JP2007534115A - 生物カソードに固定された酵素 - Google Patents
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Abstract
Description
(d)変性イオン交換高分子膜の緩衝された区画内に固定された電子移動メディエーターにより、電子伝導材料からの電子を酸素オキシドレダクターゼの基質に移動させ、それにより電流を発生させる。
本発明の種々の態様において、生物燃料電池は燃料液体を用い、固定された酵素を有する電極で起きるレドックス反応を酵素に媒介させることにより発電するものである。標準的な電気化学セルでは、アノードは燃料液体の酸化反応が起きる場所であり、同時に電子が放出される。アノードからの電子は電気コネクターを介していくつかの電力消費デバイスへ向けられる。電子はデバイスを通って別の電気コネクターへ移動し、そのコネクターにより電子は生物燃料電池の生物カソードに移動させられ、そこで電子は酸化剤を還元して水を生成させるために使用される。このようにして、本発明の生物燃料電池は、接続された外部電気負荷のためのエネルギー源として働く。燃料液体のレドックス反応を促進させるため、電極は、電子伝導体、電子メディエーター、電子メディエーターのための電子触媒、酵素、そして酵素固定材料を有している。
本発明の生物カソードは、電子伝導体と、酵素固定材料に固定された酵素と、電子メディエーターと、電子触媒を有する。一実施形態においては、これら成分は互いに近接しており、それらは物理的あるいは化学的に適切な手段により接続されていることを意味する。
電子伝導体(電極)は、電子を伝導させる物質である。電子伝導体は、その材料を通して電子を伝導させることができれば、有機物でも無機物でも良い。電子伝導体には、炭素系材料、ステンレス鋼、ステンレス鋼メッシュ、金属導電体、半導体、金属酸化物又は変性導電体を用いることができる。好ましい態様としては、電子伝導体はカーボンクロスである。
電子メディエーターは、電子を受容あるいは付与できる化合物である。換言すれば、電子メディエーターは、電子を受容し還元型を形成することのできる酸化型を有し、還元型は電子を付与して酸化型を生成させる。電子メディエーターは、固定材料の中に拡散できる、及び/又は固定材料の中に取り込まれる化合物である。
一般に、電子触媒(電子移動メディエーター又はレドックス高分子)は、電子メディエーターの標準還元電位を低下させることにより電子伝導体での電子の放出を促進させる物質である。
本発明によれば、酵素は生物カソードで酸化剤を還元する。一般に、天然酵素、人造酵素、人工酵素、変性された天然酵素を用いることができる。さらに、自然又は有向進化により改変された改変酵素(engineered enzyme)を用いることもできる。換言すれば、酵素の特性を模倣した有機又は無機分子を本発明の一実施形態において用いることができる。
酵素固定材料を、生物燃料電池の生物アノード及び/又は生物カソードにおいて用いる。一実施形態において、生物アノードの酵素固定材料は、燃料液体が透過可能であり、酵素を固定及び安定化する。酵素固定材料が燃料液体に透過可能であるので、生物アノードにおける燃料の酸化反応は固定酵素により触媒される。
30,45,60,75,90,105,120,150,180,210,240,270,300,330,365日又はそれ以上保持することが好ましく、さらに好ましくは、その初期触媒活性の少なくとも約80%、85%、90%、95%又はそれ以上を、少なくとも約30,45,60,75,90,105,120,150,180,210,240,270,300,330,365日又はそれ以上保持することである。
ここで、R1,R2,R3及びR4は、独立に、水素、炭化水素基、置換された炭化水素基又は複素環基であって、R1,R2,R3及びR4の少なくとも1つは水素以外である。さらに別の実施形態では、好ましくは、R1,R2,R3及びR4は、独立に、水素、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基又はテトラデシル基であり、R1,R2,R3及びR4の少なくとも1つは水素以外である。また、別の実施形態によれば、好ましくは、R1,R2,R3及びR4が同一であり、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基又はヘキシル基である。さらに別の実施形態によれば、好ましくは、R1,R2,R3及びR4はブチル基である。4級アンモニウムカチオンは、テトラブチルアンモニウム、トリエチルヘキシルアンモニウム又はドデシルトリメチルアンモニウムが好ましい。
一実施形態において、生物カソードは酵素固定材料を含み、それはカソードの酵素を固定化するために作用する一方、生物カソードで起きるレドックス反応を促進させる。酵素、電子触媒、そして電子メディエーターが、酵素固定材料のポケット又はミセルに配置されることが好ましい。好ましい実施形態において、酵素固定材料は、酵素を取り込み安定化するミセル又は逆ミセルを形成し、かつ電子触媒や電子メディエーターを取り込む空孔、溝、開口又はそれらの組み合わせ等の他の領域を形成する材料を含んでいる。ミセルも緩衝能を持つことが好ましく、すなわち、ミセル構造は緩衝部分を有する。酵素固定材料のこの緩衝されたミセル構造は、電極そして電子触媒又は電子メディエーターへの又はそれらからの電子の直接移動を促進する。
一実施形態において、生物アノードは、電子伝導体と、酵素固定材料中に固定された酵素を含んでいる。別の実施形態において、生物アノードは、必要により、電子メディエーターのための電子触媒を含むこともできる。生物アノードが、電子伝導体において可逆なレドックス反応を行うことのできる電子メディエーターに接触している場合には、電子触媒を生物アノードの中に存在させる必要はない。生物アノードの上記の成分は、互いに近接しており、これはそれらが物理的あるいは化学的に適切な手段により接続されていることを意味する。他の実施例は、後でI.A.6で説明する。成分は生物カソード成分と概ね同じであるので、以下の説明は、必要な箇所において、各要素の組成の違い及び機能の違いついて行っている。
生物カソードと用いる場合と同様に、生物アノードの電子伝導体には、材料を電子が伝導可能である限りにおいて有機物又は無機物を用いることができる。一実施形態においては、生物アノードの電子伝導体は、カーボンクロスである。
生物アノードの電子メディエーターは電子を受容又は付与する働きをし、速やかに酸化型を還元型に変化させる。電子メディエーターは固定材料の中に拡散する、及び/又は固定材料の中に取り込まれる化合物である。生物カソードの場合と同様に、電子メディエーターの拡散係数が最大化されることが好ましい。
一般に、電子触媒とは、電子伝導体における電子の放出を促進する物質である。換言すれば、電子触媒は、電子メディエーターの還元又は酸化の速度を向上させるので、電子メディエーターによる還元又は酸化がより低い標準還元電位で起きる。電子触媒は生物アノードで可逆的に酸化され、電子を生成させ、それにより電気を発生させる。電子触媒が電子伝導体に近接している場合、電子触媒と電子伝導体は、互いに電気的に接触するが、必ずしも互いに物理的に接触する必要はない。一実施形態において、電子伝導体は、電子メディエーターのための電子触媒と部分的に結合、あるいは近接している。
酵素は、生物アノードで燃料液体の酸化を触媒する。酵素は生物カソードで酸化剤を還元するので、それらについては上記のI.A.4に記載されている。一般に、天然酵素、人造酵素、人工酵素、そして変性された天然酵素を用いることができる。また、自然にあるいは定方向進化により改変された改変酵素を用いることもできる。換言すれば、酵素の特性を模倣する有機又は無機分子を本発明の実施形態で用いることができる。
上記のI.AとI.Bに記載したように、酵素固定材料は、生物燃料電池の生物アノード及び/又は生物カソードに用いられる。酵素固定材料の組成及び固定メカニズムの詳細は、上記のI.A.5に記載されている。一実施形態において、生物アノードの酵素固定材料は、燃料液体は透過可能であり、酵素を固定及び安定化する。燃料液体は固定材料を透過可能であるので、生物アノードにおける燃料液体の酸化は、固定酵素により触媒される。好ましくは、酵素固定材料は4級アンモニウム塩で処理したパーフルオロスルホン酸-PTFE共重合体膜(又は変性パーフルオロ化イオン交換高分子)(変性ナフィオン又は変性フレミオン)である。さらに好ましくは、酵素固定材料は、テトラブチルアンモニウムブロマイド(TBAB)で処理したナフィオン膜材料である。さらにより好ましくは、酵素固定材料は、トリエチルヘキシルアンモニウムブロマイドで処理したナフィオン膜材料、トリメチルオクチルアンモニウムブロマイドで処理したナフィオン膜材料、又はフェニルトリメチルアンモニウムブロマイドで処理したナフィオン膜材料である。
別の実施形態では、好ましくは、生物アノードは、電子触媒を電子伝導体上に吸着、重合あるいは共有結合させることにより変性した電子伝導体で構成される。この実施形態によれば、電子伝導体の表面積を増加させることができる利点を有する。作製に先立ち、電子伝導体の表面に電子触媒を吸着させる処理を行い、続いて電子触媒の化学的あるいは電気化学的な重合を行うことにより、その処理を行わない電子伝導体に比べ、より高い触媒活性が得られる。
生物アノードで酸化され電子を生成する燃料液体と、生物カソードで還元され水を生成する酸化剤は、本発明の生物燃料電池の要素である。
別の実施形態では、本発明は、改良された生物カソードを含む生物燃料電池に関する。一般に、生物燃料電池は、エネルギー源としての有機燃料(炭化水素、アミン類、アルコール類、炭水化物等)と、その有機燃料の酸化を触媒するレドックス酵素を用いる。本発明の生物燃料電池は、電気供給の必要な用途に用いることができるが、それに限定されず、電子デバイス、装置、おもちゃ、ノベリティ商品、体内用医用デバイス、そして電気自動車にも用いることができる。本発明の燃料電池は、生体内に埋め込むこともでき、その場合、有機燃料は生体から入手し、生体内に埋め込まれたデバイスに燃料電池が電力を供給する。
さらに別の実施形態では、本発明は発電方法に関し、その方法は、本発明の生物カソードを用いて酸素を水へと還元するが、有機燃料を酸化してプロトンと電子を生成させる生物アノードを組み合わせる。
本明細書で用いる「レドックス高分子」、「レドックス高分子フィルム」又は「レドックス高分子膜」という用語は、化合物からの電子を受容又は付与することができ、その結果、化合物をそれぞれ酸化又は還元する高分子を意味し、電気回路へ移送可能な電子を発生させる。
アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、そしてアリル基も含まれる。特に示さない限り、これらの基は1〜20の炭素原子を含む。
実験方法
本発明者らは、燃料電池に用いる生物カソードとして有用な2つの特性を持つ膜を開発した。2つの特性を持つとは、膜が、カソード酵素を含む触媒として、かつRu(bpy)3 +2等の電子移動メディエーターを含む電子伝導膜として働くことを意味する。電子移動メディエーター(メディエーター)Ru(bpy)3 +2の4級アンモニウムブロマイドで処理したナフィオン膜への導入は、いくつかの異なる方法で試みた。すなわち、カソード酵素(例えばビリルビンオキシダーゼ)を取り込む前又は後で、電子移動メディエーターを取り込むために混合物塗布又はイオン交換により行った。本研究では、生物カソード作製のために3つのプロトコルを検討した。用いた特定のプロトコルに関係なく、膜においては、Ru(bpy)3 +2の濃度が1.0〜1.5 Mであれば、変性ナフィオン膜の空孔構造の内部にRu(bpy)3 +2分子を近接して存在させることができ、これにより、酵素と電極との間の自己交換系(self-exchange-based)電子伝導が可能となる。これにより、単一膜を備えた生物カソードであって、単一膜がカソード酵素を捕捉しかつ安定化する働きをし、そして酵素と電極との間に電子をシャトル移動させるレドックス高分子としても働くものを得ることができた。
Ru(bpy)3 +2/ナフィオンIの作製
Ru(bpy)3 +2/ナフィオンIは、Ru(bpy)3 +2塩をナフィオンの懸濁液を直接添加することにより作製した(混合物塗布)。
Ru(bpy)3 +2/ナフィオンIIは、再分散させる前かつビリルビンオキシダーゼを固定する前に、1 mMのRu(bpy)3 +2に浸漬したTBAB/ナフィオンフィルムである。
Ru(bpy)3 +2/ナフィオンIIIは、ビリルビンオキシダーゼを固定した後でかつ電極作製の後で、1 mMのRu(bpy)3 +2に浸漬したTBAB/ナフィオンフィルムである。
ガラス状カーボン電極上へのRu(bpy)3 +2/ナフィオンIIIの作製
カソード酵素/膜の塗布溶液を調製するため、〜1 mgのビリルビンと〜0.5-1 mgのビリルビンオキシダーゼを100 mlのRu(bpy)3 +2/ナフィオンIII塩抽出膜(上記のもの)に添加し、十分に混合した(この場合、ボルテックスミキサーで20分間)。2 mlのカソード酵素/膜の塗布溶液を研磨したガラス状カーボン電極(直径3mm)に塗布し、乾燥した。乾燥後、カソード酵素/膜/カーボン電極を窒素で脱ガスしたRu(bpy)3 +2溶液に3時間浸漬した。Ru(bpy)3 +2に対してTBABの交換を行った後、カーボン電極を、窒素で脱ガスしたpH7.4のリン酸緩衝液中に投入し、1時間浸漬した。平衡後、カソードについて、スキャン速度0.05と0.1 V/sでサイクリックボルタモメトリーの試験を行った。その後、緩衝液を酸素で10分間飽和させ、上記の試験を行った。
カソード酵素/膜の塗布溶液を調製するため、〜1 mgのビリルビンと〜0.5-1 mgのビリルビンオキシダーゼを100 mlのRu(bpy)3 +2/ナフィオンIII塩抽出膜(上記のもの)に添加し、十分に混合した(この場合、ボルテックスミキサーで20分間)。10 mlのカソード酵素/膜の塗布溶液を、それぞれ1 cm2のカーボンフェルト電極に塗布し乾燥させた。乾燥後、カソード酵素/膜/カーボンフェルト電極をRu(bpy)3 +2溶液に浸漬した。Ru(bpy)3 +2に対してTBABの交換を行った後、カーボンフェルト電極を、窒素で脱ガスしたpH7.4のリン酸緩衝液中に投入し、pH7.4のリン酸緩衝液を含むU型の円筒状ガラス管中で1時間浸漬した。アノード側には、TBAB/ナフィオン膜に固定された脱水素酵素が、1 mM NAD+と1.0 mM エタノール溶液に浸漬されている。
「ナフィオンI」法、「ナフィオンII」法又は「ナフィオンIII」法(上記のもの)に基づいて作製した種々のプロトタイプの生物カソードのそれぞれの特性を調べるため、サイクリックボルタモメトリーを行った。
生物燃料電池
生物アノードを含むプロトタイプの生物燃料電池(図11)を組み立てた。生物アノードは、TBABで改質されたナフィオンに固定されたアルコール脱水素酵素を含んでおり(特許出願第60/429,829号、第60/486,076号、第10/617,452号に記載されている。)、本発明のナフィオンIII膜は、ビリルビンオキシダーゼ、ビリルビン、そしてRu(bpy)3 +2を含んでいる(二機能生物カソード膜を表す図1を参照されたい。)。この最適生物燃料電池、この燃料電池はアノード溶液とカソード溶液を分離するPEM(ナフィオン117)膜を有しており、その触媒担持量は前述のボルタモグラムの試験より最大で28%程度であり、開回路電圧は0.4179〜0.819 V、最大電流密度は0.224 mA/cm2〜2.23 mA/cm2、最大出力は0.951 mW/cm2(図1を参照。そこには、このプロトタイプの出力曲線が示されている。)。
PQQ依存アノード
改質ナフィオン膜を2段階プロセスで作製した。第1段階は、テトラブチルアンモニウムブロマイドが溶解したナフィオンの懸濁液を塗布した。第2段階は、過剰のテトラブチルアンモニウムブロマイドとHBrの塩を膜から抽出した後、これらの最初の膜を再塗布した。5重量%のナフィオン懸濁液を秤量ボートに入れることにより、改質ナフィオン膜はテトラブチルアンモニウムブロマイドを取り込んだ。混合物塗布溶液は、テトラブチルアンモニウムブロマイド塩濃度が、ナフィオン懸濁液のスルホン酸サイトの濃度の3倍過剰となるように調製した。以前に研究によれば、膜を水に浸漬すると、膜からすべてのブロマイドイオンが追い出されることがわかっている。そのため、18 MΩの水を秤量ボートに添加し、一晩浸漬した。この工程は、すべての過剰のHBrと4級アンモニウム塩を取り除くために必要である。膜を一晩浸漬した後、水を取り除き、フィルムを18 MΩの水で洗浄し乾燥した。次いで、フィルムをエタノールに再分散させた。分散させたフィルムは、酵素/膜の塗布溶液を形成するのに用いた。
膜なし生物燃料電池
膜なしの生物アノード/生物カソード電池の予備実験を行った。その電池は、アノード溶液とカソード溶液を分離するPEM(ナフィオン117)膜を持たない以外は、図11のプロトタイプ生物燃料電池(上記のもの)に示されたものをすべて有している(それ故、「膜なし」という用語を用いる)。NAD依存生物アノードを有するプロトタイプの膜なし生物燃料電池の開回路電圧は0.4063〜0.7385 V、最大電流密度は0.288 mAmps/cm2〜5.38 mAmps/cm2、最大出力は0.46 mW/cm2である。
Claims (110)
- (a)電子伝導体と、
(b)電子メディエーターの還元型と酸化剤とを反応させ、電子メディエーターの酸化型と水とを生成させる少なくとも1つの酵素と、
(c)電子触媒を含む酵素固定材料とを含み、該酵素固定材料は酵素を固定化及び安定化することが可能でかつ上記酸化剤が透過可能であり、
上記電子触媒の酸化型は上記電子伝導体から電子を受取ることにより、上記電子メディエーターの酸化型と反応可能な還元型を生成し、それにより上記電子メディエーターの還元型と上記電子触媒の酸化型を生成させることができ、
上記電子触媒が、上記酵素固定材料に電子を伝導させるに十分な濃度存在してなる生物カソード。 - (a)電子伝導体と、
(b)電子メディエーターの還元型と酸化剤とを反応させ、電子メディエーターの酸化型と水とを生成させる少なくとも1つの酵素と、
(c)上記電子メディエーターを含む酵素固定材料とを含み、該酵素固定材料は酵素を固定化及び安定化することが可能でかつ上記酸化剤が透過可能であり、
上記電子メディエーターの酸化型は上記電子伝導体から電子を受取ることにより還元型を生成し、
上記電子メディエーターが、上記酵素固定材料に電子を伝導させるに十分な濃度存在してなる生物カソード。 - (a)電子伝導体と、
(b)電子メディエーターの還元型と酸化剤とを反応させ、電子メディエーターの酸化型と水とを生成させる少なくとも1つの酵素と、
(c)上記電子メディエーターと電子触媒を含む酵素固定材料とを含み、該酵素固定材料は酵素を固定化及び安定化することが可能でかつ上記酸化剤が透過可能であり、
上記電子触媒の酸化型は上記電子伝導体から電子を受取ることにより、上記電子メディエーターの酸化型と反応可能な還元型を生成し、それにより上記電子メディエーターの還元型と上記電子触媒の酸化型を生成させることができ、
上記電子触媒が、上記酵素固定材料に電子を伝導させるに十分な濃度存在してなる生物カソード。 - (a)電子伝導体と、
(b)電子メディエーターの還元型と酸化剤とを反応させ、電子メディエーターの酸化型と水とを生成させる少なくとも1つの酵素と、
(c)上記電子メディエーターを含む酵素固定材料とを含み、該酵素固定材料は酵素を固定化及び安定化することが可能でかつ上記酸化剤が透過可能であり、
上記電子触媒の酸化型は上記電子伝導体から電子を受取ることにより、上記電子メディエーターの酸化型と反応可能な還元型を生成し、それにより上記電子メディエーターの還元型と上記電子触媒の酸化型を生成させることができ、
上記電子メディエーターが、上記酵素固定材料に電子を伝導させるに十分な濃度存在してなる生物カソード。 - 燃料液体と、
電子メディエーターと、
上記燃料液体を酸化可能なアノードと、
請求項1記載の生物カソードとを有する発電用生物燃料電池。 - 燃料液体と、
上記燃料液体を酸化可能なアノードと、
請求項2記載の生物カソードとを有する発電用生物燃料電池。 - 燃料液体と、
上記燃料液体を酸化可能なアノードと、
請求項3記載の生物カソードとを有する発電用生物燃料電池。 - 燃料液体と、
上記燃料液体を酸化可能なアノードと、
請求項4記載の生物カソードとを有する発電用生物燃料電池。 - 上記酵素固定材料が、ミセル構造又は逆ミセル構造を有する請求項1記載の生物カソード。
- 上記酵素固定材料が、変性パーフルオロスルホン酸-PTFE共重合体である請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子伝導体が、炭素系材料、金属導電体、半導体、金属酸化物又は変性導電体である請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子伝導体が、炭素系材料からなる請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子伝導体が、カーボンクロス、カーボンペーパー、スクリーン印刷された炭素電極、カーボンブラック、炭素粉、炭素繊維、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブアレイ、ダイアモンド被覆導電体、ガラス状カーボン、メソポーラスカーボン、グラファイト、非圧縮グラファイトウォーム、離層された精製フレークグラファイト、高機能グラファイト、高配向熱分解グラファイト、熱分解グラファイト又は多結晶グラファイトからなる請求項1記載の生物カソード。
- 上記酵素固定材料が、NH4+よりも大きい疎水性カチオンで変性されている請求項1記載の生物カソード。
- 上記疎水性カチオンが、アンモニウム系カチオン、4級アンモニウムカチオン、アルキルトリメチルアンモニウムカチオン、有機カチオン、ホスホニウムカチオン、トリフェニルホスホニウム、ピリジニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ヘキサデシルピリジニウム、エチジウム、ビオローゲン、メチルビオローゲン、ベンジルビオローゲン、ビス(トリフェニルホスフィン)イミニウム金属錯体、ビピリジル金属錯体、フェナントロリン系金属錯体、[Ru(ビピリジン)3]2+又は[Fe(フェナントロリン)3]3+を含む請求項14記載の生物カソード。
- R1,R2,R3及びR4は、独立に、水素、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基又はテトラデシル基であり、R1,R2,R3及びR4の少なくとも1つは水素以外である請求項16記載の生物カソード。
- R1,R2,R3及びR4が同一であり、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基又はヘキシル基である請求項16記載の生物カソード。
- 上記の変性されたパーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体が、テトラブチルアンモニウムハロゲン化物、トリエチルヘキシルアンモニウムハロゲン化物又はトリメチルドデシルアンモニウムハロゲン化物で変性されている請求項10記載の生物カソード。
- 上記の変性されたパーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体が、テトラブチルアンモニウムハロゲン化物又はトリエチルヘキシルアンモニウムハロゲン化物で変性されている請求項10記載の生物カソード。
- 上記の変性されたパーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体が、トリエチルヘキシルアンモニウムハロゲン化物で変性されている請求項10記載の生物カソード。
- 上記酵素がオキシドレダクターゼである請求項1記載の生物カソード。
- 上記酵素が、グルコースオキシダーゼ、アルコール系オキシダーゼ又はコレステロール系オキダーゼである請求項1記載の生物カソード。
- 上記酵素が、ラッカーゼ、チロクロームC オキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ又はペルオキシダーゼである請求項1記載の生物カソード。
- 上記酵素が、pH約6.5〜約7.5の範囲で最適活性を有する酸素オキシドレダクターゼである請求項1記載の生物カソード。
- 上記酵素が、ビリルビンオキシダーゼである請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターが、金属タンパク質、共役した有機化合物、糖、ステロール、脂肪酸又は補酵素又はオキシダーゼの基質である請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターの酸化型が、ステラシアン、ビリルビン、グルコース又はコレステロールである請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターの酸化型が、ビリルビンである請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒が、+0.4Vより大きい標準還元電位を有する有機金属カチオンを含む請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒が、オスミウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、ロジウム又はコバルト錯体を含む請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒の還元型が、Ru(phen)3 +2、Fe(phen)3 +2、Ru(bpy)3 +2又はOs(bpy)3 +2又はOs(terpy)3 +2を含む請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒の還元型が、Ru(bpy)3 +2を含む請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子触媒の濃度が約100mM〜約3Mである請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子触媒の濃度が約250mM〜約2.25Mである請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子触媒の濃度が約500mM〜約2Mである請求項1記載の生物カソード。
- 上記電子触媒の濃度が約1M〜約1.5Mである請求項1記載の生物カソード。
- 上記酸化剤が酸素又は過酸化物を含む請求項5記載の生物燃料電池。
- 上記酸化剤が酸素を含む請求項5記載の生物燃料電池。
- 上記燃料液体が、アンモニア、メタノール、エタノール、プロパノール、イソブタノール、ブタノール、イソプロパノール、アリルアルコール、アリールアルコール、グリセロール、プロパンジオール、マンニトール、グルクロネート、アルデヒド、炭水化物、グルコース、グルコース-1、D-グルコース、L-グルコース、グルコース-6-リン酸、ラクテート、ラクテート-6-リン酸、D-ラクテート、L-ラクテート、フルクトース、ガラクトース-1、ガラクトース、アルドース、ソルボース、マンノース、グリセレート、コエンザイムA、アセチルCo-A、マレート、イソサイトレート、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセテート、サイトレート、L-グルコネート、β-ヒドロキシステロイド、α-ヒドロキシステロイド、ラクトアルデヒド、テストステロン、グルコネート、脂肪酸、脂質、ホスホグリセレート、レチナール、エストラジオール、シクロペンタノール、ヘキサデカノール、長鎖アルコール、コニフェリルアルコール、桂皮アルコール、ギ酸塩、長鎖アルデヒド、ピルビン酸塩、ブタナール、アシルCo-A、ステロイド、アミノ酸、フラビン、NADH、NADH2、NADPH、NADPH2又は水素を含む請求項5記載の生物燃料電池。
- 上記燃料液体が、メタノール、エタノール又はプロパノールを含む請求項5記載の生物燃料電池。
- 上記燃料液体がエタノールを含む請求項5記載の生物燃料電池。
- 上記アノードが生物アノードである請求項5記載の生物燃料電池。
- 上記生物アノードが、変性パーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体を含む請求項43記載の生物燃料電池。
- 上記の変性パーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体が、テトラブチルアンモニウムハロゲン化物、トリエチルヘキシルアンモニウムハロゲン化物又はトリメチルドデシルアンモニウムハロゲン化物により変性されている請求項44記載の生物燃料電池。
- 上記の変性パーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体が、トリエチルヘキシルアンモニウムハロゲン化物により変性されている請求項44記載の生物燃料電池。
- 上記生物アノードが、静電的に結合されたPQQ分子を含むPQQ従属アルコール脱水素酵素を含む請求項43記載の生物燃料電池。
- 上記生物アノードと上記生物カソードが、塩橋又は高分子電解質膜を介して分離されている請求項47記載の生物燃料電池。
- (a)燃料液体をアノードで酸化する一方、酸化剤を生物カソードで還元し、
(b)酸化剤が生物カソードで還元される間に、電子メディエーターの還元型を酸化し、
(c)電子触媒を酸化し、そして
(d)電子伝導体において電子触媒を還元する、請求項5記載の生物燃料電池を用いる発電方法。 - (a)燃料液体をアノードで酸化する一方、酸化剤を生物カソードで還元し、
(b)酸化剤が生物カソードで還元される間に、電子メディエーターの還元型を酸化し、そして
(c)電子伝導体において電子触媒を還元する、請求項6記載の生物燃料電池を用いる発電方法。 - 上記酸化剤が、酸素又は過酸化物である請求項49記載の方法。
- 上記酸化剤が、酸素である請求項49記載の方法。
- 上記燃料液体が、アンモニア、メタノール、エタノール、プロパノール、イソブタノール、ブタノール、イソプロパノール、アリルアルコール、アリールアルコール、グリセロール、プロパンジオール、マンニトール、グルクロネート、アルデヒド、炭水化物、グルコース、グルコース-1、D-グルコース、L-グルコース、グルコース-6-リン酸、ラクテート、ラクテート-6-リン酸、D-ラクテート、L-ラクテート、フルクトース、ガラクトース-1、ガラクトース、アルドース、ソルボース、マンノース、グリセレート、コエンザイムA、アセチルCo-A、マレート、イソサイトレート、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセテート、サイトレート、L-グルコネート、β-ヒドロキシステロイド、α-ヒドロキシステロイド、ラクトアルデヒド、テストステロン、グルコネート、脂肪酸、脂質、ホスホグリセレート、レチナール、エストラジオール、シクロペンタノール、ヘキサデカノール、長鎖アルコール、コニフェリルアルコール、桂皮アルコール、ギ酸塩、長鎖アルデヒド、ピルビン酸塩、ブタナール、アシルCo-A、ステロイド、アミノ酸、フラビン、NADH、NADH2、NADPH、NADPH2又は水素を含む請求項49記載の方法。
- 上記燃料液体が、メタノール、エタノール又はプロパノールを含む請求項49記載の方法。
- 上記燃料液体がエタノールを含む請求項49記載の方法。
- 上記酵素がオキシドレダクターゼを含む請求項49記載の方法。
- 上記酵素が、グルコースオキシダーゼ、アルコール系オキシダーゼ又はコレステロール系オキシダーゼを含む請求項49記載の方法。
- 上記酵素が、ラッカーゼ、シトクロームc オキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ又はペルオキダーゼを含む請求項49記載の方法。
- 上記酵素がビリルビンオキシダーゼを含む請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターが、金属タンパク質、共役した有機化合物、糖、ステロール、脂肪酸又は補酵素又はオキシダーゼの基質である請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターが、ステラシアニン、ビリルビン、グルコース又はコレステロールを含む請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターの酸化型がビリルビンを含む請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒が、+0.4Vより大きい標準還元電位を有する有機金属カチオンを含む請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒が、オスミウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、ロジウム又はコバルト錯体を含む請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒の還元型が、Ru(phen)3 +2、Fe(phen)3 +2、Ru(bpy)3 +2又はOs(bpy)3 +2又はOs(terpy)3 +2を含む請求項49記載の方法。
- 上記電子メディエーターのための電子触媒の還元型が、Ru(bpy)3 +2を含む請求項49記載の方法。
- カソードとアノードを備え、該カソードが電子伝導体、カソード酵素、電子移動メディエーター、そして膜を有しており、上記カソード酵素が上記膜内の緩衝された内部区画内に固定されている燃料電池。
- 上記カソード酵素が酸素オキシドレダクターゼである請求項67記載の燃料電池。
- 上記カソード酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項68記載の燃料電池。
- 上記カソード酵素がラッカーゼである請求項68記載の燃料電池。
- 上記電子移動メディエーターが、膜の緩衝された内部区画内に固定されている請求項67記載の燃料電池。
- 上記電子移動メディエーターが、遷移金属化合物である請求項71記載の燃料電池。
- 上記電子移動メディエーターが、ルテニウムを含む化合物である請求項71記載の燃料電池。
- 上記電子移動メディエーターが、Ru(bpy)3 +2である請求項71記載の燃料電池。
- 上記膜が変性イオン交換高分子膜である請求項67記載の燃料電池。
- 上記膜が、4級アンモニウム塩化されたパーフルオロスルホン酸-PTFE共重合体である請求項75記載の燃料電池。
- 上記膜が、テトラブチルアンモニウムブロマイド化したナフィオン膜である請求項75記載の燃料電池。
- 上記電子伝導体が、カーボンクロス、カーボンペーパー、スクリーン印刷された炭素電極、カーボンブラック、炭素粉、炭素繊維、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブアレイ、ダイアモンド被覆導電体、ガラス状カーボン、メソポーラスカーボン、グラファイト、非圧縮グラファイトウォーム、離層された精製フレークグラファイト、高機能グラファイト、高配向熱分解グラファイト、熱分解グラファイト又は多結晶グラファイトからなる群から選択された炭素系材料である請求項67記載の燃料電池。
- 上記電子伝導体がカーボンフェルトである請求項78記載の燃料電池。
- 上記アノードが生物アノードである請求項67記載の燃料電池。
- 上記生物アノードが、電子伝導体、レドックス高分子膜、変性イオン交換高分子膜、そして変性イオン交換高分子膜の緩衝された内部区画内に固定されたアノード酵素を含む請求項80記載の燃料電池。
- 上記レドックス高分子膜がポリメチレングリーンである請求項81記載の燃料電池。
- 上記変性イオン交換膜が、4級アンモニウム塩化したパーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体である請求項81記載の燃料電池。
- 上記膜が、テトラブチルアンモニウムブロマイド化したナフィオン膜である請求項83記載の燃料電池。
- 上記アノード酵素が、有機化合物基質を有するオキシリダクターゼ酵素である請求項81記載の燃料電池。
- 上記アノード酵素が、アルコール脱水素酵素である請求項85記載の燃料電池。
- 上記生物アノードが、第2の生物アノード酵素を含む請求項86記載の燃料電池。
- 上記第2の生物アノード酵素がアルデヒド脱水素酵素である請求項87記載の燃料電池。
- 上記電子伝導体が、カーボンクロス、カーボンペーパー、スクリーン印刷された炭素電極、カーボンブラック、炭素粉、炭素繊維、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブアレイ、ダイアモンド被覆導電体、ガラス状カーボン、メソポーラスカーボン、グラファイト、非圧縮グラファイトウォーム、離層された精製フレークグラファイト、高機能グラファイト、高配向熱分解グラファイト、熱分解グラファイト又は多結晶グラファイトからなる群から選択された炭素系材料である請求項81記載の燃料電池。
- 上記電子伝導体がカーボンフェルトである請求項89記載の燃料電池。
- 燃料電池が、カソード室とアノード室を分離する高分子電解質膜を有する請求項80記載の燃料電池。
- 燃料電池が、カソード室とアノード室を分離する、塩橋も高分子電解質膜も有していない請求項80記載の燃料電池。
- (a)アノードに取り込まれている少なくとも1種のアノードオキシドレダクターゼ酵素の存在下、アノードで有機燃料を酸化し、
(b)酸化された有機燃料からの電子を、レドックス高分子を介してアノード電子伝導材料に移動させ
(c)変性カソードイオン交換高分子膜の緩衝された区画内に固定された酸素オキシドレダクターゼ酵素の存在下、カソードで酸素分子を還元し、そして
(d)変性イオン交換高分子膜の緩衝された区画内に固定された電子移動メディエーターにより、電子伝導材料からの電子を酸素オキシドレダクターゼの基質に移動させ、それにより電流を発生させる発電方法。 - 上記酸素オキシドレダクターゼがビリルビンオキシダーゼであり、基質が酸素である請求項93記載の方法。
- 上記アノードオキシドレダクターゼ酵素がアルコールレダクターゼであり、有機燃料がアルコールである請求項93記載の方法。
- 上記レドックス高分子が、ポリメチレングリーンである請求項93記載の方法。
- 上記変性カソードイオン交換高分子が、4級アンモニウムブロマイド化したナフィオン高分子である請求項93記載の燃料電池。
- 上記電子移動メディエーターが、遷移金属と芳香族配位子錯体を含む請求項93記載の方法。
- 上記電子移動メディエーターがRu(bpy)3 +2である請求項96記載の方法。
- 上記アノードが生物アノードであり、該生物アノードは、変性アノードイオン交換膜と、少なくとも1種のアノードオキシドレダクターゼ酵素を含んでおり、該酵素は変性アノードイオン交換膜の緩衝された区画内に固定されている請求項93記載の方法。
- 上記変性アノードイオン交換膜が、4級アンモニウムブロマイド化したナフィオン高分子である請求項100記載の方法。
- 上記アノードオキシドレダクターゼ酵素が、アルコール脱水素酵素である請求項100記載の方法。
- 上記生物アノードは、第1のアノードオキシドレダクターゼ酵素と第2のアノードオキシドレダクターゼ酵素を含んでおり、これら酵素は変性アノードイオン交換膜の緩衝された区画内に固定されており、第1のアノードオキシドレダクターゼ酵素がアルコール脱水素酵素であり、第2のアノードオキシドレダクターゼ酵素がアルデヒド脱水素酵素である請求項100記載の方法。
- 電気回路から電子を受け容れるに好適な生物カソードであって、
2つの用途を持つ膜と、その膜に対して並列配置された電子伝導材料を含み、その膜は、変性イオン交換膜、固定されたカソード酵素、そして電子移動メディエーターを含む生物カソード。 - 上記変性イオン交換膜が、4級アンモニウム塩化したパーフルオロスルホン酸−PTFE共重合体である請求項104記載の生物カソード。
- 上記変性イオン交換膜が、テトラブチルアンモニウムブロマイド(TBAB)化したナフィオン膜である請求項105記載の生物カソード。
- 上記カソード酵素が、(a)変性イオン交換膜の緩衝されたミセル内に固定され、(b)酸素オキシドレダクターゼ酵素である請求項104記載の生物カソード。
- 上記カソード酵素がビリルビンオキシダーゼである請求項107記載の生物カソード。
- 上記電子移動メディエーターが、遷移金属と芳香族配位子とを錯体として含む請求項104記載の生物カソード。
- 上記電子移動メディエーターがRu(bpy)3 +2である請求項109記載の生物カソード。
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