「創新日本走訪」系列採訪那些以實際應用於社會一線為目標的研發現場。本期介紹的是通過促進家畜糞尿等有機廢棄物的甲烷發酵系統實現小規模化以及低成本化，使個體農戶也能夠導入的豐橋技術科學大學資源循環工學研究室，以及開拓相關市場的大學初創企業「豐橋生物質解決方案」的舉措。
下水道污泥是寶貴的生物質
倡導在地區内靈活利用
從愛知縣豐橋站向南驅車30分鐘左右，就能看到矗立在丘陵之上的豐橋技術科學大學校園。該大學於1976年建校，即將迎來建校50週年，以半導體感測器及器件、機器人、IoT（物聯網）等領域的研究而聞名，對產學合作和跨學科研究也相當積極。豐橋技術科學大學研究生院工學研究科應用化學與生命工學系的大門裕之教授領導的資源循環工學研究室就一直在致力於以甲烷發酵技術為主的產學合作。
通過利用微生物發酵有機廢棄物並產生含有甲烷的生物燃氣技術（圖1），生物燃氣發電系統已經在大城市的污水處理場普及。然而，由於成本問題，許多中小城市的污水處理場還難以引入此類系統，目前主要還是通過焚燒方式來處理污泥。大門教授認為，「下水道污泥是一種寶貴的生物質資源，忽視中小城市的現狀將難以推進真正的範式轉變（Paradigm shift）」。基於這種思考，大門教授以正在探索下水道污泥利用方法的豐川淨化中心為基地，提出了「豐川生物質公園」的構想。
圖1 甲烷發酵系統概念圖
通過微生物讓畜禽糞尿、廚餘垃圾等有機廢棄物進行甲烷發酵，並靈活利用所產生的甲烷氣體、二氧化碳和廢熱。
「豐川生物質公園」構想的理念是利用下水道污泥產生的生物燃氣發電，將同時產生的廢熱用於溫室栽培，同時將產生的二氧化碳副產物用於促進陸上海藻工廠的光合作用。甲烷發酵過程中產生的殘渣則變成堆肥提供給市民農園使用。大門教授的團隊獲得了日本文部科學省的科學技術戰略推進費的資助，自2011年開始了推動污水處理廠引進生物燃氣發電系統的現場驗證試驗。當地的設備製造商在參觀了實驗系統後提出了「是否可以引入該系統來處理家畜糞尿」的問題，這成為了開發小規模普及型系統的契機。
從豬糞尿獲得發電收入
減輕養豬部門「氣味」問題
雖然生物燃氣發電系統已經被引進到啤酒工廠和食品工廠等設施，但導入這些大型設備需要高達約10億日元的資金。為此，資源循環工學研究室的熱田洋一特任副教授（當時）牽頭開始推進該系統的小規模化研究，以便中等規模的養豬農戶也能夠引進。在此過程中，研究人員意識到不要過分追求高效率和自動化，而是要確保系統的穩定運行。通過在系統和材料等方面的不斷改進，將需要的資金規模降低到了數千萬日元。
2016年，熱田先生帶領的團隊首次在日本讓養豬農戶引進了小規模普及型甲烷發酵系統（圖2）。此前，養豬農戶需要支付糞尿處理費用，現在養豬農戶反而能夠通過該系統出售電力獲得收入，更大的好處是減輕了豬糞尿產生的「氣味」問題，改善了排水質量。此後，在熱田先生團隊的協助下，養豬農戶對系統進行了獨自改進，使生物燃氣產量相較最初增加到了約4倍，從而有望進一步提高收益。
圖2 生物燃氣發電系統概念圖及引進事例
為了實現系統的大規模普及，熱田先生認為有必要自主創業。於是基於上述成果，他於2021年成立了大學衍生的初創企業「豐橋生物質解決方案」。「儘管在建築行業，大學衍生的初創企業並不多，但我們與當地設備製造商等合作，通過與農戶對話瞭解需求，設計和構建最適合客戶的系統」，熱田先生說道。目前該系統已擁有了10套安裝業績，其中不僅包括養豬農戶，還包括山藥工廠和酪農等，今後還計劃向海外拓展。
有意向發展中國家轉移技術
使之成為去碳社會的活教材
2023年11月，大門教授獲得了「STI for SDGs」獎項中的「科學技術振興機構理事長獎」。大門教授在獲獎時表示：「家畜糞尿、食品廢棄物等的處理在發展中國家也是一個嚴重的社會問題，向他們提供可以自主運營、改善生活的可持續系統非常重要，這正是‘不讓任何一個人掉隊’的社會理念。」這番話的背後也反映了日本重點關注的尖端科學技術實現社會實際應用需要很長時間，以及發達國家向發展中國家轉移高端技術時存在的發展中國家難以適應的情況，也反映了大門教授的焦慮（圖3）。
圖3 致力於建設「不讓一個人掉隊」的社會
在日本，最尖端技術的開發正在不斷取得進展，但利益惠及貧困階層則需要時間。大門教授等人倡導的「不讓一個人掉隊」的技術開發旨在利用現有技術讓任何人都可以使用。
在研發方面，資源循環工學研究室在推進系統的小規模化和高效化的同時，還在推進應對食物廢棄物的處理。通過開發發酵助劑和發酵觸媒，提高了高氮含量的家畜糞尿的發酵穩定性和效率，縮短了發酵時間。包括博士二年級學生金子光瑠在内的研究室成員也在積極參與「豐橋生物質解決方案」的業務。「通過親身參與現場工作，更加確信自己的研究能夠為社會做貢獻。」金子光瑠自豪地說道。
在包括豐橋市在内的東三河地區，番茄、甜瓜等水果、蔬菜和花卉的溫室栽培十分發達，家禽養殖業也很興旺，鵪鶉蛋在全日本市場佔有率排名第一。將家畜糞尿轉化為生物燃氣發電，並利用廢熱和液體肥料進行溫室栽培的甲烷發酵系統，可以說是提高整個地區社會對廢棄物問題的認識，理解如何建立去碳與循環型社會的活教科書。大門教授及其團隊強調，系統使用者可以根據自身情況自行改進技術，這才是真正的「可持續開發」。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年6月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
