JP2008224264A - 発酵確認方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微生物発酵により生成されたアルコールについて実験が可能な学習方法を提供する。
【解決手段】本発明は、乾燥酵母２２と培養素２７と水とを培養容器１１に投入して液体培地１５を形成し、その液体培地１５中で酵母菌を繁殖させる。培養容器１１の液体培地１５上の空間に充満する気体を、気体採取装置６０で吸引し、吸引された気体を検知管３０に導入して気体中のアルコール含有率を測定する。その測定値が予め求めた基準値以上になったところで、液体培地１５を燃料電池５０に投入して発電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は微生物を利用した学習方法に関し、特に、アルコール発酵およびバイオマスエネルギーの学習方法に関する。

アルコール発酵は古来より食品工業・化学工業における分野で食品製造・化学原料の製造方法として利用されており、学校教育においても食品化学における学習指導の一環としてアルコール発酵に関する実験教育が行われている。

しかしながら、これらの実験教育においては発酵により生成されるアルコールを直接確認するというものではなく、微生物が生成した二酸化炭素を目視で確認するというものがほとんどであり、実際に発酵によりどの程度のアルコールが生成されたかは確認することは困難であった。

これは水溶液中のアルコールの濃度を測定するためには、ガスクロマトグラフや酵素を用いた発色反応を吸光度計により確認する必要があるなど、特殊な技術が必要であり、一般の小中学校、高校の設備では実施できないからである。

また、近年では発酵により生成されるアルコールは化石燃料の代替エネルギー、いわゆるバイオマスエネルギーとしても注目されている。これに関しても就学児童向け学習指導が必要とされているが、安価で簡易な実験方法がこれまでに報告されておらず、アルコールを燃料として用いた学習方法はこれまでに存在しなかった。
特開２００７−２０４０７号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は特殊な設備を必要とせず、簡易な方法で微生物発酵により生成されたアルコールの濃度を確認でき、かつその生成したアルコールによってバイオマスエネルギーについての実験が可能な学習方法を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、酵母菌と、前記酵母菌の培養素と、水とを酵母培養用の培養容器中に投入し、液体培地内で前記酵母菌を繁殖させ、前記容器内の前記液体培地上に充満する試料気体を、気体採取装置によって一定量吸引し、吸引された前記試料気体を検知管内に導入し、前記検知管内部に配置され、アルコール含有量に応じた長さ変色する薬剤充填層を通過させ、前記薬剤の変色長さによって前記試料気体中のアルコール含有量を求め、前記試料気体中のアルコール含有量が基準値以上に増加したことが検出されると、前記液体培地の少なくとも一部を採取してアルコール燃料電池に投入し、前記アルコール燃料電池に接続された負荷を前記アルコール燃料電池の起電力によって動作させ、アルコール発酵の有無を判断する発酵確認方法である。

本発明によれば、燃料電池に注入された液体にアルコールが含有されていること、ひいては酵母のアルコール発酵によってアルコールが生産されたことが目視にて容易に観察される。

図１の符号１は、本発明の発酵確認方法に用いることができる学習キットを示している。
この学習キット１は、酵母培養用の培養容器１１と、乾燥酵母（酵母菌）２２が樹脂フィルム２１に包装された酵母包装物２０と、培養素(ここでは砂糖)２７が包装紙２６に包装された培養素包装物２５と、アルコール検出用の検知管３０とを最小構成として販売されており、ここでは、それらに加え、アルコールを燃料とする燃料電池５０が一緒に販売されている。

燃料電池５０の構造を簡単に説明すると、図２は、燃料電池５０の内部構造を簡単に説明するための模式図であり、アルコールを燃料とする燃料電池５０は、一般に、容器５１の内部に正極５２と負極５３と電解質膜５５が配置されている。
正極５２と負極５３は、裏面が電解質膜５５に接触されており、負極５３の表面には液体のアルコールが接触し、正極５２の表面には大気が接触するように構成されている。

正極５２と負極５３には触媒が含有されており、負極５３では、アルコールが触媒によって分解され、水素イオンと電子が生成される。水素イオンは、電解質膜５５を通って正極５２に到達し、電子は正極５２と負極５３の間に接続された外部回路５９を通って正極５２に到達し、正極５２の触媒と大気中の酸素によって水が生成される。

負極５３と正極５２で起こる化学反応を下記に示す。
燃料極（負極）：Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋３Ｈ₂Ｏ→１２ｅ^-＋１２Ｈ⁺＋２ＣＯ₂
空気極（正極）：１２ｅ^-＋１２Ｈ⁺＋３Ｏ₂→６Ｈ₂Ｏ
ここでは、外部回路５９は後述する負荷５７に接続されており、外部回路５９を流れる電子により、負荷５７が駆動される。

次に、上記のような燃料電池５０を動作させるためのアルコールを生成する方法について説明する。
先ず、培養容器１１の上部に設けられた主開口１３上の蓋１４を取り、酵母包装物２０と培養素包装物２５から乾燥酵母２２と培養素２７を取り出し、精製水と共に、主開口１３から培養容器１１内に投入し、蓋１４を閉める。

図３は水に培養素２７が溶解して液体培地１５が形成された状態を示している。
液体培地１５内には乾燥酵母が含まれており、乾燥酵母中の胞子が発芽すると、液体培地１５内で酵母が増殖し、アルコール発酵が進行する(ここでは、発酵により、エタノールが生成される)。

培養容器１１内では、半分程度の高さまで液体培地１５が配置されており、培養容器１１の内部の液体培地１５よりも上方には、アルコール発酵前は空気が充満されており、アルコール発酵が進行し、液体培地１５にアルコールが生成されると、一部は気体となって培養容器１１内部の空間に放出される。
アルコールが生成されるときには、アルコール以外にも二酸化炭素（ＣＯ₂）等が発生し、培養容器１１の内部空間に放出される。

蓋１４には圧力調整用の通気口１８が設けられており、通気口１８から二酸化炭素や気体のアルコールの一部が大気に放出されるので、培養容器１１の内圧は大気圧と等しくなる。尚、通気口１８と、後述する吸引口１７のいずれか一方又は両方に、細菌が通過できない程度に細かい滅菌フィルタを配置し、培養容器の内部に雑菌が混入しないようにすることもできる。
アルコール発酵が進行すると、培養容器１１内の液体培地１５上の空間のアルコール濃度も上昇する。

乾燥酵母と培養素と水を培養容器１１内へ投入した時刻を発酵開始時刻とすると、本発明では、培養容器１１内部の液体培地１５上の空間のアルコール含有率と、液体培地１５に含有されるアルコール含有率とが発酵開始時刻から測定されており、アルコール含有率と発酵開始時刻を起算点とする経過時間とが、対応付けて記録され、培養容器１１内部の気体のアルコール含有率が分かれば、液体培地１５のアルコール含有率も分かるようになっている。

図５は、経過時間と培養容器１１内部の気体のアルコール含有率との関係を、酵母量毎に示すグラフである。ここでは、培養素（グルコース）６．７ｇと水２０ｍｌを混合して液体培地１５を作成し、後述するように気体のアルコール含有率は検知管３０を用いて測定した。

気体のアルコール含有率を求めると同時に、液体培地１５のアルコール含有率を測定した。図６は、液体培地１５のアルコール含有率の測定結果と、図５のグラフから得られた結果であり、培養容器１１内部の気体のアルコール含有率に対する液体培地１５のアルコール含有率を示すグラフである。

培養容器１１内の気体のアルコール含有率を測定する方法について説明すると、図４（ａ）の符号６０は気体採取装置を示している。
図１の検知管３０は、アルコール含有率測定用である。検知管３０は細長のガラス管３１を有しており、図４（ｂ）に示すように、ガラス管３１の両端を折り、開封した状態で、取付口側を気体採取装置に装着する。
アルコールを採取する際には、予め検知管３０が装着された気体採取装置６０の採取ロッド６３を採取装置本体６１に押し込んでおく。

蓋１４には通気口１８の他に吸引口１７が設けられており、検知管３０の採取口側を吸引口１７に直接、又はゴム管を介して接続し、採取ロッド６３を引き、検知管３０を通して所定量（例えば培養容器１１の容積２０ｃｃ、液体培地１５量１０ｃｃに対し１００ｃｃ）の気体を吸引する。
このとき、通気口１８を大気と接続しておけば、気体採取装置６０で吸引された分の気体が通気口１８から供給されるので、培養容器１１の内部空間は減圧にならず、大気圧と等しい状態が維持される。

検知管３０の内部には、アルコールと反応して変色する試薬が封入され、薬剤充填層３２が形成されている。
気体中にアルコールが含有されている場合、気体の通過中は、反応試薬は採取口側に近い位置から反応が進行し、含有されている量に応じた長さだけ薬剤充填層３２が変色する。

ガラス管３１には、変色の起点位置をゼロとして、反応したアルコールの量に応じた位置に目盛３５が設けられており、変色部分の終点位置の目盛３５を読むと、反応したアルコールの量が分かり、反応したアルコール量と気体採取装置６０に吸引した気体の体積から、気体中のアルコール含有率が分かる。

上記図５のグラフの気体中のアルコール含有率は、検知管３０の目盛３５の読みで示されている。なお、ここでは、反応試薬には重クロム酸塩が用いられており、アルコール(エタノール)によって重クロム酸塩が還元されると変色するように構成されている。

燃料電池５０を動作させるために必要なアルコール含有率の最低値（例えば３％）は分かっており、液体培地１５のアルコール含有率がその値のときの、培養容器１１内部の気体のアルコール含有率は予め求められている。尚、本発明でアルコール含有率とは体積百分率であり、％で示す。

培養容器１１内部の気体のアルコール含有率を検知管３０で測定し、その値から換算した液体培地１５のアルコール含有率が、燃料電池５０を動作させることができる値であった場合、注射器様の液体採取装置によって液体培地１５を所定量採取し、図２に示したような、外部回路５９に組み込まれた燃料電池５０に注入する。燃料電池５０の正極５２と負極５３の間には負荷５７が接続されている。

採取した液体培地１５を燃料電池５０の注入孔５４から内部に注入すると、燃料電池５０が発電を開始し、負荷５７に電圧が印加される。負荷５７がファンであれば回転が開始し、ＬＥＤ等のランプであれば発光し、スピーカーのような音源であれば音が出る。負荷５７の代わりに電圧計等を設け、電圧計の示す電圧値でも確認することができる。

このように、燃料電池５０に液体培地１５を注入し、燃料電池５０に発電させて負荷５７を動作させると、発電の事実が視認で確認できることから、燃料電池５０に注入された液体にアルコールが含有されていること、ひいては酵母のアルコール発酵によってアルコールが生産されたことが実感される。

従って、培養容器１１内への乾燥酵母、培養素、水の投入から、培養容器１１内の気体中のアルコール含有率の測定や、液体培地１５の採取と燃料電池５０への投入を、学習者に作業させると共に、アルコール発酵や燃料電池の仕組みを学習させると、学習者に印象深く記憶させることができる。

培養素は特に限定されないが、グルコース、ショ糖、フルクトース等種々の糖類を用いることができる。また、培養素に、糖類以外の添加物を添加してもよい。
液体培地１５は、そのまま燃料電池５０に投入してもよいが、電極（特に負極５３）の汚染を防止するために、培養容器１１から液体培地１５を採取する時に、又は／及び、培養容器１１から採取し終わってから液体培地１５を燃料電池５０に投入する前に、微生物が通過できない孔径のフィルターでろ過することが望ましい。

燃料電池５０としては、メタノール直接燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を利用することも出来、またエタノール直接燃料電池（ＤＥＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を利用することもできる。ＤＭＦＣとしては、例えば中村理科工業（株）社製のものがあり、ＤＥＦＣとしてはＡｃｔａ社（イタリア）製のものがある。

学習キット１の保存性を考慮すると、酵母は乾燥状態のように休眠状態のものを用いることが望ましい。また、アルコールを発生するものであれば、酵母以外にも種々のアルコール発生菌を使用することができる。

酵母（ドライイースト）と、グルコースと、水を下記表１に記載する割合で混合し、液体培地１５を形成した。

その液体培地１５を３０℃で３時間発酵させ、培養容器１１内の空間の気体アルコールを検知管３０で測定した。検知管３０指示値は１．２％であり、該指示値から予測される液体培地１５アルコール含有率は９％である。

この液体培地１５をフィルター（ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製、孔径０．８μｍ）でろ過した後、メタノール燃料電池５０に投入し、液注入最高電圧とを測定し、負荷５７（プロペラ）の回転時間を測定したところ、上記表１に示したように、液体培地１５中のアルコール（メタノール）によってメタノール燃料電池５０が発電し、負荷５７が動作することが確認された。

本発明に用いる学習キットの一例を説明する図 本発明に用いる燃料電池を説明する断面図 液体培地が形成された状態を説明する断面図 （ａ）：気体採取装置を説明する側面図、（ｂ）気体採取装置に検知管を取り付けた状態を説明する側面図 気体アルコール含有率と、発酵経過時間の関係を示すグラフ 気体アルコール含有率と、液体培地中のアルコール含有率との関係を示すグラフ

符号の説明

１……学習キット １１……培養容器 １５……液体培地 ５０……燃料電池 ３０……検知管

Claims (1)

1. 酵母菌と、前記酵母菌の培養素と、水とを酵母培養用の培養容器中に投入し、液体培地内で前記酵母菌を繁殖させ、
   前記容器内の前記液体培地上に充満する試料気体を、気体採取装置によって一定量吸引し、吸引された前記試料気体を検知管内に導入し、前記検知管内部に配置され、アルコール含有量に応じた長さ変色する薬剤充填層を通過させ、
   前記薬剤の変色長さによって前記試料気体中のアルコール含有量を求め、
   前記試料気体中のアルコール含有量が基準値以上に増加したことが検出されると、前記液体培地の少なくとも一部を採取してアルコール燃料電池に投入し、前記アルコール燃料電池に接続された負荷を前記アルコール燃料電池の起電力によって動作させ、アルコール発酵の有無を判断する発酵確認方法。

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