JP2005323515A - Method for producing hydrogen by microorganism - Google Patents

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Terubumi Matsumoto
光史 松本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing hydrogen, capable of producing the hydrogen with high energy conversion efficiency and capable of making facilities small as a whole. <P>SOLUTION: This method for producing the hydrogen comprises culturing anaerobic bacteria having ability of forming the hydrogen by using an organic acid as a substrate, or facultative anaerobic bacteria having the ability, in a culture medium containing the organic acid, so as to make the bacteria form the hydrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素製造方法に係り、特に、微生物を用いた水素製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogen production method, and more particularly to a hydrogen production method using microorganisms.

水素は燃焼時に二酸化炭素を放出しないため、クリーンな燃料として広い用途が期待されている。例えば、水素を燃料電池に供給して電気エネルギーに変換することを始めとして、次世代の有力なエネルギー源の一つとして挙げられている。   Since hydrogen does not release carbon dioxide during combustion, it is expected to be widely used as a clean fuel. For example, it is listed as one of the next-generation influential energy sources, starting with supplying hydrogen to fuel cells and converting it into electrical energy.

従来、水素は、ナフサや天然ガスなどの化石燃料の改質や水の電気分解により製造されてきた。しかし、これらの製造方法は化石燃料を消費するため、製造工程において地球環境の汚染を招くという問題点がある。このため、地球環境の改善に役立つ技術として、微生物を用いたクリーンで効率のよい水素製造技術に関する研究が進められている。   Conventionally, hydrogen has been produced by reforming fossil fuels such as naphtha and natural gas or by electrolysis of water. However, since these production methods consume fossil fuels, there is a problem that the production process causes pollution of the global environment. For this reason, research on clean and efficient hydrogen production technology using microorganisms is underway as a technology useful for improving the global environment.

微生物を用いた水素の製造方法には大きく分けて二種類あり、一つは光依存型、もう一つは光非依存型である。前者には、光照射下、有機物を資化する過程で水素を生成する光合成細菌を利用する方法がある。後者には、糖を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌(例えば、クロストリジウム(Clostridium)属菌)を利用する方法がある。   There are roughly two types of hydrogen production methods using microorganisms, one is light-dependent and the other is light-independent. The former method uses a photosynthetic bacterium that produces hydrogen in the process of assimilating organic matter under light irradiation. The latter includes a method utilizing an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium (for example, a genus Clostridium) having the ability to generate hydrogen using sugar as a substrate.

特開2002−272491号公報JP 2002-272491 A 特開平7−31998号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-31998 特開平8−294396号公報JP-A-8-294396 特開平8−308591号公報Japanese Patent Laid-Open No. 8-308591

しかし、光依存型の水素製造方法では、微生物を培養する際に光エネルギーを連続的に照射する必要がある。また、光合成を行わせるのに十分な光度の光を培養槽の深部に照射するのは困難であり実質的に培養槽の表面及びその近傍でしか水素が発生しないため、培養には広大な面積を必要とする。すなわち、光依存型の水素製造方法には、エネルギー効率が悪いという問題点、及び、広大な培養設備を要するため設備全体が大型化するという問題点がある。   However, in the light-dependent hydrogen production method, it is necessary to continuously irradiate light energy when culturing microorganisms. In addition, it is difficult to irradiate the deep part of the culture tank with light having a light intensity sufficient for photosynthesis, and hydrogen is generated only at and near the surface of the culture tank. Need. That is, the light-dependent hydrogen production method has a problem that the energy efficiency is poor and a problem that the entire facility is enlarged because a vast culture facility is required.

他方、光非依存型の水素製造方法では、細菌は光合成ではなく発酵により水素を生成させているため、光非依存型の水素製造方法はエネルギー効率も高く、広大な培養設備も必要としない。しかし、この細菌は糖を資化して水素を生成する際に、副生成物として有機酸を生成する。したがって、この水素製造方法は、水素発酵の下流側に設けた排水処理施設等により副生成物である有機酸を処理する必要があり、設備全体が大型化するという問題点がある。   On the other hand, in the photo-independent hydrogen production method, bacteria produce hydrogen by fermentation instead of photosynthesis, so the photo-independent hydrogen production method has high energy efficiency and does not require extensive culture facilities. However, these bacteria produce organic acids as by-products when they assimilate sugars to produce hydrogen. Therefore, this hydrogen production method has a problem that the organic acid as a by-product needs to be treated by a wastewater treatment facility or the like provided on the downstream side of hydrogen fermentation, and the entire equipment is enlarged.

したがって、クリーンエネルギーとしての水素の利用価値を高めるには、光合成細菌を用いた水素製造方法や糖を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を用いた水素製造方法の抱える上記問題点を克服する必要がある。   Therefore, in order to increase the utility value of hydrogen as clean energy, hydrogen production method using photosynthetic bacteria and hydrogen production method using anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to generate hydrogen using sugar as a substrate It is necessary to overcome the above problems.

すなわち、本発明の目的は、高いエネルギー変換効率で水素を製造でき、設備全体を小型化できる水素製造方法を提供することにある。   That is, an object of the present invention is to provide a hydrogen production method capable of producing hydrogen with high energy conversion efficiency and miniaturizing the entire facility.

本発明者らは、糖を資化して水素を生成する際に副生物として生成する有機酸に着目し、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌が存在することを見出した。そして、本発明者らは、さらに鋭意研究を重ねた結果、以下の発明により上記従来技術の課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors paid attention to an organic acid generated as a by-product when assimilating sugars to generate hydrogen, and as a result of intensive research to solve the above problems, hydrogen was generated using an organic acid as a substrate. We have found that there are competent anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria. As a result of further earnest studies, the present inventors have found that the problems of the conventional techniques can be solved by the following invention, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を、有機酸を含む培地中で培養して、前記細菌に水素を生成させることを特徴とする、水素製造方法を提供する。   That is, the present invention is characterized by culturing an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate in a medium containing the organic acid, and causing the bacterium to generate hydrogen. A method for producing hydrogen is provided.

本発明に係る水素製造方法によれば、培地中に有機酸が含まれるため、この有機酸を基質として前記細菌が水素を生成する。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、有機酸が不要になることがないため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。   According to the method for producing hydrogen according to the present invention, since an organic acid is contained in the medium, the bacterium produces hydrogen using the organic acid as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, since an organic acid is not unnecessary, a wastewater treatment facility for treating the organic acid is not required.

上記水素製造方法において、有機酸は、乳酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、コハク酸及びリンゴ酸からなる群から選ばれる少なくとも1種で構成されることが好ましい。上記有機酸は、他の有機酸と比較して、微生物の代謝経路に迅速に取り込まれ利用され易いという特徴を持っている。また、上記有機酸は特殊な有機酸であるというわけではなく、一般的な有機性廃棄物中に含まれている有機酸である。その他、水素源となり得る有機酸としては、TCAサイクルに関連のある有機酸やギ酸、酪酸、イソ酪酸などが考えられるが、有機性廃液中に含まれているという点を考えた場合、上記有機酸であることが好ましい。   In the hydrogen production method, the organic acid is preferably composed of at least one selected from the group consisting of lactic acid, acetic acid, propionic acid, citric acid, succinic acid, and malic acid. Compared with other organic acids, the above-mentioned organic acid has a feature that it is rapidly taken up and used in the metabolic pathway of microorganisms. The organic acid is not a special organic acid, but an organic acid contained in general organic waste. Other organic acids that can be used as a hydrogen source include organic acids related to the TCA cycle, formic acid, butyric acid, and isobutyric acid. An acid is preferred.

本発明は、また、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を、有機酸を含む有機性廃液中で培養して、前記細菌に水素を生成させることを特徴とする水素製造方法を提供する。   The present invention also includes culturing an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate in an organic waste liquid containing an organic acid, and causing the bacterium to generate hydrogen. A hydrogen production method is provided.

本発明に係る水素製造方法によれば、有機性廃液中に有機酸が含まれるため、この有機酸を基質として前記細菌が水素を生成する。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、有機酸が不要になることがないため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。加えて、本発明の水素製造方法によれば、不要となった有機性廃液が浄化処理されると同時に水素の生成源となるため、有機性廃液の有効利用が可能となる。   According to the method for producing hydrogen according to the present invention, since an organic acid is contained in the organic waste liquid, the bacterium produces hydrogen using this organic acid as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, since an organic acid is not unnecessary, a wastewater treatment facility for treating the organic acid is not required. In addition, according to the method for producing hydrogen of the present invention, the organic waste liquid that is no longer needed is purified, and at the same time becomes a hydrogen generation source, so that the organic waste liquid can be effectively used.

ここで、有機性廃液は、焼酎の製造過程に発生する有機性残渣であることが好ましい。焼酎の製造過程に発生する有機性残渣は、日本で年間約50万トン以上発生している。しかし、この有機性残渣は水分を多量に含むため処理が難しく、従来は大半が海洋投棄されていた。その一方、この有機性残渣には一般に有機酸が多量に含まれている。したがって、この有機性残渣中で本発明に係る前記細菌を培養すれば、処理が困難であった有機性残渣の処理が進むと共に、より効率よく水素を製造することが可能である。   Here, the organic waste liquid is preferably an organic residue generated during the production process of shochu. More than 500,000 tons of organic residues generated in the manufacturing process of shochu are generated annually in Japan. However, this organic residue contains a large amount of water and is difficult to treat, and most of the organic residue has been dumped into the ocean. On the other hand, this organic residue generally contains a large amount of organic acid. Therefore, by culturing the bacterium according to the present invention in this organic residue, it is possible to process the organic residue that has been difficult to process and to produce hydrogen more efficiently.

本発明は、さらに、糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌と、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌とを、糖を含む培地中で培養して、両細菌に水素を生成させることを特徴とする水素製造方法を提供する。   The present invention further provides an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having the ability to generate hydrogen and an organic acid using sugar as a substrate, and an anaerobic bacterium or facultative anaerobic having the ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate. Provided is a method for producing hydrogen, characterized by culturing a sexual bacterium in a medium containing sugar to cause both bacteria to produce hydrogen.

この水素製造方法によれば、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌と、糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌とを一緒に培養すると、培地中に含まれる糖を基質として水素及び有機酸が生成され、このとき生成される有機酸を基質として更に水素が生成される。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、この水素製造方法によれば、有機酸が不要になることがない。即ち、糖を基質として水素を生成することで有機酸が生成しても、その有機酸を基質として水素が生成されて有機酸の処理が行われる。このため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。更にまた、この水素製造方法によれば、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の培養だけでなく、糖を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の培養によっても水素が生成される。このため、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を単独で培養したときに比べて、水素の生成量をより増加させることができ、より高い効率で水素を製造することが可能である。   According to this hydrogen production method, an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to produce hydrogen using an organic acid as a substrate, and an anaerobic bacterium or facultative bacterium having an ability to produce hydrogen and an organic acid using a sugar as a substrate. When the anaerobic bacteria are cultured together, hydrogen and an organic acid are generated using the sugar contained in the medium as a substrate, and further hydrogen is generated using the generated organic acid as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, according to this hydrogen production method, an organic acid is not required. That is, even when an organic acid is generated by generating hydrogen using a sugar as a substrate, hydrogen is generated using the organic acid as a substrate and the organic acid is processed. For this reason, the waste water treatment facility for processing an organic acid becomes unnecessary. Furthermore, according to this hydrogen production method, not only anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria capable of generating hydrogen using an organic acid as a substrate, but also anaerobic capable of generating hydrogen using a sugar as a substrate. Hydrogen is also produced by culturing sexual or facultative anaerobic bacteria. For this reason, compared to when anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate can be cultured alone, the amount of hydrogen produced can be increased more efficiently. It is possible to produce hydrogen.

本発明は、さらに、糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を、糖を含む第一の培地中で培養して、前記細菌に水素及び有機酸を生成させ、生成した有機酸を含む第二の培地中で、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を培養して、前記細菌に水素を生成させることを特徴とする水素製造方法を提供する。   The present invention further comprises culturing an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having the ability to produce hydrogen and an organic acid using sugar as a substrate in a first medium containing sugar, In the second medium containing the generated organic acid, an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium capable of generating hydrogen using the organic acid as a substrate is cultured to generate hydrogen in the bacterium. A method for producing hydrogen is provided.

この水素製造方法によれば、糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を培養することにより水素及び有機酸が生成される。そして、このとき生成される有機酸を基質としてさらに水素が生成される。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、この水素製造方法によれば、有機酸が不要になることがない。即ち、糖を基質として水素を生成することで有機酸が生成しても、その有機酸を基質として水素が生成されて有機酸の処理が行われる。このため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。更にまた、この水素製造方法によれば、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の培養だけでなく、糖を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の培養によっても水素が生成される。このため、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を単独で培養したときに比べて、水素の生成量をより増加させることができ、より高い効率で水素を製造することが可能である。   According to this hydrogen production method, hydrogen and organic acid are produced by culturing anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to produce hydrogen and organic acids using sugar as a substrate. Further, hydrogen is further generated using the organic acid generated at this time as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, according to this hydrogen production method, an organic acid is not required. That is, even when an organic acid is generated by generating hydrogen using a sugar as a substrate, hydrogen is generated using the organic acid as a substrate and the organic acid is processed. For this reason, the waste water treatment facility for processing an organic acid becomes unnecessary. Furthermore, according to this hydrogen production method, not only an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to produce hydrogen using an organic acid as a substrate, but also an anaerobic having an ability to produce hydrogen using a sugar as a substrate. Hydrogen is also produced by culturing sexual or facultative anaerobic bacteria. For this reason, compared to when anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate can be cultured alone, the amount of hydrogen produced can be increased more efficiently. It is possible to produce hydrogen.

本発明の水素製造方法によれば、高いエネルギー変換効率で水素を製造することができ、かつ、設備全体を小型化することができる。   According to the hydrogen production method of the present invention, hydrogen can be produced with high energy conversion efficiency, and the entire equipment can be downsized.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明の第一の水素製造方法は、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌(以下、「水素生成菌A」という。)を、有機酸を含む培地中で培養して、水素生成菌Aに水素を生成させることを特徴とする。   The first hydrogen production method of the present invention contains an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium (hereinafter referred to as “hydrogen-producing bacterium A”) having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate. It is characterized by causing hydrogen producing bacteria A to produce hydrogen by culturing in a medium.

かかる水素製造方法であれば、培地中に有機酸が含まれるため、この有機酸を基質として水素生成菌Aが水素を生成する。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、有機酸が不要になることがないため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。従って、高いエネルギー変換効率で水素を製造でき、且つこの製法を実施する設備全体を小型化することができる。   In such a hydrogen production method, since the organic acid is contained in the culture medium, the hydrogen producing bacterium A produces hydrogen using this organic acid as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, since an organic acid is not unnecessary, a wastewater treatment facility for treating the organic acid is not required. Therefore, hydrogen can be produced with high energy conversion efficiency, and the entire equipment for carrying out this production method can be reduced in size.

ここで、水素生成菌Aが基質とする有機酸は、微生物が代謝し易く、有機性廃液中に見られる有機酸から水素を取り出すという理由から、炭素数が1〜6のカルボン酸であることが好ましい。さらに、一般的に有機性廃棄物中に高頻度かつ高濃度に存在する乳酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、コハク酸又はリンゴ酸は特に好ましい。   Here, the organic acid used as a substrate by the hydrogen-producing bacterium A is a carboxylic acid having 1 to 6 carbon atoms because microorganisms are easily metabolized and hydrogen is taken out from the organic acid found in the organic waste liquid. Is preferred. Furthermore, lactic acid, acetic acid, propionic acid, citric acid, succinic acid or malic acid, which are generally present in organic waste at a high frequency and high concentration, are particularly preferred.

水素生成菌Aは、様々な環境中に存在しており、特定の環境中に存在するものではない。例えば、汚泥中に水素生成菌Aを見出すことが可能である。より具体的には、水素生成菌Aとして、クロストリジウム属、シトロバクター(Citrobacter)属、エシェリキア(Escherichia)属又はフォトラブダス(Photorhabdus)属に属し、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌が存在することを本発明者らは見出している。水素生成菌Aを培養する場合、上記汚泥中に含まれた状態で培養してもよいし、汚泥から水素生成菌Aを単離して培養してもよい。水素生成菌Aを単離するには、様々な環境から採取した細菌群を、有機酸を含む培地中で培養し、水素生成能を指標にしたスクリーニングを行えばよい。かかるスクリーニングは、公知の方法によって行うことができる。   The hydrogen-producing bacterium A exists in various environments, and does not exist in a specific environment. For example, hydrogen producing bacteria A can be found in sludge. More specifically, the hydrogen-producing bacterium A belongs to the genus Clostridium, Citrobacter, Escherichia or Photorhabdus, and has an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate. The inventors have found that fungi are present. When cultivating the hydrogen-producing bacterium A, it may be cultured in a state contained in the sludge, or the hydrogen-producing bacterium A may be isolated and cultured from the sludge. In order to isolate the hydrogen-producing bacterium A, bacterial groups collected from various environments may be cultured in a medium containing an organic acid and screened using the hydrogen-producing ability as an index. Such screening can be performed by a known method.

具体的な方法は、例えば、以下のとおりである。有機酸のみを炭素源として含有する培地をバイアル瓶に添加し、さらに様々な環境(例えば、砂、泥、海水、湖沼など)から採取したサンプルを少量添加する。ブチル栓で密閉したのち、アルゴン等の不活性ガスでバイアル瓶の気相を置換する。適切な温度のインキュベーター中でバイアル瓶をインキュベート(例えば、36℃で24時間)した後、バイアル瓶の気相から気体を一部採取してガスクロマトグラフィーで分析を行い、各サンプルの水素発生量を測定する。水素発生量の多いサンプルを選定し、当該サンプルの培養物の一部を取り出して、当該有機酸を含む寒天プレートに塗布する。寒天プレートを適切な条件下(例えば、36℃、冷暗所)で嫌気ジャーを用いて培養し、コロニーを形成させる。出現したコロニーを白金線でかきとり、当該有機酸のみを炭素源として含有する培地を添加したバイアル瓶に添加して、前述と同様の操作を繰り返してインキュベートした後、水素発生量を測定する。水素発生量の多いコロニーを選定して、寒天プレート上にコロニーを形成させる。この操作を繰り返すことにより、水素生成菌Aを単離することが可能である。   A specific method is, for example, as follows. A medium containing only an organic acid as a carbon source is added to a vial, and a small amount of a sample collected from various environments (for example, sand, mud, seawater, lakes, etc.) is added. After sealing with a butyl stopper, the gas phase of the vial is replaced with an inert gas such as argon. After incubating the vial in an incubator at an appropriate temperature (for example, at 36 ° C. for 24 hours), a part of the gas is collected from the gas phase of the vial and analyzed by gas chromatography. Measure. A sample with a large amount of hydrogen generation is selected, and a part of the culture of the sample is taken out and applied to an agar plate containing the organic acid. The agar plate is cultured using an anaerobic jar under appropriate conditions (eg, 36 ° C., cool and dark place) to form colonies. The appearing colonies are scraped with a platinum wire, added to a vial containing a medium containing only the organic acid as a carbon source, and incubated in the same manner as described above, and then the amount of hydrogen generated is measured. Colonies that generate a large amount of hydrogen are selected and formed on agar plates. By repeating this operation, it is possible to isolate the hydrogen-producing bacterium A.

本発明の水素製造方法においては、水素生成菌Aを単独で培養する必要はなく、有機酸を基質として水素を生成する能力を持たない細菌と一緒に培養して構わない。他の細菌と一緒に培養を行っても、水素生成菌Aは、当該他の細菌によってその水素生成能力を著しく阻害されることなく水素を生成することが可能である。また、単一種の水素生成菌Aを培養してもよく、複数種の水素生成菌Aを培養してもよい。なお、複数種の水素生成菌Aを培養した場合、様々な種類の有機酸が消費されるため、有機酸を有効利用できかつ水素発生量も多くなるという利点がある。   In the hydrogen production method of the present invention, it is not necessary to culture the hydrogen-producing bacterium A alone, and it may be cultured together with bacteria that do not have the ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate. Even when culturing together with other bacteria, the hydrogen producing bacterium A can produce hydrogen without significantly inhibiting its ability to produce hydrogen by the other bacteria. Further, a single type of hydrogen producing bacterium A may be cultured, or a plurality of types of hydrogen producing bacterium A may be cultured. In addition, when a plurality of types of hydrogen-producing bacteria A are cultured, various types of organic acids are consumed, so that there is an advantage that the organic acids can be effectively used and the amount of hydrogen generation is increased.

水素生成菌Aを培養する培地及び培養条件は、嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌が生育できる培地及び培養条件であれば特に限定されるものではないが、例えば、37℃(中温発酵)、pH6.8〜7.2、有機酸濃度3000ppm程度で水素生成菌Aを培養すると、当該菌は水素を生成することが可能である。   The medium and culture conditions for cultivating the hydrogen producing bacterium A are not particularly limited as long as the medium and the culture conditions allow anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria to grow. For example, 37 ° C. (medium temperature fermentation), When the hydrogen producing bacterium A is cultured at a pH of 6.8 to 7.2 and an organic acid concentration of about 3000 ppm, the bacterium can produce hydrogen.

上述した水素生成菌Aの培養は通常、密閉された培養槽に水素生成菌A及び培地を入れて行う。この場合、水素生成菌Aが、培地中に含まれる有機酸を基質として水素を生成する。培養は、所定量の水素生成菌A及び培地を培養槽に仕込み、培地に含まれる有機酸を基質として水素生成菌Aに水素を生成させるバッチ式、培養槽内に入れた水素生成菌A(担体等に固定することが好ましい)に対して培地を流し込み、培地に含まれる有機酸を基質として水素生成菌Aに水素を生成させるフロー式のいずれでもよい。   The above-described culture of hydrogen-producing bacterium A is usually performed by putting hydrogen-producing bacterium A and a medium in a closed culture tank. In this case, the hydrogen-producing bacterium A generates hydrogen using an organic acid contained in the medium as a substrate. The culture is a batch type in which a predetermined amount of hydrogen-producing bacteria A and a medium are charged into a culture tank, and the hydrogen-producing bacteria A generates hydrogen using an organic acid contained in the medium as a substrate. Hydrogen-producing bacteria A ( It is preferable to use a flow method in which a medium is poured into a carrier and the like, and hydrogen is produced by the hydrogen-producing bacterium A using an organic acid contained in the medium as a substrate.

培養槽に発生した水素を取り出す方法としては、例えば、水素分離膜を利用する方法が挙げられる。これは、他の気体分子と比べて著しく小さいという水素分子の性質を利用した方法である。多くの水素分離膜が市販されており、いずれをも利用することができる。具体的には、培養槽内のガスを外部に取り出し、取り出したガスを、水素分離膜に通し、水素分離膜を通過した水素を、培養槽に接続された別の槽に回収すればよい。   Examples of a method for taking out hydrogen generated in the culture tank include a method using a hydrogen separation membrane. This is a method that utilizes the properties of hydrogen molecules that are significantly smaller than other gas molecules. Many hydrogen separation membranes are commercially available, and any of them can be used. Specifically, the gas in the culture tank is taken out, the taken-out gas is passed through the hydrogen separation membrane, and the hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane may be recovered in another tank connected to the culture tank.

本発明の第二の水素製造方法は、水素生成菌Aを、有機酸を含む有機性廃液中で培養して、水素生成菌Aに水素を生成させることを特徴とする。   The second hydrogen production method of the present invention is characterized in that the hydrogen producing bacterium A is cultured in an organic waste liquid containing an organic acid to cause the hydrogen producing bacterium A to produce hydrogen.

この水素製造方法によれば、有機性廃液中に有機酸が含まれるため、この有機酸を基質として水素生成菌Aが水素を生成する。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、有機酸が不要になることがないため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。加えて、本発明の水素製造方法によれば、不要となった有機性廃液が浄化処理されると同時に水素の生成源となるため、有機性廃液の有効利用が可能となる。   According to this hydrogen production method, since an organic acid is contained in the organic waste liquid, the hydrogen-producing bacterium A generates hydrogen using this organic acid as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, since an organic acid is not unnecessary, a wastewater treatment facility for treating the organic acid is not required. In addition, according to the method for producing hydrogen of the present invention, the organic waste liquid that is no longer needed is purified, and at the same time becomes a hydrogen generation source, so that the organic waste liquid can be effectively used.

上記有機性廃液としては、焼酎の製造過程に発生する有機性残渣のほか、食品廃棄物(例えば、生ごみ、おから等)の廃液、缶詰工場やジュース工場からの廃液、メタン発酵の残渣液などが挙げられる。   In addition to organic residues generated during the manufacturing process of shochu, the above organic waste liquids include waste liquids from food waste (eg, garbage, okara), cans and juice factories, and methane fermentation residue liquids. Etc.

これらのうち、焼酎の製造過程に発生する有機性残渣が好ましい。これは、次の理由による。即ち、焼酎の製造過程に発生する有機性残渣は日本で年間約50万トン以上発生している。しかし、この有機性残渣は水分を多量に含むため処理が難しく、従来は大半が海洋投棄されていた。その一方、この有機性残渣には一般に有機酸が多量に含まれている。したがって、この有機性残渣中で本発明に係る前記細菌を培養すれば、処理が困難であった有機性残渣の処理が進むと共に、より効率よく水素を製造することが可能である。   Of these, organic residues generated during the production process of shochu are preferred. This is due to the following reason. That is, the organic residue generated in the manufacturing process of shochu is generated in Japan over 500,000 tons per year. However, this organic residue contains a large amount of water and is difficult to treat, and most of the organic residue has been dumped into the ocean. On the other hand, this organic residue generally contains a large amount of organic acid. Therefore, by culturing the bacterium according to the present invention in this organic residue, it is possible to process the organic residue that has been difficult to process and to produce hydrogen more efficiently.

ここで、前記有機性廃液に含まれる有機酸は、炭素数が1〜6のカルボン酸であることが好ましく、乳酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、コハク酸又はリンゴ酸であることが特に好ましい。かかる有機性廃液で水素生成菌Aを培養すると、効率良く水素を生成させることが可能だからである。   Here, the organic acid contained in the organic waste liquid is preferably a carboxylic acid having 1 to 6 carbon atoms, particularly preferably lactic acid, acetic acid, propionic acid, citric acid, succinic acid or malic acid. . This is because when hydrogen-producing bacteria A are cultured in such an organic waste liquid, it is possible to efficiently generate hydrogen.

有機性廃液にそのまま水素生成菌Aを添加して培養を行ってもよいが、水素生成菌Aに効率良く水素を生成させるためには、以下の前処理を行うことが好ましい。まず、有機性廃液を遠心分離して懸濁固形物を除去する。次に、懸濁固形物を除去した有機性廃液にpH調整剤を加えて、pHを6.8〜7.2にする。さらに、還元剤(例えば、L−システインやアスコルビン酸)を加えて酸化還元電位を調整する。   The hydrogen-producing bacterium A may be added to the organic waste liquid as it is, and the culture may be performed. However, in order for the hydrogen-producing bacterium A to efficiently generate hydrogen, the following pretreatment is preferably performed. First, the organic waste liquid is centrifuged to remove suspended solids. Next, a pH adjuster is added to the organic waste liquid from which the suspended solids have been removed to adjust the pH to 6.8 to 7.2. Furthermore, a reducing agent (for example, L-cysteine or ascorbic acid) is added to adjust the redox potential.

培養槽に水素生成菌A及び有機性廃液を入れ、水素生成菌の培養を行うと、有機性廃液に含まれる有機酸を基質として水素生成菌Aが水素を生成させる。培養は、前述したとおり、バッチ式、フロー式のいずれでもよい。また、培養槽内に発生した水素を取り出す方法については、前述の通りである。   When the hydrogen producing bacteria A and the organic waste liquid are put into the culture tank and the hydrogen producing bacteria are cultured, the hydrogen producing bacteria A generates hydrogen using the organic acid contained in the organic waste liquid as a substrate. As described above, the culture may be either a batch type or a flow type. Further, the method for taking out hydrogen generated in the culture tank is as described above.

本発明の第三の水素製造方法は、糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌(以下、「水素生成菌B」という。)と、水素生成菌Aとを、糖を含む培地中で培養して、両水素生成菌に水素を生成させるものである。   The third hydrogen production method of the present invention comprises an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium (hereinafter referred to as “hydrogen-producing bacterium B”) having the ability to produce hydrogen and an organic acid using sugar as a substrate, and hydrogen production. Bacteria A is cultured in a medium containing sugar to cause both hydrogen producing bacteria to produce hydrogen.

この水素製造方法によれば、水素生成菌Aと、水素生成菌Bとを一緒に培養すると、培地中に含まれる糖を基質として水素及び有機酸が生成され、このとき生成される有機酸を基質として更に水素が生成される。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、有機酸が不要になることがない。即ち、糖を基質として水素を生成することで有機酸が生成しても、その有機酸を基質として水素が生成されて有機酸の処理が行われる。このため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。更にまた、この水素製造方法によれば、水素生成菌Aの培養だけでなく、水素生成菌Bの培養によっても水素が生成される。このため、水素生成菌Aを単独で培養したときに比べて、水素の生成量をより増加させることができ、より高い効率で水素を製造することが可能である。   According to this hydrogen production method, when the hydrogen producing bacterium A and the hydrogen producing bacterium B are cultured together, hydrogen and an organic acid are produced using a saccharide contained in the medium as a substrate. Further hydrogen is produced as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, an organic acid is not unnecessary. That is, even when an organic acid is generated by generating hydrogen using a sugar as a substrate, hydrogen is generated using the organic acid as a substrate and the organic acid is processed. For this reason, the waste water treatment facility for processing an organic acid becomes unnecessary. Furthermore, according to this hydrogen production method, hydrogen is generated not only by culturing the hydrogen producing bacterium A but also by culturing the hydrogen producing bacterium B. For this reason, compared with when hydrogen-producing bacterium A is cultured alone, the amount of hydrogen produced can be further increased, and hydrogen can be produced with higher efficiency.

本水素製造方法に用いる水素生成菌Bは、糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ菌であれば特に限定されず、例えば、クロストリジウム属菌、エンテロバクター(Enterobacter)属菌、シュードモナス(Pseudomonas)属菌、バチルス(Bacillus)属菌などが挙げられる。   The hydrogen-producing bacterium B used in the present hydrogen production method is not particularly limited as long as it is a bacterium that has the ability to produce hydrogen and organic acids using sugar as a substrate. For example, Clostridium spp., Enterobacter spp., Pseudomonas (Pseudomonas) genus bacteria, Bacillus (Bacillus) genus bacteria, etc. are mentioned.

両水素生成菌を培養する培地及び培養条件は、嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌が生育できる培地及び培養条件であれば特に限定されるものではないが、例えば、37℃(中温発酵)、pH6.8〜7.2、糖濃度10〜30g/L(グルコース換算)で両水素生成菌を培養すると、当該菌は水素を生成することが可能である。   The culture medium and culture conditions for culturing both hydrogen-producing bacteria are not particularly limited as long as the culture medium and culture conditions allow anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria to grow. For example, 37 ° C. (medium temperature fermentation), When both hydrogen producing bacteria are cultured at a pH of 6.8 to 7.2 and a sugar concentration of 10 to 30 g / L (in terms of glucose), the bacteria can produce hydrogen.

培養槽に水素生成菌A、水素生成菌B及び培地を入れ、培養を行うと、まず、培地中に含まれる糖を基質として水素生成菌Bが水素を生成する。そして、このとき、同時に生成される有機酸を基質として、水素生成菌Aが水素を生成する。培養は、前述したとおり、バッチ式、フロー式のいずれでもよい。また、発生した水素を取り出す方法については、前述の通りである。   When hydrogen-producing bacteria A, hydrogen-producing bacteria B, and a medium are placed in a culture tank and cultured, first, hydrogen-producing bacteria B produce hydrogen using a saccharide contained in the medium as a substrate. At this time, the hydrogen-producing bacterium A generates hydrogen using the organic acid generated simultaneously as a substrate. As described above, the culture may be either a batch type or a flow type. The method for taking out the generated hydrogen is as described above.

本発明の第四の水素製造方法は、水素生成細菌Bを、糖を含む第1の培地中で培養して、水素生成菌Bに水素及び有機酸を生成させ、生成した有機酸を含む第2の培地中で水素生成菌Aを培養して、水素生成菌Aに水素を生成させるものである。ここで、第1の培地と第2の培地は異なるものである。   In the fourth method for producing hydrogen of the present invention, the hydrogen-producing bacterium B is cultured in a first medium containing sugar, the hydrogen-producing bacterium B produces hydrogen and an organic acid, and the produced hydrogen-containing bacterium B contains the produced organic acid. The hydrogen producing bacterium A is cultured in the medium 2 to cause the hydrogen producing bacterium A to produce hydrogen. Here, the first medium and the second medium are different.

この水素製造方法によれば、水素生成菌Bを第1の培地中で培養することにより第1の培地中で水素及び有機酸が生成される。そして、このとき生成される有機酸が第2の培地に移送される。そして、第2の培地中に含まれる有機酸を基質として、水素生成菌Aによって、さらに水素が生成される。このため、高いエネルギー変換効率で水素を生成することが可能となる。また、光照射によって培養する場合と異なり、広大な培養設備を必要としない。さらに、この水素製造方法によれば、有機酸が不要になることがない。即ち、糖を基質として水素を生成することで有機酸が生成しても、その有機酸を基質として水素が生成されて有機酸の処理が行われる。このため、有機酸を処理するための排水処理設備が不要となる。更にまた、この水素製造方法によれば、水素生成菌Aの培養だけでなく、水素生成菌Bの培養によっても水素が生成される。このため、水素生成菌Aを単独で培養したときに比べて、水素の生成量をより増加させることができ、より高い効率で水素を製造することが可能である。   According to this hydrogen production method, hydrogen and an organic acid are produced in the first medium by culturing the hydrogen producing bacteria B in the first medium. And the organic acid produced | generated at this time is transferred to a 2nd culture medium. Hydrogen is further generated by the hydrogen-producing bacterium A using the organic acid contained in the second medium as a substrate. For this reason, it becomes possible to produce | generate hydrogen with high energy conversion efficiency. Further, unlike the case of culturing by light irradiation, a vast culture facility is not required. Furthermore, according to this hydrogen production method, an organic acid is not required. That is, even when an organic acid is generated by generating hydrogen using a sugar as a substrate, hydrogen is generated using the organic acid as a substrate and the organic acid is processed. For this reason, the waste water treatment facility for processing an organic acid becomes unnecessary. Furthermore, according to this hydrogen production method, hydrogen is generated not only by culturing the hydrogen producing bacterium A but also by culturing the hydrogen producing bacterium B. For this reason, compared with when hydrogen-producing bacterium A is cultured alone, the amount of hydrogen produced can be increased, and hydrogen can be produced with higher efficiency.

なお、同じ培地で両水素生成菌を培養すると、両菌の間でお互いに阻害関係を引き起こす可能性や水素を生成するのに適した培養条件が異なる可能性があるため、本発明の第四の水素製造方法のように、別々の培養槽で両水素生成菌を独立して培養すると、水素収率が高くなる可能性がある。   In addition, if both hydrogen producing bacteria are cultured in the same medium, there is a possibility that the two bacteria may cause an inhibition relationship with each other and culture conditions suitable for producing hydrogen may be different. If both hydrogen producing bacteria are cultured independently in separate culture tanks as in the method for producing hydrogen, hydrogen yield may be increased.

水素生成菌Bを培養する培地及び培養条件は、嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌が生育できる培地及び培養条件であれば特に限定されるものではないが、例えば、クロストリジウム属菌の好適な培養条件は、pH5.5〜5.8、培養温度25〜30℃、酸化還元電位−150〜−250mV、糖濃度10〜30g/L(グルコース換算)である。   The medium and culture conditions for culturing the hydrogen-producing bacterium B are not particularly limited as long as the medium and culture conditions allow anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria to grow. For example, suitable culture of Clostridium spp. The conditions are pH 5.5 to 5.8, culture temperature 25 to 30 ° C., oxidation-reduction potential −150 to −250 mV, and sugar concentration 10 to 30 g / L (in terms of glucose).

水素生成菌Aを培養する培地及び培養条件は前述と同様であるが、培地には、水素生成菌Bを培養することによって得た有機酸が添加してある。   The culture medium and culture conditions for cultivating hydrogen-producing bacterium A are the same as described above, but an organic acid obtained by culturing hydrogen-producing bacterium B is added to the medium.

上記第四の水素製造方法は、例えば密閉された第1の培養槽に、水素生成菌B及び第1の培地を入れ、密閉された第2の培養槽に水素生成菌A及び第2の培地を入れ、第1の培地で発生する有機酸を第2の培地中に入れることにより行うことができる。   In the fourth hydrogen production method, for example, the hydrogen producing bacteria B and the first medium are put in a sealed first culture tank, and the hydrogen producing bacteria A and the second medium are put in a sealed second culture tank. And the organic acid generated in the first medium can be put in the second medium.

培養は、前述したとおり、バッチ式、フロー式のいずれでもよい。フロー式の場合、水素生成菌Aを固定した第二の培養槽は、水素生成菌Bを固定した第一の培養槽の下流に設置する必要がある。また、発生した水素を取り出す方法は、前述のとおりである。   As described above, the culture may be either a batch type or a flow type. In the case of the flow type, it is necessary to install the second culture tank in which the hydrogen producing bacteria A is fixed downstream of the first culture tank in which the hydrogen producing bacteria B is fixed. The method for taking out the generated hydrogen is as described above.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples.

まず、様々な環境(砂、泥、海水、湖沼)から採取したサンプル中に、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌が存在することを、以下の試験例1〜6において調べた。   First, the presence of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria with the ability to generate hydrogen using organic acids as substrates in samples collected from various environments (sand, mud, seawater, lakes) It investigated in Test Examples 1-6.

(試験例1)
環境サンプル中に存在する、乳酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の分離・同定を以下の方法により行った。蒸留水1Lに酵母エキス(3g)、ペプトン(5g)、硫酸アンモニウム(1g)、硫酸マグネシウム7水和物(0.2g)、リン酸水素二ナトリウム12水和物(14g)、リン酸二水素カリウム(6g)及び硫酸鉄7水和物(0.0125g)を添加した溶液を調製した。この溶液に発酵基質である乳酸(3g/L)を添加した。この溶液のpHを6.8に調整した後、滅菌処理(121℃、10分間)を行った。
(Test Example 1)
Separation and identification of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria present in environmental samples having the ability to generate hydrogen using lactic acid as a substrate were carried out by the following method. Yeast extract (3 g), peptone (5 g), ammonium sulfate (1 g), magnesium sulfate heptahydrate (0.2 g), disodium hydrogen phosphate dodecahydrate (14 g), potassium dihydrogen phosphate in 1 L of distilled water (6 g) and iron sulfate heptahydrate (0.0125 g) were added to prepare a solution. To this solution, lactic acid (3 g / L) as a fermentation substrate was added. After adjusting the pH of the solution to 6.8, sterilization (121 ° C., 10 minutes) was performed.

クリーンベンチ内にて、容積30mLのサンプル瓶に滅菌処理済みの溶液(8mL)を加えた。そこに、還元剤を1%(v/v)となるように添加した後、1%(v/v)となるように環境サンプルを植菌した。還元剤には、蒸留水に、22%(w/v)のL−アスコルビン酸、11%(w/v)の炭酸ナトリウム及び2%(w/v)のL−システイン塩酸塩を加えた後、ろ過滅菌して得られる溶液を用いた。   In a clean bench, the sterilized solution (8 mL) was added to a sample bottle with a volume of 30 mL. Then, after adding a reducing agent to 1% (v / v), an environmental sample was inoculated to 1% (v / v). For the reducing agent, 22% (w / v) L-ascorbic acid, 11% (w / v) sodium carbonate and 2% (w / v) L-cysteine hydrochloride were added to distilled water. A solution obtained by sterilizing by filtration was used.

サンプル瓶にゴム栓及びアルミキャップで蓋をした後、サンプル瓶をクリーンベンチから取り出した。サンプル瓶内の気相部分を不活性ガスであるアルゴンに置換した後、サンプル瓶を37℃の恒温槽に入れて24時間培養を行った。サンプル瓶の気相部分から気体を採取し、採取した気体をガスクロマトグラフィー(島津製作所、熱伝導度検出器)で分析し、発生した水素の定量を行った。   After the sample bottle was covered with a rubber stopper and an aluminum cap, the sample bottle was taken out from the clean bench. After replacing the gas phase portion in the sample bottle with argon as an inert gas, the sample bottle was placed in a 37 ° C. constant temperature bath and cultured for 24 hours. Gas was collected from the gas phase portion of the sample bottle, and the collected gas was analyzed by gas chromatography (Shimadzu Corporation, thermal conductivity detector) to quantify the generated hydrogen.

水素発生量の多いサンプルを選び出し、その一部を乳酸を含む寒天プレートに塗布し、嫌気ジャー中で培養してコロニーを形成させた。得られたコロニー毎に、前記と同様の方法で乳酸を含む培地で培養を行い、発生した水素の定量を行った。この操作を繰り返すことにより、乳酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の純化・分離を行った。   A sample with a large amount of hydrogen generation was selected, and a part of the sample was applied to an agar plate containing lactic acid and cultured in an anaerobic jar to form colonies. Each obtained colony was cultured in a medium containing lactic acid in the same manner as described above, and the amount of generated hydrogen was quantified. By repeating this operation, anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to generate hydrogen using lactic acid as a substrate were purified and separated.

このようにして分離した細菌の同定を遺伝子解析により行った。すなわち、分離した細菌を乳酸を含む培地で培養し、その一部を軽く遠心することにより菌体を回収した。回収した菌体からDNAを取り出し、PCR法により16SrDNAを増幅し、その配列を決定した。決定したDNA配列に基づいて、DDBJでBLAST検索を行い、ホモロジーが高い菌種を選定し、適合率が96%以上であった菌の属を分離した細菌の属として同定した。   The bacteria thus isolated were identified by genetic analysis. That is, the separated bacteria were cultured in a medium containing lactic acid, and a portion thereof was lightly centrifuged to recover the cells. DNA was taken out from the collected bacterial cells, 16S rDNA was amplified by PCR, and the sequence was determined. Based on the determined DNA sequence, a BLAST search was performed with DDBJ, a bacterial species having a high homology was selected, and a bacterial genus having a relevance rate of 96% or more was identified as a separated bacterial genus.

その結果、クロストリジウム属菌(嫌気性細菌)及びエシェリキア属菌(通性嫌気性細菌)が、乳酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌として分離・同定された。なお、これらの菌を培養した場合、発酵副産物としてコハク酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸及び酪酸が生成することが確認された。   As a result, Clostridium bacteria (anaerobic bacteria) and Escherichia bacteria (facultative anaerobic bacteria) were isolated and identified as bacteria having the ability to generate hydrogen using lactic acid as a substrate. In addition, when these bacteria were cultured, it was confirmed that succinic acid, formic acid, acetic acid, propionic acid, and butyric acid were produced as fermentation byproducts.

(試験例2)
環境サンプル中に存在する、酢酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の分離・同定を試験例1と同様の方法により行った。その結果、クロストリジウム属菌及びエシェリキア属菌が、酢酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌として分離・同定された。なお、これらの菌を培養した場合、発酵副産物としてコハク酸、ギ酸、イソ酪酸及び酪酸が生成することが確認された。
(Test Example 2)
Separation and identification of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria present in environmental samples having the ability to generate hydrogen using acetic acid as a substrate were carried out in the same manner as in Test Example 1. As a result, Clostridium spp. And Escherichia spp. Were isolated and identified as those having the ability to generate hydrogen using acetic acid as a substrate. In addition, when these bacteria were cultured, it was confirmed that succinic acid, formic acid, isobutyric acid, and butyric acid were produced as fermentation byproducts.

(試験例3)
環境サンプル中に存在する、プロピオン酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の分離・同定を試験例1と同様の方法により行った。その結果、クロストリジウム属菌、エシェリキア属菌及びフォトラブダス属菌(通性嫌気性細菌)が、プロピオン酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌として分離・同定された。なお、これらの菌を培養した場合、発酵副産物としてコハク酸、ギ酸、酢酸及びイソ酪酸が生成することが確認された。
(Test Example 3)
Separation and identification of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having an ability to generate hydrogen using propionic acid as a substrate in an environmental sample was performed in the same manner as in Test Example 1. As a result, Clostridium spp., Escherichia spp. And Photolabdas spp. (Facultative anaerobic bacteria) were isolated and identified as those having the ability to generate hydrogen using propionic acid as a substrate. In addition, when these bacteria were cultured, it was confirmed that succinic acid, formic acid, acetic acid, and isobutyric acid were produced as fermentation byproducts.

(試験例4)
環境サンプル中に存在する、クエン酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の分離・同定を試験例1と同様の方法により行った。その結果、クロストリジウム属菌、エシェリキア属菌及びフォトラブダス属菌が、クエン酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌として分離・同定された。なお、これらの菌を培養した場合、発酵副産物としてコハク酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、イソ酪酸及び酪酸が生成することが確認された。
(Test Example 4)
Isolation and identification of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria present in environmental samples having the ability to generate hydrogen using citric acid as a substrate were carried out in the same manner as in Test Example 1. As a result, Clostridium spp., Escherichia spp. And Photolabdas spp. Were isolated and identified as fungi capable of generating hydrogen using citric acid as a substrate. In addition, when these bacteria were cultured, it was confirmed that succinic acid, formic acid, acetic acid, propionic acid, isobutyric acid and butyric acid were produced as fermentation byproducts.

(試験例5)
環境サンプル中に存在する、コハク酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の分離・同定を試験例1と同様の方法により行った。その結果、クロストリジウム属菌及びシトロバクター属菌(嫌気性細菌)が、コハク酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌として分離・同定された。なお、これらの菌を培養した場合、発酵副産物として酢酸及びプロピオン酸が生成することが確認された。
(Test Example 5)
Separation and identification of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having an ability to generate hydrogen using succinic acid as a substrate in an environmental sample was performed in the same manner as in Test Example 1. As a result, Clostridium bacteria and Citrobacter bacteria (anaerobic bacteria) were isolated and identified as bacteria having the ability to generate hydrogen using succinic acid as a substrate. In addition, when these bacteria were cultured, it was confirmed that acetic acid and propionic acid were produced as fermentation byproducts.

(試験例6)
環境サンプル中に存在する、リンゴ酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌の分離・同定を試験例1と同様の方法により行った。その結果、クロストリジウム属菌、エシェリキア属菌及びフォトラブダス属菌が、リンゴ酸を基質として水素を生成する能力を持つ菌として分離・同定された。なお、これらの菌を培養した場合、発酵副産物としてコハク酸、酢酸及びプロピオン酸が生成することが確認された。
(Test Example 6)
Isolation and identification of anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria present in environmental samples having the ability to generate hydrogen using malic acid as a substrate were carried out in the same manner as in Test Example 1. As a result, Clostridium spp., Escherichia spp. And Photolabdas spp. Were isolated and identified as having the ability to generate hydrogen using malic acid as a substrate. In addition, when these bacteria were cultured, it was confirmed that succinic acid, acetic acid, and propionic acid were produced as fermentation byproducts.

(実施例1)
次に、汚泥から採取したサンプルを、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を含むサンプルとして、以下の実験に供した。なお、汚泥サンプルは、下水処理場にて下水汚泥をメタン発酵処理した後の汚泥であり、前処理は行っていない。この汚泥サンプルを用いて、焼酎の製造過程に発生する有機性残渣(焼酎蒸留粕、以下、「有機性残渣」という。)から水素を生成させることができるかを以下の方法により調べた。
(Example 1)
Next, the sample collected from the sludge was subjected to the following experiment as a sample containing anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate. The sludge sample is sludge after sewage sludge is subjected to methane fermentation treatment at a sewage treatment plant and is not pretreated. Using this sludge sample, it was investigated by the following method whether hydrogen could be generated from an organic residue (shochu distiller, hereinafter referred to as “organic residue”) generated during the production process of shochu.

有機性残渣として芋焼酎の蒸留粕を用いた。この有機酸の組成を分析したところ、コハク酸:1237ppm、乳酸:5365ppm、ギ酸:68ppm、酢酸:1915ppm、プロピオン酸:132ppm、全糖量:4116ppm、ブドウ糖:0ppmであった。なお、芋焼酎の蒸留粕は、サザングリーン協同組合(鹿児島県)より入手した。   As an organic residue, a shochu shochu distilled spirit was used. When the composition of this organic acid was analyzed, it was succinic acid: 1237 ppm, lactic acid: 5365 ppm, formic acid: 68 ppm, acetic acid: 1915 ppm, propionic acid: 132 ppm, total sugar amount: 4116 ppm, and glucose: 0 ppm. Distilled rice cake of shochu shochu was obtained from Southern Green Cooperative (Kagoshima Prefecture).

有機性残渣に水酸化ナトリウム水溶液を添加してpHを6.8に調整した後、滅菌処理(121℃、10分間)を行った。クリーンベンチ内にて、容積30mLのサンプル瓶に滅菌処理した有機性残渣(8mL)を加えた。培養液中の酸化還元電位を下げるために1%(v/v)となるように還元剤を有機性残渣に加えた後、1%(v/v)となるように汚泥サンプルを植菌した。還元剤には、蒸留水に、22%(w/v)のL−アスコルビン酸、11%(w/v)の炭酸ナトリウム及び2%(w/v)のL−システイン塩酸塩を加えた後、ろ過滅菌して得られる溶液を用いた。   A sodium hydroxide aqueous solution was added to the organic residue to adjust the pH to 6.8, followed by sterilization (121 ° C., 10 minutes). In a clean bench, sterilized organic residue (8 mL) was added to a sample bottle with a volume of 30 mL. In order to lower the oxidation-reduction potential in the culture solution, a reducing agent was added to the organic residue so as to be 1% (v / v), and then a sludge sample was inoculated so as to be 1% (v / v). . For the reducing agent, 22% (w / v) L-ascorbic acid, 11% (w / v) sodium carbonate and 2% (w / v) L-cysteine hydrochloride were added to distilled water. A solution obtained by sterilizing by filtration was used.

サンプル瓶にゴム栓及びアルミキャップで蓋をした後、サンプル瓶をクリーンベンチから取り出した。サンプル瓶内の気相部分を不活性ガスであるアルゴンに置換した後、サンプル瓶を37℃の恒温槽に入れて培養を行った。培養開始24時間後及び48時間後にサンプル瓶の気相部分から気体を採取し、採取した気体をガスクロマトグラフィー(島津製作所、熱伝導度検出器)で分析し、発生した水素及び二酸化炭素の定量を行った。結果を図1に示す。   After the sample bottle was covered with a rubber stopper and an aluminum cap, the sample bottle was taken out from the clean bench. After replacing the gas phase portion in the sample bottle with argon, which is an inert gas, the sample bottle was placed in a constant temperature bath at 37 ° C. and cultured. Gas was collected from the gas phase part of the sample bottle 24 hours and 48 hours after the start of the culture, and the collected gas was analyzed by gas chromatography (Shimadzu Corporation, thermal conductivity detector), and the generated hydrogen and carbon dioxide were quantified. Went. The results are shown in FIG.

図1に示すように、24時間及び48時間培養した場合に、それぞれ、3.9mL及び4.4mLの水素が発生した。また、24時間及び48時間培養した場合に、それぞれ、6.1mL及び7.7mLの二酸化炭素が発生したが、他の気体(硫化水素など)の発生は確認されなかった。   As shown in FIG. 1, when culturing for 24 hours and 48 hours, 3.9 mL and 4.4 mL of hydrogen were generated, respectively. When cultured for 24 hours and 48 hours, 6.1 mL and 7.7 mL of carbon dioxide were generated, respectively, but generation of other gases (such as hydrogen sulfide) was not confirmed.

実施例1の結果から、焼酎製造過程に発生する有機性残渣中で、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を培養することにより、水素を製造できることが確認された。   From the results of Example 1, hydrogen can be produced by culturing anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate in the organic residue generated in the shochu production process. Was confirmed.

(実施例2〜7)
汚泥サンプルを用いて、有機酸を含む培地中から水素を生成させることができるかを以下の方法により調べた。
(Examples 2 to 7)
It was investigated by the following method whether hydrogen could be produced from a medium containing an organic acid using a sludge sample.

まず、蒸留水1Lに酵母エキス(3g)、ペプトン(5g)、硫酸アンモニウム(1g)、硫酸マグネシウム7水和物(0.2g)、リン酸水素二ナトリウム12水和物(14g)、リン酸二水素カリウム(6g)及び硫酸鉄7水和物(0.0125g)を添加した溶液を調製した。この溶液に発酵基質(3g/L)を添加して、得られた溶液を焼酎製造過程で発生する有機性残渣模擬液(以下、「模擬液」という。)とした。発酵基質には、乳酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、コハク酸又はリンゴ酸を用いた(順に、実施例2〜7とする)。模擬液のpHを6.8に調整した後、滅菌処理(121℃、10分間)を行った。   First, yeast extract (3 g), peptone (5 g), ammonium sulfate (1 g), magnesium sulfate heptahydrate (0.2 g), disodium hydrogen phosphate dodecahydrate (14 g), diphosphate phosphate in 1 L of distilled water. A solution to which potassium hydrogen (6 g) and iron sulfate heptahydrate (0.0125 g) were added was prepared. Fermentation substrate (3 g / L) was added to this solution, and the resulting solution was used as an organic residue simulation liquid (hereinafter referred to as “simulation liquid”) generated in the shochu production process. As the fermentation substrate, lactic acid, acetic acid, propionic acid, citric acid, succinic acid or malic acid was used (in order, Examples 2 to 7). After adjusting the pH of the simulated solution to 6.8, sterilization (121 ° C., 10 minutes) was performed.

クリーンベンチ内にて、容積30mLのサンプル瓶に滅菌処理済みの模擬液(8mL)を加えた。そこに、実施例1と同じ還元剤を1%(v/v)となるように添加した後、1%(v/v)となるように汚泥サンプルを植菌した。   In a clean bench, a sterilized simulated solution (8 mL) was added to a sample bottle with a volume of 30 mL. Then, the same reducing agent as in Example 1 was added to 1% (v / v), and then a sludge sample was inoculated to 1% (v / v).

サンプル瓶にゴム栓及びアルミキャップで蓋をした後、サンプル瓶をクリーンベンチから取り出した。サンプル瓶内の気相部分を不活性ガスであるアルゴンに置換した後、サンプル瓶を37℃の恒温槽に入れて24時間培養を行った。サンプル瓶の気相部分から気体を採取し、採取した気体を実施例1と同様の方法で分析し、発生した水素の定量を行った。結果を図2に示す。   After the sample bottle was covered with a rubber stopper and an aluminum cap, the sample bottle was taken out from the clean bench. After replacing the gas phase portion in the sample bottle with argon as an inert gas, the sample bottle was placed in a 37 ° C. constant temperature bath and cultured for 24 hours. Gas was collected from the gas phase portion of the sample bottle, and the collected gas was analyzed in the same manner as in Example 1 to quantify the generated hydrogen. The results are shown in FIG.

図2は、様々な有機酸を発酵基質として培養した場合の、発生水素量を表すグラフである。また、各有機酸を用いた場合の最大水素発生量を表1にまとめた。   FIG. 2 is a graph showing the amount of generated hydrogen when various organic acids are cultured as fermentation substrates. Table 1 shows the maximum amount of hydrogen generated when each organic acid is used.

Figure 2005323515
Figure 2005323515

実施例2〜7の結果から、有機酸を含む培地中で、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を培養することにより、水素を製造できることが確認された。   From the results of Examples 2 to 7, it is confirmed that hydrogen can be produced by culturing anaerobic bacteria or facultative anaerobic bacteria having the ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate in a medium containing an organic acid. It was done.

有機性残渣中で培養した場合の水素発生量を表すグラフである。It is a graph showing the hydrogen generation amount at the time of culture | cultivating in an organic residue. 様々な有機酸を発酵基質として培養した場合の水素発生量を表すグラフである。It is a graph showing the amount of hydrogen generation when various organic acids are cultured as a fermentation substrate.

Claims (6)

有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を、有機酸を含む培地中で培養して、前記細菌に水素を生成させることを特徴とする、水素製造方法。   An anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to produce hydrogen using an organic acid as a substrate is cultured in a medium containing an organic acid, and the bacterium produces hydrogen. . 前記有機酸が、乳酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、コハク酸及びリンゴ酸からなる群から選ばれる少なくとも1種で構成されることを特徴とする、請求項1に記載の水素製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein the organic acid is composed of at least one selected from the group consisting of lactic acid, acetic acid, propionic acid, citric acid, succinic acid, and malic acid. 有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を、有機酸を含む有機性廃液中で培養して、前記細菌に水素を生成させることを特徴とする、水素製造方法。   An anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate is cultured in an organic waste liquid containing an organic acid, and the bacterium generates hydrogen. Production method. 前記有機性廃液が、焼酎の製造過程に発生する有機性残渣であることを特徴とする、請求項3に記載の水素製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 3, wherein the organic waste liquid is an organic residue generated during the production process of shochu. 糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌と、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌とを、糖を含む培地中で培養して、両細菌に水素を生成させることを特徴とする、水素製造方法。   An anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having the ability to generate hydrogen and an organic acid using sugar as a substrate, and an anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate. A method for producing hydrogen, comprising culturing in a medium containing bacterium to cause both bacteria to produce hydrogen. 糖を基質として水素及び有機酸を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を、糖を含む第一の培地中で培養して、前記細菌に水素及び有機酸を生成させ、生成した有機酸を含む第二の培地中で、有機酸を基質として水素を生成する能力を持つ嫌気性細菌又は通性嫌気性細菌を培養して、前記細菌に水素を生成させることを特徴とする、水素製造方法。
An anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having the ability to generate hydrogen and organic acid using sugar as a substrate is cultured in a first medium containing sugar, and the bacterium generates hydrogen and organic acid. An anaerobic bacterium or facultative anaerobic bacterium having an ability to generate hydrogen using an organic acid as a substrate in a second medium containing the organic acid, and causing the bacterium to generate hydrogen. , Hydrogen production method.
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