JP2009273372A - 水素生成方法および水素生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物に、蟻酸イオンと、蟻酸イオン以外の炭素源とを含む有機性原料を、嫌気的条件下において接触させる工程において、有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度を0.01mol/L以上0.5mol/L以下の範囲とし、炭素源の濃度を0.1mmol/L以上200mmol/L以下の範囲にする。これにより、微生物の水素生成能を低下させず、長時間連続して水素を生成することが可能である。
【選択図】なし
Description
本発明に係る水素生成方法は、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を用いた水素生成方法であって、蟻酸イオンと、蟻酸イオン以外の炭素源とを含む有機性原料を、嫌気的条件下において、上記微生物に接触させる工程(以下、単に「接触工程」という)を包含し、上記有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度は0.01mol/L以上0.5mol/L以下の範囲であり、上記炭素源の濃度は0.1mmol/L以上200mmol/L以下の範囲であることを特徴としている。
本発明において、上記接触工程は、例えば微生物を含む反応液中に、蟻酸イオンと上記炭素源とを含む有機性原料を添加することによって行われ得る。本発明に係る微生物を用いた水素生成方法においては、微生物に接触させる有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度および炭素源濃度を上述した範囲内に設定することによって、水素生成に関与する酵素活性の低下を防ぎ、長時間連続して水素を生成することができる。
一般に、微生物は、原核生物(真正細菌、古細菌)と真核生物(藻類、原生生物、菌類、粘菌)とに分類されるものであり、本発明においては、特に原核生物を好ましく用いることができる。その中でも、特に細菌を用いることが好ましい。また、微生物は、酸素に基づく代謝機構を有する好気性微生物と、酸素を利用しない代謝機構を有する嫌気性微生物とにも分類され、本発明においては、特に嫌気性微生物を好ましく用いることができる。
一般に、微生物の分裂増殖は、微生物菌体濃度が10%(w/w)(湿潤状態菌体質量を基準とする。以下微生物菌体濃度を同様に表す。)未満の場合に起こるため、分裂増殖に用いられるエネルギーを低減させる観点から、反応液中の微生物菌体濃度は10%(w/w)以上であることが好ましい。一方、微生物菌体濃度が80%(w/w)を超えると、微生物がほぼ最密充填状態となり粘性が高くなるため、基質の拡散や、生成される水素の排出の観点から、反応液中の微生物菌体濃度は80%(w/w)以下であることが好ましい。したがって、本発明に係る水素生成方法において、反応液中の微生物菌体濃度は、10%(w/w)以上80%(w/w)以下とすることが好ましい。本発明よれば、微生物の分裂増殖を実質的に伴わずに高速で水素を生成することが可能である。
本発明に係る水素生成方法において、水素生成の原料となる有機性原料は、蟻酸イオンと、蟻酸イオン以外の炭素源とを含んでいる。有機性原料はさらに、後述する各栄養源を含んでいてもよい。
本発明に係る水素生成方法において、水素生成の原料となる有機性原料は、微生物において、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼを経由する代謝経路により水素を含むガスを生成するために、蟻酸イオンを含む溶液である。本発明においては、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼが水素の生成に関与している。そして、この有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度は、0.5mol/L以下であることが好ましい。有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度を、0.5mol/L以下とすることによって、水素の生成に関与する酵素(以下、水素生成酵素ともいう)活性の低下を防ぐことができる。また、有機性原料中の蟻酸イオン濃度は、反応液中の微生物菌体濃度を維持することの操作の容易性から、0.01mol/L以上であることが好ましい。また微生物に接触させる直前に、有機性原料中の蟻酸イオン濃度を上記範囲に希釈してもよい。
本発明に係る水素生成反応において、水素生成酵素を誘導発現するための栄養源を微生物に供給するために、微生物に接触させる有機性原料には、蟻酸イオン以外に、さらに炭素源が含まれる。「炭素源」とは、上記微生物が培養中に吸収利用する炭素化合物であり、微生物が嫌気的条件下においてATPを生成するための出発物質となる炭素源であることが好ましい。ATPは、微生物において、水素生成酵素を誘導発現するための駆動力となる。「微生物が嫌気的条件下においてATPを生成するための出発物質」とは、微生物が嫌気的条件下において、ATPを生成するために利用する物質であることが意図され、解糖系、ペントースリン酸経路等の代謝経路で分解される物質、これらの代謝経路における中間物質等であり得る。また、「蟻酸イオン以外の炭素源を含む」とは、蟻酸または蟻酸塩とは別に、さらに他の炭素源を含むことを意図している。
また、反応液中の反応産物濃度を低くすることによって、微生物における水素生成酵素の合成促進につながる。本明細書中において、用語「反応産物」は、用語「代謝産物」と交換可能に使用される。本発明においては、反応液中の代謝産物濃度を低くするために、反応液中に添加される炭素源の濃度を、0.1mmol/L以上50mmol/L以下の範囲に制御することが好ましい。添加する炭素源の濃度を制御する方法としては、反応液内の培養液成分中の炭素源濃度を、例えばグルコースセンサー等の濃度センサーにより検知する方法、または反応液内のpHの変化率などにより検知する方法が挙げられる。このように検知された炭素源濃度に基づいて、炭素源の添加量が最適になるように、炭素源は外部ポンプにより供給される。
ここで、水素生成反応の反応温度は、使用する微生物の種類によっても異なるが、一般に、常温微生物を用いた場合、20℃〜45℃の範囲が好ましく、微生物の反応寿命の観点から30℃〜40℃の範囲であることがさらに好ましい。また、本発明において、有機性原料の供給速度は、反応により生成される水素の生成速度に基づいて、適宜設定すればよく、例えば、1時間当り50mLの有機性原料を反応液中に供給してもよい。
本発明に係る水素生成方法は、上記接触工程の前に、上述した水素生成能を有する微生物を培養する培養工程をさらに包含していてもよい。本発明に係る水素生成方法において培養工程を含む場合、上記培養工程においては、好気的条件による前培養と、嫌気的条件による本培養とを行うことが好ましい。
本発明に係る水素生成方法は、水素生成反応の代謝産物を反応液から分離する工程をさらに包含していてもよい。代謝産物を反応液から分離する工程は、反応液に含まれる微生物と反応液の液体成分とを分離することによって行ってもよい。微生物と反応液の液体成分との分離方法としては、沈降分離、遠心分離、ろ過分離等が挙げられるが、特に、高速かつ連続的に分離を行うことができるため、ろ過分離が好ましい。
本発明に係る水素生成方法は、生成されたガスから水素を分離し、回収する工程をさらに包含していてもよい。生成ガスから水素を分離する工程においては、例えばガスクロマトグラフィ等により生成ガスに含まれる成分を分析し、膜分離法、吸着法等、一般的な方法により、水素リッチなガスを分離してもよい。本発明に係る水素生成方法によれば、水素および二酸化炭素を主成分とするガスが生成されるため、この生成ガスから、水素リッチなガスを分離すればよい。
本発明はまた、水素生成装置を提供する。本発明に係る水素生成装置は、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を用いて水素を生成する水素生成装置であって、蟻酸イオンと、蟻酸イオン以外の炭素源とを含む有機性原料と、前記微生物とを接触させる反応部を備え、前記反応部内に供給される有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度は0.01mol/L以上0.5mol/L以下の範囲であり、前記炭素源の濃度は0.1mmol/L以上200mmol/L以下の範囲であることを特徴としている。
本発明はさらに、上述した水素生成装置を備えた燃料電池を提供する。このような燃料電池においては、本発明に係る水素生成装置から燃料極に供給された水素ガスと、空気極に供給された空気中の酸素とから、発電することが可能となる。当該燃料電池は、本発明に係る水素生成装置を備えているので、長時間連続して燃料となる水素が供給されることにより、長時間発電することが可能である。
組換え大腸菌(受託番号:FERM P−20291、W3110 ΔhycA/fhlA―PMW118、独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センター)を用いて連続して水素生成を行った。
連続水素生成反応時の蟻酸イオン濃度の影響を検討するために、原料槽3に注入する原料である、表1に記載のBC培地において、蟻酸イオン濃度を下記のように変更した。
・実施例2:蟻酸イオン濃度0.2mol/LのBC培地
・実施例3:蟻酸イオン濃度0.05mol/LのBC培地
これらのBC培地を用いて、水素生成速度と等しくなるように原料を供給するように、液体成分排出ポンプ8を調整したこと以外は、実施例1と同様の条件により行った。このとき、原料中のグルコース濃度を30mmol/Lに固定した。
〔実施例4及び5〕
連続水素生成反応時のグルコース濃度の影響を検討するために、原料槽3に注入する原料である、表1に記載のBC培地において、グルコース濃度を下記のように変更した。
・実施例4:グルコース濃度10mmol/LのBC培地
・実施例5:グルコース濃度150mmol/LのBC培地
これらのBC培地を用いた以外は、実施例1と同様の条件により行った。このとき、原料中の蟻酸イオン濃度は0.4mol/Lに固定した。
本発明に係る水素生成方法の比較例として、下記のように蟻酸イオン濃度およびグルコース濃度を調整した、表1に記載のBC培地を原料槽3に注入した。
・比較例1:蟻酸イオン濃度0.4mol/LのBC培地(グルコース含まず)
・比較例2:蟻酸イオン濃度4mol/L、グルコース濃度30mmol/LのBC培地
・比較例3:蟻酸イオン濃度1mol/L、グルコース濃度30mmol/LのBC培地
・比較例4:蟻酸イオン濃度0.4mol/L、グルコース濃度210mmol/LのBC培地
上記BC培地を用いたこと、水素生成速度が等しくなるように原料を供給するように、液体成分排出ポンプ8を調整したこと以外は、実施例1と同様の条件で行った。
比較例5では、図1記載の装置を用いて、実施例1と同様の条件により連続水素生成を行った。比較例5においては、蟻酸及びグルコースを液体成分排出ポンプ8を用いて系外へ排出した代謝産物溶液の蟻酸イオン濃度が0.4mol/L、およびグルコース濃度が30mmol/Lとなるように、蟻酸およびグルコースが添加された当該代謝産物溶液を再利用した。この代謝産物溶液を原料として原料槽3へ注入し、連続水素生成反応を開始した。その結果、反応開始から0.5時間後の反応液には、乳酸約20mmol/L、酢酸約50mmol/L、コハク酸約20mmol/L、エタノール約40mmol/Lの代謝産物が含まれていた(反応液中の全代謝産物の合計濃度は130mmol/L)。
2 pHセンサー
3 原料槽
4 pHコントローラー
5 pH調製溶液供給部
6 原料供給用ポンプ(原料供給部)
7 反応液循環ポンプ
8 液体成分排出ポンプ
9 菌体分離フィルター
10 ガス排出部
11 撹拌部
12 温度制御部
13 制御ボックス
Claims (6)
- 蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を用いた水素生成方法であって、
蟻酸イオンと、蟻酸イオン以外の炭素源とを含む有機性原料を、嫌気的条件下において、前記微生物に接触させる工程を包含し、
前記炭素源は、前記微生物が嫌気的条件下においてATPを生成する出発物質となる炭素源であり、
前記有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度は0.01mol/L以上0.5mol/L以下の範囲であり、前記炭素源の濃度は0.1mmol/L以上200mmol/L以下の範囲であることを特徴とする水素生成方法。 - 前記炭素源は、単糖類または二糖類の炭化水素化合物であることを特徴とする請求項1に記載の水素生成方法。
- 前記炭素源は、グルコース、キシロース、アラビノース、フルクトース、ガラクトース、マンノース、ラクトース、スクロース、マルトース、および、セロビオースからなる群より選択される、少なくとも1つの炭素源であることを特徴とする請求項1または2に記載の水素生成方法
- 前記微生物を含む反応液中の反応産物濃度が、100mmol/L以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の水素生成方法。
- 前記微生物を含む反応液中の前記微生物菌体濃度が、10重量パーセント以上80重量パーセント以下の範囲であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の水素生成方法。
- 蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を用いて水素を生成する水素生成装置であって、
蟻酸イオンと、蟻酸イオン以外の炭素源とを含む有機性原料と、嫌気的条件下において、前記微生物とを接触させる反応部と、前記有機性原料を供給する原料供給部と、を備え、
前記炭素源は、前記微生物が嫌気的条件下においてATPを生成する出発物質となる炭素源であり、
前記原料供給部から、前記反応部内に、有機性原料に含まれる蟻酸イオン濃度は0.01mol/L以上0.5mol/L以下の範囲であり、前記炭素源の濃度は0.1mmol/L以上200mmol/L以下の範囲となるように供給することを特徴とする水素生成装置。
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