JPWO2004074495A1

JPWO2004074495A1 - 微生物による高効率水素製造方法

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Publication number: JPWO2004074495A1
Application number: JP2005502806A
Authority: JP
Inventors: 湯川　英明; 英明湯川; 山本　紀征; 紀征山本
Original assignee: Research Institute of Innovative Technology for Earth; Sharp Corp
Current assignee: Research Institute of Innovative Technology for Earth; Sharp Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: US20060128001A1; JP4275666B2; US7432091B2; WO2004074495A1

Abstract

本発明の課題は、水素発生反応に充分な菌体数の嫌気性徴生物の獲得、嫌気性微生物の短時間での水素発生機能の獲得及び水素の工業的有利な製造を実現する方法を提供することにある。解決手段は、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養し、そこで得られた菌体を水素発生のために用いることを特徴とする高効率な微生物的水素製造方法である。

Description

本発明は、微生物による水素製造方法に係わり、さらに詳しくは有機性基質を炭素源とする嫌気性微生物による高効率な水素製造方法に関する。本発明の方法で製造される水素は燃料電池等の燃料として好適に使用することができる。

水素は化石燃料と異なり、燃焼しても炭酸ガスや硫黄酸化物など環境問題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、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電気エネルギーおよび熱エネルギーに高い効率で変換できる。
水素の製造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こと、そして製造される合成ガスにはＣＯ（一酸化炭素）が含まれるため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となる。
一方、微生物による生物的水素製造方法は常温常圧の反応条件であること、そして発生するガスにはＣＯが含まれないためその除去も不要である。
このような観点から、微生物による生物的水素製造は燃料電池用燃料供給方法としてより好ましい方法となる。
生物的水素製造方法がこのような優れた特長を有するにもかかわらず燃料電池用燃料供給方法としてこれまで大きな進展が無かったのは水素製造の生産性、特に単位容積当たりの水素発生速度（ＳＴＹ；ＳｐａｃｅＴｉｍｅＹｉｅｌｄ）が低く経済的に実用性が無かったためである。
生物的水素製造方法には大別して光合成微生物を使用する方法と非光合成微生物（主に嫌気性微生物）を使用する方法に分けられる。前者の方法は水素発生に光エネルギーを用いるため、その低い光エネルギー利用効率により広大な集光面積を要する水素発生装置の価格問題や維持管理の難しさ等解決しなければならない課題が多く実用的なレベルではない。
後者の嫌気性微生物を使用する従来の水素製造方法は、これら嫌気性微生物の分裂増殖に依存したものである。嫌気性微生物は、分裂増殖が極めて遅く（特許文献１、非特許文献１）、そして嫌気性微生物の分裂増殖は他の微生物のそれに比して、その理由は明らかにされていないが、分裂増殖の際に必要な自由空間（培養に必要な「場」即ち反応器容積に比例する）がより大きく必要である。そのため、一定の大きさの培養の「場」における嫌気性微生物が水素発生に必要な嫌気条件の培養で到達できる定常状態の菌体濃度は他の微生物のそれに比較して絶対的に低い。これらの理由により、嫌気性微生物の水素発生速度（ＳＴＹ）が十分ではない。この点に関して一段の向上が求められている。
また、生物的製造方法により製造される水素が一定の電気容量の燃料電池に供給される場合には、水素源となる有機性基質の水素発生反応容器への供給と電流の発生の迅速な応答が実用上必要である。この点に関しても技術的解決が求められている。
米国特許第５，８３４，２６４号Ｒ．Ｎａｎｄｉｅｔａｌ．、ＥｎｚｙｍｅａｎｄＭｉｃｒｏｂｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１９：２０−２５、１９９６

嫌気性微生物の分裂増殖に依存した従来の水素製造方法の上記の問題は、換言すれば、従来の技術では水素発生反応器内で高密度の嫌気性微生物の獲得及び嫌気性微生物の水素発生機能の獲得を短時間で同時に実現する方法を見出せなかったことによる。
本発明は嫌気性微生物による水素製造方法に関するこれら技術的課題を解決することを目的とする。本発明の目的は、水素発生反応に充分な菌体数の嫌気性微生物の獲得、嫌気性微生物の短時間での水素発生機能の獲得及び水素の工業的有利な製造を実現する方法を提供することにある。すなわち、本発明は、前記米国特許公報に記載されているような１０倍にも達する嫌気性微生物の長時間の分裂増殖に依存する方法ではなく、水素発生速度が反応初期から充分に高く、実用的レベルで燃料電池を稼動させることのできる方法を提供することを目的とする。
本発明の水素の製造方法に関与する工程は下記第１〜第３工程である。
すなわち、本発明は全体として、特定の菌体を好気的条件で培養して菌体を増殖させる第１工程と、ついで増殖した菌体を蟻酸類を含有する培養液中で嫌気的条件下培養して菌体に水素発生能力を付与する第２工程と、このように水素発生能力を付与した菌体を還元状態にある水素発生溶液に加え有機性基質を供給して水素を発生させる第３工程を含む。
嫌気性微生物内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（グルコースのピルビン酸への分解経路における代謝産物としての水素発生、ピルビン酸がアセチルＣｏＡをへて酢酸が生成する経路での代謝産物としての水素発生そしてピルビン酸由来の蟻酸より水素が発生する経路等）。本発明は微生物細胞内の蟻酸より水素が生成する代謝経路を第３工程で利用する生物的水素製造方法に関する。
本発明の第１工程は、上記特定の菌体を好気的条件で培養することによって菌体を増殖分裂させて、水素発生に必要な菌数を得ることを目的とする。しかし好気的条件で培養した菌体は水素発生能力を有しない。好気的培養時に生成するエタノール、酢酸や乳酸は第３工程における嫌気性微生物の水素発生機能の発現に阻害効果をもたらすので、好気的培養液から菌体を第２工程に付する前に回収するのが好ましい。
また、第２工程については、水素発生機能の発現は嫌気的条件で分裂増殖を多数回繰り返さなくても（多数回分裂を繰り返しながら水素を発生させることは分裂増殖に依存する従来技術の水素発生方法）、嫌気的条件下、蟻酸含有培養液中、一回程度分裂増殖させる事により水素発生機能を発現させることができる。この一回程度の分裂増殖で機能が発現できる理由は明らかではないが、本発明者等は以下の推論を考えている。
蟻酸から水素を生成する経路に関与する酵素蛋白は蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼである。これら酵素蛋白は通常は一対のユニットとして機能し、微生物菌体の生体膜内かもしくは膜に一部埋め込まれた状態で存在する。好気的分裂増殖時のようにユニット機能が発現しない状態からユニット機能が発現する状態への変換は微生物が、少なくとも一回程度分裂増殖を経ることにより上記一対のユニットが水素発生のために機能する構成が完了する。この構成には酸素の存在は極めて大きな阻害効果をもたらすので厳密な嫌気条件の管理が必要である。
また、本発明の第３工程は水素発生が従来技術と異なり、使用する微生物の分裂増殖に依存しない方法、すなわち、水素発生反応中における微生物の分裂増殖を停止もしくは実質的に停止した状態での高効率水素製造方法に関する。
この分裂増殖停止下での高効率水素製造技術は、主として嫌気性微生物、すなわち、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を用いて本発明者等が実施した各種の検討結果を詳細に考察した上記の結論にその基礎を置く。勿論、本発明はこの考察内容に限定されるものではない。
本発明者等は上記の結論に基づきさらに鋭意検討を行った結果、水素発生反応器内において高密度で使用される、すなわち菌体数が充分な嫌気性微生物の獲得及び嫌気性微生物の短時間での水素発生機能の獲得並びに効率的な水素発生を工業的有利に実現する方法を見出し、また、この技術が実用的なレベルで燃料電池を稼動することができること見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、
（１）蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養し、そこで得られた菌体を水素発生のために用いることを特徴とする高効率な微生物的水素製造方法、
（２）蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養して菌体細胞数が少なくとも２倍以上に増加後、そこで得られた菌体を水素発生のために用いることを特徴とする高効率な微生物的水素製造方法、
（３）前記（１）、（２）のいずれかに記載の方法にて得られた菌体を還元状態にある水素発生用溶液に加え、該溶液に有機性基質を供給して、水素を発生させることを特徴とする高効率な生物的水素製造方法、
（４）前記（１）、（２）のいずれかに記載の方法にて得られた菌体を回収し、回収された菌体を還元状態にある水素発生用溶液に加え、該溶液に連続的に有機性基質を供給して、水素を発生させることを特徴とする高効率な生物的水素製造方法、
（５）上記蟻酸類含有培養液の酸化還元電位が嫌気的条件で培養中、−２００ミリボルト乃至−５００ミリボルトの範囲に維持されることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の高効率な生物的水素製造方法、
（６）上記還元状態にある水素発生用溶液の酸化還元電位が、−１００ミリボルト乃至−５００ミリボルトの範囲であることを特徴とする前記（３）または（４）に記載の高効率な生物的水素製造方法、
（７）上記有機性基質が蟻酸、蟻酸塩または菌体内代謝により蟻酸に変換しうる化合物であることを特徴とする前記（３）または（４）に記載の高効率な生物的水素製造方法、
（８）上記還元状態にある水素発生用溶液の菌体濃度が０．１％（ｗ／ｗ）乃至８０％（ｗ／ｗ）（湿潤状態菌体質量基準）であることを特徴とする前記（３）または（４）に記載の高効率な生物的水素製造方法、
（９）上記水素発生用溶液のｐＨを５．０〜９．０に保持し、有機性基質を連続的に供給することを特徴とする前記（３）〜（８）に記載の高効率な生物的水素製造方法、
（１０）前記（１）〜（９）のいずれかに記載の方法で製造される水素の燃料電池用燃料としての使用、
（１１）蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養して菌体細胞数が少なくとも２倍以上に増加後回収されてなる、高効率な生物的水素発生能力を有する微生物、
に関する。

本発明で使用される微生物は蟻酸脱水素酵素遺伝子（Ｆ．Ｚｉｎｏｎｉ，ｅｔａｌ．，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，Ｖｏｌ．８３，ｐｐ４６５０−４６５４，Ｊｕｌｙ１９８６Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）およびヒドロゲナーゼ遺伝子（Ｒ．Ｂｏｅｈｍ，ｅｔａｌ．，ＭｏｌｅｃｕｌａｒＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ（１９９０）４（２），２３１−２４３）を有する微生物で主として嫌気性微生物である。
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（ＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉＡＴＣＣ９６３７、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（ＫｌｅｂｓｉｅｌｌａｐｎｅｕｍｏｎｉａｅＡＴＣＣ１３８８３、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（ＥｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒａｅｒｏｇｅｎｅｓＡＴＣＣ１３０４８、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（ＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋｉｉＡＴＣＣ２５７５２、ＡＴＣＣ１７７９５等）等が挙げられる。
これらの嫌気性微生物は一般的には先ず好気的条件あるいは嫌気的条件で培養されるが、本発明者らは、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ことより、最初好気的条件による培養、ついで嫌気的条件による培養が好ましいことを見出した。この意味では嫌気性微生物の内、偏性嫌気性微生物（好気条件では生存できない嫌気性微生物）より通性嫌気性微生物（好気条件でも嫌気条件でも生存できる嫌気性微生物）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（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ）、エンテロバクターアエロギネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒａｅｒｏｇｅｎｅｓ）等が好適に使用される。
第１工程における好気的条件による培養は、炭素源、窒素源、無機塩等を含む通常の栄養培地を用いて行うことができる。培養には、炭素源として、例えばグルコース、廃糖蜜等を、そして窒素源としては、例えばアンモニア、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、硝酸アンモニウム、尿素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。また、無機塩として、例えばリン酸一水素カリウム、リン酸二水素カリウム、硫酸マグネシウム等を使用することができる。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、チアミン等の各種ビタミン等の栄養素を培地に適宜添加することもできる。
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。第１工程により得られる菌体は菌数は増加しているが、水素発生能力を有しない。
次に第２工程について、このように第１工程で培養された菌体は好ましくは培養液から一旦分離して回収し第２工程に使用される。好気的条件で増殖させた菌を水素発生の阻害になる成分（例えば、エタノール、酢酸、乳酸など）を含む培養液から菌体を分離することが好ましい。ただし、好気的条件で増殖させた菌体は水素発生能力を有しない。分離には例えば遠心分離、ろ過等が挙げられる。回収された菌体は、嫌気的条件で蟻酸類含有培養液（水素発生能力誘導培地）中に懸濁して培養して、菌体に水素発生能力を付与する。すなわち、水素発生能力が第２工程によって菌体に付与される。菌体細胞数が、通常少なくとも２倍以上に増加後回収するのが好ましい。ここに誘導培地に含ませる蟻酸類とは、蟻酸、蟻酸塩（例えば蟻酸ナトリウム）が挙げられ、培養液１Ｌあたり、一般に約１ｍＭ〜５０ｍＭ（ミリモル）含ませるのが好ましい。
本操作は嫌気的条件で使用微生物細胞内に蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼからなるユニット機能を誘導発現させることを目的にして実施される。このためには蟻酸類を含む培養液中で厳密な嫌気条件の管理の下に実施することが好ましい要件である。好ましい分裂増殖の程度、つまり、その細胞数が２倍以上程度増加していることが確認できればよい。この分裂増殖の程度は通常の菌体光学密度測定、例えば、ＢｅｃｋｍａｎＣｏｕｌｔｅｒ社製ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒＤＵ−８００による測定を行う事により容易に知ることができる。
蟻酸類含有培養液の誘導培地組成に関しては、用いる微生物菌体細胞が少なくとも１回程度分裂しうる条件が満足されることが好ましいが、菌体の分裂増殖は必ずしも必須ではなく、培養誘導により菌体に水素発生能力を付与することが必須である。さらに付言すれば、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼの誘導発現に必要な微量金属成分（用いる微生物種により必要な金属成分は異なるが鉄、モリブテン等が一般的である）を含むことが好ましい条件である。なお、この微量金属成分は通常微生物培養成分に用いられる天然栄養源（例えば酵母エキス、コーンスチープリカー、牛肉エキス、魚肉エキス等）に相当程度含まれることから必ずしも別途添加を必要としない場合もある。
微生物菌体細胞が分裂するには炭素源も必要な成分である。これにはグルコース等の糖類、有機酸、アルコール類が通常用いられる。この場合留意すべきは用いる微生物種によっては培養培地中に存在するグルコース等の炭素源により水素発生能力が抑制される所謂グルコース抑制効果が見られる場合があり、この場合には、用いる微生物菌体の一回程度の分裂に必要な量のグルコース等の炭素源を用いるのが好ましい。その量は当業者には容易に定めることができる。炭素源以外には窒素源（硫安、硝安、リン安等）や、リン、カリ等が必要に応じて添加される。
具体的には好気的培養で得られた菌体３０ｇ（グラム）（湿潤質量）程度までの量に対して例えば下記の組成からなる蟻酸類含有培養液（誘導培地組成）を用いて実施される。

なお、本発明において、％は特にことわりのない限り重量％である。
本第２工程の菌体に水素発生能力を付与する嫌気的条件の実現には公知の方法が用いられてもよい。例えば、硫酸還元微生物用の培養液調整方法（Ｐｆｅｎｎｉｇ，Ｎｅｔ．ａｌ．（１９８１）：Ｔｈｅｄｉｓｓｉｍｉｌａｔｏｒｙｓｕｌｆａｔｅ−ｒｅｄｕｃｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ，ＩｎＴｈｅＰｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ，ＡＨａｎｄｂｏｏｋｏｎＨａｂｉｔａｔｓ，ＩｓｏｌａｔｉｏｎａｎｄＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＢａｃｔｅｒｉａ，Ｅｄ．ｂｙＳｔａｒｒ，Ｍ．Ｐ．ｅｔ．ａｌ．Ｐ．９２６−９４０，Ｂｅｒｌｉｎ，ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ．や「農芸化学実験書第三巻、京都大学農学部農芸化学教室編、１９９０年第２６刷、産業図書（株）出版」などが参考として、所望する嫌気的条件の水溶液を得ることもできる。
具体的には培養に使用する前に、誘導培地用水溶液を減圧処理することにより溶解ガスを除去することが好ましい。より具体的には、約１３．３３×１０^２Ｐａ以下、好ましくは約６．６７×１０^２Ｐａ以下、より好ましくは約４．００×１０^２Ｐａ以下の減圧下で約１〜６０分程度、好ましくは５〜６０分程度、誘導培地を処理する事により、溶解ガス、特に溶解酸素を除去し、嫌気状態の誘導培地を調製することができる。減圧処理の間に、所望により加熱処理してもよい。加熱温度は通常約８０℃〜１５０℃程度である。このような処理は酸素を除去するので、嫌気的条件を作るのに有用である。
また、所望により適切な還元剤（例えば、チオグリコール酸、アスコルビン酸、システイン塩酸塩、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）を水溶液（例えば第１表の水溶液）に添加して嫌気的条件の第２工程の培養液として使用される水溶液を調整することができる。また、場合により、これらの方法を適宜組み合わせることも有効な嫌気状態の水溶液を調整する方法となる。
誘導培地の嫌気状態は簡便にはレサズリン指示薬（青色から無色への脱色）である程度推定できるが、酸化還元電位差計（例えば、ＢＲＯＡＤＬＥＹＪＡＭＥＳ社製、ＯＲＰＥｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）で測定される酸化還元電位で特定される。嫌気状態が維持されている誘導培地の酸化還元電位は、好ましくは約−２００ｍＶ〜−５００ｍＶ、より好ましくは約−２５０ｍＶ〜−５００ｍＶである。
反応途中における嫌気状態の維持は、反応系外からの酸素の混入を可能な限り防止することが望ましく、反応系を窒素ガス等の不活性ガスや炭酸ガス等で封入する方法が通常用いられる。
酵素蛋白ユニット機能発現の際には、菌体内の代謝機能を効率よく機能させるために反応系のｐＨ維持調整液の添加や各種栄養素溶解液を適宜添加する必要が生じる場合もあるが、このような場合には機能発現阻害となる酸素混入を防止するため、添加溶液から酸素を予め除去しておくことが有効である。
本工程において菌体数が２倍以上に分裂増殖するに要する時間および温度、すなわち、目的とする酵素蛋白ユニット機能発現に要する時間および温度は０．５時間〜２４時間、２５℃〜４０℃の条件で実施することができる。菌体培養時の培養液のｐＨは通常約５．０〜９．０である。
このようにして目的とする機能を有する菌体の回収する方法としては、特に限定されないが、例えば遠心分離や膜分離等の公知の方法を用いることができる。
ついで第３工程について、上記の如くして回収分離された水素発生能力を有する菌体は還元状態にある水素発生用溶液に加えられ、連続的にあるいは間歇的に有機性基質が生物的水素製造方法に供せられる。有機性基質は連続的に供給するのが好ましいが、間歇的に供給する場合には水素発生に充分な量が反応系に存在していることが必要である。なお、回収された菌体の使用形態としては、何らの処理も加えずに使用する事もでき、また、回収菌体をアクリルアミドまたはカラギーナン等で固定化処理したものも使用することができる。
なお、菌体の回収分離に関して、好気的条件で培養された菌体をそのまま還元状態下での水素発生に使用するのではなく、本発明の如く、好気的培養されさらに嫌気的培養され、菌体が水素発生ユニット機能を獲得した後に一度分離回収し、これを水素発生用溶液に加え還元状態で水素を発生させることは本発明の方法の効果を発揮する上で好ましい。
水素発生用溶液としては前記第２工程で使用した誘導培地溶液組成と同一又は類似したものが使用されるが、水素発生が激しいので消泡剤（市販の消泡剤、例えばシリコーン系消泡剤、ポリエーテル系消泡剤等）を使用することが推奨される。
菌体濃度は約０．１％（ｗ／ｗ）乃至８０％（ｗ／ｗ）（湿潤状態菌体質量基準）、好ましくは約５％（ｗ／ｗ）乃至７０％（ｗ／ｗ）（湿潤状態菌体質量基準）、さらにこのましくは約１０％（ｗ／ｗ）乃至７０％（ｗ／ｗ）（湿潤状態菌体質量基準）で使用される。
水素発生用液の組成に関しては、前記第２工程の水素発生能力誘導培地組成と同様の培地が用いられる。還元剤を使用してもよいことは第２工程と同様である。ただし、菌体の増殖は起こさないので菌体の増殖に必要な量の糖質は、通常は液組成に含まれない。この場合には菌を実質的に増殖させないのが重要なポイントであるから、培地中に菌の増殖に用いられるグルコース等の炭素源は不要である。炭素源は用いられることがあっても微生物細胞の水素発生能力維持にのみ必要なだけの量でよい（なぜならば、本発明は実質的に増殖を停止した細胞による生物的水素製造方法であることによる）。
具体的には、水素発生用溶液は、菌体８００ｇ（グラム）（湿潤質量）程度までの量に対して通常下記の組成からなる水素発生用溶液を用いて実施される。

水素発生用溶液の還元状態の実現は、前記蟻酸類含有培養液の嫌気的条件の実現方法に準じて行うことができる。水素発生用溶液の還元状態の特定は、その酸化還元電位が約−１００ｍＶ〜−５００ｍＶ、より好ましくは−２００ｍＶ〜−５００ｍＶである。
蟻酸類は、第３工程では第２工程における蛋白機能ユニットの誘導発現に必要である蟻酸類としてではなく、水素発生原料に必要な有機性基質として供給される。連続的にまたは間歇的に水素発生用溶液に供給される有機性基質である蟻酸類は培養液内の菌体内代謝でおこる経路において蟻酸に変換される化合物（例えばグルコース、フラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖類、スクロース、マルトース等の二糖類や糖蜜等）であってもよく、また、直接的に外部より供給される蟻酸や蟻酸塩（例えば蟻酸ソーダ、蟻酸カリウム）であってもよい。蟻酸に変じうる化合物を使用する間接的供給方法と直接的供給方法の併用もできるが、外部からの直接的供給方法が好適である。水素発生用溶液に連続的にまたは間歇的に供給される有機性基質の量と速度は溶液のｐＨが約５．０〜９．０の範囲で制御されている限り特に制限はない。
水素発生反応は約２０℃〜４０℃、好ましくは約３０℃〜４０℃の条件で実施される。
水素発生反応が行われる水素発生容器は従来公知のものであってよい。
本発明の方法により、顕著に高い水素発生速度（ＳＴＹ）および有機性基質の供給と水素発生の迅速な応答の実現が可能となり、燃料電池用水素供給方式として優れた技術を提供することができる。

以下、実施例でもって本発明を説明するが、本発明はこのような実施例に限定されるものではない。

エシェリキアコリ株（ＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉＷｓｔｒａｉｎ；ＡＴＣＣ９６３７）による生物的水素製造方法。
本菌株を下記第３表で示される組成の培養液５００ｍｌに加え、好気的条件下、３７℃で一晩振盪培養を行った。

ついで、好気的培養に起因する影響を除去するため本培養液を遠心分離機にかけ（５０００回転、１５分）、菌体を培養液から分離して得られた菌体を、前記第１表で示される組成の嫌気的条件下にある酵素蛋白ユニット機能発現の為の誘導培地６Ｌ（リットル）に懸濁した。
誘導培地溶液は、予め、１２０℃で１０分間加熱後、直ちに減圧条件（〜約４．００×１０^２Ｐａ）にて２０分間溶解している酸素の除去を行い、窒素雰囲気下にある攪拌装置、温度維持装置および酸化還元電位測定装置を備えた内容積１０Ｌ（リットル）のガラス製容器に導入されている。
なお、誘導培地の嫌気度の定性的な確認はレサズリン指示薬の色調変化（青色から無色への変化）で調べた。
窒素ガス雰囲気下、攪拌を行いながら嫌気条件下３０℃で２時間、菌体内での酵素蛋白ユニット機能の誘導発現培養を行った。誘導培養中、培養液の酸化還元電位は−４００ｍＶ近傍で推移して維持されていた。また、誘導培養液中の菌体濃度は、ＢｅｃｋｍａｎＣｏｕｌｔｅｒ社製ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒＤＵ−８００で測定すると、初期の菌体光学密度（ＯＤ_６１０）１．５から最終的には３．７に増大していた。このようにして得られた誘導培養液約６５００ｇを遠心分離機にかけ（５０００回転、１２分間）、菌体を回収した。
次に、回収された菌体を前記第２表の組成で示される還元状態下の水素発生用溶液５０ｍｌに懸濁調製した（菌体濃度約４０％湿潤状態菌体質量基準）。
内容積２００ｍｌの水素発生用反応容器は、蟻酸供給ノズル、攪拌装置、ｐＨ調整装置、温度維持装置および酸化還元電位測定装置を備え付け、３７℃に設定されている恒温水槽内に固定されている。
５Ｍ（モル）／Ｌ（リットル）濃度の蟻酸水溶液をマイクロポンプを用いて１６ｍｌ／ｈｒのフィード速度で連続的に反応容器に供給して発生するガス量を測定した。
系のｐＨはリン酸バッファ剤により６．５近傍に制御されており、また系の酸化還元電位は水素発生反応初期の−２００ｍＶ付近から急速に低下し−３９０ｍＶ近傍で維持されていた。
蟻酸の供給と同時にガス発生が起こり、蟻酸の連続的供給の間（実験時間約６時間の間）ガス発生が継続した。
ガス流量計より測定されたガス発生速度は、ほぼ一定の平均速度９２ｍｌ／ｍｉｎ．（分）であり、捕集されたガスをガスクロマトグラフィーにより分析したところ、発生ガス中には４９％の水素と残余の炭酸ガスを含んでいた。
従って、水素発生速度は５４Ｌ（Ｈ_２）／ｈｒ／Ｌ（反応容積）である。
この水素発生速度は家庭用分散設置型の１ＫＷ容量燃料電池を必要なときに直ちに稼動することができる能力を有するものである。

本発明によれば、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を使用することにより、顕著に高い水素発生速度（ＳＴＹ）でもって燃料電池用として有用な水素を供給することができ、高効率な生物的水素製造方法の提供が可能となる。

Claims

蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養し、そこで得られた菌体を水素発生のために用いることを特徴とする高効率な微生物的水素製造方法。
蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養して菌体細胞数が少なくとも２倍以上に増加後、そこで得られた菌体を水素発生のために用いることを特徴とする高効率な微生物的水素製造方法。
請求の範囲第１項、第２項のいずれかに記載の方法にて得られた菌体を還元状態にある水素発生用溶液に加え、該溶液に有機性基質を供給して、水素を発生させることを特徴とする高効率な生物的水素製造方法。
請求の範囲第１項、第２項のいずれかに記載の方法にて得られた菌体を回収し、回収された菌体を還元状態にある水素発生用溶液に加え、該溶液に連続的に有機性基質を供給して、水素を発生させることを特徴とする高効率な生物的水素製造方法。
上記蟻酸類含有培養液の酸化還元電位が嫌気的条件で培養中、−２００ミリボルト乃至−５００ミリボルトの範囲に維持されることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の高効率な生物的水素製造方法。
上記還元状態にある水素発生用溶液の酸化還元電位が、−１００ミリボルト乃至−５００ミリボルトの範囲であることを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の高効率な生物的水素製造方法。
上記有機性基質が蟻酸、蟻酸塩または菌体内代謝により蟻酸に変換しうる化合物であることを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の高効率な生物的水素製造方法。
上記還元状態にある水素発生用溶液の菌体濃度が０．１％（ｗ／ｗ）乃至８０％（ｗ／ｗ）（湿潤状態菌体質量基準）であることを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の高効率な生物的水素製造方法。
上記水素発生用溶液のｐＨを５．０〜９．０に保持し、有機性基質を連続的に供給することを特徴とする請求の範囲第３項〜第８項に記載の高効率な生物的水素製造方法。
請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の方法で製造される水素の燃料電池用燃料としての使用。
蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物を好気的条件で培養し、得られた菌体を嫌気的条件で蟻酸類含有培養液中で培養して菌体細胞数が少なくとも２倍以上に増加後回収されてなる、高効率な生物的水素発生能力を有する微生物。