KR20110008015A

KR20110008015A - 미생물 연료 전지

Info

Publication number: KR20110008015A
Application number: KR1020107020836A
Authority: KR
Inventors: 가즈히토 하시모토; 류헤이 나카무라; 후미요시 가이; 가즈야 와타나베; 소이치로 가토
Original assignee: 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2011-01-25
Also published as: JPWO2009119846A1; JP5622237B2; CN102204002A; KR101426985B1; EP2270915B1; US20110236725A1; CN102204002B; WO2009119846A1; EP2270915A4; EP2270915A1; US8852765B2

Abstract

메디에이터를 사용하지 않고서 전류 밀도를 증가시킬 수 있는 미생물 연료 전지를 제공한다. 미생물 연료 전지 (1) 는, 도전성 미립자 (2) 와 미생물 (3) 에 의해 형성한 3 차원 구조로 이루어지는 응집체 (4) 를 갖는다. 응집체 (4) 는, 도전성 미립자 (2) 가 쉬와넬라 (3) 끼리의 사이에 분산됨과 함께, 도전성 미립자 (2) 끼리도 서로 연결되어 쉬와넬라 (3) 를 유지하고, 전체적으로 3 차원 구조를 형성하고 있다. 이것에 의해, 쉬와넬라 (3) 는, 전극 (103) 의 표면 상의 쉬와넬라 (3a) 와, 전극 (103) 의 표면으로부터 수직 방향으로 떨어진 위치에 있는 쉬와넬라 (3b) 까지도 도전성 미립자 (2) 에 의해 유지할 수 있으므로, 보다 많은 쉬와넬라 (3) 에 전자 전달시킬 수 있다.

Description

미생물 연료 전지{MICROBIAL FUEL CELL}

본 발명은, 미생물 연료 전지에 관한 것이다.

미생물 연료 전지는, 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 전기적으로 접속하는 외부 회로와, 상기 한 쌍의 전극을 분리하는 격막을 구비하고, 일방의 전극측에는 쉬와넬라 (Shewanella) 등의 세포외 전자 전달능을 갖는 미생물이 유지되어 있다. 여기서, 세포외 전자 전달능이란, 금속 이온이나 그 산화물을 전자 수용체로서 이용하여, 이들을 환원시킴으로써 생명 활동에 필요한 전기 에너지를 획득하는 한편, 상기 전자 수용체에 대하여 전자를 전달하는 능력을 말한다 (비특허문헌 1). 이러한 세포외 전자 전달능은, 미생물로서의 일부 세균에서 확인된다. 즉, 세포막에 국재화 (局在化) 된 시토크롬을 통해서 체외로 전자를 방출한다는 특유의 전자 전달 기구가, 쉬와넬라 로이히카 (Shewanella loihica), 및, 쉬와넬라 오네이덴시스 (Shewanella oneidensis) 와 같은 쉬와넬라 속(屬) (이하, 간단히 「쉬와넬라」라고 한다), 지오박터 (Geobacter) 속, 로도페락스 (Rhodoferax) 속, 슈도모나스 (Pseudomonas) 속 등, 일부의 세균에서 인정된다 (비특허문헌 2, 3, 4).

상기한 바와 같이 구성된 미생물 연료 전지는, 미생물이 상기 일방의 전극에 전자를 전달함으로써 전기 에너지를 생산하는 디바이스이다. 전기 에너지를 생산하기 위한 연료에는 재생 가능한 바이오매스나 생활 배수 등에 함유되는 유기 오염 물질을 사용할 수 있다는 점에서, 지속 가능한 에너지원으로서 최근 주목받고 있다. 또한, 금속 원소를 환원, 고정시키는 능력을 갖는 미생물도 있어, 배수의 처리나 환경 정화의 수단으로서도 주목받고 있다. 미생물 연료 전지에는 단일 미생물을 사용하는 계 (係) 와, 배수 등에 생식하는 미생물군을 그대로 쓰는 혼합 배양계 (예를 들어, 특허문헌 1) 의 2 가지로 크게 나눠지는데, 쉬와넬라는 전자의 계에서는 가장 널리 사용되고 있는 미생물이다.

일본 공개특허공보 2006-81963호

Lovley D. R. ; Nat. Rev. Microbiol., 2006, 4, 497-508 Gralnick, J. A. ; Newman, D. K. ; Molecul. Microbiol. 2007, 65, 1-11 Hernandez, M. E. ; Newman, D. K. ; Cell. Mol. Life Sci. 2001, 58, 1562-1571 일본 미생물 생태학회지 (2008) 23권 2호 P58

그러나, 상기 특허문헌 1 등의 종래의 미생물 연료 전지에서는, 기존의 백금을 촉매에 사용한 화학 연료 전지와 비교하여 전류 밀도가 매우 낮은 것이 문제가 되어 실용의 단계로부터는 아직 멀다, 라는 것이 현실이다. 최근 몇 년 전류 밀도는 계속해서 향상되고 있지만, 수소 연료 전지 등의 화학 연료 전지와 비교하면, 적어도 앞으로 몇 자릿수 정도 더 전류 밀도를 향상시키지 않으면 실용의 단계까지 나아갈 수는 없다. 전류 밀도를 증대시키기 위해서, 전자를 전달하는 메디에이터의 첨가도 검토되고 있으며, 첨가되는 메디에이터는 anthraquinore-2,6-disulphonate (AQDS) 등의 퀴논 유도체 등이 알려져 있는데, 메디에이터 자체가 고가이고, 유해한 것도 많으며, 또한 미생물 연료 전지 전체의 대형화를 초래한다는 문제가 있다.

그래서 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여, 메디에이터를 사용하지 않고서 전류 밀도를 증가시킬 수 있는 미생물 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1 에 관련된 발명은, 한 쌍의 전극과, 상기 한 쌍의 전극을 전기적으로 접속하는 외부 회로를 구비한 미생물 연료 전지에 있어서, 상기 전극의 일방인 부극 (負極) 상에, 도전성 미립자와 세포외 전자 전달능을 갖는 미생물을 함유하는 용액 중에서 3 차원 구조로 이루어지는 응집체가 형성되고, 상기 도전성 미립자는 상기 미생물로부터 상기 부극으로 전자를 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 2 에 관련된 발명은, 상기 도전성 미립자가 상기 미생물끼리의 사이에 분산됨과 함께, 상기 도전성 미립자끼리도 서로 연결되어 상기 미생물을 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 3 에 관련된 발명은, 상기 도전성 미립자가 산화철을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 4 에 관련된 발명은, 상기 도전성 미립자가,

-Fe₂O₃,

-FeOOH, γ-Fe₂O₃, ε-Fe₂O₃, 또는 Fe₃O₄를 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 5 에 관련된 발명은, 상기 도전성 미립자가 황화철을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 6 에 관련된 발명은, 상기 도전성 미립자가, 철 이온과 황화물 이온이 존재하는 환경하에서 미생물의 생합성에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 7 에 관련된 발명은, 상기 도전성 미립자가 산화망간을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 8 에 관련된 발명은, 상기 미생물이 금속 환원균인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 9 에 관련된 발명은, 금속 환원균이, 쉬와넬라 속, 지오박터 속, 로도페락스 속, 또는 슈도모나스 속의 세균을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 10 에 관련된 발명은, 금속 환원균이, 쉬와넬라 로이히카, 또는, 쉬와넬라 오네이덴시스를 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 미생물 연료 전지에 의하면, 도전성 미립자에 의한 네트워크가 미생물로부터 전극으로 전자를 전달시킴으로써 전극으로부터 멀리 떨어져 부유하는 미생물로부터도 전자를 전극으로 전달시킬 수 있기 때문에, 전류 밀도를 증가시킬 수 있다.

도 1 은 전기 화학 셀 중의 초기 미생물 농도 (OD₆₀₀) 와 정상 전류치의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 전극 상의 미생물의 위치 관계를 나타내는 개념도로, (a) 종래의 전극 상에서의 미생물, (b) 미생물과 도전성 미립자에 의해 형성되는 3 차원 구조로 이루어지는 응집체의 모식도이다.
도 3 은 실시예에 관련된 전기 화학 셀의 구성을 나타내는 도면으로, (a) 사시도, (b) 단면도이다.
도 4 는 실시예 1 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 생성치를 나타내는 그래프이다.
도 5 는

-Fe₂O₃ 미립자 수용액 첨가 후 28 시간의 SEM 이미지로, (a) 전극 근방의 모습을 나타내는 도면, (b) 응집체의 확대도이다.
도 6 은 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 CV 곡선이다.
도 7 은 실시예 1 에 있어서의 백색광 조사 효과를 나타내는 도면으로, (a) 광 조사시의 전류 변화, (b) 광전류의 크기이다.
도 8 은 실시예 2 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 생성치를 나타내는 그래프이다.
도 9 는 실시예 3 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 생성치를 나타내는 그래프이다.
도 10 은 실시예 4 에 있어서 침전물의 사진과 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11 은 실시예 4 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 생성치를 나타내는 그래프이다.
도 12 는 실시예 5 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 13 은 실시예 6 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 14 는 실시예 7 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 실시예 8 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 16 은 실시예 9 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 17 은 실시예 10 에 있어서 전기 화학 셀을 사용하여 측정한 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 미생물은 세포막에 국재화된 시토크롬을 통해서 체외로 전자를 방출하는 세포외 전자 전달능을 갖는다. 전자가 외부 전극으로 이동함으로써 전류를 생성한다. 본 발명은 이 미생물이 갖는 성질을 이용한 미생물 연료 전지를 제공하는 것이다.

미생물 연료 전지에서 전류 생성을 결정하는 인자는 다양하지만, 전극의 비표면적이나 장치 스케일, 전극 재료의 선택은 화학 전지에서도 공통의 인자인 데 반하여, 미생물로부터 전극으로의 전자 이동은 미생물 연료 전지에서 특유하기 때문에 그 중에서도 가장 중요하다. 그럼에도 불구하고, 미생물로부터 전극으로의 전자 이동 반응 기구에 관해서 연구하고, 그것을 전류 밀도의 증대로 연결시킨 연구 보고의 예는 거의 전무하다. 그 이유로서, 전류 생성을 행하는 살아 있는 미생물의 전극 반응을 전기 화학적으로 연구하기에 적합한 계 (系) 가 알려져 있지 않았던 것을 들 수 있다. 본 발명자는 그 점에 주목하여 전기 화학적 연구를 실시함으로써 본 발명을 이루었다.

한편, 이하의 설명에서는, 미생물의 일종인 쉬와넬라를 예로 들어 나타낸다. 쉬와넬라는 세포막에 국재화된 시토크롬을 통해서 전극에 직접 전자를 전달하는 세포외 전자 전달능을 갖는다. 또한 쉬와넬라는 금속 이온과 불용성 금속 산화물을 환원하는 능력을 갖는다 (금속 환원균).

도 1 에 쉬와넬라의 농도와 정상 전류치의 관계를 나타낸다. 쉬와넬라의 농도는 OD 법이라고 불리는 광의 투과량으로 측정하였다. 한편, OD (600 ㎚) 는, 미생물의 현탁액을 광로길이 1 ㎝ 의 셀에 넣고, 그 때의 600 ㎚ 의 광의 강도를 가리킨다. 여기서, OD = 1.0 일 때, 미생물의 개수는 10⁸ 개/㎖ 가 기준이 된다. 이 도 1 에서 분명한 바와 같이, 정상 전류치는 쉬와넬라의 농도와 무관계하다는 것을 알 수 있었다. 발생하는 전류는 미생물의 양이 아니라, 전극 근방에 있는 미생물의 양에 관계하는 것을 알 수 있었다.

이 쉬와넬라를 사용한 미생물 연료 전지에 관해서 검토를 행한 결과, 전극의 표면 근방의 쉬와넬라에 있어서만 전자 전달이 이루어지고, 전극으로부터 멀리 떨어져 부유하고 있는 쉬와넬라에서는 전자 전달이 거의 이루어지지 않아 전류 생성에 기여하고 있지 않은 것이, 전류 밀도를 크게 취할 수 없는 원인이라는 것을 알아내었다.

즉, 도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 종래의 미생물 연료 전지 (100) 의 전극 (103) 에서, 전자 전달을 행하고 있는 것은 전극 (103) 근방의 쉬와넬라 (302) 만으로, 전극 (103) 으로부터 멀리 떨어져 부유하는 쉬와넬라 (301) 는 전자 전달을 거의 행하고 있지 않다. 따라서, 전극 (103) 으로부터 멀리 떨어져 부유하는 쉬와넬라 (301) 에 전자 전달을 확실하게 실행시킬 수 있으면, 미생물 연료 전지 (100) 의 전류 밀도를 종래와 비교하여 현격하게 증가시킬 수 있는 것으로 생각된다.

그래서 본 발명자는, 쉬와넬라가 도전성 미립자와 용액 중에서 특이적으로 흡착, 응집하여 3 차원 구조의 응집체를 형성하는 것, 그리고 응집체 내의 도전성 미립자에 의한 네트워크가 쉬와넬라로부터 전극으로 전자를 전달시킴으로써, 전극으로부터 멀리 떨어져 부유하는 쉬와넬라로부터도 전자를 전극으로 전달할 수 있는 기능을 갖는 것을 알아내었다. 여기서 응집체는, 미생물로서의 쉬와넬라와 도전성 미립자를 구비하고, 쉬와넬라가 도전성 미립자와 특이적으로 흡착된 3 차원 구조의 상태를 말한다. 또한, 도전성 미립자는 여러 가지 것이 있을 수 있지만, 예를 들어 산화철, 산화망간, 및 황화철의 미립자를 들 수 있다.

본 실시형태에 관련된 미생물 연료 전지 (1) 에서는, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 전극 (103) 의 표면 상에 있어서, 도전성 미립자 (2) 와 쉬와넬라 (3) 에 의해 3 차원 구조의 응집체 (4) 가 형성된다. 이 응집체 (4) 는, 도전성 미립자 (2) 가 쉬와넬라 (3) 끼리의 사이에 분산됨과 함께, 도전성 미립자 (2) 끼리도 서로 연결되어 쉬와넬라 (3) 를 유지하여, 전체적으로 3 차원 구조를 형성하고 있다. 이것에 의해 쉬와넬라 (3) 는, 전극 (103) 의 표면 상의 쉬와넬라 (3a) 와, 전극 (103) 의 표면으로부터 수직 방향으로 떨어진 위치에 있는 쉬와넬라 (3b) 까지도 도전성 미립자 (2) 에 의해 유지할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 관련된 미생물 연료 전지 (1) 에서는 광범위, 특히 전극 (103) 의 표면으로부터 수직 방향으로 멀어지는 방향의 범위에 걸쳐 도전성 미립자 (2) 에 의해 쉬와넬라 (3) 를 유지하는 것을 가능케 했기 때문에, 보다 많은 쉬와넬라 (3) 에 전자를 전달시킬 수 있다. 또한, 도전성 미립자 (2) 에 의해서 쉬와넬라 (3) 를 유지하는 것으로 했기 때문에, 전극 (103) 으로부터 떨어진 위치로부터도 확실하게 전자 e^- 를 전극 (103) 에 전달시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 관련된 미생물 연료 전지 (1) 에서는, 전류 밀도를 비약적으로 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 산화철로 대표되는 도전성 미립자와 쉬와넬라가 3 차원 구조의 응집체를 형성하는 미생물 연료 전지에서는, 도전성 미립자가 존재하지 않는 종래의 미생물 연료 전지와 비교하여 쉬와넬라에 의한 전류 밀도를 비약적으로 증가시킬 수 있다. 여기서, 도전성 미립자란, 예를 들어, 금속 산화물을 들 수 있다. 금속 산화물로는, 예를 들어, 산화철, 및 산화망간을 사용할 수 있다. 이 경우, 산화철은,

-Fe₂O₃,

-FeOOH, γ-Fe₂O₃, ε-Fe₂O₃, 또는 Fe₃O₄를 적용할 수 있다.

그리고 도전성 미립자로서, 황화철을 사용할 수 있다. 이 경우, 황화철은, 철 이온과 황화물 이온이 존재하는 환경하에서 미생물의 철 이온과 황화물 이온의 환원 작용에 의한 생합성에 의해서 얻어진다.

또한, 도전성 미립자는, 전기적 특성의 관점에서는 반도체 및 금속을 들 수 있다. 한편, 상기한

-Fe₂O₃,

-FeOOH, γ-Fe₂O₃ 및 ε-Fe₂O₃ 은 반도체이다. 또한, Fe₃O₄ 및 산화망간은 금속이다.

본 발명에서 사용되는 미생물 연료 전지는, 쉬와넬라 사이, 또는 쉬와넬라 표면에 도전성 미립자로서의 금속 산화물, 예를 들어 나노 사이즈의 산화철 미립자가 존재하고, 전체적으로 3 차원 구조로 이루어지는 응집체를 형성하는 것을 특징으로 한다. 쉬와넬라 사이, 또는 쉬와넬라 표면에 금속 산화물이 있고 3 차원 구조로 이루어지는 응집체를 형성하는 미생물 연료 전지는, 쉬와넬라 사이, 또는 쉬와넬라 표면에 금속 산화물이 없고 3 차원 구조로 이루어지는 응집체가 없는 종래의 미생물 연료 전지와 비교하여 전류 생성치가 50 배 이상이 되어, 효율이 비약적으로 향상된다. 그리고, 본 발명의 미생물 연료 전지에서는, 종래 사용되고 있는 예를 들어 퀴논 유도체로 이루어지는 메디에이터 등이 불필요해지기 때문에, 저렴하고 안정성이 높은 연료 전지를 얻을 수 있다.

전류 밀도가 증대하는 메카니즘으로는,

-Fe₂O₃ 미립자의 첨가에 의해

(i) 개개의 쉬와넬라로부터의 전류 생성이 증대하였다,

(ii) 전극으로의 쉬와넬라의 이동, 확산이 촉진되었다,

(iii) 자발적으로 응집한

-Fe₂O₃ 미립자가 장거리 전자 전달 재료로서 기능한다.

라는 3 가지 가능성이 생각된다. (i) 에 관해서는, 동일한

-Fe₂O₃ 미립자가 존재하는 경우라도

-Fe₂O₃/쉬와넬라의 3 차원 응집 구조가 형성되지 않은 α-Fe₂O₃ 박막 전극 상에서의 전류 생성치는,

-Fe₂O₃ 미립자를 용액 중의 미생물 및 미립자를 현탁시키는 셀에 첨가하였을 때와 비교하여 훨씬 작았다. 이것은 관측된 비약적인 전류 밀도의 증대는 쉬와넬라로부터의 전류 생성이 증대되었다는 것만으로는 설명할 수 없음을 나타내고 있다.

또한, (ii) 에 관해서는, 부극으로서의 ITO 전극으로의 쉬와넬라의 이동이나 확산이

-Fe₂O₃ 미립자의 첨가에 의해 촉진된 가능성에 관해서는, 전류 측정 후의 ITO (Indium Tin Oxide ; 산화인듐주석) 전극의 모습으로부터

-Fe₂O₃ 미립자 존재하인 쪽이 쉬와넬라가 ITO 전극 상에 강고하고 두꺼운 바이오 필름을 형성하는 것이 관찰되고 있다. 이것으로부터, ITO 전극으로의 쉬와넬라의 이동이

-Fe₂O₃ 미립자 존재하에서는 촉진된다고 하는 가능성은 거의 없다고 말할 수 있다. 한편, 부극은, 쉬와넬라의 대사를 촉매 과정으로서 이용하여, 연료를 소비하고, 쉬와넬라의 대사 폐기물로서 방출된 전자 e^- 를 전달함으로써 전기 에너지를 꺼낼 수 있도록 구성되어 있다. 또한, ITO 전극은 일반적으로, 가시광의 투과율이 높고 도전성을 갖기 때문에, 투명 전극으로서 사용된다.

이상에 근거하면, 본 연구에서 알아낸 전류 생성치의 비약적인 증대는, (iii) 외부의 힘을 빌리지 않고서 자발적으로 응집한

-Fe₂O₃ 미립자가 장거리 전자 전달 재료로서 기능함으로써 전류 생성에 기여하는 쉬와넬라 수가 증가하였기 때문이라고 말할 수 있다.

-Fe₂O₃ 에 관해서 서술하였지만

-FeOOH, γ-Fe₂O₃, ε-Fe₂O₃, 및 Fe₃O₄ 등의 산화철도 동일한 장거리 전자 전달 재료로서의 효과가 얻어진다.

황화철의 경우에는 산화철과 같은 장거리 전자 전달 재료의 효과가 얻어진다. 철 이온과 황화물 이온이 존재하는 환경하에 있어서는 이온상태일 때에 메디에이터로서 작용하고, 황화철이 되면 산화철과 같은 장거리 전자 전달 재료의 작용을 한다. 자연계에는 철 이온과 황화물 이온이 널리 존재하지만, 철 이온과 황화물 이온만으로는 황화철을 생성하지 않는다. 금속 환원능을 갖는 미생물인 세균 (금속 환원균) 은 용이하게 철 이온과 황화물 이온으로부터 황화철을 생성할 수 있다. 생성된 황화철은 산화철과 마찬가지로 장거리 전자 전달 재료로서 기능한다. 또한, 황화철을 합성하는 것은 용이하지 않고, 황화철을 미생물에 첨가하는 것보다 철 이온과 황화물 이온을 첨가하여, 미생물이 황화철을 합성하는 쪽이 공업적으로는 용이하다.

산화망간의 경우에는 앞서 서술한 장거리 전자 전달 재료의 효과에 추가하여, 일부 녹기 시작한 Mn²⁺ 이온이 메디에이터의 작용을 하여, 전류 생성 기능을 향상시킨다.

본 발명은 본 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지 범위 내에서 여러 가지 변형 실시가 가능하다. 예를 들어 상기한 실시형태에서는 미생물인 세균의 예로서 쉬와넬라를 사용한 경우에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 별도의 미생물, 예를 들어, 쉬와넬라와 같은 금속 환원능을 갖는 세균 (금속 환원균) 인 지오박터 등, 또는 믹스 컬쳐라고 불리우는 종류를 특정할 수 없는 혼합 바이오계나, 논 토양 중에 생식하는 것이어도 상관없다. 특히 세포외 전자 기능을 갖는 지오박터 (문헌: Moleculer Microbiology (2007) 65 (1), 12-20) 또는 로도페락스 속 또는 슈도모나스 속 (문헌: 일본 미생물 생태학회지 (2008) 23권 2호 P58) 등의 미생물에 효과가 있다.

실시예

다음으로 본 발명의 실시예에 관해서 설명한다. 한편, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다. 또, 이하에 설명하는 실시예에 있어서 사용한 쉬와넬라 로이히카 PV-4, 및 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1 은 ATCC (American Type Culture Collection) 로부터 구입하였다. 이 중, 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 카탈로그 번호 (2008년도판) 는 BAA-1088, 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1 의 카탈로그 번호 (2008년도판) 는 BAA-1096 이다.

(실시예 1)

금속 산화물로서

-Fe₂O₃ 미립자를 사용하였다.

-Fe₂O₃ 미립자 수용액은 FeCl₃ 용액을 끓는 순수 (純水) 에 적하하여, 제조하였다. 미생물로서 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 사용하였다.

전기 화학 측정에는, 도 3 에 나타내는 전기 화학 셀 (9) 을 사용하였다. 전기 화학 셀 (9) 은, 부극으로서의 작용극 (10) 과, 정극 (正極) 으로서의 반대극 (11) 과, 참조극 (12) 과, 반응조 (13) 를 구비하고, 작용극 (10) 과 반대극 (11) 및 참조극 (12) 은 외부 회로로서의 퍼텐시오스탯 (potentiostat: 16) 에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 이 전기 화학 셀 (9) 은, 실리콘 고무제의 시트 (17) 를 사이에 두고, 유리판 (14) 에 유지되어 있다.

쉬와넬라 로이히카 PV-4 는 이하의 순서로 배양하였다. 한천 배지 (Marine Broth 20 gL^-1, Agar (한천) 15 gL^-1) 상에서 보존되어 있는 콜로니를 단리하여 50 ㎖ 원심관의 10 ㎖ 의 MB 배지 (Marine Broth 20 gL^-1) 에 현탁하고, 하룻밤에서 이틀밤 혐기 조건하에서 배양하였다. 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 현탁액 10 ㎖ 를 3500 rpm 으로 10 분 원심분리하여 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 침전시킨 후, 상청을 전부 버리고, 용액으로서의 전해질 10 ㎖ 로 치환하였다. 전해질은 DM-L (10 mM) 을 사용하였다. 또, 하룻밤 이상 진탕 배양한 후 전기 화학 측정에 사용하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다.

한편, DM 이란, Difined Media 의 약자로, 그 조성 (각 gL^-1) 은, NaHCO₃ 2.5, CaCl₂·2H₂O 0.08, NH₄Cl 1.0, MgCl₂·6H₂O 0.2, NaCl 10, 2-[4-(2-히드록시에틸)-1-파이퍼라지닐]에탄술포닉산 (HEPES, 완충 용액) 7.2 이다. 쉬와넬라 로이히카 PV-4 로의 전자 공여체로는 소디움 락테이트 (10 mM), 또한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 에 필요한 미량의 에너지를 생성시키기 위한 연료를 공급하기 위해서 이스트 추출물 (yeast extract) 을 0.5 gL^- ¹ 를 첨가하였다. 이하 락테이트가 들어 있는 DM 배지를 DM-L (10 mM) 등으로 기재하고, 괄호 안에는 락테이트 농도로 한다. 또한, DM-L 은 10 분 이상 N₂ 버블링하여 혐기 조건하로 한 것을 사용하였다.

전기 화학 측정용으로 배양한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 현탁액 5 ㎖ 를 3500 rpm, 10 분간 원심분리하여 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 침전시킨 후 상청을 전부 버리고, 0.2 ㎖ 의 DM-L (10 mM) 에서 재현탁시켜, 시린지에 채취한 것을 전기 화학 셀 (9) 의 실리콘 고무 마개 (15) 를 뚫고 주입하였다. 이어서,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 주입하였다. 한편, 전기 화학 셀 (9) 안에는, 미리 용액으로서의 전해질이 4.0 ㎖ 주입되어 있다. 전해질은 상기 DM-L (10 mM) 을 사용하였다.

본 실시예의 경우, 전기 화학 셀 (9) 은, 작용극 (10) 에는 ITO 전극 (전극 면적 2.0 ㎠), 반대극 (11) 에는 백금선, 참조극 (12) 에는 Ag|AgCl|KClsat. 전극을 사용하였다. Ag|AgCl|KClsat. 전극은, 은의 표면에 염화은의 층을 부착시켜 염화칼륨 수용액 중에 삽입한 전극이다.

전기 측정은 퍼텐시오스탯 HSV-100 (Hokuto Denko) 을 사용하였다. 작용극 (10) 의 전위는 참조극 (12) 에 대하여 +0.2V 로 고정하였다. 온도는 실온에서 실시하고, 전기 화학 셀 (9) 에는 광이 닿지 않도록 차광하였다.

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 셀 내 농도가 7.5 mM 이 되도록 주입한 것을 실시예 1 로 하였다.

-Fe₂O₃의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액의 셀 내 농도는, 상기한 바와 같이 7.5 mM 이다. 즉, 4 ㎖ 의 용액에 약 5 ㎎ 의

-Fe₂O₃ 을 넣은 것이 된다. 한편, OD (600 ㎚) 는, 미생물의 현탁액을 광로길이 1 ㎝ 의 셀에 넣고, 그 때의 600 ㎚ 의 광의 강도를 가리킨다.

또한, 실시예 1 에 대하여,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 주입하는 대신에, 시트르산철 (III) 을 첨가하여 비교예 1 로 하였다. 그 밖에는 실시예 1 과 동일하다.

그리고, 실시예 1 에 대하여,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 주입하는 대신에 아무것도 첨가하지 않은 것을 비교예 2 로 하였다. 그 밖에는 실시예 1 과 동일하게 하였다.

그 결과를 도 4 에 나타낸다. 도 4 중, (a) 는 실시예 1, (b) 는 비교예 1, (c) 는 비교예 2 의 결과이다. 실시예 1 에서 얻어진 전류 생성치는,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하지 않았을 때에 대하여 50 배 이상 비약적으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

한편, Fe³⁺ 이온을 DM-L (10 mM) 에 첨가한 비교예 1, 및 아무것도 첨가하지 않은 비교예 2 에서는,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하였을 때와 같은 전류 생성치의 증대는 관측되지 않았다.

또한 도 5 에

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하고 28 시간 경과한 후의 SEM 이미지를 나타낸다. 도전성 미립자 (2) 로서의

-Fe₂O₃ 미립자와 미생물 (3) 로서의 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 응집체 (4) 가, 3 차원 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있다.

-Fe₂O₃ 미립자는 쉬와넬라 로이히카 PV-4 가 존재하지 않는 장소에서는 관측되지 않으며, 또한

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하지 않았을 때에는 이러한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 함유하는 응집체 (4) 는 관측되지 않았다.

이들의 결과는,

-Fe₂O₃ 미립자와 쉬와넬라 로이히카 PV-4 가 강하게 결합하여, 3 차원 구조의 응집체 (4) 가 형성된 것을 나타내고 있다. 또 이상의 결과는, 실제로

-Fe₂O₃ 미립자가 쉬와넬라 로이히카 PV-4 와 자발적으로 응집체 (4) 를 형성하고, 장거리 전자 전달 재료로서 기능하고 있는 것을 나타내고 있다.

본 발명에서 알아낸 전류 밀도의 비약적인 증가는, 자발적으로 응집한

-Fe₂O₃ 미립자가 장거리 전자 전달 재료로서 기능함으로써 전류 생성에 기여하는 쉬와넬라 로이히카 PV-4 가 증가했기 때문이다. 이것은, 전류 측정 후에 실시한 산화 환원 전위 측정 (CV 측정) 의 결과로부터 알 수 있다 (도 6). 도 6 에 있어서의 (1) 은 비교예 1, (2) 는 실시예 1 의 결과이다. 이 결과로부터,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가 (실시예 1) 함으로써, 비교예 1 과 비교하여, 큰 피크 전류치가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 또 주변 온도는 30℃ 였다. 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 표면에 존재하는 시토크롬 C 에서 유래하는 산화 환원 전위의 증대는, 전류 생성에 관여하는 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 수가 증대하였음을 나타내고 있다. 이와 같이, 메디에이터의 첨가나 전극 표면적의 증가를 동반하지 않고서 전류 생성에 관여하는 미생물수를 증가시켜, 전류 생성치를 증대시키는 수법은, 지금까지 없었던 신규한 발명이다.

그리고, 장거리 전자 전달 재료로서의 기능, 즉,

-Fe₂O₃ 미립자가 서로 연결되어 n 형 반도체 특성에서 유래하는 전자를 장거리 이동시키는 경우의 경로 (이하, 이동 경로) 로서 기능하는 것을 확인하기 위해서, 광 조사에 대한 전류 생성치에 미치는 영향을 조사하였다. 즉, 광 조사를 멈추었을 때의 전류 생성치가 광을 조사하였을 때와 같은 정도의 크기인 경우, 이 경우의 전류 생성치는

-Fe₂O₃ 미립자의 두께에 기인하고 있다고 말할 수 있기 때문에, 이 전류 생성치를 측정함으로써,

-Fe₂O₃ 미립자가 이동 경로로서 기능하는 것을 확인하였다.

광 조사는

-Fe₂O₃ 을 첨가하였을 때의 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 전류 생성치의 백색광 조사 (430 ㎚ 이하의 파장을 커트) 에 의한 변화와, 광 조사하였을 때에 발생하는 전류 (이하, 「광전류」라고 한다) 의 값을 나타낸 것이 도 7 이다. 광전류의 값은 광 조사 중의 전류의 최고치로부터 광 조사 직전의 전류치의 차를 취한 것으로 하였다. 한편, 광을 쏘인 타이밍을 도 7(a) 중의 화살표로 나타내었다. 또한, 광을 쏘인 경우에 측정한 피크 전류를 플롯한 결과가 도 7(b) 이다.

쉬와넬라 로이히카 PV-4 에 의한 전류 생성이 증대되어 가는 과정에 있어서, 전류 생성치에 대응하여 광전류의 값이 커져 나가고, 전류 생성치가 극대가 된 후에는 증가가 멈추어져 있는 것을 알 수 있었다. 여기서,

-Fe₂O₃ 이 n 형 반도체 특성을 갖는 점에서, 광전류는,

-Fe₂O₃ 밴드간 천이에 의해서 가전자대의 전자가 전도대로 광 여기되고, 그 전자가 전극으로 이동함으로써 생긴다. 그 때문에 광전류는, 광 조사가 일정하면 ITO 전극과 도통된, 광을 흡수하는

-Fe₂O₃ 미립자층의 두께에 의해서 결정된다. 따라서, 이 결과는, 3 차원 구조체를 만듦으로써 전류 생성에 관여할 수 있는 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 수를 증대시키는 것 뿐만 아니라,

-Fe₂O₃ 미립자가 이동 경로로서 기능하는 것을 나타내고 있다. 한편, 광 여기란, 어떤 에너지 준위 내의 원자나 원자계의 수가 재료에 와닿는 광의 흡수에 의해서 변화하는 과정을 말한다.

(실시예 2)

상기 실시예 1 에 대하여, 전기 화학 셀 (9) 의 작용극 (10) 을 그라파이트 전극으로 하고, 그 밖의 구성 및 조건은 상기 실시예 1 과 동일하게 하였다 (실시예 2). 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다. 한편, 그라파이트 전극은, 탄소를 주성분으로 하는 분말 소결체로 구성되어 있다. 본 실시예에서는 광 조사를 실시하지 않기 때문에, ITO 전극이 아니라 그라파이트 전극을 사용하였다.

또한, 실시예 2 에 대하여,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 주입하는 대신에, 아무것도 첨가하지 않은 것을 비교예 3 으로 하였다. 그 밖에는 실시예 2 와 동일하게 하였다.

그 결과가 도 8 이다. 도 8 중, (a) 는 실시예 2, (b) 는 비교예 3 의 결과이다. 도 8 로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 과 동일하게 실시예 2 에서도 대폭적인 전류 생성치의 증대가 관찰되었다. 아무것도 첨가하지 않은 비교예 3 에서는,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하였을 때와 같은 전류 생성치의 증대는 관측되지 않았다. 이 결과로부터, 본 발명의 미생물 연료 전지 (1) 에서는, 작용극 (10) 에 그라파이트 전극을 사용하더라도, ITO 전극을 사용한 실시예 1 과 동일한 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

(실시예 3)

상기 실시예 1 에 대하여, 미생물로서 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1 을 사용하고, 그 밖의 구성 및 조건은 상기 실시예 1 과 동일하게 하였다 (실시예 3). 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다.

또한, 실시예 3 에 대하여,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 주입하는 대신에, 아무것도 첨가하지 않은 것을 비교예 4 로 하였다. 그 밖에는 실시예 3 와 동일하게 하였다.

그 결과가 도 9 이다. 도 9 중, (a) 는 실시예 3, (b) 는 비교예 4 의 결과이다. 도 9 로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 과 동일하게 실시예 3 에서도 대폭적인 전류 생성치의 증대가 관찰되었다. 아무것도 첨가하지 않은 비교예 4 에서는,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하였을 때와 같은 전류 생성치의 증대는 관측되지 않았다. 이 결과로부터, 본 발명의 미생물 연료 전지 (1) 에서는, 미생물로 쉬와넬라 오네이덴시스 MR-1 을 사용하더라도, 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 사용한 실시예 1 과 동일한 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

(실시예 4)

도전성 미립자로서 황화철 미립자를 사용한 경우의 실시예 (실시예 4) 에 관해서 설명한다. Fe³⁺ 와 S₂O₃ ^2- 이온이 존재하는 환경하에서 실시예 1 과 동일하게 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 배양을 하였다. Fe³⁺ 와 S₂O₃ ^2- 이온을 함유한 한천 배지 (Marine Broth 20 gL^-1, Agar (한천) 15 gL^-1) 상에서 보존되어 있는 콜로니를 하룻밤 혐기 조건하에서 배양하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다. 그 때, Fe³⁺는 Fe²⁺로 환원되고, S₂O₃ ^2-는 S^2-로 환원되어, FeS 가 생성된다. 황화철 미립자의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. 원심분리를 실시하여 도 3 에 나타내는 전기 화학 측정용 전기 화학 셀 (9) 의 실리콘 고무 마개 (15) 를 뚫고 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 현탁액을 주입하였다. 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0, 황화철 미립자 수용액의 전기 화학 셀 (9) 내 농도는 7.5 mM 이다.

그 결과 얻어진 침전물 (배양 후 20 일 뒤) 의 사진과 흡수 스펙트럼을 도 10 에 나타낸다. 도면 중 (a) 는 쉬와넬라 로이히카 PV-4 있음, (b) 는 쉬와넬라 로이히카 PV-4 없음의 결과이다. 쉬와넬라 로이히카 PV-4 가 존재할 때에는, 흑색 침전물의 생성이 확인되었다. 그 흡수 스펙트럼은 근적외 영역에까지 도달하는 점에서 황화철인 것을 확인하였다. 한편, 쉬와넬라 로이히카 PV-4 가 존재하지 않을 때에 관측된 600 ㎚ 까지의 흡수는 수산화철에서 유래한다.

그 결과 얻어진 황화철 미립자와 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 현탁액을 전기 화학 셀 (9) 내에 주입하였을 때의 전류-시간 곡선을 도 11 에 나타낸다. 도면 중 (a) 는 황화철 미립자 있음 (실시예 4), (b) 는 황화철 미립자 없음 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 5) 의 결과이다. 본 실시예에서는, 황화철 미립자가 존재하지 않는 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 5) 경우와 비교하여, 전류 생성치가 30 배 이상으로 비약적으로 향상하였다. 이 결과는, 상기 실시예 1 의

-Fe₂O₃ 과 동일한 효과가 황화철 미립자에 있어서도 나타나는 것을 개시하고 있다.

(실시예 5)

상기 실시예 1 에 대하여, 도전성 미립자로서 γ-Fe₂O₃ 미립자를 사용한 경우의 실시예 (실시예 5) 에 관해서 설명한다. γ-Fe₂O₃ 미립자를 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 수법으로 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 혐기 조건하에서 배양하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다. γ-Fe₂O₃ 미립자의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. γ-Fe₂O₃ 미립자를 순수에 녹여 얻은 γ-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 전기 화학 셀 (9) 내에 셀 내 농도가 7.5 mM 이 되도록 주입하였을 때의 전류 밀도-시간 곡선을 도 12 에 나타낸다. 한편, 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0, γ-Fe₂O₃ 미립자 수용액의 셀 내 농도는 상기한 바와 같이 7.5 mM 이다. 즉, 4 ㎖ 의 용액에 약 5 ㎎의 γ-Fe₂O₃ 미립자를 넣은 것이 된다. 도면 중 (a) 는 γ-Fe₂O₃ 미립자 있음 (실시예 5), (b) 는 γ-Fe₂O₃ 미립자 없음 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 6) 의 결과이다. 본 실시예에서는, γ-Fe₂O₃ 미립자가 존재하지 않는 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 6) 경우와 비교하여, 전류 밀도가 약 2 배 증가하였다.

한편, γ-Fe₂O₃ 미립자는 문헌 (Y. S. Kang, S. Risbud, J. F. Rabolt, P. Stroeve Chem. Mater., 1996, 8, 2209) 에 기재되어 있는 방법에 의해 제작하였다. 먼저, 몰비가 2 : 1 이 되도록 FeCl₃× 6H₂O (52 mM) 와 FeCl₂ × 4H₂O (26 mM) 를 질소 포화시킨 40 ㎖ 의 초순수에 녹인 후, 농염산 1.4 ㎖ 를 용액에 첨가하였다. 이것을 1.5 M 의 NaOH 용액 415 ㎖ 에 격렬하게 교반하면서 적하하였다. 적하에 의해 검은 침전이 생성되고, 이 상청을 버리고 수 회 초순수로 세정한 후, 다시 농염산을 첨가하여 용액을 중화시켜, Fe₃O₄의 용액을 얻었다. 상기에서 합성한 Fe₃O₄용액으로부터 Fe₃O₄를 침전시키고, 건조시켜, 분말로서 회수하였다. 이 분말을 250 ℃ 에서 3 시간 가열하여 γ-Fe₂O₃ 미립자를 얻었다.

(실시예 6)

상기 실시예 1 에 대하여, 도전성 미립자로서 ε-Fe₂O₃ 미립자를 사용한 경우의 실시예 (실시예 6) 에 관해서 설명한다. ε-Fe₂O₃ 미립자를 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 수법으로 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 혐기 조건하에서 배양하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다. ε-Fe₂O₃ 미립자의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. ε-Fe₂O₃ 미립자를 순수에 녹여 얻은 ε-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 전기 화학 셀 (9) 내에 셀 내 농도가 7.5 mM 이 되도록 주입하였을 때의 전류 밀도-시간 곡선을 도 13 에 나타낸다. 한편, 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0, ε-Fe₂O₃ 미립자 수용액의 전기 화학 셀 (9) 내 농도는 상기한 바와 같이 7.5 mM 이다. 즉, 4 ㎖ 의 용액에 약 5 ㎎ 의ε-Fe₂O₃ 미립자를 넣은 것이 된다. 도면 중 (a) 는 ε-Fe₂O₃ 미립자 있음 (실시예 6), (b) 는 ε-Fe₂O₃ 미립자 없음 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 7) 의 결과이다. 본 실시예에서는, ε-Fe₂O₃ 미립자가 존재하지 않는 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 7) 경우와 비교하여, 전류 밀도가 약 2 배 증가하였다.

한편, ε-Fe₂O₃ 미립자는 참고 문헌 (Journal of the Physical Society of Japan, Vol.74, No.7, July, 2005, pp.1946-1949) 에 의해서 제작하였다. 구체적으로는, 먼저 처음에 n-옥탄을 유상 (油相) 으로 하는 용액의 수상 (水相) 에 계면 활성제 (예를 들어 브롬화세틸트리메틸암모늄) 를 용해함으로써 미셀 용액을 제작한다. 이 미셀 용액에, 질산철 (III) 과 질산인듐 (III) 을 용해시키는 것과 함께, 이것에 형상 제어제로서 질산바륨을 첨가하여, 원료 용액을 제작한다. 또한, 원료 용액의 제작과는 별도로, n-옥탄을 유상으로 하는 용액의 수상에 계면 활성제 (예를 들어 브롬화세틸트리메틸암모늄) 를 용해한 미셀 용액에, 암모니아 수용액 등의 중화제를 혼합하여 중화제 용액을 제작한다.

이어서, 역(逆)미셀법에 의해서, 원료 용액과 중화제 용액을 교반 혼합함으로써 혼합 용액을 제작한다. 이 혼합 용액에 대하여, 실란 화합물로서 테트라에틸오르토실란의 용액을 적절히 첨가함으로써, 졸-겔법에 의해 수산화철계 화합물 입자의 표면에 실리카에 의한 피복을 실시하고, 실리카 피복 수산화철계 화합물 입자라고 부른다) 를 제작한다.

이어서, 실리카 피복 수산화철계 화합물 입자를 혼합 용액으로부터 분리하여, 대기 분위기하에서 소정의 온도 (700 ∼ 1300 ℃ 의 범위 내) 에서 소성 처리한다. 이 소성 처리에 의해, 실리카 피복 수산화철계 화합물 입자는 실리카 껍질 내부에서의 산화 반응에 의해, 미세한 ε-Fe₂O₃ 미립자가 생성된다.

(실시예 7)

상기 실시예 1 에 대하여, 도전성 미립자로서

-FeOOH 미립자를 사용한 경우의 실시예 (실시예 7) 에 관해서 설명한다.

-FeOOH 미립자를 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 수법으로 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 혐기 조건하에서 배양하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다.

-FeOOH 미립자의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다.

-FeOOH 미립자 수용액을 전기 화학 셀 (9) 내에 셀 내 농도가 7.5 mM 이 되도록 주입하였을 때의 전류 밀도-시간 곡선을 도 14 에 나타낸다. 한편, 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0,

-FeOOH 미립자 수용액의 전기 화학 셀 (9) 내 농도는 상기한 바와 같이 7.5 mM 이다. 도면 중 (a) 는

-FeOOH 미립자 있음 (실시예 7), (b) 는

-FeOOH 미립자 없음 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 8) 의 결과이다. 본 실시예에서는,

-FeOOH 미립자가 존재하지 않는 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 8) 경우와 비교하여, 전류 밀도가 비약적 (약 50 배) 으로 증가하였다. 15 시간 이후에 보이는 전류 밀도의 감소는, 연료인 락테이트의 소비에 귀속된다.

한편,

-FeOOH 미립자 수용액은 문헌 (Ref. R. J. Atkinson, A. M. Posner, and J. P. Quirk J. Phys. Chem., 1967, 71, 550) 에 기재된 방법에 의해 제작하였다. 먼저, 0.1 M 의 FeCl₃용액 160 ㎖ 에 2.5 M 의 NaOH 용액 40 ㎖ 를 첨가하여, 60 ℃ 에서 24 시간 가열하였다. 얻어진 용액을 셀룰로오스제의 투석막 (분자량 6000 ∼ 8000 커트) 으로 투석시켜,

-FeOOH 미립자 수용액을 얻었다.

(실시예 8)

상기 실시예 1 에 대하여, 도전성 미립자로서 Fe₃O₄ 미립자를 사용한 경우의 실시예 (실시예 8) 에 관해서 설명한다. Fe₃O₄ 미립자를 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 수법으로 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 혐기 조건하에서 배양하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다. Fe₃O₄ 미립자의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. Fe₃O₄ 미립자 수용액을 전기 화학 셀 (9) 내에 셀 내 농도가 7.5 mM 이 되도록 주입하였을 때의 전류 밀도-시간 곡선을 도 15 에 나타낸다. 한편, 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0, Fe₃O₄ 미립자 수용액의 전기 화학 셀 (9) 내 농도는 상기한 바와 같이 7.5 mM 이다. 즉, 4 ㎖ 의 용액에 약 5 ㎎ 의 Fe₃O₄ 미립자를 넣은 것이 된다. 도면 중 (a) 는 Fe₃O₄ 미립자 있음 (실시예 8), (b) 는 Fe₃O₄ 미립자 없음 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 9) 의 결과이다. 본 실시예에서는, Fe₃O₄ 미립자가 존재하지 않는 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 9) 경우와 비교하여, 전류 밀도가 약 3 배로 증가하였다.

한편, Fe₃O₄ 미립자 수용액은 문헌 (Ref. Y. S. Kang, S. Risbud, J. F. Rabolt, P. Stroeve Chem. Mater., 1996, 8, 2209) 에 기재된 방법에 의해 제작하였다. 먼저, 몰비가 2 : 1 이 되도록 FeCl₃× 6H₂O (52 mM) 와 FeCl₂ × 4H₂O (26 mM) 를 질소 포화시킨 40 ㎖ 의 초순수에 녹인 후, 농염산 1.4 ㎖ 를 용액에 첨가하였다. 이것을 1.5 M 의 NaOH 용액 415 ㎖ 에 격렬하게 교반하면서 적하하였다. 적하에 의해 검은 침전이 생성되고, 이 상청을 버리고 수 회 초순수로 세정한 후, 다시 농염산을 첨가하여 용액을 중화시켜, Fe₃O₄ 미립자 수용액을 얻었다.

(실시예 9)

상기 실시예 1 에 대하여, 도전성 미립자로서 산화망간 (MnO₂) 미립자를 사용한 경우의 실시예 (실시예 9) 에 관해서 설명한다. 산화망간 미립자를 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 쉬와넬라 로이히카 PV-4 를 혐기 조건하에서 배양하였다. 진탕에는 BR-40LF (TAITEC) 를 사용하여 30 ℃, 120 rpm 의 조건으로 배양하였다. 산화망간 미립자의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. 산화망간 미립자를 순수에 녹여 얻은 산화망간 미립자 수용액을 전기 화학 셀 (9) 내에 셀 내 농도가 7.5 mM 이 되도록 주입하였을 때의 전류 밀도-시간 곡선을 도 16 에 나타낸다. 한편, 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 쉬와넬라 로이히카 PV-4 의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0, 산화망간 수용액의 셀 내 농도는 상기한 바와 같이 7.5 mM 이다. 도면 중 (a) 는 산화망간 미립자 있음 (실시예 9), (b) 는 산화망간 미립자 없음 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 10) 의 결과이다. 본 실시예에서는, 산화망간 미립자가 존재하지 않는 (쉬와넬라 로이히카 PV-4 만, 비교예 10) 경우와 비교하여, 전류 밀도가 약 8 배 증가하였다.

한편, 산화망간 미립자는 문헌 (Ref. R. M. McKenzie Mineral. Mag., 1971, 38, 493) 에 기재된 방법으로 제작하였다. 먼저, Mn(NO₃)₃ 용액을 가열하여 수분을 거의 증발시킨 후, 180 ℃ 에서 48 시간 가열하였다. 얻어진 고체를 농염산에 녹이고, 이 용액을 여과하면서 초순수에 적하하였다. 암갈색의 침전이 생성되고, 이것을 세정, 여과 분리함으로써 산화망간 미립자를 얻었다.

(실시예 10)

미생물로서 논 토양으로부터 채취한 것을 사용한 경우의 실시예 (실시예 10) 에 관해서 설명한다. 도전성 미립자로서

-Fe₂O₃ 미립자를 사용한 경우, Fe₃O₄ 미립자를 사용한 경우에 관해서 각각 확인하였다. 한편,

-Fe₂O₃ 미립자는 실시예 1 과 동일한 순서로, Fe₃O₄ 미립자는 실시예 8 과 동일한 순서로 제작하였다.

논 토양 미생물은 이하의 순서로 배양하였다. 배양에는 12 mL 의 PS 배지를 사용하였다. 배양시에는 전자 공여체로서 아세트산 나트륨 (10 mM) 을 첨가하였다. 미생물원으로서, 20 ㎎ (습중량) 의 논 토양을 첨가하였다. 온도는 30℃ 에서 배양하고, 전류 밀도의 저하시 (아세트산 결핍시) 에 재차 아세트산 나트륨 (10 mM) 을 첨가하였다.

한편, PS 배지는, NH₄Cl 10 mM, KH₂PO₄ 1 mM, MgCl₂ 0.5 mM, CaCl₂ 0.5 mM, NaHCO₃ 5 mM, HEPES 10 mM, 이스트 추출물 0.5 g/ℓ 이다.

미생물로의 전자 공여체로는 아세트산 나트륨 (10 mM), 또한 미생물에 필요한 미량의 연료를 공급하기 위해서 이스트 추출물을 0.5 gL^-1을 첨가하였다.

전기 화학 측정에는, 도 3 에 나타내는 전기 화학 셀 (9) 을 사용하였다. 작용극 (10) 에는 ITO 전극 (직경 2.8 ㎝, 전극 면적 6.2 ㎠), 반대극 (11) 에는 백금선, 참조극 (12) 에는 Ag|AgCl|KClsat. 전극을 사용하였다. 이 전기 화학 셀 (9) 은, 유리판 (14) 에 유지되어 있다. 한편, 전기 화학 셀 (9) 내에는, 미리 용액으로서의 전해질이 4.0 ㎖ 주입되어 있다. 전해질은 상기 DM-L (10 mM) 을 사용하였다.

전해질은 10 분 이상 N₂ 버블링하여 혐기 조건하로 한 후에 측정에 사용하였다. 전기 화학 측정용으로 배양한 미생물의 현탁액 5 ㎖ 를 3500 rpm, 10 분간 원심분리하여 미생물을 침전시킨 후, 상청을 전부 버리고, 0.2 ㎖ 의 DM-L (10 mM) 에서 재현탁시켜, 시린지에 채취한 것을 전기 화학 셀 (9) 의 실리콘 고무 마개 (15) 를 뚫고 주입하였다.

전기 측정은 HSV-100 (Hokuto Denko) 을 사용하였다. 작용극 (10) 의 전위는 참조극 (12) 에 대하여 +0.2V 로 고정하였다. 온도는 실온에서 실시하고, 전기 화학 셀 (9) 에는 광이 닿지 않도록 차광하였다. 그 중에 앞서 서술한

-Fe₂O₃ 미립자 수용액을 주입하여 미립자의 농도를 5 mM 로 한 것을 실시예 10(1), Fe₃O₄ 미립자 수용액을 주입하고 미립자의 농도를 3.3 mM 로 한 것을 실시예 10(2) 로 하였다.

-Fe₂O₃의 입자경은, 일차 입자경이 20 ㎚ 정도, 응집하면 수백 ㎚ 가 된다. 이 경우, DM-L (10 mM) 에 대한 논 토양 미생물의 농도는 OD (600 ㎚) 로 2.0,

-Fe₂O₃ 미립자, Fe₃O₄ 미립자는 각각 Fe 원자 환산으로 10 mM 이 되도록 첨가하였다.

실시예 10 에 대하여,

-Fe₂O₃ 미립자 수용액, Fe₃O₄ 미립자 수용액을 주입하는 대신에, 아무것도 첨가하지 않은 것을 비교예 11 로 하였다. 그 밖에는 실시예 10 과 동일하게 하였다.

그 결과를 도 17 에 나타낸다. 도면 중, (a) 는

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가 (실시예 10(1)), (b) 는 Fe₃O₄ 미립자를 첨가 (실시예 10(2)), (c) 는 비교예 11 의 결과이다. 논 토양의 미생물을 사용한 경우에 있어서, 실시예 10 의 전류 밀도는,

-Fe₂O₃ 미립자나 Fe₃O₄ 미립자를 첨가하지 않은 비교예 11 에 대하여 50 배 이상 비약적으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 도전성 미립자를 아무것도 첨가하지 않은 비교예 11 에서는,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가하였을 때와 같은 전류 밀도의 증대는 관측되지 않았다.

배양 후에 전극 표면 상에 형성되어 있던 바이오 필름 내의 미생물의 유전자군을 16S rRNA 유전자 클론 라이브러리법에 의해 해석하였다.

먼저, 전극 표면 상의 바이오 필름 내의 미생물로부터 FastDNA Spin Kit for Soil (MP bio) 을 사용하여 DNA 를 추출하였다. 이어서, 당해 DNA 를 템플릿으로 하고, 세균 16S rRNA 유전자에 특이적인 프라이머 (27F:5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG, 517R:ATACCGCGGCTGCTGG) 를 사용해서 폴리머라아제 연쇄 반응 (polymerase chain reaction, PCR) 법을 이용하여 증폭시켰다. 얻어진 PCR 산물을 pGEM-T Easy vector (Promega) 에 클로닝하고, E. coli JM109 (Promega) 에 도입하여, 클론화를 실시하였다.

또한, 클론화된 배열의 시퀀스 해석 (Takara) 을 실시하였다. 그 결과,

-Fe₂O₃ 미립자를 첨가한 실시예 10(1) 의 경우에서는, 21/48 클론 (44％), Fe₃O₄를 첨가한 실시예 10(2) 의 경우에서는 17/48 클론 (35％) 이 지오박터 속에 근연 (近緣) 한 배열을 갖고 있었다. 덧붙이자면, 비교예의 도전성 미립자를 첨가하지 않은 비교예 11 의 경우에서는 7/48 클론 (15％) 이 지오박터 속에 근연한 배열을 갖고 있었다. 또한, 원래의 논 토양에서는, 지오박터 속의 비율은 1 ％ 이하였었다.

현재 백금을 사용한 화학 연료 전지의 연구가 활발하지만, 백금 자체 효과로서 희소성이 높다. 또한 이러한 화학 연료 전지는, 수소 발생시의 탄소 제거도 곤란하여 이산화탄소의 삭감에는 기여하기 어렵다. 미생물로부터 직접 전자를 발생시키는 미생물 연료 전지는 구조가 간단하고, 또한 카본 뉴트럴이라는 특징을 갖는다 (이산화탄소는 발생하지만, 화석 연료에 의지하지 않기 때문에 탄소 순환의 흐름을 어지럽히지 않는다). 따라서, 미생물 연료 전지의 전류 밀도를 대폭 향상시키는 본 발명은 매우 유용하다.

1 … 미생물 연료 전지
2 … 도전성 미립자
3 … 미생물
4 … 응집체
9 … 전기 화학 셀
10 … 작용극 (부극)
11 … 반대극
12 … 참조극
13 … 반응조
14 … 유리판
15 … 실리콘 고무 마개
16 … 퍼텐시오스탯 (외부 회로)
17 … 실리콘 고무제의 시트
100 … 미생물 연료 전지
103 … 전극
301, 302 … 미생물

Claims

한 쌍의 전극과, 상기 한 쌍의 전극을 전기적으로 접속하는 외부 회로를 구비한 미생물 연료 전지로서,
상기 전극의 일방인 부극 상에, 도전성 미립자와 세포외 전자 전달능을 갖는 미생물을 함유하는 용액 중에서 3 차원 구조로 이루어지는 응집체가 형성되고, 상기 도전성 미립자는 상기 미생물로부터 상기 부극으로 전자를 전달하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 도전성 미립자가 상기 미생물끼리의 사이에 분산됨과 함께, 상기 도전성 미립자끼리도 서로 연결되어 상기 미생물을 유지하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도전성 미립자는, 산화철을 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 3 항에 있어서,
상기 도전성 미립자는,
-Fe₂O₃,
-FeOOH, γ-Fe₂O₃, ε-Fe₂O₃, 또는 Fe₃O₄ 를 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도전성 미립자는, 황화철을 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 5 항에 있어서,
상기 도전성 미립자는, 철 이온과 황화물 이온이 존재하는 환경하에서 미생물의 생합성에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도전성 미립자는, 산화망간을 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미생물은, 금속 환원균인 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 8 항에 있어서,
상기 금속 환원균은, 쉬와넬라 (Shewanella) 속, 지오박터 (Geobacter) 속, 로도페락스 (Rhodoferax) 속, 또는 슈도모나스 (Pseudomonas) 속의 세균을 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.
제 8 항에 있어서,
상기 금속 환원균은, 쉬와넬라 로이히카 (Shewanella loihica), 또는 쉬와넬라 오네이덴시스 (Shewanella oneidensis) 를 함유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료 전지.