(57)【要約】【課題】二酸化炭素を高効率で固定化する二酸化炭素固定化装置及びそれを用いた燃料生産システムを提供することを目的とする。【解決手段】実施形態によれば、非水相と水相とを具備する二酸化炭素固定化装置が提供される。非水相は、イオン液体と、酵素体と、メディエーターとを含む。酵素体は、二酸化炭素又はその還元生成物の還元反応を触媒する。メディエーターは、この還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。また、非水相では、上記還元反応により反応生成物が生成される。水相は、水を含んだ抽出液を含む。水相には、上記反応生成物が非水相から供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン液体と、二酸化炭素又はその還元生成物の還元反応を触媒する酵素体と、前記還元反応において還元剤又は補酵素として作用するメディエーターとを含み、前記還元反応により反応生成物を生成する非水相と、
水を含んだ抽出液を含み、前記反応生成物が前記非水相から供給される水相とを具備する二酸化炭素固定化装置。
【請求項２】
前記非水相は、気相から二酸化炭素が供給されて、その還元反応により第１の反応生成物を生成する第１の非水相を含む請求項１に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項３】
前記非水相は、
二酸化炭素が供給されて、その還元反応により第１の反応生成物を生成する第１の非水相と、
前記第１の反応生成物が供給されて、その還元反応により第２の反応生成物を生成する第２の非水相と、
前記第２の反応生成物が供給されて、その還元反応により第３の反応生成物を生成する第３の非水相と
を含み、
前記水相は、
前記第１の非水相から前記第１の反応生成物が供給され、前記第１の反応生成物を前記第２の非水相へ供給する第１の水相と、
前記第２の非水相から前記第２の反応生成物が供給され、前記第２の反応生成物を前記第３の非水相へ供給する第２の水相と、
前記第３の非水相から前記第３の反応生成物が供給される第３の水相とを含む請求項１に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項４】
前記非水相は、
二酸化炭素が供給されて、その還元反応により第１の反応生成物を生成する第１の非水相と、
前記第１の非水相から前記第１の反応生成物が供給されて、その還元反応により第２の反応生成物を生成する第２の非水相と、
前記第２の非水相から前記第２の反応生成物が供給されて、その還元反応により第３の反応生成物を生成する第３の非水相と
を含み、
前記水相には、前記第３の非水相から前記第３の反応生成物が供給される請求項１に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項５】
前記第１の非水相には、気相から二酸化炭素が供給される請求項３又は４に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項６】
前記第１の非水相には、大気から二酸化炭素が供給される請求項２ないし４のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項７】
前記非水相と前記水相との間に設けられており、透過−分離膜を含むセパレーターをさらに具備する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項８】
前記水相は、前記非水相にプロトンを供給するプロトン源をさらに含む請求項１ないし７のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項９】
前記酵素体の少なくとも１つは、酵素、酵素と分散剤からなる分子集合体とを含んだ第１複合体、酵素を含む芯部と前記芯部を被覆した殻部とを備えたマイクロカプセル、酵素を含んだ細胞、酵素を含んだ微生物、及び酵素とこれを固定化した支持体とを含んだ第２複合体からなる群より選ばれる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１０】
前記水相が流れる外部流路をさらに具備する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１１】
各々が前記非水相と前記水相とを含む複数の単セルを含み、前記複数の単セルが積層されてスタック型構造体を構成している請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１２】
前記非水相は、前記酵素体が分散又は担持されており且つ巻回された多孔質膜を含む請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１３】
前記巻回された多孔質膜は、複数の層状部が半径方向に並ぶように複数回にわたって巻回されており、
前記酵素体は複数の酵素体であり、
前記複数の酵素体は、異なる酵素体が前記半径方向に並ぶように前記複数の層状部に分散又は担持されている請求項１２に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１４】
前記非水相に設けられた一対以上の電極をさらに具備する請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１５】
前記水相に設けられた参照電極をさらに具備する請求項１４に記載の二酸化炭素固定化装置。
【請求項１６】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の二酸化炭素固定化装置を含む燃料生成部と、
前記燃料生成部へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、
前記燃料生成部から前記反応生成物を回収する抽出液回収部と
を具備する燃料生産システム。
【請求項１７】
請求項１４又は１５に記載の二酸化炭素固定化装置を含む燃料生成部と、
前記燃料生成部へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、
前記燃料生成部から前記反応生成物を回収する抽出液回収部と、
前記一対以上の電極に印加する電圧を制御するセル電圧制御部と
を具備する燃料生産システム。
【請求項１８】
請求項１４又は１５に記載の二酸化炭素固定化装置を含む燃料生成部と、
前記燃料生成部へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部と、
前記燃料生成部から前記反応生成物を回収する抽出液回収部と、
前記一対以上の電極の間を流れる電流を制御する電流制御部と
を具備する燃料生産システム。
【請求項１９】
前記燃料生成部における温度を制御する温度制御部をさらに具備する請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の燃料生産システム。
【請求項２０】
前記二酸化炭素供給部は、前記燃料生成部に供給する二酸化炭素を含む気体の圧力を制御する機能を備える請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載の燃料生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、二酸化炭素固定化装置及び燃料生産システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
年々増え続けている石炭の消費が大気中の二酸化炭素（ＣＯ２）濃度の上昇をもたらし、地球温暖化の主な原因となっている。自然界では、光合成により年間約１０００億トンのＣＯ２をバイオマスに変換している。しかしながら、工業革命以来ＣＯ２排出量が年々増え続けてきた結果、自然界の光合成のみでは、ＣＯ２の排出速度に、ＣＯ２をバイオマスに変換する速度がもはや追いつかなくなってきている。
【０００３】
そこで、地球温暖化対策の一つとして、その原因ガスであるＣＯ２をキャプチャー及び貯蔵するニーズが出てきた。
【０００４】
今までも無機の薬品（例えば、アミンなどのアルカリ性溶液）によるＣＯ２の化学的吸収分離、メタノールやポリエチレングリコール等の吸収液によるＣＯ２の物理的吸収分離、高分子膜やセラミックス膜などの膜分離法によるＣＯ２の分離、ゼオライトや活性炭などの多孔質の吸収材によるＣＯ２の物理的吸収分離、ＣＯ２を圧縮（compression）して地下や海底に埋め込むなど、様々な対策法が講じられている。CCS技術（CCS：Carbon Dioxide Capture and Storage；二酸化炭素回収及び貯蔵技術）の中では、例えば、火力発電所から発生するＣＯ２を分離及び回収し、輸送した後、地下又は海底などに貯蔵する技術が推進されている。しかし、ＣＯ２を分離及び回収するためのコストがかかるなどの課題が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０９７０２０号公報
【特許文献２】米国特許６４４０７１１号明細書
【特許文献３】特開２０１２−  ２１２１６号公報
【特許文献４】特表２０１２−５１２３２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】"High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode", Yang Song, et al. Chemistry Select, 2016, 1, 1-8.
【非特許文献２】"Methanol Production via Bioelectrocatalytic Reduction of Carbon Dioxide: Role of Carbonic Anhydrase in Improving Electrode Performance", Paul K. Addo, et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 2011, 14 (4) E9-E13.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、二酸化炭素を高効率で固定化する二酸化炭素固定化装置及びそれを用いた燃料生産システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、非水相と水相とを具備する二酸化炭素固定化装置が提供される。非水相は、イオン液体と、酵素体と、メディエーターとを含む。酵素体は、二酸化炭素又はその還元生成物の還元反応を触媒する。メディエーターは、この還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。また、非水相では、上記還元反応により反応生成物が生成される。水相は、水を含んだ抽出液を含む。水相には、上記反応生成物が非水相から供給される。
【０００９】
他の実施形態によれば、燃料生成部と二酸化炭素供給部と抽出液回収部とを具備する燃料生産システムが提供される。燃料生成部は、上記実施形態に係る二酸化炭素固定化装置を含む。二酸化炭素供給部は、燃料生成部へ二酸化炭素を供給する。抽出液回収部は、燃料生成部から反応生成物を回収する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の態様に係る一例の二酸化炭素固定化装置の概略図。
【図２】実施形態の態様に係る別の一例の二酸化炭素固定化装置の概略図。
【図３】実施形態の他の態様に係る一例の二酸化炭素固定化装置の概略図。
【図４】実施形態の他の態様に係る別の一例の二酸化炭素固定化装置の概略図。
【図５】図４に示す二酸化炭素固定化装置の変形例の概略図。
【図６】図４に示す二酸化炭素固定化装置の別の変形例の概略図。
【図７】実施形態の他の態様に係るさらに別の一例の二酸化炭素固定化装置を示す概略図。
【図８】実施形態の他の態様に係るまた別の一例の二酸化炭素固定化装置を示す概略図。
【図９】図８に示す二酸化炭素固定化装置に含まれる部材の一例の製造途中状態を示す概略図。
【図１０】実施形態の態様に係るさらに別の例の二酸化炭素固定化装置の概略図。
【図１１】実施形態に係る一例のスタック型二酸化炭素固定化装置を構成する単セルの概略図。
【図１２】実施形態に係る一例のスタック型二酸化炭素固定化装置の概略図。
【図１３】実施形態に係る一例の燃料生産システムを示すスキーム。
【図１４】実施形態の態様に係る一例の二酸化炭素固定化装置の変形例の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
近年では地球温暖化の防止に加え、持続可能な社会の実現を目指した次の段階として、ＣＯ２をキャプチャー及び貯蔵するだけではなく、ＣＯ２から化学燃料、バイオマスなどの有用物質に積極的に変換するバイオリファイナリー、ＣＯ２の固定化などのバイオプロセスの開発と確立が必要となってきている。
【００１２】
また、近年ＣＯ２を高効率で吸収及び分離できるイオン液体のゲル化や成膜の技術が確立されつつある。一方、キャプチャーしたＣＯ２を電気化学変換と光化学変換との両種類の変換法により、積極的に有用な燃料に変換する研究も盛んに行われている。電気化学変換法として、例えば、貴金属やレアメタルを使わず、電極兼触媒としてスパイク状のグラフェンが球状の銅ナノ粒子で修飾された材料を用いることにより、常温常圧の条件において、二酸化炭素から高い選択率と高いファラデー効率でエタノールを生産できることが報告されている。この方法は、風力発電や太陽光発電などで得られた電気エネルギーを用いて、化学燃料を製造することができるため、大変魅力的な化学燃料製造法であり、またエネルギーの変換及び貯蔵のニーズからも大変注目されている製造法である。しかしながら、ＣＯ２は水に余り溶けず、高濃度のエタノールの生産が困難である。
【００１３】
酵素変換法は、マイルドな条件において、ＣＯ２を選択的に燃料に変換できるクリーンかつ高効率の燃料生産法の一つとして、近年再び脚光を浴びている。しかしながら、現行の酵素変換法は、多段酵素反応による燃料（メタノール）の生産において、中間生成物の流失などの課題を抱えている。また、製造されるメタノールの純度や濃度が低く、酵素の失活や流出などさまざまな課題を抱えている。これらの根本原因の一つとして、電気化学的手法と同様に、燃料の生産原料であるＣＯ２は反応溶媒である水溶液への溶解度が低いことが考えられる。
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態によれば、非水相と水相とを具備する二酸化炭素固定化装置が提供される。非水相は、１種以上のイオン液体と、１種以上の酵素体と、１種以上のメディエーターとを含む。水相は、抽出液を含む。
【００１５】
非水相と水相とは、例えば１種以上の多孔質膜又はセパレーターを介して接触している。あるいは、非水相と水相とは直接に接触していてもよい。
【００１６】
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置における非水相には、二酸化炭素（ＣＯ２）が供給される。非水相の媒体としてイオン液体を用いることで、ＣＯ２を選択的にかつ効率良く非水相に吸収させることができる。
【００１７】
二酸化炭素の供給源は、例えば二酸化炭素を含んだ気体である。二酸化炭素の供給源は、二酸化炭素を含む気体であれば、特に限定されない。例えば、大気ガス、火力発電プラントで発生する気体、排ガス、ドライアイスからのガス、二酸化炭素ガスボンベからのガスなどを二酸化炭素の供給源として用いることができる。
【００１８】
また、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置は、上記の二酸化炭素を含んだ気体を、例えば非水相に接触させる機構をさらに備えることができる。あるいは、装置において例えば、非水相が大気に対し曝露されている形態とすることもできる。このように、二酸化炭素固定化装置の設計は、反応物としての二酸化炭素を含んだ気体のソースに応じて適宜設定することができる。
【００１９】
二酸化炭素固定化装置は、二酸化炭素を含んだ気体を、例えば、常圧（0.101325 MPa = 1 atm）よりも高い圧力に加圧した状態で非水相に供給する機構を備えることもできる。気体の圧力、ひいては二酸化炭素の圧力を高くすることで、非水相への二酸化炭素の供給速度が向上し得る。
【００２０】
非水相に含まれる１種以上の酵素体は、各々が少なくとも１つの酵素を含んでいる。詳細は後述するが、非水相に供給された二酸化炭素が酵素反応により還元されて、例えば燃料が生成される。そのため、二酸化炭素固定化装置において非水相を含む部分を二酸化炭素還元反応部と呼ぶこともできる。
【００２１】
非水相に含まれる１種以上のメディエーターは、酵素体が触媒する還元反応のメディエーターである。具体的には、メディエーターは、還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。還元反応において、メディエーターは二酸化炭素又はその還元生成物を還元すると共に、メディエーター自身は酸化される。
【００２２】
メディエーターが還元剤又は補酵素として還元反応に参加する際、メディエーターから還元反応の反応サイトへ電子が移動し得る。反応サイトへ移動した電子は、還元反応に利用され得る。また、メディエーターが電子を手放すことに伴って、メディエーターが酸化し得る。
【００２３】
また、二酸化炭素を還元する酵素反応は、多段階反応であり得る。この場合、二酸化炭素の還元生成物をさらに還元する酵素反応を触媒する酵素体を非水相に含む。複数の段階の還元反応を経て、二酸化炭素は最終生成物に還元され得る。
【００２４】
加えて、非水相に含まれる酵素体は、酸化されたメディエーター（例えば、メディエーターの酸化体）の還元反応を触媒するものを含み得る。酸化されたメディエーターの還元反応を触媒する酵素体と、二酸化炭素の還元反応を触媒する酵素体とは、別の酵素体であり得る。あるいは、酸化されたメディエーターを還元する酵素体と、二酸化炭素を還元する酵素体とは、同一の酵素体であり得る。例えば、メディエーターの還元反応を触媒する酵素と、二酸化炭素の還元反応を触媒する酵素との両方を一つの酵素体が含み得る。同様に、酸化されたメディエーターの還元反応を触媒する酵素体と、二酸化炭素の還元生成物の還元反応を触媒する酵素体とは、別の酵素体であり得、又は、両者は同一の酵素体であり得る。例えば、メディエーターの還元反応を触媒する酵素と、二酸化炭素の還元生成物の還元反応を触媒する酵素との両方を一つの酵素体が含み得る。
【００２５】
非水相にて生成された反応生成物は、水相に供給される。水相が含む抽出液は、非水相にて生成された反応生成物を選択的に抽出する。水相の抽出液は、一例によれば、二酸化炭素の多段階酵素反応における最終生成物を選択的に抽出し、回収する。そのため、二酸化炭素固定化装置において水相を燃料回収部と呼ぶことができる。
【００２６】
なお、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置は、上記のとおり二酸化炭素を還元することで燃料を生成する二酸化炭素還元反応部と、生成した燃料を回収する燃料回収部とを含むことができるため、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置を燃料生産装置と呼ぶこともできる。
【００２７】
ここでいう二酸化炭素の固定化（fixation）とは、化学反応により二酸化炭素を炭素化合物に変換すること（conversion）を意味する。地球温暖化の原因ガスである二酸化炭素は化学反応により、気体、液体又は固体状の炭素化合物に変換することによって、二酸化炭素を削減することができる。また、当該炭素化合物として、例えば燃料のような有用物質を得ることで、二酸化炭素を資源として利用することができる。
【００２８】
なお、上記の化学反応による二酸化炭素の炭素化合物への変換には、二酸化炭素還元（carbon dioxide reduction）が含まれる。
【００２９】
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置では、反応物（二酸化炭素又はその還元生成物）を還元させて反応生成物を生じさせる部位と、反応生成物（二酸化炭素の還元生成物である炭素化合物）を回収する部位とが、非水相と水相とのそれぞれに区分けされている。そのため、反応物が反応生成物と混じりにくく、少ない不純物量で反応生成物を回収することができる。
【００３０】
また、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置では、水相が、反応場を含む非水相から反応生成物（例えば、燃料）を抽出するため、燃料生成の酵素反応の平衡を反応生成物側にずらすことができる。また、水相が非水相から反応生成物を抽出することで、反応生成物の流失が少なくなる。その結果、生成される反応生成物（例えば、燃料）の収率を高くすることができる。
【００３１】
このように、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置は、二酸化炭素又はその還元生成物を、例えばメタノールなどの反応生成物へと還元する反応を効率よく行うことで、二酸化炭素の固定化に高い性能を発揮する。そのため、ＣＯ２排出を抑制できると同時に、燃料などとして有用な化合物を生産することができる。
【００３２】
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置の第１の態様によれば、非水相は、第１の非水相と第２の非水相と第３の非水相とを含むことができ、水相は、第１の水相と第２の水相と第３の水相とを含むことができる。つまり、本態様の二酸化炭素固定化装置は、非水相を複数含むことができるとともに、水相を複数含むことができる。
【００３３】
第１の非水相には、二酸化炭素が供給される。第１の非水相では、供給された二酸化炭素の還元反応により第１の反応生成物が生成される。一例によれば、第１の反応生成物は、ギ酸である。
【００３４】
ここでいうギ酸とは、ギ酸アニオン（formate anion：ＨＣＯＯ−）、並びにギ酸アニオンにプロトンが結合したギ酸（formic acid：ＨＣＯＯＨ）、ギ酸アニオンにカチオンが結合したギ酸塩（formate salt)の何れかの形態のものを意味する。以後の説明においていうギ酸も、上記の何れの形態のものも含む。また、他の化合物についてもアニオン、酸、及び塩など、何れの形態のものも含む。
【００３５】
第１の水相には、第１の非水相から第１の反応生成物が供給される。また、第１の水相は、第１の反応生成物を第２の非水相へ供給する。
【００３６】
第２の非水相には、第１の反応生成物が供給される。第２の非水相では、供給された第１の反応生成物の還元反応により第２の反応生成物が生成される。一例によれば、第２の反応生成物はホルムアルデヒドである。
【００３７】
第２の水相には、第２の非水相から第２の反応生成物が供給される。また、第２の水相は、第２の反応生成物を第３の非水相へ供給する。
【００３８】
第３の非水相には、第２の水相から第２の反応生成物が供給される。第３の非水相では、供給された第２の反応生成物の還元反応により第３の反応生成物が生成される。一例によれば、第３の反応生成物はメタノールである。第３の非水相で生成された第３の反応生成物は、第３の水相に供給される。
【００３９】
第３の水相には、第３の非水相から第３の反応生成物が供給される。以上のようにして、第３の反応生成物を得る。
【００４０】
この態様では、第１ないし第３の非水相における三段階酵素反応により、二酸化炭素を最終生成物（燃料）へと還元する。つまり、第１の反応生成物と第２の反応生成物は、三段階反応の中間生成物であり、第３の反応生成物は最終生成物である。
【００４１】
第１ないし第３の非水相の各々は、１種以上のイオン液体と１種以上の酵素体と１種以上のメディエーターを含むことができる。第１ないし第３の非水相は、それらが含むイオン液体、酵素体、及びメディエーターの種類及び数が互いに異なっていてもよく、あるいは同じであってもよい。
【００４２】
第１の非水相に含まれる酵素体は、二酸化炭素を還元して第１の反応生成物を生成する還元反応を触媒する酵素を含む。また、第１の非水相に含まれるメディエーターは、この第１の反応生成物を生成する還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。
【００４３】
第２の非水相に含まれる酵素体は、第１の反応生成物を還元して第２の反応生成物を生成する還元反応を触媒する酵素を含む。また、第２の非水相に含まれるメディエーターは、この第２の反応生成物を生成する還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。
【００４４】
同様に、第３の非水相に含まれる酵素体は、第２の反応生成物を還元して第３の反応生成物を生成する還元反応を触媒する酵素を含む。また、第３の非水相に含まれるメディエーターは、この第３の反応生成物を生成する還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。
【００４５】
第１の非水相に含まれる酵素体には、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体が含まれ得る。このような酵素体は、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素を含み得る。二酸化炭素を第１の反応生成物へ還元する還元反応を触媒する酵素体と、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体とは、同一の酵素体であってもよく、あるいは異なる酵素体であってもよい。
【００４６】
第２の非水相に含まれる酵素体には、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体が含まれ得る。このような酵素体は、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素を含み得る。第１の反応生成物を第２の反応生成物へ還元する還元反応を触媒する酵素体と、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体とは、同一の酵素体であってもよく、あるいは異なる酵素体であってもよい。
【００４７】
第３の非水相に含まれる酵素体には、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体が含まれ得る。このような酵素体は、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素を含み得る。第２の反応生成物を第３の反応生成物へ還元する還元反応を触媒する酵素体と、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体とは、同一の酵素体であってもよく、あるいは異なる酵素体であってもよい。
【００４８】
本態様では、第１の非水相において生産された第１の反応生成物が第１の水相に含まれる抽出液により選択的に抽出されるため、第１の非水相における二酸化炭素の還元反応の平衡を第１の反応生成物側へずらすことができる。また、第２の非水相では、基質としての第１の反応生成物が第１の水相から供給されると共に、生産された第２の反応生成物が第２の水相に含まれる抽出液により選択的に抽出されるため、第１の反応生成物の還元反応の平衡を第２の反応生成物側へずらすことができる。第３の非水相では、基質としての第２の反応生成物が第２の水相から供給されると共に、生産された第３の反応生成物が第３の水相に含まれる抽出液により選択的に抽出され、回収されるため、第２の反応生成物の還元反応の平衡を第３の反応生成物側へずらすことができる。
【００４９】
このように、二酸化炭素を最終生成物である第３の反応生成物へと還元する三段階反応の平衡を、各反応段階において最終生成物側へとずらすことができるため、高い収率で最終生成物を回収することができる。また、反応物（二酸化炭素）と中間生成物（第１及び第２の反応生成物）とが最終生成物（第３の反応生成物）に混入しにくいため、純度の高い最終生成物を得ることができる。さらに、第１の非水相と第２の非水相とにおける中間生成物が生成される各段階にて、第１の水相と第２の水相とがそれぞれの中間生成物、即ち第１の反応生成物と第２の反応生成物とを回収するため、中間生成物の流失が抑えられている。
【００５０】
また、第１の態様の変形例では、例えば三段階の酵素反応に代わって、二酸化炭素を最終生成物へと二段階で還元する二段階酵素反応を採用することができる。この場合、非水相は第１の非水相と第２の非水相とを含む。第１の非水相では、二酸化炭素が供給されて、この二酸化炭素の還元反応により第１の反応生成物が生成される。第２の非水相では、第１の反応生成物が供給されて、この第１の反応生成物の還元反応により第２の反応生成物が生成される。第２の非水相で生成された第２の反応生成物は、水相に供給される。
【００５１】
この変形例では、第１の反応生成物のみが中間生成物である。また、第２の反応生成物は最終生成物である。そのため、第２の反応生成物は第２の水相に含まれる抽出液により抽出されて、回収される。この点を除き、この変形例の構成は第１の態様と同様のため、説明を省略する。
【００５２】
また、必要に応じて二酸化炭素を還元する反応を４以上の段階を含む多段階反応とすることもできる。多段階反応が含む反応段階の数に応じて、非水相及び水相の数を適宜変更できる。さらに、それぞれの非水相に必要に応じて二酸化炭素及び中間生成物（二酸化炭素の還元生成物）以外の基質を含ませてもよい。
【００５３】
第１の態様の二酸化炭素固定化装置は、フロー式の形態とバッチ式の形態とのいずれの構成とすることもできる。
【００５４】
フロー式の形態では、第１の非水相への二酸化炭素の供給、各非水相から次の水相への反応生成物の供給、及び各水相から次の非水相への反応生成物の供給の各々が連続的に行われる。
【００５５】
バッチ式の形態では、少なくとも各水相から次の非水相への反応生成物の供給が不連続に行われる。例えば、三段階反応を採用した場合には第１の非水相に供給された二酸化炭素が還元されて生成した第１の反応生成物が第１の水相へ供給された後、第１の反応生成物は第１の水相に回収された状態で一時的に貯留される。同様に、第２の非水相にて生成された第２の反応生成物は、第２の水相に供給された後、第２の水相にて一時的に貯留される。バッチ式の形態とするには、例えば第１の水相と第２の水相とのそれぞれに抽出液の流れを制御する機構を設けることができる。
【００５６】
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置の第２の態様によれば、非水相は、第１の非水相と第２の非水相と第３の非水相とを含むことができる。つまり、本態様の二酸化炭素固定化装置は、非水相を複数含むことができる。第１の非水相には、二酸化炭素が供給される。第１の非水相では、供給された二酸化炭素の還元反応により第１の反応生成物が生成される。第２の非水相には、第１の反応生成物が供給される。第２の非水相では、供給された第１の反応生成物の還元反応により第２の反応生成物が生成される。第３の非水相には、第２の反応生成物が供給される。第３の非水相では、供給された第２の反応生成物の還元反応により第３の反応生成物が生成される。第３の非水相で生成された第３の反応生成物は、水相に供給される。
【００５７】
この態様では、第１ないし第３の非水相における三段階酵素反応により、二酸化炭素を最終生成物（燃料）へと還元する。つまり、第１の反応生成物と第２の反応生成物は、三段階反応の中間生成物であり、第３の反応生成物は最終生成物である。
【００５８】
第１ないし第３の非水相の各々は、１種以上のイオン液体と１種以上の酵素体と１種以上のメディエーターを含むことができる。第１ないし第３の非水相は、それらが含むイオン液体、酵素体、及びメディエーターの種類及び数が互いに異なっていてもよく、あるいは同じであってもよい。
【００５９】
第１の非水相に含まれる酵素体は、二酸化炭素を還元して第１の反応生成物を生成する還元反応を触媒する酵素を含む。また、第１の非水相に含まれるメディエーターは、この第１の反応生成物を生成する還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。
【００６０】
第２の非水相に含まれる酵素体は、第１の反応生成物を還元して第２の反応生成物を生成する還元反応を触媒する酵素を含む。また、第２の非水相に含まれるメディエーターは、この第２の反応生成物を生成する還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。
【００６１】
同様に、第３の非水相に含まれる酵素体は、第２の反応生成物を還元して第３の反応生成物を生成する還元反応を触媒する酵素を含む。また、第３の非水相に含まれるメディエーターは、この第３の反応生成物を生成する還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。
【００６２】
第１の非水相に含まれる酵素体には、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体が含まれ得る。このような酵素体は、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素を含み得る。二酸化炭素を第１の反応生成物へ還元する還元反応を触媒する酵素体と、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体とは、同一の酵素体であってもよく、あるいは異なる酵素体であってもよい。
【００６３】
第２の非水相に含まれる酵素体には、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体が含まれ得る。このような酵素体は、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素を含み得る。第１の反応生成物を第２の反応生成物へ還元する還元反応を触媒する酵素体と、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体とは、同一の酵素体であってもよく、あるいは異なる酵素体であってもよい。
【００６４】
第３の非水相に含まれる酵素体には、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体が含まれ得る。このような酵素体は、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素を含み得る。第２の反応生成物を第３の反応生成物へ還元する還元反応を触媒する酵素体と、メディエーターの酸化体の還元反応を触媒する酵素体とは、同一の酵素体であってもよく、あるいは異なる酵素体であってもよい。
【００６５】
第２の態様の二酸化炭素固定化装置では、第１の非水相で生成された第１の反応生成物が第２の非水相へと直接供給される。また、第２の非水相で生成された第２の反応生成物は、第３の非水相へと直接供給される。
【００６６】
このように、二酸化炭素を還元する多段階反応における次の反応段階の反応場を含む非水相（第２の非水相、第３の非水相）へと中間生成物（第１の反応生成物、第２の反応生成物）を供給する際、水相を経由しない。そのため、中間生成物の流失を低減することができる。
【００６７】
また、第２の態様の変形例では、例えば三段階の酵素反応に代わって、二酸化炭素を最終生成物へと還元する二段階酵素反応を採用することができる。この場合、非水相は第１の非水相と第２の非水相とを含む。第１の非水相では、二酸化炭素が供給されて、この二酸化炭素の還元反応により第１の反応生成物が生成される。第２の非水相では、第１の反応生成物が供給されて、この第１の反応生成物の還元反応により第２の反応生成物が生成される。第２の非水相で生成された第２の反応生成物は、水相に供給される。
【００６８】
この変形例では、第１の反応生成物のみが中間生成物である。また、第２の反応生成物は最終生成物である。そのため、第２の反応生成物は第２の水相に含まれる抽出液により抽出されて、回収される。この点を除き、この変形例の構成は第２の態様と同様のため、説明を省略する。
【００６９】
また、第１の態様と同様に、必要に応じて二酸化炭素を還元する反応を４以上の段階を含む多段階反応とすることもできる。多段階反応が含む反応段階の数に応じて、非水相及び水相の数を適宜変更できる。さらに、それぞれの非水相に必要に応じて二酸化炭素及び中間生成物（二酸化炭素の還元生成物）以外の基質を含ませてもよい。
【００７０】
次に、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置における非水相と水相との詳細を説明する。
【００７１】
＜非水相＞
非水相は、イオン液体と、酵素体と、メディエーターとを含む。
【００７２】
［イオン液体］
非水相の媒体としては、以下の特性を有する材料の使用が望ましい：
（１）ＣＯ２を吸収及び分離する能力が高い
（２）蒸気圧が低い
（３）熱安定性が高い
（４）導電率が高い
（５）電位窓が広い
（６）化学的安定性が高い
（７）タンパク質の安定化剤として使える。
【００７３】
上記の主な特性を有する非水相材料であれば、特に限定されることがないが、非水相の媒体としてイオン液体を用いることが望ましい。イオン液体は、蒸気圧が低く（ゼロに近い）、電位窓が広く、かつ特定の物質、例えば二酸化炭素をよく吸収し、熱安定性が高く、導電率も高いなどのことから、非水相の媒体として用いることが望ましい。
【００７４】
ＣＯ２溶解性が高いイオン液体は、二酸化炭素を多く吸収することができる。例えば、このようなイオン液体を非水相の媒体として用いることで、ＣＯ２還元反応の場となる酵素体が含まれている非水相へ反応物であるＣＯ２を効率良く供給することができる。イオン液体を非水相の媒体として用いる場合、ＣＯ２の吸収量は加圧とともに増大する。例えば、0.1MPaまで加圧する場合は1％（ＣＯ２ mole％ in ionic liquid）以上、6MPaまで加圧する場合60％（ＣＯ２ mole％ in ionic liquid）以上のＣＯ２を吸収できるイオン液体を用いることが望ましい。
【００７５】
上記のとおり、イオン液体は導電率が高く、イオン伝導性と電子伝導性との何れもが優れている。優れたイオン伝導性と電子伝導性が非水相中の電子移動に有利に働くため、迅速且つ高効率に生成物（例えば、燃料）の生産を行うことができる。例えば、酵素体における酵素反応にてメディエーターが還元剤又は補酵素として作用する際、メディエーターから酵素の酸化還元サイトへ電子が移動しやすく、酵素反応が促進される。また、後述するように電極の作用によりメディエーターを再生又は還元する場合においても、電極からメディエーターへの電子移動が促進されているため、再生や還元を高効率に行うことができる。
【００７６】
イオン液体は、デザイナー液体とも呼ばれ、そのアニオンとカチオンを用途に応じて適宜選択することで、特性を自由に設計（デザイン）することができる。
【００７７】
イオン液体の代表的なカチオンは、例えば、imidazolium、ammonium、phosphonium、pyridinium などが挙げられる。
【００７８】
イオン液体の他の代表的なカチオンとして、例えば、1-methyl-3-alkylimidazolium、1,3-bis[3-methylimidazolium-1-yl]alkane、poly(diallyldimethylammonium)、metal (M+) tetraglyme, pyrrolidinium などが挙げられる。
【００７９】
イオン液体の代表的なアニオンは、例えば、bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ([Tf2N]-、[TFSI]-、又は[TFSA]-)、tetrafluoroborate ([BF4]-)、hexafluorophosphate ([PF6]-)、dicyanoamine ([DCA]-)などが挙げられる。
【００８０】
イオン液体の他の代表的なアニオンとして、例えば、halides、formate、nitrate、hydrogen sulfate、heptafluorobutyrate、thiocyanate、tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate、dicyanamide、poly(phosphonic acid)、tetrachloroferrate、trifluoromethanesulfonate ([TfO]-)などが挙げられる。
【００８１】
イオン液体は、大まかに非極性イオン液体と極性イオン液体に分けることができる。一般的に、非極性イオン液体は疎水性のイオン液体であり、極性イオン液体は親水性のイオン液体である。
【００８２】
一方、親水性の極性イオン液体は、さらにプロトン性（Ｐｒｏｔｉｃ）イオン液体と非プロトン性（Ａｐｒｏｔｉｃ）イオン液体に区別することができる。極性イオン液体は、親水性の溶媒で形成されている逆ミセルのコア溶液として用いることもできる。また、プロトン性イオン液体をゲル化（膜）にすることによって、Nafion（登録商標）のようにプロトン交換膜（PEM；Proton Exchange Memberane）として使える。非プロトン性イオン液体は、タンパク質（酵素）のリフォールディング剤と熱安定化剤として用いることができる。
【００８３】
このように、イオン液体は、その特性によって使い分けることができる。
【００８４】
イオン液体の中でも、イミダゾール系のイオン液体の使用が望ましい。イミダゾール系のイオン液体又はそのゲルは、ＣＯ２を高い選択性で吸収することができるうえに、導電率も高い。
【００８５】
疎水性イオン液体の中でも、例えば、ＣＯ２に対する吸収特性が優れているイミダゾール系の1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス（フルオロスルホニル）イミド（EMIMBTI）の使用が特に望ましい。
【００８６】
EMIMBTIは、正式名や別名、略号を含めて多数存在している。例えば、1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide、1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide［1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス（フルオロスルホニル）イミド］、1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imideとも呼ばれている。略号として、EMIMIm、[emim][(CF3SO2)2N]、[emim][TFSI]、EmimTFSI、EMIMTFSI、EmimNTf2、EmimTf2N、Emim TFSI、Emim NTf2、Emim Tf2N、[C2mim][NTf2]、BMIM-NTf2、[C2mIm+][TFSI-]、[C2C1im][NTf2]などとも記載されている。混乱を避けるために、以下にその分子構造を示す。
【００８７】
【化１】
2018153173.tif 000003
【００８８】
イオン液体は、ＣＯ２に対する吸収特性やコスト、毒性、粘度、導電性などの特性を考慮して、二種類以上混合して使用することができる。例えば、ＣＯ２に対する吸収特性がよいイオン液体と、これよりも毒性が低く、コストも低いイオン液体とを混合して使用することにより、材料のコストダウンと毒素の軽減の目的が達成できる。
【００８９】
また、極性のイオン液体の中の非プロトン性（Ａｐｒｏｔｉｃ）イオン液体は、タンパク質の熱安定化剤として用いることができるため、極性のイオン液体を非極性のイオン液体と混合させて非水相として用いることができる。
【００９０】
また、イオン液体のカソード限界（cathodic limit)は、カチオンの特性に依存し、カチオンが電子吸引基を含むと、カソード限界が広がる。従って、二酸化炭素をよく吸収し、かつ電子吸引基を含むカチオンを含んだイオン液体からイオン液体を選ぶことが望ましい。
【００９１】
イオン液体は、さらに、例えば、1-methyl-3-propyl-methylimidazolium dihydrogen phosphate (PMIH2PO4)、polybenzimidazole (PBI)、1-octyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide、[C8mIm+][TFSA-]（TFSA- = (CF3SO2)2N-）、1-alkylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide、[CnImH+][TFSA-]（n = 4 or 8）、triethyl sulfonoium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide（TSBTSI）、1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate（[bmim][PF6]）、1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([bmim][Tf2N])、octyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphate（[omim][PF6]）、1-decyl-3-methylimidazolium bis(trifluoro-methylsulfonyl)imide ([dmim][Tf2N])、1-butyl-3-Methylimidazolium tetrafluoroborate ([bmim][BF4])、1-dodecyl-3-methylimidazolium chloride ([dmim][Cl])、1-Methyl-3-octylimidazolium chloride (MOImCl)、[C2mim][NTf2]、[C6mim][NTf2]、[C8mim][NTf2]、[C6F9MIM][NTf2]、1-butyl-3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide、[C4mim][NTf2]、[C4mim][PF6]、[Bmim][PF6]（BMIM-PF6）、[bmmim][PF6]、[C4mim][TFSI]、IL[C8mim][Tf2N]（1-octyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide）、IL2(1-ethyl-3-methyl-imidazolium bromide, [emim][Br])、1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([emim][Tf])、1-ethyl-3-methylimidazolium tetra-fluoroborate ([emim][BF4])、[emim][AlCl4]、[emim][H2,3F3,3]、[emim][CH3CO2]、[emim][CF3SO3]、[emim][(C2F5SO2)2N]、[emim][(C2F5SO2)2C]、[emim][TFA]、[emim][Ac]、1-butyl-3-methylpyridinium tetrafluoroborate ([bmpyri][BF4])、1-butyl-3-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate ([bmpyrro][BF4])、[bmim][BF4]、1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([emim][Cl])、[emim][Tf2N]、[C4mim][AC]、[P6614][Pro]、[P6614][Ala]、[P6614][Gly]、[MTBDH][TFE]、[C2mim][DCA]、[C2mim][Tf2N]、[C2mim][TfO]、[C2mim][TCB]などを用いることができる。
【００９２】
他にも、用いることのできるイオン液体として、例えば、N-(2-Methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate (MEMPBF4)、N-(2-Methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (MEMPTFSI)、 N, N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium tetrafluoroborate (DEMEBF4)、N, N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (DEMETFSI)、N,N,N-Trimethyl-N-propylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TMPA TFSI)、N-Methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PP13 TFSI)などを挙げることができる。
【００９３】
以上に記載されたイオン液体は、EMIMBTIと同様に表示や符号が異なるが、分子構造が同じの場合がある。また、以上に示すイオン液体の他、必要に応じて新たなイオン液体を合成することができる。
【００９４】
また、ＣＯ２は圧力に依存して、イミダゾール（[Emim]＋）系列のイオン液体に物理吸収されることが知られている。
【００９５】
例えば、イミダゾール系のイオン液体の一例である[emim][TFSA]、[emim][BETA]、[emim][NFBS]、[emim][BF4]の場合は、40℃（313K）及び常圧（0.101325 MPa = 1 atm）ではイオン液体におけるＣＯ２の溶解度は、約0.1 mole fraction以下から0.2 mole fraction以下となっている。一方で、これらのイオン液体は、40℃（313K）、6 MPa(= 60atm）の圧力条件下では0.3以上から0.6以上のmole fractionのＣＯ２溶解性を示すことになる。イミダゾール系イオン液体の種類にもよるが、例えば、40℃（313K）にて、圧力を常圧から6 MPaまで加圧させると、イオン液体へのＣＯ２溶解性を大幅（例えば、３倍〜４倍）に増大させることができる。
【００９６】
このように、温度一定の場合、供給されるＣＯ２の圧力の上昇に伴って、イオン液体による物理吸収の度合いが増加する。
【００９７】
ＣＯ２の気液臨界点は、温度が31℃、圧力が7.4 MPaである。ＣＯ２を気体として非水相の媒体に用いるイオン液体に供給する場合、ＣＯ２が超臨界流体にならない条件下でＣＯ２を供給することが好ましい。気液臨界点から温度又は圧力が上昇すると、ＣＯ２が超臨界流体になり得る。例えば、31℃の温度条件下では7.4 MPa以下の圧力であれば、ＣＯ２を気体として非水相に供給することができる。
【００９８】
一方、ＣＯ２のイオン液体への溶解度は温度にも依存する。一般的に、温度の上昇とともにイオン液体へのＣＯ２の溶解度も減少する。従って、各温度における酵素の活性特性に合わせて、最適な温度に制御することが望ましい。
【００９９】
イオン液体へのＣＯ２の溶解性は、カチオン種やアニオン種によっても影響を受ける。イオン液体におけるＣＯ２溶解性には、カチオン種による影響よりもアニオン種による影響の方が大きいという傾向が見られる。
【０１００】
具体例として、同じBmimカチオンを持つイオン液体の場合、下記のアニオン序列でＣＯ２をよく吸収する。
【０１０１】
NO3- ＜ DCA- ＜ BF4- ＜ PF6- ＜ TfO ＜ TFSA
【０１０２】
同じEmimカチオンを持つイオン液体の場合、下記のアニオン序列でＣＯ２をよく吸収する。
【０１０３】
BF4- ＜ NFBS ＜ TFSA ＜ BETA
【０１０４】
また、[Emim][PF6]は、[Emim][BF6]と同程度のＣＯ２吸収性を示す。一方で、[Emim][DCA]は、[Emim][BF6]及び[Emim][PF6]と比べてＣＯ２の吸収性が低い。
【０１０５】
イオン液体におけるＣＯ２溶解性がイオン液体のカチオン種及びアニオン種に依存する理由の一つは、イオン液体中に分散されたunoccupied space（占有されていない空間）の存在にある。イオン液体中に規則正しく分散されているunoccupied spaceがＣＯ２分子を収容するスペースとして利用されている。ＣＯ２がこのunoccupied spaceに吸収される際、イオン液体中のカチオン及びアニオンの移動（displacement）に伴ってunoccupied spaceの広がり（膨張）が生じる。
【０１０６】
カチオンとアニオンの引き付け合う力(凝集力)が弱いイオン液体ほど、unoccupied spaceがイオン液体中に占める比率が多くなりがちな傾向がある。イオン液体中のunoccupied spaceが多いほど、高いＣＯ２吸収特性が得られる。
【０１０７】
多くのイミダゾール系イオン液体は、上述の原理に基づき物理吸収によりＣＯ２を吸収する。
【０１０８】
従って、実施形態では同じEmimカチオンを持つイオン液体のＣＯ２に対する吸収特性に基づいて、必要に応じて異なるイオン液体を適宜に混合して使用することができる。
【０１０９】
また、同じEmimカチオンを持つイオン液体の場合、ペルフルオロアルキル（Perfluoroalkyl）鎖が長ければ長いほどＣＯ２の溶解性を向上させる効果が大きい。そのため、この効果も考慮して、イオン液体のペルフルオロアルキル（Perfluoroalkyl）鎖を適宜に設計及び合成するとよい。
【０１１０】
二酸化炭素を物理的に吸収するイオン液体には、例えば、[C4mim][Nf2T]、[C4mim][PF6]、[C4mim][BF4]、 [C8mim][Nf2T]、[C2mim][eFAP]などのイオン液体を用いることができる。
【０１１１】
一方、イオン液体によるＣＯ２の化学吸収は、Amine-basedのイオン液体又はAmino acid-basedのイオン液体などのイオン液体を用いて行うことができる。
【０１１２】
二酸化炭素を化学的に吸収するイオン液体には、例えば、[P6614][Pro]、[P6614][Ala]、[P6614][Gly]、[MTBDH][TFE]、[N1114][Tf2N]、[MTBDH][Im]を用いることができる。
【０１１３】
その他、疎水性のイオン液体であれば、該イオン液体への水の溶解度が低いため、水による影響が少ない。また、イオン液体を用いる場合、以下のような利点が挙げられる：
１）ガス吸収にともなう体積膨張が小さい
２）広い温度範囲において化学的に安定である
３）不燃性で事故などのリスクが小さい。
【０１１４】
ＣＯ２の隔離効果を向上させるため、又はイオン液体の漏洩や流出などの問題を防ぐために、イオン液体を固定化担体で固定化して使用することがさらに望ましい。例えば、担体材料上にイオン液体膜を形成することで、イオン液体を固定化することができる。
【０１１５】
イオン液体の固定化担体として、多孔性膜、多孔性単層材料、ゼオライト、シリカガラス膜、高分子などの担体を用いることができる。
【０１１６】
高分子をイオン液体の担体として用いる場合、キャスト法や電子紡糸法、吸引法により、ポリマー/イオン液体膜（polymer-ionic liquid composite membrane）、ポリマー/イオン液体繊維などのポリマー/イオン液体の複合材料（composite material）を作ることができる。ポリマーとして、例えば、poly(vinylidene difuoride)(PVDF)、poly(vinylidene difuoride)-hexafluoropropylene（PVDF-HFP）などを用いることができる。
【０１１７】
また、高分子材料とイオン液体の材料とを溶媒で溶かし、多孔性の電極材料に吹き付けることにより、電極の表面にポリマー/イオン液体膜を作ることができる。このようにイオン液体を膜又は繊維状に固定化して使用することができるので、加圧によるＣＯ２の吸収によるイオン液体の漏れを防ぐことがきる。
【０１１８】
イオン液体膜を作製する担体材料として、例えば、疎水性の高分子材料又は親水性の高分子材料を用いることができる。疎水性の高分子材料として、例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などを用いることができる。親水性の高分子材料として、例えば、ポリエチレン（PE）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリビニルアルコール（PVA）などを用いることができる。又は、疎水性と親水性の高分子材料を混合して使用することができる。混合して使用する場合、例えばPVDFとPTFEとを混合して使用することができる。
【０１１９】
高分子材料の他、イオン液体を膜として使えるようになる担体材料として、陽極酸化アルミナナノポーラス膜、ポーラスTiO2、メソポーラスカーボンなどを用いることもできる。
【０１２０】
イオン液体は、またゲル化剤によりゲル化して、イオノゲル（ionogel）とも呼ばれているイオンゲル（ion gel）にすることができる。イオンゲルをさらに成膜させることによってイオンゲル膜にすることができる。ゲル化剤として、例えば、ゼラチン又はMOGs、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（HPMC）を用いることができる。
【０１２１】
イオン液体は、また重合（Polymerize）することにより、polymerized ionic liquidsにして使用することができる。Polymerized ionic liquidsをさらに成膜させることによってpoly(ionic liquid)膜にすることができる。
【０１２２】
その他、イオン液体として、ポーラス構造を有するポーラスイオン液体構造体（Porous ionic liquid structures）を用いることができる。ポーラスイオン液体構造体は、例えば、TiO2などからなる鋳型が存在する条件においてイオン液体の架橋（cross-linking）を行い、続いて鋳型の除去（例えば、エッチング、置換除去など）を行うことにより作ることができる。また、ポーラスイオン液体構造体は、鋳型フリーの条件においても作ることもできる。実施形態に用いることのできるポーラスイオン液体構造体としては、CO2をよく吸収できるポーラスイオン液体構造体が望ましく、その種類が特に限定されるものではない。
【０１２３】
非水相の媒体としてイオン液体を用いた場合は、イオン液体の水相への流出を防ぐ目的で、イオン液体を含む非水相と水相との間に透過−分離膜（例えば後述するセパレーター）を設けることが望ましい。
【０１２４】
［酵素体］
非水相に含まれている酵素体は、１種以上の酵素を含む。酵素体は、単独の酵素であってもよい。あるいは、酵素体は、固定化された酵素（immobilized enzyme）を含む。ここで、酵素の固定化とは、担体結合法により担体へ酵素を結合させること、包括法により高分子ゲルやマイクロカプセルなどに酵素を封じ込めること、及び架橋法により酵素同士を結合させることを含む。酵素を固定化して得られる酵素体は、例えば分散剤により形成される分子集合体と酵素とを含む複合体、酵素を内包するマイクロカプセル、高分子材料等からなる支持体とこの支持体に担持又は内包された酵素とを含む複合体などを含む。さらに、酵素体として、酵素を含んだ細胞や微生物を用いることもできる。
【０１２５】
ほとんどの場合、酵素反応は水を必要とする。これは、酵素が本来水の中で働く生体触媒であることに起因する。通常、酵素は、水中において、柔軟になるため高い酵素活性を示す。逆に、水のない系では酵素の活性が著しく低下してしまう。従って、非水相における酵素反応系では、適量な水の存在が望ましい。水の存在形態が酵素体の形態に依存するが、高い酵素活性が得られれば、水の含有量とその存在形態が特に限定されるものではない。
【０１２６】
酵素体は水を含むことができ、この水は、酵素の酵素反応場として機能することができる。そのため、水を含んだ酵素体において、酵素は高い酵素活性を示す。
【０１２７】
酵素体は、非水相中の媒体に分散される。
【０１２８】
非水相中には、一種の酵素体を含み、各酵素体は二種以上の酵素を含んでいてもよい。又は、非水相は、酵素の種類が異なる複数種の酵素体を含んでいてもよい。この場合、各酵素体は、酵素を一種のみ含んでいてもよく、酵素を二種以上含んでいてもよい。
【０１２９】
また、非水相が、酵素の種類が異なる複数種の酵素体を含んでいる場合において、一方の酵素体における酵素反応によって生成された反応生成物の一部が、他方の酵素体における酵素反応の基質となる場合がある。同一の系に含まれている個別の酵素体の間では、化学物質の交換が速やかに行われている。そのため、一方の酵素体における酵素反応によって生成された反応生成物は、速やかに他方の酵素体へ移動し、そこで基質として酵素反応に参加する。
【０１３０】
酵素反応が行われる場所を非水溶媒の中にすることで、ウィルス、カビ、細菌、藻類などの発生も防ぐことができる。この観点からも、非水相中の媒体に分散した酵素体において酵素反応を行うことが望ましい。
【０１３１】
酵素の活性発現に必要とされる水を“essential water”という。つまり、非水相に分散される酵素の周りに“essential water”を存在させることが望ましい。例えば、親水性の酵素を非水相に分散する場合は、該酵素の周りの“essential water”として、１酵素当たりに約５０個〜５００個の水分子から形成される薄い水の層（a thin layer of water）が存在することが望ましい。
【０１３２】
なお、酵素体として、酵素を固定化して得られるものを用いた場合は、以下のような性質が発現するため、望ましい：
（１）高濃度の基質（例えば、二酸化炭素、又はその還元生成物）を用いることができる。
（２）酵素のストレス耐性が向上する。
（３）酵素（酵素体）と生成物との分離が容易になる。
（４）酵素の繰り返し使用が容易になる。
【０１３３】
（酵素）
酵素体が含むことのできる酵素としては、単体で、あるいは複数の酵素を組み合わせたときに二酸化炭素を還元して、燃料を生成する反応を触媒する酵素であれば、特に限定されない。用いることのできる酵素は、例えば二酸化炭素を還元して中間生成物を生成する酵素反応の触媒として機能する酵素、二酸化炭素由来の反応生成物（例えば、前述した中間生成物としての二酸化炭素の還元生成物）を基質とする酵素反応の触媒として機能する酵素、二酸化炭素をキャプチャーする酵素、NAD+をNADHに還元する酵素などを含む。
【０１３４】
酵素の具体例としては、例えばformate dehydrogenase (FDH)、metal-dependent formate dehydrogenase、formaldehyde dehydrogenase、alcohol dehydrogenase、carbonic anhydrase、glutamate dehydrogenase (GDH)、molybdenum-containing formate dehydrogenase (Mo-FDH)のようなoxidoreductase-dehydrogenaseなどを挙げることができる。なお、GDHは、NAD+をNADHに還元する酵素の一例である。
【０１３５】
後述するとおり、NAD+及びNADHは、それぞれメディエーターであるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの酸化体及び還元体である。NAD+をNADHに還元する酵素の具体例としてGDHを挙げたが、他の酵素を用いてもよい。例えば、NAD+をNADHに還元する酵素の他の具体例としてPTDHを挙げることができる。また、酵素により再生できるメディエーターの一例としてNADH／NAD+を挙げたが、当然、酵素体に含むことのできる酵素により再生できるメディエーターは、これに限られない。酵素体には、様々な酸化されたメディエーターを還元する種々の酵素を含ませることができる。
【０１３６】
他の例として、tungsten-containing formate dehydrogenase enzyme (FDH1) 及び carbon monoxide dehydrogenase (CODH) など、並びに、二酸化炭素をメタンに還元させる酵素であるremodeled nitrogenase を挙げることができる。
【０１３７】
上記の酵素の他、多段の酵素反応により二酸化炭素から、燃料の他にさらに付加価値が高い有用物質へ変換させるための酵素を用いることができる。
【０１３８】
酵素は、種類によっては高圧力下でも触媒活性を示すことができる。例えば、200 MPaの圧力下でも機能できる酵素もある。異なる種類の酵素ごとに、一定の条件下（圧力以外の条件）においてその酵素が触媒する反応の反応速度が最大になる圧力、つまり最適圧力（optimal pressure）が存在し得る。例えば、一定の条件（圧力以外の条件）のもとで、圧力を増大させるとともに反応速度が増大し、最適圧力に到達した時点で反応速度が最大になる。最適圧力より高い圧力下では、反応速度が減少する。例えば、酵素は、一般的には400 MPa程度、又はそれ以上の圧力下で変性が起こり、機能を維持できなくなり得る。
【０１３９】
上述したとおり、圧力の上昇に伴ってイオン液体のＣＯ２溶解度が向上する。そのため、非水溶媒へのＣＯ２吸収の促進のために圧力を高くした条件においても触媒活性を示す酵素を用いることが好ましい。具体的には、酵素体に含ませる酵素としては、400 MPaの圧力下でもＣＯ２又はＣＯ２の還元生成物の還元反応を触媒する機能を維持するものが好ましい。例えば、常温（298 K）以上304 K以下の温度にて、0.101325 MPa（常圧）以上7.4 MPa以下の範囲において活性を保持している酵素を用いることがより好ましい。
【０１４０】
（分散剤）
分散剤として乳化剤を用いることができる。乳化剤は、親水基と疎水基とを有する両親媒性分子である。乳化剤を使用して安定な分子集合体を形成することができる限り、実施形態に用いられる乳化剤の種類と組み合わせは特に限定されない。乳化剤には、例えば、脂質と境界脂質、スフィンゴ脂質、蛍光脂質、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、両性界面活性剤（ampholytic surfactant）、双性イオン界面活性剤（zwitterionic surfactant）、非イオン性界面活性剤、糖系界面活性剤、合成高分子、タンパク質などの天然高分子等を適宜選択して使用することができる。
【０１４１】
双性イオン界面活性剤として、例えば、N-dodecyl-N、N-dimethyl-3-ammonio-1-propanesulfonate（SB-12）を用いることができる。
【０１４２】
（分子集合体）
非水相において、分散剤によりほぼ球状の逆ミセル又は紐状の逆紐状ミセル、又はリポソーム、ベシクル、マイクロエマルション、ラージャーエマルション、両連続マイクロエマルション、単分散状のシングルエマルション、ダブルエマルション、多重層エマルションのいずれか一つ以上の分子集合体を形成させることができる。
【０１４３】
酵素体は、このような分子集合体に酵素を固定化して得られたものであってもよい。例えば分子集合体の一例として、非水相において分散剤により形成されるほぼ球状の逆ミセルは、その中央に所定量の水をウォータープールとして保持することができる。逆ミセルのウォータープールに酵素を取り込ませることによって、酵素を固定化することができる。このように酵素を固定化することを、ウォータープールへの酵素の可溶化ともいう。酵素体では、ウォータープールを酵素が触媒する酵素反応の場として利用する。
【０１４４】
逆ミセルは例えば次のように形成される。非水相の媒体に乳化剤を添加してゆき、乳化剤の濃度が臨界ミセル濃度（Critical Micelle Concentration；CMC）に達すると、乳化剤の親水基と疎水基がそれぞれ内側と外側に向き、水を囲んだほぼ球状の逆ミセルを形成することができる。
【０１４５】
また、乳化剤の濃度をさらに増やして、球状であった逆ミセルを成長させて紐状に伸びた逆紐状ミセルを形成することができる。逆紐状ミセルの中心部にある水は、逆ミセルと同様に酵素反応の反応場となる。また、逆紐状ミセルを酵素体として用いることにより、酵素体を含んだ非水相をゲル化させることができる。非水相のゲル化の詳細については後述する。
【０１４６】
また、乳化剤の代わりに、例えば1，2-ビス(2-エチルヘキシルカルボニル）-1-エタンスルホン酸ナトリウム（Aerosol OT；AOT）などの界面活性剤を非水溶媒に添加して逆ミセル及び逆紐状ミセルを作製できる。非水相中において、AOTの濃度を増えさせると、逆紐状ミセルを形成させることができる。さらに、AOTの濃度を増やし続けると、逆紐状ミセルがお互いに絡み合って非水相の媒体全体がゲル化する。
【０１４７】
また、その他の分子集合体として、例えば分散剤により形成されるリポソーム、ベシクル、マイクロエマルション、ラージャーエマルション、両連続マイクロエマルション、油中水滴型エマルションなどの単分散状のシングルエマルション（Ｗ／Ｏ単分散状エマルション）、ダブルエマルション（Ｗ／Ｏ／Ｗ型ダブルエマルション）、又は多重層エマルションを用いることができる。これらの分子集合体は、内部にウォータープールとして利用できる内水相又は水相としての水溶媒を含み得る。
【０１４８】
また、分子集合体が内水相又は水相として含むことのできる水溶媒は、例えば上述したような極性のイオン液体を含んでいてもよい。例えば、極性のイオン液体と水溶媒とを混合して、非極性のイオン液体の中で形成される、（IL＋Ｗ）／Ｏマイクロエマルション（油中水滴型エマルション）、逆ミセル[（ＩＬ＋Ｗ）／Ｏ]、又は逆紐状逆ミセルなどのイオン液体（ＩＬ）と水溶媒（Ｗ）とからなる混合溶媒の内相（ＩＬ＋Ｗ）として用いることができる。
【０１４９】
なお、ウォータープールの中で、イオン−双極子相互作用により分子運動を束縛された状態の分散剤の分子又はプロトン性イオン液体（PIL）の分子の親水基周辺に存在する水を、結合水と称する。一方、ウォータープールの中心部に存在する水は、バルク水とほぼ同様な状態の自由水である。自由水と結合水との間では、交換が迅速に行われている。自由水は、含水量ωoの増大とともに増大する。含水量ωoは下記式によって求められる。
【０１５０】
【数１】
2018153173.tif 000004
【０１５１】
ここで、[H2O]は水のモル濃度であり、[S]は分散剤（S）のモル濃度である。
【０１５２】
また、ウォータープールの半径（Rw）が下記式によって求められる。
【０１５３】
【数２】
2018153173.tif 000005
【０１５４】
イオン液体としてプロトン性イオン液体（PIL）を用いる場合、PILは補助界面活性剤としての役割も果たし、逆ミセル又はマイクロエマルション（water-in-ionic liquid型; W/IL）の形成にも寄与することになる。そのため、逆ミセル又はマイクロエマルション（W/IL）の形成に利用されるPILの量も考慮する必要がある。一般的に含水量ωoは、一定の界面活性剤の濃度[S]において、PIL量が増大すると、より大きくなる。
【０１５５】
含水量ωoを適切に調整することにより、ウォータープールの大きさを適切に調整することができる。ただし、ウォータープールの中に、極性イオン液体などの溶媒が共同に存在する場合、含水量ωoは、上記式から逸脱する場合もある。
【０１５６】
上述した逆ミセル、逆紐状ミセル、リポソーム、ベシクル、マイクロエマルション、ラージャーエマルション、Ｗ／Ｏ単分散状エマルション、又はＷ／Ｏ／Ｗ型ダブルエマルション等の分子集合体は、さらにゲル又は高分子材料でコートすることができる。
【０１５７】
なお、ゲル又は高分子でコートした逆ミセル、リポソーム、ベシクル、マイクロエマルション、ラージャーエマルション、Ｗ／Ｏ単分散状エマルション、又はＷ／Ｏ／Ｗ型ダブルエマルション等の分子集合体は、マイクロカプセルとみなすことができる。
【０１５８】
分子集合体の安定性や酵素反応の効率を高める目的として、さらに酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホン、シリカナノ粒子、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、パラジウムナノ粒子、半導体ナノ粒子、メソポーラス材料の一種類以上を分子集合体の内部、表面、又は周辺に分散することができる。ここで、分子集合体の内部は、例えば逆ミセル等のウォータープール内、又は逆紐状ミセルの中心部等である。これらのうち、酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホン、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、パラジウムナノ粒子を分散させた場合は、高い電子伝導性とイオン伝導性、並びに分子集合体の安定性向上の効果を得ることができる。一方、シリカナノ粒子、半導体ナノ粒子、メソポーラス材料を分散させた場合、分子集合体の安定性の向上という効果を得ることができる。
【０１５９】
上記分散物に加え、銅ナノ粒子を単独、又は上記分散物の一種以上と併せて分散させてもよい。銅ナノ粒子を分散させた場合も、電子伝導性とイオン伝導性とを高くし、且つ分子集合体の安定性を向上させることができる。
【０１６０】
後述するように非水相に１対以上の電極を設ける場合は、これらの材料によって電極同士が短絡されないように留意する。例えば、分子集合体の内部に材料を分散する、又は各々の電極を十分に離して配置することで、電極の短絡を防止することができる。また、材料の大きさを小さくすることが、電極の短絡を防止するうえで好ましい。
【０１６１】
（マイクロカプセル）
実施形態に係るマイクロカプセルとは、例えば微小な核（固体、液体、気体）を含む芯部を多孔性の壁膜により包み込んで得られ、大きさがナノスケールからミリスケールの範囲のものを指す。酵素体におけるマイクロカプセルは、酵素の改変の防止、非水溶媒からの隔離、保存、及び隠蔽などの効果を有する。
【０１６２】
上記した酵素の改変とは、例えば、酵素の変性や不活性化などを含む。
【０１６３】
実施形態に係るマイクロカプセルの芯部は、酵素反応の場として利用される。さらに、マイクロカプセルは、芯部へ測定対象物質、基質、メディエーター、水、中間生成物など酵素反応に係る成分を速やかに取り込むことができ、また、芯部から酵素反応の反応生成物を速やかに放出することができる。
【０１６４】
マイクロカプセルの壁膜、すなわち殻部の材料として、吸湿性高分子材料やその他の、例えば担体として用いることのできる高分子の材料を用いることができる。すなわち、マイクロカプセルの壁膜は、吸湿性高分子材料や高分子材料からなる有機の壁膜、無機の壁膜、無機／有機のハイブリッド壁膜のいずれか一種類の壁膜であり得る。
【０１６５】
マイクロカプセルは、一般的に、化学的技法、物理化学的技法、及び機械的かつ物理的技法の三大技法により作製することができる。これらの技法の中で、球状単核のマイクロカプセルを作製する技法として、化学的技法の界面重合法、in-situ重合法、液中硬化被覆法と、物理化学的技法の液中乾燥法などの方法がある。
【０１６６】
実施形態に係る関わるマイクロカプセルは、上述の方法で作製できるほか、例えば二段階乳化法や膜乳法、一段階乳化法により作製されたダブルエマルションを鋳型として作製することができる。特に一段階乳化法により作製されたダブルエマルションを鋳型として得られたマイクロカプセルは、芯物質内の不純物が少なく、粒径や芯の数、芯の粒径のバラツキが少なく、かつ酵素の高活性を保ったまま芯部に内包させることができるため、望ましい。
【０１６７】
又は、反応性の分散剤により形成された逆ミセル又はベシクル、ダブルエマルションを用いて、分散剤の光重合によりマイクロカプセルを作製することもできる。
【０１６８】
マイクロカプセル内に酵素を保持させたものを酵素体とすることができる。このような酵素体は、例えば上述の方法によってマイクロカプセルを作製する際、作製されるマイクロカプセルに酵素が内包されるようにしてマイクロカプセルを作製して得ることができる。また、酵素の代わりに、後述する細胞や微生物をマイクロカプセル内に保持してもよい。こうして得られる酵素を内包するマイクロカプセル（酵素体）を非水相の媒体に分散させる前に、水溶媒に浸漬して芯部又は壁膜に水分を含ませてもよい。
【０１６９】
（細胞及び微生物）
酵素体として、酵素を含んだ細胞や微生物を用いることができる。細胞や微生物は、単体で酵素体として用いることができる。あるいは、担体結合法や包括法などに固定化させた細胞又は微生物を酵素体とすることもできる。
【０１７０】
また、細胞や微生物をゲル又は高分子材料でコートして、酵素体としてもよい。細胞や微生物をコートするゲルや高分子材料の詳細は後述する。細胞や微生物をゲルでコートする場合、ゲルとともに、細胞外マトリックスタンパク質（Extracellular Matrix protein: ECM protein）又は細胞外マトリックスであるフィブロネクチン（Fibronectin: FN）も併せてコートすることもできる。
【０１７１】
自然に存在する細胞や微生物には、さまざまな酵素が含まれており、二酸化炭素の固定化や燃料への変換に有用な酵素又は酵素の組み合わせを有するものもある。適当な組み合わせの酵素を有する細胞又は微生物を選択することにより、実施形態の酵素体として用いることができる。また、実施形態に用いることのできる細胞は、微生物以外の細胞、例えば動物細胞や植物細胞であり得る。また、上記の微生物や細胞の代わりに、太陽光や人工光などの光をエネルギー源とする藻類と総称される生物群を用いることもできる。
【０１７２】
細胞や微生物は、増殖を伴わない死滅した状態のものを用いることができる。なお、このように死滅状態にある微生物は、静止状態にあるといい、このような微生物を固定化したものを固定化静止菌体という。
【０１７３】
（支持体）
酵素を固定化する支持体は、例えば粉末状又は多孔性ビーズ状のキチン、キトサン（例えば、富士紡績製のキトパールBCW3010）、キシラン、κ−カラギーナンなどの多糖類を用いることができる。また、支持体として、例えば多孔性のガラス、ポリ乳酸、アルミナ、シリカゲル、セライトを用いることができる。その他にも、例えばセルロース、デキストラン、アガロースなどの多糖類誘導体も支持体として用いることができる。
【０１７４】
支持体の形状は特に限定されず、上述の粉末状や多孔性ビーズ以外の形状とすることもできる。例えば、セルロースの場合は、セルロースパウダーとしての形態の他に、不織布にして用いることができる。また、支持体としては、例えばセルロースパウダー、セルロースナノファイバー（CNF）、セルロースナノクリスタル（CNC）、キチンナノファイバー、又はキトサンナノファイバーなどを用いることができる。なお、典型的なCNFは4 nm〜100 nm程度の幅及び5μm程度の長さを有し、典型的なCNCは、幅10 nm〜50 nm程度の幅及び100 nm〜500 nm程度の長さを有する。また、例えばスギノマシン社製のセルロース、キチン、キトサン由来のナノファイバーである[BiNFi-s]を用いてもよい。なお、「BiNFi-s」は約20nmの直径及び数μmの長さを有する。
【０１７５】
上記の支持体を担体として、担体結合法（物理的吸着法、イオン結合法、共有結合法）により担体を酵素で修飾する、又は担体上に酵素を分散して複合体を作製する。あるいは、例えば格子状の支持体を用い、包括法（格子型）により支持体を酵素で修飾し、支持体の網目構造において酵素を分散して複合体を作製する。こうして得られる複合体を酵素体として用いることができる。
【０１７６】
なお、包括法により格子状の支持体に酵素を修飾した場合、酵素は支持体の網目に閉じ込められ得る。
【０１７７】
また、支持体として高分子材料を用いることができる。支持体として用いることのできる高分子材料（ポリマー材料）には、天然高分子又は合成高分子を原料としたものがある。
【０１７８】
天然高分子として、例えば、デンプン系（デンプン−アクリロニトリルグラフト重合体加水分解物、デンプン−アクリル酸グラフト重合体、デンプン−スチレンスルホン酸グラフト重合体、デンプン−ビニルスルホン酸グラフト重合体、デンプン−アクリルアミドグラフト重合体など）、セルロース系（セルロース−アクリロニトリルグラフト重合体、セルロース−スチレンスルホン酸グラフト重合体、カルボキシメチルセルロースの架橋体）、その他の多糖類系（ヒアルロン酸、アガロース）、タンパク質系（コラーゲンなど）などを用いることができる。
【０１７９】
合成高分子を原料とした高分子材料は、機械的強度及び化学的安定性の面において優れている。合成高分子として、例えば、ポリビニルアルコール系（ポリビニルアルコール架橋重合体、PVA吸水ゲル、凍結／解凍エラストマーなど）、アクリル系（ポリアクリル酸ナトリウム架橋体、アクリル酸ナトリウム−ビニルアルコール共重合体、ポリアクリロニトリル系重合体ケン化物など）、その他の付加重合体（無水マレイン酸系重合体、ビニルピロリドン系共重合体など）、ポリエーテル系（ポリエチレングリコール−ジアクリレート架橋重合体など）、縮合系ポリマー（エステル系ポリマー、アミド系ポリマー）などを用いることができる。
【０１８０】
上述の高分子材料は用途に応じて、粉末状、ビーズ状、繊維状、フィルム状、不織布状などさまざまな形状に適宜に加工して使用することができる。
【０１８１】
上記の高分子材料を担体として、担体結合法（物理的吸着法、イオン結合法、共有結合法）により担体を酵素で修飾し、担体上に酵素を分散して酵素体を作製する。あるいは、例えば格子状の支持体を用い、包括法（格子型）により支持体を酵素で修飾する、又は支持体の網目構造において酵素を分散して酵素体を作製する。
【０１８２】
酵素を固定化する支持体として、高分子ゲル（ポリマーゲル）を用いてもよい。このようなゲルとしては、例えば、トロポエラスチンというタンパク質で作られたMetrogel（MeTro Hydrogel）、gelatin methacrylate（GelMA）ヒドロゲル、ゼラチン、アルギン酸ヒドロゲル、ポリアクリル酸ナトリウムゲル、メビオールジェル（池田化学社製の登録商標； Mebiolgel）、常温固化型／伸縮性ハイドロゲルAQUAJOINT（日産化学工業株式会社製の商品名）、シリカゲル、寒天、κ−カラギーナン、ポリアクリルアミドゲルを用いることができる。
【０１８３】
上記のゲルに、結合法（物理的吸着法、イオン結合法、共有結合法）により酵素を分散及び修飾して、あるいは、包括法により酵素をゲルで包括することにより酵素体を作製することができる。
【０１８４】
吸収液や吸収剤を用いた物理的吸収分離、膜分離法、ＣＯ２の圧縮及び隔離などといったＣＯ２を分離及び回収する方法には以下に示す様々な制約がある：
（１）圧力が低いガスにしか適用できない
（２）耐腐食性の反応容器の使用が必要
（３）熱エネルギーが必要
（４）水素ガスの分離が必要
（５）酸素を分離するためのエネルギーが必要
（６）脱硫が必要。
【０１８５】
また、電気化学的変換手法を利用してＣＯ２からメタノールなどの燃料に変換する場合、大きな過電圧が必要とされる。加えて、電気化学的な手法では、副生成物も多いなどの課題も存在する。
【０１８６】
これに対し、酵素を利用したＣＯ２からの燃料変換法には、上述した制約がなく、金属触媒などの無機触媒と比べて、より小さな過電圧の利用が可能になる。そのため、酵素によるＣＯ２の燃料への変換は、好適な変換法である。
【０１８７】
［メディエーター］
実施形態に係るメディエーターは、酵素が触媒する酵素反応のメディエーターとなる物質であれば、その種類は特に限定されない。ここで、メディエーターは、反応物を還元する酵素反応において、それ自身が還元剤として作用するものでもよく、あるいは、反応物を還元する酵素反応において、補酵素として作用するものでもよい。
【０１８８】
例えば、NADH（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）とPQQ（Pyrroloquinoline quinone）は補酵素であり、メディエーターの一種として見なすことができる。
【０１８９】
二酸化炭素から酵素反応により燃料を生産する多くの酵素反応において、メディエーターが必要である。メディエーターとしてNADHを用いる場合、NADHは補酵素としての役割を果たす。
【０１９０】
上記したニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）（還元体）／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD+）（酸化体）のほかに、NADPH／NADP+、MV+／MV+2（methyl viologen）、フェリシアン化カリウム／フェロシアン化カリウム、ヒドロキノン／ｐ−ベンゾキノン、Pryogallol／Purpurogallin、3,3',5,5'-テトラメチルベンジジン（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine; TMB）／3,3',5,5'-tetramethylbenzidine diimineのようなペア系メディエーターを用いることができる。その他、上記したピロロキノリンキノン(PQQ；Pyrroloquinoline quinone)以外にも、ヨウ素、p−ニトロフェノール、フェノール、芳香族アミンなどをメディエーターとして用いることができる。
【０１９１】
さらに他のメディエーターとして、p−クレゾールを挙げることができる。
【０１９２】
水溶性のメディエーターは、例えば酵素体のウォータープールに可溶して、メディエーターとしての機能を発揮することができる。
【０１９３】
NADHは補酵素として多くの酵素反応に参与し、その際電子やプロトンを提供して、酸化体であるNAD+に酸化される。一方、NADHは非常に高価であるため、酸化体NAD+からの還元による再利用が望まれている。すでに化学的手法及び電気化学的手法、光電気化学的手法、酵素法などの手法によってNADHの再生法が検討されている。その中でも、電気化学的手法によるNADHの生成方法は、還元試薬の添加が必要とされず、コストも低いため、有力な方法の一つである。
【０１９４】
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置において、酸化された状態のメディエーターを電気化学的手法により再生する場合は、例えば非水相に接するようにカソード電極とアノード電極とを設置する。後述するとおり、カソード電極による作用（例えば、還元反応）により、メディエーターを再生することができる。
【０１９５】
一方、通常の電極を用いて、電気化学的にNAD+からNADHに還元すると、NAD+は酵素活性のNADH（補酵素）として還元されるほか、酵素活性のない二量体NAD2としても還元される。さらに、NAD+がNADHに還元される反応に比べて、二量体NAD2の生成速度が速いため、電気化学的にNAD+を還元する場合、主に二量体NAD2が還元生成されることになる。二量体NAD2は酵素的に不活性、すなわち、補酵素としての機能がない。
【０１９６】
一方、NADHは、補酵素として機能するが、二量体NAD2の生成反応に比べて生成速度が遅い。そのため、二量体NAD2の生成により、酵素反応に参加可能なNADHの量も徐々に減少してゆくことになる。
【０１９７】
そこで、NAD+の還元電位（過電圧）を小さくするために、さらに他のメディエーターを用いることが望ましい。すなわち、NAD+を含んでいる非水相中の媒体又はウォータープールに、NAD+を還元できるメディエーターを分散させることができる。このメディエーターによってNAD+を還元させることができる。詳細は後述するが、酸化されたメディエーターは、例えばカソード電極の作用により還元させることができる。
【０１９８】
NAD+と併せて他のメディエーターを用いる場合、他のメディエーターとしては例えば、ヒドロキノンやフェリシアン塩、フェロセン、有機色素、遷移金属集合体（complex）などを用いることができる。これらのメディエーターは、非水相中の媒体に分散することができる。
【０１９９】
あるいは、非水相中に、NAD+をより低い過電圧で還元できる触媒層を設置することもできる。この触媒層は、例えばカソード電極の上に設けることができる。触媒層は、例えば電解重合、直接に吹き付ける吹付法、塗布法、含浸法などの方法によって、電極に設けることができる。
【０２００】
例えば、電解重合によって、多孔質膜上にPoly(Neutral red) [略号：Poly(NR)]の電解膜を作ることができる。Poly(NR)修飾膜を有する多孔質膜を用いることにより、NAD+を比較的に低い過電圧（-600 V vs. Ag/AgCl）で酵素活性を有するNADHに効率よく還元させることができる。
【０２０１】
一方、NAD+からNADHに還元する際、電子（ｅ−）だけではなくプロトン（Ｈ＋）も必要になる。このプロトンは、例えばプロトン源としての水相から供給することができる。水相をプロトン源とした場合の詳細は、後述する。
【０２０２】
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置において、酸化された状態のメディエーターを酵素法、つまり酵素反応の利用により再生する場合は、例えば、メディエーターの酸化体を還元する反応を触媒する酵素を含む酵素体を用いることができる。具体例として、NADH／NAD+をメディエーターとして採用している場合は、GDHを含む酵素体を用いることができる。
【０２０３】
メディエーターを再生する方法は、先に具体的に説明したものに限られず、例えば、様々な化学的手法、電気化学的手法、光電気化学的手法、酵素法などを採用することができる。メディエーターの再生方法は、１つを採用してもよく、又は、複数採用してもよい。例えば、電気化学的手法と酵素法とを併用してもよい。
【０２０４】
上記補酵素（例えばNADH）以外のメディエーターのみを用いる場合、例えば、フェロセンや下記の疎水性のメディエーター（デカメチルフェロセン、1,2−ジフェロセニルエチレン、テトラメチル−p−フェニレンジアミン）を用いることができる。
【０２０５】
【化２】
2018153173.tif 000006
【０２０６】
【化３】
2018153173.tif 000007
【０２０７】
【化４】
2018153173.tif 000008
【０２０８】
［電極］
上述したとおり、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置では、酵素反応において二酸化炭素を還元する、又は二酸化炭素の還元生成物（中間生成物）を還元する際に、それ自身が酸化されたメディエーターを再生するために電気化学的手法を用いることができる。メディエーターを還元して再生させるために電気化学的手法を採用する場合、非水相に例えばカソードとアノードと呼ばれる一対の電極を設置する。これらカソードとアノードとは、例えば非水相の媒体（イオン液体）中に含まれ得る。また、カソードとアノードとの各々について多孔質の電極を用いることもできるが、このような場合には、これらの電極は、多孔質膜としても機能することができる。
【０２０９】
カソード電極は、例えば二酸化炭素の酵素反応において消費される補酵素NADHの再生や酸化されたメディエーターの還元の役割を果たす。すなわちカソード電極は、カソードとして機能する。一方、アノード電極は、カソード電極と対を成して、アノードとして機能する。
【０２１０】
非水相に電解質として、例えば、支持塩を添加してもよい。支持塩の例として、KCl、Tetrabutylammonium perchlorate(TBAP)などを挙げることができる。
【０２１１】
なお、非水相が含むイオン液体には、それ自体が電解質としての機能を有することができるものもある。その場合、電極（カソードとアノード）の作用を得るために電解質を別途添加しなくてもよい。
【０２１２】
また、カソード電極とアノード電極を作用電極と対極にする場合、カソード電極とアノード電極とに加え、非水相にさらに、参照電極又は擬似参照電極を設けることで３電極系の設計とすることができる。あるいは、カソードとアノードとに加え、カソードとアノードとにそれぞれ対応する参照電極（計２つ）、又は擬似参照電極（計２つ）をさらに設けることで、４電極系の設計とすることができる。参照電極又は擬似参照電極を用いることにより、メディエーターを還元するための電圧をより正確に制御することができる。そのため、メディエーターを効率よく再生することができる。参照電極及び擬似参照電極は、非水相における任意の場所に設置することができるが、カソード電極とアノード電極の間に設けることが望ましい。
【０２１３】
あるいは、参照電極及び擬似参照電極は、水相における任意の場所に設置してもよい。メンテナンスの容易性などの利点を鑑みると、参照電極や擬似参照電極を水相に設置することが望ましい。また、参照電極を水相に設置する場合は、有機溶媒用の参照電極を用いる必要がなくなる。
【０２１４】
上述のように参照電極及び擬似参照電極を燃料生成部において適切に設置することにより、定電流に設定した場合は、電流値と生成物濃度（例えば、燃料濃度）が安定するため望ましい。また、定電圧に設定した場合は、安定した印加電位値を保持することができ、高純度の生成物（燃料）が得られるため望ましい。
【０２１５】
カソード電極及びアノード電極として、それぞれ多孔質ではない電極を用いた場合は、非水相及び水相における酵素反応の基質及び中間生成物、燃料、補酵素、その他のメディエーター、及びプロトンイオンなどの拡散が妨げられない位置にカソード電極とアノード電極それぞれを設置することが望ましい。一方で、カソード電極とアノード電極とが多孔質膜としても機能できる場合は、カソード電極とアノード電極とを設置する位置は特に限定されない。
【０２１６】
例えば、カソード電極を非水相と水相との間に設置することができる。また、例えばアノード電極を気相と非水相との間に設置することができる。さらに、例えば複数のカソード電極を非水相中に設置することで、非水相を複数の領域に区分けすることもできる。水相をメディエーターの再生に用いるプロトンのプロトン源とした場合は、カソード電極を多孔質膜として非水相と水相との間に設置することでカソード電極へプロトンを効率よく供給できるため、メディエーターの再生を促進できる。
【０２１７】
カソード電極及びアノード電極の材質は、導電性のある材料から選択すればよく、その材料は特に限定されない。例えば、市販のカーボン、カーボンクロス、カーボン繊維、カーボン不織布、カーボンペーパーを用いることができる。その他、グラフェンの薄片又はカーボンナノチューブを含む複合電極材料を用いることができる。これらの材料を用いた電極は、多孔質膜としても機能することができる。多孔質膜を兼用する電極の片面が大気などの気相に曝露される場合は、例えば非水相への二酸化炭素の供給を促進するために、気相に曝される面にガス拡散層を設けてもよい。ガス拡散層は、主としてカーボンと撥水性素材から成る緻密層（Micro Porous Layer）である。
【０２１８】
また、金属材料の電極をカソード電極及びアノード電極として用いることもできる。例えば、白金、金、銀を含む電極を用いることができる。一方で、コストの面からは、チタン電極を用いることが望ましい。
【０２１９】
参照電極及び擬似参照電極として、例えば白金、白金黒、パラジウム、銀、銀/塩化銀（Ag/AgCl）電極、金、カーボン電極などの電極を用いることができる。
【０２２０】
また、カソード電極及びアノード電極の材質の具体例として、カーボンフェルト（carbon felt）、カーボンナノファイバー不織布、発泡型（フォーム型）グラフェン（例えば、連続三次元ネットワークを有するグラフェンフォーム；graphene foams with continuous 3D networks）などをさらに挙げることができる。
【０２２１】
発泡型（フォーム型）グラフェンは、例えば、まず化学蒸着法（ＣＶＤ法）によりニッケル・フォーム上にグラフェン層を作り、その後ニッケルの土台を取り除くことによって作ることができる。発泡型グラフェンは、多くの細孔を有するため、非水相の媒体（イオン液体）を中まで浸透させることができる。発泡型グラフェンはさらに、頑丈（robust）でフレキシブルであり、取り扱いやすいなどの長所を有する。
【０２２２】
電極（カソード電極、アノード電極、参照電極、及び擬似参照電極を含む）は、電極の設置位置や用途に応じて、例えば、平板状、棒状、網状、ワイヤ状、クロス状（cloth-form）などの形状に適宜に加工して使用することができる。
【０２２３】
［多孔質膜］
気相と非水相との間、又は非水相と水相との間に多孔質膜を設けることができる。また、非水相に多孔質膜を設置することで、非水相を複数の非水相に分けることができる。
【０２２４】
上述したとおり、多孔質のカソード電極やアノード電極を多孔質膜として用いてもよいが、カソード電極及びアノード電極とは別体の多孔質膜を用いてもよい。この場合は、多孔質膜の材料として、上述した電極材料に加え、ガラス、セラミックス、高分子などといった、無機又は有機の材料を用いることができる。
【０２２５】
また、多孔質膜表面の適切な位置において、撥水性膜や親水性膜、修飾膜、金属ナノ粒子などで適切に修飾することができる。なお、カソード電極及びアノード電極が多孔質膜を兼用する場合は、これらの電極も同様に、撥水性膜や親水性膜、修飾膜、金属ナノ粒子などで修飾してもよい。
【０２２６】
修飾膜として例えば、Poly（NR）を電解重合によって修飾することができる。
【０２２７】
また、多孔質膜を水相との間に設置する場合、水相側に面する多孔質膜の表面に透過−分離膜、プロトン交換膜（PEM）又はProtiｃ系のイオン液体膜をさらに設けてもよい。
【０２２８】
＜水相＞
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置は、水を含んだ抽出液を含む水相を含む。
【０２２９】
抽出液は、緩衝液を含むことができる。緩衝液の種類及び濃度は、反応系、又はメディエーターの種類によって適切に選択して使用することができる。適切に調整した緩衝液は、メディエーターを還元して再生するためのプロトン源として機能し得る。
【０２３０】
抽出液は特に限定されず、反応生成物を速やかに抽出できる水溶液を抽出液として用いることができる。抽出液として、非水相へプロトンを継続的に供給できる水溶液を用いることが望ましい。
【０２３１】
＜セパレーター＞
実施形態に係る二酸化炭素固定化装置は、さらにセパレーターを含むことができる。セパレーターを設置する個所は、装置の設計に応じて変更することができる。例えば、非水相と水相との間にセパレーターを設置したり、多孔質膜を兼用する電極に隣接するようにセパレーターを設置したりすることが可能であるが、セパレーターの設置個所は、これらに限定されない。
【０２３２】
セパレーターは、基質や燃料、メディエーターを選択的に透過させることができる材料から選ぶことが望ましい。また、セパレーターは絶縁性の材料から選ぶことが望ましい。
【０２３３】
セパレーターは独立型と複合型の物を選ぶことができる。例えば、多孔質膜に修飾されており、多孔質膜と一体になった複合型セパレーターを用いることができる。あるいは、多孔質膜と一体化されていない単独型セパレーターを用いることができる。
【０２３４】
セパレーターを、例えば気相と非水相との間に設置する場合は、二酸化炭素を選択的に透過させ、中間生成物（例えばギ酸やホルムアルデヒド）や最終生成物（例えばメタノールなどの燃料）を透過さないために、例えば疎水性のセパレーターを用いることができる。
【０２３５】
一方、セパレーターを例えば非水相と水相との間に設置する場合は、例えば水相から非水相へのプロトンイオンの移動と、非水相から水相への燃料の拡散及び抽出とを鑑みて、プロトン交換膜や親水性の材料から選ぶことが望ましい。
【０２３６】
セパレーターは高分子膜から選ぶことができる。高分子膜として、均質膜と複合膜、非対称膜からなる高分子膜を選ぶことができる。また、Nafion（登録商標）膜をセパレーターとして用いることもできる。特に、水と反応生成物、イオンを選択的に通し、酵素、酵素体、イオン液体などを通さない透過−分離膜を用いることが望ましい。
【０２３７】
セパレーターの厚さは、気相における二酸化炭素の透過速度、非水相又は水相におけるイオンと分子の透過速度に応じて適切に選択することができる。
【０２３８】
以下に、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置の具体的な構成の例を、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは上述した説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。
【０２３９】
実施形態の第１の態様に対応し、三段階の酵素反応を経て二酸化炭素を最終生成物へと還元する二酸化炭素固定化装置の一例を図１に示す。
【０２４０】
図１に示す二酸化炭素固定化装置１００は、第１のブロック１１０と、第２のブロック１２０と、第３のブロック１３０とから構成される。
【０２４１】
第１のブロック１１０は、気相１１１、非水相１１２、及び水相１１３を収容する、又はそれらが収容される空間を内部に有する第１のセル本体Ｃ１を含む。第２のブロック１２０は、第１の水相１２３ａ、非水相１２２、及び第２の水相１２３ｂを収容する、又はそれらが収容される空間を内部に有する第２のセル本体Ｃ２を含む。第３のブロック１３０は、第１の水相１３３ａ、非水相１３２、及び第２の水相１３３ｂを収容する、又はそれらが収容される空間を内部に有する第３のセル本体Ｃ３を含む。
【０２４２】
ここで、第１のブロック１１０の非水相１１２と第２のブロック１２０の非水相１２２と第３のブロック１３０の非水相１３２とは、それぞれ第１の非水相と第２の非水相と第３の非水相と見なすことができる。
【０２４３】
また、第１のブロック１１０における水相１１３と第２のブロック１２０の前段にある第１の水相１２３ａとを併せて第１の水相と見なせる。第２のブロック１２０の後段にある第２の水相１２３ｂと第３のブロック１３０の前段にある第１の水相１２３ａとを併せて第２の水相と見なせる。第３のブロック１３０の後段にある第２の水相１３３ｂを第３の水相と見なせる。
【０２４４】
より詳細には、二酸化炭素固定化装置１００の第１のブロック１１０では、二酸化炭素を含む気相１１１と、イオン液体と酵素体１１とメディエーター（還元体１４ａ及び酸化体１４ｂ）とを含む非水相１１２と、非水相１１２から第１の反応生成物１５を抽出する抽出液を含む水相１１３とが第１のセル本体Ｃ１に収容されている。
【０２４５】
第１のブロック１１０では、メディエーターの酸化体１４ｂをメディエーターの還元体１４ａへと還元するカソード電極１１５及びそのアノード電極１１４が、非水相１１２に接するように設けられている。また、第１のブロック１１０は、これらカソード電極１１５とアノード電極１１４とに印加する電圧（又は電位）を制御するセル電圧制御部をさらに含む。なお、第１のブロック１１０では、カソード電極１１５とアノード電極１１４とは多孔質材料からなる電極である。
【０２４６】
セル電圧制御部は、電流制御部で置き換えてもよい。電流制御部は、カソード電極１１５とアノード電極１１４との間を流れる電流を制御する。
【０２４７】
図示する電気的制御部１５１は、カソード電極１１５とアノード電極１１４とに印加する電圧を制御するセル電圧制御部であり得る。あるいは、電気的制御部１５１は、カソード電極１１５とアノード電極１１４との間を流れる電流を制御する電流制御部であり得る。また、電気的制御部１５１は、セル電圧制御部として機能するモードと電流制御部として機能するモードとを備えたものであってもよい。
【０２４８】
カソード電極１１５は、例えばカソード（陰極）であるとともに、非水相１１２と水相１１３との間に設置されて多孔質膜としても機能する。アノード電極１１４は、例えばアノード（陽極）であるとともに、気相１１１と非水相１１２との間に設置されて多孔質膜としても機能する。カソード電極１１５とアノード電極１１４とは、第１のセル本体Ｃ１の内部空間を３つの室、すなわち気相１１１用の室と、非水相１１２用の室と、水相１１３用の室とに仕切っている。なお、図１に示すカソード電極１１５は、非水相１１２と水相１１３との間に設置されているが、非水相１１２におけるその他の任意の場所に設置することができる。例えば、カソード電極１１５を、非水相１１２と水相１１３との界面付近に、かつ水相１１３と接さないように設置することが望ましい。同様にアノード電極１１４も、非水相１１２における任意の場所に設置することができる。アノード電極１１４は、非水相１１２と気相１１１の間に設置される場合、アノード電極の一部が気相に曝露されても構わない。
【０２４９】
図１の第１のブロック１１０では、２電極系の構成を示しているが、３電極系又は４電極系の構成を採用することもできる。３電極系又は４電極系とする場合は、カソード電極１１５とアノード電極１１４とに加え、参照電極又は擬似参照電極を非水相１１２の任意の場所に設置することができる。上述したとおり、参照電極又は擬似参照電極を用いることにより、メディエーターの酸化体１４ｂを還元するための電圧をより正確に制御してメディエーターを効率よく再生することができる。
【０２５０】
また、参照電極及び擬似参照電極を水相１１３の任意の場所に設置することもできる。例えば、変形例として図１４に示す二酸化炭素固定化装置１０１のように、水相１１３に参照電極１１６を設置してもよい。図１４では説明を簡略化するため、二酸化炭素固定化装置１０１の第２のブロックと第３のブロックは省略し、第１のブロック１１０のみ示している。参照電極１１６の有無を除き、二酸化炭素固定化装置１００とその変形例である二酸化炭素固定化装置１０１との違いがないため、他の詳細は省略する。
【０２５１】
図１に示す酵素体１１は、酵素体であり、その内部に酵素１２を含んでいる。酵素１２は、非水相１１２に供給された二酸化炭素（ＣＯ２）を第１の反応生成物１５へと還元する反応を触媒する。
【０２５２】
気相１１１が含む二酸化炭素は、非水相１１２が含むイオン液体により二酸化炭素が選択的に吸収されることで、二酸化炭素が非水相１１２に供給される。酵素体１１の酵素１２の酵素作用によって、二酸化炭素は第１の反応生成物１５に還元される。また、酵素１２の作用により二酸化炭素が第１の反応生成物１５へと還元されるのに伴い、メディエーターの還元体１４ａがメディエーターの酸化体１４ｂへと酸化される。その後、メディエーターの酸化体１４ｂはカソード電極１１５により還元されて、還元体１４ａとして再生される。
【０２５３】
次に、生成された第１の反応生成物１５は、水相１１３における抽出液により抽出される。その後、第１の反応生成物１５は、第２のブロック１２０へと導入される。あるいは、例えば中間生成物である第１の反応生成物１５自体が有用な物質である場合は、第１の反応生成物１５を水相１１３にて回収して利用することもできる。なお、第１の反応生成物１５を回収する場合は、セル本体Ｃ１の水相１１３に隣接する部分に例えば回収物を取り出すための取出し口を設けてもよい（図示省略）。
【０２５４】
気相の流量は、気体導入口（ＣＯ２導入口）５１と気体排出口（ＣＯ２導出口）５２に設置されている気流制御弁５３や、気体導入口５１に接続されている気体導入路に設置されているポンプ（図示省略）によって制御できる。
【０２５５】
また、例えば、気流制御弁５３や、気体導入路に設置されているポンプを制御することによって、気相１１１の圧力を制御することもできる。気相１１１の圧力を上昇させることで、非水相１１２への二酸化炭素の供給を促進できる。
【０２５６】
また、図１に示した二酸化炭素固定化装置１００では、第１のセル本体Ｃ１に気相１１１が収容されているが、第１のセル本体Ｃ１が気相１１１を収容しない形態を採用することもできる。例えば、二酸化炭素固定化装置１００において、非水相１１２が直接、あるいは多孔質のアノード電極１１４又はその他の多孔質膜を介して大気に接するようにしてもよい。
【０２５７】
水相１１３における抽出液の流量は、抽出液導入口５５と抽出液導出口５６とに設置されている液体流制御弁５７や、抽出液導入口５５に接続されている外部流路５４に設置されているポンプ（図示省略）によって制御できる。
【０２５８】
二酸化炭素固定化装置１００の第２のブロック１２０では、第１の反応生成物１５を抽出した水相１１３が導入される第１の水相１２３ａと、イオン液体と酵素体２１とメディエーター（還元体２４ａ及び酸化体２４ｂ）とを含む非水相１２２と、非水相１２２から第２の反応生成物２５を抽出する抽出液を含む第２の水相１２３ｂとが第２のセル本体Ｃ２に収容されている。なお、第２のブロック１２０の非水相１２２に含まれているイオン液体は、第１のブロック１１０の非水相１１２に含まれているイオン液体と同一のものでもよく、あるいは異なっていてもよい。また、第２のブロック１２０の非水相１２２に含まれているメディエーター（２４ａ、２４ｂ）は、第１のブロック１１０の非水相１１２に含まれているメディエーター（１４ａ、１４ｂ）と同一のものでもよく、あるいは異なっていてもよい。
【０２５９】
第２のブロック１２０では、メディエーターの酸化体２４ｂをメディエーターの還元体２４ａへと還元するカソード電極１２５及びそのアノード電極１２４が、非水相１２２に接するように設けられている。また、第２のブロック１２０は、これらカソード電極１２５とアノード電極１２４とに印加する電圧（又は電位）を制御するセル電圧制御部をさらに含む。
【０２６０】
セル電圧制御部は、電流制御部で置き換えてもよい。電流制御部は、カソード電極１２５とアノード電極１２４との間に流れる電流を制御する。
【０２６１】
図示する電気的制御部１５２は、カソード電極１２５とアノード電極１２４とに印加する電圧を制御するセル電圧制御部であり得る。あるいは、電気的制御部１５２は、カソード電極１２５とアノード電極１２４との間に流れる電流を制御する電流制御部であり得る。また、電気的制御部１５２は、セル電圧制御部として機能するモードと電流制御部として機能するモードとを備えたものであってもよい。
【０２６２】
なお、図示するように２電極系の場合は、セル電圧制御部（電気的制御部１５２）は、電極に印加する電圧を制御する。一方で、例えば３電極系とした場合は、セル電圧制御部は、電極に印加する電位を制御する。また、第２のブロック１２０では、カソード電極１２５とアノード電極１２４とは多孔質材料からなる電極である。
【０２６３】
カソード電極１２５は、例えばカソード（陰極）であるとともに、非水相１２２と第２の水相１２３ｂとの間に設置されて多孔質膜としても機能する。アノード電極１２４は、例えばアノード（陽極）であるとともに、第１の水相１２３ａと非水相１２２との間に設置されて多孔質膜としても機能する。また、カソード電極１２５とアノード電極１２４とは、非水相１２２のサポート基板としての役割も果たす。カソード電極１２５とアノード電極１２４とは、第２のセル本体Ｃ２の内部空間を３つの室、すなわち第１の水相１２３ａ用の室と、非水相１２２用の室と、第２の水相１２３ｂ用の室とに仕切っている。なお、図１に示すカソード電極１２５及びアノード電極１２４は、それぞれ第１の水相１２３ａと非水相１２２との間及び非水相１２２と第２の水相１２３ｂとの間に設置されているが、これらカソード電極１２５及びアノード電極１２４は、非水相１２２におけるその他の任意の場所に設置することができる。例えば、カソード電極１２５を、非水相１２２と第２の水相１２３ｂとの界面付近、かつ水相と接さないように設置することが望ましい。同様にアノード電極１２４も、非水相１２２における任意の場所に設置することができる。例えば、アノード電極１２４を、非水相１２２と第１の水相１２３aとの界面付近、かつ水相と接さないように設置することが望ましい。
【０２６４】
第１のブロック１１０の水相１１３から第１の反応生成物１５を含む抽出液が第２のブロック１２０の第１の水相１２３ａに導入されると、非水相１２２が含むイオン液体や酵素体２１により第１の反応生成物１５が選択的に抽出されることで、第１の反応生成物１５が非水相１２２に供給される。酵素体２１の酵素２２の酵素作用によって、第１の反応生成物１５は第２の反応生成物２５に還元される。また、酵素２２の作用により第１の反応生成物１５が第２の反応生成物２５へと還元されるのに伴い、メディエーターの還元体２４ａがメディエーターの酸化体２４ｂへと酸化される。その後、メディエーターの酸化体２４ｂはカソード電極１２５により還元されて、還元体２４ａとして再生される。
【０２６５】
次に、生成された第２の反応生成物２５は、第２の水相１２３ｂにおける抽出液により抽出される。その後、第２の反応生成物２５は、第３のブロック１３０へと導入される。あるいは、例えば中間生成物である第２の反応生成物２５自体が有用な物質である場合は、第２の反応生成物２５をそのまま第２の水相１２３ｂにて回収して利用することもできる。なお、第２の反応生成物２５を回収する場合は、セル本体Ｃ２の第２の水相１２３ｂに隣接する部分に例えば回収物を取り出すための取出し口を設けてもよい（図示省略）。
【０２６６】
第１のブロック１１０と同様に、第２のブロック１２０の第１の水相１２３ａ及び第２の水相１２３ｂにおける抽出液の流量は、液体流制御弁５７や、抽出液導入口５５に接続されている外部流路５４に設置されているポンプ（図示省略）によって制御できる。
【０２６７】
二酸化炭素固定化装置１００の第３のブロック１３０では、第２の反応生成物２５を抽出した第２のブロック１２０の第２の水相１２３ｂが導入される第１の水相１３３ａと、イオン液体と酵素体３１とメディエーター（還元体３４ａ及び酸化体３４ｂ）とを含む非水相１３２と、非水相１３２から第３の反応生成物３５を抽出する抽出液を含む第２の水相１３３ｂとが第３のセル本体Ｃ３に収容されている。なお、第３のブロック１３０の非水相１３２に含まれているイオン液体は、第１のブロック１１０の非水相１１２に含まれているイオン液体及び第２のブロック１２０の非水相１２２に含まれているイオン液体と同一のものでもよく、あるいは異なっていてもよい。また、第３のブロック１３０の非水相１３２に含まれているメディエーター（３４ａ、３４ｂ）は、第１のブロック１１０の非水相１１２に含まれているメディエーター（１４ａ、１４ｂ）及び第２のブロック１２０の非水相１２２に含まれているメディエーター（２４ａ、２４ｂ）と同一のものでもよく、あるいは異なっていてもよい。
【０２６８】
第３のブロック１３０では、メディエーターの酸化体３４ｂをメディエーターの還元体３４ａへと還元するカソード電極１３５及びそのアノード電極１３４が、非水相１３２に接するように設けられている。また、第３のブロック１３０は、これらカソード電極１３５とアノード電極１３４とに印加する電圧（又は電位）を制御するセル電圧制御部をさらに含む。なお、第３のブロック１３０では、カソード電極１３５とアノード電極１３４とは多孔質材料からなる電極である。
【０２６９】
セル電圧制御部は、電流制御部で置き換えてもよい。電流制御部は、カソード電極１２５とアノード電極１２４との間を流れる電流を制御する。
【０２７０】
図示する電気的制御部１５３は、カソード電極１３５とアノード電極１３４とに印加する電圧を制御するセル電圧制御部であり得る。あるいは、電気的制御部１５３は、カソード電極１３５とアノード電極１３４との間を流れる電流を制御する電流制御部であり得る。また、電気的制御部１５３は、セル電圧制御部として機能するモードと電流制御部として機能するモードとを備えたものであってもよい。
【０２７１】
カソード電極１３５は、例えばカソード（陰極）であるとともに、非水相１３２と第２の水相１３３ｂとの間に設置されて多孔質膜としても機能する。アノード電極１３４は、例えばアノード（陽極）であるとともに、第１の水相１３３ａと非水相１３２との間に設置されて多孔質膜としても機能する。また、カソード電極１３５とアノード電極１３４とは、非水相１３２のサポート基板としての役割も果たす。カソード電極１３５とアノード電極１３４とは、第３のセル本体Ｃ３の内部空間を３つの室、すなわち第１の水相１３３ａ用の室と、非水相１３２用の室と、第２の水相１３３ｂ用の室とに仕切っている。なお、図１に示すカソード電極１３５及びアノード電極１３４は、それぞれ第１の水相１３３ａと非水相１３２との間及び非水相１３２と第２の水相１３３ｂとの間に設置されているが、これらカソード電極１３５及びアノード電極１３４は、非水相１３２におけるその他の任意の場所に設置することができる。また、第３のブロックにおけるカソード電極１３５とアノード電極１３４は、第２のブロックにおけるカソード電極１２５とアノード電極１２４と同様な構成で、非水相１３２中に設置することができる。
【０２７２】
第２のブロック１２０の第２の水相１２３ｂから第２の反応生成物２５を含む抽出液が第３のブロック１３０の第１の水相１３３ａに導入されると、非水相１３２が含むイオン液体により第２の反応生成物２５が選択的に吸収されることで、第２の反応生成物２５が非水相１３２に供給される。酵素体３１の酵素３２の酵素作用によって、第２の反応生成物２５は第３の反応生成物３５に還元される。また、酵素３２の作用により第２の反応生成物２５が第３の反応生成物３５へと還元されるのに伴い、メディエーターの還元体３４ａがメディエーターの酸化体３４ｂへと酸化される。その後、メディエーターの酸化体３４ｂはカソード電極１３５により還元されて、還元体３４ａとして再生される。
【０２７３】
次に、生成された第３の反応生成物３５は、第２の水相１３３ｂにおける抽出液により抽出される。その後、第３の反応生成物３５は、最終生成物として回収される。例えば、最終生成物としての第３の反応生成物３５を抽出液導出口５６から回収することができる。
【０２７４】
また、図示するように第３のブロック１３０の第２の水相１３３ｂから導出された抽出液を、外部流路５４を通して、第１のブロック１１０の水相１１３に再び導入することもできる。その際、外部流路５４に例えば第３の反応生成物３５を濃縮する装置（図示省略）を設けることにより、第３の反応生成物３５を濃縮回収してもよい。また、抽出液が流通する外部流路５４にｐＨ調整ライン（図示省略）を接続することで、抽出液のｐＨを適切に調整することもできる。
【０２７５】
第１のブロック１１０及び第２のブロック１２０と同様に、第３のブロック１３０の第１の水相１３３ａ及び第２の水相１３３ｂにおける抽出液の流量は、液体流制御弁５７や、抽出液導入口５５に接続されている外部流路５４に設置されているポンプ（図示省略）によって制御できる。
【０２７６】
図１に示す二酸化炭素固定化装置１００では、第１のブロック１１０と第２のブロック１２０と第３のブロック１３０との各々が、電極に印加する電圧（又は電位）を制御するセル電圧制御部（電気的制御部１５１、１５２、１５３）を備えていたが、第１のブロック１１０と第２のブロック１２０と第３のブロック１３０とのすべてについての電圧（又は電位）を統一して制御する一つのセル電圧制御部を用いることもできる。
【０２７７】
電気的制御部が電流制御部として機能する場合も、第１のブロック１１０と第２のブロック１２０と第３のブロック１３０とのすべてについての電流を統一して制御する一つの電流制御部を（電気的制御部）用いることができる。
【０２７８】
図２に、実施形態に係る第１の態様の別の一例の二酸化炭素固定化装置の概略図を示す。
【０２７９】
図２に示す二酸化炭素固定化装置２００は、図１の二酸化炭素固定化装置１００と同様に、第１のブロック２１０と、第２のブロック２２０と、第３のブロック２３０とを含む。図１の場合と同様に、二酸化炭素固定化装置２００の第１のブロック２１０は、気相２１１と非水相２１２と水相２１３とを含む。一方で、第２のブロック２２０は非水相２２２と水相２２３とを含み、第３のブロック２３０は非水相２３２と水相２３３とを含んでいる。
【０２８０】
また、図２に示すとおり、第１のブロック２１０と第２のブロック２２０と第３のブロック２３０とは、単一のセル本体Ｃ１０に収容されている。
【０２８１】
ここで、第１のブロック２１０の非水相２１２と第２のブロック２２０の非水相２２２と第３のブロック２３０の非水相２３２とは、それぞれ第１の非水相と第２の非水相と第３の非水相と見なすことができる。また、第１のブロック２１０の水相２１３と第２のブロック２２０の水相２２３と第３のブロック２３０の水相２３３とを、それぞれ第１の水相と第２の水相と第３の水相と見なせる。
【０２８２】
二酸化炭素固定化装置２００の場合は、図２に示すとおり第１のブロック２１０の水相２１３は第２のブロック２２０の非水相２２２とも接触している。第１のブロック２１０の水相２１３に含まれている抽出液が第１のブロックの非水相２１２で生成された第１の反応生成物１５を抽出した後、続けて第２のブロック２２０の非水相２２２に第１の反応生成物１５が直接供給されて、非水相２２２における酵素反応の基質となる。同様に、第２のブロック２２０の水相２２３は第３のブロック２３０の非水相２３２とも接触している。第２のブロック２２０の水相２２３に含まれている抽出液が第２のブロックの非水相２２２で生成された第２の反応生成物２５を抽出した後、続けて第３のブロック２３０の非水相２３２に第２の反応生成物２５が直接供給されて、非水相２３２における酵素反応の基質となる。
【０２８３】
図２の二酸化炭素固定化装置２００の構成は、よりコンパクトな設計で、多段酵素反応による最終生成物である第３の反応生成物３５を高い生産効率で製造することができる。
【０２８４】
図２の構成において、気相２１１の流量制御方法及び第３のブロック２３０の水相２３３からの最終生成物（第３の反応生成物）の回収方法とｐＨ調整方法は、図１と同様である。抽出液の流量は、抽出液導入口５５に設置された液体流制御弁５７によって制御される。
【０２８５】
さらに、非水相２１２に接するように、酵素反応によって消費されるメディエーターを再生するためのカソード電極２１５及びそのアノード電極２１４が設置されている。同様に非水相２２２に接するように、カソード電極２２５及びそのアノード電極２２４が設置されている。また、非水相２３２に接するようにカソード電極２３５及びそのアノード電極２３４が設置されている。非水相２１２におけるアノード電極２１４を除く、陰極であるカソード電極（２１５、２２５、２３５）、並びに陽極であるアノード電極（２２４、２３４）との各々は、図示するようにそれぞれの非水相（２１２、２２２、２３２）において非水相と水相とを区分けするように設置されている。陽極であるアノード電極２１４は、非水相２１２と気相２１１との間に設置されている。
【０２８６】
図２に示す各非水相（２１２、２２２、２３２）におけるカソード電極（２１５、２２５、２３５）の設置方法は、図１と同様である。図２の二酸化炭素固定化装置２００の場合は、図示するようにすべてのブロック（第１のブロック２１０、第２のブロック２２０、第３のブロック２３０）について、カソード電極とアノード電極とに印加する電圧（又は電位）を一つのセル電圧制御部（電気的制御部２５０）によって統一して制御することができる。あるいは、図１のように、各ブロックの各々に設置されたセル電圧制御部によって、電圧（又は電位）を別々に制御してもよい。
【０２８７】
当然、電気的制御部２５０が電流制御部として機能する場合は、一つの電流制御部（電気的制御部）がすべてのブロックについてカソード電極とアノード電極との間を流れる電流を統一してもよい。あるいは、各ブロックの各々に電流制御部（電気的制御部）を設置し、それぞれのブロックにおける電流を別々に制御してもよい。
【０２８８】
図３に、実施形態に係る第２の態様の一例の二酸化炭素固定化装置の概略図を示す。
【０２８９】
図３に示すように、実施形態に係る第２の態様の一例の二酸化炭素固定化装置３００は、気相３１１と、第１の非水相３１２と、第２の非水相３２２と、第３の非水相３３２と、水相３３３とを収容する単一のセル本体Ｃ１０を含む。第１の非水相３１２と第２の非水相３２２とは、多孔質膜を兼用する電極３１５により仕切られている。また、第２の非水相３２２と第３の非水相３３２とは、多孔質膜を兼用する電極３２５によって仕切られている。
【０２９０】
多段酵素反応における各段階の中間生成物及び最終生成物の生成を効率よく進めさせるために、各非水相に分散されている酵素（１２、２２、３２）の活性及び触媒効率に応じて、各非水相の体積（量）や非水相に分散されている酵素体（１１、２１、３１）の濃度を適宜調整することができる。
【０２９１】
図１及び図２に示した第１の態様の例の二酸化炭素固定化装置（１００、２００）と同様に、図３の二酸化炭素固定化装置３００では、各非水相（３１２、３２２、３３２）において酵素反応によって消費されたメディエーターは、非水相に設置されている電極（３１５、３２５、３３５）で還元されて再生する。
【０２９２】
二酸化炭素固定化装置３００では、電極３１５がカソードとして作動する場合、電極３１４がアノードとして機能する。カソードとして作動する電極３２５に対しては、電極３１５がアノードとなる。また、カソードとして作動する電極３３５に対して、電極３２５がアノードとなる。
【０２９３】
電極対への電位（電圧）の印加は、左から右へ順次に行わせることができる。換言すれば、先ず、カソードとして作動する電極３１５とアノードとして機能する電極３１４の間に一定時間の電位（電圧）を印加して、酸化されたメディエーターの還元を行わせる。その後、カソードとしての電極３２５とアノードとしての電極３１５の間に一定時間の電位を印加する。次に、カソードとしての電極３３５とアノードとしての電極３２５の間に一定時間の電位を印加する。
【０２９４】
このように、一対以上の電極（３１４、３１５、３２５、３３５）には、電位（又は電圧）を複数回に亘って断続的かつ順次的に印加することができる。この場合、一つの回において電位（又は電圧）の印加する際にカソード電極として作用する電極は、別の回において電位（又は電圧）を印加する時のアノード電極として作用し得る。また、上記例では、電位（又は電圧）の印加を左から右へ順次行う例を説明したが、電極対へ電位（又は電圧）を印加する順番は、この順に限られない。例えば、各々の非水相における酵素反応の進行具合に応じて、印加の順番を制御してもよい。
【０２９５】
上記のとおり、各電極対へ電位（電圧）を印加する際、時間差を設けて、断続的にかつ順次に電位を印加することを繰り返すことにより、各非水相におけるメディエーターの酸化体を還元体に還元再生させ、酵素反応を維持することができる。
【０２９６】
図３に示すように、各電極対への電位（電圧）の印加は、例えばスイッチを切り替えることによって行うことができる。また、各電極対のそれぞれの電極が、独立電気回線を介して（図示省略）、セル電圧制御部（電気的制御部）に電気的に接続されていてもよい。この場合、セル電圧制御部を用いて、自動制御により、各電極対に対して、所定の時間差を設けて、電位（電圧）を印加させることもできる。
【０２９７】
電流制御部を用いる場合は、例えば、スイッチをオン−オフして回路を切り替えることによって各電極対の間で電流を流れさせたり、電流を切ったりすることができる。また、各電極対のそれぞれの電極が、独立電気回線を介して電流制御部に電気的に接続されていてもよい。この場合、電流制御部を用いた自動制御により、各電極対の間で所定の時間差を設けて電流を流れさせることもできる。
【０２９８】
また、電極は一対、つまり計二つあればよい。具体例として、二酸化炭素固定化装置３００の場合は、図３に示す電極（３１４、３１５、３２５、３３５）の内、二つの電極の設置を省略することができる。例えば、電極３１５と電極３２５の設置を省略して、電極３１４と電極３３５だけを設置する。または、電極３１４と電極３２５の設置を省略して、電極３１５と電極３３５だけを設置する。電極は一対、即ち二つ以上あればよく、装置における電極の設置数を特に限定されるものではない。
【０２９９】
各非水相の界面に設置された電極を省略する場合、異なる非水相が互いに直接接することになる。さらに、多孔質膜を兼用する電極を省略する場合には、異なる非水相の間に、例えばセパレーターを設けてもよい。あるいは、反応生成物やメディエーターなどの分子やイオンの拡散を促進するため、セパレーターなどの多孔質膜の設置を省略してもよい。
【０３００】
気相３１１に二酸化炭素を含む気体が導入されると、第１の非水相３１２が含むイオン液体の作用により、二酸化炭素が第１の非水相３１２に選択的に供給される。酵素体１１の酵素１２の酵素作用によって、二酸化炭素は第１の反応生成物１５に還元される。
【０３０１】
生成された第１の反応生成物１５は、さらに第２の非水相３２２に拡散されて行き、酵素体２１の酵素２２によって第２の反応生成物２５に還元される。生成された第２の反応生成物２５は、さらに第３の非水相３３２に拡散されて行き、酵素体３１の酵素３２によって第３の反応生成物３５に還元される。
【０３０２】
次に、生成された第３の反応生成物３５は、水相３３３における抽出液により抽出される。その後、第３の反応生成物３５は、最終生成物として回収される。例えば、最終生成物としての第３の反応生成物３５を抽出液導出口５６から回収することができる。
【０３０３】
また、図示するように水相３３３から第３の反応生成物を含んだ抽出液を導出した後、外部流路５４を通して、水相３３３の導入口から再び導入することもできる。その際、外部流路５４に例えば第３の反応生成物３５を濃縮する装置（図示省略）を設けることにより、第３の反応生成物を濃縮回収することができる。また、抽出液が流通する外部流路５４にｐＨ調整ライン（図示省略）を接続することで、抽出液のｐＨを適切に調整することもできる。
【０３０４】
二酸化炭素固定化装置３００では、実施形態の第１の態様の例（図１、図２）と同様に、気相の流量を、気体導入口（ＣＯ２導入口）５１と気体排出口（ＣＯ２導出口）５２に設置されている気流制御弁５３や、気体導入口５１に接続されている気体導入路に設置されているポンプ（図示省略）によって制御できる。また、図１に示した二酸化炭素固定化装置１００と同様に、気相３１１をセル本体Ｃ１０に収容せず、例えば第１の非水相３１２を大気に曝露させる形態としてもよい。
【０３０５】
水相３３３における抽出液の流量も第１の態様の例と同様に、抽出液導入口５５と抽出液導出口５６とに設置されている液体流制御弁５７や、抽出液導入口５５に接続されている外部流路５４に設置されているポンプ（図示省略）によって制御できる。
【０３０６】
図４に、実施形態に係る第２の態様の別の例の二酸化炭素固定化装置の概略図を示す。
【０３０７】
図４に示す二酸化炭素固定化装置４００の基本的な構成は、図３の二酸化炭素固定化装置３００と同様であるが、図４の場合は、それぞれが酵素体及びメディエーターを含む第１の非水相４１２と第２の非水相４２２と第３の非水相４３２とに加え、酵素体を含まない第４の非水相４０２をさらに含む。なお、説明の簡略化のため図面からは省略しているが、第１の非水相４１２と第２の非水相４２２と第３の非水相４３２とは、それぞれが１種以上の酵素体と１種以上のメディエーターとを含んでいる。また、説明の簡略化のために図面からは省略しているが、電気的制御部（セル電圧制御部、及び／又は電流制御部）が図示する電極４１５、４２５、４３５、及び４１４のそれぞれと電気的に接続されている。
【０３０８】
第１の非水相４１２の前段に設けられた第４の非水相４０２には、気相４１１から二酸化炭素を吸収及び濃縮する作用を示すイオン液体を含ませることができる。このような第４の非水相４０２を設けることで、酵素体を含む第１の非水相４１２へ二酸化炭素を安定的に供給することができる。
【０３０９】
第４の非水相４０２におけるイオン液体をゲル化することによって、第４の非水相４０２をゲル状の非水相とし、例えば電極４１４の表面に担持させてもよい。こうすることで、気相４１１と第４の非水相との接触面積を大きくし、第４の非水相４０２による二酸化炭素の吸収効率を向上させることができる。一方で、第４の非水相４０２が含むイオン液体をゲル化せず、液状の非水相とした場合は、気相４１１と第４の非水相４０２との間に、例えば多孔質膜を設けることで、気相４１１と第４の非水相４０２とを仕切ることができる。あるいは、気相４１１をセル本体Ｃ１０に収容しない形態とすることもできる。
【０３１０】
また、図示するように、第１の非水相４１２と第４の非水相４０２との間に設置されている電極４１４と隣接してセパレーター４４１を設けてもよい。このセパレーター４４１としては、二酸化炭素を選択的に透過させることが可能なものを用いることが望ましい。
【０３１１】
電極４１４とセパレーター４４１とは、隣接していなくてもよい。例えば、図５に示すように、セパレーター４４１を第１の非水相４１２と第４の非水相４０２との間に設置し、電極４１４を気相４１１と第４の非水相４０２との間に設置することができる。
【０３１２】
また、電極４１４を第４の非水相４０２における任意の場所に設けることができる。例えば、図６に示すように、電極４１４を、セル本体Ｃ１０の外装部材に沿うように第４の非水相４０２内に設置することができる。なお、電極４１４を設置する形態によっては、電極４１４との電気的接続を確保するために、例えば図示するようなリード線４１６を用いることもできる。電極４１４は、第１の非水相４１２における任意の場所に設けてもよい。
【０３１３】
また、図４、図５、及び図６に示すように第３の非水相４３２と水相４３３との間にセパレーター４４２を設けてもよい。このセパレーター４４２としては、二酸化炭素の多段階還元反応の最終生成物（第３の反応生成物）を選択的に透過させることが可能なものを用いることが望ましい。また、メディエーターの再生に用いるプロトンを供給するプロトン源が水相４３３に含まれている場合は、セパレーター４４２は、プロトンも透過させ得るものであることが望ましい。
【０３１４】
また、図４、図５、及び図６に示す二酸化炭素固定化装置４００についても、複数の非水相の構成及び電極の配置が、図３の二酸化炭素固定化装置３００と類似しているため、各カソードとアノードへの電位（電圧）の印加方法は、図３と同様な条件と手順を用いることができる。
【０３１５】
図７に、実施形態に係る第２の態様のさらに別の一例の二酸化炭素固定化装置の概略図を示す。
【０３１６】
図７に示す二酸化炭素固定化装置５００は、図３に示す二酸化炭素固定化装置３００と同様に、気相５１１と、第１の非水相５１２と、第２の非水相５２２と、第３の非水相５３２と、水相５３３とから構成されている。
【０３１７】
図示するとおり、気相５１１は、外筒５５１と中間筒５５２とから構成される気体流路の中を流れる。第１の非水相５１２と、第２の非水相５２２と、第３の非水相５３２との各々は、円筒型の形状を有している。また、これらの円筒型の非水相は、円筒の中心軸（図示せず）に対し垂直の方向、即ち円筒の半径方向に並んで配置されるように収納されている。具体的には、第１の非水相５１２は、円筒型の最も外側に設置されている。第３の非水相５３２は、円筒型の最も内側に設置されている。第２の非水相５２２は、第１の非水相５１２と第３の非水相５３２との間に設置されている。水相５３３は、液体流路としての内筒５５３の中を流れる。
【０３１８】
外筒５５１は、それ自体が二酸化炭素を含む気体に対する透過性を有するものでもよく、あるいは、気体に対する透過性を有さないものでもよい。外筒５５１が気体に対する透過性を有さない場合、外筒５５１と中間筒５５２との間に二酸化炭素を含む気体を導入する気体導入口などを設けることが望ましい。
【０３１９】
中間筒５５２、及び内筒５５３としては、例えばセパレーターなどの多孔質膜の材料を用いて得られた筒を用いることができる。
【０３２０】
中間筒５５２としては、二酸化炭素に対する透過性を有するものを用いることが望ましい。また、内筒５５３としては、二酸化炭素の還元生成物に対する透過性を有するものを用いることが望ましい。例えば、透過−分離膜を用いることができる。
【０３２１】
図７では、第１の非水相５１２と気相５１１とが中間筒５５２を介して接触しているが、中間筒５５２を省略してもよい。同様に、図７では、第３の非水相５３２と水相５３３とが内筒５５３を介して接触しているが、内筒５５３を省略してもよい。
【０３２２】
なお、図４と同様に説明の簡略化のため、第１の非水相５１２と第２の非水相５２２と第３の非水相５３２とのそれぞれが含む１種以上の酵素、又は一種以上の酵素体と１種以上のメディエーターとを図面からは省略している。
【０３２３】
図７の二酸化炭素固定化装置５００には、一対以上の電極（５１５、５２５、５３５、５４５）を設置することができる。一対以上の電極を設置する場合、各電極がお互いに電気的にショートしないように、図３に示された方法と同様に、電極の間に絶縁性セパレーターを設置することができる（図示省略）。なお、非水相が厚く、電極間の接触による電気的ショートが起こる可能性がない場合、セパレーターを設けなくてもよい。
【０３２４】
一対以上の電極を設置した場合、カソード電極への電位（電圧）印加方法は、図３に示す印加方法に従うことができる（図示省略）。
【０３２５】
また、説明の簡略化のために図面からは省略しているが、電気的制御部（セル電圧制御部、及び／又は電流制御部）が図示する各電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【０３２６】
二酸化炭素固定化装置５００では、外筒５５１と中間筒５５２とからなる気体流路において、外筒５５１及び中間筒５５２の中心軸（図示せず）に沿って気相５１１（二酸化炭素を含む気体）が流通される。また、液体流路としての内筒５５３において、内筒５５３の中心軸（図示せず）に沿って水相５３３（抽出液）が流通される。
【０３２７】
なお、図７では、非水相の外側の流路を気相とし、非水相の内側の流路を水相とした形態を示しているが、例えば、非水相の内側の流路を気相とし、非水相の外側の流路を水相とすることもできる。
【０３２８】
このように、二酸化炭素固定化装置５００は、水相５３３が流れる流路（内筒５５３）を備えており、非水相が水相５３３の流れ方向に対して垂直な方向に水相５３３と隣り合っている。また、二酸化炭素固定化装置５００は、気相５１１が流れる流路（外筒５５１及び中間筒５５２）を備えており、非水相が気相５１１の流れ方向に対して垂直な方向に気相５１１と隣り合っている。
【０３２９】
水相５３３が流れる流路の長さに沿って、水相５３３と非水相との界面を設けることができるため、水相５３３と非水相との接触面積を大きくすることができる。そのため、水相５３３に最終生成物を供給する効率を向上させ、回収率を高くすることができる。
【０３３０】
また、気相５１１が流れる流路の長さに沿って、気相５１１と非水相との界面を設けることができるため、気相５１１と非水相との接触面積を大きくすることができる。そのため、非水相に二酸化炭素を供給する効率を向上させることができる。
【０３３１】
図７に示すような円筒型の水相５３３と非水相（５１２、５２２、５３２）と気相５１１とを備えた二酸化炭素固定化装置を用いて、例えば下式に示す多段酵素反応により、二酸化炭素（ＣＯ２）からメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を生成することができる。
【０３３２】
【化５】
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【０３３３】
上記式における左側から右側へのメタノールを生産する３段階の酵素反応の各々の反応段階は、図７に示す非水相のうち最も外側に設置されている第１の非水相５１２、その内側に設置されている第２の非水相５２２、及び非水相の内最も内側に設置されている第３の非水相５３２のそれぞれにおいて、順次に行われる。
【０３３４】
各非水相を挟んだ多孔質膜を兼用する電極を、カソード又は作用電極として作動させることにより、酵素反応で消費されるNAD+の再生を同時に行う。また、多段酵素反応による燃料の生成を効率よく進めさせるために、各非水相に分散されている酵素の活性及び触媒効率に応じて、各非水相の体積（量）や非水相に分散されている酵素の濃度を適宜調整することができる。カソード電極（又は作用電極）への電圧（又は電位）の印加方法には、例えば図３に示す方法を適用することができる。
【０３３５】
第１の非水相５１２において、二酸化炭素を基質とする第１の酵素反応で生成された第１の反応生成物（ギ酸；ＨＣＯＯＨ）は、濃度拡散により第２の非水相５２２へ拡散してゆき、第２の酵素反応の基質となる。同様に、第２の非水相５２２において、第１の反応生成物を基質とする第２の酵素反応で生成された第２の反応生成物（ホルムアルデヒド；ＨＣＨＯ）は、濃度拡散により円筒の一番内側にある第３の非水相５３２へ拡散してゆき、第３の酵素反応の基質となる。第３の非水相５３２において、第２の反応生成物を基質とする第３の酵素反応で生成された第３の反応生成物（メタノール；ＣＨ３ＯＨ）、即ち最終生成物は、内筒５５３の中を流れている抽出液（水相５３３）によって抽出されて回収される。
【０３３６】
図８に、実施形態に係る第２の態様のまた別の一例の二酸化炭素固定化装置の概略図を示す。また、図９（ａ）、図９（ｂ）、及び図９（ｃ）に、当該装置の備えることのできる一例の非水相の製造途中状態を示す。
【０３３７】
図８に示す二酸化炭素固定化装置６００は、気相６１１と、非水相部６０１と、水相６３３とから構成されている。
【０３３８】
気相６１１は、外筒６５１と中間筒６５２とにより規定される気体流路の中を流れる。あるいは、中間筒６５２を省略してもよく、この場合は、外筒６５１と非水相部６０１とにより気体流路が規定される。
【０３３９】
非水相部６０１は、第１の非水相６１２と、第２の非水相６２２と、第３の非水相６３２と、電極６１４と、電極６１５とを含んでいる。非水相部６０１は、複数の層状部が半径方向に並ぶように複数回にわたって巻回された形状を有しており、第１の非水相６１２と第２の非水相６２２と第３の非水相６３２とが複数の層状部にそれぞれ配置されている。なお、中間筒６５２の内部は、例えばイオン液体のような非水溶媒で充填され得る。
【０３４０】
また、非水相部６０１の中心部分、即ち巻回軸の周囲の空間を流路とすることができる。水相６３３は、このように巻回された形状の非水相部６０１によって構成される流路の中を流れる。あるいは、図示するように、水相６３３の流路として内筒６５３を設けてもよい。
【０３４１】
図９（ａ）−図９（ｃ）に示す非水相部６０１の製造途中状態、具体的には巻回する前の状態からわかるように、非水相部６０１は、各非水相と各電極とに加え、セパレーター６４１とセパレーター６４２とを含んでいる。セパレーター６４１は、電極６１５と電極６１４との間に設けられている。図９（ａ）及び図９（ｃ）に示す構成の非水相部６０１では、セパレーター６４１は、電極６１５に対向する電極６１４の面に接している。なお、図９（ｂ）に示す例では、セパレーター６４１は、電極６１４と電極６１５との両方と接している。セパレーター６４１を設ける位置は、電極６１５と電極６１４との間であればよく、図示している位置に限られない。例えば、セパレーター６４１は、電極６１５の面（電極６１４に対向する面）に接していてもよい。なお、電極６１５と電極６１４とは、いずれも多孔質の電極である。
【０３４２】
さらに、非水相部６０１は、巻回後に電極６１５と電極６１４とが接触しないように、もう一つのセパレーター６４２を含む。つまり、巻回後の非水相部６０１では、各非水相を除く各部材、即ち電極６１４とセパレーター６４１と電極６１５とセパレーター６４２とが、この順番に配置される。巻回後の非水相部６０１においてセパレーター６４１とセパレーター６４２とが交互に電極６１４と電極６１５との間に配置されていればよく、セパレーター６４２を設ける位置は、図示する位置に限られない。例えば、図９（ａ）−図９（ｃ）ではセパレーター６４２が電極６１５と接するように設けられているが、電極６１４の右側の面（各図の右側）にセパレーター６４２を設けることで、セパレーター６４１とセパレーター６４２との間に電極６１４が位置する構成としてもよい。なお、図８では、セパレーター６４１及びセパレーター６４２を図示していない。
【０３４３】
図９（ａ）−図９（ｃ）に示すように、電極６１５と電極６１４との幅（巻回後の螺旋形状の長さ）が同一であり得る。
【０３４４】
図９（ａ）−図９（ｃ）に示すとおり、第１の非水相６１２と第２の非水相６２２と第３の非水相６３２とは、巻回前の状態の非水相部６０１において、非水相部６０１を巻回する方向に亘って、順に配置されている。これらの非水相の各々は、例えば図９（ａ）に示す構成の非水相部６０１を作製する場合は、電極６１４と、セパレーター６４１とを積層させた多孔質膜の積層体の上に、各非水相の材料（イオン液体、酵素体、メディエーター）をスプレー法（吹付法）、塗布法、減圧法、キャスト法、含浸法などの方法により設けることができる。電極６１４上に設けた各非水相の上に、電極６１５とセパレーター６４２とを順次積層させることで、図９（ａ）のように構成された非水相部６０１を得ることができる。なお、各々の非水相は、必要に応じて、例えば後述する方法によりゲル化、又は硬化させることができる。
【０３４５】
あるいは、例えば図９（ｂ）に示す構成の非水相部６０１を作製する場合は、電極６１４と、セパレーター６４１と、電極６１５と、セパレーター６４２とを積層させた多孔質膜の積層体の上に、各非水相の材料を上記した方法により設けることができる。
【０３４６】
あるいは、第１の非水相６１２、第２の非水相６２２、及び第３の非水相６３２は、各々が電極６１４とセパレーター６４１と電極６１５とセパレーター６４２とを積層させた積層厚さ方向にわたって含浸されていてもよい。このような構成とする場合は、例えば各非水相の材料を、積層する前の電極６１４、セパレーター６４１、セパレーター６４２、及び電極６１５の各々に設けることができる。あるいは、図９（ａ）−図９（ｃ）のように多孔質膜の積層体の上又は層間に各非水相を設けた後、積層体を巻回する際に、巻回の圧力を適切に制御することによって、非水相をセパレーター６４１、セパレーター６４２、及び電極６１５に浸透させることができる。
【０３４７】
加えて、第１の非水相６１２、第２の非水相６２２、及び第３の非水相６３２は、各々の一部が多孔質膜（電極６１４、セパレーター６４１、電極６１５、及びセパレーター６４２）にそれぞれ含浸されており、かつその一部が多孔質膜の面上に設けられた層を構成することもできる。つまり、非水相部６０１では、図９（ａ）−図９（ｃ）に図示されているように各非水相の一部が多孔質膜の面上、あるいは多孔質膜の間に存在するとともに、他の部分が多孔質膜に含浸され得る。例えば、図９（ｃ）の構成の場合は、第１の非水相６１２、第２の非水相６２２、及び第３の非水相６３２のそれぞれについて、セパレーター６４１と電極６１５との間に存在する部分、セパレーター６４２の面上に存在する部分、並びに電極（６１４、６１５）及びセパレーター（６４１、６４２）に含浸されている部分が存在し得る。
【０３４８】
上述したとおり、非水相をゲル化、又は硬化させる場合は、例えば非水相の材料としてのイオン液体に、酵素体及びメディエーターの他に、予めゲル化剤又は高分子材料、バインダー、架橋剤、担体などを混ぜておくことができる。このように、ゲル化剤又は高分子材料、架橋剤、バインダーなどを混ぜておくことで、電極６１４とセパレーター６４１と電極６１５とセパレーター６４２とを積層させて、多孔質膜の積層体を得た後に、非水相をゲル化、又は硬化させることができる。また、巻回後に、非水相をゲル化、又は硬化させることもできる。
【０３４９】
また、例えば図９（ｃ）に示すように、各非水相（６１２、６２２、６３２）が電極６１４と電極６１５との間に層として存在し、その層が十分な厚さを有する場合は、セパレーター（６４１、６４２）を電極面に設けなくても電極６１４と電極６１５とが接触する虞がないため、セパレーター（６４１、６４２）を省略することができる。
【０３５０】
第１の非水相６１２、第２の非水相６２２、及び第３の非水相６３２の各々は、同じ1種類以上の酵素を含む酵素体を含んでいてもよく、あるいは各々が異なる酵素を含む酵素体を含んでいてもよい。第１の非水相６１２、第２の非水相６２２、及び第３の非水相６３２の各々について、異なる酵素体を含んでいる、即ち各々の非水相における酵素反応が異なる場合は、以下のような処置を取ることが望ましい。
【０３５１】
第１の非水相６１２での酵素反応を確実に行わせるために、多孔質膜の積層体において第１の非水相６１２を含んだ部分が、第２の非水相６２２を含んだ部分の層を囲んだ後も、第１の非水相６１２を含んだ部分の一部を被覆するように、第１の非水相６１２を設ける部分の幅を設定することが望ましい。即ち、第１の非水相６１２を含む層が、部分的に重なりあうことが望ましい。
【０３５２】
同様に、第２の非水相６２２での酵素反応を確実に行わせるために、多孔質膜の積層体において第２の非水相６２２を含んだ部分が、第３の非水相６３２を含んだ部分の層を囲んだ後も、第２の非水相６２２を含んだ部分の一部を被覆するように、第２の非水相６２２を設ける部分の幅を設定することが望ましい。即ち、第２の非水相６２２を含む層が、部分的に重なりあうことが望ましい。
【０３５３】
このように、各非水相のそれぞれに含まれている異なる酵素体が、非水相部６０１の巻回形状の半径方向に並ぶように分散又は担持されるような処置を講じることで、多段階酵素反応の各反応段階を確実かつ順番に行うことができる。
【０３５４】
また、多段酵素反応を行う場合、多段酵素反応による最終生成物の生成を効率よく進めさせるために、各非水相に含まれている酵素の活性及び触媒効率に応じて、各非水相の体積（量）や非水相における酵素の濃度を適宜調整することができる。
【０３５５】
図８に示す二酸化炭素固定化装置６００では、図７と同様に、非水相部６０１の外周に位置する気体流路に気相６１１を流すことで、非水相部６０１に二酸化炭素を供給できる。二酸化炭素は、非水相部６０１における酵素反応により還元されて、反応生成物が生成される。また、非水相部６０１の中心にあたる液体流路に水相６３３を流すことで、非水相部６０１から反応生成物を回収できる。
【０３５６】
図８に示す二酸化炭素固定化装置は、多段酵素反応により二酸化炭素から燃料などの反応生成物を生成することができる。例えば、図７と同様に、多段酵素反応により、二酸化炭素からメタノールを生産することができる。
【０３５７】
図１０に、実施形態に係る第１の態様のさらに別の例の二酸化炭素固定化装置の概略図を示す。
【０３５８】
図１０に示す二酸化炭素固定化装置７００は、図１−８に示したフロー式の装置と異なり、バッチ式の装置の一例である。この二酸化炭素固定化装置７００は、気相７１１と、非水相７１２と、水相７１３とを含む。これらの各相は、セル本体Ｃ１０に収容されている。
【０３５９】
気相７１１には、二酸化炭素を含む気体が含まれている。図１０では、気相７１１を収容する室が、セル本体Ｃ１０に設けられている。気相７１１を収容する室は、セル本体Ｃ１０に設けられていなくてもよい。例えば、非水相７１２を大気などの二酸化炭素を含む気体に曝露させて、当該気体を気相７１１としてもよい。なお、気相７１１を収容する室をセル本体Ｃ１０内に設ける場合は、例えばこの室と連絡した気体導入口や通気口をセル本体Ｃ１０に設けて、二酸化炭素を含む気体を気相７１１に導入できるようにすることが望ましい。
【０３６０】
非水相７１２は、例えば図１に示す装置における第１のブロック１１０と同様に、イオン液体と酵素体１１とメディエーター（還元体１４ａ及び酸化体１４ｂ）とを含む。また、図１０に示す酵素体１１は、その内部に酵素１２を含んでいる。
【０３６１】
非水相７１２は、メディエーターの酸化体１４ｂをメディエーターの還元体１４ａへと還元するカソード電極７１５と、アノード電極７１４と、これらカソード電極７１５とアノード電極７１４とに印加する電圧（又は電位）を制御するセル電圧制御部（図示しない）とをさらに含む。
【０３６２】
セル電圧制御部の代わりに、アノード電極７１４とカソード電極７１５との間を流れる電流を制御する電流制御部を用いてもよい。あるいは、セル電圧制御部と電流制御部とを兼用することができる電気的制御部を用いてもよい。
【０３６３】
なお、カソード電極７１５及びアノード電極７１４は、お互いに接触し、電気的にショートしなければ、非水相７１２に接触していればよく、図１０に示す配置に限られない。例えば、これらの電極を設置する位置を気相７１１と非水相７１２との界面、又は非水相７１２と水相７１３との界面としてもよい。カソード電極７１５及び／又はアノード電極７１４を異なる相の界面に設置する場合は、カソード電極７１５及び／又はアノード電極７１４には、多孔質の電極材料を用いることが望ましい。
【０３６４】
また、イオン液体としての非水相７１２は、水相より比重が大きいため、イオン液体をそのまま使用する場合、非水相７１２と水相７１３との間に多孔性のサポート膜、又は多孔性基板を設けてもよい。また、図示するようにセパレーター７４１をこれらと併せて、あるいは単独で設置してもよい。
【０３６５】
水相７１３は、非水相７１２から第１の反応生成物１５を抽出する抽出液を含む。また、抽出液を機械的に撹拌する機構（図示せず）を設けることが好ましい。
【０３６６】
図１０の二酸化炭素固定化装置７００では、図１の二酸化炭素固定化装置１００の備える第１のブロック１１０と同様に、気相７１１から非水相７１２に供給された二酸化炭素が酵素１２の作用により還元されて、第１の反応生成物１５が生成される。第１の反応生成物１５は、水相７１３に供給される。
【０３６７】
水相７１３は、第１の反応生成物１５の濃度が一定の値に達した後、例えばセル本体Ｃ１０の下部に設けられた導出口から回収できる。
【０３６８】
非水相７１２における二酸化炭素を還元する酵素反応は、単一段階のものでもよく、あるいは多段階酵素反応でもよい。
【０３６９】
単一段階の反応とする場合は、例えば酵素１２としてformate dehydrogenaseを用いることで、第１の反応生成物１５としてギ酸が生成される。
【０３７０】
多段階反応とする場合は、複数の異なる酵素体を非水相７１２に含ませる。例えば、三段階反応により二酸化炭素を還元してメタノールを生成する場合、formate dehydrogenaseを含む第１の酵素体と、formaldehyde dehydrogenaseを含む第２の酵素体と、alcohol dehydrogenaseを含む第３の酵素体とを非水相７１２に含ませる。
【０３７１】
この例では、非水相７１２に供給された二酸化炭素が第１の酵素体にて還元されて、ギ酸が生成される。ギ酸は、速やかに第２の酵素体へ移動し、ホルムアルデヒドに還元される。同様に、ホルムアルデヒドは、速やかに第３の酵素体へ移動し、最終生成物としてのメタノールに還元される。
【０３７２】
複数の異なる酵素体を用いて多段階反応を利用する場合には、水相７１３における抽出液が最終生成物を選択的に抽出できるように調整することが好ましい。例えば、上記例では、水相７１３にメタノールが選択的に供給されるように、抽出液を調整することが好ましい。
【０３７３】
また、図１に示す二酸化炭素固定化装置１００の備える第１のブロック１１０、第２のブロック１２０、及び第３のブロック１３０を、図１０の二酸化炭素固定化装置７００で各々置き換えることができる。この場合、それぞれのブロックで行う酵素反応に応じて、非水相７１２に含ませる酵素体を適宜選択する。
【０３７４】
図１１に、実施形態に係る一例のスタック型二酸化炭素固定化装置に用いる単セルの概略図を示す。
【０３７５】
図１１（ａ）は、単セル型の二酸化炭素固定化装置８００を下方から見た概略的な平面断面図を示す。図１１（ｂ）は、単セル型の二酸化炭素固定化装置８００を側方から見た概略的な断面図を示す。
【０３７６】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の単セル型の二酸化炭素固定化装置８００では、気相８１１と、電極８１４(アノード電極)と、非水相８１２と、電極８１５(カソード電極)と、水相８１３とが下から順に配置されている。なお、図示する例では、各相及び各電極は平面的な形状を有する。
【０３７７】
電極８１４は、多孔質の電極であり、例えば電極８１４としてカーボンペーパーを用いることができる。電極８１４は、気相８１１の流路兼リード線としての役割と果たす電極板８６１と接続されている。図示する例では、電極８１４と電極板８６１との間には、気相８１１の流路を規定する多数の隔壁が設けられている。隔壁は、省略することもできる。
【０３７８】
図１１（ａ）に示すとおり、気体導入口５１から、二酸化炭素を含む気体が気相８１１の流路に導入されると、この気体は、電極板８６１と電極８１４との隙間を通り抜けて平面方向に沿って流れて行き、気体排出口５２から排出される。二酸化炭素は電極板８６１と電極８１４との隙間を通過する際、少なくともその一部が電極８１４をさらに通過して、非水相８１２に供給され、非水相８１２における酵素反応の基質となる。
【０３７９】
非水相８１２の媒体として、二酸化炭素を選択的に吸収することのできるイオン液体などを用いることが好ましい。この場合、非水相８１２に吸収されなかった気体、例えば二酸化炭素以外の気体は、気体排出口５２から排出される。
【０３８０】
電極８１５は、多孔質の電極であり、例えば電極８１５としてカーボンペーパーを用いることができる。他の例によれば、電極８１５は、多数のスリットが設けられているシート状の電極、又は多孔質電極である。電極８１５は、水相８１３の流路兼リード線としての役割を果たす電極板８６２と接続されている。
【０３８１】
図１１（ａ）に示した二酸化炭素を含む気体の流れと同様に、液体導入口（図示せず）から抽出液が水相８１３の流路に導入されると、この抽出液は、電極板８６２と電極８１５との隙間を通り抜けて、平面方向に沿って流れて行き、液体導出口から導出される。
【０３８２】
気相８１１から非水相８１２に供給された二酸化炭素は、酵素反応により還元されて、反応生成物を生成する。反応生成物は、水相８１３に供給されて、回収される。
【０３８３】
さらに、単セル（二酸化炭素固定化装置８００）に温度センサーを設置したり、単セルの外側に保温材８７０を設けたりしてもよい。温度センサーにより単セルの温度を測定し、測定結果に基づいて、例えば温度制御機構により、酵素反応に適切な条件となるように温度を制御することができる。また、保温材８７０を設けることにより、より安定な温度条件で酵素反応を行わせることができる。
【０３８４】
図１１では、保温材８７０を設けた例を示した。保温材８７０の形状は特に限定されないが、例えば、板状の形状（slab-shaped form）を有し得る。保温材８７０は、省略してもよい。
【０３８５】
各相及び各電極は、治具Ｊ１により一体化されている。電気的にショートすることを防ぐ目的で、例えば、治具Ｊ１は、電気的絶縁性を有する材料からなり得る。あるいは、強度などの性質を鑑みて、例えば、治具Ｊ１として金属や合金などといった導電性の材料を用いた場合には、治具Ｊ１の表面に絶縁性の被膜を設けるなどして、電気的にショートすることを防ぐことが望ましい。
【０３８６】
上記した気相８１１における隔壁は、図示するスペーサー８１６の一例である。スペーサー８１６の形態は、図示する隔壁のようなものに限られない。スペーサー８１６は、隔壁以外の形態のものでもよい。例えば、スペーサー８１６には、圧力などのストレスによる電極８１４の変形を防ぐ役割も担う場合があるが、電極８１４が十分な強度を有していればスペーサー８１６を省略できる。
【０３８７】
スペーサー８１６は、例えば、導電性材料から形成することができる。この場合、電極８１４と電極板８６１とがスペーサー８１６を介して電気的に接続され得る。あるいは、電極板８６１として、例えば、成型加工により突起物が形成されているものを用いることで、この突起物をスペーサー８１６の代わりとしてもよい。この場合、電極８１４と電極板８６１とが突起物により直接電気的に接続される。
【０３８８】
一方で、スペーサー８１６を介して電極８１４と電極板８６１とを電気的に接続する代わりに、電気的接続のための導線等を別途設けてもよい。この場合、スペーサー８１６の材料として絶縁性材料を用いることが望ましい。また、気相８１１に供給される気体の成分や温度に応じて、スペーサー８１６の材料を適宜選択することが望ましい。
【０３８９】
スペーサー８１６に用いることのできる材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、銅、アルミニウム、タングステン、導電性ポリマー、グラファイトなどの導電性の高い材料を挙げることができる。また、他の材料としては、例えば、プラスチック、セラミックス、ガラスなどの非導電性の素材を挙げることができる。
【０３９０】
スペーサー８１６により気相８１１において流路を規定することで、流通する気体が電極８１４の表面に沿って流れる時間を十分に長くすることができる。例えば、気体導入口５１から気体排出口５２までの流路が長くなるようにスペーサー８１６を隔壁の如く設置することで、流通する気体から電極８１４を通過して非水相８１２に供給される二酸化炭素の量を多くできる。スペーサー８１６の形状及び配置は、非水相８１２へ二酸化炭素を供給できる流路が確保できればよく、図示するものに限定されない。例えば、スペーサー８１６の形状をスリット形状の代わりにドット形状にしてもよい。気体導入口５１に導入する気体の供給源の状態、並びに導入する気体の流速、温度、及び圧力などといった条件に応じて、スペーサー８１６の形状及び配置を適宜設計することが望ましい。
【０３９１】
水相８１３においても同様に、電極８１５と電極板８６２との間に、抽出液の流路を規定する多数のスペーサー８１７を設けることができる。スペーサー８１７は、例えば、導電性材料から形成することができる。この場合、電極８１５と電極板８６２とがスペーサー８１７を介して電気的に接続され得る。あるいは、電極板８６２として、例えば、成型加工により突起物が形成されているものを用いることで、この突起物をスペーサー８１７の代わりとしてもよい。この場合、電極８１５と電極板８６２とが突起物により直接電気的に接続される。
【０３９２】
一方で、スペーサー８１７を介して電極８１５と電極板８６２とを電気的に接続する代わりに、電気的接続のための導線等を別途設けてもよい。この場合、スペーサー８１７の材料として絶縁性材料を用いることが望ましい。また、抽出液の成分などに応じて、スペーサー８１７の材料を適宜選択することが望ましい。
【０３９３】
スペーサー８１７に用いることのできる材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、銅、アルミニウム、タングステン、導電性ポリマー、グラファイトなどの導電性の高い材料を挙げることができる。また、他の材料としては、例えば、プラスチック、セラミックス、ガラスなどの非導電性の素材を挙げることができる。
【０３９４】
スペーサー８１７により水相８１３内に流路を規定することで、流通する抽出液が電極８１５の表面に沿って流れる時間を十分に長くすることができる。例えば、液体導入口から液体導出口までの流路が長くなるようにスペーサー８１７を隔壁の如く設置することで、抽出液により非水相８１２から抽出される反応生成物の量を多くできる。スペーサー８１７の形状及び配置は、非水相８１２から反応生成物を抽出できる流路が確保できればよく、限定されるものではない。例えば、スペーサー８１７の形状をスリット形状やドット形状にしてもよい。液体導入口に導入する抽出液の流速、温度、及び圧力などといった条件に応じて、スペーサー８１７の形状及び配置を適宜設計することが望ましい。
【０３９５】
なお、スペーサー８１７は、圧力などのストレスによる電極８１５の変形を防ぐ役割も担う場合がある。電極８１５が十分な強度を有していればスペーサー８１７を省略してもよい。一方で、スペーサー８１７を省略した場合は、抽出液の流路がないため抽出液の流通を制御しにくい。そのため、スペーサー８１７を設けて水相８１３において抽出液の流路を規定することが好ましい。
【０３９６】
また、例えば電極板８６１及び電極板８６２の端部に、例えば樹脂などの材料からなるガスケットを設けてもよい。ガスケットにより単セル内の二酸化炭素や抽出液の漏出を防止することができる。
【０３９７】
図１１に示す単セル型の二酸化炭素固定化装置８００をスタックすると、図１２に示す積層型の二酸化炭素固定化装置９００が得られる。なお、図１２では、図１１に示す二酸化炭素固定化装置８００を簡略化して描いている。また、図１２において、参照符号８７１はガスケットを示している。
【０３９８】
図１２に示す積層型の二酸化炭素固定化装置９００は、複数の単セル（二酸化炭素固定化装置８００）を含んでいる。これら単セルは、厚さ方向に積層されてスタック型構造体を構成しており、治具Ｊ２，Ｊ３によって一体化されている。隣接する単セルの間には、一方の単セルの電極板８６１と他方の単セルの電極板８６２との電気的接触を防ぐため、電気的絶縁シート（図示せず）が設けられている。
【０３９９】
複数の単セルは、例えば、スタック型構造体の積層方向の両端に治具Ｊ２が配置されて、その間に積層されている単セルが配置された状態で、積層方向に沿って設置されている治具Ｊ３により両端の治具Ｊ２が連結されることで一体化されている。治具Ｊ２は、例えば、平面状の部材であり得る。治具Ｊ３は、例えば、柱状の部材であり得る。電気的にショートすることを防ぐ目的で、例えば、治具Ｊ２，Ｊ３は、電気的絶縁性を有する材料からなり得る。あるいは、強度などの性質を鑑みて、例えば、治具Ｊ２及びＪ３として金属や合金などといった導電性の材料を用いた場合には、治具Ｊ２及びＪ３の表面に絶縁性の被膜を設けるなどして、電気的にショートすることを防ぐことが望ましい。
【０４００】
各単セルの気体導入口５１及び気体排出口５２は、それぞれ、共通の気体導入路及び共通の気体排出路（いずれも図示せず）に接続されている。あるいは、一つの単セルの気体排出口５２が別の単セルの気体導入口５１に接続して、直列的に接続された気体流路を構成してもよい。このように、気体流路の接続方法を変更することで、全ての単セルに同時に気相を流したり、あるいは各単セルに気相を順次流したりすることができる。
【０４０１】
また、各単セルの液体導入口及び液体導出口は、それぞれ、共通の液体導入路及び共通の液体導出路（いずれも図示せず）に接続されている。あるいは、一つの単セルの液体導出口が別の単セルの液体導入口に接続して、直列的に接続された液体流路を構成してもよい。このように、液体流路の接続方法を変更することで、全ての単セルに同時に抽出液（水相）を流したり、あるいは各単セルに抽出液（水相）を順次流したりすることができる。
【０４０２】
また、これら単セルからなるスタックは、電極リード線９６１により、各々の単セルにおける電極板８６１同士が電気的に接続されている。同様に、電極リード線９６２により、複数の単セルにおける電極板８６２同士が電気的に接続されている。電極リード線９６１と電極リード線９６２をそれぞれセル電圧制御部と電気的に接続させ、セル電圧制御部により電極リード線９６１及び９６２の間に電圧を印加すると、各単セルの電極板８６１及び８６２間に電圧が印加される。
【０４０３】
電極リード線９６１と電極リード線９６２をセル電圧制御部に接続する代わりに、電流制御部に電気的に接続してもよい。電流制御部により、例えば、各単セルの電極板８６１及び８６２の間を流れる電流を制御することができる。あるいは、セル電圧制御部と電流制御部とを兼用することができる電気的制御部を用いてもよい。
【０４０４】
図１２では、各々の単セルにおける電極板８６１同士が電気的に並列接続されているが、電極板８６１同士が電気的に直列に接続される構成としてもよい。同様に、図１２では、電極板８６２同士が電気的に並列接続されているが、電極板８６２同士が電気的に直列に接続される構成としてもよい。
【０４０５】
この構成の装置によれば、二酸化炭素を高効率で固定化することができる。
【０４０６】
図示した二酸化炭素固定化装置の例では、電気化学的手法によりメディエーターを再生する形態を具体的に説明した。電気化学的手法とは異なる方法によりメディエーターを再生する場合には、カソード電極及びアノード電極を省略することができる。あるいは、多孔質膜を兼用するカソード電極及び多孔質膜を兼用するアノード電極を、電極として機能しない多孔質膜やスペーサーで置き換えてもよい。カソード電極及びアノード電極を省略又は置き換えた場合は、電気的制御部を省略することができる。
【０４０７】
また、各々のブロック（例えば、図１に示す第１のブロック１１０、第２のブロック１２０、及び第３のブロック１３０）の間で、メディエーターを再生する手法が異なっていてもよい。例えば、第１のブロックと第２のブロックとで電気化学的手法を用い、第３のブロックで酵素法を採用してもよい。この場合、第１のブロックと第２のブロックとのそれぞれは、非水相と接触するカソード電極及びアノード電極を含む。第３のブロックは、例えば、メディエーターを再生する酵素反応を触媒する酵素体を含む。第３のブロックのカソード電極及びアノード電極は、省略又は置き換えてもよい。
【０４０８】
第１の実施形態に係る二酸化炭素固定化装置は、イオン液体と、二酸化炭素又はその還元生成物の還元反応を触媒する酵素体と、前記還元反応において還元剤又は補酵素として作用するメディエーターとを含み、二酸化炭素又はその還元生成物が供給されて前記還元反応により反応生成物を生成する非水相と、水を含んだ抽出液を含み、前記反応生成物が前記非水相から供給される水相とを具備する。この構成の装置によれば、二酸化炭素を高効率で固定化することができる。
【０４０９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態によれば、二酸化炭素供給部と燃料生成部と抽出液回収部とを具備する燃料生産システムが提供される。
【０４１０】
図１３に、第２の実施形態に係る燃料生産システムの一例を示す。
【０４１１】
第１の実施形態に係る二酸化炭素固定化装置を図１３に示すシステムの燃料生成部に設置することにより、二酸化炭素から燃料の生産を自動的に制御することができる。
【０４１２】
図１３の点線（外部電気ラインＥ１−Ｅ６）は、電気系統回路を示す。一方、図１３の実線（Ｌ１−Ｌ５）は、気相又は液相の配管系を示す。
【０４１３】
電気系統回路中の各配線（Ｅ１−Ｅ６）は、電力供給のための外部電気ラインとして機能するとともに、電気信号など、各部材を制御するための信号を伝達する外部信号ラインとして機能する。
【０４１４】
燃料生成部８２に設置された二酸化炭素固定化装置に対し電圧を外部から印加するために、外部電気ラインＥ２とＥ３とを介して、制御部９１及びセル電圧制御部が接続されている。また、燃料生成部８２には、外部電気ラインＥ２とＥ４と介して、制御部９１及び温度制御部９４が接続されている。
【０４１５】
電気系統システム９０における制御部９１は、二酸化炭素固定化装置に設置されたセンサーからの温度条件の情報、二酸化炭素供給部８１の二酸化炭素の供給情報などに応じて、セル電圧制御部に二酸化炭素固定化装置へ印加する電圧条件を指示する。また、電気系統システム９０における制御部９１は、二酸化炭素供給部８１の二酸化炭素の供給情報などに応じて、抽出液供給部８３に抽出液の供給流速の条件を指示する。また、制御部９１は、温度制御部９４に燃料生成部８２の温度の制御を指示する。
【０４１６】
セル電圧制御部は、電流制御部で置き換えてもよい。この場合、制御部９１は、二酸化炭素固定化装置において流す電流の条件を電流制御部へ指示する。
【０４１７】
図示する電気的制御部９５は、二酸化炭素固定化装置へ印加する電圧を制御するセル電圧制御部であり得る。あるいは、電気的制御部９５は、二酸化炭素固定化装置における電流を制御する電流制御部であり得る。また、電気的制御部９５は、セル電圧制御部として機能するモードと電流制御部として機能するモードとを備えたものであってもよい。電気的制御部９５は、制御部９１からの指示に基づいて、セル電圧制御部としてのモードと電流制御部としてのモードとの間で作動モードを切り替え得る。
【０４１８】
二酸化炭素供給部８１は、二酸化炭素を含む気体の圧力を制御する機能を備えてもよい。例えば、制御部９１は、二酸化炭素供給部８１における気体の圧力を検知し、必要に応じて外部電気ラインＥ５（外部信号ライン）を介して圧力制御を指示する。
【０４１９】
抽出液回収部８４において、抽出液から燃料の回収が行われ、さらに抽出液のｐＨ調整が行われる。抽出液はその後、抽出液供給部８３に供給されて再利用される。
【０４２０】
抽出液供給部８３は、抽出液回収部８４から供給された抽出液を一時的に貯蔵する役割を果たし、制御部９１からの指令に従って、燃料生成部８２へ抽出液を所定の流速で供給する。
【０４２１】
さらに、抽出液供給タンク８５を用いることにより、抽出液供給部８３の抽出液の条件を変更、調整することができる。
【０４２２】
第２の実施形態に係る燃料生産システムは、第１の実施形態に係る二酸化炭素固定化装置を含む燃料生成部を具備する。そのため、このシステムは、二酸化炭素を高効率で固定化することができる。
【０４２３】
［実施例］
以下、実施形態に係る二酸化炭素固定化装置の具体的な設計の一例として、実施例について説明する。
【０４２４】
（実施例１）
実施例１の二酸化炭素固定化装置は、図１に示す二酸化炭素固定化装置１００のように、第１のブロック、第２のブロック及び第３のブロックを含む二酸化炭素固定化装置である。また、実施例１の二酸化炭素固定化装置では、二酸化炭素を固定化する反応の一例として、二酸化炭素から燃料であるメタノールを生産する。
【０４２５】
実施例１では、以下に示す三段階の酵素反応によりメタノールを生産する。
【０４２６】
【化６】
2018153173.tif 000010
【０４２７】
以下、図１の二酸化炭素固定化装置１００と同様に構成されているとして、実施例１の二酸化炭素固定化装置を説明する。
【０４２８】
第１の酵素反応は、Formate dehydrogenase（FateDH）を酵素として用い、基質である二酸化炭素からギ酸（formic acid又はformate）を生成する反応である。第１の酵素反応は、例えば図１に示す第１のブロック１１０における非水相１１２で生じさせる。
【０４２９】
第２の酵素反応は、第２のブロック１２０で行われ、第１のブロック１１０で生成されたギ酸（formic acid又はformate)を基質として、酵素Formaldehyde dehydrogenase（FaldDH）存在の元、ホルムアルデヒドを生成する。
【０４３０】
第３の酵素反応は、第３のブロック１３０で行われ、第２のブロック１２０で生成されたホルムアルデヒドを基質として、酵素Alcohol dehydrogenase（ADH）存在の元、酵素反応でメタノールを生成する。
【０４３１】
第１のブロック１１０の非水相１１２には、1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide（略号：EMITFSI）からなるイオンゲルを用いた。
【０４３２】
第１の酵素反応に関わる酵素体１１は、Formate dehydrogenase（FateDH）が分散・固定化されているシリカゲルに、3 mM NADHとpH７、０．１Mリン酸緩衝液とを含浸させることで得た。ここで用いたシリカゲルは、メソ孔を有する多孔質球状シリカ粒子であり、平均粒径は0.3μM、平均細孔径は16 nｍである。得られた酵素体１１を第１の非水相の媒体であるEMTFSIに分散した。
【０４３３】
また、酵素体１１としてのFateDH／シリカゲルを含むEMTESIを、さらにtetra-armed poly（ethylene glycol）イオンゲルにした。FateDH／シリカゲルがEMTESIのイオンゲルの網目に均一に分散されている。このようにして、第１のブロック１１０の非水相１１２として酵素体１１を含んだイオンゲル膜を得た。
【０４３４】
酵素体１１を含むEMTESIのイオンゲル膜を一対の多孔質電極としてのカーボンペーパーで挟んだ。カーボンペーパーには、Poly（neutral red）で修飾されているものを用いた。さらに、一方の多孔質電極（アノード電極１１４）を二酸化炭素の流路側に、他方の多孔質電極（カソード電極１１５）を水相側にそれぞれ接するように第１のブロック１１０内に配置した。
【０４３５】
第１のブロック１１０の水相１１３に含まれている燃料抽出液には、pH 7、濃度50 mMリン酸緩衝液を用いた。酵素体１１を含む非水相１１２で酵素反応によって生じた燃料が水相１１３へ抽出される。
【０４３６】
第２の酵素反応に関わる非水相１２２には、酵素Formaldehyde dehydrogenase（FaldDH）を含む酵素体２１を含むイオンゲルを用いた。以下のようにして、酵素体２１が分散されているイオンゲルを得た。
【０４３７】
イオンゲルの前駆体であるイオン液体として、AILである[C8mIm+][TFSA-]とPILである[C8ImH+][TFSA-]との混合液(χPIL＝AIL/PIL=0.7)を用いた。[C8mIm+][TFSA-]は疎水性イオン液体であり、[C8ImH+][TFSA-]は親水性イオン液体である。また、[C8ImH+][TFSA-]は補助界面活性剤としての役割も果たす。
【０４３８】
この混合液にAOTを加え、２０時間撹拌することによってAOT（０．０７ M）を分散させた。続いて、水溶媒として酵素としてのFaldDHとメディエーターとしての3 mM NADHとを含む希薄な緩衝液[50 mM リン酸 pH=7]を加え、１時間撹拌することにより、非水相としての[C8mIm+][TFSA-]と[C8ImH+][TFSA-]との混合液の中にAOTと[C8ImH+][TFSA-]とからなり、ウォータープールを含む逆ミセルを形成させた。こうして得られた逆ミセル（第２の酵素体）のウォータープールに、酵素としてFaldDHが可溶化されている。
【０４３９】
次に、このイオン液体の混合液を、40℃〜50℃の温度で酵素体を分散させたままの状態にし、ここにゼラチンのパウダーを適量加え、30分間程強く撹拌した。続いて、混合液を撹拌しながら30℃まで冷やし、さらに溶液が非常に濃厚、かつ均一になるまで撹拌し続けた。得られた混濁液を室温において透明なゲルになるまで放置した。
【０４４０】
上記の処理過程によって、ゼラチンが酵素体（逆ミセル）のウォータープールに入った後、そこでゲル化する。さらに、ウォータープール内でゲル化したゼラチンにより分子間ネットワークが形成されるため、この酵素体を含む非水相全体がゲル化する。なお、混濁液を室温で放置することにより、加熱で熱変性してしまった蛋白質（ゼラチン、FaldDH）のリフォールディング（refolding）をさらに行うことができる。
【０４４１】
第３の酵素反応に関わる酵素体（酵素体３１）には、酵素Alcohol dehydrogenase（ADH）を含む逆ミセルを用いた。この酵素体を、非水相である非プロトン性のイオン液体(AIL)である[C8mIm+][TFSA-]とプロトン性のイオン液体（PIL）である[C4ImH+][TFSA-]との混合液(χPIL＝AIL/PIL=0.4)中に分散させた。なお、[C8mIm+][TFSA-]は疎水性イオン液体であり、[C4ImH+][TFSA-]は親水性イオン液体である。また、[C4ImH+][TFSA-]は補助界面活性剤としての役割も果たす。
【０４４２】
次のようにして、酵素体３１を含む非水相１３２を得た。
【０４４３】
[C8mIm+][TFSA-]と[C4ImH+][TFSA-]との混合液に、アニオン性界面活性剤1，2-ビス(2-エチルヘキシルカルボニル）-1-エタンスルホン酸ナトリウム（Aerosol OT: AOT）を加え、２０時間撹拌することによってAOT（０．０７M）を分散させた。続いて、水溶液として、酵素としてのAlcohol dehydrogenase（ADH）とメディエーターであるNADHとを含む希薄な緩衝液[50 M リン酸、pH=７]（0.02M PBS）を加え、１時間撹拌することにより、非水相の媒体としての[C8mIm+][TFSA-]と[C4ImH+][TFSA-]との混合液の中にAOTと[C4ImH+][TFSA-]とからなり酵素体を含むウォータープールを含む逆ミセルを形成させた。
【０４４４】
上記のインジェクション法により、ADHをウォータープールに可溶化した逆ミセルを形成した。また、酵素体としての逆ミセルを形成すると同時に、この逆ミセルを非水相の媒体中に分散させた。
【０４４５】
第３の酵素体（酵素体３１）である逆ミセルのウォータープール内又は非水相における酵素反応へNADHを十分に供給できるため、第３のブロック１３０における酵素反応がスムーズに進行することができる。酵素反応で生じるメタノールが多孔質電極（カソード電極１３５）に接する抽出液（水相）に抽出される。
【０４４６】
各ブロックの非水相に、それぞれアノード電極を配置した。さらに、各ブロックの非水相に、参照電極を適切な位置に配置した（図示省略）。
【０４４７】
メタノールが外部の循環管によって、分離器（図示省略）に運ばれ、そこで最終燃料であるメタノールの分離回収が行われる。その後、抽出液のｐＨが調整され、再び第１のブロック１１０の水相１１３に連通する導入口から水相１１３へ導入される。
【０４４８】
上述した三つの酵素反応のメディエーターとしてNADHを用いる。NADHは、各非水相及び各酵素体に分散されている。NADHは、上記三つのブロックにおいて、それぞれの酵素反応によりNAD+に酸化される。酸化されたNAD+は、それぞれのブロックにおいて電解重合（electropolymerisation）によってPoly（neutral red）が修飾されたカーボンペーパー（カソード電極）で再びNADHに還元される。なお、NADHは、非水相に過飽和の状態で別途添加することができる。
【０４４９】
実施例１の二酸化炭素固定化装置では、第１のブロック１１０の気相１１１に導入される二酸化炭素の圧力の上昇（例えば、１．５MPa程度）又は二酸化炭素の送気速度の加速により、最終燃料であるメタノールの濃度を上昇させることができる。
【０４５０】
なお、上述した三つの酵素反応において必要とするプロトンイオンを抽出液より供給することができる。
【０４５１】
実施例１の二酸化炭素固定化装置を用いることにより、二酸化炭素から高い燃料変換効率でメタノールが得られた。
【０４５２】
（実施例２）
実施例２の二酸化炭素固定化装置は、二段階酵素反応により、二酸化炭素から燃料であるメタノールを生産する装置である。
【０４５３】
実施例２の二酸化炭素固定化装置は、図６に示す二酸化炭素固定化装置４００のように、隣接する複数の非水相を含む。ただし、図６では、各々が酵素体を含む３つの非水相（４１２、４２２、４３２）が図示されているが、実施例２の二酸化炭素固定化装置は、各々が酵素体を含む２つの非水相を含む。即ち、実施例２の二酸化炭素固定化装置は、二酸化炭素固定化装置４００と比較して、非水相が一つ少ない。また、実施例２の二酸化炭素固定化装置では、電極（４１５、４２５、又は４３５）の数も一つ少なくできる。以下、図６から第３の非水相４３２と電極４３５とを省略したものとして、実施例２の二酸化炭素固定化装置を説明する。
【０４５４】
実施例２では、以下に示す二段階の酵素反応によりメタノールを生産する。
【０４５５】
【化７】
2018153173.tif 000011
【０４５６】
上記化学式においてPQQは、ピロロキノリンキノン（Pyrroloquinoline quinone）である。また、その分子構造を以下に示す。
【０４５７】
【化８】
2018153173.tif 000012
【０４５８】
PQQは、Formate dehydrogenase (FateDH)又はMethanol dehydrogenase (MDH)による酵素反応において、メディエーターとしての役割を果たす。PQQは酵素反応に参加する際、還元型のPQQredから酸化型のPQQoxに酸化される。
【０４５９】
PQQoxは、酵素体を含む非水相に設置される電極４１５又は電極４２５において、再びPQQredに還元され、酵素反応に参加する。
【０４６０】
実施例２における第１の酵素反応は、Formate dehydrogenase（FateDH）を酵素として用い、基質である二酸化炭素からギ酸を生成する反応である。
【０４６１】
第１の酵素反応は、第１の非水相４１２で生じさせる。
【０４６２】
第２の酵素反応は、第２の非水相４２２で行われ、第１の非水相で生成されたギ酸を基質として、酵素（MDH）存在の元、メタノールを生成する。
【０４６３】
実施例２の二酸化炭素固定化装置は、図６と同様に、酵素体を含む第１の非水相４１２に隣接して、酵素体を含まない第４の非水相４０２が設けられている。第４の非水相４０２は、二酸化炭素の送気流路に含まれている気相４１１に接している。気相４１１に導入された二酸化炭素が、第４の非水相４０２に一旦吸収されてから、第１の酵素体を含む第１の非水相４１２に導入されることになる。なお、第４の非水相４０２を省略することもできる。
【０４６４】
また、第４の非水相４０２には、電極４１４が設けてある。第４の非水相４０２を省略する場合には、電極４１４を第１の非水相４１２と接し、且つ電極４１５と接触しないように設置できる。
【０４６５】
第１の非水相４１２に含まれる酵素体の拡散を防ぐために、第４の非水相４０２と第１の非水相４１２との間にセパレーター４４１が設けられている。また、第２の非水相４２２と水相４３３との間にセパレーター４４２が設けられている。
【０４６６】
第４の非水相４０２には、1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide（略号：EMITFSI）からなるイオンゲルを用いた。このイオンゲルには、酵素体が分散されていない。
【０４６７】
第１の酵素反応に関わる第１の酵素体には、Formate dehydrogenase（FateDH）を含むシリカゲルに、５mM PQQとｐH７、０．１Mリン酸緩衝液をさらに含浸させた後のものを用いた。この酵素体を、第１の非水相４１２であるEMITFSIに分散させた。次に、第１の酵素体であるFDH／シリカゲルを含むEMITFSIを、さらにtetra-armed poly（ethylene glycol）イオンゲルにした。
【０４６８】
第２の酵素反応に関わる第２の酵素体には、Methanol dehydrogenase (MDH)を含むシリカゲルに、さらに５mM PQQとｐH７、０．１Mリン酸緩衝液を含浸させたものを用いた。この酵素体を、第２の非水相４２２であるEMTFSIに分散されている。
【０４６９】
第４の非水相４０２とセパレーター４４１と電極４１４、第１の酵素体を含むEMITFSIのイオンゲル膜（第１の非水相４１２）、電極４１５、第２の酵素体を含むEMITFSI（第２の非水相４２２）、電極４２５、セパレーター４４２の順で積層させて作った酵素膜電極融合体をセル本体Ｃ１０内に設置して、実施例２の二酸化炭素固定化装置を製造した。電極４１５と電極４２５には、カーボンペーパーを用いた。
【０４７０】
電極４１４には、カーボンペーパーを用いた。
【０４７１】
この装置により、二酸化炭素から燃料であるメタノールを高い効率で製造できた。
【０４７２】
（実施例３）
実施例３の二酸化炭素固定化装置は、実施例２の二酸化炭素固定化装置と同様に、二段階酵素反応により二酸化炭素から燃料であるメタノールを生産する装置である。
【０４７３】
実施例３では、実施例２と同様に二段階の酵素反応Formate dehydrogenase (FateDH)及びMethanol dehydrogenase (MDH)による酵素反応によりメタノールを生産する。また、実施例３のメディエーター、非水相、及び抽出液についても、実施例２と同じものを用いた。
【０４７４】
実施例３では、実施例２の積層方式と異なり、図８に示すような巻回型の酵素膜電極融合体を作る。ただし、実施例３の巻回型酵素膜電極融合体は、三つに区分けされた非水相を含む図８及び図９に示す非水相部６０１と異なり、単一の非水相を含む。また、実施例３では、二つの酵素FateDH及びMDHが同じ酵素体に含有されており、この酵素体が当該単一の非水相中に分散されている。
【０４７５】
多孔質電極（電極６１４、６１５）として、カーボンクロスを用いた。また、一方の多孔質電極上にセパレーターを設けた。
【０４７６】
多孔質電極、酵素体を含む非水相、もう一つの多孔質電極、セパレーターの順で形成された酵素膜電極融合体を、セパレーターが外側になるように巻回した。なお、この酵素膜電極融合体の巻回体の中央に、抽出液を流す流路とするための空洞を残した。
【０４７７】
酵素膜電極融合体の中央流路に、酵素膜電極融合体を支える多孔性のサポート体（内筒６５３）をさらに設けた。この中央流路に、燃料を抽出する抽出液を流す。
【０４７８】
一方、酵素膜電極融合体の巻回体の外周に、同様に酵素膜電極融合体を支える多孔性のサポート体（中間筒６５２）をさらに設けた。そして、二酸化炭素を送気する流路としての空間を設けるようにして、サポート体を含む酵素膜電極融合体を外装体（外筒６５１）の中に設置した。
【０４７９】
二酸化炭素が外周流路より導入される。外周流路より導入された二酸化炭素が、さらに酵素膜電極融合体を支える多孔性のサポート体を通して、酵素体を含む非水相の層に到達する。そこで、二酸化炭素は、酵素体を含む非水相において酵素反応の基質として、酵素反応に参加する。非水相で、二酸化炭素を第１の基質として始める二段階の酵素反応が行われて、最終的に燃料であるメタノールが生成される。
【０４８０】
生成されたメタノールは、最終的に、酵素膜電極融合体の内周の多孔性のサポート体を通して、中央流路に流れている抽出液に抽出される。
【０４８１】
実施例３の二酸化炭素固定化装置を用いることにより、二酸化炭素からより高い燃料変換効率でメタノールが得られた。
【０４８２】
（実施例４）
実施例４の二酸化炭素固定化装置は、図１０に示す二酸化炭素固定化装置７００のようなバッチ式の二酸化炭素固定化装置であり、二酸化炭素から燃料であるメタノールを生産する装置である。
【０４８３】
以下、図１０の二酸化炭素固定化装置７００と同様に構成されているとして、実施例４の二酸化炭素固定化装置を説明する。
【０４８４】
実施例４では、実施例２と同様にFateDHとMDHを用いる二段階の酵素反応によりメタノールを生産する。
【０４８５】
実施例４のメディエーター、燃料の抽出液は、実施例２と同様のものを用いる。
【０４８６】
実施例４の非水相には、イオン液体である[C8mIm+][TFSA-]と[C8ImH+][TFSA-]との混合液(χPIL＝AIL/PIL=0.7)を用いた。この混合液に、AOTを加え、２０時間撹拌することによってAOT（０．０７M）を分散させた。続いて、水溶媒として酵素としてのFateDHとMDHを含む希薄な緩衝液[０.１ M リン酸緩衝液、pH=7.0]を加え、1時間撹拌することにより、非水相としての[C8mIm+][TFSA-]と[C8ImH+][TFSA-]との混合液の中にAOTと[C8ImH+][TFSA-]とからなり、ウォータープールを含む逆ミセルを形成させた。
【０４８７】
こうして得られた逆ミセルのウォータープールに、酵素としてFateDHとMDHが可溶化されている。実施例４では、FateDHとMDHとが固定化されているこの逆ミセルを、酵素体として用いた。
【０４８８】
こうして得られた酵素/逆ミセル/イオン液体から構成される非水相は、実施例４の非水相として、すなわち図１０に示すと同様なバッチ式の二酸化炭素固定化装置の非水相７１２として用いられる。
【０４８９】
非水相にカソード電極７１５とアノード電極７１４とが設けられている。また、図１０では図示されていないが、実施例４の二酸化炭素固定化装置では、非水相７１２に参照電極がさらに設けられている（図示省略）。
【０４９０】
非水相と、燃料の抽出液を含む水相との間に、セパレーター７４１と多孔性の支持体（図示省略）が設けられている。
【０４９１】
水相７１３に連通する抽出液導入口５５と抽出液導出口５６とが設けられている。また、図１０では図示されていないが、実施例４の二酸化炭素固定化装置の水相７１３には、撹拌子が入っている。撹拌子を外部に設けられた撹拌器によって回転させることにより、抽出液が撹拌される。
【０４９２】
二酸化炭素は、非水相と接する気相から導入され、非水相に分散されている酵素FateDHの基質として酵素反応に参加する。実施例２と同様に、FateDHが触媒する酵素反応によって生成されたギ酸（formic acid又はformate)は、次の酵素MDHが触媒する酵素反応の基質として使われ、最終的にメタノールが生成される。メタノールはセパレーター７４１と多孔性の支持体を通して、水相が含む抽出液へ抽出される。抽出液のメタノールの濃度が反応時間と共に上昇し、一定の濃度に達した後、水相に連通する抽出液導出口５６から、メタノールを含んだ抽出液を導出回収する。次に、新しい抽出液を水相に連通する抽出液導入口５５より導入し、上記のプロセスを繰り返す。
【０４９３】
実施例４の燃料生産法は、バッチ式の燃料生成法であり、高濃度のメタノールを生産することができる。
【０４９４】
実施例４において、酵素が逆ミセルのウォータープールに可溶化されるため、酵素を反応系（イオン液体）に均一に分散させることができるため、高い酵素活性及び高い酵素触媒効率が得られる。
【０４９５】
実施例４の二酸化炭素固定化装置を用いることにより、二酸化炭素から高い燃料変換効率でメタノールが得られた。
【０４９６】
（実施例５）
実施例５の二酸化炭素固定化装置は、実施例４の装置と同様に、バッチ式の二酸化炭素固定化装置であり、二酸化炭素から燃料であるメタノールを生産する装置である。
【０４９７】
実施例５では、実施例２と同様にFateDHとMDHを用いる二段階の酵素反応によりメタノールを生産する。
【０４９８】
実施例５のメディエーター、燃料の抽出液は、実施例２と同様のものを用いる。
【０４９９】
実施例５では、実施例４と同様な方法で酵素/逆ミセル/イオン液体を作り、さらに以下の方法でゲル化させた。
【０５００】
酵素／逆ミセルからなる酵素体が分散された混合物（酵素/逆ミセル/イオン液体で構成される非水相）に、ゼラチンのパウダーを適量加え、40℃〜50℃の温度、３０分間程強く撹拌した。続いて、混合液を撹拌しながら30℃まで冷やし、さらに溶液が非常に濃厚、かつ均一になるまで撹拌し続けた。得られた混濁液を室温において透明なゲルになるまで放置した。
【０５０１】
上記の処理過程によって、ゼラチンが酵素体（逆ミセル）のウォータープールに入った後、そこでゲル化する。さらに、ウォータープール内でゲル化したゼラチンにより分子間ネットワークが形成されるため、この酵素体を含む混合物（非水相）全体がゲル化する。なお、混濁液を室温で放置することにより、加熱で熱変性してしまった酵素（FateDH及びMDH）のリフォールディング（refolding）をさらに行うことができる。
【０５０２】
実施例５において、酵素が逆ミセルのウォータープールに可溶化されるため、酵素を反応系（イオン液体）に均一に分散させることができる。さらに、酵素/逆ミセル/イオン液体から作製されたイオンゲルにも、酵素が均一に分散されているため、高い酵素活性及び高い酵素触媒効率が得られる。
【０５０３】
実施例５の二酸化炭素固定化装置を用いることにより、二酸化炭素から高い燃料変換効率でメタノールが得られた。
【０５０４】
（実施例６）
実施例６の二酸化炭素固定化装置は、実施例４の装置と同様に、バッチ式の二酸化炭素固定化装置であり、二酸化炭素から燃料であるメタノールを生産する装置である。
【０５０５】
実施例６では、実施例１と同様にFateDHとFaldDH、ADHを用いる三段階の酵素反応によりメタノールを生産する。
【０５０６】
実施例６ではさらに、メディエーターであるNADHの酸化体NAD＋をNADHに還元する酵素Glutamate dehydrogenase(GDH)を非水相に分散した。これらの四つの酵素を含む酵素体１１は、実施例１と同様にシリカゲルによって分散及び固定化させ、3 mM NADHとpH７、０．１Mリン酸緩衝液とを含浸させることで得た。得られた酵素体１１を第１の非水相の媒体であるEMTFSIに分散した。
【０５０７】
上記の方法で得られた酵素体/イオン液体の非水相を、実施例４と同じように、図１０に示す非水相７１２とした。
【０５０８】
一方、実施例６では、NAD＋をNADHに還元する酵素Glutamate dehydrogenase(GDH)をさらに非水相７１２に含むため、図１０に示すカソード電極７１５とアノード電極７１４、並びに参照電極を省略することができる。
【０５０９】
実施例６では、三つの酵素を用いる酵素反応によりメタノールを生産する際に消費されているNADHを、酵素GDHによって迅速に再生することができる。従って、実施例６の二酸化炭素固定化装置の構成によって、NADHの枯渇による酵素反応の停止を防ぐことができ、かつ高いメタノール濃度が得られる。
【０５１０】
なお、酵素GDHによりNADHの再生反応において必要とされるグルタミン酸を水相より供給することができる。
【０５１１】
さらに、上述した実施例１ないし実施例６ではいずれも、二酸化炭素の吸収媒体としてイオン液体を用いているため、二酸化炭素の溶解度が大幅に増大した。従って、実施例１ないし実施例６の酵素反応を用いて、高濃度の燃料であるメタノールを作ることができる。
【０５１２】
以上説明した少なくとも一つの実施形態及び実施例に係る二酸化炭素固定化装置は、非水相と水相とを具備する。非水相は、イオン液体と、酵素体と、メディエーターとを含む。酵素体は、二酸化炭素又はその還元生成物の還元反応を触媒する。メディエーターは、この還元反応において還元剤又は補酵素として作用する。また、非水相には二酸化炭素又はその還元生成物が供給され、上記還元反応により反応生成物を生成する。水相は、抽出液を含む。水相には、上記反応生成物が非水相から供給される。このような構成により、二酸化炭素を高効率で固定化する二酸化炭素固定化装置及び燃料生産システムを提供することができる。
【０５１３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０５１４】
１１…酵素体、１２…酵素、１４ａ，１４ｂ…第１のメディエーター、１５…第１の反応生成物、２１…酵素体、２２…酵素、２４ａ，２４ｂ…第２のメディエーター、２５…第２の反応生成物、３１…酵素体、３２…酵素、３４ａ，３４ｂ…第３のメディエーター、３５…第３の反応生成物、５１…気体導入口、５２…気体排出口、５３…気流制御弁、５４…外部流路、５５…抽出液導入口、５６…抽出液導出口、５７…液体流制御弁、８１…二酸化炭素供給部、８２…燃料生成部、８３…抽出液供給部、８４…抽出液回収部、８５…抽出液供給タンク、９０…電気系統システム、９１…制御部、９２…検知処理部、９３…データベース、９４…温度制御部、９５…電気的制御部、１００…二酸化炭素固定化装置、１０１…二酸化炭素固定化装置、１１０…第１のブロック、１１１…気相、１１２…非水相、１１３…水相、１１４…アノード電極、１１５…カソード電極、１１６…参照電極、１２０…第２のブロック、１２２…非水相、１２３ａ…第１の水相、１２３ｂ…第２の水相、１２４…アノード電極、１２５…カソード電極、１３０…第３のブロック、１３２…非水相、１３３ａ…第１の水相、１３３ｂ…第２の水相、１３４…アノード電極、１３５…カソード電極、１５１，１５２，１５３…電気的制御部、２００…二酸化炭素固定化装置、２１０…第１のブロック、２１１…気相、２１２…非水相、２１３…水相、２１４…アノード電極、２１５…カソード電極、２２０…第２のブロック、２２２…非水相、２２３…水相、２２４…アノード電極、２２５…カソード電極、２３０…第３のブロック、２３２…非水相、２３３…水相、２３４…アノード電極、２３５…カソード電極、２５０…電気的制御部、３００…二酸化炭素固定化装置、３１１…気相、３１２…第１の非水相、３１４，３１５…電極、３２２…第２の非水相、３２５…電極、３３２…第３の非水相、３３３…水相、３３５…電極、４００…二酸化炭素固定化装置、４１１…気相、４０２…第４の非水相、４１２…第１の非水相、４１４，４１５…電極、４１６…リード線、４２２…第２の非水相、４２５…電極、４３２…第３の非水相、４３３…水相、４３５…電極、４４１，４４２…セパレーター、５００…二酸化炭素固定化装置、５１１…気相、５１２…第１の非水相、５１５…電極、５２２…第２の非水相、５２５…電極、５３２…第３の非水相、５３３…水相、５３５…電極、５５１…外筒、５５２…中間筒、５５３…内筒、６００…二酸化炭素固定化装置、６０１…非水相部、６１１…気相、６１２…第１の非水相、６１４，６１５…電極、６２２…第２の非水相、６３２…第３の非水相、６３３…水相、６５１…外筒、６５２…中間筒、６５３…内筒、７００…二酸化炭素固定化装置、７１１…気相、７１２…非水相、７１３…水相、７１４…アノード電極、７１５…カソード電極、７４１…セパレーター、８００…二酸化炭素固定化装置、８１１…気相、８１２…非水相、８１３…水相、８１４，８１５…電極、８１６，８１７…スペーサー、８６１…電極板、８６２…電極板、８７０…保温材、８７１…ガスケット、９６１，９６２…電極リード線、Ｃ１…第１のセル本体Ｃ２…第２のセル本体、Ｃ３…第３のセル本体、Ｃ１０…セル本体、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３…治具。
【図１】
2018153173.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年4月27日(2018.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
イオン液体は、さらに、例えば、1-methyl-3-propyl-methylimidazolium dihydrogen phosphate (PMIH2PO4)、polybenzimidazole (PBI)、1-octyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide、[C8mIm+][TFSA-]（TFSA- = (CF3SO2)2N-）、1-alkylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide、[CnImH+][TFSA-]（n = 4 or 8）、triethyl sulfonium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide（TSBTSI）、1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate（[bmim][PF6]）、1-butyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([bmim][Tf2N])、octyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphate（[omim][PF6]）、1-decyl-3-methylimidazolium bis(trifluoro-methylsulfonyl)imide ([dmim][Tf2N])、1-butyl-3-Methylimidazolium tetrafluoroborate ([bmim][BF4])、1-dodecyl-3-methylimidazolium chloride ([dmim][Cl])、1-Methyl-3-octylimidazolium chloride (MOImCl)、[C2mim][NTf2]、[C6mim][NTf2]、[C8mim][NTf2]、[C6F9MIM][NTf2]、1-butyl-3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide、[C4mim][NTf2]、[C4mim][PF6]、[Bmim][PF6]（BMIM-PF6）、[bmmim][PF6]、[C4mim][TFSI]、IL[C8mim][Tf2N]（1-octyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide）、IL2(1-ethyl-3-methyl-imidazolium bromide, [emim][Br])、1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([emim][Tf])、1-ethyl-3-methylimidazolium tetra-fluoroborate ([emim][BF4])、[emim][AlCl4]、[emim][H2,3F3,3]、[emim][CH3CO2]、[emim][CF3SO3]、[emim][(C2F5SO2)2N]、[emim][(C2F5SO2)2C]、[emim][TFA]、[emim][Ac]、1-butyl-3-methylpyridinium tetrafluoroborate ([bmpyri][BF4])、1-butyl-3-methylpyrrolidinium tetrafluoroborate ([bmpyrro][BF4])、[bmim][BF4]、1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([emim][Cl])、[emim][Tf2N]、[C4mim][AC]、[P6614][Pro]、[P6614][Ala]、[P6614][Gly]、[MTBDH][TFE]、[C2mim][DCA]、[C2mim][Tf2N]、[C2mim][TfO]、[C2mim][TCB]などを用いることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６３】
実施形態に係るマイクロカプセルの芯部は、酵素反応の場として利用される。さらに、マイクロカプセルは、芯部へ基質、メディエーター、水、中間生成物など酵素反応に係る成分を速やかに取り込むことができ、また、芯部から酵素反応の反応生成物を速やかに放出することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７６】
なお、包括法により格子状の支持体に酵素を修飾した場合、酵素は支持体の網目構造に閉じ込められ得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２００】
例えば、電解重合によって、多孔質膜上にPoly(Neutral red) [略号：Poly(NR)]の電解膜を作ることができる。Poly(NR)修飾膜を有する多孔質膜を用いることにより、NAD+を比較的に低い過電圧で酵素活性を有するNADHに効率よく還元させることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２６９】
セル電圧制御部は、電流制御部で置き換えてもよい。電流制御部は、カソード電極１３５とアノード電極１３４との間を流れる電流を制御する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３７７】
電極８１４は、多孔質の電極であり、例えば電極８１４としてカーボンペーパーを用いることができる。電極８１４は、気相８１１の流路兼リード線としての役割を果たす電極板８６１と接続されている。図示する例では、電極８１４と電極板８６１との間には、気相８１１の流路を規定する多数の隔壁が設けられている。隔壁は、省略することもできる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４３２】
第１の酵素反応に関わる酵素体１１は、Formate dehydrogenase（FateDH）が分散・固定化されているシリカゲルに、3 mM NADHとpH７、０．１Mリン酸緩衝液とを含浸させることで得た。ここで用いたシリカゲルは、メソ孔を有する多孔質球状シリカ粒子であり、平均粒径は0.3μM、平均細孔径は16 nｍである。得られた酵素体１１を第１の非水相の媒体であるEMITFSIに分散した。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４３３】
また、酵素体１１としてのFateDH／シリカゲルを含むEMITFSIを、さらにtetra-armed poly（ethylene glycol）イオンゲルにした。FateDH／シリカゲルがEMITFSIのイオンゲルの網目に均一に分散されている。このようにして、第１のブロック１１０の非水相１１２として酵素体１１を含んだイオンゲル膜を得た。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４３４】
酵素体１１を含むEMITFSIのイオンゲル膜を一対の多孔質電極としてのカーボンペーパーで挟んだ。カーボンペーパーには、Poly（neutral red）で修飾されているものを用いた。さらに、一方の多孔質電極（アノード電極１１４）を二酸化炭素の流路側に、他方の多孔質電極（カソード電極１１５）を水相側にそれぞれ接するように第１のブロック１１０内に配置した。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４６８】
第２の酵素反応に関わる第２の酵素体には、Methanol dehydrogenase (MDH)を含むシリカゲルに、さらに５mM PQQとｐH７、０．１Mリン酸緩衝液を含浸させたものを用いた。この酵素体を、第２の非水相４２２であるEMITFSIに分散させた。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０５０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０５０６】
実施例６ではさらに、メディエーターであるNADH（補酵素）の酸化体NAD＋をNADHに還元する酵素Glutamate dehydrogenase(GDH)を非水相に分散した。これらの四つの酵素を含む酵素体１１は、実施例１と同様にシリカゲルによって分散及び固定化させ、3 mM NADHとpH７、０．１Mリン酸緩衝液とを含浸させることで得た。得られた酵素体１１を第１の非水相の媒体であるEMITFSIに分散した。