JP4440732B2 - 水素生産能を有する微生物の培養装置および生物的水素製造方法 - Google Patents
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Description
一方、微生物による生物的水素製造方法は常温常圧の反応条件であること、そして発生するガスにはCOが含まれないためその除去も不要である。
このような観点から、微生物による生物的水素製造は燃料電池用燃料供給方法のより好ましい方法として、注目されている。
このように、増殖が極めて遅いので、水素発生能力を有する嫌気性微生物の培養液中の濃度が少なく、水素発生速度は十分ではなく、工業的有利に実施が質的、量的に可能な程度な水素生産能を有する微生物を得ることは容易ではなかった。この点に関して、一段の向上が求められている。
嫌気性微生物の分裂増殖に依存した従来の水素製造方法の上記の問題は、換言すれば、従来の技術では水素発生反応器内で高密度の嫌気性微生物の獲得及び嫌気性微生物の水素発生機能の獲得を短時間で同時に実現する方法を見出せなかったことによる。
本発明は嫌気性微生物による水素製造方法に関するこれら技術的課題を解決することを目的とする。本発明の目的は、水素発生反応に充分な菌体数の嫌気性微生物の短時間での獲得、そのようにして得た嫌気性微生物の短時間での水素発生機能の獲得、そのために適した装置及び水素の工業的有利な製造を実現する方法を提供することにある。
特にこの装置を用いることにより、高い水素生産能を有する微生物を大量に得ることが可能となる。
すなわち、本発明は、
(1)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水素生産能をもつ微生物を培養する装置において、培養槽から培養液を循環させる循環系と、この循環系の一部に、微生物と上清成分とからなる培養液から上清成分を分離する分離フィルター部を備えるとともに、培地成分を含む溶液を培養槽に加える機構を配備していることを特徴とする水素生産能を有する微生物の培養装置、
(2)微生物からの上清成分を分離する分離フィルター部において、培養液の微生物濃度が、培養液が循環する分離フィルター部の前後で、濃縮されることを特徴とする請求項1に記載の水素生産能を有する微生物の培養装置、
(3)培養槽から循環させる培養液中の上清成分の単位時間あたり入れ換わる回数が、0.1〜60回/時の範囲であることを特徴とする請求項1、2に記載の水素生産能を有する微生物の培養装置、
(4)上記(1)〜(3)のいずれかに記載の装置を用いて得られた水素生産能を有する微生物を、還元状態にある水素発生用溶液に加え、該溶液に有機性基質を供給し、水素を発生させることを特徴とする生物的水素製造方法、
に関する。
すなわち、本発明は全体として、特定の菌体を好気的条件で培養して菌体を増殖させる第1工程と、ついで増殖した菌体を嫌気的条件下の培養液中における有機酸および/またはアルコールの濃度を制御しながら培養して菌体に水素発生能力を付与する第2工程と、このように水素発生能力を付与した菌体を還元状態にある水素発生溶液に加え有機性基質を供給して水素を発生させる第3工程を含む。
第一工程は、上記の微生物を好気的条件で、培養して増殖させることにより行われる。
培地としては例えば下記表1のものが挙げられる。
なお、培養は、通常、通気攪拌、振盪等の好気的条件下に行う。これら微生物の好気的条件における培養は従来よく知られているので、それらに従ってもよい。
第1工程の培養終了時の微生物培養液中の濃度(w/w%)は、培養開始時に比較して約2〜1000倍程度とするのがよい。
第1工程により得られる菌体は菌数は増加しているが、水素発生能力を有しない。
分離の方法としては、遠心分離、膜分離などによる、一般的な方法が用いられる。好気的培養された微生物を分離回収しないで使用することは、好気的条件での培養時に生成した細胞内外に存在する代謝産物が、水素生産能を有する微生物を培養するのに悪影響を及ぼすために好ましくない。
ただし、好気的条件で増殖させた菌体は水素発生能力を有しない。第2工程前の菌体の分離には例えば遠心分離、ろ過等が挙げられる。回収された菌体は、嫌気的条件で培養液(水素発生能力誘導培地)中に懸濁して培養して、菌体に水素発生能力を付与する。すなわち、水素発生能力が第2工程によって菌体に付与される。
培地としては下記表2のものが挙げられる。
分離フィルター部2においては、図1では培養槽外に分離フィルター部2を載置している構成図を示しているものの、培養槽内に分離フィルター部2を載置しても構わない。その場合、培養槽から培養液の上清が排出されることが可能であればよい。微生物と培養液の上清とを分離する方法としは、沈降分離、遠心分離、ろ過分離による方法等が挙げられる。
沈降分離による方法は、微生物と培養液の上清の比重差で分離するために、微生物に対するダメージが少なくなるために好ましい。
遠心分離による方法は遠心力を発生させ、沈降速度を高めることが可能な遠心分離機は分離にかかる時間を短縮することが可能となるために好ましい。特に連続式遠心分離機を用いることが連続的に分離する場合に好ましい。
クロスフローろ過方法の膜の構造としては、平膜カセット、中空糸、管状膜などを用いることが可能であり、特に濃縮した液の回収率の高さから、平膜カセット、中空糸が好ましく用いることが出来る。
クロスフローろ過方法の膜の材質としては、再生セルロース、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルスルフォンなどの高分子系の膜、アルミナなどのセラミック系の膜を用いることが可能である。膜の細孔径としては、微生物と培養液の上清成分を分離する孔径としては、0.01〜5.00μmが好ましい。
本発明の培養装置を用いた攪拌培養する系において、培養液中の上清の単位時間あたり入れ換わる回数は、1時間当たりに0.1〜60回入れ換わることが好ましい。1時間当たり0.1回以下の場合は、嫌気条件下での攪拌培養中に微生物の代謝産物である有機酸および/またはアルコールの影響により、水素生産能を有する微生物を得ることが困難になるために好ましくない。1時間に60回以上入れ換わることは、培地成分が大量に必要となるために好ましくない。
上記培養は、好ましくは、培養液中の微生物が充分量の水素を製造し始めるまで行うのが好ましい。
ついで第3工程について述べると、上記の如くして回収分離された水素発生能力を有する菌体は還元状態にある水素発生用溶液に加えられ、連続的にあるいは間歇的に有機性基質が生物的水素製造方法に供せられる。有機性基質は連続的に供給するのが好ましいが、間歇的に供給する場合には水素発生に充分な量が反応系に存在していることが必要である。なお、回収された菌体の使用形態としては、何らの処理も加えずに使用する事もでき、また、回収菌体をアクリルアミドまたはカラギーナン等で固定化処理したものも使用することができる。
培地としては下記表3のものが挙げられる。
水素の発生反応の反応温度は、用いる微生物種にもよるが、一般的に常温微生物を用いた場合、20℃〜45℃の条件が好ましく、さらに好ましくは30℃〜40℃の範囲が微生物のライフの面からも好ましい。
本発明方法によって、水素ガスは反応容積1リットル1時間当たり0.01〜500L/hr/Lの速度で製造できる。その速度の測定は公知方法に従って行われる。
また、水素製造時の反応容器の温度制御に関しても、一般的に従来の天然ガスを用いた改質方法では600℃以上の改質温度が必要となり、メタノールを用いた場合でも数百℃の改質温度が必要となるのに対して、本発明の反応容器の温度は常温で用いることが可能である。
上記より、燃料電池の劣化の面でも問題が少なく、水素の供給方法の面でも高温のシステムを必要としないことにより、本発明の水素製造方法を用いた燃料電池システムが、優れていることがわかる。
エシェリキア コリ株(Escherichia coli W strain;ATCC9637)による生物的水素製造方法。
本菌株を、好気的条件下、下表1で示される組成の培養液に加え、37℃で培養を行った。
嫌気的条件での操作は、気相での酸素濃度が10ppm以下に制御されたボックス内にて行った。
嫌気的条件下での攪拌培養開始から2時間後までは、培養液成分の上清成分の分離を行わずに培養した。
その後、2時間後から、培養槽内の培養液中の微生物からの代謝産物を含む上清を排出し、新鮮な培地成分を含む溶液を加える操作を開始した。分離フィルター部にはクロスフローろ過方式により、膜の材質としてはPVDF系膜内径1.4mm、有効膜面積0.012m2の中空糸膜を用いて行った。
培養液中の上清成分の1時間当たり入れ換わる回数が、0(比較例1)、0.1(実施例1)、1(実施例2)、60(実施例3)となるように、それぞれの設定を培養液循環ポンプで行った。それぞれの条件で10時間行った。
分離した微生物を下表3の組成で示される還元状態下の水素発生用溶液100mlに懸濁調製した(微生物濃度40% 湿潤状態菌体質量基準)。
水素発生用溶液の蟻酸濃度が50mMとなるように供給した。供給するとほぼ同時にガス発生が起こり、ガスフローメーターより水素発生速度の測定を行った。その結果を図2に示す。
また、実施例1〜3、比較例1の結果により、培養液中の上清の単位時間あたり入れ換わる回数が、0.1〜 60回/時以上の範囲であることが、効果的に水素生産能を有する微生物の培養が可能となることが判明した。
また、嫌気条件下での攪拌培養を行った液中に存在している上清の有機酸濃度を、高速液体クロマトグラフィー(東ソー株式会社製)を用いて測定した。カラムはTSKgel Oapak−A(東ソー株式会社製)を用いて、電気伝導度検出器により分析を行った。アルコール濃度は、ガスクロマトグラフィー(島津製作所製)を用いて測定した。カラムはThermon−1000(島津製作所製)を用いて、水素炎イオン化検出器により分析を行った。
図3に示した結果により、本発明の培養装置を用いる場合に、培養液中の有機酸および/またはアルコールの濃度が200mM以下に制御すると効果的に水素生産能を有する微生物の培養が可能となることが判明した。
さらに、上記の結果より、燃料電池に必要な水素の発生速度が長時間にわたり、安定することが明らかとなった。また、この水素発生速度は必要なときに、即座に稼働する能力を有するものである。
2:分離フィルター部
3:培地タンク
4:培養液上清タンク
5:培養液循環ポンプ
6:上清液排出ポンプ
7:培地供給ポンプ
8:モーター
9:攪拌装置
10:温度制御装置
11:培地供給口
12:培養液上清排出口
13:水位センサー
14:各種センサー類
15:嫌気ボックス
Claims (3)
- 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水素生産能をもつ通性嫌気性微生物を培養する装置において、培養液が嫌気的条件に保たれる培養槽から培養液を循環させる循環系と、この循環系の一部に、通性嫌気性微生物と上清成分とからなる培養液から上清成分を分離する分離フィルター部を備えるとともに、培地成分を含む溶液を培養槽に加える機構を配備し、分離フィルター部及び培地成分を含む溶液を培養槽に加える機構が、培養槽内の培養液中における有機酸および/またはアルコールの濃度を200mM以下に制御するものであり、培養槽から循環させる培養液中の上清成分の単位時間あたり入れ換わる回数が、0.1〜60回/時の範囲であることを特徴とする水素生産能を有する通性嫌気性微生物の培養装置。
- 培養槽が、溶存酸素を除去することにより培養液が嫌気的条件に保たれるものである請求項1に記載の水素生産能を有する微生物の培養装置。
- 微生物から上清成分を分離する分離フィルター部において、培養液の微生物濃度が、培養液が循環する分離フィルター部の前後で、濃縮されることを特徴とする請求項1又は2に記載の水素生産能を有する微生物の培養装置。
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