JP4476285B2 - Microbial culture apparatus, hydrogen production apparatus and fuel cell system using the same - Google Patents

Microbial culture apparatus, hydrogen production apparatus and fuel cell system using the same Download PDF

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Description

本発明は、微生物の培養装置、それにより培養される微生物を用いる水素生産装置、およびこれを用いる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a microorganism culturing apparatus, a hydrogen production apparatus using microorganisms cultured by the microorganism, and a fuel cell system using the same.

水素は化石原料とは異なり、燃焼しても炭酸ガスや硫黄酸化物などの環境問題により懸念される物質を発生しない究極のクリーンエネルギー源として注目されている。水素の単位質量当たりの熱量は石油の3倍以上あり、燃料電池に供給すれば、高い効率で電気エネルギーおよび熱エネルギーに変換することができる。   Unlike fossil raw materials, hydrogen is attracting attention as the ultimate clean energy source that does not generate substances that are concerned due to environmental problems such as carbon dioxide and sulfur oxides even when burned. The amount of heat per unit mass of hydrogen is more than three times that of petroleum, and if it is supplied to a fuel cell, it can be converted into electric energy and heat energy with high efficiency.

水素の生産方法としては、従来より、化学的製法として天然ガスやナフサの熱分解水蒸気改質法などの技術が提案されている。この方法は、高温高圧の反応条件を必要とする。また、この方法で製造される合成ガスにはCO(一酸化炭素)が含まれるので、燃料電池用燃料として使用する場合には燃料電池電極触媒の劣化防止のため、技術的課題解決難度の高いCO除去を行うことが必要である。   As a method for producing hydrogen, techniques such as a pyrolysis steam reforming method of natural gas or naphtha have been conventionally proposed as a chemical production method. This method requires high temperature and high pressure reaction conditions. Further, since the synthesis gas produced by this method contains CO (carbon monoxide), when used as a fuel for fuel cells, it is highly difficult to solve technical problems in order to prevent deterioration of the fuel cell electrode catalyst. It is necessary to perform CO removal.

一方、微生物による生物的水素生産方法は、反応条件が常温常圧であり、そして発生するガスにはCOが含まれないので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生産は、燃料電池用の燃料(水素)供給方法としてより好ましく、注目されている。
On the other hand, in the method for producing biological hydrogen by microorganisms, the reaction conditions are normal temperature and normal pressure, and the generated gas does not contain CO, so that removal thereof is unnecessary.
From such a viewpoint, biological hydrogen production by microorganisms is more preferable as a fuel (hydrogen) supply method for fuel cells, and has attracted attention.

生物的水素生産方法は、光合成微生物を使用する方法、および非光合成微生物(主に嫌気性微生物)を使用する方法に大別される。前者の方法は、水素発生に光エネルギーを用いるが、光合成微生物の光エネルギー利用効率が低いので、水素発生に広大な集光面積を要する。また、水素発生装置の価格問題や維持管理の難しさなど、解決しなければならない課題が多く、実用的なレベルには達していない。   Biological hydrogen production methods are roughly classified into methods using photosynthetic microorganisms and methods using non-photosynthetic microorganisms (mainly anaerobic microorganisms). The former method uses light energy for hydrogen generation. However, since the light energy utilization efficiency of photosynthetic microorganisms is low, a large condensing area is required for hydrogen generation. In addition, there are many problems that need to be solved, such as the price issue of the hydrogen generator and the difficulty of maintenance, and it has not reached a practical level.

後者の嫌気性微生物を使用する水素生産方法について、特開2003−135088号公報(特許文献1)には、水素発酵槽において発生させたバイオガス中から水素を分離し、残った二酸化炭素を主成分とする残ガスを水素発酵槽に循環して発酵液中に吹き込み、発酵槽内を加圧下とすることで水素濃度を低下させ、水素生成菌の作用を活性化して、水素の発生量および水素収率を増加させる方法が開示されている。   Regarding the latter hydrogen production method using anaerobic microorganisms, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-135088 (Patent Document 1) mainly separates hydrogen from biogas generated in a hydrogen fermenter, and mainly uses the remaining carbon dioxide. The residual gas as a component is circulated into the hydrogen fermenter and blown into the fermentation broth, and the hydrogen concentration is reduced by pressurizing the fermenter to activate the action of hydrogen-producing bacteria. A method for increasing the hydrogen yield is disclosed.

また、微生物を用いて製造した水素を利用する燃料電池とのシステムに関して、特開2002−280045号公報(特許文献2)では、微生物により生成された水素ガスを燃料電池へ供給し、水素の消費に応じた水素吸入口の水素分圧低下によりリアクターの気相部から燃料電池へ水素ガスを吸入してなる燃料電池組み込み型バイオリアクターが示されている。   In addition, regarding a system with a fuel cell using hydrogen produced using microorganisms, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-280045 (Patent Document 2) supplies hydrogen gas generated by microorganisms to a fuel cell and consumes hydrogen. A fuel cell built-in bioreactor is shown in which hydrogen gas is sucked into the fuel cell from the gas phase portion of the reactor by lowering the hydrogen partial pressure at the hydrogen inlet according to

さらに水素発酵後の後処理の方法としては、特開2002−355022号公報(特許文献3)では、クロストリジウム属の微生物が投入される第1の反応容器中において、クロストリジウム属の微生物が有機材料を分解して水素を製造し、水素発生後の残りの有機材料を第2の反応容器中に投入し、該有機材料の投入後に第2の微生物を投入することにより、有機材料を水と二酸化炭素に分解することができる。このように第2の反応容器中での有機材料の分解により、ほとんど排出物(ゴミ)が生じない方法が示されている。   Furthermore, as a post-treatment method after hydrogen fermentation, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-355022 (Patent Document 3), in the first reaction vessel into which a Clostridium microorganism is introduced, the Clostridium microorganism is an organic material. Hydrogen is produced by decomposition, the remaining organic material after hydrogen generation is introduced into the second reaction vessel, and the second microorganism is introduced after the addition of the organic material, thereby converting the organic material into water and carbon dioxide. Can be broken down into Thus, a method is shown in which almost no emissions (dust) are generated by the decomposition of the organic material in the second reaction vessel.

また、これまでに、微生物の高密度培養方法に関しては、特開平11−99397号公報(特許文献4)では、菌体(好気性菌)を用いて曝気槽からの処理水を膜分離装置に導入し、水分を膜を透過させて系外に除去するとともに、膜を透過しなかった非透過液を曝気槽へ返送することにより高密度に培養する培養方法が示されている。
特開2003−135088号公報 特開2002−280045号公報 特開2002−355022号公報 特開平11−99397号公報
In addition, regarding a high-density culture method for microorganisms, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-99397 (Patent Document 4) uses a microbial cell (aerobic bacterium) to treat treated water from an aeration tank into a membrane separation device. Introducing a culture method for culturing at a high density by removing moisture out of the system by introducing water through the membrane and returning the non-permeate not permeating the membrane to the aeration tank.
JP 2003-135088 A JP 2002-280045 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-355022 Japanese Patent Laid-Open No. 11-99397

従来の微生物を用いた水素生産装置においては、水素生産を行っている間に微生物の水素生成能力が低下してくるため、水素生成能力を回復することを目的として、水素製造装置内の微生物を交換・補充する必要があった。しかしながら、微生物を交換・補充する際に、水素の製造が一次的に停止する状態となり、水素を利用することができなくなる。例えばその水素を燃料電池にて発電に使用する場合であれば、電気を使用できない状態になり、非常に不便であった。また、交換・補充する微生物は、保管できる期間が短いうえに、時間経過とともに水素生成能力が低下してくるので、頻繁に交換・補充する必要があり、非常に労力を要していた。
微生物を保管する場合にも、低温条件下に保管する必要があり、安全性の点からも特別な保管庫が必要であり、定期的に微生物を購入する必要があった。さらに微生物を保存している容器の処理が煩雑であるなどの問題があった。
このように課題に対して、水素生成能を有する微生物を連続的に大量に培養して、該微生物の水素生成能を連続的に誘導し、該微生物を水素生産装置に連続的に供給することができる装置は、見出されていなかった。
In conventional hydrogen production equipment using microorganisms, the hydrogen production capacity of microorganisms decreases during hydrogen production, so the microorganisms in the hydrogen production equipment are removed for the purpose of recovering the hydrogen production capacity. It was necessary to exchange and replenish. However, when microorganisms are exchanged / replenished, hydrogen production is temporarily stopped, and hydrogen cannot be used. For example, if the hydrogen is used for power generation in a fuel cell, electricity cannot be used, which is very inconvenient. Moreover, since the microorganisms to be replaced / replenished have a short storage period and the hydrogen generation ability decreases with the passage of time, it is necessary to frequently replace / replenish them, which is very labor intensive.
When microorganisms are stored, it is necessary to store them under low temperature conditions, a special storage is necessary from the viewpoint of safety, and it is necessary to periodically purchase microorganisms. In addition, there are problems such as complicated processing of containers storing microorganisms.
Thus, in response to the problem, continuously culturing a large amount of microorganisms having hydrogen generating ability, continuously inducing the hydrogen generating ability of the microorganisms, and continuously supplying the microorganisms to the hydrogen production apparatus No device has been found that can.

また、これまでの微生物を用いた水素の生産方法として、有機性物質を発酵させて水素を製造する方法では、反応容器内の水素濃度を下げることにより、水素の発生量および水素収率を増加させることが示されている。これまで、一般的に微生物を用いた水素生産において、水素発生量を増加させる方法、水素収率を改善させる方法は検討がなされている。しかしながら、微生物を用いる水素生産装置において、得られる水素発生量が少ないので水素発生量を制御することは困難であったために、水素発生量を制御することができる水素生産装置は見出されていなかった。   In addition, as a conventional method of producing hydrogen using microorganisms, the method of producing hydrogen by fermenting organic substances increases the amount of hydrogen generated and the hydrogen yield by lowering the hydrogen concentration in the reaction vessel. Has been shown to let So far, in hydrogen production using microorganisms, methods for increasing the amount of hydrogen generation and methods for improving the hydrogen yield have been studied. However, in a hydrogen production apparatus that uses microorganisms, it is difficult to control the hydrogen generation amount because the amount of hydrogen generation obtained is small, so no hydrogen production apparatus that can control the hydrogen generation amount has been found. It was.

さらに、微生物を用いる水素生産装置と燃料電池からなるシステムにおいて、特開2002-280045号では、燃料電池の発電による水素の消費を利用して、水素分圧を低く保つ方式の微生物による水素生産装置と燃料電池とを含むシステムは示されている。しかしながら、水素の生産量の制御をすることにより、発電量の制御が行えるような水素生産装置を含む燃料電池システム、つまり、微生物を用いた水素生産方法により実用的レベルで用いることが可能な燃料電池システムは、これまで見出されていなかった。   Furthermore, in a system comprising a hydrogen production apparatus using a microorganism and a fuel cell, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-280045 discloses a hydrogen production apparatus using a microorganism that maintains the hydrogen partial pressure at a low level by utilizing the consumption of hydrogen by power generation of the fuel cell. And a system including a fuel cell is shown. However, a fuel cell system including a hydrogen production device that can control the amount of power generation by controlling the amount of hydrogen produced, that is, a fuel that can be used at a practical level by a hydrogen production method using microorganisms. No battery system has been found so far.

また従来の微生物を用いる水素生産方法では、水素発生後の発酵残さの処理の問題があった。特開2002-355022号では、2つの反応容器を用いて、第1の反応容器で水素を発生し、水素発生後の残りの有機材料を第2の反応容器に投入し、さらに第2の微生物を投入することで、水と二酸化炭素まで分解し、排出物の生じない方法を示している。しかしながら、水素発生後の残りの有機材料を第2の反応容器に投入する必要があるなど工程が複雑で、制御が困難であるという課題がある。   Moreover, in the conventional hydrogen production method using microorganisms, there was a problem of processing of fermentation residues after hydrogen generation. In Japanese Patent Laid-Open No. 2002-355022, two reaction vessels are used to generate hydrogen in the first reaction vessel, and the remaining organic material after the hydrogen generation is charged into the second reaction vessel, and further the second microorganism Shows the method of decomposing water and carbon dioxide, and generating no emissions. However, there is a problem that the process is complicated and control is difficult, for example, it is necessary to put the remaining organic material after hydrogen generation into the second reaction vessel.

嫌気性微生物における水素発生に関する代謝経路は色々な経路が知られている。そのような経路としては、例えば、グルコースのピルビン酸への分解経路での水素を発生する経路、ピルビン酸からアセチルCoAを経て酢酸が生成する過程での水素を発生する経路、ピルビン酸由来の蟻酸より直接水素を発生する経路などが挙げられる。
上記の代表的な水素発生の反応式を以下に示す。
Various metabolic pathways for hydrogen generation in anaerobic microorganisms are known. Examples of such pathways include a pathway for generating hydrogen in the degradation pathway of glucose to pyruvate, a pathway for generating hydrogen in the process of generating acetic acid from pyruvate via acetyl CoA, and a formate derived from pyruvate. A route for generating hydrogen more directly is included.
A typical reaction formula for hydrogen generation is shown below.

(a)グルコースのピルビン酸への分解経路
C6H12O6(グルコース)→ 2CH3COCOOH(ピルビン酸)+2H2(水素)
(b)ピルビン酸がアセチルCoAをへて酢酸が生成する経路
CH3COCOOH+H2O→ CH3COOH(酢酸)+CO2(二酸化炭素)+ H2
(c)蟻酸より水素が発生する経路
HCOOH(蟻酸)→ H2+CO2
(A) Degradation pathway of glucose to pyruvate
C 6 H 12 O 6 (glucose) → 2CH 3 COCOOH (pyruvic acid) + 2H 2 (hydrogen)
(B) Pathway in which acetic acid is generated by pyruvic acid via acetyl-CoA
CH 3 COCOOH + H 2 O → CH 3 COOH (acetic acid) + CO 2 (carbon dioxide) + H 2
(C) Path through which hydrogen is generated from formic acid
HCOOH (formic acid) → H 2 + CO 2

(a)の経路は、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)およびフェレドキシン(Fd)を経由する方法である。この経路は熱力学的に不利であるため、反応系内の水素分圧を低下させる必要がある。
(b)の経路は、還元型フェレドキシンおよびヒドロゲナーゼを経由する方法である。この経路では水素の生成と共に酢酸が生成する。水素の連続的な生産を行うためには、不要な酢酸が反応溶液中に副生する問題点がある。
(c)の経路は、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼを経由する方法である。生成物も常温で気体のみであるために、反応溶液からの水素の分離が起こりやすく、連続的な水素の連続水素生産、および水素生産が可能となる。
The route (a) is a method via reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and ferredoxin (Fd). Since this route is disadvantageous thermodynamically, it is necessary to reduce the hydrogen partial pressure in the reaction system.
The route (b) is a method via reduced ferredoxin and hydrogenase. In this pathway, acetic acid is produced along with hydrogen. In order to perform continuous production of hydrogen, there is a problem that unnecessary acetic acid is by-produced in the reaction solution.
The route (c) is a method via formate dehydrogenase and hydrogenase. Since the product is only a gas at room temperature, hydrogen is easily separated from the reaction solution, and continuous hydrogen production and hydrogen production of continuous hydrogen are possible.

本発明者らは、微生物細胞内の蟻酸および蟻酸塩より水素が生成する代謝経路を主として利用することにより、連続水素生産が可能な水素生産装置、および水素の生産量を制御することが可能な水素生産装置を提供することができることを見出した。
連続水素生産が可能な水素生産装置として、好気条件下に連続的に微生物を培養し、その微生物に嫌気条件下で水素生成能を発現させ、該微生物を水素発生装置に供給することにより、水素発生装置の連続水素生成を可能にする。酸素を含む気体源と栄養源供給部とに連通する微生物の培養部と、該培養部に連通し、微生物に水素生成能を発現させる有機物を供給するための有機物供給源と嫌気雰囲気付与手段とを有する、微生物の嫌気条件下での水素生成能発現部とを具備する微生物の培養装置、その培養装置部が水素生産装置に連設されてなる水素生産装置を見出した。
The present inventors can control a hydrogen production apparatus capable of continuous hydrogen production and a hydrogen production amount by mainly utilizing a metabolic pathway in which hydrogen is produced from formic acid and formate in microbial cells. It has been found that a hydrogen production apparatus can be provided.
As a hydrogen production apparatus capable of continuous hydrogen production, by culturing microorganisms continuously under aerobic conditions, allowing the microorganisms to express hydrogen generation ability under anaerobic conditions, and supplying the microorganisms to the hydrogen generation apparatus, Enables continuous hydrogen generation in hydrogen generators. A microorganism culture section communicating with a gas source containing oxygen and a nutrient source supply section; an organic substance supply source for supplying an organic substance that causes the microorganism to express hydrogen generation ability; an anaerobic atmosphere imparting means; And a microorganism producing apparatus comprising a microorganism-producing apparatus having an ability to produce hydrogen under anaerobic conditions, and a hydrogen producing apparatus in which the apparatus is connected to the hydrogen producing apparatus.

さらに、有機性基質の供給量の制御を行うこと、ならびに蟻酸濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件の制御を行うことで、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置を見出した。また、同時に燃料電池の発電量も制御可能な上記の水素生産装置を用いる燃料電池システムを見出した。加えて、本発明により、残さの生じにくい水素生産装置を提供でき、燃料電池システムとして水素の連続生産が可能、また発電量が制御可能である燃料電池システムを構築することができる。   Furthermore, by controlling the supply amount of the organic substrate and controlling at least one hydrogen generation condition selected from formic acid concentration conditions, temperature conditions, pH conditions, microbial concentration conditions, and stirring conditions, hydrogen production We have found a hydrogen production system that can control the amount. In addition, the present inventors have found a fuel cell system using the above hydrogen production apparatus capable of controlling the power generation amount of the fuel cell at the same time. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a hydrogen production apparatus that hardly generates a residue, and it is possible to construct a fuel cell system capable of continuously producing hydrogen as a fuel cell system and controlling the power generation amount.

本発明は、蟻酸から水素が生成する代謝経路を主として利用する、生物的水素生産装置およびそれを用いた燃料電池システムに関する発明である。上記の課題を解決し、微生物により水素を生産させる場合、水素生産の原料となる有機性基質の供給量を制御することにより、水素生産量を制御することが可能となる。さらに、蟻酸濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件により制御することにより、水素生産量を制御することが可能となる。また、微生物を用いての水素生産方法において、水素生産量の制御により、発電量を制御することができる燃料電池システム、すなわち所要電力を即座に取り出すことができる燃料電池システムを提供するものである。   The present invention relates to a biological hydrogen production apparatus mainly using a metabolic pathway in which hydrogen is generated from formic acid, and a fuel cell system using the same. When the above problems are solved and hydrogen is produced by microorganisms, it is possible to control the hydrogen production amount by controlling the supply amount of an organic substrate that is a raw material for hydrogen production. Furthermore, it is possible to control the amount of hydrogen production by controlling with at least one hydrogen production condition selected from formic acid concentration conditions, temperature conditions, pH conditions, microorganism concentration conditions, and stirring conditions. In addition, in a hydrogen production method using microorganisms, a fuel cell system capable of controlling the amount of power generation by controlling the amount of hydrogen production, that is, a fuel cell system capable of immediately taking out required power is provided. .

また、本発明では、有機性基質を選択することで残さの生じにくい水素生産装置を提供するのが可能であることを見出した。中でも有機性基質に蟻酸および蟻酸塩を用いること、特に蟻酸を用いた場合では、水素と二酸化炭素に分解することが可能である。その場合に、主に気体が生成するため、反応槽内の反応溶液からの分離が容易である。そのため、1つの反応槽で、複雑な工程、制御を必要とせずに、容易に連続的に水素生産することが可能な水素生産装置を提供するものである。   Further, the present invention has found that it is possible to provide a hydrogen production apparatus that hardly generates a residue by selecting an organic substrate. In particular, when formic acid and formate are used as the organic substrate, particularly when formic acid is used, it can be decomposed into hydrogen and carbon dioxide. In that case, since gas is mainly generated, separation from the reaction solution in the reaction tank is easy. Therefore, it is an object of the present invention to provide a hydrogen production apparatus capable of easily and continuously producing hydrogen in one reaction tank without requiring complicated processes and controls.

すなわち、本発明は:
(1)酸素を含む気体源と栄養源供給部に連通する微生物の培養部と、該培養部と連通し、微生物に水素生成能を発現させる有機物を供給するための有機物供給源および嫌気雰囲気付与手段を有する微生物の嫌気条件下での水素生成能発現部とを具備する微生物の培養装置;
(2)培養部と水素生成能発現部との間に、培養された微生物と培養液との分離部が設けられている上記の(1)に記載の培養装置;
(3)微生物に水素生成能を発現させる有機物が、グルコース、蟻酸および蟻酸塩から選択される少なくとも1種である上記の(1)または(2)に記載の培養装置;
(4)微生物が、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上記の(1)〜(3)のいずれか1つに記載の培養装置;
That is, the present invention provides:
(1) A microorganism culture part communicating with a gas source containing oxygen and a nutrient source supply part, an organic substance supply source for supplying an organic substance that communicates with the culture part and causes the microorganisms to express hydrogen generation ability, and anaerobic atmosphere provision An apparatus for culturing a microorganism, comprising a unit for expressing hydrogen generation capacity under anaerobic conditions of the microorganism having means;
(2) The culture apparatus according to (1) above, wherein a separation unit between the cultured microorganism and the culture solution is provided between the culture unit and the hydrogen production ability expression unit;
(3) The culture apparatus according to (1) or (2) above, wherein the organic substance that causes the microorganism to express hydrogen generation ability is at least one selected from glucose, formic acid and formate;
(4) The culture apparatus according to any one of (1) to (3) above, wherein the microorganism has a formate dehydrogenase gene and a hydrogenase gene;

(5)上記の(1)〜(4)のいずれか1つに記載の培養装置が水素生成反応部に連設されてなり、該水素生成反応部が、有機性基質を供給する原料供給部と連通する水素生産装置;
(6)水素の生産量が、原料供給部から水素生成反応部への有機性基質の供給量で制御される上記の(5)に記載の水素生産装置;
(7)水素の生産量が、水素生成反応部の有機性基質濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選ばれる少なくとも1つの水素生成条件により制御される上記の(5)に記載の水素生産装置;
(5) The culture apparatus according to any one of (1) to (4) above is connected to a hydrogen generation reaction section, and the hydrogen generation reaction section supplies a raw material supply section for supplying an organic substrate. Hydrogen production equipment in communication with
(6) The hydrogen production apparatus according to (5), wherein the production amount of hydrogen is controlled by the supply amount of the organic substrate from the raw material supply unit to the hydrogen generation reaction unit;
(7) The hydrogen production amount is controlled by at least one hydrogen production condition selected from organic substrate concentration conditions, temperature conditions, pH conditions, microorganism concentration conditions and stirring conditions in the hydrogen production reaction section (5) A hydrogen production apparatus according to claim 1;

(8)有機性基質が、噴霧装置を介して水素生成反応部に供給される上記の(5)に記載の水素生産装置;
(9)水素生成能発現部と水素生成反応部との間に、水素生成能を発現した微生物と培養液との分離部が設けられている上記の(5)〜(8)のいずれか1つに記載の水素生産装置;
(10)水素生成反応部が水素生成量検出部を具備し、水素生成量検出部の検出値に基づいて培養装置から微生物を供給できるように構成されてなる上記の(5)〜(9)のいずれか1つに記載の水素生産装置;
(8) The hydrogen production apparatus according to (5) above, wherein the organic substrate is supplied to the hydrogen generation reaction section via a spraying apparatus;
(9) Any one of the above (5) to (8), wherein a separation unit for the microorganism and the culture solution that expresses the hydrogen generation capability is provided between the hydrogen generation capability expression unit and the hydrogen generation reaction unit. Hydrogen production apparatus according to
(10) The above (5) to (9), wherein the hydrogen generation reaction unit includes a hydrogen generation amount detection unit, and is configured to be able to supply microorganisms from the culture apparatus based on the detection value of the hydrogen generation amount detection unit. The hydrogen production apparatus according to any one of

(11)有機性基質が、蟻酸または蟻酸塩である上記の(5)〜(10)のいずれか1つに記載の水素生産装置;
(12)水素生成反応部が、排出されるガスに含まれる水蒸気を凝縮するための凝縮器を備える上記の(5)〜(11)のいずれか1つに記載の水素生産装置;
(13)上記の(5)〜(12)のいずれか1つに記載の水素生産装置と、該水素生産装置から発生する水素を燃料ガスとして用いる燃料電池とからなるシステム;
(14)燃料電池での発電量が、原料供給部から水素生成反応部への有機性基質の供給量により制御される上記の(13)に記載のシステム;
(15)燃料電池での発電量が、水素生成反応部の有機性基質濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選択されるいずれか1つの水素生成条件により制御される上記の(13)に記載のシステム
に関する。
(11) The hydrogen production apparatus according to any one of (5) to (10) above, wherein the organic substrate is formic acid or formate;
(12) The hydrogen production apparatus according to any one of (5) to (11) above, wherein the hydrogen generation reaction section includes a condenser for condensing water vapor contained in the discharged gas;
(13) A system comprising the hydrogen production apparatus according to any one of (5) to (12) above and a fuel cell using hydrogen generated from the hydrogen production apparatus as a fuel gas;
(14) The system according to (13), wherein the power generation amount in the fuel cell is controlled by the supply amount of the organic substrate from the raw material supply unit to the hydrogen generation reaction unit;
(15) The power generation amount in the fuel cell is controlled by any one hydrogen generation condition selected from an organic substrate concentration condition, a temperature condition, a pH condition, a microorganism concentration condition and a stirring condition in the hydrogen generation reaction section (13).

なお、本明細書において、「栄養源供給部」、「微生物の培養部」、「水素生成能発現部」、「水素生成反応部」などの語における「部」は、区切られた空間を意味し、槽、タンク、容器などであってよい。よって、以下、例えば「微生物の培養部」を「微生物の培養槽」などということがある。これらの区切られた空間は、1つであってもよいし、複数が併設されていてもよい。   In the present specification, “part” in terms of “nutrient source supply part”, “microbe culture part”, “hydrogen generation ability expression part”, “hydrogen generation reaction part”, etc. means a partitioned space. It may be a tank, a tank, a container or the like. Therefore, hereinafter, for example, “microbe culture section” may be referred to as “microbe culture tank”. These divided spaces may be one or plural.

本発明の培養装置によれば、微生物を連続培養し、微生物に連続的に水素生成能を発現させること(改質)ができる。また、該微生物培養装置を水素生産装置に付加することで、水素生成能を発現させた微生物を水素生産装置に連続的に供給することが可能となり、水素の連続生産が可能な装置を提供できる。
さらに、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が存在している本発明のリアクターを用いることにより、有機性基質の供給量、および水素生成条件(有機性基質濃度、温度、pH、微生物濃度および攪拌)を制御することにより、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置を提供することができる。さらに、有機性基質の供給量、および水素生成条件(有機性基質濃度、温度、pH、微生物濃度および攪拌)を制御することにより、燃料電池の発電量を制御することが可能な水素生産装置を含む燃料電池システムを提供できる。
また、連続的に水素を生産することが可能な水素生産装置、およびそれを用いた燃料電池システムを提供できる。
According to the culture apparatus of the present invention, microorganisms can be continuously cultured, and the microorganisms can continuously develop (reform) hydrogen production ability. In addition, by adding the microorganism culturing apparatus to the hydrogen production apparatus, it is possible to continuously supply microorganisms that have developed hydrogen generating ability to the hydrogen production apparatus, and to provide an apparatus capable of continuous hydrogen production. .
Furthermore, by using the reactor of the present invention in which a microorganism having a formate dehydrogenase gene and a hydrogenase gene is present, the supply amount of the organic substrate and the hydrogen production conditions (organic substrate concentration, temperature, pH, microorganism concentration) And agitation) can be provided to provide a hydrogen production apparatus capable of controlling the amount of hydrogen production. Furthermore, a hydrogen production apparatus capable of controlling the power generation amount of the fuel cell by controlling the supply amount of the organic substrate and the hydrogen generation conditions (organic substrate concentration, temperature, pH, microbial concentration and stirring). A fuel cell system can be provided.
Moreover, the hydrogen production apparatus which can produce hydrogen continuously, and a fuel cell system using the same can be provided.

図1は、本発明の好ましい微生物の培養装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a preferred microorganism culture apparatus of the present invention. 図2は、本発明の好ましい水素生成装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a preferred hydrogen generator of the present invention. 図3は、本発明の水素生産装置を用いた燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system using the hydrogen production apparatus of the present invention. 図4は、実施例2〜15に用いた水素生産装置を用いた燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system using the hydrogen production apparatus used in Examples 2 to 15. 図5は、本発明の水素生産装置を用いた有機性基質の供給速度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the supply rate of the organic substrate using the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. 図6は、本発明の水素生産装置を用いた有機性基質の濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the concentration of an organic substrate using the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. 図7は、本発明の水素生産装置を用いた反応溶液中の温度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature in the reaction solution using the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. 図8は、本発明の水素生産装置を用いた反応溶液中のpHと水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the pH in the reaction solution using the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. 図9は、本発明の水素生産装置を用いた反応溶液中の微生物濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the microorganism concentration in the reaction solution using the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. 図10は、本発明の水素生産装置を用いた攪拌装置の回転数と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the rotational speed of a stirrer using the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料タンク
2:反応槽
3:培地タンク
4:廃液タンク
5:水素濃縮槽(固定槽)
6:燃料電池部
7:インバーター
8:撹拌器
9:燃焼触媒
10:清浄フィルター
11:弁
12:流量計
13:ポンプ
14:動力
15:培地供給ポンプ
16:廃液抜取口
17:培地投入口
18:廃液抜取ポンプ
19:エアー取り入れ口
20:送風ポンプ
21:濃縮剤入替口(弁)
22:吸着剤
23:微生物培養用培地タンク
24:培養容器(培養槽)
25:滅菌空気供給装置
26:改質容器(水素生成能発現槽)
27:有機物供給装置
28:微生物貯蔵槽
29:微生物洗浄槽
30:廃液バルブ(ベント)
31:微生物供給口
33、35、37、40、42、44、45:ポンプ
32、34、36、39、41、43:流量計
38:洗浄用培地供給口
51:リアクター(水素生成反応部)
52:有機性基質の入ったタンク
53:恒温槽
54:燃料電池
55:凝縮器
56:ガス分離装置
57:有機性基質を噴霧する装置
58:培地成分の入ったタンク
59:モーター
60:攪拌装置
61:有機性基質供給ポンプ
62:培地成分供給ポンプ
63:有機性基質供給口
64:培地成分供給口
65:反応溶液排出ポンプ
66:微生物供給口
67:各種センサー類
1: Fuel tank 2: Reaction tank 3: Medium tank 4: Waste liquid tank 5: Hydrogen concentration tank (fixed tank)
6: Fuel cell section 7: Inverter 8: Stirrer 9: Combustion catalyst 10: Clean filter 11: Valve 12: Flow meter 13: Pump 14: Power 15: Medium supply pump 16: Waste liquid extraction port 17: Medium input port 18: Waste liquid extraction pump 19: Air intake port 20: Blower pump 21: Concentrator replacement port (valve)
22: Adsorbent 23: Microbial culture medium tank 24: Culture vessel (culture tank)
25: Sterilization air supply device 26: Reform container (hydrogen generating capacity expression tank)
27: Organic substance supply device 28: Microorganism storage tank 29: Microorganism washing tank 30: Waste liquid valve (vent)
31: Microorganism supply port 33, 35, 37, 40, 42, 44, 45: Pump 32, 34, 36, 39, 41, 43: Flow meter 38: Washing medium supply port 51: Reactor (hydrogen generation reaction part)
52: Tank containing organic substrate 53: Thermostatic bath 54: Fuel cell 55: Condenser 56: Gas separation device 57: Device for spraying organic substrate 58: Tank containing medium components 59: Motor 60: Stirring device 61: Organic substrate supply pump 62: Medium component supply pump 63: Organic substrate supply port 64: Medium component supply port 65: Reaction solution discharge pump 66: Microorganism supply port 67: Various sensors

本発明の培養装置は、培養槽に酸素を含む気体源と微生物を培養するための栄養源を貯蔵して供給する栄養源供給槽とに連通する微生物培養槽と、微生物を培養した培養液から微生物を分離するための微生物分離部と、改質槽を嫌気状態にする嫌気雰囲気付与手段を有する微生物に水素生成能を発現させる改質槽と、改質槽から微生物を回収して貯蔵する微生物貯蔵槽とを具備する装置である。   The culture apparatus of the present invention includes a microorganism culture tank communicating with a nutrient source supply tank for storing and supplying a gas source containing oxygen and a nutrient source for culturing microorganisms in the culture tank, and a culture solution in which the microorganism is cultured. A microorganism separation unit for separating microorganisms, a reformer tank that has an anaerobic atmosphere imparting means for making the reformer tank anaerobic, and a microorganism that collects and stores microorganisms from the reformer tank It is an apparatus comprising a storage tank.

本発明の水素発生装置は、上記培養装置とともに、水素の排出口を有する水素生成反応槽と、水素生成反応槽に有機性基質を含む溶液を貯蔵・供給するタンクと、水素生成反応槽内部の水素生成能の低下した微生物および微生物の代謝成分を除去して蓄える廃液タンクと、水素生成反応槽で生成した水素を用いる燃料電池部を具備する装置である。   The hydrogen generation apparatus of the present invention includes a hydrogen generation reaction tank having a hydrogen discharge port, a tank for storing and supplying a solution containing an organic substrate in the hydrogen generation reaction tank, It is an apparatus comprising a waste liquid tank that removes and stores microorganisms having reduced hydrogen generation ability and metabolic components of the microorganisms, and a fuel cell unit that uses hydrogen generated in a hydrogen generation reaction tank.

以下、本発明の微生物の培養装置および水素発生装置に関して図面を参照しながら説明する。
本発明の培養装置の好ましい形態を図1に示す。
本発明で使用される微生物は、水素生成能を有する微生物であればよく、主に、蟻酸脱水素酵素遺伝子(F.Zinoniら、Proc.Natl.Acid.Sci.USA、Vol.83、pp4650〜4654、July 1986 Biochemistry)およびヒドロゲナーゼ遺伝子(R.Boehmら、Molecular Microbiology (1990) 、4(2)、231〜243)を有する微生物であり、主として嫌気性微生物である。
The microorganism culture apparatus and hydrogen generator of the present invention will be described below with reference to the drawings.
A preferred embodiment of the culture apparatus of the present invention is shown in FIG.
The microorganism used in the present invention may be any microorganism having hydrogen-producing ability, and is mainly composed of a formate dehydrogenase gene (F. Zinoni et al., Proc. Natl. Acid. Sci. USA, Vol. 83, pp 4650- 4654, July 1986 Biochemistry) and a hydrogenase gene (R. Boehm et al., Molecular Microbiology (1990), 4 (2), 231-243), mainly anaerobic microorganisms.

本発明で使用される具体的な嫌気性微生物の例としては、エシェリキア(Escherichia)属微生物―例えばエシェリキア・コリ(Escherichia coli ATCC9637、ATCC11775、ATCC4157等)、クレブシェラ(Klebsiella)属微生物―例えばクレブシェラ・ニューモニエ(Klebsiella pneumoniae ATCC13883、ATCC8044等)、エンテロバクター(Enterobacter)属微生物―例えばエンテロバクター・アエロギネス(Enterobacter aerogenes ATCC13048、ATCC29007等)そしてクロストリジウム(Clostridium)属微生物―例えばクロストリジウム・ベイエリンキイ(Clostridium beijerinckii ATCC25752、ATCC17795等)等が挙げられる。   Examples of specific anaerobic microorganisms used in the present invention include microorganisms belonging to the genus Escherichia-such as Escherichia coli ATCC 9637, ATCC 11775, ATCC 4157, etc., microorganisms belonging to the genus Klebsiella-such as Klebsiella pneumoniae. (Klebsiella pneumoniae ATCC 13883, ATCC 8044, etc.), Enterobacter microorganisms such as Enterobacter aerogenes ATCC 13048, ATCC 29007 etc. and Clostridium microorganisms such as Clostridium bayerii AT Etc.

これらの嫌気性微生物の嫌気的条件による分裂増殖は、好気的条件によるそれと比較して極めて遅いので、該微生物の増殖は好気的条件による培養が好ましい。この意味では嫌気性微生物の内、偏性嫌気性微生物よりも通性嫌気性微生物が好適に使用される。上記微生物の内ではエシェリキア・コリ(Escherichia coli)、エンテロバクター・アエロギネス(Enterobacter aerogenes)等が好適に用いることが出来る。   Since the division growth of these anaerobic microorganisms under anaerobic conditions is extremely slow compared to that under aerobic conditions, the microorganisms are preferably grown under aerobic conditions. In this sense, among anaerobic microorganisms, facultative anaerobic microorganisms are preferably used rather than obligate anaerobic microorganisms. Among the above microorganisms, Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, and the like can be preferably used.

本発明の培養装置においては、上記微生物は、該微生物を好気条件下で培養して分裂増殖させた後、嫌気条件下で培養することにより、微生物の水素生成経路に関与する酵素タンパクを作成することができ、したがって水素生成能を有することができる。このように微生物の機能を発現させることを、ここでは(本発明では)「改質」と表現している。   In the culturing apparatus of the present invention, the microorganism is cultured under anaerobic conditions to divide and proliferate, and then cultured under anaerobic conditions to produce an enzyme protein involved in the hydrogen production pathway of the microorganism. And thus have the ability to generate hydrogen. The expression of the function of the microorganism in this way is expressed herein as “reforming” (in the present invention).

本発明の培養装置における微生物の培養部は、微生物の増殖用の栄養源を貯蔵し、培養部に該栄養源を供給する栄養源供給部と連通している。図1においては、微生物の培養部としての微生物培養タンク24は、栄養源供給部としての微生物培養用培地タンク23と連通している。   The culture unit for microorganisms in the culture apparatus of the present invention communicates with a nutrient source supply unit that stores a nutrient source for growing microorganisms and supplies the nutrient source to the culture unit. In FIG. 1, a microorganism culture tank 24 as a microorganism culture part communicates with a microorganism culture medium tank 23 as a nutrient source supply part.

本発明で使用される微生物の増殖用の栄養源(以下、微生物増殖用培地ともいう)としては、炭素源、窒素源、ミネラル源等を含む通常の栄養培地を用いることができる。炭素源としては、例えばグルコース、フルクトース、廃糖蜜等を、窒素源としては、無機態窒素源では、例えばアンモニア、アンモニウム塩、硝酸塩等、有機態窒素源では、例えば尿素、アミノ酸類、タンパク質等をそれぞれ単独もしくは混合して用いることができる。無機態、有機態ともに同様に利用することが可能である。またミネラル源として、おもにK、P、Mg、Sなどを含む、例えばリン酸一水素カリウム、硫酸マグネシウム等を用いることができる。この他にも必要に応じて、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティープリカー、カザミノ酸、ビオチン、チアミン等各種ビタミン等の栄養素添加することもできる。微生物培養用培地として、具体的にはLB培地を使用する場合は、トリプトン 10g、酵母エキス5g、塩化ナトリウム 10gに水を加えて1リットルにした溶液を、微生物培養用培地タンク23に供給することができる。   As a nutrient source for the growth of microorganisms used in the present invention (hereinafter also referred to as a microorganism growth medium), a normal nutrient medium containing a carbon source, a nitrogen source, a mineral source, and the like can be used. Examples of the carbon source include glucose, fructose, molasses, etc., and examples of the nitrogen source include inorganic nitrogen sources such as ammonia, ammonium salts, and nitrates, and organic nitrogen sources such as urea, amino acids, and proteins. Each can be used alone or in combination. Both inorganic and organic forms can be used in the same manner. Further, as the mineral source, for example, potassium monohydrogen phosphate, magnesium sulfate or the like mainly containing K, P, Mg, S and the like can be used. In addition, nutrients such as various vitamins such as peptone, meat extract, yeast extract, corn steep liquor, casamino acid, biotin, thiamine and the like can be added as necessary. When LB culture medium is used as a culture medium for microorganisms, specifically, a solution prepared by adding water to 10 g of tryptone, 5 g of yeast extract and 10 g of sodium chloride to make 1 liter is supplied to the culture medium tank 23 for microorganism culture. Can do.

栄養源供給部は、内部を滅菌するための滅菌手段を有することが好ましい。滅菌手段としては、ヒーター、熱交換器などの内部を高温に制御できる装置を用いることができる。
これにより、新たに培地をタンクに供給するときに、加熱処理により120℃で20分程度、滅菌処理することができる。但し、予め、滅菌処理した培地を使用する場合は、この処理は行わなくてもよい。微生物培養用培地タンク23のタンク表面には、ヒーターまたは熱交換器などが設けられていることが好ましい。
The nutrient source supply unit preferably has sterilization means for sterilizing the inside. As the sterilization means, a device capable of controlling the inside of a heater, a heat exchanger or the like to a high temperature can be used.
Thereby, when newly supplying a culture medium to a tank, it can sterilize for about 20 minutes at 120 degreeC by heat processing. However, when a sterilized medium is used in advance, this process may not be performed. It is preferable that a heater, a heat exchanger, or the like is provided on the surface of the microorganism culture medium tank 23.

栄養源供給部と微生物の培養部との間は、配管、容器、ポンプ、センサーおよび弁から選択される少なくとも1種の接続手段を用いて連通していることが好ましい。また、培養部には培養部内の液量の検出機構が設けられており、この検出値に基づいて栄養源供給部から栄養源を供給できることが好ましい。   It is preferable that the nutrient source supply unit and the microorganism culture unit communicate with each other using at least one connection means selected from a pipe, a container, a pump, a sensor, and a valve. In addition, the culture unit is provided with a mechanism for detecting the amount of liquid in the culture unit, and it is preferable that the nutrient source can be supplied from the nutrient source supply unit based on the detected value.

図1の形態では、微生物培養用培地タンク23と培養タンク24とが流量計32およびポンプ33を介して接続され、培養タンク24に、微生物培養用培地を流量計32で計測しながらポンプ33を用いて送ることができる。   1, the microorganism culture medium tank 23 and the culture tank 24 are connected via a flow meter 32 and a pump 33. The pump 33 is connected to the culture tank 24 while measuring the microorganism culture medium using the flow meter 32. Can be used to send.

微生物の培養部において行われる培養は、通常、通気攪拌、振盪等の好気的条件下、約20℃〜約40℃、好ましくは約25℃〜約40℃の温度で行うことができる。培養時のpHは5〜10、好ましくは6〜8付近の範囲がよく、培養中のpH調整は、酸またはアルカリを添加することにより行うことができる。培養開始時の炭素源濃度は、0.1〜20% (w/v)、好ましくは1〜5% (w/v)である。また、培養期間は通常、半日〜5日間である。   Cultivation performed in the microorganism culture section can be generally performed at a temperature of about 20 ° C. to about 40 ° C., preferably about 25 ° C. to about 40 ° C. under aerobic conditions such as aeration and shaking. The pH during the culture is in the range of 5 to 10, preferably 6 to 8. The pH during the culture can be adjusted by adding an acid or an alkali. The carbon source concentration at the start of the culture is 0.1 to 20% (w / v), preferably 1 to 5% (w / v). The culture period is usually from half a day to 5 days.

微生物の培養部は、酸素を含む気体源と連通している。酸素を含む気体としては、一般に、酸素または空気が用いられる。酸素を含む気体供給方法としては、通常の好気培養に用いる気体供給方法、例えばエアーポンプなどを用いることができる。酸素を含む気体源は、該気体の滅菌手段を有し、滅菌された気体を培養部に供給することができる。微生物の培養部に供給する滅菌空気または酸素の量は、用いる微生物に応じて適宜選択することができるが、0.001〜1リットル酸素/ 1リットル溶液・minが好ましい。より好ましくは、0.01〜0.5リットル酸素/ 1リットル溶液・minである。図1では、微生物培養槽には、滅菌エアーまたは酸素を、滅菌空気供給装置25から、流量計34による制御の下、0.001〜1リットル酸素/1リットル溶液・minの速度でポンプ35を用いて送ることができる。   The microorganism culture part is in communication with a gas source containing oxygen. In general, oxygen or air is used as the gas containing oxygen. As a gas supply method containing oxygen, a gas supply method used for normal aerobic culture, such as an air pump, can be used. The gas source containing oxygen has a means for sterilizing the gas and can supply the sterilized gas to the culture unit. The amount of sterilized air or oxygen supplied to the microorganism culture part can be appropriately selected according to the microorganism used, but 0.001 to 1 liter oxygen / 1 liter solution · min is preferable. More preferably, it is 0.01 to 0.5 liter oxygen / 1 liter solution · min. In FIG. 1, sterilizing air or oxygen is supplied to the microorganism culture tank from the sterilizing air supply device 25 under the control of the flow meter 34, using a pump 35 at a speed of 0.001 to 1 liter oxygen / 1 liter solution / min. Can send.

微生物の培養部は、酸素を含む気体源と連通しており、好気条件下で培養を行うことができるが、嫌気条件下で培養を行うことも可能である。この場合、上記気体源から培養部に気体を供給しない。   The microorganism culture part communicates with a gas source containing oxygen, and can be cultured under aerobic conditions, but can also be cultured under anaerobic conditions. In this case, no gas is supplied from the gas source to the culture unit.

微生物の培養部は、上記の微生物を導入することが可能な導入口を有することが好ましい。微生物の導入口から導入する菌体は、微生物の培養部内の菌体光学密度OD610=0.01〜10の密度になるように投入されることが好ましい。より好ましくは、菌体光学密度OD610=0.05〜5である。図1においては、培養タンク24には、微生物投入口(図示せず)から微生物が投入される。The microorganism culture part preferably has an introduction port through which the above microorganisms can be introduced. It is preferable that the cells introduced from the introduction port of the microorganisms are introduced so that the cell optical density OD 610 = 0.01 to 10 in the culture part of the microorganisms. More preferably, the bacterial cell optical density OD 610 = 0.05-5. In FIG. 1, microorganisms are input to the culture tank 24 from a microorganism input port (not shown).

本発明の培養装置においては、連続培養が可能であるので連続培養の開始時のみ微生物を投入すればよい。あるいは、連続培養の開始後に微生物を追加して投入することも可能である。また、装置上のトラブルなどにより微生物の水素生成能力が低下した場合に、該投入口から同種の微生物を投入することができる。   In the culture apparatus of the present invention, since continuous culture is possible, the microorganisms need only be input at the start of continuous culture. Alternatively, additional microorganisms can be added after the start of continuous culture. Further, when the hydrogen generation ability of microorganisms is reduced due to troubles on the apparatus, the same kind of microorganisms can be introduced from the inlet.

微生物の培養部で培養された微生物は、培養された微生物と培養液とを分離することが可能な分離部に送られる。微生物と培養液とを分離する方法としては、膜分離、遠心分離などを用いることができ、操作が簡便である膜分離を用いることが好ましい。分離部では、培養液中に含まれ、水素生成能を発現させるときに阻害要因となる物質を除去する操作を行うことも可能となる。このような操作としては、分離された微生物を嫌気状態の未使用の培地、滅菌水などを用いて洗浄することが挙げられる。   The microorganisms cultured in the microorganism culture unit are sent to a separation unit that can separate the cultured microorganisms from the culture solution. As a method for separating the microorganism and the culture solution, membrane separation, centrifugation, or the like can be used, and membrane separation that is easy to operate is preferably used. In the separation unit, it is possible to perform an operation of removing a substance that is contained in the culture solution and becomes an inhibition factor when the hydrogen production ability is expressed. Such an operation includes washing the separated microorganisms using an anaerobic unused medium, sterilized water, or the like.

図1においては、分離部としての微生物洗浄槽29に送られた培養液は、水素生成能を誘導するときに阻害要因となる物質を除去するために、ベント30から微生物の大きさより小さい1μm以下の目のフィルターにより、微生物以外の溶液の一部または全部を分離する。未使用の培地を洗浄用培地供給口38から微生物洗浄槽29に供給した後、微生物と培地の混合物を、ポンプ40、流量計39により改質容器(水素生成能発現槽)26に送る。   In FIG. 1, the culture solution sent to the microorganism washing tank 29 as the separation unit is less than 1 μm smaller than the size of the microorganism from the vent 30 in order to remove substances that become an obstacle when inducing hydrogen generation ability. A part or all of the solution other than the microorganisms is separated by the filter of the eye. After the unused medium is supplied from the cleaning medium supply port 38 to the microorganism cleaning tank 29, the mixture of the microorganism and the medium is sent to the reforming container (hydrogen generating capacity expression tank) 26 by the pump 40 and the flow meter 39.

本発明の培養装置において、培養した後の微生物に水素生成能力を発現させるための水素生成能発現部(以下、改質部ともいう)は、該改質部を嫌気状態に保つシステムと、蟻酸、蟻酸塩もしくはグルコースまたはそれらを少なくとも一成分以上含む有機物を供給するシステムを有している。
上記の有機物として供給する炭素源の種類を種々変更させることにより、水素生成能力を発現させる時間を変化させることができる。これは、微生物が炭素源を取り込む速度が、炭素源の種類によって異なることを利用している。例えば、炭素源としてガラクトースを用いると、炭素源としてグルコースを用いるよりも水素生成能力の発現を遅くするように制御することができる。さらに付け加えると、有機物として供給する炭素源以外にも、微生物の増殖用の栄養源で示した窒素源、ミネラル源を供給することも好ましい。
In the culturing apparatus of the present invention, a hydrogen generating ability expression unit (hereinafter also referred to as a reforming unit) for expressing a hydrogen generating ability in a microorganism after culturing includes a system for maintaining the reforming unit in an anaerobic state, and formic acid. And a system for supplying formate or glucose or an organic substance containing at least one component thereof.
By changing various types of the carbon source supplied as the organic substance, the time for developing the hydrogen generation ability can be changed. This utilizes the fact that the rate at which microorganisms take up a carbon source varies depending on the type of carbon source. For example, when galactose is used as the carbon source, it is possible to control the expression of hydrogen generation ability to be slower than when glucose is used as the carbon source. In addition, in addition to the carbon source supplied as an organic substance, it is also preferable to supply a nitrogen source and a mineral source shown as nutrient sources for microbial growth.

水素生成能発現部は、嫌気雰囲気付与手段を有する。嫌気雰囲気付与手段としては、改質部内の内容物を加熱処理する手段、改質部内を減圧する手段、改質部内に窒素ガスなどの不活性ガスや炭酸ガスなどを導入する手段などを単独または組み合わせて用いることができる。   The hydrogen generating ability expressing part has an anaerobic atmosphere imparting means. As the anaerobic atmosphere imparting means, means for heat-treating the contents in the reforming section, means for reducing the pressure in the reforming section, means for introducing an inert gas such as nitrogen gas or carbon dioxide gas into the reforming section, etc. They can be used in combination.

改質部内を減圧して嫌気的状態にする場合、改質部内を約6.67×102 Pa以下、より好ましくは約4.00×102 Pa以下の減圧下に、約1〜60分程度、好ましくは5〜60分程度保持することが好ましい。改質部内は、改質反応中においても嫌気的状態に維持されることが好ましく、反応系を窒素ガスなどの不活性ガスや炭酸ガスなどで封入する方法が通常用いられる。When the reforming part is depressurized to an anaerobic state, the reforming part is about 6.67 × 10 2 Pa or less, more preferably about 4.00 × 10 2 Pa or less, preferably about 1 to 60 minutes, preferably It is preferable to hold for about 5 to 60 minutes. The reforming section is preferably maintained in an anaerobic state even during the reforming reaction, and a method of sealing the reaction system with an inert gas such as nitrogen gas or carbon dioxide gas is usually used.

また、必要に応じて、適切な還元剤(例えば、チオグリコール酸、アスコルビン酸、システィン塩酸塩、メルカプト酢酸、チオール酢酸、グルタチオンそして硫化ソーダ等)を改質部内の内容物に添加して嫌気的条件とすることができ、このような還元剤を投入する手段を用いることもできる。   If necessary, an appropriate reducing agent (for example, thioglycolic acid, ascorbic acid, cysteine hydrochloride, mercaptoacetic acid, thiolacetic acid, glutathione, sodium sulfide, etc.) is added to the contents in the reforming section to make anaerobic It is also possible to use a means for introducing such a reducing agent.

水素生成能発現部内の溶液中の酸化還元電位は-100mV〜-500mVが好ましく、より好ましくは-150mV〜-400mVであり、さらに好ましくは-200mV〜-350mVである。酸化還元電位は、例えば、BROADLEY JAMES社製、ORP Electrodesで測定することができる。   The oxidation-reduction potential in the solution in the hydrogen generating ability developing part is preferably -100 mV to -500 mV, more preferably -150 mV to -400 mV, and further preferably -200 mV to -350 mV. The oxidation-reduction potential can be measured by, for example, ORP Electrodes manufactured by BROADLEY JAMES.

微生物に水素生成能を発現させるために改質部に供給する有機物としては、グルコース、蟻酸および蟻酸塩から選択される少なくとも1種を使用することができる。
グルコースの濃度は、水素生成能力の発現をより容易に行うことができる点で、好ましくは1〜1000 mM、より好ましくは1〜300 mMであり、さらに好ましくは10〜250 mMになるように供給する。
蟻酸塩としては、蟻酸亜鉛、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸セシウム、蟻酸ニッケル、蟻酸バリウム、蟻酸カルシウム、蟻酸アンモニウムなどが使用できる。蟻酸または蟻酸塩の溶液を用いる場合、これらの濃度としては、1〜1000 mMになるように供給することが好ましく、より好ましくは1〜500 mMであり、さらに好ましくは1〜300 mMであり、特に好ましくは1〜50 mMである。
As an organic substance to be supplied to the reforming unit in order for the microorganisms to exhibit hydrogen generation ability, at least one selected from glucose, formic acid and formate can be used.
The glucose concentration is preferably 1 to 1000 mM, more preferably 1 to 300 mM, and even more preferably 10 to 250 mM, in terms of facilitating the expression of the hydrogen production capacity. To do.
As the formate, zinc formate, sodium formate, potassium formate, cesium formate, nickel formate, barium formate, calcium formate, ammonium formate and the like can be used. When using a formic acid or formate solution, these concentrations are preferably supplied so as to be 1 to 1000 mM, more preferably 1 to 500 mM, still more preferably 1 to 300 mM, Particularly preferred is 1 to 50 mM.

有機物としては、グルコース、フルクトース、廃糖蜜等の糖類が挙げられる。グルコースを用いる場合、グルコースの量としては、微生物の嫌気条件下での分裂増殖により細胞数が2倍程度以上になるのに必要な量が好ましい。この分裂増殖は、通常の菌体光学密度測定、例えばBeckman Coulter社製 spectrophotometer DU-800による測定を行う事により容易に知ることができる。さらに付け加えると、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼの誘導発現には、必要な微量金属成分(用いる微生物種により、金属成分は異なるものの、鉄、モリブデン、ニッケル、セレン等が一般的である。)を含むことが好ましい。
また、前記の微生物増殖用培地がグルコースを含む場合、該微生物増殖用培地をグルコースの供給源として用いることもできる。
Examples of organic substances include sugars such as glucose, fructose, and molasses. When glucose is used, the amount of glucose is preferably an amount necessary for the number of cells to be about twice or more due to mitotic growth of microorganisms under anaerobic conditions. This mitotic growth can be easily known by performing a normal bacterial optical density measurement, for example, a measurement with spectrophotometer DU-800 manufactured by Beckman Coulter. In addition, inducible expression of formate dehydrogenase and hydrogenase includes necessary trace metal components (although metal components differ depending on the microorganism species used, iron, molybdenum, nickel, selenium, etc. are common). It is preferable.
When the microorganism growth medium contains glucose, the microorganism growth medium can be used as a glucose supply source.

水素生成能発現部における微生物の水素生成能の誘導は、約20℃〜40℃、好ましくは約25℃〜40℃の温度で行う。また、pHは5〜10、好ましくは6〜8付近で行うことができる。微生物の水素生成能を誘導する時間としては、用いる微生物により異なるが、通常、0.5〜24時間である。   Induction of the hydrogen-producing ability of the microorganism in the hydrogen-producing ability-expressing part is performed at a temperature of about 20 ° C to 40 ° C, preferably about 25 ° C to 40 ° C. Moreover, pH can be performed in 5-10, Preferably it is 6-8 vicinity. The time for inducing the hydrogen-producing ability of the microorganism varies depending on the microorganism used, but is usually 0.5 to 24 hours.

微生物の培養部と改質部との間は、配管、ポンプ、センサーおよび弁から選択される少なくとも1種を用いて連通していることが好ましい。また、上述したように、培養部と改質部との間に分離部が介在することもできる。   It is preferable that the microorganism culture part and the reforming part communicate with each other using at least one selected from piping, pumps, sensors, and valves. In addition, as described above, a separation unit can be interposed between the culture unit and the reforming unit.

改質部は、改質部内の液量の検出機構を有することが好ましく、この検出値に基づいて培養部からの微生物の投入量を調節することが好ましい。
本発明の培養装置において水素生成能を発現させた微生物を、例えば水素生産装置などの装置において用いる場合、上記の改質部が、水素生成能を発現させた微生物を貯蔵・供給することができる微生物貯蔵部と連通することが好ましい。微生物貯蔵部は、連続的または断続的に水素生産装置に微生物を供給できる機構を有することが好ましい。
The reforming section preferably has a mechanism for detecting the amount of liquid in the reforming section, and it is preferable to adjust the input amount of microorganisms from the culture section based on the detected value.
In the case where a microorganism that exhibits hydrogen generation ability in the culture apparatus of the present invention is used, for example, in an apparatus such as a hydrogen production apparatus, the above reforming unit can store and supply the microorganism that exhibits hydrogen generation ability. It is preferable to communicate with the microorganism reservoir. The microorganism storage unit preferably has a mechanism capable of supplying microorganisms to the hydrogen production apparatus continuously or intermittently.

図1において、水素生成能発現部としての改質槽26には、排気装置(図示せず)にて改質槽内を嫌気的状態にした後、有機物供給装置27によりポンプ42、流量計41により制御しながら有機物を添加する。改質槽において水素生成能を発現した微生物は、微生物貯蔵槽28に送られ、後述の連続水素生成装置の反応槽2に必要に応じて供給されるまで貯蔵されることができる。
以上が、本発明の培養装置の好ましい例である。
In FIG. 1, the reforming tank 26 as a hydrogen generating ability developing unit is placed in an anaerobic state by an exhaust device (not shown), and then an organic substance supply device 27 uses a pump 42 and a flow meter 41. Add organics while controlling by. Microorganisms that express hydrogen generation ability in the reforming tank are sent to the microorganism storage tank 28 and can be stored until they are supplied to the reaction tank 2 of the continuous hydrogen generation apparatus described later as needed.
The above is a preferred example of the culture apparatus of the present invention.

連続式水素発生装置の水素生成反応部に連設された微生物培養装置を含む連続水素生成システムに関して、例として図2に示す。
本発明の水素生産装置は、上記の培養装置が水素生成反応部に連設されてなるものが好ましい。改質容器から水素生成反応部へは、エタノールや酢酸、乳酸などの代謝産物を除去するために、微生物以外の溶液の一部または全部を分離する。
分離する方法としては、フィルターを用いたクロスフローろ過による方法により代謝産物を含む培養液の量を少なくする方法、遠心分離により微生物を培養上清と分離して培養上清を除く方法などが挙げられる。遠心分離により培養上清を除く場合、遠心分離後の微生物を新しい培地に分散・懸濁して洗浄し、これを水素生成反応部に送って用いるのが好ましい。また、水素生成反応部への代謝産物の持込をより少なくするために、上記の遠心分離および洗浄を繰り返して行うのが好ましい。
上記の代謝産物は、微生物の水素生産に悪影響を及ぼすことが知られている。本発明の水素生産装置においては、微生物の培養装置において産生された代謝産物の量をできるだけ低減させて水素生成反応部へ送達することができるので、長時間、安定して微生物による水素生産を行うことができる。
FIG. 2 shows an example of a continuous hydrogen generation system including a microorganism culture apparatus connected to the hydrogen generation reaction section of the continuous hydrogen generator.
The hydrogen production apparatus of the present invention is preferably one in which the culture apparatus is connected to the hydrogen generation reaction section. In order to remove metabolites such as ethanol, acetic acid, and lactic acid, a part or all of the solution other than the microorganism is separated from the reforming vessel to the hydrogen generation reaction part.
Examples of the separation method include a method of reducing the amount of a culture solution containing a metabolite by a cross-flow filtration method using a filter, a method of separating a microorganism from a culture supernatant by centrifugation, and removing the culture supernatant. It is done. When removing the culture supernatant by centrifugation, it is preferable to disperse and suspend the microorganism after centrifugation in a new medium, wash it, and send it to the hydrogen generation reaction section for use. Further, in order to reduce the amount of metabolites brought into the hydrogen generation reaction part, it is preferable to repeat the above centrifugation and washing.
The above metabolites are known to adversely affect microbial hydrogen production. In the hydrogen production apparatus of the present invention, the amount of metabolites produced in the microorganism culture apparatus can be reduced as much as possible and delivered to the hydrogen production reaction section, so that hydrogen production by microorganisms can be performed stably for a long time. be able to.

水素生産装置における、微生物の培養部および水素生成能発現部を含む培養装置については、上記の培養装置について述べたことと同様である。   The culture apparatus including the microorganism culture part and the hydrogen production ability expression part in the hydrogen production apparatus is the same as described for the culture apparatus.

培養装置と水素生成反応部とは、微生物を運搬することができる機構により連通することが好ましい。微生物を運搬することができる機構としては、ポンプ、配管などを適宜組み合わせた通常の微生物の運搬機構を用いることができ、培養装置の微生物貯蔵部内を陽圧にして、微生物を水素生成反応部内に投入する機構、水素生成反応部内を陰圧にして、微生物を培養装置から導入する機構などが挙げられる。   The culture apparatus and the hydrogen production reaction part are preferably communicated by a mechanism capable of transporting microorganisms. As a mechanism capable of transporting microorganisms, an ordinary microorganism transport mechanism in which pumps, pipes and the like are appropriately combined can be used. The microorganism storage section of the culture apparatus is set to a positive pressure, and the microorganisms are placed in the hydrogen generation reaction section. Examples thereof include a mechanism for charging, a mechanism for introducing a microorganism from the culture apparatus by setting the inside of the hydrogen generation reaction section to a negative pressure, and the like.

図2においては、上述したようにして改質槽26で改質された微生物は、微生物供給槽28に蓄えられ、必要に応じて、動力14により水素発生装置の水素生成反応槽(以下、反応槽ともいう) 2に供給することができる。反応槽2に供給する際の微生物濃度は、0.1〜80%(w/w)(湿潤状態菌体質量基準)の濃度範囲であり、好ましくは10〜70%(w/w)(湿潤状態菌体質量基準)である。   In FIG. 2, the microorganisms modified in the reforming tank 26 as described above are stored in the microorganism supply tank 28, and if necessary, the hydrogen generation reaction tank (hereinafter referred to as reaction) of the hydrogen generator by the power 14. (Also called tank). The microbial concentration when supplying to the reaction tank 2 is in the concentration range of 0.1 to 80% (w / w) (wet cell mass standard), preferably 10 to 70% (w / w) (wet cell) Body mass basis).

反応槽2には、培地タンク3から、水素生産用培地を供給することができる。該培地としては、微生物の水素発生性能の点で、上記培養部で使用した微生物増殖用培地とは異なる培地を用いることが好ましいが、同じ培地を用いることもできる。微生物増殖用培地と同じ培地を水素発生用培地として用いる場合、培地タンク3から上記培養装置の培養タンク24に培地を供給することもできる。このようにすれば、水素発生装置をコンパクトにすることができる。   A hydrogen production medium can be supplied to the reaction tank 2 from the medium tank 3. As the medium, it is preferable to use a medium different from the microorganism growth medium used in the culture section in terms of the ability of microorganisms to generate hydrogen, but the same medium can also be used. When the same medium as the microorganism growth medium is used as the hydrogen generation medium, the medium can be supplied from the medium tank 3 to the culture tank 24 of the culture apparatus. In this way, the hydrogen generator can be made compact.

水素生成反応部は、20℃〜40℃の温度に管理され、好ましくは25℃〜40℃の温度に保たれる。
水素生成反応部は、嫌気雰囲気付与手段を有する。嫌気雰囲気付与手段としては、上記の水素生成能発現部における嫌気雰囲気付与手段について述べたことと同様である。
The hydrogen generation reaction part is controlled at a temperature of 20 ° C. to 40 ° C., and preferably maintained at a temperature of 25 ° C. to 40 ° C.
The hydrogen generation reaction part has an anaerobic atmosphere imparting means. The anaerobic atmosphere imparting means is the same as that described for the anaerobic atmosphere imparting means in the hydrogen generating ability expressing part.

水素生成反応部は、水素生成のための有機物を供給する水素生成用有機物(以下、有機性基質ともいう)供給源と連通していることが好ましい。水素生成用有機物としては、菌体内代謝経路において蟻酸に変換される糖類等の化合物であってもよいし、蟻酸や蟻酸塩であってもよい。ここで蟻酸塩とは、ヒドロカルボキシル基(化学構造式HCOO-)を有する物質である。中でも、蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、蟻酸マンガン、蟻酸ニッケル、蟻酸セシウム、蟻酸バリウム、蟻酸アンモニウムなどが挙げられる。それらの中でも、水に対する溶解度の面から蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、および蟻酸アンモニウムが好ましく、さらに、コストの面から蟻酸、蟻酸ナトリウムおよび蟻酸アンモニウムが好ましい。間接的供給方法と直接的供給方法の併用も可能であるものの、直接的供給方法が好ましく用いることができる。そして、燃料タンク1から水素生成用有機物を含む溶液を、嫌気状態に保持された反応槽2にポンプ13および流量計12を用いて計測制御しながら、溶液のpHが5〜9の範囲になるように供給することができる。pHが大きく変化する場合は、pH調整液を供給することができる。
このようにして、水素生成のための有機物を供給することにより、水素を含むガス、または水素を含むガスと代謝産物等が生成する。
The hydrogen generation reaction section preferably communicates with a hydrogen generation organic substance (hereinafter also referred to as organic substrate) supply source that supplies an organic substance for hydrogen generation. The organic substance for hydrogen generation may be a compound such as a saccharide that is converted into formic acid in the intracellular metabolic pathway, or formic acid or formate. Here, the formate is a substance having a hydrocarboxyl group (chemical structural formula HCOO ). Among them, formic acid, sodium formate, potassium formate, calcium formate, manganese formate, nickel formate, cesium formate, barium formate, ammonium formate and the like can be mentioned. Among these, formic acid, sodium formate, potassium formate, calcium formate, and ammonium formate are preferable from the viewpoint of solubility in water, and formic acid, sodium formate, and ammonium formate are preferable from the viewpoint of cost. Although the indirect supply method and the direct supply method can be used in combination, the direct supply method can be preferably used. And while controlling the solution containing the organic substance for hydrogen generation from the fuel tank 1 to the reaction tank 2 maintained in an anaerobic state using the pump 13 and the flow meter 12, the pH of the solution is in the range of 5-9. Can be supplied as When pH changes greatly, a pH adjusting solution can be supplied.
In this manner, by supplying an organic substance for hydrogen generation, a gas containing hydrogen, or a gas containing hydrogen, a metabolite, and the like are generated.

水素生成反応部は、水素発生のための有機物と微生物が接触する面積を増加させるために、反応部内部の液体を流動させる手段を有していることが好ましい。このような手段としては、反応部の内容物を移動させる混合翼、該内容物を噴霧する装置、反応槽内部に設けられた内容物を滴下する装置などを用いることができる。
なお、上記の改質槽26、有機物供給装置27、反応槽2、燃料タンク1は、溶液の特性に応じて材料的に安定であるものが選択され、槽やタンクの内部の一部または全部が化学的に安定な材料でコートされているものが好ましい。例えば酸性溶液を使用する場合であれば、合金のような耐酸性の材料で製造されたタンクを使用することもできる。改質槽26、反応槽2の表面は、耐腐食性であることが好ましい。
The hydrogen generation reaction section preferably has a means for flowing the liquid inside the reaction section in order to increase the area where the organic substance for generating hydrogen and the microorganisms come into contact with each other. As such means, there can be used a mixing blade for moving the contents of the reaction section, a device for spraying the contents, a device for dropping the contents provided inside the reaction tank, and the like.
The reforming tank 26, the organic substance supply device 27, the reaction tank 2, and the fuel tank 1 are selected to be materially stable depending on the characteristics of the solution, and part or all of the inside of the tank or tank Are preferably coated with a chemically stable material. For example, if an acidic solution is used, a tank made of an acid-resistant material such as an alloy can be used. The surfaces of the reforming tank 26 and the reaction tank 2 are preferably resistant to corrosion.

反応部で発生するガス中に、水素ガス以外のガスが含まれ、それを除去する方が望ましい場合は、水素生成反応部の後に水素濃縮部(固定部)を設けて、水素ガス以外の成分を固定することができる。水素ガス以外の成分を固定する方法としては、従来公知の方法を用いることができ、液体の吸収剤、固体の吸収剤などを用いた吸収剤による固定方法を用いることができる。二酸化炭素を除去する場合、液体の二酸化炭素吸収剤を水素濃縮部に貯蔵して二酸化炭素を固定する方法を用いることができる。液体の二酸化炭素吸収剤としては、エタノールアミン溶液などが使用可能である。   When gas other than hydrogen gas is contained in the gas generated in the reaction section and it is desirable to remove it, a hydrogen concentration section (fixed section) is provided after the hydrogen generation reaction section, and components other than hydrogen gas Can be fixed. As a method for fixing components other than hydrogen gas, a conventionally known method can be used, and a fixing method using an absorbent using a liquid absorbent, a solid absorbent, or the like can be used. When removing carbon dioxide, a method of fixing the carbon dioxide by storing a liquid carbon dioxide absorbent in a hydrogen concentrating part can be used. As a liquid carbon dioxide absorbent, an ethanolamine solution or the like can be used.

図2においては、水素濃縮槽5を設けて水素ガスを濃縮することができる。水素濃縮槽5が有する弁21は、濃縮剤(吸収剤)の入れ替え用のバルブであるが、入れ替え口は2箇所以上あってもかまわない。また、複数個のバルブ、タンクなどの組み合わせにより吸収剤の再生システムを組み合わせることもできる。ゼオライト、アミン系溶液などの、常温で吸着して高温で再生するシステムを使用する場合、後述の燃料電池部において発生した熱を利用して濃縮剤を再生することも可能である。   In FIG. 2, hydrogen gas can be concentrated by providing a hydrogen concentration tank 5. The valve 21 included in the hydrogen concentration tank 5 is a valve for replacing the thickener (absorbent), but there may be two or more replacement ports. Also, the absorbent regeneration system can be combined by combining a plurality of valves, tanks, and the like. When using a system that adsorbs at room temperature and regenerates at a high temperature, such as zeolite or amine-based solution, it is possible to regenerate the concentrating agent by using heat generated in the fuel cell section described later.

水素生産装置は、水素生成量検出部を具備し、該水素生成量検出部の検出値に基づいて、培養装置から微生物を供給できるように構成されてなる。水素生成量検出部としては、生成する水素の量を測定し得る機器を用いることができ、例えばガス流量計を用いることができる。図2においては、流量計32により水素生成量を測定することができ、この測定値に基づいて微生物貯蔵槽28から反応槽2に微生物を供給することができる。   The hydrogen production apparatus includes a hydrogen production amount detection unit, and is configured to be able to supply microorganisms from the culture device based on the detection value of the hydrogen production amount detection unit. As the hydrogen generation amount detection unit, a device capable of measuring the amount of generated hydrogen can be used, and for example, a gas flow meter can be used. In FIG. 2, the hydrogen generation amount can be measured by the flow meter 32, and the microorganisms can be supplied from the microorganism storage tank 28 to the reaction tank 2 based on the measured value.

反応槽への水素生成用有機物を含む溶液の供給量は、後述の燃料電池6の出力、水素生成量を検出する流量計32、反応槽2の温度、撹拌状態などの情報をベースに供給ポンプを調節することにより制御することができる。供給ポンプの出力増加にかかわらず燃料電池6の発電出力が増加しない場合は、微生物の水素生成能力が低下していることが考えられるので、反応槽2内の培地および微生物の一部を抜き取り、培地タンクおよび培養装置から微生物と新たな培地を供給することが好ましい。その際、微生物貯蔵槽28から反応槽2に微生物を供給する量を制御する。   The supply amount of the solution containing the organic substance for hydrogen generation to the reaction tank is based on information such as the output of the fuel cell 6 described later, the flow meter 32 for detecting the hydrogen generation amount, the temperature of the reaction tank 2, the stirring state, etc. It can be controlled by adjusting. If the power generation output of the fuel cell 6 does not increase regardless of the increase in the output of the supply pump, it is considered that the ability of microorganisms to produce hydrogen has dropped, so the medium in the reaction tank 2 and a part of the microorganisms are extracted, It is preferable to supply microorganisms and a new medium from the medium tank and the culture apparatus. At that time, the amount of microorganisms supplied from the microorganism storage tank 28 to the reaction tank 2 is controlled.

反応槽2中の菌体および培地の一部は、上記のように、水素生成量、温度、原料供給量などの情報をベースに抜き取り量を制御しつつ、ポンプ18を用いて廃液タンク4に抜き取られる。この抜き取り量に応じて、培地タンク3から所定量の培地を、また微生物貯蔵槽28から所定量の微生物を、反応槽2にポンプ15を使用して供給する。なお、燃料タンク1と反応槽2、培地タンク3は、ポリウレタンフォームやガラスウールなどの断熱材を使用して熱の移動量を抑制し、熱交換器などにより温度が20〜45℃程度に制御されていることが好ましい。   As described above, the cells in the reaction tank 2 and a part of the medium are transferred to the waste liquid tank 4 using the pump 18 while controlling the extraction amount based on information such as the hydrogen generation amount, temperature, and raw material supply amount. Extracted. A predetermined amount of medium is supplied from the medium tank 3 and a predetermined amount of microorganisms from the microorganism storage tank 28 are supplied to the reaction tank 2 using the pump 15 in accordance with the extracted amount. Fuel tank 1, reaction tank 2, and medium tank 3 use heat insulating materials such as polyurethane foam and glass wool to control the amount of heat transfer, and the temperature is controlled to about 20 to 45 ° C using a heat exchanger. It is preferable that

以下に、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置、および燃料電池を含むシステムについて示す。
図3に、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置を用いた燃料電池システム構成図を一例として示す。
図3の有機性基質の入ったタンク52から有機性基質供給ポンプ61で供給しながら、水素生成反応部51へ供給する。水素生成反応部51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と培地成分(水素発生用培地)を含む反応溶液を含み得る。有機性基質を水素生成反応部51へ供給することにより、反応溶液中の微生物が水素を含むガスを生産する。
Hereinafter, a hydrogen production apparatus capable of controlling the hydrogen production amount and a system including a fuel cell will be described.
FIG. 3 shows, as an example, a configuration diagram of a fuel cell system using a hydrogen production apparatus capable of controlling the hydrogen production amount.
While being supplied from the tank 52 containing the organic substrate of FIG. 3 by the organic substrate supply pump 61, it is supplied to the hydrogen generation reaction unit 51. The hydrogen generation reaction unit 51 may include a reaction solution including a microorganism having a formate dehydrogenase gene and a hydrogenase gene and a medium component (hydrogen generation medium). By supplying the organic substrate to the hydrogen generation reaction unit 51, the microorganisms in the reaction solution produce gas containing hydrogen.

微生物が生産したガスは凝縮器55を通過し、ガス分離装置56にて水素リッチなガスに分離され、燃料電池54の燃料極に供給される。燃料電池54では、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。   The gas produced by the microorganisms passes through the condenser 55, is separated into hydrogen-rich gas by the gas separation device 56, and is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 54. The fuel cell 54 can generate power from hydrogen gas supplied to the fuel electrode and oxygen in the air supplied to the air electrode.

有機性基質供給ポンプ61で有機性基質の供給量の制御により、ガス生産量を制御することが可能である。さらには、有機性基質の供給量の制御により、燃料電池54での発電量も制御可能となる。
反応液中の蟻酸濃度、温度、pH、微生物濃度が把握できるように各種センサー類67に、それぞれ必要なセンサーを取付けることにより、蟻酸濃度、温度、pH、微生物濃度を確認でき、蟻酸濃度、温度、pH、微生物濃度の条件を設定することが可能な水素生産装置が得られる。攪拌については、攪拌装置60を反応容器に取付け、回転させ、回転数を把握することで、攪拌装置の回転数の条件を設定することが可能な水素生産装置が得られる。
The amount of gas produced can be controlled by controlling the amount of organic substrate supplied by the organic substrate supply pump 61. Furthermore, the amount of power generated by the fuel cell 54 can be controlled by controlling the supply amount of the organic substrate.
Formic acid concentration, temperature, pH, microorganism concentration can be confirmed by attaching necessary sensors to various sensors 67 so that the formic acid concentration, temperature, pH, microorganism concentration in the reaction solution can be grasped. A hydrogen production apparatus capable of setting the conditions of pH, microbial concentration is obtained. About stirring, the hydrogen production apparatus which can set the conditions of the rotation speed of a stirring apparatus is obtained by attaching the stirring apparatus 60 to a reaction container, rotating, and grasping | ascertaining the rotation speed.

また上記の水素生産装置を用いて燃料電池のシステムとした場合、蟻酸濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件を制御することにより、水素生産量の制御を行うと同時に、燃料電池システムとして発電量の制御も行うことが可能な水素生産装置を含む燃料電池システムを得ることができる。   In addition, when the above hydrogen production apparatus is used as a fuel cell system, hydrogen is controlled by controlling at least one hydrogen production condition selected from formic acid concentration conditions, temperature conditions, pH conditions, microbial concentration conditions, and stirring conditions. It is possible to obtain a fuel cell system including a hydrogen production apparatus capable of controlling the production amount and at the same time controlling the power generation amount as the fuel cell system.

以下に、水素生産量、および燃料電池の発電量を制御する手段として、蟻酸濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件の詳細について示す。   Details of the formic acid concentration condition, temperature condition, pH condition, microbial concentration condition, and stirring condition will be described below as means for controlling the hydrogen production amount and the power generation amount of the fuel cell.

蟻酸濃度条件は、反応容器内の蟻酸イオン濃度を測定し、制御を行う。蟻酸濃度を測定する方法としては、液体クロマトグラフィーを用いる方法、超音波と導電率により測定する超音波液体濃度計を用いる方法が挙げられる。本発明では、溶液中の経時変化を見ていくために、超音波による濃度計を用いる方法により、測定を行うものの、液体クロマトグラフィーを用いる方法も併用することができる。蟻酸濃度を増加させることにより、水素生産量は増加し、蟻酸濃度を下げると、水素生産量は減少する。また、ある一定の蟻酸濃度を超える場合には、水素の生産量の制御は難しくなる。水素生産量を制御できる蟻酸濃度の範囲としては、0〜250mMが好ましく、水素生産量と蟻酸濃度との直線的な関係を得ることが可能な範囲である点で、10〜100mMがさらに好ましい。蟻酸濃度を増加させる方法としては、有機性基質を加えることにより行い、減少させる方法としては、培地成分等を加える方法により行う。   The formic acid concentration condition is controlled by measuring the formic acid ion concentration in the reaction vessel. Examples of the method for measuring the formic acid concentration include a method using liquid chromatography, and a method using an ultrasonic liquid concentration meter that measures ultrasonic waves and conductivity. In the present invention, in order to observe the change over time in the solution, the measurement is performed by a method using an ultrasonic densitometer, but a method using liquid chromatography can also be used in combination. Increasing the formic acid concentration increases the hydrogen production, and decreasing the formic acid concentration decreases the hydrogen production. In addition, when the concentration of formic acid exceeds a certain level, it becomes difficult to control the amount of hydrogen produced. The range of the formic acid concentration that can control the hydrogen production amount is preferably 0 to 250 mM, and more preferably 10 to 100 mM in that the linear relationship between the hydrogen production amount and the formic acid concentration can be obtained. A method for increasing the formic acid concentration is performed by adding an organic substrate, and a method for decreasing the formic acid concentration is performed by a method of adding a medium component or the like.

反応温度条件は、反応容器内の温度を測定し、制御を行う。温度を測定する方法としては、一般的な抵抗式の温度センサー等を用いて行う方法が挙げられる。反応温度を上げると、用いる微生物種にもよるものの、水素生産量は増加し、温度を下げると水素生産量は減少する。一般的に常温で増殖する微生物を用いた場合、水素生産量を制御できる温度範囲としては、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好ましい。反応温度を上げる方法としては、燃料電池による得られる熱エネルギーを用いて、水素生産装置を加温する方法により行われる。反応温度を下げる方法としては、空冷、水冷などが挙げられるものの、水冷方法が制御の容易な点で、用いられる。   The reaction temperature condition is controlled by measuring the temperature in the reaction vessel. Examples of the method for measuring the temperature include a method using a general resistance temperature sensor. Increasing the reaction temperature increases the hydrogen production, depending on the microorganism species used, and decreasing the temperature decreases the hydrogen production. In general, when a microorganism that grows at room temperature is used, the temperature range in which hydrogen production can be controlled is preferably 20 ° C to 45 ° C, more preferably 30 ° C to 40 ° C in terms of the life of the microorganism. To preferred. As a method for raising the reaction temperature, a method of heating a hydrogen production apparatus using thermal energy obtained by a fuel cell is performed. Although methods for lowering the reaction temperature include air cooling and water cooling, the water cooling method is used in terms of easy control.

pH条件は、反応溶液中のpHを測定し、制御を行う。pHを測定する方法としては、一般的なpHセンサー等を用いて、値を検出する。pHの値は、用いる微生物種にもよるが、最適なpH領域と反応溶液中のpHの値との差が小さくなるほど、水素の生産量は増加し、差が大きくなるほど、水素の生産量は減少する。一般的に、用いる微生物種、反応溶液中の緩衝成分に最適値は異なってくるものの、最適なpH値は4.0〜8.0に存在することが多く、さらに好ましくは5.5〜7.0に存在する。pHを上げる方法としては、アルカリ性溶液を添加する方法を用いることができる。pHを下げる方法としては、有機性基質を添加する方法が用いられる。アルカリ性溶液としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、アンモニア等の水溶液が挙げられる。中でも、水酸化ナトリウムが、コストの面から、アンモニア水が、窒素源としても用いることが可能な面から、これらを用いることが好ましい。   The pH condition is controlled by measuring the pH in the reaction solution. As a method for measuring pH, a value is detected using a general pH sensor or the like. The pH value depends on the microorganism species to be used, but as the difference between the optimum pH range and the pH value in the reaction solution decreases, the hydrogen production increases, and as the difference increases, the hydrogen production increases. Decrease. In general, although the optimum value varies depending on the microorganism species to be used and the buffer component in the reaction solution, the optimum pH value is often present at 4.0 to 8.0, and more preferably 5.5 to 7 0. As a method for increasing the pH, a method of adding an alkaline solution can be used. As a method for lowering the pH, a method of adding an organic substrate is used. Examples of the alkaline solution include aqueous solutions of lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, ammonia, and the like. Among these, sodium hydroxide is preferably used from the viewpoint of cost and ammonia water can be used as a nitrogen source.

微生物濃度条件は、反応溶液中の微生物濃度を測定し、制御を行う。微生物濃度を測定する方法としては、濁度センサーを用いる方法、吸光度から算出する方法、反応溶液の一部に電場を与え、その部分の細胞の分極度合を測定する方法などが挙げられる。本発明では、溶液中の経時変化を見ていくために、濁度センサーにより、測定を行うものの、吸光度から算出する方法も併用することができるが、測定方法はこれらに限定するものではない。微生物濃度を上げると、水素生産量は増加し、微生物濃度を下げると水素生産量は減少する。微生物濃度を上げる方法としては、微生物供給口66より微生物を投入する方法を用いる。微生物濃度を下げる方法としては、培地成分供給ポンプ62から培地を反応溶液中に供給する方法を用いる。   The microorganism concentration condition is controlled by measuring the microorganism concentration in the reaction solution. Examples of the method for measuring the microbial concentration include a method using a turbidity sensor, a method for calculating from the absorbance, and a method for applying an electric field to a part of the reaction solution and measuring the degree of polarization of the cells in that part. In the present invention, in order to observe the change with time in the solution, although measurement is performed with a turbidity sensor, a method of calculating from the absorbance can be used together, but the measurement method is not limited to these. Increasing the microbial concentration increases the hydrogen production, and decreasing the microbial concentration decreases the hydrogen production. As a method of increasing the microorganism concentration, a method of introducing microorganisms from the microorganism supply port 66 is used. As a method for reducing the microorganism concentration, a method of supplying a medium from the medium component supply pump 62 into the reaction solution is used.

攪拌条件は、反応溶液中の攪拌装置60の回転数を設定することにより、制御を行う。攪拌条件は、回転数だけではなく、モーター59のトルク、攪拌装置60の消費動力を測定する方法などさまざまな制御方法が挙げられるものの、図3では回転数を用いて行う装置を示す。攪拌装置60の回転数を増加させると、水素生産量は増加し、攪拌装置60の回転数を下げると水素生産量は減少する。攪拌装置60の回転数は、モーター59の調整により行うことができる。マグネティック方式の攪拌装置も、メンテナンスが容易になるために好ましく用いられる。   Stirring conditions are controlled by setting the rotation speed of the stirring device 60 in the reaction solution. Although various control methods, such as a method of measuring not only the rotation speed but also the torque of the motor 59 and the power consumption of the stirring apparatus 60, can be cited as the stirring conditions, FIG. 3 shows an apparatus that uses the rotation speed. When the rotation speed of the stirring device 60 is increased, the hydrogen production amount is increased, and when the rotation speed of the stirring device 60 is decreased, the hydrogen production volume is decreased. The rotation speed of the stirring device 60 can be adjusted by adjusting the motor 59. A magnetic stirring device is also preferably used because maintenance is easy.

上記に示した、蟻酸濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件により制御することで、水素発生量の制御を行うことができる。またこのようにして、水素の生産量を制御することにより、燃料電池の発電量の制御も可能である。   The amount of hydrogen generation can be controlled by controlling according to at least one hydrogen production condition selected from the formic acid concentration condition, temperature condition, pH condition, microorganism concentration condition, and stirring condition described above. In addition, by controlling the hydrogen production amount in this way, the power generation amount of the fuel cell can also be controlled.

また、上記に示した中の水素生成条件を2つ以上の組み合わせによっても水素生産量の制御が可能である。中でも、蟻酸濃度条件と微生物濃度条件、微生物濃度条件と攪拌条件の組み合わせが好ましく、これらを同時に制御する方法が好ましい。蟻酸濃度条件と微生物濃度条件、微生物濃度条件と攪拌条件を同時に制御することで、水素の生産量をより容易に制御することが可能になる。   The hydrogen production amount can also be controlled by combining two or more of the hydrogen generation conditions shown above. Among these, a combination of formic acid concentration conditions and microbial concentration conditions, and a combination of microbial concentration conditions and stirring conditions are preferred, and a method of simultaneously controlling these is preferred. By simultaneously controlling the formic acid concentration condition and the microbial concentration condition, and the microbial concentration condition and the stirring condition, it becomes possible to more easily control the hydrogen production amount.

有機性基質をリアクター(水素生成反応部)51へ供給する手段としては、有機性基質を噴霧する装置57を用いて、噴霧しながら供給する方法を用いることができる。噴霧を行うことで、有機性基質を分散して供給することができ、反応面積が増加し、それに伴い、水素を含むガスの生産速度が増加することができる。また、特に有機性基質に蟻酸を用いる場合には、噴霧を行うことにより、反応溶液中の微生物への局所的な酸に対する負荷を減らすことが可能になる。ひいては、微生物ライフが向上するために好ましい。噴霧を行う手段としては、加圧による方法、超音波による方法などが挙げられる。噴霧させる手段として加圧による方法を用いる場合には、リアクター51内の嫌気雰囲気を保持するために、窒素ガス等の不活性ガスを用いる必要がある。この点から、噴霧させる手段は超音波を用いる方法が好ましい。   As a means for supplying the organic substrate to the reactor (hydrogen generation reaction unit) 51, a method of supplying the organic substrate while spraying using the device 57 for spraying the organic substrate can be used. By performing the spraying, the organic substrate can be distributed and supplied, the reaction area can be increased, and the production rate of the gas containing hydrogen can be increased accordingly. In particular, when formic acid is used as the organic substrate, it is possible to reduce the local acid load on the microorganisms in the reaction solution by spraying. As a result, it is preferable because microbial life is improved. Examples of the means for spraying include a method using pressure and a method using ultrasonic waves. When a method using pressure is used as a means for spraying, it is necessary to use an inert gas such as nitrogen gas in order to maintain an anaerobic atmosphere in the reactor 51. From this point, the means for spraying is preferably a method using ultrasonic waves.

リアクター51からの発生した水素を含むガスの排出口付近に凝縮器5を用いることにより、微生物が生産した水素を含むガスに含まれる蒸気量を減少させることができる。冷却方法は、空冷でも可能であるが、効果を高めるために、水冷することが好ましい。これにより、発生したガスに含まれる蒸気が、リアクター51から燃料電池までのシステムの配管内で結露、液滴、ひいては液膜が生じ、発生した水素の燃料電池への供給が滞りやすくなる点が改善される。
上記の有機性基質の供給から水素ガスを含むガスを発生する段階は、恒温槽53内にて一定温度の雰囲気で行われるのが好ましい。
By using the condenser 5 in the vicinity of the discharge port of the gas containing hydrogen generated from the reactor 51, the amount of vapor contained in the gas containing hydrogen produced by the microorganism can be reduced. The cooling method may be air cooling, but is preferably water cooled in order to enhance the effect. As a result, the vapor contained in the generated gas forms condensation, droplets, and a liquid film in the piping of the system from the reactor 51 to the fuel cell, and the supply of the generated hydrogen to the fuel cell tends to be delayed. Improved.
The step of generating a gas containing hydrogen gas from the supply of the organic substrate is preferably performed in a constant temperature atmosphere in the thermostatic chamber 53.

有機性基質は有機性基質供給口63から、補給することが可能である。
ガス分離装置56は、リアクター51で発生した水素および二酸化炭素を主成分とするガスから、水素リッチなガスを分離することができる。分離する方法としては、膜分離法、吸着法など、一般的な方法が用いられる。
The organic substrate can be replenished from the organic substrate supply port 63.
The gas separation device 56 can separate a hydrogen-rich gas from a gas mainly composed of hydrogen and carbon dioxide generated in the reactor 51. As a separation method, a general method such as a membrane separation method or an adsorption method is used.

また培地成分の入ったタンク58、培地成分供給ポンプ62、培地成分供給口64、反応溶液排出バルブ65を設置することができる。ここで、水素を連続生産する場合、培地成分を連続的あるいは半連続的に、培地成分供給ポンプ62より加え、反応溶液も同じ流量で、反応溶液排出ポンプ65から引き抜く方法を用いる。微生物も、微生物供給口66から供給することが可能である。培地成分の入ったタンク58の培地成分は、培地成分供給口64から補給することができる。   A tank 58 containing medium components, a medium component supply pump 62, a medium component supply port 64, and a reaction solution discharge valve 65 can be installed. Here, when hydrogen is continuously produced, a method is used in which medium components are added from the medium component supply pump 62 continuously or semi-continuously, and the reaction solution is withdrawn from the reaction solution discharge pump 65 at the same flow rate. Microorganisms can also be supplied from the microorganism supply port 66. The medium components in the tank 58 containing the medium components can be supplied from the medium component supply port 64.

リアクター内で微生物に水素を発生させるには、連続的にあるいは間欠的に、蟻酸、蟻酸塩を供給すること(直接的供給方法)、あるいは菌体内代謝経路において蟻酸に変換される糖類(例えばグルコース、フルクトース、マンノース、ガラクトースなど)の化合物を供給すること(間接的供給方法)で行うことができる。直接的供給方法と間接的供給方法の併用も可能である。   In order to generate hydrogen in microorganisms in the reactor, formic acid and formate are supplied continuously or intermittently (direct supply method), or sugars that are converted to formic acid in the intracellular metabolic pathway (eg glucose , Fructose, mannose, galactose, etc.) (indirect supply method). A direct supply method and an indirect supply method can be used in combination.

ここで蟻酸塩とは、ヒドロカルボキシル基(化学構造式HCOO-)を有する物質である。中でも、蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、蟻酸マンガン、蟻酸ニッケル、蟻酸セシウム、蟻酸バリウム、蟻酸アンモニウムなどが挙げられる。それらの中でも、水に対する溶解度の面から蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、および蟻酸アンモニウムが好ましく、さらに、コストの面から蟻酸、蟻酸ナトリウムおよび蟻酸アンモニウムが好ましい。供給する蟻酸、蟻酸塩の濃度は、リアクター51の反応溶液の体積を増加させないため、それぞれの物質の飽和濃度に近いものが好ましい。純度の高い液体原料である蟻酸が、取り扱いの面でより好ましい。
反応溶液の条件としては、還元状態下の培養液を用いる必要がある。嫌気的条件に準じて、酸化還元電位が−100mV(ミリボルト)〜−500mV、好ましくは−200mV〜−500mVである。
Here, the formate is a substance having a hydrocarboxyl group (chemical structural formula HCOO ). Among them, formic acid, sodium formate, potassium formate, calcium formate, manganese formate, nickel formate, cesium formate, barium formate, ammonium formate and the like can be mentioned. Among these, formic acid, sodium formate, potassium formate, calcium formate, and ammonium formate are preferable from the viewpoint of solubility in water, and formic acid, sodium formate, and ammonium formate are preferable from the viewpoint of cost. The concentration of formic acid and formate to be supplied does not increase the volume of the reaction solution in the reactor 51, so that the concentration is close to the saturation concentration of each substance. Formic acid which is a liquid raw material with high purity is more preferable in terms of handling.
As a reaction solution condition, it is necessary to use a culture solution in a reduced state. According to anaerobic conditions, the oxidation-reduction potential is −100 mV (millivolt) to −500 mV, preferably −200 mV to −500 mV.

微生物濃度は、10%(w/w)〜90%(w/w)(湿潤状態菌体質量基準)の微生物濃度の水素発生用反応溶液を用いることが好ましい。反応溶液の粘性が高くなるという観点から、微生物濃度は10%(w/w)〜80%(w/w)(湿潤状態菌体質量基準)が好ましい。さらに好ましくは、単位体積あたりの水素発生量という観点からは、微生物濃度は20%(w/w)〜80%(w/w)(湿潤状態菌体質量基準)が好ましく用いることができる。この微生物濃度範囲で水素を生産することで、実用化に必要な水素生産性である50L(H2)/hr/L(反応容積)の水素発生速度以上が得ることが可能となる。It is preferable to use a hydrogen generation reaction solution having a microorganism concentration of 10% (w / w) to 90% (w / w) (wet cell mass standard). From the viewpoint of increasing the viscosity of the reaction solution, the microorganism concentration is preferably 10% (w / w) to 80% (w / w) (wet cell mass basis). More preferably, from the viewpoint of the amount of hydrogen generated per unit volume, the microbial concentration is preferably 20% (w / w) to 80% (w / w) (wet cell mass basis). By producing hydrogen in this microbial concentration range, it is possible to obtain a hydrogen production rate of 50 L (H 2 ) / hr / L (reaction volume) or more, which is the hydrogen productivity necessary for practical use.

リアクター51内で用いられる反応溶液が含み得る培地成分としては、炭素源、窒素源、ミネラル源等を含む通常の栄養培地を挙げることができる。炭素源としては、例えばグルコース、フルクトース、廃糖蜜等を、窒素源としては、無機態窒素源では、例えばアンモニア、アンモニウム塩、硝酸塩等、有機態窒素源では、例えば尿素、アミノ酸類、タンパク質等をそれぞれ単独もしくは混合して用いることができる。無機態、有機態ともに同様に利用することが可能である。またミネラル源として、おもにK、P、Mg、Sなどを含む、例えばリン酸一水素カリウム、硫酸マグネシウム等を用いることができる。この他にも必要に応じて、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティープリカー、カザミノ酸、ビオチン、チアミン等各種ビタミン等の栄養素を添加することもできる。   Examples of the medium components that can be contained in the reaction solution used in the reactor 51 include a normal nutrient medium containing a carbon source, a nitrogen source, a mineral source, and the like. Examples of the carbon source include glucose, fructose, molasses, etc., and examples of the nitrogen source include inorganic nitrogen sources such as ammonia, ammonium salts, and nitrates, and organic nitrogen sources such as urea, amino acids, and proteins. Each can be used alone or in combination. Both inorganic and organic forms can be used in the same manner. Further, as the mineral source, for example, potassium monohydrogen phosphate, magnesium sulfate or the like mainly containing K, P, Mg, S and the like can be used. In addition, nutrients such as various vitamins such as peptone, meat extract, yeast extract, corn steep liquor, casamino acid, biotin, thiamine and the like can be added as necessary.

水素発生の際には、反応溶液中に消泡剤を加えることが好ましい。消泡剤については、公知のものが用いられる。具体的にはシリコーン系、ポリエーテル系の消泡剤が用いられる。   When generating hydrogen, it is preferable to add an antifoaming agent to the reaction solution. About an antifoamer, a well-known thing is used. Specifically, silicone-based and polyether-based antifoaming agents are used.

リアクター51の材質は、耐酸性の金属類や耐酸性コーティング処理されたガラス類やプラスチック類を好適に用いることができる。またリアクター51は、嫌気性微生物を用いるために、リアクター51内部へ酸素を透過しない構造が好ましく、攪拌部分の回転部などはパッキン等を用いたシール性の高いものを使用することが推奨される。   As the material of the reactor 51, acid-resistant metals, glass and plastics treated with acid-resistant coating can be preferably used. In addition, since the reactor 51 uses anaerobic microorganisms, a structure that does not allow oxygen to permeate into the reactor 51 is preferable, and it is recommended that the rotating portion of the stirring portion has a high sealing property using packing or the like. .

従来の技術において、水素生産装置で生成した水素を一般的に固体高分子型燃料電池の燃料として用いる場合には、一酸化炭素を除去するシステム(CO変成器、CO除去器等)を用いて、COを10ppm以下に維持する必要がある。本発明の微生物を用いた水素生産装置では主に水素と二酸化炭素からなるガスが生成し、基本的に一酸化炭素が生成しない。そのため、本発明の方法では、COを除去する装置の設置が不要である。
また、従来の都市ガスを用いた水素発生装置では、600℃以上の改質温度が必要となり、メタノールを用いた改質方法でも数百℃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。さらに、通常、従来の改質器の立ち上げ、終了時に時間がかかるものの、本発明の方法では水素の生産までの取り扱いが容易で時間を短縮でき、燃料電池システムとしても好ましい。
In the conventional technology, when hydrogen produced by a hydrogen production device is generally used as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell, a system for removing carbon monoxide (CO converter, CO remover, etc.) is used. , CO must be kept below 10ppm. In the hydrogen production apparatus using the microorganism of the present invention, a gas mainly composed of hydrogen and carbon dioxide is produced, and basically no carbon monoxide is produced. Therefore, in the method of the present invention, it is not necessary to install an apparatus for removing CO.
In addition, a conventional hydrogen generator using city gas requires a reforming temperature of 600 ° C or higher, and a reforming method using methanol requires a reforming temperature of several hundreds of ° C. The temperature of the reaction vessel of the invention can be used at room temperature. Further, although it usually takes time to start up and finish the conventional reformer, the method of the present invention can be easily handled until the production of hydrogen and can shorten the time, and is preferable as a fuel cell system.

さらに燃料電池において生じた電力は、図1に示すような電力変換システム7を介して機器系統に接続することができる。燃料電池から排出されたガスは、燃焼用触媒9を通って発熱し、必要に応じて燃料タンク1、反応槽2、培地タンク3、水素濃縮槽5を保温する熱源の一部として使用することができる。
これらの点からも、本発明の水素生産方法を用いた燃料電池システムが、CO発生しないため燃料電池の劣化に対して問題が少ないこと、水素の供給方法としても高温の必要な改質器のシステムを必要としないこと、有機性基質の供給と同時に水素生産可能であることなどの点において優れていることがわかる。
Furthermore, the electric power generated in the fuel cell can be connected to the equipment system via the power conversion system 7 as shown in FIG. The gas discharged from the fuel cell generates heat through the combustion catalyst 9 and is used as part of a heat source for keeping the fuel tank 1, the reaction tank 2, the medium tank 3, and the hydrogen concentrating tank 5 as necessary. Can do.
From these points as well, the fuel cell system using the hydrogen production method of the present invention does not generate CO, so there are few problems with deterioration of the fuel cell, and a reformer that requires a high temperature as a hydrogen supply method. It can be seen that the system is superior in that it does not require a system and that hydrogen can be produced simultaneously with the supply of the organic substrate.

本発明によれば、水素生成能を有する微生物を連続的に培養して水素生成能を発現させることができ、一旦、種となる微生物を供給すれば、長期間連続的に有用な微生物を製造できる。また、水素生成能を発現させた微生物を連続的に水素生成装置に供給することが可能になり、その微生物を使用して連続的に水素を生成することが可能になる。   According to the present invention, microorganisms having hydrogen-producing ability can be continuously cultured to develop hydrogen-producing ability, and once a seed microorganism is supplied, useful microorganisms are produced continuously for a long period of time. it can. In addition, it becomes possible to continuously supply a microorganism that exhibits hydrogen generation ability to a hydrogen generator, and it is possible to continuously generate hydrogen using the microorganism.

本発明の水素生産装置およびそれを含む燃料電池システムは、有機性基質の供給量を制御することにより、リアクター51内で発生する水素を含むガスの生産量を制御することが可能であり、さらには燃料電池の発電量も制御できる。また、有機性基質として蟻酸塩および蟻酸を用いることにより、発酵残さの生成が生じにくく、また主な生成物が気体であるために、リアクター51からの分離も容易であるために、連続的な水素生産を容易に行うことが可能になることを特徴としている。   The hydrogen production apparatus of the present invention and the fuel cell system including the hydrogen production apparatus can control the production amount of gas containing hydrogen generated in the reactor 51 by controlling the supply amount of the organic substrate. Can also control the amount of power generated by the fuel cell. Further, by using formate and formic acid as the organic substrate, it is difficult to produce a fermentation residue, and since the main product is a gas, separation from the reactor 51 is easy. It is characterized in that hydrogen production can be easily performed.

以下、実施例により具体的に本発明を説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
実施例1
実施例1で用いた水素発生装置を、図2に示す。
微生物培養用培地タンク23に、水(1000 ml)、グルコース(20 mM)、トリプトンペプトン(1%)、モリブテン酸ナトリウム(10μM)、亜セレン酸ナトリウム(10μM)、リン酸水素二ナトリウム(26.5 mm)、リン酸二水素ナトリウム(73.5 mM)、酵母エキス(0.5%)および硫化ナトリウム(2mM)からなる培養液を予め120℃で10分間加熱殺菌したものを貯蔵し、培養槽に供給する。初回起動時のみ、エシェリキア・コリW株(ATCC9637)を培養槽に投入し、菌体密度が3 g-湿潤菌体/リットル(菌体光学密度OD610=約1.5)になるように培地を供給した。そして、滅菌した空気を送付して曝気した。37℃にて12時間の培養を実施し、培養槽内の菌体と培養液を、水素生成能発現槽に槽内に設けられた液量センサーから必要量を判断し、流量計から供給量を判断して、ポンプを用いて水素生成能発現槽に送った。培養槽から排出された培養液は、一旦、菌体洗浄槽(図示せず)にて菌体を培地と分離して洗浄し、新たな培地と混合してから水素生成能発現槽に送った。その際、水素生成能発現槽を嫌気状態にするために、排気装置を用いて槽内の酸素濃度を低下させた。そのときの水素生成能発現槽内の内容物の酸化還元電位は、−250 mVであった。そして、水素生成能を発現させるために、蟻酸ナトリウムを50 mM程度になるように供給して菌体に水素生成能を発現させた。水素生成能を誘導する時間は、6時間であった。水素生成能を発現させた微生物を微生物貯蔵槽に貯蔵した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
The hydrogen generator used in Example 1 is shown in FIG.
In the microbial culture medium tank 23, water (1000 ml), glucose (20 mM), tryptone peptone (1%), sodium molybdate (10 μM), sodium selenite (10 μM), disodium hydrogen phosphate (26.5 mm), sodium dihydrogen phosphate (73.5 mM), yeast extract (0.5%) and sodium sulfide (2 mM) previously sterilized by heating at 120 ° C. for 10 minutes is stored and supplied to the culture tank. Only at the first start-up, Escherichia coli W strain (ATCC9637) is put into the culture tank, and the medium is supplied so that the cell density is 3 g-wet cell / liter (cell optical density OD 610 = about 1.5). did. Then, sterilized air was sent and aerated. After culturing at 37 ° C for 12 hours, the necessary amount of cells and culture solution in the culture tank is determined from the liquid volume sensor installed in the tank in the hydrogen production capacity expression tank, and the supply volume from the flow meter Was determined and sent to a hydrogen generation capacity expression tank using a pump. The culture solution discharged from the culture tank was once separated from the culture medium and washed in a bacterial cell washing tank (not shown), mixed with a new culture medium, and then sent to the hydrogen production capacity expression tank. . At that time, the oxygen concentration in the tank was reduced by using an exhaust device in order to make the hydrogen generating capacity expressing tank anaerobic. At that time, the oxidation-reduction potential of the contents in the hydrogen generation capacity expression tank was −250 mV. And in order to express hydrogen production ability, sodium formate was supplied so that it might become about 50 mM, and hydrogen production ability was made to express in a microbial cell. The time for inducing the hydrogen generation ability was 6 hours. Microorganisms that expressed hydrogen generation ability were stored in a microorganism storage tank.

この連続微生物水素生成能発現装置においては、培地タンク、培養槽、菌体洗浄槽、改質容器(水素生成能発現槽)、微生物貯蔵槽のそれぞれに水位レベルセンサーを設置し、流量計とポンプを用いて送液した。また、各タンクの内部は、温度は37℃、pHは約 6〜7に制御した。   In this continuous microbial hydrogen production capacity expression device, a water level sensor is installed in each of the medium tank, culture tank, microbial cell washing tank, reforming container (hydrogen production capacity expression tank), and microbial storage tank, and a flow meter and pump The solution was fed using Further, the inside of each tank was controlled at a temperature of 37 ° C. and a pH of about 6-7.

水素発生用培地タンク3には、水素発生用培地として、水(1000 ml)、トリプトンペプトン(1%)、モリブテン酸ナトリウム(10μM)、亜セレン酸ナトリウム(10μM)、リン酸水素二ナトリウム(26.5 mM)、リン酸二水素ナトリウム(73.5 mM)、酵母エキス(0.5%)からなる培養液を予め120℃で10分間加熱殺菌したものを貯蔵した。
反応槽2には、水素発生用培地を培地タンク3からポンプ15を用いて供給し、さらに、微生物貯蔵槽から菌体を供給し、温度37℃程度、pH 6〜7に保ち、嫌気状態にて燃料タンク1から蟻酸水溶液をポンプ13を用いて流量計12により計測しながら液送した。撹拌機8により撹拌して、菌体と蟻酸の接触頻度を向上させた。
In the hydrogen generation medium tank 3, water (1000 ml), tryptone peptone (1%), sodium molybdate (10 μM), sodium selenite (10 μM), disodium hydrogen phosphate ( 26.5 mM), sodium dihydrogen phosphate (73.5 mM), and yeast extract (0.5%) were preliminarily heat-sterilized at 120 ° C. for 10 minutes and stored.
In the reaction tank 2, a medium for hydrogen generation is supplied from the medium tank 3 using the pump 15, and further, the cells are supplied from the microorganism storage tank, maintained at a temperature of about 37 ° C. and a pH of 6 to 7, and kept in an anaerobic state. Then, the formic acid aqueous solution was fed from the fuel tank 1 while being measured by the flow meter 12 using the pump 13. Stirring was performed with the stirrer 8 to improve the contact frequency between the cells and formic acid.

発生した水素を含む混合ガスは、流量計32を有する配管を通り水素濃縮槽5においてジエタノールアミンに二酸化炭素を吸着させて水素を濃縮した。
濃縮された水素をポンプ45を用いて燃料電池部6のアノードに送付し、空気取り入れ口19からポンプ20にて取り入れられた空気をフィルター10にて浮遊物を除去した後、カソードに送付して、これらを用いて発電した。発電した電力は、インバーター7などにより機器・系統に接続される。
The mixed gas containing generated hydrogen passed through a pipe having a flow meter 32, and hydrogen was concentrated by adsorbing carbon dioxide to diethanolamine in the hydrogen concentration tank 5.
Concentrated hydrogen is sent to the anode of the fuel cell unit 6 using the pump 45, and air taken in by the pump 20 from the air intake port 19 is removed by the filter 10 and then sent to the cathode. These were used to generate electricity. The generated power is connected to the equipment / system by an inverter 7 or the like.

なお、反応槽2において、水素ガス生成に伴い菌体の補充および培地の入れ替えの必要があったので、反応槽2内の培養液をポンプ18にて廃液タンク4に抜き取った。
以上の操作の繰り返しにより、連続的に水素を生成することが可能であった。26mol(モル)/L(リットル)の濃度の蟻酸水溶液を28 mL/hrのフィード速度で連続的に供給して発生するガス量を測定した結果、約32L(ガス)/hrであり、120時間の連続ガス製造を行うことが可能であった。ガスクロマトグラフィーによる分析では、生成ガスの主要成分は水素と炭酸ガスであり、これらがほぼ同体積生成した。水素発生速度は、実験時間の間、安定的に50〜55L (H2) / hr / L (反応容積)であった。
In the reaction tank 2, since it was necessary to replenish the cells and replace the medium along with the generation of hydrogen gas, the culture solution in the reaction tank 2 was extracted to the waste liquid tank 4 by the pump 18.
By repeating the above operations, it was possible to continuously generate hydrogen. As a result of measuring the amount of gas generated by continuously supplying an aqueous formic acid solution with a concentration of 26 mol (mol) / L (liter) at a feed rate of 28 mL / hr, it was about 32 L (gas) / hr, 120 hours It was possible to perform continuous gas production. In the analysis by gas chromatography, the main components of the product gas were hydrogen and carbon dioxide, which were produced in almost the same volume. The hydrogen evolution rate was stably 50-55 L (H 2 ) / hr / L (reaction volume) during the experimental time.

実施例1の結果により、本発明の培養装置を連設した水素生産装置を用いることにより、燃料電池に必要な水素が数日間にわたり、安定した速度で発生することが明らかとなった。   From the results of Example 1, it has been clarified that the hydrogen required for the fuel cell is generated at a stable rate over several days by using the hydrogen production apparatus provided with the culture apparatus of the present invention.

実施例2〜4
エシェリキア・コリW株(Escherichia coli W strain;ATCC9637)による微生物を用いた水素生産方法。
本菌株を下表1で示される組成の培養液500ml(ミリリットル)に加え、好気的条件下、37℃で一晩振盪培養(前培)を行った。
Examples 2-4
A method for producing hydrogen using a microorganism using Escherichia coli W strain (ATCC 9637).
This strain was added to 500 ml (milliliter) of a culture solution having the composition shown in Table 1 below, followed by shaking culture (preculture) overnight at 37 ° C. under aerobic conditions.

Figure 0004476285
Figure 0004476285

次に嫌気的条件下、一晩振盪培養(前培)を行った培養液を一部採取し、蟻酸ナトリウムを含む下表2で示される組成の培養液に加え、37℃で12時間の振盪培養(本培)を行った。   Next, a part of the culture solution which has been subjected to overnight shaking culture (pre-culture) under anaerobic conditions is collected, added to the culture solution having the composition shown in Table 2 below containing sodium formate, and shaken at 37 ° C. for 12 hours. Culture (main culture) was performed.

Figure 0004476285
Figure 0004476285

次いで、本培養液を遠心分離機にかけ(5000回転、15分)、上澄み液を除去し、水素生産機能を有する微生物を得ることができた。
本微生物を遠心分離により分離後、下表3の組成で示される還元状態下の水素発生用培地500ml(ミリリットル)に懸濁調製した。
Subsequently, the main culture solution was centrifuged (5000 rpm, 15 minutes), and the supernatant was removed to obtain a microorganism having a hydrogen production function.
The microorganism was separated by centrifugation and then suspended in 500 ml (milliliter) of a hydrogen generation medium under the reduced state shown in the composition of Table 3 below.

Figure 0004476285
Figure 0004476285

今回の実施例に用いた装置の概略図を図3に示す。
上記で作成した微生物の存在している水素発生反応溶液をリアクター51へ注液し、培地成分の入ったタンク58には表3で示される水素発生培地を注液した。また有機性基質の入ったタンク52には26M(モーラー モル/リットル)の蟻酸を準備した。
反応溶液温度37℃、溶液のpH6.0、微生物濃度約40%(湿潤状態菌体質量基準)、反応溶液内の攪拌回転数800rpmの条件に設定した。
A schematic diagram of the apparatus used in this example is shown in FIG.
The hydrogen generation reaction solution containing the microorganisms prepared above was injected into the reactor 51, and the hydrogen generation medium shown in Table 3 was injected into the tank 58 containing the medium components. In addition, 26 M (molar mol / liter) formic acid was prepared in the tank 52 containing the organic substrate.
The reaction solution temperature was 37 ° C., the pH of the solution was 6.0, the microorganism concentration was about 40% (wet cell mass standard), and the stirring speed in the reaction solution was 800 rpm.

有機性基質供給ポンプ61で有機性基質の供給速度を変化させ、リアクター51に供給して発生する水素生産ガス量および、燃料電池での発電量を測定した。
供給速度を10ml/hr(ミリリットル/時間)(実施例2)、21ml/hr(ミリリットル/時間)(実施例3)、42ml/hr(ミリリットル/時間)(実施例4)で行った。その結果を図5に示す。
The organic substrate supply pump 61 was used to change the supply rate of the organic substrate, and the amount of hydrogen production gas generated by supplying to the reactor 51 and the amount of power generated in the fuel cell were measured.
The supply rate was 10 ml / hr (milliliter / hour) (Example 2), 21 ml / hr (milliliter / hour) (Example 3), and 42 ml / hr (milliliter / hour) (Example 4). The result is shown in FIG.

図5は有機性基質の供給速度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。有機性基質の供給速度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量を制御できることが明らかになった。   FIG. 5 shows the correlation between the supply rate of the organic substrate, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. It became clear that the amount of hydrogen produced and the amount of power generated by the fuel cell can be controlled by controlling the supply rate of the organic substrate.

実施例5
実施例2と同様の方法で、水素生産能を有する微生物を得て、得られた微生物を水素発生用培地に懸濁調製することにより、水素発生反応溶液500ml(ミリリットル)を得た。
有機性基質供給ポンプ61で水素生産装置に蟻酸を供給し、以下の反応溶液中の蟻酸濃度となるように添加しながら、水素生産速度および、燃料電池での発電量を測定した。
Example 5
A microorganism having hydrogen-producing ability was obtained in the same manner as in Example 2, and the obtained microorganism was suspended in a hydrogen-generating medium to obtain 500 ml (milliliter) of a hydrogen-generating reaction solution.
The formic acid was supplied to the hydrogen production apparatus with the organic substrate supply pump 61, and the hydrogen production rate and the amount of power generated in the fuel cell were measured while adding the formic acid to the following concentration in the reaction solution.

リアクター内の蟻酸濃度を10mM(ミリモーラー)、30mM(ミリモーラー)、50mM(ミリモーラー)に変化させる以外は、リアクター内の反応溶液の温度が37℃、pHが6.0、微生物濃度が40%(w/w)(湿潤状態菌体質量基準)の条件を用い、攪拌については、攪拌装置の回転数で制御を行い、800rpmの条件で、水素生産速度および発電量の測定を行った。
その結果を、図6に示す。
Except for changing the formic acid concentration in the reactor to 10 mM (millimolar), 30 mM (millimolar), 50 mM (millimolar), the temperature of the reaction solution in the reactor is 37 ° C., the pH is 6.0, and the microbial concentration is 40% (w / w) (wet cell mass standard), stirring was controlled by the number of revolutions of the stirrer, and the hydrogen production rate and power generation were measured at 800 rpm.
The result is shown in FIG.

図6は、有機性基質(蟻酸)の濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内の蟻酸濃度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。   FIG. 6 shows the correlation between the concentration of the organic substrate (formic acid), the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. By controlling the formic acid concentration in the reaction solution of the reactor, it became clear that there is a correlation between the hydrogen production amount and the power generation amount of the fuel cell.

実施例6
リアクター内の反応溶液の温度を30℃、37℃、および44℃に変化させ、蟻酸濃度:30mM、pH=6.0、微生物濃度:40%(w/w)、攪拌回転数:800rpmの条件を用いて、実施例5と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図7に示す。
Example 6
The temperature of the reaction solution in the reactor was changed to 30 ° C., 37 ° C., and 44 ° C., formic acid concentration: 30 mM, pH = 6.0, microorganism concentration: 40% (w / w), and stirring rotation speed: 800 rpm Was used to measure the hydrogen production rate and the amount of power generated by the fuel cell in the same manner as in Example 5.
The results are shown in FIG.

図7は、リアクター内の反応溶液の温度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内の温度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。   FIG. 7 shows the correlation between the temperature of the reaction solution in the reactor, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. By controlling the temperature in the reaction solution of the reactor, it became clear that there is a correlation between the hydrogen production amount and the power generation amount of the fuel cell.

実施例7
リアクター内の反応溶液のpHを5.5、6.0、および6.5に変化させ、蟻酸濃度:30mM、温度:37℃、微生物濃度:40%(w/w)、攪拌回転数:800rpmの条件を用いて、実施例5と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図8に示す。
Example 7
The pH of the reaction solution in the reactor was changed to 5.5, 6.0, and 6.5, formic acid concentration: 30 mM, temperature: 37 ° C., microorganism concentration: 40% (w / w), stirring rotation speed: 800 rpm Using these conditions, the hydrogen production rate and the amount of power generated by the fuel cell were measured in the same manner as in Example 5.
The results are shown in FIG.

図8は、リアクター内の反応溶液のpHと水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内のpHを制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。   FIG. 8 shows the correlation between the pH of the reaction solution in the reactor, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. It has been clarified that there is a correlation between the hydrogen production amount and the power generation amount of the fuel cell by controlling the pH in the reaction solution of the reactor.

実施例8
リアクター内の反応溶液の微生物濃度を30%、40%、および50%に変化させ、蟻酸濃度:30mM、温度:37℃、pH=6.0、攪拌回転数:800rpmの条件を用いて、実施例5と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図9に示す。
Example 8
The reaction solution in the reactor was changed to a microbial concentration of 30%, 40%, and 50%, using formic acid concentration: 30 mM, temperature: 37 ° C., pH = 6.0, stirring rotation speed: 800 rpm. In the same manner as in Example 5, the hydrogen production rate and the power generation amount of the fuel cell were measured.
The results are shown in FIG.

図9は、リアクター内の反応溶液の微生物濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内の微生物濃度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。   FIG. 9 shows the correlation between the microbial concentration of the reaction solution in the reactor, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. By controlling the microbial concentration in the reaction solution of the reactor, it became clear that there is a correlation between the hydrogen production amount and the power generation amount of the fuel cell.

実施例9
リアクター内の反応溶液の攪拌力について、攪拌装置の回転数で制御を行った。攪拌装置の回転数を400rpm、800rpm、および1200rpmに変化させ、蟻酸濃度:30mM、温度:37℃、pH=6.0、微生物濃度:40%(w/w)の条件を用いて、実施例5と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図10に示す。
Example 9
The stirring force of the reaction solution in the reactor was controlled by the rotation speed of the stirring device. The examples were prepared by changing the rotation speed of the stirring device to 400 rpm, 800 rpm, and 1200 rpm, and using the conditions of formic acid concentration: 30 mM, temperature: 37 ° C., pH = 6.0, and microorganism concentration: 40% (w / w). 5 was used to measure the hydrogen production rate and the amount of power generated by the fuel cell.
The results are shown in FIG.

図10は、リアクター内の攪拌装置の回転数と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクター内の攪拌装置の回転数を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。   FIG. 10 shows the correlation between the rotation speed of the stirring device in the reactor, the hydrogen production amount, and the power generation amount in the fuel cell system. It became clear that there was a correlation between the hydrogen production amount and the power generation amount of the fuel cell by controlling the rotation speed of the stirring device in the reactor.

実施例5〜10により、反応容器から排出される水素の生産量を蟻酸濃度、温度、pH、微生物濃度、攪拌力のいずれか一つにより制御することを特徴とする水素生産装置における水素生産量の制御、およびこれを用いて生産された水素を燃料ガスに用いた燃料電池の発電量の制御が可能であることが判明した。   According to Examples 5 to 10, the amount of hydrogen produced from the reaction vessel is controlled by any one of formic acid concentration, temperature, pH, microbial concentration, and stirring force. It has been found that it is possible to control the amount of power generated by a fuel cell using hydrogen produced by using this as fuel gas.

本発明の培養装置、およびこれを含む水素発生装置は、微生物を用いて連続的に水素を発生させることができ、連続的に水素を必要とするシステム、例えば家庭用や事務所ビルなどに応用される燃料電池コジェネレーションシステム、需要地ネットワークに広く設置される分散型電源用燃料電池などに利用することができる。   The culture apparatus of the present invention and the hydrogen generator including the same can generate hydrogen continuously using microorganisms, and are applied to systems that require hydrogen continuously, such as homes and office buildings. It can be used for a fuel cell cogeneration system, a fuel cell for a distributed power source widely installed in a demand area network, and the like.

Claims (9)

酸素を含む気体源と栄養源供給部に連通する微生物の培養部と、該培養部と連通し、グルコース蟻酸または蟻酸塩とを含む、微生物に水素生成能を発現させる有機物を供給するための有機物供給源および嫌気雰囲気付与手段を有する微生物の嫌気条件下での水素生成能発現部とを具備する微生物の培養装置が水素生成反応部に連設されてなり、
前記水素生成反応部が、蟻酸または蟻酸塩を噴霧装置を介して供給する原料供給部と連通し、
前記培養部と前記水素生成能発現部との間に、培養された微生物と培養液との分離部が設けられ、
前記水素生成能発現部と前記水素生成反応部との間に、水素生成能を発現した微生物と培養液との分離部が設けられている
ことを特徴とする連続式水素生産装置。
A microorganism culture part communicating with a gas source containing oxygen and a nutrient source supply part, and an organic substance that communicates with the culture part and contains glucose and formic acid or formate to express hydrogen generation ability to the microorganism An apparatus for culturing microorganisms having an organic substance supply source and an anaerobic atmosphere imparting means for microorganisms having an anaerobic condition under anaerobic conditions is connected to the hydrogen production reaction section.
The hydrogen production reaction unit, the formic acid or formate salt material feed portion communicating with supply via a spraying device,
Between the culture part and the hydrogen production ability expression part, a separation part of the cultured microorganism and the culture solution is provided,
Between the hydrogen generating ability expressing part and the hydrogen generating reaction part, there is provided a separating part for the microorganism that has expressed hydrogen generating ability and the culture solution.
This is a continuous hydrogen production system.
微生物が、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請求項1に記載の水素生産装置。The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the microorganism has a formate dehydrogenase gene and a hydrogenase gene. 水素の生産量が、原料供給部から水素生成反応部への蟻酸または蟻酸塩の供給量で制御される請求項1または2に記載の水素生産装置。The hydrogen production apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the production amount of hydrogen is controlled by the supply amount of formic acid or formate from the raw material supply unit to the hydrogen production reaction unit. 水素の生産量が、水素生成反応部の蟻酸または蟻酸塩の濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選ばれる少なくとも1つの水素生成条件により制御される請求項1または2に記載の水素生産装置。Production of hydrogen, the concentration condition of formic acid or formate salt of the hydrogen production reaction unit, temperature conditions, pH conditions, to claim 1 or 2 is controlled by at least one of the hydrogen generating conditions selected from microorganisms density conditions and stirring conditions The hydrogen production apparatus as described. 水素生成反応部が水素生成量検出部を具備し、水素生成量検出部の検出値に基づいて培養装置から微生物を供給できるように構成されてなる請求項1〜のいずれか1つに記載の水素生産装置。Hydrogen production reaction unit comprises a hydrogen generation amount detection unit, according to consists of any one of claims 1-4 consisting so that it can supply the microorganisms from the culture device based on the detection value of the hydrogen generation amount detector Hydrogen production equipment. 水素生成反応部が、排出されるガスに含まれる水蒸気を凝縮するための凝縮器を備える請求項1〜のいずれか1つに記載の水素生産装置。The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the hydrogen generation reaction unit includes a condenser for condensing water vapor contained in the discharged gas. 請求項1〜のいずれか1つに記載の水素生産装置と、該水素生産装置から発生する水素を燃料ガスとして用いる燃料電池とからなるシステム。A system comprising the hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 6 and a fuel cell using hydrogen generated from the hydrogen production apparatus as a fuel gas. 燃料電池での発電量が、原料供給部から水素生成反応部への蟻酸または蟻酸塩の供給量により制御される請求項に記載のシステム。The system according to claim 7 , wherein the amount of power generation in the fuel cell is controlled by the amount of formic acid or formate supplied from the raw material supply unit to the hydrogen generation reaction unit. 燃料電池での発電量が、水素生成反応部の蟻酸または蟻酸塩の濃度条件、温度条件、pH条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選択されるいずれか1つの水素生成条件により制御される請求項に記載のシステム。The amount of power generation in the fuel cell is controlled by any one hydrogen generation condition selected from a concentration condition, a temperature condition, a pH condition, a microorganism concentration condition, and a stirring condition of formic acid or formate in the hydrogen generation reaction section. 8. The system according to 7 .
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