JP2019213470A - Gas discharging device and energy generating device - Google Patents

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Abstract

To provide a gas discharging device capable of discharging gas by using enzyme reaction, or an energy generating device equipped with the gas discharging device.SOLUTION: A gas discharging device comprises a first enzyme immobilizing member, a second enzyme immobilizing member, and solution containing at least either one of substrate selected from the group consisting of a substrate of enzyme immobilized to the first enzyme immobilizing member and a substrate of enzyme immobilized to the second enzyme immobilizing member, in which the first enzyme immobilizing member and the second enzyme immobilizing member are in contact with the solution, and the device discharges gas to the opposite side of a side contacting the solution in the second enzyme immobilizing member.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガス放出装置及びエネルギー発生装置に関する。   The present invention relates to a gas release device and an energy generation device.

近年、酵素を固定化した膜、電極等と、上記酵素の基質とを用い、酵素反応で生成する化合物を利用したエネルギーの発生、化合物の検出等が行われている。
特許文献1には、過酸化水素検知用電極および酵素を固定化してなる多孔体膜からなり、前記多孔体膜の過酸化水素検知用電極側に酸素を水素受容体とする酸化還元酵素を固定化し、他方の側にカタラーゼを固定化したことを特徴とする酵素電極が記載されている。
In recent years, using a membrane, an electrode, or the like on which an enzyme is immobilized, and a substrate of the enzyme, energy generation using a compound generated by an enzyme reaction, detection of a compound, and the like have been performed.
Patent Document 1 discloses a method in which an electrode for hydrogen peroxide detection and a porous membrane formed by immobilizing an enzyme are fixed, and a redox enzyme having oxygen as a hydrogen acceptor is fixed to the electrode for hydrogen peroxide detection of the porous membrane. An enzyme electrode is described in which catalase is immobilized on the other side.

特開昭56−142449号公報JP-A-56-142449

従来、様々な産業において、ガス(気体)を供給することが行われている。
また、例えば大気中で用いられている従来の材料、機器、装置等に対し、ガスを供給することができれば、より有用な効果が得られる場合があると考えられる。
例えば、一例として、大気中の酸素を利用してエネルギーを発生する「空気電池」が開発されている。空気電池としては、例えば大気中の酸素と亜鉛を利用した空気亜鉛電池、大気中の酸素及び生体の酵素を利用し、糖等の生体成分の酸化還元反応によりエネルギーを発生する空気バイオ電池等が挙げられる。
このような大気中の酸素を利用した空気電池に対して酸素を供給することにより、発電出力が向上するという効果が得られると考えられる。
Conventionally, in various industries, gas (gas) is supplied.
Further, it is considered that, for example, if gas can be supplied to conventional materials, equipment, devices, and the like used in the atmosphere, more useful effects may be obtained.
For example, as one example, an “air battery” that generates energy using oxygen in the atmosphere has been developed. As the air battery, for example, an air zinc battery using oxygen and zinc in the atmosphere, an air bio battery using oxygen in the air and enzymes of a living body, and generating energy by a redox reaction of a biological component such as sugar, and the like. No.
It is considered that by supplying oxygen to the air battery using oxygen in the atmosphere, an effect of improving power generation output can be obtained.

本開示に係る発明の一態様が解決しようとする課題は、酵素反応を用いてガス(例えば酸素)を放出することが可能なガス放出装置、又は、前記ガス放出装置を備えるエネルギー発生装置を提供することである。
また、本開示に係る発明の別の一態様が解決しようとする課題は、酸素及び酵素反応を用いてエネルギーを発生することが可能なエネルギー発生装置を提供することである。
An object of one embodiment of the present disclosure is to provide a gas release device capable of releasing a gas (eg, oxygen) using an enzymatic reaction, or an energy generation device including the gas release device. It is to be.
Another object of another embodiment of the present disclosure is to provide an energy generation device capable of generating energy using an oxygen and enzyme reaction.

上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
<1> 第一の酵素固定化部材と、第二の酵素固定化部材と、前記第一の酵素固定化部材に固定化された酵素の基質及び前記第二の酵素固定化部材に固定化された酵素の基質よりなる群から選ばれた少なくとも一方の基質を含む溶液と、を備え、
前記第一の酵素固定化部材及び前記第二の酵素固定化部材が前記溶液と接しており、
前記第二の酵素固定化部材における前記溶液と接している側とは反対側へガスを放出する、
ガス放出装置。
<2> 前記第一の酵素固定化部材に固定化された酵素がグルコース酸化酵素及びピラノース酸化酵素であり、前記第二の酵素固定化部材に固定化された酵素がカタラーゼであり、前記溶液に含まれる基質がD−グルコースであり、前記ガスが酸素である、前記<1>に記載のガス放出装置。
<3> 前記<1>又は<2>に記載のガス放出装置と、前記ガス放出装置により放出されるガスを利用してエネルギーを発生するエネルギー発生部と、を備える
エネルギー発生装置。
<4> 前記エネルギー発生部が、第一の酵素固定化電極である正極と、第二の酵素固定化電極である負極と、前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、を含み、前記正極に固定化された酵素が前記電解質と接し、前記負極に固定化された酵素が前記電解質と接して電力を発生する、前記<3>に記載のエネルギー発生装置。
<5> 第一の酵素固定化電極である正極と、
第二の酵素固定化電極である負極と、
前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、
前記電解質を漏出させることなく気体の透過が可能な気液隔離部材と、を含み、
前記正極に固定化された酵素が前記電解質及び前記気液隔離部材と接し、前記負極が前記電解質と接して電力を発生する
エネルギー発生装置。
Means for solving the above problems include the following aspects.
<1> A first enzyme-immobilized member, a second enzyme-immobilized member, an enzyme substrate immobilized on the first enzyme-immobilized member, and an enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized member. A solution containing at least one substrate selected from the group consisting of enzyme substrates,
The first enzyme-immobilized member and the second enzyme-immobilized member are in contact with the solution,
Releasing gas to the opposite side of the second enzyme immobilization member from the side in contact with the solution,
Outgassing device.
<2> The enzymes immobilized on the first enzyme-immobilized member are glucose oxidase and pyranose oxidase, and the enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized member is catalase. The gas releasing device according to <1>, wherein the contained substrate is D-glucose, and the gas is oxygen.
<3> An energy generation device comprising: the gas release device according to <1> or <2>; and an energy generation unit that generates energy by using gas released by the gas release device.
<4> The energy generating section includes a positive electrode serving as a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode serving as a second enzyme-immobilized electrode, and an electrolyte containing an enzyme substrate immobilized on the negative electrode. The energy generator according to <3>, wherein the enzyme immobilized on the positive electrode is in contact with the electrolyte, and the enzyme immobilized on the negative electrode is in contact with the electrolyte to generate power.
<5> a positive electrode that is a first enzyme-immobilized electrode;
A negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode;
An electrolyte containing an enzyme substrate immobilized on the negative electrode,
A gas-liquid separator capable of transmitting gas without allowing the electrolyte to leak out,
An energy generating device, wherein an enzyme immobilized on the positive electrode contacts the electrolyte and the gas-liquid separating member, and the negative electrode contacts the electrolyte to generate electric power.

本開示に係る発明の一態様によれば、酵素反応を用いてガスを放出することが可能なガス放出装置、又は、前記ガス放出装置を備えるエネルギー発生装置が供給される。
また、本開示に係る発明の別の一態様によれば、酸素及び酵素反応を用いてエネルギーを発生することが可能なエネルギー発生装置が供給される。
According to one embodiment of the present disclosure, there is provided a gas release device capable of releasing a gas using an enzyme reaction, or an energy generation device including the gas release device.
According to another aspect of the present disclosure, there is provided an energy generation device capable of generating energy using an oxygen and enzyme reaction.

本開示に係るガス放出装置の一実施形態であるガス供給装置10の一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a gas supply device 10 that is an embodiment of a gas release device according to the present disclosure. 本開示に係るエネルギー発生装置の一実施形態である空気バイオ電池100の一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of an air bio battery 100 that is an embodiment of an energy generation device according to the present disclosure. ガス供給装置と、前記ガス供給装置により供給されるガスを利用してエネルギーを発生する電池部と、を備える電池の一例を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a battery including a gas supply device and a battery unit that generates energy by using gas supplied by the gas supply device. 実施例において作製したガス供給装置の写真である。It is a photograph of the gas supply device produced in the example. 図4に記載したガス供給装置における第一の酵素固定化膜、及び、第二の酵素固定化膜の取り付けの向きを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the attachment direction of the 1st enzyme immobilization film | membrane in the gas supply apparatus described in FIG. 4, and the 2nd enzyme immobilization film | membrane. 実施例において作製したガス供給装置のガス供給能の評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result of the gas supply capability of the gas supply device produced in the example. 実施例において作製した電池2及び電池4における発電特性の評価結果を示すグラフである。6 is a graph showing evaluation results of power generation characteristics of batteries 2 and batteries 4 manufactured in Examples.

以下において、本開示の内容について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本開示の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本開示はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、数値範囲を示す「〜」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、本開示において、「質量%」と「重量%」とは同義であり、「質量部」と「重量部」とは同義である。
各図面において、同一の構成要件に対しては同一の符号を付して説明する。また、図面中の符号は省略されることがある。
本開示において、組成物中の各成分の量について言及する場合、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する複数の物質の合計量を意味する。
更に、本開示において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。
以下、本開示を詳細に説明する。
Hereinafter, the contents of the present disclosure will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present disclosure, but the present disclosure is not limited to such embodiments.
In addition, in this specification, "-" which shows a numerical range is used by the meaning which includes the numerical value described before and behind that as a lower limit and an upper limit.
In the present disclosure, “mass%” and “weight%” are synonymous, and “part by mass” and “part by weight” are synonymous.
In the drawings, the same components will be described with the same reference numerals. Further, reference numerals in the drawings may be omitted.
In the present disclosure, when referring to the amount of each component in the composition, when there are a plurality of substances corresponding to each component in the composition, unless otherwise specified, a plurality of substances present in the composition Means the total amount.
Furthermore, in the present disclosure, a combination of two or more preferred embodiments is a more preferred embodiment.
Hereinafter, the present disclosure will be described in detail.

(ガス放出装置)
本開示に係るガス放出装置は、第一の酵素固定化部材と、第二の酵素固定化部材と、前記第一の酵素固定化部材に固定化された酵素の基質及び前記第二の酵素固定化部材に固定化された酵素の基質よりなる群から選ばれた少なくとも一方の基質を含む溶液(以下、「特定溶液」ともいう。)と、を備え、前記第一の酵素固定化部材及び前記第二の酵素固定化部材が前記溶液と接しており、前記第二の酵素固定化部材における前記溶液と接している側とは反対側へガスを放出する。本開示に係るガス放出装置は、酵素反応を利用して前記第二の酵素固定化部材における前記溶液と接している側とは反対側へガスを放出する。
本開示に係るガス放出装置は、前記第一の酵素固定化部材における前記溶液と接している側とは反対側からガスを吸収し、前記第二の酵素固定化部材における前記溶液と接している側とは反対側へガスを放出して必要な対象に供給するガス供給装置であることが好ましい。
上記吸収されるガスと、上記供給されるガスは同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
ここで、酵素反応は非可逆的に近い反応であることが多いため、上記吸収されるガスと、上記供給されるガスが同一のガスであったとしても、ガスの濃度勾配に逆らってガスを供給することが可能となると考えられる。
また、本開示に係るガス放出装置は、設計次第であるが、例えば入手が容易な特定溶液(例えば、グルコース溶液など)を用いることにより、簡便にガス供給を実用することが可能となるという点において、非常に有用であると考えられる。上記グルコース溶液などとしては、例えば、血液、汗、組織液等の体液を用いることも考えられ、例えば生体埋め込み型の電池や後述する電池等と併用する場合の親和性にも優れやすいと考えられる。また、動物、昆虫、植物などへの応用も考えられ、さらには、ジュース等の飲料や食物の利用も考えられる。
以下、本開示に係るガス放出装置の代表的な態様について、図面を用いて説明するが、本開示に係るガス放出装置は図面により限定されるものではない。
また、本文中の説明において、図面中の符号は省略される場合がある。
(Gas release device)
The gas release device according to the present disclosure includes a first enzyme-immobilized member, a second enzyme-immobilized member, an enzyme substrate immobilized on the first enzyme-immobilized member, and the second enzyme-immobilized member. A solution containing at least one substrate selected from the group consisting of enzyme substrates immobilized on the immobilization member (hereinafter, also referred to as a “specific solution”). A second enzyme-immobilized member is in contact with the solution, and releases gas to a side of the second enzyme-immobilized member opposite to a side in contact with the solution. A gas release device according to the present disclosure releases a gas to a side of the second enzyme immobilization member opposite to a side in contact with the solution using an enzyme reaction.
The gas release device according to the present disclosure absorbs gas from the side of the first enzyme immobilization member opposite to the side in contact with the solution, and is in contact with the solution in the second enzyme immobilization member. The gas supply device is preferably a gas supply device that discharges gas to the opposite side and supplies the gas to a required target.
The gas to be absorbed and the gas to be supplied may be the same or different, but are preferably the same.
Here, since the enzymatic reaction is often an irreversible reaction, even if the absorbed gas and the supplied gas are the same gas, the gas is reacted against the concentration gradient of the gas. It will be possible to supply.
Further, the gas release device according to the present disclosure depends on the design. For example, by using an easily available specific solution (for example, a glucose solution or the like), gas supply can be easily put to practical use. Is considered to be very useful. As the glucose solution or the like, for example, a body fluid such as blood, sweat, tissue fluid, or the like may be used. For example, it is considered that the affinity is excellent when used in combination with a bioimplantable battery or a battery described later. Further, application to animals, insects, plants, and the like can be considered, and further, use of beverages such as juices and food can be considered.
Hereinafter, typical aspects of the gas release device according to the present disclosure will be described with reference to the drawings, but the gas release device according to the present disclosure is not limited to the drawings.
In the description in the text, reference numerals in the drawings may be omitted.

図1は、本開示に係るガス放出装置の一実施形態であるガス供給装置10の一例を示す概略断面図である。
図1に示すガス供給装置10は、第一の酵素固定化膜12(第一の酵素固定化部材の一例)と、第二の酵素固定化膜22(第二の酵素固定化部材の一例)と、特定溶液30とを備える。
図1に示すガス供給装置10において、第一の酵素固定化膜12(第二の酵素固定化膜22)は、膜の強度を考慮し、特定溶液30を透過する第一の支持体14(第二の支持体24)により固定されている。しかし、膜強度に問題がない場合、所定の強度を有する板状等の酵素固定化部材とした場合等は、第一の支持体14(第二の支持体24)を省略してもよい。
また、図1に示すガス供給装置10において、第一の酵素固定化膜12、第一の支持体14、特定溶液30、第二の支持体24及び第二の酵素固定化膜22は、ケース40により支持されている。ケース40の形状は特に限定されない。
図1に示すガス供給装置10においては、例えば、第一の酵素固定化膜12における特定溶液30と接している側とは反対側(開口部42)からガスを吸収し、第二の酵素固定化膜22おける特定溶液30と接している側とは反対側(開口部46)へガスを放出することが可能である。また、開口部46へ放出されたガスは、開口部44を通じて外部に供給される。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a gas supply device 10 that is an embodiment of a gas release device according to the present disclosure.
The gas supply device 10 shown in FIG. 1 includes a first enzyme-immobilized film 12 (an example of a first enzyme-immobilized member) and a second enzyme-immobilized film 22 (an example of a second enzyme-immobilized member). And a specific solution 30.
In the gas supply device 10 shown in FIG. 1, the first enzyme-immobilized membrane 12 (the second enzyme-immobilized membrane 22) is made of a first support 14 (permeating the specific solution 30) in consideration of the strength of the membrane. It is fixed by a second support 24). However, when there is no problem in the membrane strength, or when a plate-like enzyme immobilizing member having a predetermined strength is used, the first support 14 (the second support 24) may be omitted.
In the gas supply device 10 shown in FIG. 1, the first enzyme-immobilized membrane 12, the first support 14, the specific solution 30, the second support 24, and the second enzyme-immobilized membrane 22 are It is supported by 40. The shape of the case 40 is not particularly limited.
In the gas supply device 10 shown in FIG. 1, for example, the gas is absorbed from the side (opening 42) of the first enzyme-immobilized membrane 12 opposite to the side in contact with the specific solution 30, and the second enzyme-immobilized membrane 12 Gas can be released to the opposite side (opening 46) of the oxide film 22 from the side in contact with the specific solution 30. The gas released to the opening 46 is supplied to the outside through the opening 44.

<ガス種>
図1に示すガス供給装置10は、第一の酵素固定化膜12に固定化された酵素、第二の酵素固定化膜22に固定化された酵素、特定溶液30に含まれる基質等を適宜変更することにより、供給するガスを選択することが可能である。
ガス供給装置10により供給されるガスとしては、酸素(O)、水素(H)、二酸化炭素(CO)等が挙げられ、産業上の利用しやすさの観点からは、例えば酸素であることが好ましい。
例えば、ガス供給装置10において、第一の酵素固定化膜12に固定化された酵素がグルコース酸化酵素(Glucose oxidase、GOD)及びピラノース酸化酵素(POX)であり、特定溶液30に含まれる基質がD−グルコースであり、第二の酵素固定化膜22に固定化された酵素がカタラーゼ(CAT)である態様が好ましく挙げられる。以下、上記態様のガス供給装置を、「ガス供給装置A」ともいう。ガス供給装置Aによれば、酸素を供給するガス供給装置を提供することが可能となる。
ガス供給装置Aにおいて引き起こされる酵素反応の詳細を下記に示す。
<Gas type>
The gas supply device 10 shown in FIG. 1 appropriately supplies the enzyme immobilized on the first enzyme immobilized film 12, the enzyme immobilized on the second enzyme immobilized film 22, the substrate contained in the specific solution 30, and the like. By changing, it is possible to select the gas to be supplied.
The gas supplied by the gas supply device 10 includes oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), and the like. From the viewpoint of industrial availability, for example, oxygen is used. Preferably, there is.
For example, in the gas supply device 10, the enzymes immobilized on the first enzyme immobilization membrane 12 are glucose oxidase (Glucose oxidase, GOD) and pyranose oxidase (POX). An embodiment in which D-glucose is used and the enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized membrane 22 is catalase (CAT) is preferable. Hereinafter, the gas supply device of the above embodiment is also referred to as “gas supply device A”. According to the gas supply device A, it is possible to provide a gas supply device that supplies oxygen.
Details of the enzymatic reaction caused in the gas supply device A are shown below.

ガス供給装置Aにおいては、第一の酵素固定化膜12において、上記(1)〜(3)の酵素反応が起こり、酸素を過酸化水素へと変換する。
その後、上記(1)〜(3)の酵素反応において発生した上記過酸化水素が特定溶媒30を通して第二の酵素固定化膜22へと移動し、第二の酵素固定化膜22において、上記(4)の酵素反応により酸素へと変換されることにより、最終的に開口部44から酸素が供給される。
上記(1)〜(4)の反応は酵素反応であり、非可逆的に近い反応であるため、上記酸素の供給は、ガス供給装置Aにおける開口部42の酸素濃度よりも、開口部46の酸素濃度が高い場合であっても反応が進行すると考えられる。
すなわち、ガス供給装置Aにおける開口部42の酸素濃度よりも、開口部46の酸素濃度を高くすることが可能である。言い換えれば、本開示に係るガス供給装置10によれば、開口部42と開口部46との間におけるガスの濃度勾配に逆らったガスの輸送が可能であるといえる。
また、第一の酵素固定化膜12には、グルコース酸化酵素に加えてピラノース酸化酵素が固定化されている。そのため、上記(1)の酵素反応に加えて上記(2)及び(3)の酵素反応が起こり、より多くの過酸化水素が発生する。その結果、上記(4)の酵素反応によって、より高濃度の酸素を発生させることができる。
In the gas supply device A, the above-mentioned enzyme reactions (1) to (3) occur in the first enzyme-immobilized membrane 12, and convert oxygen to hydrogen peroxide.
Thereafter, the hydrogen peroxide generated in the enzyme reactions (1) to (3) moves to the second enzyme-immobilized membrane 22 through the specific solvent 30, and the ( The oxygen is finally supplied from the opening 44 by being converted into oxygen by the enzymatic reaction of 4).
Since the reactions (1) to (4) are enzymatic reactions and are irreversibly close reactions, the supply of oxygen is performed more efficiently than the oxygen concentration of the opening 42 in the gas supply device A. It is considered that the reaction proceeds even when the oxygen concentration is high.
That is, it is possible to make the oxygen concentration of the opening 46 higher than the oxygen concentration of the opening 42 in the gas supply device A. In other words, according to the gas supply device 10 according to the present disclosure, it can be said that the gas can be transported between the opening 42 and the opening 46 against the gas concentration gradient.
Further, pyranose oxidase is immobilized on the first enzyme-immobilized membrane 12 in addition to glucose oxidase. Therefore, the enzyme reactions (2) and (3) occur in addition to the enzyme reaction (1), and more hydrogen peroxide is generated. As a result, a higher concentration of oxygen can be generated by the enzymatic reaction of (4).

第一の酵素固定化部材に固定化された酵素、特定溶液に含まれる基質、第二の酵素固定化部材に固定化された酵素、及び、放出されるガスの組み合わせとしては、下記表1に記載の組み合わせが例示されるが、これに限定されるものではない。   The combination of the enzyme immobilized on the first enzyme immobilization member, the substrate contained in the specific solution, the enzyme immobilized on the second enzyme immobilization member, and the released gas are shown in Table 1 below. The combinations described are exemplified, but are not limited thereto.

第一の酵素固定化部材(例えば、第一の酵素固定化膜12)に固定化された酵素と、第二の酵素固定化部材(例えば、第二の酵素固定化膜22)に固定化された酵素の酵素種の選択方法としては、特に限定されず、目的とする供給されるガスに応じて適宜選択すればよい。
例えば、第一の酵素固定化膜12に固定化された酵素として、大気中のガスを用いて特定溶液30中の基質を生成物へと変化させ、上述の過酸化水素等の副生成物を生成する酵素を用い、第二の酵素固定化膜22に固定化された酵素として、上記副生成物を目的とするガスへと変換する酵素を用いることが可能である。
第一の酵素固定化部材又は第二の酵素固定化部材に固定化された酵素としては、1種単独の酵素を用いてもよいし、複数の酵素を組み合わせて使用してもよい。
第一の酵素固定化部材に固定化された酵素として複数の酵素を組み合わせて使用する場合、例えば、ガス供給能の向上の観点からは、グルコース酸化酵素とピラノース酸化酵素の組み合わせのように、特定溶液30(グルコース溶液)中の化合物を基質とする酵素と、上記酵素と上記基質の反応により生成される生成物を基質とする酵素と、を組み合わせて用いることが好ましい。
第一の酵素固定化部材又は第二の酵素固定化部材に固定化された酵素の至適pH、至適pH等は、特に限定されず、用途、設計に応じて決定すればよい。
The enzyme immobilized on the first enzyme-immobilized member (for example, the first enzyme-immobilized membrane 12) and the enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized member (for example, the second enzyme-immobilized membrane 22). The method for selecting the enzyme species of the enzyme is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the target supplied gas.
For example, as the enzyme immobilized on the first enzyme-immobilized membrane 12, the substrate in the specific solution 30 is changed to a product using gas in the atmosphere, and the by-products such as the above-described hydrogen peroxide are removed. An enzyme that converts the by-product into a target gas can be used as the enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized membrane 22 using the generated enzyme.
As the enzyme immobilized on the first enzyme-immobilized member or the second enzyme-immobilized member, a single enzyme may be used, or a plurality of enzymes may be used in combination.
When a plurality of enzymes are used in combination as the enzyme immobilized on the first enzyme immobilization member, for example, from the viewpoint of improving the gas supply ability, a specific enzyme such as a combination of glucose oxidase and pyranose oxidase is used. It is preferable to use an enzyme that uses a compound in the solution 30 (glucose solution) as a substrate and an enzyme that uses a product generated by a reaction between the enzyme and the substrate as a substrate.
The optimum pH, the optimum pH, and the like of the enzyme immobilized on the first enzyme-immobilized member or the second enzyme-immobilized member are not particularly limited, and may be determined according to the application and design.

<第一の酵素固定化部材>
第一の酵素固定化部材は、酵素を含む。
図1においては、第一の酵素固定化部材としての第一の酵素固定化膜12を、第一の支持体14上に形成した態様を記載しているが、第一の酵素固定化膜12を、例えば酵素を含む樹脂の膜として形成し、第一の支持体14を省略してもよいし、第一の支持体14に第一の酵素固定化膜12の酵素を染み込ませて、第一の支持体14と第一の酵素固定化膜12との少なくとも一部が一体化していてもよい。
第一の酵素固定化膜12は、酵素と、バインダーと、を含むことが好ましい。
第一の酵素固定化膜12に含まれる酵素は、上述の組み合わせから用途に応じて選択すればよい。
第一の酵素固定化膜12に含まれるバインダーとしては、特に限定されないが、例えば硬化型樹脂を使用することができる。
本開示において、硬化型樹脂とは、硬化性樹脂を硬化した樹脂をいい、硬化性樹脂とは、紫外線の照射、加熱等により硬化する性質を有する樹脂をいう。
第一の酵素固定化膜12における硬化型樹脂としては、取り扱いの容易性の観点から、紫外線により硬化された紫外線硬化型樹脂であることが好ましい。
また、第一の酵素固定化膜12における硬化型樹脂としては、少なくとも硬化後に非水溶性となる樹脂であることが好ましい。
具体的には、紫外線硬化型樹脂は、25℃の水100質量部に対する溶解量が0.1質量部未満であることが好ましく、0.05質量部未満であることがより好ましい。上記溶解量の下限は特に限定されず、0質量部以上であればよい。
<First enzyme immobilization member>
The first enzyme immobilization member contains an enzyme.
FIG. 1 shows an embodiment in which a first enzyme-immobilized membrane 12 as a first enzyme-immobilized member is formed on a first support 14. May be formed, for example, as a resin film containing an enzyme, and the first support 14 may be omitted, or the first support 14 may be impregnated with the enzyme of the first enzyme-immobilized membrane 12, At least a part of the one support 14 and the first enzyme-immobilized membrane 12 may be integrated.
The first enzyme-immobilized membrane 12 preferably contains an enzyme and a binder.
The enzyme contained in the first enzyme-immobilized membrane 12 may be selected from the above combinations according to the application.
The binder contained in the first enzyme-immobilized membrane 12 is not particularly limited, but for example, a curable resin can be used.
In the present disclosure, the curable resin refers to a resin obtained by curing a curable resin, and the curable resin refers to a resin having a property of being cured by irradiation with ultraviolet light, heating, or the like.
The curable resin in the first enzyme-immobilized film 12 is preferably an ultraviolet curable resin cured by ultraviolet light from the viewpoint of easy handling.
The curable resin in the first enzyme-immobilized membrane 12 is preferably a resin that becomes water-insoluble at least after curing.
Specifically, the ultraviolet curable resin preferably has a solubility in water of 100 parts by mass at 25 ° C. of less than 0.1 part by mass, and more preferably less than 0.05 part by mass. The lower limit of the dissolution amount is not particularly limited, and may be 0 parts by mass or more.

第一の酵素固定化膜12は、その他の成分を更に含んでもよい。その他の成分としては、酵素、バインダー、第一の支持体等の保護に用いられる公知の保護材、界面活性剤等が挙げられる。   The first enzyme-immobilized membrane 12 may further include other components. Other components include known protective materials and surfactants used for protecting enzymes, binders, the first support, and the like.

第一の酵素固定化膜12は、例えば、第一の支持体14に酵素及び硬化性樹脂を含む組成物を塗布し、紫外線を照射する等により硬化することにより作製される。
第一の酵素固定化膜12の形成に用いられる上記硬化性樹脂としては、特に限定されず、公知の紫外線硬化性樹脂を用いることが可能であるが、例えば、PVA−SbQ(紫外線硬化性樹脂、スチリルピリジニウム塩を付加したポリビニルアルコール)が好ましく挙げられる。
The first enzyme-immobilized film 12 is produced, for example, by applying a composition containing an enzyme and a curable resin to the first support 14 and curing the composition by irradiating ultraviolet rays or the like.
The curable resin used for forming the first enzyme-immobilized film 12 is not particularly limited, and a known ultraviolet curable resin can be used. For example, PVA-SbQ (ultraviolet curable resin) can be used. And polyvinyl alcohol to which a styrylpyridinium salt is added).

〔第一の支持体〕
第一の支持体14としては、特に限定なく公知の材料を使用することが可能であるが、透析膜を使用することが好ましい。
透析膜としては、第一の酵素固定化膜12に固定化された酵素の基質を透過する透析膜が好ましく使用され、例えば、セルロース、親水性ポリテトラフルオロエチレン、疎水性コットン等が挙げられる。また、透析膜以外に、軟質や硬質の各種の多孔質体等も使用できる。
第一の支持体14と第一の酵素固定化膜12との位置関係は、特に限定されないが、第一の酵素固定化膜12における酵素反応においてガスが使用される場合、第一の酵素固定化膜12と、特定溶液30との間に第一の支持体14が存在することが好ましい。上記位置関係であれば、第一の酵素固定化膜12における酵素反応において、特定溶液30中のガスではなく、装置の外部のガスを使用しやすくなるため、ガス供給装置10におけるガス供給能がより向上しやすいと考えられる。
(First support)
As the first support 14, a known material can be used without any particular limitation, but it is preferable to use a dialysis membrane.
As the dialysis membrane, a dialysis membrane permeable to the enzyme substrate immobilized on the first enzyme immobilization membrane 12 is preferably used, and examples thereof include cellulose, hydrophilic polytetrafluoroethylene, and hydrophobic cotton. In addition to the dialysis membrane, various soft and hard porous bodies can be used.
The positional relationship between the first support 14 and the first enzyme-immobilized membrane 12 is not particularly limited, but when a gas is used in the enzyme reaction in the first enzyme-immobilized membrane 12, the first enzyme-immobilized membrane 12 may be used. It is preferable that the first support 14 exists between the conversion film 12 and the specific solution 30. With the above positional relationship, in the enzyme reaction in the first enzyme-immobilized membrane 12, not the gas in the specific solution 30, but the gas outside the device can be easily used. It is thought that it is easier to improve.

また、第一の酵素固定化膜12及び第一の支持体14の膜厚、面積、含まれる酵素の量等は、用途に応じて適宜設定すればよい。   Further, the thickness and area of the first enzyme-immobilized membrane 12 and the first support 14 and the amount of the enzyme contained therein may be appropriately set according to the use.

<第二の酵素固定化部材>
第二の酵素固定化部材は、第一の酵素固定化部材と同様の構成をとることができる。すなわち、第二の酵素固定化部材としての第二の酵素固定化膜22、及び、第二の支持体24は、含まれる酵素の種類が異なる以外は第一の酵素固定化膜12と同様の構成をとることができ、好ましい態様も同様である。
第二の支持体24と第二の酵素固定化膜22との位置関係は、特に限定されないが、第二の酵素固定化膜22と、特定溶液30との間に第二の支持体24が存在することが好ましい。上記位置関係であれば、第二の酵素固定化膜22における酵素反応により発生するガスが、特定溶液30に溶解することが抑制されるため、ガス供給装置10におけるガス供給能がより向上しやすいと考えられる。
<Second enzyme immobilization member>
The second enzyme-immobilized member can have the same configuration as the first enzyme-immobilized member. That is, the second enzyme-immobilized membrane 22 as the second enzyme-immobilized member and the second support 24 are the same as the first enzyme-immobilized membrane 12 except that the type of the contained enzyme is different. A configuration can be adopted, and preferred embodiments are also the same.
Although the positional relationship between the second support 24 and the second enzyme-immobilized membrane 22 is not particularly limited, the second support 24 is located between the second enzyme-immobilized membrane 22 and the specific solution 30. Preferably it is present. With the above positional relationship, the gas generated by the enzyme reaction in the second enzyme-immobilized membrane 22 is suppressed from dissolving in the specific solution 30, so that the gas supply capability in the gas supply device 10 is more likely to be improved. it is conceivable that.

<特定溶液>
特定溶液30としては、特に限定されないが、安全性等の観点からは、水溶液であることが好ましい。
特定溶液30は、前記第一の酵素固定化膜に固定化された酵素の基質及び前記第二の酵素固定化膜に固定化された酵素の基質よりなる群から選ばれた少なくとも一方の基質を含む溶液であり、前記第一の酵素固定化膜に固定化された酵素の基質を少なくとも含む溶液であることが好ましい。
特定溶液30中の基質の濃度は特に限定されず、用途に応じて設定すればよい。濃度が高いほど酵素反応が進行しやすく、ガス供給能が向上することが考えられる。また、用途に応じて、温度変化による基質化合物の析出、変性等を考慮して濃度を低くすることも考えられる。
特定溶液30のpHは、特に限定されず、例えば第一の酵素固定化膜に固定化された酵素及び/又は第二の酵素固定化膜に固定化された酵素の至適pHとするか、又は、これに近いpHとすることが好ましい。
<Specific solution>
The specific solution 30 is not particularly limited, but is preferably an aqueous solution from the viewpoint of safety and the like.
The specific solution 30 contains at least one substrate selected from the group consisting of an enzyme substrate immobilized on the first enzyme-immobilized membrane and an enzyme substrate immobilized on the second enzyme-immobilized membrane. And a solution containing at least the enzyme substrate immobilized on the first enzyme-immobilized membrane.
The concentration of the substrate in the specific solution 30 is not particularly limited, and may be set according to the application. It is conceivable that the higher the concentration, the easier the enzymatic reaction proceeds, and the higher the gas supply ability. It is also conceivable to lower the concentration in consideration of the precipitation and denaturation of the substrate compound due to a change in temperature, depending on the application.
The pH of the specific solution 30 is not particularly limited, and may be, for example, an optimal pH of the enzyme immobilized on the first enzyme-immobilized membrane and / or the enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized membrane. Alternatively, the pH is preferably set to a value close to this.

特定溶液30は、上記基質以外の化合物を更に含んでもよい。
基質以外の化合物としては、公知の防腐剤、湿潤材、消泡剤、安定化剤、有機溶剤等が挙げられる。また、体液等を用いる場合は、生体成分中のタンパク質やイオンなども含まれることが考えられる。これらの化合物の含有量は、適宜設定することが可能である。
The specific solution 30 may further contain a compound other than the above substrate.
Compounds other than the substrate include known preservatives, wetting agents, defoamers, stabilizers, organic solvents, and the like. Further, when a body fluid or the like is used, it is conceivable that proteins, ions, and the like in biological components are also contained. The content of these compounds can be set as appropriate.

<用途>
図1に示すガス供給装置10における開口部42と、開口部46及び開口部44とは、いずれも気体と接していてもよいし、いずれか一方が水等の液体と接していてもよいし、両方が水等の液体と接していてもよい。
いずれも気体と接している場合、例えば、開口部42が開放されて大気と接しており、開口部46及び開口部44が密閉された空間における気体と接している態様が挙げられる。このような態様によれば、上記密閉された空間にガス供給装置10を通して特定のガスが供給され、上記密閉された空間内の特定のガスの濃度が上昇する。
開口部42が液体と接し、開口部46及び開口部44が密閉された空間における気体と接している場合、ガス供給装置10により、上記液体中の特定のガスを、密閉された空間における上記気体に供給することが可能となる。
開口部42が気体と接し、開口部46及び開口部44が液体と接している場合、ガス供給装置10により、上記気体中の特定のガスを、上記液体に供給することが可能となる。
いずれも液体と接している場合、例えば、開口部42において接している液体中のガスを、開口部44及び開口部46において接している液体へと供給することが可能となる。
<Application>
The opening 42, the opening 46, and the opening 44 in the gas supply device 10 illustrated in FIG. 1 may be in contact with a gas, or one of them may be in contact with a liquid such as water. And both may be in contact with a liquid such as water.
When both are in contact with gas, for example, there is a mode in which the opening 42 is open and is in contact with the atmosphere, and the openings 46 and 44 are in contact with gas in a closed space. According to such an embodiment, a specific gas is supplied to the closed space through the gas supply device 10, and the concentration of the specific gas in the closed space increases.
When the opening 42 is in contact with the liquid and the openings 46 and 44 are in contact with the gas in the closed space, the gas supply device 10 causes the specific gas in the liquid to be removed from the gas in the closed space. Can be supplied to
When the opening 42 is in contact with a gas and the openings 46 and 44 are in contact with a liquid, the gas supply device 10 can supply a specific gas in the gas to the liquid.
When both are in contact with the liquid, for example, the gas in the liquid that is in contact with the opening 42 can be supplied to the liquid that is in contact with the openings 44 and 46.

本開示に係るガス供給装置は、後述する電池、水から酸素を取り出す人工肺(例えば、上記ガス供給装置を口、鼻等の呼吸器を覆うマスクとして使用することにより水中での呼吸を可能とする、等)、魚介類の飼育や養殖用の水槽への酸素供給装置、登山や運動時等に装着する酸素供給装置、液柱等のエアーレーションによる美術効果ディスプレイ等の用途に使用可能であると考えられる。   The gas supply device according to the present disclosure is capable of breathing in water by using a battery described later, an artificial lung for extracting oxygen from water (for example, using the gas supply device as a mask covering a respiratory unit such as a mouth and a nose). Can be used for applications such as an oxygen supply device for aquariums for breeding and cultivating fish and shellfish, an oxygen supply device to be mounted at the time of climbing and exercising, and an aerial art display such as a liquid column. it is conceivable that.

(エネルギー発生装置)
本開示に係るガス放出装置は、例えば、本開示に係るガス放出装置と、前記ガス放出装置から放出されるガスを利用してエネルギーを発生するエネルギー発生部(例えば、電池部)と、を備えるエネルギー発生装置(例えば、電池)として用いることが可能である。
ここで、ガスを利用してエネルギーを発生(発電)するエネルギー発生部(電池部)としては、公知の空気亜鉛電池、空気リチウム電池等の公知の空気電池、又は、後述する空気バイオ電池等が挙げられる。
エネルギー発生部(電池部)において利用される上記ガスとしては、特に限定されないが、現時点で実用化されているという観点からは、酸素が好ましい。
これらのエネルギー発生部(電池部)は、ガス濃度が高いほど発電出力が向上することが考えられる。そのため、本開示に係るガス放出装置を用い、エネルギー発生部(電池部)におけるガスを利用する手段が含まれる雰囲気のガス濃度を上昇させることにより、エネルギー発生部(電池部)における発電出力を向上させることができると考えられる。
(Energy generator)
A gas release device according to the present disclosure includes, for example, a gas release device according to the present disclosure, and an energy generation unit (for example, a battery unit) that generates energy using gas released from the gas release device. It can be used as an energy generating device (for example, a battery).
Here, as an energy generating unit (battery unit) that generates (generates) energy using gas, a known air battery such as a known air zinc battery and an air lithium battery, or an air bio battery described later is used. No.
The gas used in the energy generating section (battery section) is not particularly limited, but is preferably oxygen from the viewpoint of being practically used at the present time.
It is conceivable that the power generation output of these energy generation units (battery units) increases as the gas concentration increases. Therefore, by using the gas release device according to the present disclosure and increasing the gas concentration of the atmosphere including the means for using gas in the energy generation unit (battery unit), the power generation output in the energy generation unit (battery unit) is improved. It is thought that it can be done.

従来、例えば空気電池において、電極の選定、電解質の選定等により発電出力を向上させる試みはなされているが、ガスの濃度の向上は困難である場合が多く、空気を用いることを前提とした試みが多数であった。そのため、空気中のガスの濃度(例えば、酸素濃度)の低さが、電池における発電反応速度に対して支配的となっている場合があった。
ここで、本開示に係るガス放出装置によれば、簡便な方法によりガスを放出することが可能となるため、本開示に係るガス放出装置はエネルギー発生部(電池部)の発電出力を更に向上するという観点から非常に有用であると考えられる。
なお、本開示に係るガス放出装置は、上記電池だけでなく、放出されるガスを利用して動力を発生する動力発生部(エネルギー発生部の一例)を備える動力装置(エネルギー発生装置の一例)として用いることも可能である。例えば、放出ガスの圧力でピストンを作動させるガス圧アクチュエータ、ゴムチューブへの加圧による変形を利用したゴム人工筋、ダイアフラムと逆止弁を組み合わせたダイアフラムポンプ、放出ガスの燃焼を利用した内燃機関等、各種の適用が考えられる。
特に、特定溶液30として血液を用い、ダイアフラムを薬剤注入機構としてインスリンポンプを構成した場合には、血液中のグルコース濃度(血糖値)に応じて酸素が放出され、インスリンリザーバーに接続されており、放出された酸素の圧力で駆動する薬剤注入機構によってインスリンを注入できるようになる。これにより、血糖を駆動力源とした自律的・連続的な血糖値制御が可能となり、人工膵臓システムを実現できる。
Conventionally, for example, in an air battery, an attempt has been made to improve the power generation output by selecting an electrode, an electrolyte, and the like.However, it is often difficult to improve the gas concentration, and an attempt is made on the assumption that air is used. There were many. Therefore, the low concentration of the gas in the air (for example, the oxygen concentration) may be dominant to the power generation reaction speed in the battery.
Here, according to the gas discharge device according to the present disclosure, it is possible to discharge gas by a simple method, and therefore, the gas discharge device according to the present disclosure further improves the power generation output of the energy generation unit (battery unit). It is considered to be very useful from the viewpoint of doing.
The gas release device according to the present disclosure includes a power device (an example of an energy generation device) including a power generation unit (an example of an energy generation unit) that generates power using a released gas, in addition to the battery. It is also possible to use as. For example, a gas pressure actuator that operates a piston with the pressure of released gas, a rubber artificial muscle that uses deformation due to pressurization of a rubber tube, a diaphragm pump that combines a diaphragm and a check valve, an internal combustion engine that uses combustion of released gas Various applications are conceivable.
In particular, when blood is used as the specific solution 30 and an insulin pump is configured with a diaphragm as a drug injecting mechanism, oxygen is released in accordance with the glucose concentration (blood sugar level) in the blood and connected to the insulin reservoir, Insulin can be injected by a drug injection mechanism driven by the pressure of the released oxygen. Thereby, autonomous and continuous blood sugar level control using blood sugar as a driving force source becomes possible, and an artificial pancreas system can be realized.

本開示におけるエネルギー発生部は、第一の酵素固定化電極である正極と、第二の酵素固定化電極である負極と、前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、を含み、前記正極に固定化された酵素が前記電解質と接し、前記負極に固定化された酵素が前記電解質と接して電力を発生するエネルギー発生部であることが好ましい。
本開示におけるエネルギー発生部を電池部とする場合は、第一の酵素固定化電極である正極と、第二の酵素固定化電極である負極と、前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質(以下、単に「電解質」ともいう。)と、を含み、前記正極と前記電解質、及び、前記負極と前記電解質とが接している電池部(本開示において、このような電池部を「空気バイオ電池」ともいう。)であることが好ましい。
以下、本開示におけるエネルギー発生装置としての空気バイオ電池の一例を図2を参照して説明するが、空気バイオ電池は図2に記載の態様に限定されるものではない。
The energy generation unit according to the present disclosure includes a positive electrode that is a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode, and an electrolyte including an enzyme substrate immobilized on the negative electrode. It is preferable that the enzyme immobilized on the positive electrode is in contact with the electrolyte, and the enzyme immobilized on the negative electrode is an energy generating unit that generates electric power by contacting the electrolyte.
When the energy generating unit in the present disclosure is a battery unit, a positive electrode that is a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode, and a substrate of the enzyme immobilized on the negative electrode are included. An electrolyte (hereinafter, also simply referred to as an “electrolyte”), and a battery unit in which the positive electrode is in contact with the electrolyte, and the negative electrode is in contact with the electrolyte. Bio battery ").
Hereinafter, an example of an air bio battery as an energy generation device according to the present disclosure will be described with reference to FIG. 2, but the air bio battery is not limited to the embodiment illustrated in FIG.

図2は、本開示に係るエネルギー発生装置の一実施形態である空気バイオ電池100の一例を示す概略断面図である。
図2に示す空気バイオ電池100においては、ケース140中に、第一の酵素固定化電極である正極110と、第二の酵素固定化電極である負極120と、電解質130と、を備え、前記正極と前記電解質とが接し、前記負極と前記電解質とが接している。また、正極110は、電解質供給部材118(気液隔離部材の一例)を介して外気と接している。
正極110は、電極114の表面に酵素112が固定化された構造である。また、正極110には、電子メディエータが更に固定化されていることが好ましい。
負極120は、電極124の表面に酵素122が固定化された構造である。また、負極120には、電子メディエータが更に固定化されていることが好ましい。
また、正極110及び負極120よりなる群から選ばれた少なくとも1つの電極には、電極に固定化された酵素の基質が更に固定化されていてもよい。
図2に示す空気バイオ電池100において、正極110(負極120)は、第一の電極支持体116(第二の電極支持体126)に固定化されているが、第一の電極支持体116(第二の電極支持体126)は省略されていてもよい。
また、ケース140の形状は特に限定されない。
図2に示す空気バイオ電池100においては、正極110及び負極120は同一の電解質130に接しているが、別々の電解質130に接してもよい。具体的には、例えば、正極110が接する電解質と、負極120が接する電解質とが別の電解質であり、電解質同士が半透膜(透析膜)を介して接している態様が挙げられる。
また、電解質供給部材118は、正極110に電解質130を供給しつつ、電解質130をケース140外に漏出させることなく気体(外気)の透過が可能なものである。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the air bio battery 100 that is an embodiment of the energy generation device according to the present disclosure.
The air bio battery 100 shown in FIG. 2 includes, in a case 140, a positive electrode 110 serving as a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode 120 serving as a second enzyme-immobilized electrode, and an electrolyte 130, The positive electrode is in contact with the electrolyte, and the negative electrode is in contact with the electrolyte. The positive electrode 110 is in contact with outside air via an electrolyte supply member 118 (an example of a gas-liquid separation member).
The positive electrode 110 has a structure in which the enzyme 112 is immobilized on the surface of the electrode 114. Further, it is preferable that an electron mediator is further fixed to the positive electrode 110.
The negative electrode 120 has a structure in which the enzyme 122 is immobilized on the surface of the electrode 124. Further, it is preferable that an electron mediator is further fixed to the negative electrode 120.
The substrate of the enzyme immobilized on the electrode may be further immobilized on at least one electrode selected from the group consisting of the positive electrode 110 and the negative electrode 120.
In the air bio battery 100 shown in FIG. 2, the positive electrode 110 (negative electrode 120) is fixed to the first electrode support 116 (second electrode support 126), but the first electrode support 116 ( The second electrode support 126) may be omitted.
Further, the shape of case 140 is not particularly limited.
In the air bio battery 100 shown in FIG. 2, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 are in contact with the same electrolyte 130, but may be in contact with different electrolytes 130. Specifically, for example, there is an embodiment in which the electrolyte in contact with the positive electrode 110 and the electrolyte in contact with the negative electrode 120 are different electrolytes, and the electrolytes are in contact with each other via a semipermeable membrane (dialysis membrane).
The electrolyte supply member 118 is capable of supplying gas (outside air) without supplying the electrolyte 130 to the positive electrode 110 and leaking the electrolyte 130 out of the case 140.

<酵素及び基質の組み合わせ>
図2に示す空気バイオ電池100は、正極110に固定化された酵素112、負極120に固定化された酵素122、電解質130に含まれる基質等を適宜変更することができる。
例えば、正極110に酵素112としてビリルビン酸化酵素(Bilirubin oxidase、BOD)を、電子メディエータとしてK[Fe(CN)]を固定化した電極を用い、負極120に酵素122としてグルコース脱水素酵素(glucose dehydrogenase、GDH)及びジアホラーゼ(diaphorase、Dp)を、基質としてNADHを、電子メディエータとしてビタミンK3を固定化した電極を用い、電解質130がD−グルコースを含む態様が挙げられる。以下、上記態様の空気バイオ電池を、「空気バイオ電池A」ともいう。
本明細書において、NADHは還元型ニコチンアミドジヌクレオチドを、NADは酸化型ニコチンアミドジヌクレオチドをそれぞれ示す。
空気バイオ電池Aの正極又は負極における反応の詳細を下記に示す。
<Combination of enzyme and substrate>
In the air bio battery 100 shown in FIG. 2, the enzyme 112 immobilized on the positive electrode 110, the enzyme 122 immobilized on the negative electrode 120, the substrate included in the electrolyte 130, and the like can be appropriately changed.
For example, an electrode on which bilirubin oxidase (BOD) is immobilized on the positive electrode 110 as the enzyme 112 and K 3 [Fe (CN) 6 ] is immobilized on the electron mediator, and glucose dehydrogenase ( An embodiment in which an electrode in which glucose dehydrogenase (GDH) and diaphorase (Dp) are immobilized, NADH is immobilized as a substrate, and vitamin K3 is immobilized as an electron mediator, and the electrolyte 130 contains D-glucose. Hereinafter, the air bio battery of the above embodiment is also referred to as “air bio battery A”.
In the present specification, NADH indicates reduced nicotinamide dinucleotide, and NAD + indicates oxidized nicotinamide dinucleotide.
The details of the reaction at the positive electrode or the negative electrode of the air bio battery A are shown below.

上記空気バイオ電池Aにおいては、負極120において上記(1)及び(2)の酵素反応が起こり、電子が発生する。正極110においては、上記(3)の反応が起こり、電子を使用する。このように、空気バイオ電池Aにおいては、酵素反応を用いて、グルコースより電気エネルギーを抽出することが可能である。ここで、図2に示す空気バイオ電池100においては、正極110に固定化された酵素112が電解質供給部材118と密着している。これにより、電解質130中だけでなく、外気からの酸素の取り込みも可能となるため、上記(3)の反応が促進され、電力密度が向上する。
正極110又は負極120に固定化された酵素の至適pH、至適pH等は、特に限定されず、用途、設計に応じて決定すればよい。
In the air bio battery A, the enzyme reactions (1) and (2) occur at the negative electrode 120 to generate electrons. In the positive electrode 110, the above reaction (3) occurs, and electrons are used. As described above, in the air biobattery A, it is possible to extract electric energy from glucose using an enzymatic reaction. Here, in the air bio battery 100 shown in FIG. 2, the enzyme 112 immobilized on the positive electrode 110 is in close contact with the electrolyte supply member 118. Thus, not only the electrolyte 130 but also oxygen can be taken in from the outside air, so that the above-mentioned reaction (3) is promoted and the power density is improved.
The optimal pH, optimal pH, and the like of the enzyme immobilized on the positive electrode 110 or the negative electrode 120 are not particularly limited, and may be determined according to the application and design.

正極110に固定化された酵素、基質、電子メディエータ(Med)、負極120に固定化された酵素、補酵素、電子メディエータ、電解質130に含まれる基質の組み合わせとしては、下記表2に記載の組み合わせが例示されるが、これに限定されるものではない。   The combination of an enzyme, a substrate, and an electron mediator (Med) immobilized on the positive electrode 110, an enzyme, a coenzyme, an electron mediator, and a substrate included in the electrolyte 130 immobilized on the negative electrode 120 are as described in Table 2 below. However, the present invention is not limited to this.

<正極>
正極110は、電極114の表面に酵素112が固定化された構造とすることができる。
酵素112は、電解質130と接するのであれば、例えば電極114の内部に固定化してもよい。
<Positive electrode>
The positive electrode 110 can have a structure in which the enzyme 112 is immobilized on the surface of the electrode 114.
As long as the enzyme 112 is in contact with the electrolyte 130, it may be immobilized inside the electrode 114, for example.

〔電極〕
電極110としては、特に限定されず、電池の分野において公知の電極を使用することが可能であり、グラッシーカーボン等のカーボン電極、プラチナ電極等の金属電極等が用いられ、様々な方法による酵素固定化を行いやすいという観点からは、プラチナ電極が好ましい。
図2に示す空気バイオ電池100においては、第一の電極支持体116に蒸着されたプラチナ電極を使用している。
電極の大きさ及び形状は特に限定されず、用途等に応じて設計すればよい。
〔electrode〕
The electrode 110 is not particularly limited, and a known electrode in the field of batteries can be used. A carbon electrode such as glassy carbon, a metal electrode such as a platinum electrode, or the like is used, and the enzyme is immobilized by various methods. Platinum electrodes are preferred from the viewpoint of easy conversion.
In the air bio battery 100 shown in FIG. 2, a platinum electrode deposited on the first electrode support 116 is used.
The size and shape of the electrode are not particularly limited, and may be designed according to the use or the like.

〔第一の電極支持体〕
第一の電極支持体としては、特に限定されないが、金属電極を蒸着して用いた場合に酵素反応が効率よく進行するという観点からは、多孔質状の材料であることが好ましい。
また、第一の電極支持体としては、特に限定されないが、疎水性の材料が好ましく、疎水性PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PETなどのプラスチックが好ましく挙げられる。
第一の電極支持体としては、特に限定されないが、取り扱いの容易さの観点からは、例えば膜状の支持体が好ましく挙げられる。
(First electrode support)
The first electrode support is not particularly limited, but is preferably a porous material from the viewpoint that the enzymatic reaction proceeds efficiently when a metal electrode is deposited and used.
The first electrode support is not particularly limited, but is preferably a hydrophobic material, and is preferably a plastic such as hydrophobic PTFE (polytetrafluoroethylene) or PET.
The first electrode support is not particularly limited, but from the viewpoint of ease of handling, for example, a film-like support is preferably used.

〔酵素固定化法〕
電極に酵素を固定化する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いればよく、LbL(Layer−by−Layer)法、包括固定化法、架橋法等が挙げられる。
固定化された酵素の量等は特に限定されず、用途に応じて適宜設定すればよい。
酵素を固定化する際に、基質、メディエータ、更にその他の化合物を併せて固定化してもよい。
(Enzyme immobilization method)
The method for immobilizing the enzyme on the electrode is not particularly limited, and a known method may be used, and examples thereof include an LbL (Layer-by-Layer) method, a comprehensive immobilization method, and a crosslinking method.
The amount of the immobilized enzyme and the like are not particularly limited, and may be appropriately set depending on the use.
When the enzyme is immobilized, a substrate, a mediator, and other compounds may be immobilized together.

−LbL法−
LbL法とは、陽イオンが含まれる溶液と陰イオンが含まれる溶液とに基材を交互に浸漬することにより、静電相互作用によりイオンを吸着させて薄膜を形成する方法である。
LbL法として、自己組織化単分子膜(SAM)を形成する方法(SAM/LbL法)も好ましく用いられる。
例えば、正に帯電するpoly(diallyldimethyl ammonium chloride) (PDDA)を含む溶液と、負に帯電するpoly(sodium 4-stylenesulfonate) (PSS)を含む溶液を用い、PDDA溶液、酵素と、必要に応じて基質及び/又はメディエータを含む溶液、PSSを含む溶液の順に電極へと付与することにより形成する方法が挙げられる。
また、SAM/LbL法として、2-mercaptoethanesulfonic acid sodium saltを含む溶液を用いて公知の方法により形成してもよい。
-LbL method-
The LbL method is a method in which a substrate is alternately immersed in a solution containing a cation and a solution containing an anion, thereby adsorbing ions by electrostatic interaction to form a thin film.
As the LbL method, a method of forming a self-assembled monolayer (SAM) (SAM / LbL method) is also preferably used.
For example, using a solution containing poly (diallyldimethyl ammonium chloride) (PDDA) that is positively charged and a solution containing poly (sodium 4-stylenesulfonate) (PSS) that is negatively charged, a PDDA solution and an enzyme are used as necessary. A method of forming the solution by applying the solution containing the substrate and / or the mediator and the solution containing the PSS to the electrode in this order is mentioned.
In addition, as the SAM / LbL method, it may be formed by a known method using a solution containing 2-mercaptoethanesulfonic acid sodium salt.

−包括固定化法−
包括固定化法とは、酵素等を高分子材料でゲル状又は固体状に固め、酵素を含む高分子材料の層を形成することにより酵素等を電極に固定化する方法である。
包括固定化法に用いられる高分子材料としては、上述の紫外線硬化性樹脂が挙げられ、例えば、PVA−SbQ(紫外線硬化性樹脂、スチリルピリジニウム塩を付加したポリビニルアルコール)が好ましく挙げられる。
例えば、PVA−SbQと、酵素と、必要に応じて基質及び/又はメディエータを含む溶液、PSSを含む溶液を調整し、電極上に付与した後に紫外線照射を行う方法が挙げられる。
−Comprehensive immobilization method−
The entrapment immobilization method is a method in which an enzyme or the like is fixed to an electrode by solidifying the enzyme or the like in a gel or solid state with a polymer material and forming a layer of the polymer material containing the enzyme.
Examples of the polymer material used in the entrapping immobilization method include the above-described ultraviolet curable resin, and for example, PVA-SbQ (ultraviolet curable resin, polyvinyl alcohol to which a styrylpyridinium salt is added) is preferable.
For example, there is a method in which a solution containing PVA-SbQ, an enzyme, and if necessary, a solution containing a substrate and / or a mediator, and a solution containing PSS are prepared, applied to an electrode, and then subjected to ultraviolet irradiation.

−架橋法−
架橋法とは、多官能試薬と、酵素と、必要に応じて他のタンパク等の化合物と、を反応させ、巨大な分子を形成させることにより酵素を含む分子を不溶化する方法である。
多官能試薬としては、グルタルアルデヒド等が挙げられる。
他のタンパク等としては、特に限定されないが、BSA(ウシ血清アルブミン、Bovine Serum Albumin)等が挙げられる。
例えば、酵素とBSAと、酵素と、必要に応じてメディエータ及び/又は基質とを混合した溶液を電極上に付与した後、グルタルアルデヒド溶液を付与して乾燥する方法が挙げられる。
-Cross-linking method-
The cross-linking method is a method in which a molecule containing an enzyme is insolubilized by reacting a polyfunctional reagent, an enzyme, and if necessary, a compound such as another protein to form a large molecule.
Examples of the polyfunctional reagent include glutaraldehyde.
Examples of other proteins include, but are not particularly limited to, BSA (bovine serum albumin, Bovine Serum Albumin) and the like.
For example, a method in which a solution in which an enzyme, BSA, an enzyme, and a mediator and / or a substrate are mixed as necessary is applied onto the electrode, and then a glutaraldehyde solution is applied and dried.

<負極>
負極120(固定化された酵素122、電極124)及び第二の電極支持体126としては、酵素、必要に応じて付与される基質及び/又はメディエータとして用いられる化合物種が異なる以外は、正極110と同様の電極が用いられる。
正極と負極のイオン化傾向の差等による正極又は負極の損傷を抑制する観点からは、正極と負極とは、酵素、基質、メディエータ以外は同じ材料により構成されることが好ましい。
<Negative electrode>
The negative electrode 120 (the immobilized enzyme 122 and the electrode 124) and the second electrode support 126 are the same as the positive electrode 110 except that the enzyme, the substrate provided as needed, and / or the compound used as a mediator are different. The same electrodes as described above are used.
From the viewpoint of suppressing damage to the positive electrode or the negative electrode due to a difference in ionization tendency between the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode and the negative electrode are preferably made of the same material except for the enzyme, the substrate, and the mediator.

<電解質>
電解質130としては、特に限定されないが、安全性等の観点からは、水溶液であることが好ましい。
電解質130は、前記負極120に固定化された酵素の基質を含む電解質である。
電解質130中の基質の濃度は特に限定されず、用途に応じて設定すればよい。濃度が高いほど酵素反応が進行しやすく、発電出力が向上することが考えられる。また、用途に応じて、温度変化による基質化合物の析出等を考慮して濃度を低くすることも考えられる。
電解質130のpHは、特に限定されず、例えば負極に固定化された酵素の至適pHとするか、又は、これに近いpHとすることが好ましい。
<Electrolyte>
The electrolyte 130 is not particularly limited, but is preferably an aqueous solution from the viewpoint of safety and the like.
The electrolyte 130 is an electrolyte containing an enzyme substrate immobilized on the negative electrode 120.
The concentration of the substrate in the electrolyte 130 is not particularly limited, and may be set according to the application. It is conceivable that the higher the concentration, the easier the enzymatic reaction proceeds, and the higher the power generation output. It is also conceivable to lower the concentration in consideration of the deposition of the substrate compound due to a temperature change, etc., depending on the application.
The pH of the electrolyte 130 is not particularly limited, and is preferably, for example, an optimum pH of the enzyme immobilized on the negative electrode, or a pH close thereto.

電解質130は、上記基質以外の化合物を更に含んでもよい。
基質以外の化合物としては、公知の防腐剤、湿潤材、消泡剤、安定化剤、有機溶剤等が挙げられる。これらの化合物の含有量は、適宜設定することが可能である。
The electrolyte 130 may further include a compound other than the above substrate.
Compounds other than the substrate include known preservatives, wetting agents, defoamers, stabilizers, organic solvents, and the like. The content of these compounds can be set as appropriate.

<気液隔離部材(電解質供給部材)>
図2に記載の空気バイオ電池100は、電解質供給部材118(気液隔離部材の一例)を備える。
電解質供給部材118は、電解質130と接しており、正極110と接していて、正極110の反対側が開放されていることが好ましく、電解質130をケース140外に漏出させることなく気体(外気)の透過が可能なものである。
電解質供給部材としては、例えばコットンメッシュやPTFEからなる膜等の空隙を有する部材を用いることにより、正極110の少なくとも一部が外気と接するか、又は、外気と正極110の間に存在する電解質の量が、電解質供給部材が存在しない場合と比較して少なくなるため、正極110における反応において酸素等のガスが使用されやすくなり、発電出力が向上しやすくなると考えられる。
電解質供給部材としては、空隙を有する部材であれば特に制限なく使用することが可能であるが、例えば、電解質を供給しやすい観点からは、吸水性の部材が好ましく用いられる。
<Gas-liquid separation member (electrolyte supply member)>
The air bio battery 100 illustrated in FIG. 2 includes an electrolyte supply member 118 (an example of a gas-liquid separation member).
The electrolyte supply member 118 is in contact with the electrolyte 130, is in contact with the positive electrode 110, and preferably has an open side opposite to the positive electrode 110, and allows gas (outside air) to permeate without leaking the electrolyte 130 out of the case 140. Is possible.
As the electrolyte supply member, for example, by using a member having a void such as a film made of cotton mesh or PTFE, at least a part of the positive electrode 110 is in contact with the outside air, or the electrolyte existing between the outside air and the positive electrode 110 Since the amount is smaller than when the electrolyte supply member is not present, it is considered that a gas such as oxygen is easily used in the reaction at the positive electrode 110, and the power generation output is likely to be improved.
As the electrolyte supply member, any member having a gap can be used without particular limitation. For example, a water-absorbing member is preferably used from the viewpoint of easily supplying the electrolyte.

<位置関係>
正極110、負極120、電解質130等の位置関係は、特に限定されない。
正極110における酵素反応がガスを用いる反応である場合、ガスを利用しやすくする観点から、正極110は電解質130と外気との界面付近に存在する(特に、電解質供給部材118と密着させる)ことが好ましい。
<Position relation>
The positional relationship between the positive electrode 110, the negative electrode 120, the electrolyte 130, and the like is not particularly limited.
When the enzymatic reaction in the positive electrode 110 is a reaction using a gas, the positive electrode 110 may be present near the interface between the electrolyte 130 and the outside air (particularly, in close contact with the electrolyte supply member 118) from the viewpoint of facilitating the use of the gas. preferable.

<ガス放出装置との併用>
図3は、本開示に係るエネルギー発生装置として、本開示に係るガス放出装置の一実施形態であるガス供給装置と、前記ガス供給装置により供給されるガスを利用してエネルギーを発生する電池部と、を備える電池の一例(図1に示すガス供給装置10と、図2に示す空気バイオ電池100との組み合わせに相当)を示す概略断面図である。
図3に記載の電池200は、
ケース40(下部ケース)、第一の酵素固定化膜12、第二の酵素固定化膜22、第一の支持体14、第二の支持体24、特定溶液30、及び、上部ケース48を備えるガス供給装置と、
ケース140、正極110、電解質供給部材118、第一の電極支持体116、負極120、第二の電極支持体126、及び、電解質130を備える電池部(空気バイオ電池)と、を備える。
なお、特定溶液30と電解質130とは、同一の溶液であっても異なる溶液であってもよいが、同一として相互に流通可能であれば、一つの溶液で電池200を構成できるので好ましい。
図3中、52a及び52b、54a及び54b、並びに、56a及び56bはそれぞれ1本のO−リングの断面を表す。図3に示すように、O−リング等の部材を用いて各部材を固定することによりガス供給装置と電池部とを構成することが可能である。O−リングとしてはゴム製、シリコン製等のものが挙げられる。
図3に記載の電池200において、上記ガス供給装置より開口部46及び開口部44を含む空間142にガスが供給され、上記電池部の正極110におけるガスを用いる酵素反応が進行しやすくなると考える。
例えば、上記電池部が上述の空気バイオ電池Aである場合、ガス供給装置として上述のガス供給装置Aを用いることが好ましい。
空気バイオ電池Aとガス供給装置Aとを組み合わせて用いることにより、空気バイオ電池Aの正極に高濃度の酸素が供給され、酸素を使用した反応が進行しやすくなるため、空気バイオ電池Aの発電出力が上昇すると考えられる。
このように、本開示に係るガス供給装置と、前記ガス供給装置により供給されるガスを利用してエネルギーを発生する電池部と、を備える電池は、発電出力に優れると考えられる。
<Combined use with gas release device>
FIG. 3 shows a gas supply device, which is an embodiment of a gas release device according to the present disclosure, as an energy generation device according to the present disclosure, and a battery unit that generates energy using gas supplied by the gas supply device. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a battery including (corresponding to a combination of the gas supply device 10 illustrated in FIG. 1 and the air bio battery 100 illustrated in FIG. 2).
The battery 200 shown in FIG.
A case 40 (a lower case), a first enzyme-immobilized membrane 12, a second enzyme-immobilized membrane 22, a first support 14, a second support 24, a specific solution 30, and an upper case 48 are provided. A gas supply device;
A case 140, a positive electrode 110, an electrolyte supply member 118, a first electrode support 116, a negative electrode 120, a second electrode support 126, and a battery unit (air bio battery) including the electrolyte 130 are provided.
Note that the specific solution 30 and the electrolyte 130 may be the same solution or different solutions. However, it is preferable that the specific solution 30 and the electrolyte 130 be the same so that the battery 200 can be constituted by one solution.
3, 52a and 52b, 54a and 54b, and 56a and 56b each represent a cross section of one O-ring. As shown in FIG. 3, it is possible to configure the gas supply device and the battery unit by fixing each member using a member such as an O-ring. Examples of the O-ring include those made of rubber and silicon.
In the battery 200 shown in FIG. 3, it is considered that the gas is supplied from the gas supply device to the space 142 including the opening 46 and the opening 44, and the enzyme reaction using the gas in the positive electrode 110 of the battery unit proceeds easily.
For example, when the battery unit is the air bio battery A, it is preferable to use the gas supply device A as the gas supply device.
By using the air bio-battery A and the gas supply device A in combination, a high concentration of oxygen is supplied to the positive electrode of the air bio-battery A, and the reaction using the oxygen easily proceeds. It is considered that the output increases.
As described above, a battery including the gas supply device according to the present disclosure and the battery unit that generates energy using the gas supplied by the gas supply device is considered to have excellent power generation output.

(エネルギー発生装置)
本開示に係るエネルギー発生装置は、第一の酵素固定化電極である正極と、第二の酵素固定化電極である負極と、前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、前記電解質を漏出させることなく気体の透過が可能な気液隔離部材と、を含み、前記正極に固定化された酵素が前記電解質及び前記気液隔離部材と接し、前記負極が前記電解質と接して電力を発生する。
本開示に係るエネルギー発生装置は、上述の気液隔離部材を必須の構成として含み、正極に固定化された酵素が気液隔離部材とも接する以外は上述のエネルギー発生部と同様であり、各構成の好ましい態様も同様である。
また、本開示に係るエネルギー発生装置の好適な例としては、上述の空気バイオ電池が挙げられる。
また、本開示に係る電池(エネルギー発生装置の一例)は、第一の酵素固定化電極である正極と、第二の酵素固定化電極である負極と、前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、を含み、前記正極と前記電解質とが接し、前記負極と前記電解質とが接している。
本開示に係る電池は、上述の空気バイオ電池と同様であり、好ましい態様も同様である。
(Energy generator)
The energy generating apparatus according to the present disclosure includes a positive electrode that is a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode, an electrolyte including an enzyme substrate immobilized on the negative electrode, and the electrolyte. A gas-liquid separating member capable of transmitting gas without leaking, and an enzyme fixed to the positive electrode is in contact with the electrolyte and the gas-liquid separating member, and the negative electrode is in contact with the electrolyte to supply power. appear.
The energy generating device according to the present disclosure includes the above-described gas-liquid separating member as an essential component, and is the same as the above-described energy generating portion except that the enzyme fixed to the positive electrode also contacts the gas-liquid separating member. The preferred embodiment is also the same.
In addition, a preferable example of the energy generation device according to the present disclosure includes the above-described air bio battery.
In addition, the battery (an example of an energy generation device) according to the present disclosure includes a positive electrode that is a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode, and a substrate of the enzyme immobilized on the negative electrode. Wherein the positive electrode and the electrolyte are in contact with each other, and the negative electrode and the electrolyte are in contact with each other.
The battery according to the present disclosure is the same as the above-described air bio battery, and the preferred embodiment is also the same.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist of the present invention.

(ガス供給装置の作製)
<第一の酵素固定化膜の作製>
グルコース酸化酵素(Sigma−Aldrich社製、10 units/cm)とピラノース酸化酵素(Sigma−Aldrich社製、2 units/cm)とPVA−SbQ(東洋合成工業社製、6.25 mg/cm)、リン酸緩衝液(pH7、50 mmol/l、3 μl/cm)を溶媒とした混合液を調整した。
上記混合液を第一の支持体である透析膜(家田貿易(株)製)に、塗布し、紫外線照射にて包括固定化して第一の酵素固定化膜を作製した。
(Production of gas supply device)
<Preparation of the first enzyme-immobilized membrane>
Glucose oxidase (Sigma-Aldrich, 10 units / cm 2 ), pyranose oxidase (Sigma-Aldrich, 2 units / cm 2 ), and PVA-SbQ (Toyo Gosei Co., 6.25 mg / cm) 2 ) A mixed solution was prepared using a phosphate buffer (pH 7, 50 mmol / l, 3 μl / cm 2 ) as a solvent.
The above mixed solution was applied to a dialysis membrane (manufactured by Ieda Trading Co., Ltd.) as a first support, and was comprehensively immobilized by irradiation with ultraviolet rays to produce a first enzyme-immobilized membrane.

<第二の酵素固定化膜の作製>
カタラーゼ(Sigma−Aldrich社製、18.3 units/cm)とPVA−SbQ(東洋合成工業社製、6.25 mg/cm)、及び、リン酸緩衝液(pH7、50 mmol/l、3 μl/cm)を混合して溶媒の混合液を調整した。
上記混合液を第二の支持体である透析膜(家田貿易(株)製)に、塗布し、紫外線照射にて包括固定化して第二の酵素固定化膜を作製した。
<Preparation of second enzyme-immobilized membrane>
Catalase (manufactured by Sigma-Aldrich, 18.3 units / cm 2 ) and PVA-SbQ (manufactured by Toyo Gosei Co., Ltd., 6.25 mg / cm 2 ), and a phosphate buffer (pH 7, 50 mmol / l, 3 μl / cm 2 ) to prepare a solvent mixture.
The above mixed solution was applied to a dialysis membrane (manufactured by Ieda Trading Co., Ltd.) as a second support, and was comprehensively immobilized by irradiation with ultraviolet rays to prepare a second enzyme-immobilized membrane.

<ガス供給装置の作製>
作製した第一の酵素固定化膜及び第二の酵素固定化膜を用いて、ガス供給装置を作製した。
図4は実施例において作製したガス供給装置の写真である。
図4A及び図4Bに示すように、上部ケース210と下部ケース212に、透明な第一の支持体14の一面に塗布された第一の酵素固定化膜12と、透明な第二の支持体24の一面に塗布された第二の酵素固定化膜22と、をそれぞれセットした。第一の酵素固定化膜12は半透明のO−リング52を用いて、第二の酵素固定化膜22は半透明のO−リング54を用いてそれぞれ固定した。
続いて、図Cに示すように、上部ケース210と下部ケース212を嵌め合わせることによりガス供給装置を作製した。
第一の酵素固定化膜12と第二の酵素固定化膜22の間には、5mmol/lのD−グルコース水溶液214(図5参照)を充填した。D−グルコース水溶液214は、上述の特定溶液30に該当する。
図5は、図4に記載したガス供給装置における第一の酵素固定化膜12、及び、第二の酵素固定化膜22の取り付けの向きを示す概略断面図である。
図5において、矢印Aの示す方向が図4における上部ケース側であり、矢印Bの示す方向が図4における下部ケース側である。
図5に示すように、実施例において作製したガス供給装置においては、第一の酵素固定化膜12と、D−グルコース水溶液214との間に第一の支持体14が存在し、かつ、第二の酵素固定化膜22と、D−グルコース水溶液214との間に第二の支持体24が存在する。
得られたガス供給装置において、第一の支持体14とD−グルコース水溶液214が接する面積は、第一の酸素固定化膜12と空気が接する面積である7.1cmよりもやや大きく、第二の支持体24とD−グルコース水溶液214とが接する面積は、第二の酸素固定化膜12と空気が接する面積である7.1cmよりもやや大きくした。
<Production of gas supply device>
Using the first and second enzyme-immobilized membranes produced, a gas supply device was produced.
FIG. 4 is a photograph of the gas supply device manufactured in the example.
As shown in FIGS. 4A and 4B, a first enzyme-immobilized membrane 12 applied to one surface of a transparent first support 14 and a transparent second support are provided on an upper case 210 and a lower case 212. 24, and the second enzyme-immobilized membrane 22 applied to one surface of each of them. The first enzyme-immobilized membrane 12 was immobilized using a translucent O-ring 52, and the second enzyme-immobilized membrane 22 was immobilized using a translucent O-ring 54.
Subsequently, as shown in FIG. C, a gas supply device was manufactured by fitting the upper case 210 and the lower case 212 together.
The space between the first enzyme-immobilized membrane 12 and the second enzyme-immobilized membrane 22 was filled with a 5 mmol / l D-glucose aqueous solution 214 (see FIG. 5). The D-glucose aqueous solution 214 corresponds to the specific solution 30 described above.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a mounting direction of the first enzyme-immobilized membrane 12 and the second enzyme-immobilized membrane 22 in the gas supply device shown in FIG.
5, the direction indicated by arrow A is on the upper case side in FIG. 4, and the direction indicated by arrow B is on the lower case side in FIG.
As shown in FIG. 5, in the gas supply device manufactured in the example, the first support 14 exists between the first enzyme-immobilized membrane 12 and the D-glucose aqueous solution 214, and A second support 24 exists between the second enzyme-immobilized membrane 22 and the D-glucose aqueous solution 214.
In the obtained gas supply device, the area where the first support 14 and the D-glucose aqueous solution 214 are in contact is slightly larger than the area where the first oxygen-fixed membrane 12 and the air are in contact with 7.1 cm 2 . The area where the second support 24 is in contact with the aqueous D-glucose solution 214 is slightly larger than the area where the second oxygen immobilization membrane 12 is in contact with air, which is 7.1 cm 2 .

<ガス供給装置の評価>
得られたガス供給装置の酸素供給能力を測定し、ガス供給装置のガス供給能の評価とした。
具体的には、図4Dにおける開口部42にチューブを接続し、チューブの先に酸素濃度計(エイブル社製)を接続した。チューブ内に外気が入り込まないよう、開口部42及び酸素濃度計に接続されたチューブの内部は、密閉空間とした。チューブの内径は1mm、チューブの長さは5cmとした。
酸素濃度は毎秒測定し、計40分間測定を継続した。測定環境は室温(25℃)とした。
測定に際しては、上記D−グルコース溶液を純水へと変更したガス供給装置を用いて、測定開始後2分の時点で純水を5mmol/LのD−グルコース溶液(pH=7.0)へと変更した。
測定結果を図6に示す。
図6の縦軸は酸素濃度(体積%)、横軸は時間(分)を表している。
図6から、今回の実施条件においては、大気中の酸素濃度(約)20.9%(体積%)が、約20分で約29%(体積%)まで上昇していることがわかる。
すなわち、本実施例におけるガス供給装置は、酵素反応を用いてガスを供給することが可能であることがわかる。なお、図5の変形例として、第一の支持体14と、D−グルコース水溶液214との間に第一の酵素固定化膜12を存在させる構成や、第二の支持体24と、D−グルコース水溶液214との間に第二の酵素固定化膜22を存在させる構成も考えられるが、第一の支持体14を矢印A側に配置及び/又は第二の支持体24を矢印B側に配置した場合には、酸素濃度の上昇が鈍くなるため、図5に示す取り付け方向とすることが好ましい。
また、5mmol/LのD−グルコース溶液は、健常者の血液中の血糖値に相当する量である。すなわち、本実施例におけるガス供給装置によれば、血液等を用いることによるガス供給も可能である点が示唆されているといえる。
<Evaluation of gas supply device>
The oxygen supply capability of the obtained gas supply device was measured, and the gas supply capability of the gas supply device was evaluated.
Specifically, a tube was connected to the opening 42 in FIG. 4D, and an oxygen concentration meter (manufactured by Able) was connected to the end of the tube. The inside of the tube connected to the opening 42 and the oximeter was a closed space so that outside air did not enter the tube. The inner diameter of the tube was 1 mm, and the length of the tube was 5 cm.
The oxygen concentration was measured every second, and the measurement was continued for a total of 40 minutes. The measurement environment was room temperature (25 ° C.).
At the time of measurement, pure water was converted into a 5 mmol / L D-glucose solution (pH = 7.0) at 2 minutes after the start of measurement using a gas supply device in which the D-glucose solution was changed to pure water. Was changed.
FIG. 6 shows the measurement results.
The vertical axis of FIG. 6 represents the oxygen concentration (vol%), and the horizontal axis represents the time (minute).
From FIG. 6, it can be seen that, under the present implementation conditions, the oxygen concentration (about) 20.9% (vol%) in the atmosphere increased to about 29% (vol%) in about 20 minutes.
That is, it is understood that the gas supply device in the present embodiment can supply gas using an enzyme reaction. As a modified example of FIG. 5, a configuration in which the first enzyme-immobilized membrane 12 is present between the first support 14 and the D-glucose aqueous solution 214, a second support 24, A configuration in which the second enzyme-immobilized membrane 22 is present between the glucose aqueous solution 214 and the first support 14 is arranged on the arrow A side and / or the second support 24 is arranged on the arrow B side. When they are arranged, the increase in the oxygen concentration is slowed down. Therefore, the mounting direction is preferably as shown in FIG.
The 5 mmol / L D-glucose solution is an amount corresponding to the blood glucose level in the blood of a healthy individual. That is, it can be said that it is suggested that the gas supply device in the present embodiment can supply gas by using blood or the like.

(電池の作製)
<正極の作製>
正極は、グラッシーカーボン(ガラス状炭素、GC)電極又はプラチナ(Pt)電極上に、SAM/LbL法により単層の自己組織化単分子膜を形成する方法により作製した。
(Production of battery)
<Preparation of positive electrode>
The positive electrode was formed by a method of forming a single-layer self-assembled monolayer on a glassy carbon (glassy carbon, GC) electrode or a platinum (Pt) electrode by a SAM / LbL method.

−電極の作製−
GC電極としては、研磨装置(PK-3 Electrode Polishing kit, ALS社製)を用いて端面を研磨処理した電極を用いた。
Pt電極は、疎水性多孔質PTFE膜(直径:0.22μm,厚さ:150μm,Millipore)に、スパッタ法にてPt(厚さ:200nm)を成膜して作製した。
次に、Pt電極表面と溶液の親和性を高めるために、大気圧プラズマ装置(Aiplasma,Panasonic Electric)を用いて親水処理を施した。最後に、電極感応部及び端子部以外をpolydimethylsiloxane(PDMS)を用いて絶縁化被覆した。
-Preparation of electrodes-
As the GC electrode, an electrode whose end face was polished using a polishing apparatus (PK-3 Electrode Polishing kit, manufactured by ALS) was used.
The Pt electrode was formed by forming Pt (thickness: 200 nm) on a hydrophobic porous PTFE film (diameter: 0.22 μm, thickness: 150 μm, Millipore) by a sputtering method.
Next, in order to increase the affinity between the surface of the Pt electrode and the solution, a hydrophilic treatment was performed using an atmospheric pressure plasma device (Aiplasma, Panasonic Electric). Finally, parts other than the electrode sensitive part and the terminal part were insulated and coated with polydimethylsiloxane (PDMS).

−酵素の固定化−
上述のGC電極には、PDDA溶液、BOD(天野エンザイム(株)製)、K3[Fe(CN)](富士フイルム和光純薬(株)製)を含む溶液、PSSを含む溶液を、この順に付与することにより酵素の固定化を行った。
また、親水処理及び絶縁化被覆されたPt電極を2−mercaptoethanesulfonic acid sodium salt (MESNA, 東京化成工業製)溶液(1mM、溶媒:エタノール)中に1時間浸漬し、Pt電極表面にMESNAの自己組織化単分子膜を形成した。その後、GC電極と同様の手順で酵素の固定化を行った。
-Immobilization of enzyme-
The above-mentioned GC electrode includes a PDDA solution, a solution containing BOD (manufactured by Amano Enzyme Co., Ltd.), a solution containing K3 [Fe (CN) 6 ] (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and a solution containing PSS. Immobilization of the enzyme was performed by sequentially applying.
Further, the Pt electrode coated with the hydrophilic treatment and insulated was immersed in a 2-mercaptoethanesulfonic acid sodium salt (MESNA, manufactured by Tokyo Kasei Kogyo) solution (1 mM, solvent: ethanol) for 1 hour, and the self-organized MESNA was placed on the surface of the Pt electrode. A monomolecular film was formed. Thereafter, the enzyme was immobilized in the same procedure as in the GC electrode.

<負極の作製>
負極は、GC電極又はPt電極上に、LbL法により作製した。
GC電極又はPt電極としては、正極に使用したものと同様のものを使用した。
<Preparation of negative electrode>
The negative electrode was formed on a GC electrode or a Pt electrode by the LbL method.
As the GC electrode or the Pt electrode, the same electrode as that used for the positive electrode was used.

−酵素の固定化−
上述の親水処理及び絶縁化被覆されたPt電極の表面に対し、PDDA溶液、GDH(東洋紡(株)製)、Dp(オリエンタル酵母(株)製)、NADH(オリエンタル酵母(株)製)及びビタミンK3(ナカライテスク(株)製)を含む溶液、PSSを含む溶液を、この順に付与することにより酵素の固定化を行った。
-Immobilization of enzyme-
A PDDA solution, GDH (manufactured by Toyobo Co., Ltd.), Dp (manufactured by Oriental Yeast Co., Ltd.), NADH (manufactured by Oriental Yeast Co., Ltd.) and vitamin The enzyme was immobilized by applying a solution containing K3 (manufactured by Nacalai Tesque, Inc.) and a solution containing PSS in this order.

<電池の作製>
上述の正極及び負極を図2に記載のように組み合わせて、電池1〜電池2を作製した。
上述の実施例において作製したガス供給装置、及び、上述の正極及び負極を図3に記載のように組み合わせて、電池3〜電池4を作製した。
電解質供給部材118としては、コットン製メッシュ(直径:700μm、厚さ:100μm)を用いた。
電池5においては、上述の正極及び負極を図2に記載のように組み合わせて、正極部分に存在する外気における酸素濃度を、市販のエアチャージャー(MS−X1、Panasonic)を用いて26.8%(体積%)とした。
電池1〜電池5において、使用した正極及び負極の組み合わせは表3に記載した。
電解質130としては、5mmol/LのD−グルコース溶液を用いた。
表3中、ガス供給装置の欄における括弧内の%の記載は、正極部分に存在する外気に含まれる酸素濃度(体積%)を示す。
<Production of battery>
The above-described positive electrode and negative electrode were combined as shown in FIG.
Batteries 3 to 4 were manufactured by combining the gas supply device manufactured in the above-described example and the above-described positive electrode and negative electrode as shown in FIG.
As the electrolyte supply member 118, a mesh made of cotton (diameter: 700 μm, thickness: 100 μm) was used.
In the battery 5, the positive electrode and the negative electrode described above are combined as shown in FIG. 2, and the oxygen concentration in the outside air existing in the positive electrode portion is set to 26.8% using a commercially available air charger (MS-X1, Panasonic). (% By volume).
Table 3 shows the combinations of the positive electrode and the negative electrode used in Battery 1 to Battery 5.
As the electrolyte 130, a 5 mmol / L D-glucose solution was used.
In Table 3, the description of% in parentheses in the column of the gas supply device indicates the concentration (% by volume) of oxygen contained in the outside air existing in the positive electrode portion.

<発電出力の測定>
バイオ電池を構築し、5 mmol/lグルコース溶液中における発電特性を調べた。作製した酵素固定化電極をエレクトロメータ(8240,ADCMT)に接続した後、両電極間に可変抵抗器(0〜1000kΩ)を接続する。可変抵抗の抵抗値を変化させた際の出力をエレクトロメータにて測定し、抵抗値と記録した電圧値から発電による電流密度及び電力密度を算出し、発電特性を評価した。

上記方法により得られた最大電力密度を発電出力の指標とし、表3に記載した。
<Measurement of power generation output>
A bio battery was constructed, and the power generation characteristics in a 5 mmol / l glucose solution were examined. After connecting the produced enzyme-immobilized electrode to an electrometer (8240, ADCMT), a variable resistor (0 to 1000 kΩ) is connected between both electrodes. The output when the resistance value of the variable resistor was changed was measured with an electrometer, and the current density and the power density by power generation were calculated from the resistance value and the recorded voltage value, and the power generation characteristics were evaluated.

Table 3 shows the maximum power density obtained by the above method as an index of the power generation output.

また、電池2(2)及び電池4(4)における発電特性の評価結果を図7に示す。
図7中、縦軸は電力密度(μW/cm)を、横軸は電圧(mV)を示しており、各グラフにおける縦軸方向の最大値が最大電力密度である。
FIG. 7 shows the evaluation results of the power generation characteristics of Battery 2 (2) and Battery 4 (4).
In FIG. 7, the vertical axis indicates the power density (μW / cm 2 ) and the horizontal axis indicates the voltage (mV), and the maximum value in the vertical axis direction in each graph is the maximum power density.

電池1〜電池5の結果から、本開示に係る電池は発電特性を有しており、電池として使用可能であることがわかる。
また、上記電池における電解質として用いた5mmol/LのD−グルコース溶液は、健常者の血液中の血糖値に相当する量である。すなわち、本実施例における電池によれば、血液等を用いることによる発電も可能となることが示唆されているといえ、例えばペースメーカーのような生体埋め込み型の電子機器において、半永久的に電池交換が必要なくなる。また、汗中の乳酸等による発電も考えられ、アスリートの疲労管理や熱中症の監視向け自己駆動型ウェアラブル・ヘルスケアデバイス等への応用も可能といえる。
電池1及び電池2の結果から、正極及び負極としてPt電極を用いた場合には、正極及び負極としてPt電極を用いた場合と比較して、約2.3倍の発電出力が得られていることがわかる。
また、電池2及び電池4の結果から、本開示に係るガス供給装置を用いた場合には、約1.3倍の発電出力が得られていることがわかる。
The results of Battery 1 to Battery 5 indicate that the battery according to the present disclosure has power generation characteristics and can be used as a battery.
The amount of the 5 mmol / L D-glucose solution used as the electrolyte in the battery was equivalent to the blood glucose level in the blood of a healthy individual. In other words, it is suggested that the battery according to the present embodiment also enables power generation by using blood or the like.For example, in a biological implantable electronic device such as a pacemaker, the battery can be replaced semipermanently. No longer needed. Further, power generation by lactic acid or the like in sweat is also conceivable, and it can be said that application to a self-driven wearable health care device for athlete fatigue management and heat stroke monitoring is possible.
From the results of Battery 1 and Battery 2, the power generation output was approximately 2.3 times higher when the Pt electrode was used as the positive electrode and the negative electrode than when the Pt electrode was used as the positive electrode and the negative electrode. You can see that.
Also, from the results of Battery 2 and Battery 4, it can be seen that when the gas supply device according to the present disclosure is used, approximately 1.3 times the power generation output is obtained.

10 ガス供給装置
12 第一の酵素固定化膜
14 第一の支持体
22 第二の酵素固定化膜
24 第二の支持体
30 特定溶液
40 ケース
42、44、46 開口部
48 上部ケース
52、52a、52b、54、54a、54b、56a、56b O−リング
100 空気バイオ電池
110 正極
112 酵素
114 電極
116 第一の電極支持体
118 電解質供給部材
120 負極
122 酵素
124 電極
126 第二の電極支持体
130 電解質
140 ケース
142 空間
200 電池
210 上部ケース
212 下部ケース
214 D−グルコース水溶液
A 上部ケース側
B 下部ケース側
Reference Signs List 10 gas supply device 12 first enzyme-immobilized membrane 14 first support 22 second enzyme-immobilized membrane 24 second support 30 specific solution 40 case 42, 44, 46 opening 48 upper case 52, 52a , 52b, 54, 54a, 54b, 56a, 56b O-ring 100 Air bio battery 110 Positive electrode 112 Enzyme 114 Electrode 116 First electrode support 118 Electrolyte supply member 120 Negative electrode 122 Enzyme 124 Electrode 126 Second electrode support 130 Electrolyte 140 Case 142 Space 200 Battery 210 Upper case 212 Lower case 214 D-glucose aqueous solution A Upper case side B Lower case side

Claims (5)

第一の酵素固定化部材と、第二の酵素固定化部材と、前記第一の酵素固定化部材に固定化された酵素の基質及び前記第二の酵素固定化部材に固定化された酵素の基質よりなる群から選ばれた少なくとも一方の基質を含む溶液と、を備え、
前記第一の酵素固定化部材及び前記第二の酵素固定化部材が前記溶液と接しており、
前記第二の酵素固定化部材における前記溶液と接している側とは反対側へガスを放出する、
ガス放出装置。
A first enzyme-immobilized member, a second enzyme-immobilized member, and a substrate of the enzyme immobilized on the first enzyme-immobilized member and the enzyme immobilized on the second enzyme-immobilized member. A solution containing at least one substrate selected from the group consisting of substrates,
The first enzyme-immobilized member and the second enzyme-immobilized member are in contact with the solution,
Releasing gas to the opposite side of the second enzyme immobilization member from the side in contact with the solution,
Outgassing device.
前記第一の酵素固定化部材に固定化された酵素がグルコース酸化酵素及びピラノース酸化酵素であり、前記第二の酵素固定化部材に固定化された酵素がカタラーゼであり、前記溶液に含まれる基質がD−グルコースであり、前記ガスが酸素である、請求項1に記載のガス放出装置。   The enzymes immobilized on the first enzyme immobilization member are glucose oxidase and pyranose oxidase, and the enzymes immobilized on the second enzyme immobilization member are catalase, and the substrate contained in the solution. 2. The gas release device according to claim 1, wherein D is glucose and the gas is oxygen. 請求項1又は請求項2に記載のガス放出装置と、前記ガス放出装置により放出されるガスを利用してエネルギーを発生するエネルギー発生部と、を備える
エネルギー発生装置。
An energy generating device comprising: the gas releasing device according to claim 1 or 2; and an energy generating unit that generates energy by using gas released by the gas releasing device.
前記エネルギー発生部が、第一の酵素固定化電極である正極と、第二の酵素固定化電極である負極と、前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、を含み、前記正極に固定化された酵素が前記電解質と接し、前記負極に固定化された酵素が前記電解質と接して電力を発生する、請求項3に記載のエネルギー発生装置。   The energy generating unit includes a positive electrode that is a first enzyme-immobilized electrode, a negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode, and an electrolyte including a substrate of an enzyme immobilized on the negative electrode. The energy generator according to claim 3, wherein the enzyme immobilized on the negative electrode contacts the electrolyte, and the enzyme immobilized on the negative electrode contacts the electrolyte to generate power. 第一の酵素固定化電極である正極と、
第二の酵素固定化電極である負極と、
前記負極に固定化された酵素の基質を含む電解質と、
前記電解質を漏出させることなく気体の透過が可能な気液隔離部材と、を含み、
前記正極に固定化された酵素が前記電解質及び前記気液隔離部材と接し、前記負極が前記電解質と接して電力を発生する
エネルギー発生装置。
A positive electrode, which is a first enzyme-immobilized electrode,
A negative electrode that is a second enzyme-immobilized electrode;
An electrolyte containing an enzyme substrate immobilized on the negative electrode,
A gas-liquid separator capable of transmitting gas without allowing the electrolyte to leak out,
An energy generating device, wherein an enzyme immobilized on the positive electrode contacts the electrolyte and the gas-liquid separating member, and the negative electrode contacts the electrolyte to generate electric power.
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