“创新日本走访”系列采访那些以实际应用于社会一线为目标的研发现场。本期介绍的是通过促进家畜粪尿等有机废弃物的甲烷发酵系统实现小规模化以及低成本化，使个体农户也能够导入的丰桥技术科学大学资源循环工学研究室，以及开拓相关市场的大学初创企业“丰桥生物质解决方案”的举措。
下水道污泥是宝贵的生物质
倡导在地区内灵活利用
从爱知县丰桥站向南驱车30分钟左右，就能看到矗立在丘陵之上的丰桥技术科学大学校园。该大学于1976年建校，即将迎来建校50周年，以半导体传感器及器件、机器人、IoT（物联网）等领域的研究而闻名，对产学合作和跨学科研究也相当积极。丰桥技术科学大学研究生院工学研究科应用化学与生命工学系的大门裕之教授领导的资源循环工学研究室就一直在致力于以甲烷发酵技术为主的产学合作。
通过利用微生物发酵有机废弃物并产生含有甲烷的生物燃气技术（图1），生物燃气发电系统已经在大城市的污水处理场普及。然而，由于成本问题，许多中小城市的污水处理场还难以引入此类系统，目前主要还是通过焚烧方式来处理污泥。大门教授认为，“下水道污泥是一种宝贵的生物质资源，忽视中小城市的现状将难以推进真正的范式转变（Paradigm shift）”。基于这种思考，大门教授以正在探索下水道污泥利用方法的丰川净化中心为基地，提出了“丰川生物质公园”的构想。
图1 甲烷发酵系统概念图
通过微生物让畜禽粪尿、厨余垃圾等有机废弃物进行甲烷发酵，并灵活利用所产生的甲烷气体、二氧化碳和废热。
“丰川生物质公园”构想的理念是利用下水道污泥产生的生物燃气发电，将同时产生的废热用于温室栽培，同时将产生的二氧化碳副产品用于促进陆上海藻工厂的光合作用。甲烷发酵过程中产生的残渣则变成堆肥提供给市民农园使用。大门教授的团队获得了日本文部科学省的科学技术战略推进费的资助，自2011年开始了推动污水处理厂引进生物燃气发电系统的现场验证试验。当地的设备制造商在参观了实验系统后提出了“是否可以引入该系统来处理家畜粪尿”的问题，这成为了开发小规模普及型系统的契机。
从猪粪尿获得发电收入
减轻养猪场“气味”问题
虽然生物燃气发电系统已经被引进到啤酒工厂和食品工厂等设施，但导入这些大型设备需要高达约10亿日元的资金。为此，资源循环工学研究室的热田洋一特任副教授（当时）牵头开始推进该系统的小规模化研究，以便中等规模的养猪农户也能够引进。在此过程中，研究人员意识到不要过分追求高效率和自动化，而是要确保系统的稳定运行。通过在系统和材料等方面的不断改进，将需要的资金规模降低到了数千万日元。
2016年，热田先生带领的团队首次在日本让养猪农户引进了小规模普及型甲烷发酵系统（图2）。此前，养猪农户需要支付粪尿处理费用，现在养猪农户反而能够通过该系统出售电力获得收入，更大的好处是减轻了猪粪尿产生的“气味”问题，改善了排水质量。此后，在热田先生团队的协助下，养猪农户对系统进行了独自改进，使生物燃气产量相较最初增加到了约4倍，从而有望进一步提高收益。
图2 生物燃气发电系统概念图及引进事例
为了实现系统的大规模普及，热田先生认为有必要自主创业。于是基于上述成果，他于2021年成立了大学衍生的初创企业“丰桥生物质解决方案”。“尽管在建筑行业，大学衍生的初创企业并不多，但我们与当地设备制造商等合作，通过与农户对话了解需求，设计和构建最适合用户的系统”，热田先生说道。目前该系统已拥有了10套安装业绩，其中不仅包括养猪农户，还包括山药工厂和酪农等，今后还计划向海外拓展。
有意向发展中国家转移技术
使之成为脱碳社会的活教材
2023年11月，大门教授获得了“STI for SDGs”奖项中的“科学技术振兴机构理事长奖”。大门教授在获奖时表示：“家畜粪尿、食品废弃物等的处理在发展中国家也是一个严重的社会问题，向他们提供可以自主运营、改善生活的可持续系统非常重要，这正是‘不让任何一个人掉队’的社会理念。”这番话的背后也反映了日本重点关注的尖端科学技术实现社会实际应用需要很长时间，以及发达国家向发展中国家转移高端技术时存在的发展中国家难以适应的情况，也反映了大门教授的焦虑（图3）。
图3 致力于建设“不让一个人掉队”的社会
在日本，最尖端技术的开发正在不断取得进展，但利益惠及贫困阶层则需要时间。大门教授等人倡导的“不让一个人掉队”的技术开发旨在利用现有技术让任何人都可以使用。
在研发方面，资源循环工学研究室在推进系统的小规模化和高效化的同时，还在推进应对食物废弃物的处理。通过开发发酵助剂和发酵催化剂，提高了高氮含量的家畜粪尿的发酵稳定性和效率，缩短了发酵时间。包括博士二年级学生金子光瑠在内的研究室成员也在积极参与“丰桥生物质解决方案”的业务。“通过亲身参与现场工作，更加确信自己的研究能够为社会做贡献。”金子光瑠自豪地说道。
在包括丰桥市在内的东三河地区，西红柿、甜瓜等水果、蔬菜和花卉的温室栽培十分发达，家禽养殖业也很兴旺，鹌鹑蛋在全日本市场占有率排名第一。将家畜粪尿转化为生物燃气发电，并利用废热和液体肥料进行温室栽培的甲烷发酵系统，可以说是提高整个地区社会对废弃物问题的认识，理解如何创建脱碳与循环型社会的活教科书。大门教授及其团队强调，系统使用者可以根据自身情况自行改进技术，这才是真正的“可持续开发”。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2024年6月号
翻译：JST客观日本编辑部
