JP5968733B2 - Method for producing butanol using microorganisms - Google Patents

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Description

本発明は、微生物を利用したブタノール生産方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、ブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産するブタノール生産微生物を利用してブタノール生産を行うのに好適なブタノール生産方法に関する。   The present invention relates to a method for producing butanol using microorganisms. More specifically, the present invention relates to a method for producing butanol suitable for producing butanol using a butanol-producing microorganism that produces butanol-containing metabolites in a growth-independent manner.

ブタノールは、エタノールよりもエネルギー含有量が多いことから次世代バイオ燃料として注目されている。また、イソプレン、イソブテン、ブテン等の様々な化学合成物質の原材料としても有用である。さらに、バイオディーゼル燃料の燃焼効率を向上させる添加剤としても有用である。これらのことから、効率的なブタノールの生産プロセスの確立が望まれている(非特許文献1及び2を参照)。   Butanol is attracting attention as a next-generation biofuel because it has a higher energy content than ethanol. It is also useful as a raw material for various chemically synthesized substances such as isoprene, isobutene and butene. Furthermore, it is useful as an additive for improving the combustion efficiency of biodiesel fuel. For these reasons, establishment of an efficient butanol production process is desired (see Non-Patent Documents 1 and 2).

近年、ブタノールを生産するための方法の一つとして、C.acetobutylicum等に代表されるクロストリジウム属細菌のアセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を利用した方法が注目されている。ABE発酵では、グルコース等の基質を消費して対数増殖期には主に酢酸や酪酸といった有機酸が生成され(酸生成期)、定常期には主にブタノール、アセトン及びエタノールが6:3:1の比で増殖非連動的に生成される(アルコール生成期)。つまり、糖類等の基質からアルコールとしてブタノールとエタノールを同時に生産することができ、特にブタノールを優占的に生産することが可能である(例えば、非特許文献3を参照)。   In recent years, as one of the methods for producing butanol, a method using acetone / butanol / ethanol fermentation (ABE fermentation) of Clostridium bacteria represented by C. acetobutylicum and the like has attracted attention. In ABE fermentation, a substrate such as glucose is consumed, and organic acids such as acetic acid and butyric acid are mainly produced in the logarithmic growth phase (acid production phase), and butanol, acetone and ethanol are mainly 6: 3 in the stationary phase. It is produced in a growth-independent manner at a ratio of 1 (alcohol production phase). That is, butanol and ethanol can be simultaneously produced as alcohol from a substrate such as saccharide, and butanol can be produced predominantly (see, for example, Non-Patent Document 3).

Pfromma PH, Amanor-Boadub V, Nelson R, Vadlanid P, Madl R., Bio-butanol vs. bio-ethanol: A technical and economic assessment for corn and switchgrass fermented by yeast or Clostridium acetobutylicum. Biomass and Bioenergy, 2010. 34(4): p. 515-524.Pfromma PH, Amanor-Boadub V, Nelson R, Vadlanid P, Madl R., Bio-butanol vs. bio-ethanol: A technical and economic assessment for corn and switchgrass fermented by yeast or Clostridium acetobutylicum. Biomass and Bioenergy, 2010. 34 (4): p. 515-524. Vert A, Qureshi N, Yukawa H, Blaschek HP., Biomass to Biofuels: Strategies for Global Industries, 2010.Vert A, Qureshi N, Yukawa H, Blaschek HP., Biomass to Biofuels: Strategies for Global Industries, 2010. D.T.JONES.1981. Solvent Production and Morphological changes in Clostridium acetobutylicum. Applied and Environmental Microbiology.D.T.JONES.1981.Solvent Production and Morphological changes in Clostridium acetobutylicum.Applied and Environmental Microbiology.

しかしながら、図32に示すように、ABE発酵におけるグルコースを基質とした標準的なブタノール生産経路では、ピルビン酸から下流の反応において、ブタノールを合成するための還元力として4分子のNADHを必要とする。これに対し、上流のグルコース消費反応(グルコースからピルビン酸)では2分子のNADHを生産するのみである。よって、ブタノール1分子を合成するためには最低でもグルコースを2分子消費する。実際には、水素やエタノールなどその他の代謝産物にも還元力は分散するため、ブタノールの消費グルコースに対する収率は低い。つまり、ABE発酵を利用したブタノール生産においては、投入した糖類等の基質に対して、ブタノールの収率が低いという問題があり、その改善が望まれていた。   However, as shown in FIG. 32, the standard butanol production pathway using glucose as a substrate in ABE fermentation requires 4 molecules of NADH as a reducing power for synthesizing butanol in a downstream reaction from pyruvic acid. . In contrast, the upstream glucose consumption reaction (glucose to pyruvate) only produces two molecules of NADH. Therefore, in order to synthesize one molecule of butanol, at least two molecules of glucose are consumed. Actually, since the reducing power is dispersed also in other metabolites such as hydrogen and ethanol, the yield of butanol to consumed glucose is low. That is, in the production of butanol using ABE fermentation, there is a problem that the yield of butanol is low with respect to the substrate such as saccharide that has been added, and the improvement has been desired.

また、この問題は、クロストリジウム属細菌のABE発酵を利用したブタノールの生産に限らず、ブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産するブタノール生産微生物を利用したブタノールの生産全般について当て嵌まり得る問題であり、その改善が望まれていた。   In addition, this problem is not limited to the production of butanol using ABE fermentation of Clostridium bacteria, but can also be applied to the overall production of butanol using butanol-producing microorganisms that produce butanol-containing metabolites in a growth-independent manner. Therefore, the improvement was desired.

そこで、本発明は、ブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産するブタノール生産微生物を利用してブタノールを生産するに際し、投入した基質に対するブタノールの生産量(収率)を大幅に向上させることのできる方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention significantly improves the production amount (yield) of butanol with respect to the input substrate when producing butanol using butanol-producing microorganisms that produce butanol-containing metabolites in a growth-independent manner. It is an object to provide a method that can be used.

かかる課題を解決するため、本願発明者は、ブタノール生産微生物の細胞外からブタノール生産に必要な還元力を供給することで、ブタノールの生産性を大きく向上できる可能性があると考え、各種検討を行った。   In order to solve such problems, the present inventor considers that there is a possibility that the productivity of butanol can be greatly improved by supplying the reducing power necessary for butanol production from the outside of the butanol-producing microorganism. went.

その結果、C.acetobutylicumとグルコースとメチルビオロゲンとを含む培養液に電極を浸漬し、C.acetobutylicumがグルコースを消費しながらブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産している期間中に、電極への通電(還元電位の印加)を開始し、10分間通電し続けてメチルビオロゲンを酸化型から還元型に還元した後に通電を停止することで、投入したグルコースに対するブタノールの生産量(収率)を大きく向上できることを知見するに至った。そして、この収率向上効果は、通電開始のタイミングを特にグルコースの消費中期とした場合に顕著に奏されることを知見するに至った。   As a result, the electrode is immersed in a culture solution containing C. acetobutylicum, glucose and methyl viologen, and C. acetobutylicum consumes glucose while producing metabolites containing butanol in a growth-independent manner, By starting energization (application of reduction potential) to the electrode, and continuing energization for 10 minutes to reduce methylviologen from the oxidized form to the reduced form, and then stopping the energization, the amount of butanol produced (yield relative to the input glucose) ) Has been found to be greatly improved. And it came to discover that this yield improvement effect was notably show | played when the timing of an energization start was made into the consumption middle stage of glucose especially.

本願発明者等は、上記知見に基づき、C.acetobutylicumに限らず、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌全般について、さらにはブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産するブタノール生産微生物全般について、基質を消費しながらブタノールを生産している期間中に、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質を介した一時的な電子の供給を行うことによって、投入した基質に対するブタノールの生産量(収率)を大きく向上できる可能性が導かれることを知見し、さらに種々検討を重ねて本発明を完成するに至った。   Based on the above findings, the inventors of the present invention are not limited to C. acetobutylicum, but also about Clostridium bacteria that perform ABE fermentation, and also about all butanol-producing microorganisms that produce butanol-containing metabolites in a growth-independent manner. The amount of butanol produced relative to the input substrate by temporarily supplying electrons through an electron medium material that can take both oxidant and reductant forms while producing butanol while consuming The present inventors have found that the possibility that the (yield) can be greatly improved is derived, and have further studied variously to complete the present invention.

即ち、本発明のブタノール生産方法は、基質を消費しながらブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産しているブタノール生産微生物に、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質を介した一時的な電子の供給を行う工程を含むようにしている。   That is, the butanol production method of the present invention provides an electronic medium substance that can take both forms of oxidized form and reduced form to a butanol-producing microorganism that produces butanol-containing metabolites while consuming a substrate. Including a step of temporarily supplying electrons via.

ここで、本発明のブタノール生産方法においては、電子の供給は、基質とブタノール生産微生物と電子媒体物質とを含む培養液に電極を浸漬し、電極に還元電位を5分間〜15分間印加して電子媒体物質を還元することにより行うことが好ましい。 Here, in the butanol production method of the present invention, the supply of electrons is performed by immersing an electrode in a culture solution containing a substrate, a butanol-producing microorganism and an electron medium substance, and applying a reduction potential to the electrode for 5 to 15 minutes. This is preferably done by reducing the electronic media material.

また、本発明のブタノール生産方法においては、上記工程を、ブタノール生産微生物の基質消費期間の中期に行うことが好ましい。   Moreover, in the butanol production method of the present invention, it is preferable to carry out the above process in the middle of the substrate consumption period of the butanol-producing microorganism.

さらに、本発明のブタノール生産方法においては、アセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属細菌であることが好ましい。   Furthermore, in the butanol production method of the present invention, a bacterium belonging to the genus Clostridium that performs acetone / butanol / ethanol fermentation (ABE fermentation) is preferable.

本発明によれば、ブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産するブタノール生産微生物を利用してブタノールを生産するに際し、投入した基質に対するブタノールの生産量(収率)を大幅に向上させることが可能となる。したがって、投入した基質に対するブタノール生産量を従来よりも高めて、ブタノール生産にかかるコストの低減とブタノール生産効率の向上の両立を図ることが可能となる。   According to the present invention, when butanol is produced using a butanol-producing microorganism that produces butanol-containing metabolites in a non-growth-linked manner, the production amount (yield) of butanol relative to the input substrate is greatly improved. Is possible. Therefore, it is possible to increase the butanol production amount for the input substrate as compared with the conventional method, and to achieve both the reduction of butanol production cost and the improvement of butanol production efficiency.

本発明のブタノール生産方法の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the butanol production method of this invention. 実施例にて使用した電気培養装置の構成概略図である。It is the structure schematic of the electroculture apparatus used in the Example. メチルビオロゲンのサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram of methyl viologen. メチルビオロゲンの酸化還元反応式である。It is a redox reaction formula of methyl viologen. 連続通電による電気培養試験における、培養液中のグルコース濃度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the glucose concentration in a culture solution in the electroculture test by continuous electricity supply. 連続通電による電気培養試験における、培養液中の酪酸及び酢酸濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the butyric acid and acetic acid density | concentration in a culture solution in the electroculture test by continuous electricity supply. 連続通電による電気培養試験における、培養液中のエタノール及びブタノール濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the ethanol and butanol density | concentration in a culture solution in the electroculture test by continuous electricity supply. 非通電時の培養液の自然電位変化を示す図である。It is a figure which shows the natural potential change of the culture solution at the time of non-energization. 連続通電による通電時の電流値変化を示す図である。It is a figure which shows the electric current value change at the time of the electricity supply by continuous electricity supply. −0.7V印加時に推定される代謝の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the metabolism estimated at the time of -0.7V application. メチルビオロゲンを通電により還元した場合の電流値の経時変化を示す図である。It is a figure which shows a time-dependent change of the electric current value at the time of reduce | restoring a methyl viologen by electricity supply. 一時的な通電による電気培養試験における、培養液中のグルコース濃度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the glucose concentration in a culture solution in the electroculture test by temporary electricity supply. 一時的な通電による電気培養試験における、培養液中の酪酸及び酢酸濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the butyric acid and acetic acid density | concentration in a culture solution in the electroculture test by temporary electricity supply. 一時的な通電による電気培養試験における、培養液中のエタノール及びブタノール濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the ethanol and butanol density | concentration in a culture solution in the electroculture test by temporary electricity supply. 一時的又は断続的な通電による電気培養試験における、培養液中のグルコース濃度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the glucose concentration in a culture solution in the electric culture test by temporary or intermittent electricity supply. 一時的又は断続的な通電による電気培養試験における、培養液中の酪酸及び酢酸濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the butyric acid and acetic acid density | concentration in a culture solution in the electroculture test by temporary or intermittent electricity supply. 一時的又は断続的な通電による電気培養試験における、培養液中のエタノール及びブタノール濃度の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the ethanol and butanol density | concentration in a culture solution in the electroculture test by temporary or intermittent electricity supply. −0.7Vをグルコース消費中期に10分間印加した培養においてに推定される代謝の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of metabolism estimated in the culture | cultivation which applied -0.7V for 10 minutes in the glucose consumption middle stage. 代謝産物の網羅的解析に用いた試料の培養結果(グルコース濃度)を示す図である。It is a figure which shows the culture result (glucose concentration) of the sample used for the comprehensive analysis of a metabolite. 代謝産物の網羅的解析に用いた試料の培養結果(酢酸濃度)を示す図である。It is a figure which shows the culture result (acetic acid concentration) of the sample used for the comprehensive analysis of a metabolite. 代謝産物の網羅的解析に用いた試料の培養結果(酪酸濃度)を示す図である。It is a figure which shows the culture result (butyric acid concentration) of the sample used for the comprehensive analysis of a metabolite. 代謝産物の網羅的解析に用いた試料の培養結果(エタノール濃度)を示す図である。It is a figure which shows the culture result (ethanol concentration) of the sample used for the comprehensive analysis of a metabolite. 代謝産物の網羅的解析に用いた試料の培養結果(ブタノール濃度)を示す図である。It is a figure which shows the culture result (butanol concentration) of the sample used for the comprehensive analysis of a metabolite. 主要代謝産物の相対値(中央代謝系、アミノ酸代謝)を示す図である。It is a figure which shows the relative value (central metabolic system, amino acid metabolism) of a main metabolite. 主要代謝産物の相対値(アミノ酸代謝、プリン・ピリミジン代謝)を示す図である。It is a figure which shows the relative value (amino acid metabolism, purine pyrimidine metabolism) of the main metabolites. 主要代謝産物の相対値(ニコチン酸及びニコチンアミド代謝、その他)を示す図である。It is a figure which shows the relative value (nicotinic acid and nicotinamide metabolism, others) of the main metabolites. 酪酸の相対面積を示す図である。It is a figure which shows the relative area of a butyric acid. NADの相対面積を示す図である。It is a figure which shows the relative area of NAD + . NADHの相対面積を示す図である。It is a figure which shows the relative area of NADH. 網羅的代謝分析から推定された−0.7V印加時(グルコース消費中期)の代謝の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of metabolism at the time of -0.7V application (glucose consumption middle period) estimated from the comprehensive metabolic analysis. 通電を断続的に8回行った場合の、ブタノール濃度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows a time-dependent change of a butanol density | concentration when electricity supply is performed 8 times intermittently. C.acetobutylicumの代謝経路を示す図である。It is a figure which shows the metabolic pathway of C.acetobutylicum.

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に、本発明のブタノール生産方法の実施形態の一例を概念的に示す。本発明のブタノール生産方法は、基質3を消費しながらブタノールを含む代謝産物7を増殖非連動的に生産しているブタノール生産微生物2に、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質5を介した一時的な電子の供給を行う工程を含むようにしている。   In FIG. 1, an example of embodiment of the butanol production method of this invention is shown notionally. The butanol production method of the present invention is an electronic medium substance that can take both forms of an oxidant and a reductant on a butanol-producing microorganism 2 that is producing a metabolite 7 containing butanol in a non-growth manner while consuming the substrate 3. 5 includes a step of temporarily supplying electrons via 5.

本実施形態において、電子の供給は、例えば、基質3とブタノール生産微生物2と電子媒体物質5とを含む培養液4に電極9を浸漬し、電極9に還元電位を印加して電子媒体物質5を還元することにより行うようにしている。   In this embodiment, the supply of electrons is performed by, for example, immersing the electrode 9 in a culture solution 4 containing the substrate 3, butanol-producing microorganism 2, and the electron medium material 5, and applying a reduction potential to the electrode 9 to apply the electron medium material 5. This is done by reducing.

ブタノール生産微生物2は、ブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産するブタノール生産微生物であれば特に限定されないが、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌が好適である。ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌としては、例えばC.acetobutylicum, C.beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. saccharobutylicumが挙げられ、特にC.acetobutylicumの使用が好適であるが、これらに限定されるものではない。   The butanol-producing microorganism 2 is not particularly limited as long as it is a butanol-producing microorganism that produces butanol-containing metabolites in a growth-independent manner, but a Clostridium bacterium that performs ABE fermentation is suitable. Examples of the genus Clostridium performing ABE fermentation include C. acetobutylicum, C. beijerinckii, C. saccharoperbutylacetonicum, C. saccharobutylicum, and the use of C. acetobutylicum is not particularly limited thereto. .

ブタノール生産微生物2の培養環境中の菌体密度は、増殖の定常期に相当する菌体密度あるいはそれに近いものとすることが好適である。例えば、ブタノール生産微生物2としてABE発酵を行うクロストリジウム属細菌を用いる場合には、増殖の定常期において増殖非連動的にソルベント(アセトン、ブタノール、エタノール)が生産されるので、培養環境中の菌体密度を増殖の定常期に相当する菌体密度とすることで、培養開始直後から微生物2にブタノールを含む代謝産物を生産させることができる。   The cell density in the culture environment of the butanol-producing microorganism 2 is preferably set to a cell density corresponding to the stationary phase of growth or close to it. For example, when a Clostridium bacterium that carries out ABE fermentation is used as the butanol-producing microorganism 2, since the solvent (acetone, butanol, ethanol) is produced in a growth-independent manner in the stationary growth phase, the cells in the culture environment By setting the density to the cell density corresponding to the stationary phase of growth, the metabolite containing butanol can be produced in the microorganism 2 immediately after the start of the culture.

基質3は、ブタノール生産微生物2の代謝産物生成源となる物質であり、使用するブタノール生産微生物2に応じて適宜選択される。ここで、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌を用いる場合には、グルコース等の単糖、デンプン・セルロース・キシラン等の多糖類を基質として使用できるのは勿論のこと、紙・小麦わら・稲わら等の植物繊維質、生ごみ、農産廃棄物、焼酎蒸留廃液、余剰汚泥(活性汚泥)の生ごみの混合物、デンプン廃液、廃パーム繊維などといった各種バイオマス系廃棄物を幅広く基質として使用することができる。このようなバイオマス系廃棄物を用いることで、ブタノール生産にかかるコストをさらに低減しながらも、バイオマス系廃棄物の有効利用の促進を図ることができる。   The substrate 3 is a substance that becomes a metabolite generation source of the butanol-producing microorganism 2, and is appropriately selected according to the butanol-producing microorganism 2 to be used. Here, when using a Clostridium bacterium that performs ABE fermentation, it is possible to use monosaccharides such as glucose and polysaccharides such as starch, cellulose, and xylan as substrates, paper, wheat straw, rice straw, etc. Various types of biomass waste such as vegetable fiber, kitchen waste, agricultural waste, shochu distillation waste, surplus sludge (activated sludge) waste mixture, starch waste, waste palm fiber, etc. can be widely used as a substrate . By using such biomass waste, it is possible to promote effective utilization of biomass waste while further reducing the cost of butanol production.

基質3の添加量は、ブタノール生産微生物2の増殖非連動的なブタノール生産に適した量とすればよい。但し、基質3を極端に高濃度にすることは発酵(ブタノール生産)の阻害要因となる。また、基質3が変換されて生じたブタノールの濃度が2%以上になることも発酵(ブタノール生産)の阻害要因となる。したがって、例えばABE発酵を行うクロストリジウム属細菌を用い、基質3をグルコースとする場合、グルコースを10〜500mM、好適には10〜300mM、より好適には10〜100mM、さらに好適には50mM程度添加すればよいが、必ずしもこの添加量に限定されるわけではない。   The added amount of the substrate 3 may be an amount suitable for butanol production not linked to the growth of the butanol-producing microorganism 2. However, an extremely high concentration of the substrate 3 is an inhibition factor for fermentation (butanol production). Further, the concentration of butanol generated by the conversion of the substrate 3 becomes 2% or more is also an inhibiting factor for fermentation (butanol production). Therefore, for example, when a clostridium bacterium performing ABE fermentation is used and the substrate 3 is glucose, glucose is added in an amount of 10 to 500 mM, preferably 10 to 300 mM, more preferably 10 to 100 mM, and even more preferably about 50 mM. However, the amount is not necessarily limited.

電子媒体物質5としては、酸化体と還元体の両形態をとり得る物質であり、且つブタノール生産微生物2を失活させることのない物質が適宜選択される。例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌を用いる場合には、電子媒体物質5は、ビオロゲン又はビオロゲン誘導体とすることが好適である。ビオロゲン誘導体としては、メチルビオロゲン、エチルビオロゲン、ベンジルビオロゲン等を用いることができ、メチルビオロゲンを用いることが好適である。但し、電子媒体物質5はこれらに限定されるものではない。   As the electronic medium material 5, a material that can take both forms of an oxidized form and a reduced form and that does not deactivate the butanol-producing microorganism 2 is appropriately selected. For example, when a Clostridium bacterium that performs ABE fermentation is used, the electron medium material 5 is preferably a viologen or a viologen derivative. As the viologen derivative, methyl viologen, ethyl viologen, benzyl viologen and the like can be used, and it is preferable to use methyl viologen. However, the electronic medium material 5 is not limited to these.

電子媒体物質5の添加量は、電子媒体物質5の種類、使用するブタノール生産微生物2の種類、菌体密度等に応じてその最適量が適宜変化するが、概ね0.5〜10mM、好適には0.5〜5mM、より好適には0.5〜3mM、さらに好適には2mM程度とすればよい。電子媒体物質5の添加量が少なすぎるとブタノール生産性の向上効果が得られにくくなる。また、電子媒体物質5の添加量が多すぎると、電子媒体物質5の種類によってはブタノール生産微生物2の活性が阻害されることもあり得る。例えば、電子媒体物質5をビオロゲン誘導体とし、その濃度を0.5〜3mM、特に1〜2mMとすることで、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌が極めて顕著なブタノール生産性向上効果を奏し得る。   The optimum amount of the electronic medium substance 5 varies depending on the type of the electronic medium substance 5, the type of butanol-producing microorganism 2 to be used, the cell density, etc., but is generally 0.5 to 10 mM, preferably May be 0.5 to 5 mM, more preferably 0.5 to 3 mM, and even more preferably about 2 mM. If the addition amount of the electronic medium material 5 is too small, it is difficult to obtain an effect of improving butanol productivity. Moreover, when there is too much addition amount of the electronic medium substance 5, depending on the kind of the electronic medium substance 5, the activity of the butanol producing microorganism 2 may be inhibited. For example, when the electron medium substance 5 is a viologen derivative and the concentration thereof is 0.5 to 3 mM, particularly 1 to 2 mM, the Clostridium bacterium performing ABE fermentation can exert a remarkable remarkable butanol productivity improvement effect.

培養液4の組成は、使用するブタノール生産微生物2に応じて適宜選択される。例えば、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌を用いる場合には、TYA培地、より好適には酢酸を含むTYA培地を用いることが好適である。酢酸を含むTYA培地を用いることで、ABE発酵を行うクロストリジウム属細菌にブタノール生産を早期に行わせることが可能となる。但し、培養液4の組成は、これらには限定されない。また、培養方法としては、流加培養等の連続的な培養方法が挙げられるが、この方法に限定されるものではない。   The composition of the culture solution 4 is appropriately selected according to the butanol-producing microorganism 2 to be used. For example, when a Clostridium bacterium performing ABE fermentation is used, it is preferable to use a TYA medium, more preferably a TYA medium containing acetic acid. By using a TYA medium containing acetic acid, it becomes possible to cause the Clostridium bacterium performing ABE fermentation to produce butanol early. However, the composition of the culture solution 4 is not limited to these. Examples of the culture method include continuous culture methods such as fed-batch culture, but are not limited to this method.

電極9としては、例えば炭素板やグラッシーカーボン等の炭素電極、白金電極等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the electrode 9 include a carbon electrode such as a carbon plate and glassy carbon, a platinum electrode, and the like, but are not limited thereto.

電極9に還元電位を印加することで、培養液4中の電子媒体物質5が酸化体から還元体に還元される。そして、還元型の電子媒体物質5からブタノール生産微生物2への電子の供給が起こり、その際に還元型の電子媒体物質5は酸化体に酸化される。つまり、ブタノール生産微生物2への電子媒体物質5を介した電子の供給が起こる。   By applying a reduction potential to the electrode 9, the electron medium substance 5 in the culture solution 4 is reduced from an oxidant to a reductant. Then, supply of electrons from the reduced electron medium material 5 to the butanol-producing microorganism 2 occurs, and at that time, the reduced electron medium material 5 is oxidized to an oxidant. That is, supply of electrons to the butanol-producing microorganism 2 through the electronic medium substance 5 occurs.

電極9に印加する還元電位の値は、電子媒体物質5のサイクリックボルタモグラムに基づいて求めることができる。電子媒体物質5をメチルビオロゲン(MV)とした場合を例に挙げて説明すると、サイクリックボルタモグラムから、MVの酸化還元反応は、−0.61V、−0.93Vを酸化ピーク、−0.68V、−1.0Vを還元ピークとした2電子反応であり、MVの2電子還元体(MV)は不溶化することから、1電子還元体生成のための還元電位は−0.7V程度とすればよいと判断することができる。他の電子媒体物質を用いた場合にも、同様の考え方で還元電位を設定することができる。 The value of the reduction potential applied to the electrode 9 can be obtained based on the cyclic voltammogram of the electronic medium material 5. The case where the electron medium material 5 is methyl viologen (MV) will be described as an example. From the cyclic voltammogram, the MV oxidation-reduction reaction is -0.61 V, -0.93 V is an oxidation peak, -0.68 V This is a two-electron reaction with a reduction peak at −1.0 V, and the two-electron reductant (MV 0 ) of MV is insolubilized, so that the reduction potential for generating a one-electron reductant is about −0.7 V. It can be judged that it is sufficient. Even when other electronic medium materials are used, the reduction potential can be set in the same way.

ここで、本発明においては、電極9への還元電位の印加を一時的に行うようにして、ブタノール生産微生物2への電子媒体物質5を介した電子の供給を一時的に行うようにしている。また、通電開始タイミングは、ブタノール生産微生物2の基質消費期間中としている。このようにすることで、電極9に連続的に還元電位を印加した場合に生じる基質消費抑制作用を回避することができる。さらには、細胞内還元力の増加、NADHの増加が生じる一方で、ブタノールやエタノール以外の代謝副産物の合成抑制、菌体構成成分(アミノ酸や核酸)の合成抑制が生じる。つまり、不要な炭素や還元力の浪費を抑制し、ブタノール(さらにはエタノール)が生産されやすい状態とすることができる。これにより、基質3に対するブタノール生産性が向上する。   Here, in the present invention, a reduction potential is temporarily applied to the electrode 9 to temporarily supply electrons via the electron medium material 5 to the butanol-producing microorganism 2. . The energization start timing is set during the substrate consumption period of the butanol-producing microorganism 2. By doing in this way, the substrate consumption suppression effect which arises when a reduction potential is continuously applied to the electrode 9 can be avoided. Furthermore, while an increase in intracellular reducing power and an increase in NADH occur, synthesis of metabolic byproducts other than butanol and ethanol is inhibited, and synthesis of bacterial cell components (amino acids and nucleic acids) is inhibited. That is, waste of unnecessary carbon and reducing power can be suppressed, and butanol (and ethanol) can be easily produced. Thereby, butanol productivity with respect to the substrate 3 is improved.

換言すれば、本発明におけるブタノール生産微生物2への電子媒体物質5を介した一時的な電子の供給は、ブタノール生産微生物2の代謝経路をブタノールを生産し易い代謝経路へスイッチングする役割、あるいはブタノール生産微生物2の代謝経路をブタノールを生産し易い状態へ誘導するトリガーとしての役割を果たしていると言える。   In other words, the temporary supply of electrons via the electron medium material 5 to the butanol-producing microorganism 2 according to the present invention plays a role of switching the metabolic pathway of the butanol-producing microorganism 2 to a metabolic pathway that easily produces butanol, or butanol. It can be said that it plays a role as a trigger for inducing the metabolic pathway of the production microorganism 2 to a state where butanol can be easily produced.

ここで、通電開始タイミングは、ブタノール生産微生物2の基質消費期間中とすればよいが、基質消費期間全体を1としたときに、基質消費期間のうち0.1〜0.9の期間内に通電を開始することが好適であり、0.3〜0.7の期間内に通電を開始することがより好適であり、0.4〜0.6の期間内に通電を開始することがさらに好適である。   Here, the energization start timing may be during the substrate consumption period of the butanol-producing microorganism 2, but when the entire substrate consumption period is 1, it is within 0.1 to 0.9 of the substrate consumption period. It is preferable to start energization, more preferably to start energization within a period of 0.3 to 0.7, and further to start energization within a period of 0.4 to 0.6. Is preferred.

また、通電時間については、短すぎると投入した基質に対するブタノール生産量を向上させる効果が得られ難くなり、長すぎると基質の消費抑制が起こることによりブタノールの生産量が減少する虞がある。したがって、培養環境中の電子媒体物質5の全量を還元させることができる時間、例えば、5分間〜15分間、好適には7分間〜13分間、より好適には9分から11分間程度、さらに好適には10分間程度とすればよいが、必ずしもこれらの時間に限定されるものではなく、本発明の効果を奏し得る範囲でこれらの時間を逸脱しても構わない。   Further, if the energization time is too short, it is difficult to obtain the effect of improving the butanol production amount with respect to the input substrate, and if it is too long, the consumption of the substrate may be suppressed and the production amount of butanol may be reduced. Accordingly, a time during which the entire amount of the electronic medium substance 5 in the culture environment can be reduced, for example, 5 minutes to 15 minutes, preferably 7 minutes to 13 minutes, more preferably about 9 minutes to 11 minutes, and more preferably. However, it is not necessarily limited to these times, and these times may be deviated as long as the effects of the present invention can be achieved.

また、本発明において、ブタノール生産微生物2への電子媒体物質5を介した一時的な電子の供給は、1回行えば十分な効果が得られるが、上記期間内に複数回行うようにしてもよい。これにより、投入した基質に対するブタノールの生産性をさらに向上させることができる。但し、1回目の通電から次回の通電までの間隔が短すぎると基質の消費が抑制されてブタノール生産量が減少する虞があるので、2〜4時間程度、好適には3時間程度の間隔を設けることが好適である。また、一時的な電子の供給の回数を多くし過ぎてもブタノール生産性の向上効果は飽和してしまうので、最大でも8回程度とすることが好適であり、5回程度とすることがより好適であり、3回程度とすることがさらに好適である。   In the present invention, the temporary supply of electrons to the butanol-producing microorganism 2 via the electronic medium substance 5 is sufficient if it is performed once, but may be performed a plurality of times within the above period. Good. Thereby, the productivity of butanol with respect to the input substrate can be further improved. However, if the interval between the first energization and the next energization is too short, the consumption of the substrate may be suppressed and the butanol production may be reduced. Therefore, the interval of about 2 to 4 hours, preferably about 3 hours is preferred. It is preferable to provide it. Further, since the effect of improving butanol productivity is saturated even if the number of temporary electron supply times is excessively increased, it is preferable to set the number of times to about 8 times at the maximum. It is suitable, and it is more suitable to set it as about 3 times.

上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、ブタノール生産微生物2が生息する培養液中で電極9に還元電位を印加して電子媒体物質5を還元するようにしているが、電子媒体物質5を別の処理槽内にて電気化学的に還元して還元体として、これをブタノール生産微生物2が生息する培養液中に添加するようにしてもよい。この場合にも、ブタノール生産微生物2に電子媒体物質5を介した電子の供給が生じて、投入した基質に対するブタノール生産量の向上効果が奏され得る。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the electron medium material 5 is reduced by applying a reduction potential to the electrode 9 in the culture solution in which the butanol-producing microorganism 2 is inhabited. It may be electrochemically reduced in the inside to form a reductant, which may be added to the culture solution in which the butanol-producing microorganism 2 lives. Also in this case, supply of electrons via the electron medium substance 5 to the butanol-producing microorganism 2 occurs, and the effect of improving the amount of butanol produced with respect to the input substrate can be achieved.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

1.実験方法
(1−1)使用菌株
ブタノールを発酵生産するクロストリジウム(Clostridium)属細菌の中で代表的なクロストリジウム アセトブチリカム(C. acetobutylicum) NBCR13948を製品評価技術基盤機構より購入し、本実施例において使用した。
1. Experimental method (1-1) Bacterial strain used Among the bacteria belonging to the genus Clostridium that fermentate and produce butanol, C. acetobutylicum NBCR13948 T was purchased from National Institute for Product Evaluation Technology and used in this example. did.

(1−2)培養方法
C. acetobutylicumは、以下に示す組成を有するチオグリコール酸培地を使用し、嫌気条件下(培養容器であるガラスバイアル瓶内の気相部分を窒素置換)にて、30℃で振とう培養してから、後述する培養試験に供した。
(1-2) Culture method
C. acetobutylicum is cultured using shaking culture at 30 ° C under anaerobic conditions (the gas phase in the glass vial as a culture vessel is replaced with nitrogen) using a thioglycolic acid medium having the composition shown below. From this, it was subjected to the culture test described later.

[チオグリコール酸培地組成(g/L)]
・L−システイン :0.5
・塩化ナトリウム :2.5
・グルコース :5.0
・酵母エキス :5.0
・カゼインペプトン:15.0
・チオグリコール酸:0.5
pH7.0
[Thioglycolic acid medium composition (g / L)]
L-cysteine: 0.5
・ Sodium chloride: 2.5
・ Glucose: 5.0
・ Yeast extract: 5.0
Casein peptone: 15.0
・ Thioglycolic acid: 0.5
pH 7.0

(1−3)電気培養装置及び培養試験方法
本実施例において使用した電気培養装置1の構成を図2に示す。側面に2つの開口部を設けた250mL容のDuran製ガラスバイアル瓶(以下、容器20と呼ぶ)を培養槽とした。容器20には蓋30を取り付けた。蓋30の上面30aにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管を通した際の容器20の密閉性を確保した。
(1-3) Electroculture apparatus and culture test method The configuration of the electroculture apparatus 1 used in this example is shown in FIG. A 250 mL glass vial made of Duran (hereinafter referred to as container 20) provided with two openings on the side surface was used as a culture tank. A lid 30 was attached to the container 20. A silicone rubber stopper was provided on the upper surface 30a of the lid 30 to ensure the hermeticity of the container 20 when wires, electrodes, and tubes were passed.

対極槽として小容器21を用いた。具体的には、15mL容プラスチックチューブを縦に切断し、切断面に陰イオン交換膜6(株式会社アストム製、型番:ネオセプタ AMX)を接着して半筒状に加工したものを小容器21とした。陰イオン交換膜6の面積は12cmとした。小容器21の内部には電解液4aを収容すると共に対電極10を収容して電解液4aに浸した。小容器21の上部はシリコン系接着剤で埋めて密閉した。 A small container 21 was used as a counter electrode tank. Specifically, a 15 mL plastic tube is cut vertically, and an anion exchange membrane 6 (manufactured by Astom Co., Ltd., model number: Neoceptor AMX) is bonded to the cut surface and processed into a semi-cylindrical shape with a small container 21. did. The area of the anion exchange membrane 6 was 12 cm 2 . The small container 21 contained the electrolyte solution 4a and the counter electrode 10 and was immersed in the electrolyte solution 4a. The upper part of the small container 21 was filled with a silicon adhesive and sealed.

容器20に培養液4を収容し、培養液4に小容器21と作用電極9を浸漬した。作用電極9と対電極10の配線は、蓋30に設けたシリコーンゴム栓を介して容器20の外側に引き出した。銀・塩化銀参照電極11(RE−1B、BAS株式会社)は容器20の側面に設けられた二つの開口部のうちの下方から差し込んで培養液4と接触させた。   The culture solution 4 was accommodated in the container 20, and the small container 21 and the working electrode 9 were immersed in the culture solution 4. The wiring between the working electrode 9 and the counter electrode 10 was drawn to the outside of the container 20 through a silicone rubber stopper provided on the lid 30. The silver / silver chloride reference electrode 11 (RE-1B, BAS Co., Ltd.) was inserted from below the two openings provided on the side surface of the container 20 and brought into contact with the culture solution 4.

培養期間中に容器20内にて発生したガスは、容器20の上部に設置したアルミニウム製サンプリングバッグ40(ジーエルサイエンス製、商品名:アルミニウムバッグ、1L)に回収した。   The gas generated in the container 20 during the culture period was collected in an aluminum sampling bag 40 (trade name: aluminum bag, 1 L, manufactured by GL Science) installed at the upper part of the container 20.

作用電極9と対電極10は共に炭素板(7.5cm×2.5cm)とした。   Both the working electrode 9 and the counter electrode 10 were carbon plates (7.5 cm × 2.5 cm).

容器20に収容した培養液4はTYA培地とした。TYA培地の組成を以下に示す。また、培養液4には、電子媒体物質として、酸化型のメチルビオロゲン(MV)を最終濃度2mMとなるように添加した。   The culture solution 4 contained in the container 20 was a TYA medium. The composition of TYA medium is shown below. In addition, oxidized methylviologen (MV) was added to the culture solution 4 as an electronic medium substance so as to have a final concentration of 2 mM.

[TYA培地の組成(g/L)]
・グルコース :10.0
・トリプトン :6.0
・酵母エキス :2.0
・酢酸アンモニウム :3.0
・リン酸二水素カリウム :0.5
・硫酸マグネシウム七水和物:0.3
・硫酸鉄七水和物 :0.01
pH7.0
[Composition of TYA medium (g / L)]
・ Glucose: 10.0
・ Tryptone: 6.0
-Yeast extract: 2.0
-Ammonium acetate: 3.0
-Potassium dihydrogen phosphate: 0.5
Magnesium sulfate heptahydrate: 0.3
・ Iron sulfate heptahydrate: 0.01
pH 7.0

小容器21に収容した電解液4aはTYA培地(MV未添加)とした。   The electrolyte solution 4a accommodated in the small container 21 was a TYA medium (MV not added).

尚、培養液4としてのTYA培地には、40mMの酢酸を添加し、定常期に到達したC. acetobutylicumのブタノール生産能の長期間培養による失活を抑制した(Paredes CJ, Jones SW, Senger RS, Borden JR, Sillers R, Papoutsakis ET., Molecular Aspects of Butanol Fermentation. Bioenergy, 2008)。   Incidentally, 40 mM acetic acid was added to the TYA medium as the culture solution 4 to suppress the inactivation of C. acetobutylicum butanol-producing ability that had reached the stationary phase due to long-term culture (Paredes CJ, Jones SW, Senger RS). Borden JR, Sillers R, Papoutsakis ET., Molecular Aspects of Butanol Fermentation. Bioenergy, 2008).

また、C. acetobutylicumは、pH4.7以下の条件においてアルコール生成が誘導されることが報告されていることから、培養液4のpHを1MのKOHにより4.5に調整した。   Moreover, since C. acetobutylicum has been reported to induce alcohol production under conditions of pH 4.7 or lower, the pH of the culture solution 4 was adjusted to 4.5 with 1 M KOH.

容器20を密栓した後、容器20の側面に設けられた二つの開口部のうちの上方の開口部から窒素ガス通気を1時間行った。電気培養装置を恒温槽内に設置後、作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット)12に結線して、作用電極9の電位を厳密に制御可能とした。   After sealing the container 20, nitrogen gas was passed through the upper opening of the two openings provided on the side surface of the container 20 for 1 hour. After the electroculture device is installed in the thermostat, the working electrode 9, the counter electrode 10 and the reference electrode 11 are connected to a three-electrode constant potential setting device (potentiostat) 12 so that the potential of the working electrode 9 is strictly controlled. Can be controlled.

植菌源としては、チオグリコール酸培地(1.2L)を用いて前培養を行い定常期に移行した菌体を回収、新しい培地で洗浄後、190mLの培養液4を含む電気培養装置に初期菌体密度1×10cells/mL(定常期の菌体密度に相当)となるように植菌を行い、各種条件で電気培養試験を実施した。試験中、培養液4の温度は30℃に制御した。また、培養液4には撹拌子を入れて、試験中は培養液4を撹拌し続けた。 As a source of inoculation, preculture using thioglycolic acid medium (1.2 L) was performed, and the cells that shifted to the stationary phase were collected, washed with a new medium, and then initially placed in an electric culture apparatus containing 190 mL of culture solution 4 The cells were inoculated so as to have a cell density of 1 × 10 9 cells / mL (corresponding to the cell density in the stationary phase), and electroculture tests were performed under various conditions. During the test, the temperature of the culture solution 4 was controlled at 30 ° C. In addition, a stirring bar was placed in the culture solution 4, and the culture solution 4 was continuously stirred during the test.

電気培養試験期間中は、経時的に自然電位(非通電実験)、電流値(通電実験)の測定を行うと共に、定期的に容器20の側面の開口部から培養液4を抜き取り、菌体密度、培養液4の成分の分析を行った。   During the electrical culture test period, the natural potential (non-energization experiment) and current value (energization experiment) are measured over time, and the culture solution 4 is periodically extracted from the opening on the side surface of the container 20 to determine the cell density. The components of the culture solution 4 were analyzed.

また、コントロール試験として同様の電気培養試験を、酸化型のMV存在下、通電せずに実施した。   Further, as a control test, a similar electroculture test was carried out in the presence of oxidized MV and without energization.

(1−4)培養液の分析
培養過程において培養液4を分取し、培養液4の菌体密度計測と成分分析を行った。菌体密度は、顕微鏡(Eclipse E−40、Nicon)観察により計測した。培養液4の成分のうちグルコースはグルコースCIIテストワコー(Wako)を用い、酢酸、酪酸、エタノール、ブタノールは液体クロマトグラフィー(Lachrome Elite, Hitachi)、Gelpackカラム(GL−C610H−S)、検出器としてはRI検出器を用い定性、定量分析を行った。
(1-4) Analysis of culture solution The culture solution 4 was fractionated in the culture process, and the cell density measurement and component analysis of the culture solution 4 were performed. The cell density was measured by observation with a microscope (Eclipse E-40, Nicon). Among the components of the culture solution 4, glucose is glucose CII test Wako (Wako), acetic acid, butyric acid, ethanol and butanol are liquid chromatography (Lachrome Elite, Hitachi), Gelpack column (GL-C610H-S), as a detector Qualitative and quantitative analysis was performed using an RI detector.

(1−5)エネルギー効率及び電子のブタノールへの変換効率の算出
エネルギー効率(ΔWbutanol/Win)は以下の式から算出した。
(1-5) Calculation of energy efficiency and conversion efficiency of electrons into butanol Energy efficiency (ΔW butanol / W in ) was calculated from the following equation.

in=Eap・C
ΔWbutanol=(ブタノール燃焼熱量)×(非通電時のブタノール生産量−通電時のブタノール生産量)
W in = E ap · C
ΔW butanol = (Butanol combustion calorie) x (Butanol production when not energized-Butanol production when energized)

上記式中、Eapは極間電圧(単位:V)であり、Cは電気量(単位:C)である。また、ブタノール燃焼熱量は2675.9kJ/molであり、ブタノール生産量の単位はmolである。 In the above formula, E ap is an interelectrode voltage (unit: V), and C is an electric quantity (unit: C). The butanol combustion heat amount is 2675.9 kJ / mol, and the unit of butanol production is mol.

また、電子のブタノールへの変換効率は、以下の式をもとに全ての電流がNADHの変換に使用され、1分子のブタノールの生産に2分子のNADHが使用されると仮定し、その変換されたモル数を計算して算出した。
NAD +H + 2e → NADH
The conversion efficiency of electrons to butanol is based on the following formula, assuming that all currents are used for conversion of NADH and two molecules of NADH are used for the production of one molecule of butanol. The calculated number of moles was calculated.
NAD + + H + + 2e → NADH

2.印加電位の検討
(2−1)設定電位の決定
メチルビオロゲン(MV)のサイクリックボルタモグラムをもとに、印加電位を決定した。MVのサイクリックボルタモグラムを図3に示す。また、MVの酸化還元反応式を図4に示す。MVの酸化還元反応は−0.61V、−0.93Vを酸化ピークとし、−0.68V,−1.0Vを還元ピークとする2電子反応である。MVの2電子還元体(MV)は不溶化することが報告されているため(Paul MS Monk., The Viologens: Physicochemical Properties, Synthesis and Applications of the Salts of 4,4'-Bipyridine, 1999.)、1電子還元体の生成のため還元電位の設定として−0.7Vを下限とした。
2. Examination of applied potential (2-1) Determination of set potential The applied potential was determined based on a cyclic voltammogram of methyl viologen (MV). A cyclic voltammogram of MV is shown in FIG. Moreover, the oxidation-reduction reaction formula of MV is shown in FIG. The MV oxidation-reduction reaction is a two-electron reaction in which −0.61 V and −0.93 V are oxidation peaks, and −0.68 V and −1.0 V are reduction peaks. Since it has been reported that the two-electron reduced form of MV (MV 0 ) is insolubilized (Paul MS Monk., The Viologens: Physicochemical Properties, Synthesis and Applications of the Salts of 4,4'-Bipyridine, 1999.) In order to generate a one-electron reductant, -0.7 V was set as the lower limit as the setting of the reduction potential.

(2−2)電気培養試験
作用電極9の通電電位を、還元ピークの下限である−0.7Vまたは酸化電位(+0.9V、+0.6V、−0.5V)とし、電流値が安定後、前培養により回収した菌体を高菌体密度(1.0×10cells/mL)で植菌し、電気培養試験を実施した。尚、グルコースの濃度は55.6mM(10g/L)とした。
(2-2) Electroculture test The energization potential of the working electrode 9 is set to −0.7 V which is the lower limit of the reduction peak or the oxidation potential (+0.9 V, +0.6 V, −0.5 V), and the current value is stabilized. The cells recovered by the preculture were inoculated at a high cell density (1.0 × 10 9 cells / mL), and an electroculture test was performed. The glucose concentration was 55.6 mM (10 g / L).

通電条件と非通電条件において電流値、自然電位、グルコース濃度および培養終了後の代謝産物濃度を比較することで通電および印加電位の影響を検討した。培養液4のグルコース濃度の経時変化を図5に示し、試験終了後の培養液4の酢酸及び酪酸濃度を図6に示し、試験終了後の培養液4のエタノール及びブタノール濃度を図7に示す。   The effects of energization and applied potential were examined by comparing the current value, natural potential, glucose concentration, and metabolite concentration after the end of culture under energized and non-energized conditions. The time course of the glucose concentration of the culture solution 4 is shown in FIG. 5, the acetic acid and butyric acid concentrations of the culture solution 4 after the end of the test are shown in FIG. 6, and the ethanol and butanol concentrations of the culture solution 4 after the end of the test are shown in FIG. .

図5に示される結果から、−0.7Vを印加した条件において基質であるグルコースの消費速度および消費量がその他の通電条件(+0.9V〜−0.5V)および非通電条件下に比べて抑制される傾向が見られた。各代謝産物の蓄積について非通電、通電で比較したところ、非通電条件と酸化電位印加条件では大きな傾向の違いは見られなかったが、MVの還元電位である−0.7Vを印加した場合においてのみ異なる傾向を示した。即ち、−0.7V印加時では低下したグルコース消費量と相関して、酢酸、酪酸、エタノールの培養液中の蓄積濃度が少ない一方で、ブタノール生産量に関しては他の電位条件と同等程度であった(図6及び図7)。     From the results shown in FIG. 5, the consumption rate and consumption of glucose as a substrate in the condition where −0.7 V was applied were compared with those in other energized conditions (+0.9 V to −0.5 V) and non-energized conditions. There was a tendency to be suppressed. When the accumulation of each metabolite was compared between non-energized and energized, there was no significant difference between the non-energized condition and the oxidation potential applied condition, but in the case where -0.7 V, which is the MV reduction potential, was applied. Only showed a different trend. In other words, the concentration of acetic acid, butyric acid, and ethanol in the culture broth was small in correlation with the reduced glucose consumption when -0.7 V was applied, but the butanol production was comparable to other potential conditions. (FIGS. 6 and 7).

次に、各条件の代謝産物について消費されたグルコースに対する炭素収率を算出した結果を表1に示す。尚、酢酸については、初期値40mMに対する増加分を対糖収率として算出した。   Next, Table 1 shows the results of calculating the carbon yield with respect to glucose consumed for the metabolites under each condition. For acetic acid, the increase relative to the initial value of 40 mM was calculated as the sugar yield.

ブタノールの炭素収率は非通電条件(3.2%(mol−C/mol−C))と比較し、酸化電位印加条件では1.6%〜4.1%と同程度であったのに対して、−0.7Vを印加した場合では28.8%と増加していることが示された。この収率の増加は少ない総グルコース消費量に対して、副産物の発生量が少なく、グルコース由来の炭素がブタノール生成に集中的に分配されたためと推定された。   The carbon yield of butanol was comparable to 1.6% to 4.1% under the application of oxidation potential, compared with the non-energized condition (3.2% (mol-C / mol-C)). On the other hand, when -0.7V was applied, it was shown that it increased with 28.8%. It was estimated that this increase in yield was due to a small amount of by-products generated compared to a small total glucose consumption, and the carbon derived from glucose was concentrated in butanol production.

次に、非通電時の自然電位変化を図8に示し、通電時の電流値変化を図9に示す。−0.7Vの電位を印加しながら培養した場合の培養期間中の電流値はグルコースの減少と同期するように還元電流の増大が見られた(最大:−3.0mA)。これはC.acetobutylicumが還元型MVから電子を受け取った結果、再生された酸化型MVを電極が再還元したことを意味する。即ち、電極から電子が還元力として細胞内へ供給されたと言える。また、−0.7Vを印加した条件では培養期間を通して培地は青色を呈していた。このことから、−0.7Vを印加した条件では、常に還元型MV(青)が存在している状態であることが示唆された。1電子還元型MVもしくは電子の供給がブタノール収率を向上させる反面、グルコースの消費を抑制していることが推察された(図10参照:矢印の太さが代謝の流れの大きさを示している。太い矢印は代謝量の増大を示し、灰色、点線で記載した経路は代謝が減少した経路を示している)。   Next, FIG. 8 shows a change in natural potential during non-energization, and FIG. 9 shows a change in current value during energization. When the culture was performed while applying a potential of −0.7 V, an increase in the reduction current was observed so that the current value during the culture period was synchronized with the decrease in glucose (maximum: −3.0 mA). This means that the electrode re-reduced the regenerated oxidized MV as a result of C. acetobutylicum receiving electrons from the reduced MV. That is, it can be said that electrons were supplied from the electrode into the cell as a reducing power. In addition, under the condition where -0.7 V was applied, the medium was blue throughout the culture period. From this, it was suggested that reduced MV (blue) is always present under the condition where −0.7 V is applied. It was presumed that the supply of 1-electron reduced MVs or electrons improved butanol yield, but suppressed glucose consumption (see FIG. 10: the thickness of the arrow indicates the flow of metabolism). Thick arrows indicate increased metabolism, and the gray and dotted lines indicate pathways with decreased metabolism).

3.ブタノール増産に効率的な通電方法の検討
ブタノール増産に効果のあった−0.7Vに印加電圧を固定し、これまで培養開始から終了まで連続的に通電を行ってきた電気培養条件を変更し、通電を開始するタイミングや通電時間を変えた場合のグルコース消費量とブタノール生産性について検討した。
3. Examination of an efficient energization method to increase butanol production The applied voltage was fixed at -0.7 V, which was effective for butanol production increase, and the electrocultivation conditions that had been energized continuously from the start to the end of the culture were changed, The glucose consumption and butanol productivity when the energization start timing and energization time were changed were examined.

(3−1)通電時間の検討
還元型MVの生成に必要とされる通電時間を検討した。電気培養装置に菌体を含む培養液4を調製し、−0.7Vの電位印加を実施したところ、通電開始後10分以内にMVの還元体を示す青色に培地色が変化し、MVの還元に使用される電流は安定し、一定値を示した(図11)。以上の結果より、通電時間は10分間で十分と判断した。
(3-1) Examination of energization time The energization time required for the generation of the reduced MV was examined. When a culture solution 4 containing bacterial cells was prepared in an electric culture apparatus and a potential of −0.7 V was applied, the medium color changed to blue indicating a reduced form of MV within 10 minutes after the start of energization, The current used for reduction was stable and showed a constant value (FIG. 11). From the above results, it was judged that 10 minutes was sufficient for the energization time.

(3−2)通電タイミングの検討
通電開始のタイミングとしては静止菌を用いた増殖非連動型試験の開始後、グルコースの消費を指標として以下の4条件を設定した。
(1)培養開始前
(2)グルコース消費初期
(3)グルコース消費中期
(4)グルコース消費後期
(3-2) Examination of energization timing As the timing of energization, the following four conditions were set using glucose consumption as an index after the start of the growth non-interlocking test using stationary bacteria.
(1) Before starting culture (2) Early glucose consumption (3) Middle glucose consumption (4) Late glucose consumption

まず、(1)培養開始前、(2)グルコース消費初期および(3)グルコース消費中期について試験を実施した。また、非通電の場合についても同様に試験を実施した。培養液4のグルコース濃度は55.6mM(10g/L)とした。培養液4のグルコース濃度の経時変化を図12に示す。尚、図中、(1)は条件(1)における通電開始位置を示し、(2)は条件(2)における通電開始位置を示し、(3)は条件(3)における通電開始位置を示している。   First, (1) before the start of culture, (2) the initial stage of glucose consumption and (3) the middle stage of glucose consumption were tested. In addition, the same test was carried out in the case of non-energization. The glucose concentration of the culture solution 4 was 55.6 mM (10 g / L). The time course of the glucose concentration of the culture solution 4 is shown in FIG. In the figure, (1) indicates the energization start position in condition (1), (2) indicates the energization start position in condition (2), and (3) indicates the energization start position in condition (3). Yes.

いずれの条件においても、10分間の通電によるMVの還元後に通電を停止したところ、培地は時間経過とともに還元色が薄くなり、30分程度で還元色は消失し、通電前の培地色に戻った。このことから、還元型MVの持つ電子がC.acetobutylicum細胞内に移行したことが示された。   Under any condition, when the energization was stopped after the MV was reduced by energization for 10 minutes, the reduced color of the culture medium faded with time, the reduced color disappeared in about 30 minutes, and returned to the pre-energized media color. . From this, it was shown that the electrons of reduced MVs migrated into C. acetobutylicum cells.

代謝に対する通電の影響を検討したところ、いずれの通電条件においても非通電時と同様にグルコース分解が確認され、その消費量に差異は見られなかった(図12)。よって、通電時間を極端に削減し、還元力の供給を低減することによりグルコース分解活性の抑制効果を回避することができたと推定された。   When the influence of energization on metabolism was examined, glucose degradation was confirmed in all energization conditions as in the case of non-energization, and no difference was observed in the consumption (FIG. 12). Therefore, it was estimated that the effect of suppressing the glucose decomposition activity could be avoided by extremely reducing the energization time and reducing the supply of reducing power.

次に、通電による代謝への影響を調べるため、各培養条件における代謝産物の定量分析を行った。試験終了後の培養液4の酢酸及び酪酸濃度を図13に示し、試験終了後の培養液4のエタノール及びブタノール濃度を図14に示す。培養開始前に通電を行った条件(1)については、非通電条件と比較して、ブタノールを含む代謝産物の蓄積に大きな差異は見られなかった。一方、グルコース消費初期(培養19時間後)に通電を行った条件(2)とグルコース消費中期(培養28時間後)に通電を行った条件(3)では、短時間の通電にもかかわらず、非通電時と比較して酪酸の蓄積の減少及びエタノール・ブタノール増産効果が得られ、特に酪酸の蓄積の減少効果及びブタノール増産効果は、グルコース消費中期に短時間通電を行った条件(3)において顕著であった(ブタノール増産効果については、非通電時の1.5倍であった)。   Next, in order to investigate the influence of electricity on metabolism, quantitative analysis of metabolites under each culture condition was performed. FIG. 13 shows the acetic acid and butyric acid concentrations in the culture solution 4 after the test is completed, and FIG. 14 shows the ethanol and butanol concentrations in the culture solution 4 after the test is completed. Regarding the condition (1) in which the energization was performed before the start of the culture, no significant difference was observed in the accumulation of metabolites including butanol as compared to the non-energized condition. On the other hand, in the condition (2) in which electricity was supplied at the initial stage of glucose consumption (after 19 hours of culture) and the condition (3) in which electricity was supplied in the middle stage of glucose consumption (after 28 hours of culture), Reduced butyric acid accumulation and increased ethanol / butanol production compared to the non-energized state. Especially, the butyric acid accumulation and butanol increased production effect was achieved under the condition (3) in which energization was conducted for a short time in the middle of glucose consumption. It was conspicuous (the butanol production-increasing effect was 1.5 times that at the time of non-energization).

次に、グルコース消費後期において断続的通電することのブタノール生産への影響に加えて、中期に通電する条件を詳細に検討した。具体的には、以下の条件について検討した。培養液4のグルコース濃度は55.6mMとした。また、本検討において、グルコース消費中期とは培養13時間後を意味し、グルコース消費後期とは培養19時間後を意味している。
(A)グルコース消費中期に10分間通電
(B)グルコース消費中期に10分間通電を3時間おきに3回繰り返し
(C)グルコース消費後期に10分間通電
(D)グルコース消費後期に10分間通電を3時間おきに3回繰り返し
(E)グルコース消費後期から連続的に通電
Next, in addition to the effect on the butanol production of intermittent energization in the late stage of glucose consumption, the conditions for energizing in the middle period were examined in detail. Specifically, the following conditions were examined. The glucose concentration of the culture solution 4 was 55.6 mM. Moreover, in this examination, the middle stage of glucose consumption means 13 hours after culture, and the late stage of glucose consumption means 19 hours after culture.
(A) Energization for 10 minutes in the middle glucose consumption period (B) Energization for 10 minutes in the middle glucose consumption period 3 times every 3 hours (C) Energization for 10 minutes in the later glucose consumption period (D) Energization for 10 minutes in the later glucose consumption period 3 Repeated 3 times every hour (E) Continuous energization from the late stage of glucose consumption

培養液4のグルコース濃度の経時変化を図15に示す。尚、図中、(A)及び(B)は条件(A)及び(B)における通電開始位置を示し、(C)、(D)及び(E)は条件(C)、(D)及び(E)における通電開始位置を示している。   The change with time of the glucose concentration of the culture solution 4 is shown in FIG. In the figure, (A) and (B) indicate the energization start positions in the conditions (A) and (B), and (C), (D) and (E) indicate the conditions (C), (D) and ( The energization start position in E) is shown.

図15に示される結果から、本実験においてはグルコースの消費はいずれの条件においても培養開始後、速やかに始まり、後期に通電した3条件においては非通電時と変わらない消費速度を示すことが確認された。中期に通電したものについても顕著なグルコース消費速度の低下は見られないが、グルコースを完全に消費し尽くすまでの時間にわずかながら遅延が見られた(非通電:20時間→通電・中期:24時間)。   From the results shown in FIG. 15, in this experiment, it was confirmed that glucose consumption started immediately after the start of culture under any condition, and showed the same consumption rate as in the non-energized case in the three conditions energized late. It was done. Although no significant decrease in glucose consumption rate was observed for those energized in the middle period, a slight delay was observed in the time until the glucose was completely consumed (non-energized: 20 hours → energized / mid-term: 24 time).

また、試験終了後の培養液4の酢酸及び酪酸濃度を図16に示し、試験終了後の培養液4のエタノール及びブタノール濃度を図17に示す。図16及び図17に示される結果から、後期に通電した3条件のうち条件(E)については、非通電と比較して有機酸、アルコールの生産についても変化が見られず、通電の効果がないことが明らかとなった。これに対し、条件(A)〜(D)では、非通電時と比較して有機酸の生産抑制とエタノール、ブタノールの増産効果が認められ、その効果は特に条件(A)と(B)において顕著であった(非通電時と比較して2倍程度のエタノール及びブタノール増産効果が見られた)。尚、いずれの条件においても菌体密度は植菌時より変化がないことが確認された。   Moreover, the acetic acid and butyric acid concentration of the culture solution 4 after the end of the test is shown in FIG. 16, and the ethanol and butanol concentrations of the culture solution 4 after the end of the test are shown in FIG. From the results shown in FIGS. 16 and 17, the condition (E) among the three conditions energized in the latter period shows no change in the production of organic acids and alcohols compared to non-energization, and the effect of energization is It became clear that there was no. On the other hand, in the conditions (A) to (D), the production suppression of organic acid and the production increase effect of ethanol and butanol were recognized as compared with the case of non-energization, and the effect was particularly in the conditions (A) and (B). It was conspicuous (an effect of increasing ethanol and butanol by about twice as much as that in the non-energized case was observed). In any condition, it was confirmed that the cell density did not change from the time of inoculation.

以上の結果より、通電(還元電位の印加)を短時間に限ることで、グルコース消費抑制を回避することが可能であることが明らかとなった。また、特に、グルコースを活発に消費している中期に通電することによりブタノール増産効果が得られ易いことも明らかとなった。   From the above results, it became clear that the suppression of glucose consumption can be avoided by energization (application of the reduction potential) for a short time. Moreover, it became clear that the butanol production-increasing effect can be easily obtained by energizing in the middle period when glucose is actively consumed.

4.還元力の供給によるブタノール増産効果とそのメカニズムに関する考察
上記3の試験においては、通電の条件として10分間×1回と10分間×3回では通電回数(投入される還元力)の増加に合わせてブタノール生産量は増加したが、その増産量は通電回数の増加と正比例関係にはなかった。両条件における各代謝産物の収率を表2に示す。尚、表2において、酢酸については初期値40mMに対する増加分を対糖収率として算出した。
4). Consideration on Butanol Production Increase Effect by Supply of Reducing Power and Its Mechanism In the test of 3 above, according to the increase in the number of times of energization (reducing power input) in 10 minutes × 1 time and 10 minutes × 3 times as the condition of power supply. Butanol production increased, but the increased production was not directly proportional to the increase in the number of energizations. Table 2 shows the yield of each metabolite under both conditions. In Table 2, for acetic acid, the increase relative to the initial value of 40 mM was calculated as the yield to sugar.

両条件とも対糖収率として非通電時より2倍程度向上しており、わずか10分の通電でブタノール生産を向上させる代謝制御が可能であることが明らかとなった。   In both conditions, the yield to sugar was improved about twice as much as that in the non-energized state, and it became clear that metabolic control to improve butanol production was possible with only 10 minutes of energization.

次に、投入エネルギーに対するエネルギー回収効率を算出した結果を表3に示す。   Next, Table 3 shows the result of calculating the energy recovery efficiency with respect to the input energy.

電気培養時に流れた電流値の積算および極間電圧(2.3V程度)から算出される電気量は各電位において、11.3J(10分×1)、44.2J(10分×3)であった。   The amount of electricity calculated from the integration of the current values that flowed during electroculture and the voltage between the electrodes (about 2.3 V) is 11.3 J (10 minutes × 1) and 44.2 J (10 minutes × 3) at each potential. there were.

また、ブタノールの増産分から算出されるエネルギー量は2358.1J(10分×1)、3173.4J(10分×3)であった。よって、両条件のエネルギー効率はΔWbutanol/ΔWin = 209.3(10分×1)、71.2(10分×3)と算出され、本発明の方法は通電による投入電気量よりも飛躍的に大きなエネルギー物質増産効果を得ることができる代謝制御技術と言えることが示された。 The amount of energy calculated from the increased production of butanol was 2358.1 J (10 minutes × 1) and 3173.4 J (10 minutes × 3). Therefore, the energy efficiency of both conditions is calculated as ΔW butanol / ΔW in = 209.3 (10 minutes × 1) and 71.2 (10 minutes × 3), and the method of the present invention is more dramatic than the amount of electricity charged by energization. It can be said that it can be said to be a metabolic control technology that can achieve a significant increase in energy substance production.

以上より、従来の電気培養法のように培養期間全体を通じて通電を行うのではなく、通電時間を絞り込みつつ、一時的又は断続的に通電を行うことで、投入電気量を劇的に低減させつつ、効率よくブタノール生産性を向上させることが可能であることが明らかとなった。   From the above, it is possible to dramatically reduce the amount of input electricity by temporarily or intermittently energizing while narrowing the energization time, rather than energizing the entire culture period as in the conventional electroculture method. It was revealed that butanol productivity can be improved efficiently.

本発明の方法は、ブタノール生産経路へ電子として還元力を供給することでブタノールを増産する考えに基づいている。そこで、今回の試験において、還元されたMVの量について電流値をもとに算出した。電流が全てMV・+の生産に利用されたと仮定すると、通電培養試験(中期)において還元されたMVはそれぞれ、0.048mmol(10分×1)、0.18mmol(10分×3)であった。さらに、一電子還元型MVの持つ電子が全て直接NADH変換され、かつNADHの全てがブタノール生産に使用されたと仮定した時の、ブタノール増産量は0.024mmol(10分×1)、0.09mmol(10分×3)と推定される。この値は通電によって実際に得られたブタノール増産量の1/10−1/40であり、還元力の供給による直接的なブタノールの増産という考え方ではこの増産量の差異は説明できない。また、通電によるブタノール増産効果がグルコース消費中期に通電した場合に特に顕著に得られたことからも、通電が単純な還元力の供給だけでなく、ブタノール増産に寄与するような想定外の代謝変動を引き起こした可能性が推定された(図18を参照:矢印の太さが代謝の流れの大きさを示している。太い矢印は代謝量の増大を示し、灰色、点線で記載した経路は代謝が減少した経路を示している)。 The method of the present invention is based on the idea of increasing butanol by supplying reducing power as electrons to the butanol production pathway. Therefore, in this test, the amount of MV reduced was calculated based on the current value. Assuming that all of the current was used for production of MV · + , the MVs reduced in the current culture test (mid-term) were 0.048 mmol (10 minutes × 1) and 0.18 mmol (10 minutes × 3), respectively. It was. Further, when it is assumed that all the electrons of the one-electron reduced MV are directly NADH converted and all of the NADH is used for butanol production, the increased production of butanol is 0.024 mmol (10 minutes × 1), 0.09 mmol. It is estimated that (10 minutes × 3). This value is 1 / 10-1 / 40 of the butanol production increase actually obtained by energization, and the difference in the production increase cannot be explained by the concept of direct butanol production by supplying reducing power. In addition, the enormous increase in butanol produced by energization was particularly noticeable when energized in the middle of glucose consumption, which means that energization not only supplies simple reducing power but also unexpected metabolic fluctuations that contribute to increased butanol production. (See FIG. 18: the thickness of the arrow indicates the magnitude of the metabolic flow. The thick arrow indicates an increase in metabolic rate, and the pathway indicated in gray and dotted lines is the metabolism.) Indicates a reduced path).

5.代謝産物の網羅的解析
代謝産物は生体の状態変化(転写、翻訳を受けた)の直接的、化学的表現であるため、全代謝産物を解析することは生体の状態変化を理解する上で非常に有益な知見を与えると考えられる。そこで、還元電位の印加によりブタノール生産性が向上したメカニズムを理解し、代謝制御手法として確立するために、細胞内代謝産物の網羅解析を実施した。細胞の基本的な機能に関与する一次代謝物質のうち92%は水溶性であり、さらにそれらの96%は水溶液中で電荷をもつイオン性代謝物質である。そこで、本研究ではこれら水溶性かつイオン性代謝産物の分析に有効であり、同時に900種を超える代謝産物を測定可能であるCE−MSを選択した。
5. Comprehensive analysis of metabolites Since metabolites are direct and chemical expressions of changes in the state of the organism (transcribed and translated), analyzing all metabolites is very important for understanding changes in the state of the organism It is thought that it will provide useful knowledge. Therefore, in order to understand the mechanism by which butanol productivity was improved by applying a reduction potential and to establish it as a metabolic control method, we conducted a comprehensive analysis of intracellular metabolites. Of the primary metabolites involved in the basic function of cells, 92% are water-soluble, and 96% of them are ionic metabolites that are charged in aqueous solution. Therefore, in this study, CE-MS was selected which is effective for the analysis of these water-soluble and ionic metabolites and at the same time capable of measuring more than 900 metabolites.

(5−1)実験方法
非通電条件3検体、通電条件(−0.7V)2検体について上記3と同様に培養を実施した。培養開始後、通電条件についてはグルコース消費中期(19時間後)から10分ずつ、3時間おきに通電を行い、グルコースの残存濃度が2mMとなったタイミングで10分間の通電中に試料を1mL採取した。対照試料は非通電条件で同様に培養を行い、残存グルコース濃度2mMとなった時点で試料を1mL採取した。採取した試料は吸引濾過装置を用いてフィルター(Millipore Isopore Membrane Filter HTTP 0.4μm pore 47mm diameter、Millipore)上に菌体を捕集した。フィルター上に捕集した菌体を10mLのMilliQ水で2回洗浄し、内部標準(H3304−1002、HMT)を含有するメタノール(LC/MS用、Wako)2mLを入れた密閉シャーレにフィルターの菌体付着面を下にしてフィルターをメタノールに浸漬させた。メタノールに浸漬させたフィルターを30秒、超音波処理を行い、代謝産物抽出液を得た。抽出液は1600μLのクロロホルム及び640μLのMilliQ水を加えて撹拌し、遠心分離を行った。遠心分離後、水層を限外濾過チューブ(ウルトラフリーMC PLHCC遠心式フィルターユニット)に325μL×4本移し取った。これを遠心し、限外濾過処理を行った。ろ液を乾固させ、再び50μLのMilliQ水に溶解し、代謝産物の測定に供した。代謝産物の分析はCE−TOF MS system(Agilent)を使用し、陽イオン性物質および陰イオン性物質をカチオンモード、アニオンモードでそれぞれ測定した(Soga T, Heiger DN., Amino acid analysis by capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem, 2000. 72(6): p. 1236-1241.、Soga T, Ohashi Y, Ueno Y, Naraoka H, Tomita M, Nishioka T., Quantitative metabolome analysis using capillary electrophoresis mass spectrometry. J Proteome Res, 2003. 2(5): p. 488-494.、Soga T, Ueno Y, Naraoka H, Ohashi Y, Tomita M, Nishioka T., Simultaneous determination of anionic intermediates for Bacillus subtilis metabolic pathways by capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem, 2002. 74(10): p. 2233-2239.)。
(5-1) Experimental Method Culture was carried out in the same manner as in the above 3 for 3 samples of non-energized conditions and 2 samples of energized conditions (−0.7 V). After the start of culture, energization is performed every 3 hours for 10 minutes from the middle stage of glucose consumption (after 19 hours), and 1 mL of sample is taken during 10 minutes at the timing when the residual glucose concentration becomes 2 mM. did. The control sample was similarly cultured under non-energized conditions, and 1 mL of the sample was collected when the residual glucose concentration reached 2 mM. The collected sample was collected on a filter (Millipore Isopore Membrane Filter HTTP 0.4 μm pore 47 mm diameter, Millipore) using a suction filtration device. The cells collected on the filter were washed twice with 10 mL of MilliQ water, and the filter bacteria were placed in a sealed petri dish containing 2 mL of methanol (LC / MS, Wako) containing internal standard (H3304-1002, HMT). The filter was immersed in methanol with the body adhesion surface down. A filter immersed in methanol was subjected to ultrasonic treatment for 30 seconds to obtain a metabolite extract. The extract was stirred by adding 1600 μL of chloroform and 640 μL of MilliQ water, followed by centrifugation. After centrifugation, 325 μL × 4 aqueous layers were transferred to an ultrafiltration tube (ultra free MC PLHCC centrifugal filter unit). This was centrifuged and subjected to ultrafiltration treatment. The filtrate was dried and dissolved again in 50 μL of MilliQ water and used for measurement of metabolites. The analysis of metabolites was carried out using CE-TOF MS system (Agilent), and cationic substances and anionic substances were measured in cation mode and anion mode, respectively (Soga T, Heiger DN., Amino acid analysis by capillary electrophoresis). Electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem, 2000. 72 (6): p. 1236-1241., Soga T, Ohashi Y, Ueno Y, Naraoka H, Tomita M, Nishioka T., Quantitative metabolome analysis using capillary electrophoresis mass spectrometry. J Proteome Res, 2003. 2 (5): p. 488-494., Soga T, Ueno Y, Naraoka H, Ohashi Y, Tomita M, Nishioka T., Simultaneous determination of anionic intermediates for Bacillus subtilis metabolic pathways by capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem, 2002. 74 (10): p. 2233-2239.).

CE−TOF MSで検出されたピークは自動積分ソフトウェアのMasterHands ver.2.9.0.9を用いて自動抽出し、ピーク情報として質量電荷比(m/z)、泳動時間とピーク面積値を得た。得られたピーク面積値は下記の[式1]を用いて相対面積値に変換し、各試料の採取細胞数による補正を行った。次に、m/zとMTの値をもとに、各試料間のピークの照合・整列化を行った。このとき、ピーク以外のノイズは削除した。また、これらのデータにはNa、Kなどのアダクトイオン及び、脱水、脱アンモニウムなどのフラグメントイオンが含まれているので、これらの分子量関連イオンを削除した。 Peaks detected by CE-TOF MS were automatically integrated with MasterHands ver. 2.9.0.9 was automatically extracted to obtain mass-to-charge ratio (m / z), migration time and peak area value as peak information. The obtained peak area value was converted into a relative area value using the following [Equation 1], and correction was performed based on the number of collected cells of each sample. Next, based on the values of m / z and MT, the peaks between the samples were collated and aligned. At this time, noise other than the peak was deleted. Moreover, since these data include adduct ions such as Na + and K + and fragment ions such as dehydration and deammonium, these molecular weight related ions were deleted.

相対面積値=目的ピークの面積値/(内部標準物質の面積値×菌体数)・・・[式1]   Relative area value = Area value of target peak / (Area value of internal standard substance × Number of bacterial cells) [Equation 1]

検出されたピークに対してm/z(質量)とMT値(泳動時間)を元にHMT代謝物質データベースとの照合、検索を実施した。検索のための許容誤差はMTで±0.5分、m/zでは±10ppmとした。相対値は独立した3連(対照試験)もしくは2連(通電試験)の実験における平均値を示し、エラーバーは標準偏差もしくは平均値の範囲を示した。   The detected peak was collated and searched with the HMT metabolite database based on m / z (mass) and MT value (electrophoresis time). The tolerance for searching was ± 0.5 minutes for MT and ± 10 ppm for m / z. Relative values indicate average values in independent triple (control test) or double (energization test) experiments, and error bars indicate standard deviations or average value ranges.

(5−2)実験結果
採取した試料の菌体数は全ての試料において(1.4±0.1)×10cellsであった。試料採取後、速やかに細胞から代謝産物の抽出を行い、細胞内代謝産物解析に供した。また、培養液中の代謝産物変動についても液体クロマトグラフィーで実施した。グルコースについての結果を図19に、酢酸についての結果を図20に、酪酸についての結果を図21に、エタノールについての結果を図22に、ブタノールについての結果を図23に示す。代謝産物の変動はこれまでと同様の傾向を示し、通電によりグルコース減少速度はわずかに低下し、有機酸蓄積は減少、エタノールおよびブタノール濃度は上昇した。
(5-2) Experimental results The number of cells of the collected samples was (1.4 ± 0.1) × 10 9 cells in all samples. After collecting the sample, the metabolite was immediately extracted from the cell and subjected to intracellular metabolite analysis. In addition, changes in metabolites in the culture were also performed by liquid chromatography. The results for glucose are shown in FIG. 19, the results for acetic acid in FIG. 20, the results for butyric acid in FIG. 21, the results for ethanol in FIG. 22, and the results for butanol in FIG. Metabolite fluctuations showed the same trend as before, with a slight decrease in glucose reduction rate due to energization, a decrease in organic acid accumulation, and an increase in ethanol and butanol concentrations.

5検体(3検体、2検体)について細胞内代謝産物のメタボローム解析を実施したところ179ピークが候補化合物(カチオン62、アニオン117)として検出された。これら検出された化合物についてそれぞれ相対定量を行い、得られたデータについて階層的クラスタリング解析(HCA)行い、ヒートマップ表記を実施した結果、非通電時の試料と通電時の試料において明確な違いが確認され、通電が細胞内代謝に大きな変動を与えていることが巨視的に明らかとなった。   When metabolome analysis of intracellular metabolites was performed on 5 samples (3 samples, 2 samples), 179 peaks were detected as candidate compounds (cation 62, anion 117). Relative quantification was performed for each of these detected compounds, and hierarchical clustering analysis (HCA) was performed on the obtained data. As a result of heat map notation, a clear difference was confirmed between the non-energized sample and the energized sample. It was revealed macroscopically that energization gave large fluctuations in intracellular metabolism.

さらに、個々の代謝産物について得られた相対面積比を非通電試料と通電試料間で比較し、相対値(通電試料/非通電試料)を算出した。この値を代謝経路ごとに分類し、通電により増加した割合の大きいものから順で整列し、グラフとして取りまとめた。結果を図24〜図26に示す。   Further, the relative area ratio obtained for each metabolite was compared between the non-energized sample and the energized sample, and the relative value (energized sample / non-energized sample) was calculated. These values were classified for each metabolic pathway, arranged in descending order of the rate of increase due to energization, and compiled as a graph. The results are shown in FIGS.

また、主要代謝経路に分類されない化合物が69種検出されたが、これらのうちブタノール生産に関与する酪酸、NAD、NADHのみ、図27〜図29に示した。酪酸について図27に、NADについて図28に、NADHについて図29に示す。 In addition, 69 types of compounds not classified as major metabolic pathways were detected. Of these, only butyric acid, NAD + , and NADH involved in butanol production are shown in FIGS. FIG. 27 shows butyric acid, FIG. 28 shows NAD + , and FIG. 29 shows NADH.

尚、図24〜図29における相対値は、通電/非通電の相対値であるため、1より大きい値は通電によって増加した産物、1より小さいものは通電によって低下したことを示す。   24 to 29 are relative values of energization / non-energization, a value greater than 1 indicates a product increased by energization, and a value less than 1 indicates a decrease due to energization.

図27より通電条件では細胞内酪酸の蓄積量に低下が確認され、培養液の分析と一致した結果を得た。さらに通電条件では代謝反応において重要な還元力であるNADHの量の増加およびそれに連動したNADの減少がみられ(図28、図29)、還元電位を印加することにより細胞内に還元力が供給されていることが本結果からも示唆された。 From FIG. 27, it was confirmed that there was a decrease in the amount of intracellular butyric acid accumulated under energization conditions, and the results were consistent with the analysis of the culture solution. Furthermore, under energization conditions, an increase in the amount of NADH, which is an important reducing power in metabolic reactions, and a decrease in NAD + linked thereto are observed (FIGS. 28 and 29). By applying a reducing potential, the reducing power is reduced in the cells. This result also suggested that it was supplied.

全体の傾向としては細胞内の主な同化反応であるアミノ酸代謝、核酸(プリン・ピリミジン)代謝、細胞壁生合成に関与するその他の糖代謝にグルーピングされた代謝産物のほとんどは通電により低下する傾向が見られた。その中において、プトレシン、アスパラギン、N−カルバモイルアスパラギン酸、チラミン(図24、図25)、プリン、ピリミジン代謝のグループではイノシン、ヒポキサンチン、アデノシン、AMP、グアニンが通電により増加することが示された(図25)。その他の糖代謝グループにおいては活性化糖類の蓄積も通電により低下していた(図26)。   The overall trend is that most of the metabolites grouped in amino acid metabolism, nucleic acid (purine / pyrimidine) metabolism, and other sugar metabolisms involved in cell wall biosynthesis, which are the main anabolic reactions in cells, tend to be reduced by energization. It was seen. Among them, putrescine, asparagine, N-carbamoylaspartic acid, tyramine (FIGS. 24 and 25), purine, and pyrimidine metabolism showed that inosine, hypoxanthine, adenosine, AMP, and guanine were increased by energization. (FIG. 25). In other sugar metabolism groups, the accumulation of activated saccharides was also reduced by energization (FIG. 26).

このように通電によって同化反応が抑制される一方、異化反応を支える中央代謝系(解糖系、ペントースリン酸経路、TCAサイクル)おいては通電によって比較的多くの代謝産物について増加が見られた。最も増加が見られたのはペントースリン酸経路上のリブロース5−リン酸であり、通電により2.5倍に増加した(図24)。   In this way, while the anabolic reaction is suppressed by energization, in the central metabolic system (glycolysis system, pentose phosphate pathway, TCA cycle) that supports the catabolism reaction, an increase was observed for a relatively large number of metabolites by energization. The largest increase was in ribulose 5-phosphate on the pentose phosphate pathway, which increased 2.5-fold due to energization (FIG. 24).

解糖系においてはグリセルアルデヒド3−リン酸を起点として上流部分では代謝産物量が通電により減少し、下流では増加する傾向が見られた。また、解糖系からの分岐産物としてジヒドロキシアセトンリン酸、グリセロール3−リン酸および乳酸について通電による増加が見られた。   In the glycolytic system, the amount of metabolite decreased by energization in the upstream portion starting from glyceraldehyde 3-phosphate, and increased in the downstream. In addition, dihydroxyacetone phosphate, glycerol 3-phosphate, and lactic acid increased as a branched product from the glycolysis system due to energization.

C.acetobutylicumはそのゲノム配列から、完全なTCAサイクルを有していないとこれまで推測されてきたが、近年の代謝産物分析の結果から実際には完全なTCAサイクル反応を有している可能性が示されている(Amador-Noguez D, Feng XJ, Fan J, Roquet N, Rabitz H, Rabinowitz JD., Systems-level metabolic flux profiling elucidates a complete, bifurcated tricarboxylic acid cycle in Clostridium acetobutylicum. J Bacteriol, 2010. 192(17): p. 4452-4461.)。本実施例においてもTCAサイクル内に位置づけられる代謝産物が複数検出された。通電によってクエン酸の蓄積量が僅かに上昇した一方で、TCAサイクル後半のコハク酸、リンゴ酸について蓄積量の低下が見られた。   C. acetobutylicum has been inferred from its genome sequence that it does not have a complete TCA cycle. From the results of recent metabolite analysis, it may actually have a complete TCA cycle reaction. (Amador-Noguez D, Feng XJ, Fan J, Roquet N, Rabitz H, Rabinowitz JD., Systems-level metabolic flux profiling elucidates a complete, bifurcated tricarboxylic acid cycle in Clostridium acetobutylicum. J Bacteriol, 2010. 192 (17): p. 4452-4461.). Also in this example, a plurality of metabolites positioned within the TCA cycle were detected. While the accumulated amount of citric acid slightly increased by energization, a decrease in the accumulated amount was observed for succinic acid and malic acid in the latter half of the TCA cycle.

(5−3)代謝変動の解釈と代謝制御メカニズムの推定
細胞外の電極反応で還元したMVを介して、細胞内に還元力を供給した結果、増加したNADH/NAD比が以下のような代謝変動を引き起こしたことが推定された。細胞構成成分(アミノ酸、核酸、細胞壁)は全体的に細胞内量の低下が見られた。さらに、通電により増加した成分としてもプトレシンやチラミンのようなアミノ酸の分解産物や、ピリミジン(UMP)合成の中間体であるN−カルバモイルアスパラギン酸や核酸の低エネルギー中間体が検出されたことから、全体として通電によって細胞を合成する同化反応が抑制される、もしくは逆に分解が進む方向に大きな変動が生じた可能性が推察された。細胞構成成分を合成する反応は炭素およびエネルギー資源(ATPやNAD(P)H)を大量に使用するため、それらの抑制がブタノール増産に寄与したことが考えられる。
(5-3) Interpretation of metabolic fluctuation and estimation of metabolic control mechanism As a result of supplying reducing power into the cell via MV reduced by extracellular electrode reaction, the increased NADH / NAD + ratio is as follows It was estimated that it caused metabolic changes. The cell components (amino acids, nucleic acids, cell walls) showed a decrease in intracellular amount as a whole. Furthermore, as components increased by energization, degradation products of amino acids such as putrescine and tyramine, N-carbamoylaspartic acid, which is an intermediate of pyrimidine (UMP) synthesis, and low-energy intermediates of nucleic acids were detected. It was inferred that the anabolic reaction that synthesizes cells as a whole was suppressed by energization, or that there was a significant change in the direction of degradation. Since the reaction for synthesizing the cell constituents uses a large amount of carbon and energy resources (ATP and NAD (P) H), it is considered that their suppression contributed to increased butanol production.

一方、異化経路にあたる中央代謝経路においても代謝の変動が見られた。グルコース代謝の上流にあたる解糖系の準備期(グルコース→グリセルアルデヒド3リン酸)では、通電により全体的に産物量の減少が見られ、バイパス経路であるペントースリン酸経路上の代謝産物リブロース5−リン酸が通電により増加したことから、解糖系とペントースリン酸経路間での炭素の分配比が通電により変動したことが推定される。解糖系の準備期ではATP(アデノシン三リン酸)を消費する一方、バイパスであるペントースリン酸経路ではATPを消費せずNADPHが生産される。C.acetobutylicum ATCC824ではブタノール生産酵素を3種持ち、そのうち1つはNADPH依存性である(Saint-Amans S, Girbal L, Andrade J, Ahrens K, Soucaille P., Regulation of carbon and electron flow in Clostridium butyricum VPI 3266 grown on glucose-glycerol mixtures. J Bacteriol, 2001. 183(5): p. 1748-1754.)。よって、同化反応においてみられた変動と同様に限られたエネルギー資源の消費を抑制し、生産する傾向の代謝変動が生じたことが推定された。解糖系下流の報酬期(グリセルアルデヒド3−リン酸→ピルビン酸)では代謝産物量は通電による増加傾向が見られ、活発な反応が推定された。   On the other hand, metabolic changes were also observed in the central metabolic pathway, which is a catabolic pathway. In the preparation period of glycolysis upstream of glucose metabolism (glucose → glyceraldehyde triphosphate), a decrease in the overall product amount is seen due to energization, and the metabolite ribulose 5- on the pentose phosphate pathway, which is a bypass pathway. Since phosphoric acid was increased by energization, it was estimated that the carbon distribution ratio between the glycolytic system and the pentose phosphate pathway was varied by energization. While ATP (adenosine triphosphate) is consumed in the preparation period of glycolysis, NADPH is produced without consuming ATP in the bypass pentose phosphate pathway. C.acetobutylicum ATCC824 has three butanol-producing enzymes, one of which is NADPH-dependent (Saint-Amans S, Girbal L, Andrade J, Ahrens K, Soucaille P., Regulation of carbon and electron flow in Clostridium butyricum VPI 3266 grown on glucose-glycerol mixture. J Bacteriol, 2001. 183 (5): p. 1748-1754. Thus, it was estimated that metabolic fluctuations in the tendency to produce were suppressed, constraining the consumption of limited energy resources, similar to the fluctuations observed in the assimilation reaction. In the reward period downstream of the glycolysis (glyceraldehyde 3-phosphate → pyruvic acid), the amount of metabolites tended to increase due to energization, and an active reaction was estimated.

これまでにC.acetobutylicum細胞内のNADH/NAD比率の上昇がグリセルアルデヒド3−リン酸デヒドロゲナーゼの活性を阻害することが報告されているが(Girbal L, Soucaille P., Regulation of Clostridium acetobutylicum metabolism as revealed by mixed-substrate steady-state continuous cultures: role of NADH/NAD ratio and ATP pool. J Bacteriol, 1994. 176(21): p. 6433-6438)、本実験では短時間の通電によるNADHの増加と代謝による消費のバランスの結果、細胞内のNADH/NAD比は低いレベルに維持されており(図28、図29)、グルコース消費抑制には至らなかったことが推定された。 It has been reported so far that an increase in the NADH / NAD + ratio in C. acetobutylicum cells inhibits the activity of glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (Girbal L, Soucaille P., Regulation of Clostridium acetobutylicum metabolism). as revealed by mixed-substrate steady-state continuous cultures: role of NADH / NAD ratio and ATP pool. J Bacteriol, 1994. 176 (21): p. 6433-6438). As a result of the balance of metabolism and consumption, the intracellular NADH / NAD + ratio was maintained at a low level (FIGS. 28 and 29), and it was estimated that glucose consumption was not suppressed.

また、興味深いことに、中央代謝経路から分岐する代謝産物において、乳酸とジヒドロキシアセトンリン酸、グリセロール3リン酸の増加が見られた。ピルビン酸から乳酸を生産する経路およびフルクトース1,6ビスリン酸からジヒドロキシアセトンリン酸を経由し、グリセロール三リン酸を生産する分岐経路ではNADHを必要とすることから、通電による細胞内の利用可能となったNADHの増加に伴い、ブタノール同様に分岐経路に存在する代謝産物の生産が活性化されたと考えられる。   Interestingly, lactic acid, dihydroxyacetone phosphate and glycerol triphosphate increased in metabolites branched from the central metabolic pathway. Since NADH is required for the pathway for producing lactic acid from pyruvic acid and the branching pathway for producing glycerol triphosphate via dihydroxyacetone phosphate from fructose 1,6-bisphosphate, it can be used in cells by energization. With the increase in NADH, the production of metabolites existing in the branching pathway as with butanol is considered to be activated.

グルコース異化の後段にあたるTCAサイクルへの分岐点としてはピルビン酸から直接TCAサイクル上のオキサロ酢酸へ流入する経路と、ピルビン酸→アセチルCoA→クエン酸という二種類の経路がある。後者の経路ではアセチルCoAからブタノール生産経路と分岐する。前者の経路ではピルビン酸がオキサロ酢酸を経由し、アスパラギン酸をはじめとしたアミノ酸やピリミジンに変換される。通電によって、アスパラギン酸をはじめとしたアミノ酸やピリミジンおよびTCAサイクルのコハク酸、リンゴ酸の蓄積量が減少していることからTCAサイクルに流入する炭素量は減少していることが推定される。その一方で、アセチルCoA自体の濃度は通電により低下していることから、全体としては、TCAサイクルに流入する炭素量を低減し、ブタノール生産経路への分配が上昇していることが示唆された。   As a branch point to the TCA cycle, which is the latter stage of glucose catabolism, there are two types of pathways: pyruvate directly flows into oxaloacetate on the TCA cycle and pyruvate → acetyl CoA → citrate. In the latter route, acetyl CoA branches to the butanol production route. In the former route, pyruvic acid is converted to amino acids such as aspartic acid and pyrimidine via oxaloacetic acid. It is presumed that the amount of carbon flowing into the TCA cycle is reduced because the accumulated amount of amino acids such as aspartic acid, pyrimidine, and succinic acid and malic acid in the TCA cycle is reduced by energization. On the other hand, since the concentration of acetyl-CoA itself was decreased by energization, it was suggested that the amount of carbon flowing into the TCA cycle was reduced as a whole, and the distribution to the butanol production pathway was increased. .

以上、通電によって非増殖期にある細胞内のNADH/NAD比を増加させることが、下記二つの大きな代謝変動を誘導することによって、細胞内の限られた炭素資源やエネルギー資源を節約し、ブタノール生産に集中させるような代謝の切り替えが起こったことが示唆された(図30を参照:矢印の太さが代謝の流れの大きさを示している。太い矢印は代謝量の増大を示し、灰色、点線で記載した経路は代謝が減少した経路を示している)。
(1)同化反応が抑制され、さらには余分なアミノ酸や核酸物質は分解される
(2)中央代謝系においてもTCAサイクルが抑制される
As described above, increasing the NADH / NAD + ratio in a non-proliferating cell by energization induces the following two large metabolic fluctuations, thereby conserving limited carbon resources and energy resources in the cell, It was suggested that a metabolic switch to concentrate on butanol production occurred (see FIG. 30: the thickness of the arrow indicates the magnitude of the metabolic flow. The thick arrow indicates an increase in metabolic rate, The pathways shown in gray and dotted lines indicate pathways with reduced metabolism).
(1) The assimilation reaction is suppressed, and further, excess amino acids and nucleic acid substances are degraded. (2) The TCA cycle is also suppressed in the central metabolic system.

6.複数回通電によるブタノール増産効果の検討
上記3及び4の実験結果に加えて、さらに通電を断続的に8回実施した場合について検討を行った。
6). Examination of Butanol Production Increase Effect by Multiple Energization In addition to the experimental results of 3 and 4 above, the case where the energization was intermittently conducted 8 times was examined.

グルコース消費中期(培養開始後19時間)から3時間おきに8回、10分間通電を行った。   From the middle stage of glucose consumption (19 hours after the start of culture), electricity was applied 8 times for 10 minutes every 3 hours.

結果を図31に示す。非通電時と比較して、大幅なブタノール増産効果が得られることが明らかとなった。   The results are shown in FIG. It has been clarified that a significant increase in butanol production can be obtained compared with the case of non-energization.

次に、投入エネルギーに対するエネルギー回収効率を算出した結果を表4に示す。   Next, Table 4 shows the results of calculating the energy recovery efficiency with respect to the input energy.

投入電気エネルギーより、通電によって増産されるブタノール由来のエネルギーのほうが多く、本手法によるブタノール増産はエネルギーの観点から有益な手法と言える。通電回数を増やすことによりブタノール増産量の絶対値は増加するが、供給される還元力が過剰であるため、エネルギー効率は低下する傾向がある。よって、エネルギー効率を重視するのであれば通電回数を抑える、ブタノール生産量を重視するのであれば回数を増やすという選択肢を取り得る。8回通電時では絶対量も多く、エネルギー効率として1を超えているため充分効率的な条件と言える。 There is more energy derived from butanol that is increased by energization than the input electric energy, and the increased production of butanol by this method is a beneficial method from the viewpoint of energy. Increasing the number of energizations increases the absolute value of increased butanol production, but energy efficiency tends to decrease because the reducing power supplied is excessive. Therefore, it is possible to take the option of suppressing the number of energizations if importance is placed on energy efficiency and increasing the number if importance is placed on butanol production. When energized 8 times, the absolute amount is large and the energy efficiency exceeds 1, so it can be said that it is a sufficiently efficient condition.

2 ブタノール生産微生物
3 基質
4 培養液
5 電子媒体物質
7 代謝産物
2 Butanol-producing microorganism 3 Substrate 4 Culture solution 5 Electronic medium substance 7 Metabolite

Claims (2)

基質を消費しながらブタノールを含む代謝産物を増殖非連動的に生産しているブタノール生産微生物に、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質を介した一時的な電子の供給を行う工程を含み、
前記電子の供給は、前記基質と前記ブタノール生産微生物と前記電子媒体物質とを含む培養液に電極を浸漬し、前記電極に還元電位を5分間〜15分間印加して前記電子媒体物質を還元することにより行い、
前記工程を、前記ブタノール生産微生物の基質消費期間の中期に行い、
前記ブタノール生産微生物は、アセトン・ブタノール・エタノール発酵(ABE発酵)を行うクロストリジウム属細菌であり、
前記基質は、前記ブタノール生産微生物の代謝産物生成源となる物質であり、
前記基質消費期間は、投入した前記基質を前記ブタノール生産微生物が消費し尽くすまでの期間である
ことを特徴とするブタノール生産方法。
Temporary supply of electrons via butterfly-producing microorganisms that produce butanol-containing metabolites in a non-growth-coupled manner while consuming substrates through an electron medium that can take both oxidized and reduced forms the process only contains,
The supply of the electrons is performed by immersing an electrode in a culture solution containing the substrate, the butanol-producing microorganism, and the electron medium substance, and applying a reduction potential to the electrode for 5 to 15 minutes to reduce the electron medium substance. By doing
Performing the process in the middle of the substrate consumption period of the butanol-producing microorganism,
The butanol-producing microorganism is a Clostridium bacterium that performs acetone-butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation),
The substrate is a substance that becomes a metabolite generation source of the butanol-producing microorganism,
The butanol production method , wherein the substrate consumption period is a period until the butanol-producing microorganism consumes the introduced substrate .
前記工程を、2時間〜4時間おきに2回〜8回行う、請求項1に記載のブタノール生産方法。The butanol production method according to claim 1, wherein the step is performed 2 to 8 times every 2 to 4 hours.
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