
電子産業廃水処理の現状
・物理化学処理
イオン交換樹脂による濃縮後、熱分解-触媒処理による無害化・生物処理 (好気性処理)例) 活性汚泥法
・多大なエネルギー消費 (エアレーション)
・余剰汚泥の発生を伴う

現状、マテリアル資源やエネルギーを消費する方法での処理が主流
・生産拠点が東南アジアの開発途上国へと徐々に移転
・半導体不足から、国内でも工場建設が進行
・電子産業から排出される廃水が増加

省エネ・低炭素な技術が求められている
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本技術の説明
メタン発酵とは？
メタン発酵に関与する多様な微生物群の働きによって嫌気条件下で有機物をメタンと二酸化炭素にまで分解する反応
メタン発酵プロセス
廃棄物系バイオマス

メタンガス
嫌気条件下

エネルギー

メタン発酵
有機性廃棄物・廃水

メタン発酵微生物群

廃水・廃棄物を処理すると同時にエネルギー(メタン)を回収できる

メタン発酵に関わる微生物は酸素を必要としないため、酸素供給動力が必要なプロセス(活性汚泥法など)と比べて省エネルギー
好気性処理プロセスと比較して余剰汚泥発生量も少ない

省エネ・創エネ・低炭素型の次世代廃水・廃棄物処理方法6

本技術の説明低温メタン発酵による電子産業廃水処理 (TMAH, IPAを含有) の確立
1 ラボスケールUp-flow anaerobic sludge blanket (UASB)リアクターを構築
常温条件(18-19°C)下でTMAH/IPA含有廃水の処理性能の評価(Danshita et al., 2018, J. Environ. Sci. Health.)容積

グラニュール汚泥
温度（1〜2 mmの顆粒状）

HRT
COD-loading

IPA

TMAH

ラボスケールUASBリアク
ター

2L
18-19°C
4h
9 kg-COD/m3/d

合成排水組成 (mg-COD/L)
IPA
700
TMAH
700
Yeast Extract 100
Total
1500

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本技術の説明低温メタン発酵によるTMAHの処理性能
運転開始から40日は、TMAHの分解示さず

TMAH分解菌を含む微生物(汚泥)を投入

安定したTMAHの分解投入したTMAH分解菌がリアクター内に定着・処理性能を発揮
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本技術の説明
16S rRNA遺伝子に基づく検出割合 (%)

微生物群集構造の解析 (汚泥内の微生物種の同定)
100

others80

古細菌の16S rRNA遺伝子に 60
基づく検出割合 (%) 40

Methanospirillum
Methanobacterium
Methanomethylovorans

200

運転開始直後(TMAH分解示さず)

Methanosaeta

294日後(安定したTMAH分解)

リアクターに定着したTMAH分解菌はMethanomethylovorans属メタン生成細菌
9本技術のコア部分
2 特定有機化学物質 (TMAH, IPA) の分解に関与する重要微生物の探索
生物学的処理メカニズムの解明(Iguchi et al., 2023, Appl. Microbiol. Biotechnol.)

TMAH分解メタン生成細菌の分離培養
TMAH分解メタン発酵汚泥より・・・・
16S rRNA遺伝子に基づく
Methanomethylovorans属の分子系統樹
phase contrast

F420 autofluorescence

新規分離株
NY-STAYD
Mmv属
既知種

10 µm

10 µm

Methanomethylovorans属の新規なメタン生成細菌
NY-STAYD株を分離培養
10本技術のコア部分
分離株NY-STAYDの基質利用能メチルアミン化合物の資化性

モノメチルアミン(MMA)

Mmv既知

ジメチルアミン トリメチルアミン(DMA)(TMA)

水酸化テトラメチルアンモニウム (TMAH)

Mmv. uponensis, Mmv. hollandica, Mmv. thermophila

Mmv新規 Mmv新規分離株 NY-STAYD(発明者により分離培養)

Mmv属メタン生成古細菌では分離株 (NY-STAYD) のみ
TMAHを分解・メタン化可能

TMAHを分解できるMethanomethylovorans属
メタン生成細菌分離株はNY-STAYDだけ
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本技術のコア部分
分離株NY-STAYDの増殖温度
20˚C

細胞収量: 大増殖速度: 小25˚C30˚C
37˚C

細胞収量: 小増殖速度: 大・20, 25, 30, 37˚CでNY-STAYD株は増殖・培養温度が高い ⇒ 比増殖速度 μ (day-1) も高いが, 死滅期 (溶菌) へ移行する
・一方で, 培養温度が低いほど溶菌しにくく, 菌体収量が高い

低温メタン発酵の特性に合致
グラニュール汚泥 ⇒ SRTが長いため増殖速度は問題にならない
温度が低いほどバイオマス収量が高い
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本技術のコア部分
分離株NY-STAYDのTMAH分解▲,▲: TMAH●,●: CH4

NY-STAYD株単独でTMAHを速やかにメタン化可能

中間代謝物 (MMA, DMA, TMA, MeOH) は検出されない
メタン発酵特有の複雑な微生物群集をデザイン化する必要なし
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本技術のコア部分
分離株NY-STAYDのリアクター内での挙動 (グラニュール汚泥)
グラニュール汚泥全体 (SEM観察)
グラニュール汚泥表面 (SEM観察)

蛍光遺伝子プローブ法 (FISH法)(赤：Methanomethylovorans. sp.)

Scale bar = 10 µm

Scale bar = 500 µm

Scale bar = 200 µm

球状の細胞：Methanomethylovorans属細菌

Methanomethylovorans属細菌(NY-STAYD)は表面に局在

NY-STAYD株は担体 (グラニュール汚泥等) の表面に定着
排水中のTMAHをダイレクトに分解・メタン化
定着するための「足場」があれば、高い細胞濃度で定着可能
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本技術のコア部分
分離株NY-STAYDの遺伝的特性

全ゲノム解析・トランスクリプトーム解析
Methanomethylovorans sp.
NY-STAYD
2.57 Mbp

TMAH分解に関与する遺伝子を同定
Iguchi et al., unpublished data

エビデンスに基づくTMAH分解機構
遺伝的なTMAHメカニズムが明らかになりつつある
さらなるTMAH分解 (メタン化) の効率化や高速化の可能性
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本技術のまとめ
TMAHを分解・メタン化可能なメタン生成菌NY-STAYD株

電子産業排水処理 (TMAH処理) のための低温メタン発酵リアクターのスターター (植種) として活用

嫌気処理の早期立ち上げ
安定的なTMAH分解
・TMAHの分解・無害化
・メタンエネルギー回収による創エネ化
・常温嫌気処理による省エネ化
16本技術の用途例• 電子産業工程で排出される廃水、廃液処理• TMAH汚染環境（土壌、地下水）のバイオレメ
ディエーション
• TMAHの脱メチル化（酵素の活用による工業プロセスへの応用など）

17実用化に向けた課題• 生物処理を実施するには、実際の電子産業排水中の有機化学物質濃度は高いので、希釈（処理水循環）が必要。

• またグラニュール汚泥の維持のため他の有機物を含む排水との混合処理を推奨。（相対的にTMAH濃度も下がり、他の廃水と同時にTMAH分解・メタン化を実施可能。)

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企業への期待• 嫌気性排水処理を取り扱う企業、電子産業排水処理を実施している企業、バイレメ等実施している企業との連携を希望。

• 他にも、電子産業廃水処理でこれから事業化を行いたい企業や、TMAHの脱メチル化等の化学プロセスの応用ができる企業との連携も希望。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：水酸化テトラメチルアンモニウム

分解能を有するメタン生成古細菌• 出願番号• 出願人• 発明者：特願2021-40752：新潟薬科大学、国立環境研究所：井口晃徳、珠坪一晃

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本技術に関するお問い合わせ新潟薬科大学

産官学連携推進センター

ＴＥＬ 0250-25-5396
e-mail liaison@nupals.ac.jp

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