Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

毎日、何百万トンもの食品廃棄物が捨てられており、その多くは空気が遮断された状態で埋め立て地に送られ、腐敗しています。この腐敗プロセスは悪臭や温室効果ガスを放出する一方で、食品に含まれる貴重な栄養分は永遠に失われてしまいます。この廃棄物を処理するためのより優れた方法はコンポスト（堆肥化）です。これは、微生物が有機物を分解して豊かな土壌肥料へと変える自然な手法です。これがうまく機能するためには、堆積物に酸素が必要です。空気が十分にないと、プロセスが停滞し、堆積物が過度に湿って固まり、有益な細菌がその役割を果たすことができなくなります。伝統的に、人々は堆積物を緩く、空気を含んだ状態に保つために、おがくずやウッドチップのような嵩高い材料を混ぜ込んできました。しかし、これらの天然素材自体もプロセス中に分解されてしまうため、空気を保持する能力を次第に失い、絶えず補充する必要が生じます。

研究者たちは、堆積物を消失させることなく、構造を維持できる解決策を探してきました。また、単なる推測を超えて、コンポストの堆積物が時間の経過とともにどのように変化するかを正確に理解するために、データを利用することにも関心を持っています。目標は、水分量の多い食品廃棄物を、安定し、安全で、栄養豊富な製品へと迅速に作り変えることです。これは特に、毎日大量の廃棄物を出しながらも、大規模な工業施設のためのスペースを持たない学校、ホテル、あるいは地域社会のような場所において重要です。

制御された実験室環境において、インドのプネーにあるMITアート・デザイン・アンド・テクノロジー大学の研究者が、この問題に対する新しいアプローチをテストしました。研究では、従来のウッドチップの代わりとなる、再利用可能なプラスチックボール、具体的には穴の開いた（パーフォレイテッド）プラスチックボールの使用に焦点を当てました。これらのプラスチックボールは足場として機能し、湿った食品廃棄物の中に空気が流れるための小さなトンネルを作り出しますが、それ自体が分解されることはありません。研究者は、大学の食堂から回収した食品廃棄物に、いくつかの有益な添加物を混ぜ合わせました。栄養を保持するためのバイオ炭、酸性を調整するための石灰、不要な微生物を制御するためのニームパウダー、そして細菌の餌となるジャグリー（粗糖）です。プラスチック製の足場がどの程度必要かを確認するため、4つの異なるバッチが用意されました。1つのバッチにはプラスチックボールが全く含まれておらず、対照群（コントロール）として使用されました。他の3つのバッチには、重量比で2%、4%、および8%のプラスチックボールが食品廃棄物に混合されました。

実験は、温度と空気の流れを制御できる特別に設計された金属製リアクターの中で30日間行われました。装置は堆積物を温かい状態に保ち、サイクル状に酸素を供給することで、大規模なコンポストシステムの状態を模倣しました。1ヶ月間を通じて、研究者は堆積物の温度がどのように上昇したか、酸性度がどのように変化したか、そして廃棄物の化学的組成がどのように進化したかを測定しました。成功の鍵となる指標は、コンポストが使用可能かどうかを示す標準的な指標である、炭素と窒素の比率（C/N比）でした。比率が高いということは、材料がまだ未熟で不安定であることを意味し、比率が低いことは、コンポストが安全で土のような製品へと成熟したことを示します。

結果は、バッチ間で明確な違いを示しました。プラスチックボールを含まない対照群の堆積物は、熱を保つことに苦労し、ピーク温度はわずか40度にしかなりませんでした。廃棄物を完全に消毒したり、効率的に分解したりするために必要な高温ゾーンに十分長く留まることができませんでした。1ヶ月の終わりまでに、この堆積物はまだ完全に成熟しておらず、炭素と窒素の比率は安全に使用するには高すぎる状態のままでした。対照的に、プラスチックボールを含むバッチははるかに優れた性能を示しました。8%のプラスチックボールを含むバッチは、ピーク温度58度に達し、病原菌を死滅させるのに十分な高温を11日間維持しました。この熱によって微生物の働きが加速され、堆積物の成熟が大幅に早まりました。18日目には、このバッチはすでに成熟の目標範囲に達しており、24日目には完全に安定しました。2%および4%のプラスチックを含む他のバッチも改善は見られましたが、8%のバッチが最も一貫したパフォーマンスを示しました。

スピードだけでなく、プラスチックボールはコンポストの栄養分を保持する役割も果たしました。有機物が分解される際、リンやカリウムといった貴重な元素は容易に流れ出したり逃げたりしてしまいます。研究によると、8%のプラスチックボールを含むバッチは、対照群の24.44%に対し、45.65%という最も多くのリンを保持していることが分かりました。また、カリウムについても、対照群の7.69%に対して22.96%を保持していました。これは、完成した製品がより早く使用可能になるだけでなく、植物の成長に必要なミネラルがより豊富であることを意味します。8%のバッチから得られた最終的なコンポストは、農業に適した高品質で安全なものと分類され、重金属のリスクもありませんでしたが、対照群は低品質なままとなりました。

どの要因がこれらの変化を駆動しているのかを正確に理解するために、研究者はコンピュータモデルを使用してデータを分析しました。一つのモデルは、1ヶ月間に取られたすべての測定値を分析し、何が最も重要であるかを特定しました。その結果、堆積物中の窒素量、酸性度、および水分量が、コンポストの成熟速度を決定する主な要因であることが分かりました。また、時間の経過に伴う変化を追跡するように設計された別のモデルは、日数の経過とともに炭素と窒素の比率がどのように低下するかを正確に予測することに成功しました。これらのツールは、プラスチックボールが単に嵩（かさ）を増やしているだけでなく、適切な化学反応がより速く、より確実に起こる環境を作り出していることを裏付けました。

この研究は、これらの再利用可能なプラスチックボールを使用することが、分散型のコンポストシステムにとって実用的な解決策になり得ることを示唆しています。おがくずやウッドチップとは異なり、これらは消費されて何度も買い直す必要がありますが、これらのプラスチックボールは完成したコンポストから取り出し、次のバッチで使用することができます。これにより、毎日大量の食品廃棄物を出す機関にとって、コンポスト化がより効率的で安価になる可能性があります。実験はラボでの小規模なものでしたが、その知見は、廃棄物の分解を加速させ、栄養分を保持し、嵩材の絶え間ない補充を必要とせずに高品質な肥料を生み出す方法を示しています。本研究は、適切な物理的構造とデータに基づいた洞察があれば、食品廃棄物を土へと変えるプロセスは、これまで考えられていたよりも速く、清潔で、効果的なものになり得ることを強調しています。