鶏糞ガス発酵

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鶏糞は比較的優れた有機肥料で、純窒素、リン（P2O5）、カリウム（K2O）の含有量はそれぞれ約1.63％、1.54％、0.085％です。鶏糞は施肥する前に十分に腐熟させる必要があり、鶏糞中に存在する寄生虫やその卵、そして感染性のある細菌などは、腐熟（発酵）の過程を通じて不活化される。鶏糞は腐熟する過程で高温が発生するため、窒素の損失を引き起こしやすい。したがって、腐熟する前に適量の水を加え、さらに5％の過リン酸カルシウムを加えると、肥効がより高まります。腐熟させる方法としては、鶏糞を糞溜めに入れて漬け込む方法や、表面に土をかけて堆積させる方法がある。鶏糞は十分に腐熟すると、作物を栽培するための優れた基肥となり、また果樹の栽培では冬に施して一年間利用する基肥としてよく使われます。 　　鶏の生理的特徴を考慮すると、鶏が摂取した飼料は完全に消化吸収されず、約40％～70％の栄養分が体外に排出されるため、鶏糞はすべての家畜の糞の中で最も栄養価が高い。しかし、鶏糞を処理したり腐熟させたりせずにそのまま作物に施用すると、大きな害やリスクが生じる。土壌に直接施用されると、適切な条件のもとで発酵し大量の熱が生じ、作物の根系を焼き尽くしてしまうのだ。また、鶏の糞自体には多量の病原菌が含まれており、作物に病気の危険をもたらします。したがって、鶏糞は無害化処理を行い、完全に腐熟させた後でなければ作物に施用してはならない。　 　　従来の方法では、鶏糞を密閉して堆積させ、嫌気性発酵を行い、通常は3～4ヶ月かけて分解されます。しかし現在ではバイオテクノロジーを用いた好気性発酵により、分解速度が従来の10～20倍速くなり、鶏糞中のタンパク質などの高分子が低分子に分解され、作物が直接吸収できるようになっています。十分に腐熟した鶏糞は、ほとんど臭いがしません。 バイオガスの主成分はメタンです。バイオガスは、50％～80％のメタン（CH4）、20％～40％の二酸化炭素（CO2）、0％～5％の窒素（N2）、1％未満の水素（H2）、0.4％未満の酸素（O2）、および0.1％～3％の硫化水素（H2S）などの気体で構成されている。バイオガスには少量の硫化水素が含まれているため、わずかに臭いがします。その特性は天然ガスに似ている。空気中にメタンガスが体積比で8.6～20.8％含まれていると、爆発性のある混合気体が形成される。 1 バイオガス発酵微生物（細菌間の関係を連想：促進、抑制、競争など）　バイオガス発酵微生物は総称であり、発酵性細菌、水素・酢酸産生菌、水素消費型酢酸産生菌、水素消費型メタン生成菌、酢酸消費型メタン生成菌の5つのグループが含まれる。5つの主要な細菌群が食物連鎖を形成しており、各群の細菌が産生する生理的代謝産物や、それらの活動が発酵液のpH値に与える影響から見ると、バイオガス発酵過程は加水分解段階、酸生成段階、メタン生成段階に分けられる。最初の3つのグループの細菌の活動により、有機物からさまざまな有機酸が生成されるため、これらは総称してメタン非産生菌と呼ばれる。後者の2つの菌群の細菌の活動により、さまざまな有機酸がメタンに変換されるため、これらを総称してメタン生成菌という。 　　（1）メタン非産生菌　メタン非産生菌は、複雑な高分子有機物を単純な低分子量の物質に変えることができる。その種類は多岐にわたり、作用する基質によって、繊維分解菌、半繊維分解菌、デンプン分解菌、タンパク質分解菌、脂肪分解菌、そして水素産生菌や酢酸産生菌といった特殊な細菌がある。 　　（2）メタン生成菌　メタン生成菌は、バイオガス発酵の主要な構成要素であるメタンを生成する菌です。これらはバイオガス発酵微生物の核心であり、厳格な嫌気性を持ち、酸素や酸化剤に非常に敏感で、最適なpH値の範囲は中性またはわずかにアルカリ性です。それらは二酸化炭素と水素を利用して成長し、廃物としてメタンを放出する、最も成長に必要な物質が少ない微生物である。 　　2. バイオガス発酵の原理（連想：微生物の増殖・代謝）　　バイオガス発酵は、嫌気性消化とも呼ばれ、さまざまな有機物が嫌気的条件下で各種のバイオガス発酵微生物によって分解・変換され、最終的にバイオガスが生成される過程を指す。現在、一般に認められているバイオガス発酵の過程は図の通りである：　　（説明：①I、IIは三段階理論、②I、II、III、IVは四群理論）　　3. 三段階理論　　3.1 バイオガス発酵過程の液化段階　　バイオガス発酵の原料として使用される有機物には、家畜の糞、農作物の茎葉、食品加工時の廃棄物や廃水、さらにはアルコール製造時の廃棄物など、多種多様なものがある。これらの主な化学成分は多糖類、タンパク質、脂質である。その中で多糖類は発酵原料の主要な成分であり、デンプン、セルロース、ハーフセルロース、ペクチンなどが含まれる。これらの複雑な有機物のほとんどは水に溶けないため、まず発酵細菌が分泌する細胞外酵素によって可溶性の糖類、ペプチド、アミノ酸、脂肪酸に加水分解された後でなければ、微生物によって吸収利用されることはできない。発酵性細菌は、上記の水溶性物質を細胞内に取り込んだ後、発酵作用によってそれらを酢酸、プロピオン酸、ブチル酸などの脂肪酸やアルコール類、そして一定量の水素と二酸化炭素に変換する。バイオガス発酵測定の過程で、発酵液中の酢酸、プロピオン酸、酪酸の総量を中揮発酸（TVA）と呼ぶ。タンパク質は発酵性細菌によってアミノ酸に分解され、さらに細菌によって細胞物質として利用される。余った分はさらに分解されて脂肪酸、アンモニア、硫化水素などが生成される。タンパク質の含有量は、バイオガス中のアンモニアおよび硫化水素の量に直接影響を与え、一方、アミノ酸が分解される際に生成される有機酸類は、さらに変換されてメタン、二酸化炭素、水を生成する。脂質は細菌の脂肪酵素の作用により、まず加水分解されてグリセロールと脂肪酸になります。グリセロールはさらに糖代謝経路によって分解され、一方脂肪酸は微生物によってさらに分解されて多数の酢酸になります。 　　3.2 バイオガス発酵過程の酸生成段階　　3．2．1 水素・酢酸生成菌　　発酵性細菌が複雑な有機物を分解・発酵させて生成する有機酸やアルコールは、フオルム酸、酢酸、メタノールを除き、メタン生成菌には利用されない。したがって、これらを酢酸、水素、二酸化炭素に分解変換する必要があり、その役割を果たすのが水素・酢酸生成菌である。 　　3.2.2 水素消費型酢酸菌　水素消費型酢酸菌は同型酢酸菌とも呼ばれ、自養的にも従属栄養的にも生息できる混合栄養型の細菌である。それらはHz+c0zを利用して酢酸を生成するだけでなく、代謝によっても酢酸を産生する。上記の微生物の活動により、さまざまな複雑な有機物から有機酸やHz／c0zなどが生成される。 　　3．3 メタン発酵過程におけるメタン生成段階　　3．3．1 メタン生成菌の分類群　　メタン生成菌には、水素を利用してメタンを生成する菌と酢酸を利用してメタンを生成する菌の2つの大きな分類群がある。バイオガス発酵の過程において、メタンの生成は、生理的に高度に特殊化した古細菌であるメタン生成菌によって引き起こされる。メタン生成菌には水素を利用してメタンを生成するものと酢酸を利用してメタンを生成するものがあり、これらは嫌気性消化プロセスにおける食物連鎖の最終段階に位置する。多様な形態を持つにもかかわらず、食物連鎖上の位置づけによって共通の生理的特性を有している。それらは嫌気条件下で、最初の3つの菌群の細菌の代謝最終産物から、外部からの水素受容体がなくても酢酸とH2／CO2を生成する。ガスに変換されて–CH4／CO2が生成し、嫌気的条件下での有機物の分解が円滑に進行する。現在知られているメタン生成過程は、上記の2つの異なるメタン生成菌によって行われている。 　　① C02とH2からメタンが生成される反応は次の通りである：C02+4H2→CH4+H2O　　②　酢酸または酢酸化合物からメタンが生成される反応は：　　CH3COOH→CH4+CO2；CH3COONH4+H2O→CH4+NH4HCO3　　3.3.2 メタン生成菌の生理的特性　　①　メタン生成菌の生育には厳格な嫌気環境が必要である。　　メタン生成菌は、海底の堆積物や動物の消化管といった極端に嫌気的な環境に広く存在している。 　　② メタン生成菌の食料は単純で、メタン生成菌はごくわずかな種類の炭素基質を代謝してのみメタンを生成する。 　　③ メタン生成菌は、pH値が中性の環境で生育するのに適している。　　④ メタン生成菌の成長は遅い。　　下図は、バイオガス発酵における食物連鎖とエネルギーの配分を示した図である：　　4種類の菌群理論　　ある人々は、生化学的変換過程（下図参照）に基づき、発酵過程を以下のように分類している：　　①加水分解作用：クロストリジウム属やバクテロイデス属などの細菌が、炭水化物やタンパク質といった高分子有機物をグルコースやアミノ酸などの低分子有機化合物に分解する； 　　②発酵作用：クロストリジウム属、バチルス属、その他の細菌（乳酸菌類、プロピオニバクテリウム属など）によって、加水分解された生成物がさらに低分子のアルコール類、有機酸類、二酸化炭素、水素、アンモニアなどに分解される； 　　③酢酸生成および水素生成作用：発酵によって生成された低分子のアルコール類や一部の脂肪酸を、酢酸、酢酸、二酸化炭素、水素に分解する。この種類の細菌についてはまだよく分かっておらず、種や属さえも明確になっていません。しかし、この種の細菌が産生する水素が、その自身のさらなる増殖を抑制することは確かである。したがって、酢酸と水素を産生する細菌は、メタン生成菌やウッド氏酢酸菌など、水素を利用できる細菌と共に生存しなければならない； 　　④メタン生成作用：メタン生成菌が、最初の3段階で生成された水素、二酸化炭素、およびフルオロアセト酸、酢酸、メタノール、メタンアミンなどをメタンに変換する。メタン生成菌は形態が多様だが、生理的特徴はほぼ同じで、酸素が不足した状況下ではいずれもメタンを主要な代謝産物とする。 　　バイオガス発酵微生物間の生態的関係　バイオガス発酵過程において、メタン非産生菌とメタン産生菌は互いに依存し合い、相手方が生命活動を行うために必要な良好な環境条件を作り出し維持している。しかし一方で互いに制約し合い、発酵過程では常に平衡状態にある。それらの間の主な関係は、以下のいくつかの点に表れている：　　①メタン非産生菌は、メタン産生菌が成長しメタンを生成するために必要な基質を供給する　　②メタン非産生菌は、メタン産生菌にとって適切な酸化還元電位の条件を作り出す　　③メタン非産生菌は、メタン産生菌のために有害物質を除去する　　④メタン産生菌は、メタン非産生菌の生化学的反応からフィードバック阻害を解除する　　⑤メタン非産生菌とメタン産生菌は共に、環境内の適切なpH値を維持する　　5. 発酵工程　　発酵原料や発酵条件の違いにより、用いられる発酵工程も多種多様である。 　　5.1 バイオガス発酵の基本的な工程流程　　規模の大小にかかわらず、完全な中大型バイオガス発酵プロジェクトには、以下のような工程流程が含まれる：原料（廃水）の収集、前処理、消化槽（バイオガス槽）、生成物の後処理、およびバイオガスの精製と貯蔵など。下図の通りである。

5.2 バイオガス発酵工程の基本条件（微生物培養条件や培地調製を連想すること）
（1）適切な発酵温度
バイオガス槽の温度条件は以下の通りである：①常温発酵（低温発酵とも呼ばれる）10℃～30℃。この温度条件下では、ガス生成率は0.15～0.3 m³/m³・日となる。② 中温発酵は30℃～45℃で行われ、この温度条件ではタンク容量あたりのガス生成率は1m3/m3・日程度に達する。③高温発酵：45℃～60℃。この温度条件において、槽容積当たりのガス生成率は約2～2.5 m³/m³・日に達する。バイオガス発酵における最も経済的な温度条件は35℃で、これは中温発酵です。 　　（2）適切な発酵液濃度　発酵液の濃度範囲は2～30％です。濃度が高くなるほど、発生するガスの量も多くなる。発酵液の濃度が20％以上のものを乾燥発酵と呼ぶ。農村の家庭用バイオガスプールの発酵液の濃度は、原料の量やガスの使用量、そして季節の変化に応じて調整することができる。夏季は温補料の濃度を5～6％とする；冬季は材料で10～12％保温する。 　　（3）発酵原料における適切な炭素・窒素比（C：N）　バイオガス発酵微生物は炭素を最も多く必要とし、次いで窒素が必要である。微生物の炭素と窒素の必要量の比率を炭窒素比と呼び、C：Nで表す。現在は一般的にC:N=25:1が用いられています。ただし、それほど厳格ではなく、20:1、25:1、30:1でも正常に発酵する。 　　（4）適切な酸塩基度（pH値）　バイオガス発酵に適した酸塩基度はpH=6.5～7.5である。pH値は酵素の活性に影響を与えるため、発酵速度にも影響を及ぼします。 　　（5）十分な量の菌株　　バイオガス発酵において、菌株の数や質は、バイオガスの生産量と品質に直接影響を与える。通常、発酵液全体の10～30％に達することが求められ、これによって正常な起動と活発なガス生成が保証される。 　　（6） 低い酸化還元電位（嫌気環境）　　バイオガスメタン菌は、酸化還元電位がマイナス330mV以上の条件下でなければ生育できない。この条件というのは、厳格な嫌気環境です。ですから、バイオガス槽は密閉する必要があります。