微生物を活用した消化汚泥資源化技術

2021年12月2日

工学院大学 先進工学部 生命化学科教授 藤井 克彦

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新技術の概要➢ 特徴１
嫌気消化後の残渣である「消化汚泥」と水のみからなる培養液で生育し、消化汚泥からバイオガスを生産できる微生物菌叢➢ 特徴２
多様な微生物種から構成さており、消化汚泥のみならず、広範な基質の資源化が期待できる➢ 特徴３
メタン生産アーキアを死滅させることで、水素ガス生産菌叢に転換することも可能2

背景(1)

有機-C

CO2

細菌
糸状菌
原生生物
微生物増殖バイオマス（余剰汚泥）3

背景(2)
余剰汚泥

脱水 DS

消化汚泥（DS）
凝集剤

嫌気消化脱水バイオガス（60% CH4,40% CO2）

生分解が容易生分解が進みにくい
堆肥やセメント副原料としての利用は減少傾向

消化汚泥の新たな利用法を模索する必要がある
4

問題解決のための技術開発

374℃, 22.1MPa

Garcia Martin et al (2020) Processes 8(5) 511

Tian et al (2017) Algal Biofuel 361（例）酸加水分解（例）水熱処理• 作業者や作業環境に対する安全 • 装置の大型化に課題が残る
性に懸念がある• 反応を進めるための投入エネルギ• 反応後の中和および副生物の除ーが大きい
去が必要
5

問題解決のための技術開発
OreWA

N. udagawae AB185265
N. aureola AB185264
N.
fischeri AB369900
1000
N. primulina AB185261
N. spinosa AB185258
951

AbioticFernWA

OreWA

CedarWA4

CedarWA2

CedarWA1
P. raperi AF033433
1000
P. janthinellum AY373921
950
CedarWA2
P. oxalicum AF034455
1000
P. citrinum AM176683
958
P. digitatum AF455394
967
P. chrysogenum AJ270768
P. brevicompactum AJ270769
930
GalleryYA999
C. globosum AB449654
999
C. cupreum AB509366
1000
C. thermophilum EF550983
1000F. verticillioides X94166
945
F. subglutinans X94167
800
F. graminearum AB250414
F. lateritium AF310980
1000
755 OreYA1000
F. solani AJ608989
F. oxysporum AY667486
U. isabellina AJ876493
1000
FernWA
1000
U. ramanniana JN943032
1000
U. autotrophica JN943790
U.vinacea HQ630366
798 CedarWA3
1000
CedarWA4
C. bainieri AF254935
C. phaeospora AF254934
C. elegans AF346409
C. bertholletiae AF254930
Rhizophydium brooksianum AY9970

Neosartorya

0.1

OreYA

GalleryYA
1000

1000
968

Penicillium

Chaetomium

Fusarium

Umbelopsis

Cunninghamella

6提案する新技術

消化汚泥の処理（水洗、乾燥、粉末化）• 市内公園土壌（A, B, C）• 河川底泥（A, B）• 動物新鮮糞（カンガルー,ヤギ,ヒツジ,ウサギ,ウマ,モルモット,カメ）

消化汚泥発酵試験

GC-TCDによる発酵ガス分析
72520151050

4代目
3代目
2代目
1代目

Hydrogen yield (ml/g-DS)

Methane yield (ml/g-DS)

提案する新技術2520151050

4代目
3代目
2代目
1代目

• 多くの土壌微生物にとって、消化汚泥を唯一の栄養基質として生育し、バイオガスを生産することは困難であった• 河川底泥A-30℃、河川底泥B-40℃で汚泥1 gあたり約20 mLのメタンが生産され、植継ぎ培養を繰り返しても、メタン生産能が維持された
The digested sludge-assimilating and biogas-yielding soil microflora (DABYS)
82520151050

4代目
3代目
2代目
1代目

Hydrogen yield (ml/g-DS)

Methane yield (ml/g-DS)

提案する新技術25
2015105

4代目
3代目
2代目
1代目

0

• 多くの動物糞腸内細菌にとって、消化汚泥を唯一の栄養基質として生育し、バイオガスを生産することは困難であった• ヒツジ糞菌叢30℃、ヤギ糞菌叢30℃、ウサギ糞菌叢30℃で汚泥1 gあたり約4 mLの水素が生産され、植継ぎ培養を繰り返しても、生産能が維持された
The digested sludge-assimilating and biogas-yielding enteric microflora (DABYE)
9バイオガス発生にともなう汚泥の分解

分解速度は遅いが、微生物添加により消化汚泥の生分解は起きている
重量は、分解途上の消化汚泥と増殖菌体の合計（両者の分離は困難）
10DABYSの微生物メンバー解析（抜粋）
真正細菌

アーキア

真核微生物

PCR-DGGE解析より、菌叢は多様な真正細菌、アーキア、真核微生物から構成されていることがわかった

11

DABYEの微生物メンバー解析（抜粋）
真正細菌

アーキア

真核微生物

PCR-DGGE解析より、菌叢は多様な真正細菌、アーキア、真核微生物から構成されていることがわかった

12

真正細菌（加水分解＆酸生成）
DABYS: 河川底泥A & B
Clostridium, Enterobacter,
Pseudomonas
好気性細菌、メタン生成菌と共生し、脂肪酸過剰蓄積（メタン生産に悪影響）を防ぐ役割？
DABYE: ヒツジ、ヤギ、ウサギ糞
Clostridium, Enterobacter,
Ruminoclostridium
一般に反芻動物ルーメンに生息、有機酸や水素を生産する
13

アーキア（メタン生成）
DABYS: 河川底泥A & B
Methanobacterium,
Methanosarcina,
Unclassified methanogens*
DABYE: ヒツジ、ヤギ、ウサギ糞
Methanobacterium
Unclassified methanogens**土壌DNAから遺伝子のみ検出された培養困難種であり、機能未知
メタン生産がないDABYEでもメタン菌は生残している。Pseudomonas
不在により機能抑制？
14真核微生物（プレデター＆酸素消費？）
DABYS、DABYEともに、嫌気菌叢であるにも関わらず、好気性糸状菌と原生生物が存在していた
糸状菌の役割• 無酸素条件下で硝酸呼吸により生残し、汚泥分解に関与？
• 硝酸呼吸で硝酸がアンモニアに変化、菌叢の嫌気化にも貢献？
原生生物（嫌気性）の役割• 細菌・糸状菌の捕食者？
15セルラーゼ菌叢の酵素活性余剰汚泥＝下水処理で増殖した活性汚泥微生物

プロテアーゼ

キチナーゼ

消化汚泥

生分解しやすい可溶成分（細胞質）

生分解しにくい
不溶成分
（細胞壁）

バイオガス

• セルロース• キチン• タンパク質

DABYS、DABYEいずれの菌叢も、セルロース、キチン、タンパク質に対する分解酵素を分泌し、消化汚泥を可溶化していることが示
唆された16

汚泥分解・バイオガス生産のプロセス
DABYS

DABYE

17

新技術の特徴• 消化汚泥分解からバイオガス生産までを担う菌叢としては、初めての報告例• 培養温度が30-40℃であり、従来の嫌気消化法のような加温が不要• 物理化学的手法と比較して、専用の装置が不要。反応コストも安価
18想定される用途
例えば．．．

• 減容率の高い嫌気消化技術（廃棄物削減）• 都市ガスの代替ガス• 他種未利用バイオマスの資源化

19実用化に向けた課題
反応効率の改善：基質のさらなる微細化
コスト的に大丈夫な物理化学的前処理

Ward et al (2008) Bioresource Technology 90, pp. 7928-7940

生分解しやすい基質では、数百 mL CH4/g-基質でメタンを生産できる

20

実用化に向けた課題
反応効率の改善：基質のさらなる微細化
コスト的に大丈夫な物理化学的前処理

Sinha & Pandey (2011) International Journal of Hydrogen Energy 36, pp. 7460-7478

種菌

基質
22.2 L-H2 /180 g-glc= 123 mL-H2 /g-glc

生分解しやすい基質では、数百 mL H2/g-基質で水素を生産できる21

企業への期待
微生物による加水分解反応（酵素反応）は、低コストである反面、一般に反応速度が遅い酵素反応が進みやすくなるような汚泥前処理法をアドバイス
頂きたい or 共同研究
反応コストは？

（例）微粉化水蒸気爆砕

本研究室では実施困難・・・・・・
22

他機関との連携の経歴

本案件について、企業との共同研究実績はない

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知的財産権⚫ 名称：微生物混合物、メタン産生用組成物、及びメタン産生方法⚫ 出願人：学校法人工学院大学⚫ 発明者：藤井 克彦⚫ 出願番号：2020-100457

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お問い合わせ先
工学院大学
総合企画部 産学連携室
e-mail：sangaku@sc.kogakuin.ac.jp
T E L : 03-3340-0398(新宿)、042-628-4928(八王子)F A X : 03-3342-5304(新宿)、042-626-6726(八王子)25