(57)【要約】【課題】特定の微生物を用いて水素を効率よく製造し、かつ、副産物である酢酸を無害化する方法及び装置を提供すること。【解決手段】炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養することにより、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化すること、を含む水素の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養することにより、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物に水素を産生させること、および、
水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化すること、
を含む水素の製造方法。
【請求項２】
培養時に、支持体を入れて培養して水素を産生させる、請求項１に記載の水素の製造方法。
【請求項３】
前記支持体が、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、及びガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる１種または２種以上である、請求項２に記載の水素の製造方法。
【請求項４】
前記支持体が、前記カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種である、請求項２に記載の水素の製造方法。
【請求項５】
前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物がＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓである、請求項１〜４のいずれかに記載の水素の製造方法。
【請求項６】
Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓが、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１（寄託機関：独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター、受託番号：ＦＥＲＭ  Ｐ−１５００７号）であることを特徴とする、請求項５記載の水素の製造方法。
【請求項７】
炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養する培養槽と、
水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化する無害化槽とを、少なくとも備える水素の製造装置。
【請求項８】
前記培養槽と前記無害化槽が一体化されている、請求項７に記載の水素の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物を用いた水素の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や地球温暖化などの懸念から、石油由来の燃料の代替としてバイオマス由来の燃料生産が検討されている。現在検討されているバイオマスとしては、廃棄物由来のものとして、食品廃棄物、木材、紙類等が知られている。このような廃棄バイオマスから生成できるクリーンエネルギーとして水素ガスも注目されている。
【０００３】
現在、水素の製造法として工業的に実施されている代表的なものは、ナフサ、石油オフガス、ブタン、ＬＰＧ、天然ガス（主にメタン）などを水蒸気改質する方法である。そのほか、重質油を部分酸化する方法も採用されている。いずれにせよ、水素の製造は、化石燃料に依存しているのが実態である。そのため、大分以前から将来的な化石燃料の枯渇が危惧されており、化石燃料に依存しない水素の製法が望まれているという実情もある。
【０００４】
このような問題に対し、超好熱菌を利用することにより，この廃棄バイオマスからクリーンエネルギーである水素を効率的に生産する方法が報告されている。
【０００５】
このような水素発生超好熱菌の例として、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物、特に、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒａｅｎｓｉｓを培養して水素を生物学的に製造する技術が、従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、サーモコッカス属の微生物を培養することにより、菌体に水素を産生させる水素の製造方法が記載されている。
【０００６】
また、同じくＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を用いて、支持体と一緒に培養することによって、前記支持体を核としてバイオフィルムを形成し、当該バイオフィルムの状態で前記菌体を培養することによって、水素を製造する水素の製造方法も報告されている（特許文献２）。
【０００７】
一方で、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物は、デンプンなどの炭素源からピルビン酸を生成する過程で水素を生産することが知られているが、同時に、酢酸をも生成することがわかっている（非特許文献１）。酢酸は、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物の増殖の阻害要因になるため、ある程度の水素を生成した後は水素生産が止まる。そこで、水素を連続生産する場合には、酢酸が所定量生成された後で、培地を一部入れ替えたり、酢酸を除去又は分解する等して酢酸濃度を低下させる必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許３７７１４７５号公報
【特許文献２】特許５０５８５３６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｖｏｌ．９，  Ｎｏ．２，  ６５−６８（２００９年）、図４等
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般的な酢酸の除去方法として知られているのは、（１）活性炭に吸着させて除去する方法、または（２）ＯＨラジカルを発生させて分解する方法等である。しかし、上記（１）の除去方法では、連続培養するために、酢酸を吸着させた活性炭を頻繁に新しい物と交換するか、再生させる必要がある。交換にはランニングコストがかかり、再生するにしても再生装置などが必要になり、イニシャルコストがかかる。また、培地には酢酸以外の水溶性有機物質が存在するため、活性炭の交換や再生の頻度が多くなり、より多くのコスト負担が必要になることも懸念される。
【００１１】
また、上記（２）の分解方法としては、光触媒を利用する方法、水中にプラズマを発生させる方法が知られているが、いずれもＯＨラジカルを発生させるための装置が必要となり、イニシャルコスト及びこれらの装置を運転し続ける電力が必要となる。さらに、過酸化水素を加える化学的方法も知られているが、薬品を常に投入し続けないといけないためランニングコストがかかってしまう。
【００１２】
一方で、食品として利用した後の牡蠣やその他の貝類の殻、または、動物の骨等の廃棄が問題になっている。これらは、一部は土壌改質剤等として利用されているが、大部分は廃棄物となることが多い。よって、このような廃棄物の再利用方法も求められている。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、特定の微生物を用いて水素を効率よく製造する方法及び装置において、大きなコストをかけることなく有害物質である酢酸の発生を抑え、効率的に水素を連続生産することを目的とする。そして、本発明者らは、下記構成により、上記課題が解決できることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち、本発明の一態様に係る水素の製造方法は、炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養することにより、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化すること、を含むことを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記製造方法において、培養時に、支持体を入れて培養して水素を産生させることが好ましい。
【００１６】
また、前記支持体が、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、及びガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。
【００１７】
あるいは、前記支持体が、前記カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種であることも好ましい。
【００１８】
さらに、前記製造方法において、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物がＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓであることが好ましい。
【００１９】
さらに、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓが、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１（寄託機関：独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター、受託番号：ＦＥＲＭ  Ｐ−１５００７号）であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の他の態様に係る水素の製造装置は、炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養する培養槽と、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化する無害化槽とを、少なくとも備えることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記製造装置において、前記培養槽と前記無害化槽が一体化されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、原料を化石に依存することなく、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を用いて効率良くクリーンなエネルギーである水素を発生させることができる。Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物が水素を発生させる過程で生成する酢酸を廃棄物等を用いて無害化できるため、コストをかけずに効率よく水素を連続生産することが可能となる。また、本発明の水素製造方法は、通常は廃棄される貝類や骨等を利用しているため、ランニングコストが発生しないだけでなく、廃棄物の有効利用ともなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本実施形態に係る水素製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】図２は、実施例で使用した水素製造装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明者らは、鋭意努力の結果、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物が水素を発生させる過程で生成する酢酸を、コストをかけずに効率よく無害化する方法を見出し、さらに研究を重ねて本発明を達成した。
【００２５】
すなわち、本発明の水素製造方法は、炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養することにより、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化すること、を含むことを特徴とする。
【００２６】
以下、本発明の好適な実施形態を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定はされない。
【００２７】
本実施形態の水素の製造方法では、炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養することにより、菌体に水素を産生させる。
【００２８】
本実施形態では、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物として、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓを用いることが好ましい。さらに、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓに属する菌である、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１を用いることがより好ましい。この菌株ＫＯＤ１は、公的機関である独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センターに、受託番号：ＦＥＲＭ  Ｐ−１５００７号として寄託されており、当業者は容易に入手することができる。上記寄託は、Ｐｙｒｏｃｏｃｃｕｓ  ｓｐ．ＫＯＤ１またはＰｙｒｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１で登録されているが、正確にはＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１である（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂａｃｔｅｒｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１８２，Ｎｏ．２２，Ｎｏｖ．２０００，ｐ．６４２４−６４３３等参照）。
【００２９】
本実施形態の培養液としては、種々の培地組成を有するものが用いられる。代表的な一例としては、食塩を含む基礎培地や人工海水塩を加えた培地（ＭＡ培地）等が挙げられる。さらに培養液には酵母エキスやトリプトン等を加えてもよい。
【００３０】
そして本実施形態においては、この培養液に、炭素源を基質として添加する。使用できる炭素源としては特に限定はされず、デンプン系多糖類、セルロース系多糖類、あるいは各種のバイオマス等が挙げられる。これらの炭素源は、単独で又は複数を組み合わせて用いられる。
【００３１】
デンプン系多糖類としては、とうもろこしデンプン、馬鈴薯デンプン、甘藷デンプン、小麦デンプン、キャッサバデンプン、サゴデンプン、タピオカデンプン、米デンプン、豆デンプン、くずデンプン、わらびデンプン、はすデンプン、ひしデンプン等の生デンプン；α−デンプン、分別アミロース、湿熱処理デンプン等の物理的変性デンプン；加水分解デキストリン、酵素分解デキストリン、アミロース等の酵素変性デンプン；化学分解変性デンプン；化学変性デンプンなどが挙げられる。
【００３２】
セルロース系多糖類としては、木材や紙類などが挙げられ、例えば、製材工場の残材や住宅解体材などの廃棄物、木屑（チップ化された木質廃材）、木質ペレット、枯れ葉・枯れ枝、紙屑などの紙材等、木質系および紙類の廃棄有機物を広く使用することができる。また、じゃがいもの皮等の不溶性食物繊維を多く含むものもセルロース系多糖類として使用することができる。
【００３３】
培養液に添加する炭素源の濃度は、デンプン系多糖類やセルロース系多糖類の場合、０．０１〜５％（ｗ／ｗ）とすることが適当である。このような濃度において、本発明の目的が最大限に達成できると考えられる。濃度の好ましい範囲は０．１〜３％（ｗ／ｗ）、より好ましい範囲は０．２〜２％（ｗ／ｗ）である。
【００３４】
さらに、培養液には、菌体の培養に一般に用いられるアミノ酸源等を添加してもよい。
【００３５】
実際の培養操作にあたっては、上述したような炭素源を添加した培養液に、別途、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を前培養したものを植菌し、ついで本培養を開始することが望ましい。
【００３６】
培養温度は、超好熱菌であるＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物の生育温度、すなわち、温度６０〜１０５℃に設定することが好ましい。より好ましくは、６０〜１００℃、さらに好ましくは７０〜９５℃、もっとも好ましくは８０〜９０℃に設定することが望ましい。６０℃未満では水素の発生量が不足し、一方１０５℃を越えると、水素の発生量がかえって低下する傾向がある。本実施形態で好ましく用いられるＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１の最適生育温度は、一般の微生物にしては極めて高い８５℃前後であるので、この温度から極端に乖離することは好ましくない。
【００３７】
さらに、培養に際しては、培養を、嫌気性雰囲気下に、光照射することなく、かつ元素硫黄（単体硫黄）の非存在下に行うことが好ましい。それにより、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を用いて、より効率よく水素を製造することができる。なお、その場合、雰囲気中に微量の酸素が含まれていたり、培養中に微量の光が入り込んだり、培養液に微量の元素硫黄が添加されていたりしても、それらが単に名目的なものであって本発明の趣旨を損なわないものであるときは、本発明の技術的範囲から外れることにはならないことに留意すべきである。
【００３８】
一般に微生物は、高温の温泉等の噴出口などから単離される特殊な菌を除き、６０℃以上の高温では死滅するかまたは生育しえない場合が多い。従って、本実施形態の微生物のように６０〜１０５℃の高温で生育できることは、培養時に他の菌の繁殖による汚染を回避することができ、容易に目的の好熱菌のみを増殖させることができるという利点がある。
【００３９】
しかも本実施形態によれば、光合成細菌を利用して水素を発生する場合に不可欠である光照射を必要としないので、光照射に必要な設備を削減し簡素化することもできる。さらに、光照射部に発生付着する有機物等によって光が吸収されたり遮断されたりして、著しく水素の発生効率が低下する危険性を回避できる利点もある。
【００４０】
また、好ましい一つの実施態様として、特に培養槽内の温度分布を改善するために培養液の撹拌を行う場合、撹拌手段が起こすせん断力によって前記微生物が破壊またはストレスを受けないようにするため、可能な限りゆっくりと撹拌すると共に、前記微生物の培養時に支持体を入れて培養することが好ましい。それにより、前記支持体を核としてバイオフィルムを形成し、当該バイオフィルムの状態で前記微生物の菌体をより高密度で培養できる。
【００４１】
本実施形態において、支持体は菌体を吸着するものである。この支持体は多孔質であることが好ましい。多孔性支持体における孔の孔径の分布は一定ではなく、統計学的分散が大きいものが大部分である。一方、菌体の大きさは、例えばＫＯＤ１株が成熟した場合において約１μｍである。よって、多孔性支持体の孔の孔径は１μｍ以上であることが好ましい。これにより、菌体が多孔性支持体の内部に侵入して吸着され易くなる。
【００４２】
また、多孔性支持体の孔の孔径は２０μｍ以上であることがより好ましい。これにより、増殖した菌体を多孔性支持体の内部において保持することができる。結果、菌体を高密度化することができる。また、多孔性支持体の孔の孔径は１００μｍ以上であることがさらに好ましい。これにより、多孔性支持体の内部に吸着されている菌体に培養液を効率的に供給するとともに、消費された培養液（廃液）を多孔性支持体の外部に効率的に排出することができる。結果、多孔性支持体内の菌体の増殖を促進することができる。その他にも、多孔性支持体の内部においてバイオフィルムを形成することができるため、多孔性支持体内の菌体をより固定化することができる。
【００４３】
なお、多孔性支持体の孔の孔径は３００μｍ以下であることが好ましい。これにより、多孔性支持体の表面積を十分に広くし、菌体の吸着量を増加することができる。
【００４４】
支持体の形状は特に限定されないが、体積は小さいことが好ましい。体積が小さいと、培養槽内に支持体を所定量充填した際、培養槽の容量体積に対する全支持体の表面積が広がり、菌体が固定化し易くなるとともに、支持体を核としてバイオフィルムを形成することができる。
【００４５】
また、支持体には、吸着剤のコーティングや表面処理を施すことが好ましい。これにより、菌体の吸着量をさらに増加することができる。この吸着剤や表面処理としては、微生物を吸着し、かつ、菌体の培養温度において安定であるものが好適に用いられる。例えば、キリンビール・酒伊エンジニヤリング社製のセルロース・キャリア（商品名：ＣｅｌｌｓｎｏｗＴＭ）が挙げられる。
【００４６】
支持体の材質は、菌体を吸着する機能を有すればよく、例えば、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、ガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。これらの支持体は、入手が容易であり、かつ加工が容易であるため、好適に用いることができる。
【００４７】
Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物は、増殖過程で水素を生成する一方、酢酸をも生成する。酢酸は、本実施形態の微生物の増殖の阻害要因になるため、ある程度の水素を生成した後は水素生産が止まる。そこで、本実施形態では、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化する。
【００４８】
本実施形態の無害化工程では、酢酸を、前記貝類や骨に含まれるカルシウムと反応させて無害な酢酸カルシウムに変化させる。この無害化工程によって、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物の連続培養を特別な装置や薬品を用いることなく実現することができ、水素を効率よく連続生産することができる。
【００４９】
カルシウムを成分として含む、廃棄物、貝類や骨としては、カルシウムを多めに含む廃棄物、貝類や骨であることが望ましい。本実施形態において、「カルシウムを成分として含む」とは、カルシウムを、生成される酢酸を酢酸カルシウムに変化させるに十分な量で含んでいることを意味する。
【００５０】
具体的な廃棄物、貝類や骨としては、例えば、牡蠣殻、その他貝類の貝殻、動物（例えば食用の魚等）の骨、カルシウム含有スラッジ等が挙げられる。このようなカルシウムを含む廃棄物、貝類や骨は一般家庭や外食産業等から廃棄物として出ることが多く、通常は再利用できずに廃棄されてしまうことが多い。本実施形態では、これらの廃棄物を再利用することによって、酢酸無害化にコストをかけないだけでなく、廃棄物の有効利用にも貢献できる。
【００５１】
前記微生物（ＫＯＤ１）は、でんぷん１モルに対し約４モルの水素を生成する。この時、約２モルの酢酸も生成することがわかっている。よって、酢酸の無害化に必要な前記廃棄物、貝類や骨の量は、炭酸カルシウム１モル（約１００ｇ）と酢酸２モル（約１２０ｇ）から、酢酸カルシウム１モル（約１６０ｇ）と水（Ｈ２Ｏ）１モル及び二酸化炭素（ＣＯ２）１モルが生成するとする化学式を用いることによって、必要なカルシウム量を求めることができるため、廃棄物、貝類や骨が含有しているカルシウムの割合によって適宜調整することができる。
【００５２】
また、無害化は高温下で行うことが好ましい。具体的には、６０℃〜１０５℃（前記微生物の育成温度）程度で行うことが望ましい。特に本実施形態で使用する微生物は超好熱菌であるため、前記微生物の育成温度で無害化を行うことが好ましいと考えられる。
【００５３】
酢酸の無害化工程は、前記微生物を培養した後に行うこともできるが、培養と同時に行ってもよい。その場合は、上述したような支持体として、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いることもできる。多くの場合、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類や骨等（牡蠣殻や動物の骨等の廃棄物等）は多孔質であるため、前記支持体としても役割を果たすことができると考えられる。
【００５４】
〈水素の製造装置〉
上記の方法を実施するための水素の製造装置は、図１に示すように、
・炭素源（６）を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養する培養槽（１）と、
・水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種（４）を用いて無害化する無害化槽（２）とを、少なくとも備える装置である。
【００５５】
本実施形態の装置によれば、培養槽（１）で生成した酢酸を含む培地が無害化槽（２）に送られて無害化され、培養槽（１）に戻されることによって、前記微生物を連続培養し、水素を効率よく連続して製造することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態の水素製造装置には、前記培養槽（１）にて発生した水素に富むガスを導出するガス導出手段（５）が好適に備えられている。
【００５７】
また、培養槽（１）から無害化槽（２）へ培養液を送る場合、培養槽（１）内の前記微生物が多く無害化槽（２）へ流れ出ないように、当該培養槽（１）中には支持体（３）が設置されていることが好ましい。
【００５８】
前記培養槽（１）と前記無害化槽（２）の間の連結手段には、ポンプなどが備えられていてもよく、それにより無害化槽（２）からクリーンな（微生物の育成を阻害する酢酸の濃度が抑えられた）培地を培養槽（１）に一定量で送ることができる。ただし、前記ポンプ等で培養液を送る場合には、培養槽（１）から流れ出た前記微生物がポンプを通過する際のせん断力でダメージを受けることがないように考慮することが好ましい。
【００５９】
図１では培養槽（１）と無害化槽（２）を分けて示したが、これらは一体化した一つの槽であってもよい。その場合は、前記廃棄物、貝類や骨（４）が前記支持体（３）の役割を果たすこともできる。
【００６０】
廃棄物、貝類や骨（４）や支持体（３）としては、上述の「水素の製造法」の個所で述べたものと同様のものを使用できる。
【００６１】
本実施形態において槽（培養槽および無害化槽）の材質は、１００℃前後の温度に耐えるものであることが要求される。そして、培地に高濃度の塩を使用すること、また培養時に硫化水素が発生する場合があることから、耐腐食性の高いものが用いられる。たとえば、アルミニウム、各種ステンレス鋼、ハステロイなどの耐酸性金属が用いられ、殊にステンレス鋼の場合はオーステナイト系ステンレス鋼が望ましく、特にＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４等が最も望ましい。しかしながら、これらの金属は、耐腐食性に関しては完全ではない。耐腐食性を考慮した場合、樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどでもよいが、耐熱性が高いフッ素樹脂が望ましく、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが最も好ましい。ここで嫌気性菌の特性を考えた場合、培養時に極力酸素に接触させない方が望ましいことから、酸素透過性は小さいものほどよい。しかしながら、これらの樹脂は、金属に比しては酸素の透過性が高いという欠点があり、また樹脂を用いた場合、強度的に充分な形状を維持するためには、槽の肉厚を厚くする必要があり、コストも高くなるという欠点がある。また耐腐食性、酸素遮断性を考慮した場合には、各種ガラスでもよいが、破損しやすいという欠点がある。故に、耐腐食性が高く、酸素透過性が低く、かつ強度が大であるという観点から、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４等の金属に上記のようなフッ素樹脂をコーティングまたはライニングしたものが最適であるということができる。
【００６２】
培養槽（１）や無害化槽（２）は、単槽でもよいが、複数の槽を用いることもできる。槽の形状は、特に制限はないものの、円筒形とすることが望ましい。
【００６３】
また、前記ガス導出手段（５）は、単なる配管で充分である。材質は、基本的に培養槽に適合するものと同様であることが望ましい。また自由度が高いという点で、各種ゴムを使用してもよく、特にガス透過性が小さいエチレン・プロピレンゴムやフッ素ゴム（ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体等）などは、耐酸性や耐熱性の点で、好ましい材質の例である。
【００６４】
さらに、使用する微生物が超好熱菌であるため、培養槽（１）には培養温度を調整するための加熱手段（図示せず）が設けられていてもよい。加熱手段としては、ジャケットタイプ、電熱タイプをはじめとする種々の加熱機構を採用することができる。特に加熱方法に関しては、培養槽内を撹拌装置により撹拌する場合があるので、下部に加熱部（ヒータ）を具備したマグネチックスターラを装備し、また効率良くヒートアップするために槽の胴部を保温または加熱するためのマントルヒータを装備して、加熱するようにすることが望ましい。
【００６５】
なお、「水素の製造法」の個所で述べたように、上記のＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物としてはＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓを用い、また培養を、嫌気性雰囲気下に、光照射することなく、かつ元素硫黄（単体硫黄）の非存在下に行うようにすることが好ましい。
【００６６】
その場合、培養を嫌気性雰囲気下で行うための不活性ガス供給手段（図示せず）を装置に備えていてもよい。
【００６７】
不活性ガス供給手段としては、窒素ガスなどの不活性ガスを供給する手段が採用できる。不活性ガスの純度はできるだけ高い方が望ましく、特に酸素混入量の少ないものが望ましい。不活性ガスとしては、たとえば、半導体製造用に使用される半導体用材料窒素（純度９９．９９９９％以上、含有酸素量０．１ｐｐｍ（ｖ／ｖ）未満、大陽東洋酸素株式会社製）や超高純度窒素（ＵＳグレード窒素、純度９９．９９９９５％以上、酸素含有量０．１ｐｐｍ（ｖ／ｖ）未満、大陽東洋酸素株式会社製）などが好適に用いられる。
【００６８】
不活性ガスの供給は、培養中必ずしも必要としないが、培養前に予め培養液中の溶存酸素を系外に排出するために必要であり、また培養中に発生する水素を培養液中からすみやかに系外移動させる目的の点でも、供給する方が望ましい。
【００６９】
また、光照射することなく培養を行うためには、本実施形態の水素製造装置は遮光手段を備えていることが好ましい（図示せず）。
【００７０】
なお、嫌気性とガス撹拌とを効率的かつ確実に維持するための不活性ガスの供給手段を省略し、密閉式の培養槽（１）を用いて機械的撹拌手段により撹拌する機械撹拌方式を採用したり、培養槽（１）から発生するガスの一部を培養槽（１）内の培養液中に戻して撹拌を図る自己ガス撹拌方式を採用したりすることもできる。そのほか、必要に応じ、水素ガスの濃縮分離のための種々の手段、各種制御手段、種々の除害手段などを付設することができる。
【００７１】
本実施形態の方法または装置により得られた水素は、油脂工業における水添反応、酸素・水素炎による溶接、金属の還元処理、ガラスの溶融、半導体工業における還元処理、ロケット燃料（液体水素）をはじめとする従来型の用途や、自動車用燃料電池燃料、家庭用燃料電池燃料をはじめとする新規用途に用いることができる。
【００７２】
本明細書は、上述したように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下にまとめる。
【００７３】
本発明の一態様に係る水素の製造方法は、炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養することにより、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物に水素を産生させること、および、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化すること、を含むことを特徴とする。
【００７４】
このような構成により、原料を化石に依存することなく、効率良くクリーンなエネルギーである水素を発生させることができる。また、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物が水素を発生させる過程で生成する酢酸を廃棄される貝類や骨等を用いて無害化できるため、コストをかけずに効率よく水素を連続生産することが可能となる。さらに、本発明の水素製造方法は、通常は廃棄される貝類や骨等を利用しているため、ランニングコストが発生しないだけでなく、廃棄物の有効利用ともなる。
【００７５】
さらに、前記製造方法において、培養時に、支持体を入れて培養して水素を産生させることが好ましい。それにより、より高密度で前記微生物を培養することができるため、水素産生の効率がより向上すると考えられる。
【００７６】
また、前記支持体が、天然スポンジ、合成スポンジ、活性炭、セラミック、イオン交換樹脂、ゼオライト、発泡れん石、溶融スラグ、酢酸セルロース繊維、及びガラスビーズ、カーボン、シリカゲル、砂、アルミナ、モレキュラーシーブ、及びチタン酸化物からなる群から選ばれる１種または２種以上であることが好ましい。それにより、上述した効果がより確実に得られると考えられる。
【００７７】
あるいは、前記支持体が、前記カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種であることも好ましい。それにより、培養と無害化を同時に行うことができ、より効率的であると考えられる。
【００７８】
さらに、前記製造方法において、前記Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物がＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓであることが好ましい。それにより、上述した効果がより確実に得られると考えられる。
【００７９】
さらに、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓが、Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１（寄託機関：独立行政法人産業技術総合研究所特許生物寄託センター、受託番号：ＦＥＲＭ  Ｐ−１５００７号）であることが好ましい。それにより、上述した効果がより確実に得られると考えられる。
【００８０】
また、本発明の他の態様に係る水素の製造装置は、炭素源を添加した培養液を用いてＴｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ属の微生物を培養する培養槽と、水素産生時に生成される酢酸を、カルシウムを成分として含む廃棄物、貝類及び骨から選択される少なくとも１種を用いて無害化する無害化槽とを、少なくとも備えることを特徴とする。
【００８１】
さらに、前記製造装置において、前記培養槽と前記無害化槽が一体化されていることが好ましい。
【００８２】
以下に、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００８３】
（実施例１）
実施例では、図２にその概略を示すような水素製造装置（培養装置）を用いた。
【００８４】
〈培地の調製〉
（基礎培地）
食塩を加えた塩分濃度３％の水溶液を基礎培地とした。
【００８５】
（前培養培地）
人工海水塩に酵母エキスとトリプトンとを各０．５％（ｗ／ｖ）加えた培地（ＭＡ培地）を基本とする次の培地を調製した。トリプトンは、タンパク質をトリプシンで部分加水分解したものである。マリンアートは、海水と同じ成分を含む塩類の混合物である。なお、以下の培地組成における各成分の含有量は「％（ｗ／ｖ）」としてあるが、それを「％（ｗ／ｗ）」で換算してもそれほどの数値の差はない。
【００８６】
（培地組成１）
・０．３９％（ｗ／ｖ）マリンアートＳＦ（千寿製薬株式会社製）、規定量の０．８倍希釈
・０．５％（ｗ／ｖ）乾燥酵母エキス、微生物培地用特製（ナカライテスク株式会社製）
・０．５％（ｗ／ｖ）トリプトン、微生物培地用特製（ナカライテスク株式会社製）
・０．５％（ｗ／ｖ）ピルビン酸ナトリウム（ナカライテスク株式会社製）
（残余は水、系のｐＨは６．４）
〈培養操作〉
（準備）
上記基礎培地を、図２に示す培養槽（１）及び無害化槽（２）に充填し、高温滅菌処理（８５℃、１６．５時間）を行った。
【００８７】
（前培養操作）
前培養は、内容積約１００ｍｌの密閉ガラス容器内に前記培地組成１の培養液１００ｍｌを充填し、嫌気性超好熱菌  Ｔｈｅｒｍｏｃｏｃｃｕｓ  ｋｏｄａｋａｒａｒｅｎｓｉｓ  ＫＯＤ１を波長６６０ｎｍの吸光度（ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ）がＯＤ６６０＝０．１になるように調整した本菌の懸濁水１ｍｌを植菌し、８５℃で、２０時間培養した。
【００８８】
（本培養及び無害化操作）
図２に示すように、滅菌処理を終えた２０Ｌの培養槽（１）に前記基礎培地の培養液に加えて、炭素源（６）としてじゃがいも５００ｇおよび米ぬか１００ｇを投入した。そこへ、ＫＯＤ１を前培養した培養液２０００ｍｌを全量植菌した。同時に、支持体（３）として、１００℃の熱湯で３０分間殺菌処理した合成スポンジ（以下、単にスポンジともいう）を２４０ｇ入れ、本培養を開始した。
【００８９】
一方で、１８Ｌの無害化槽（２）に、前記基礎培地と共に牡蠣殻を１５００ｇ投入した。本実施例では、市販されている熱帯魚飼育用牡蠣殻と土壌改質肥料用牡蠣殻を約２：１の比率で混ぜて使用した。
【００９０】
培養槽（１）と無害化槽（２）はシリコンチューブ（１０）で連結し、無害化槽（２）から培地をポンプ（７）で培養槽（１）へ一定量で送り、培養槽（１）からオーバーフローする培地を再び無害化槽（２）へ送り、培地を循環させた。
【００９１】
本培養では、培養槽（１）と無害化槽（２）の培地温度をヒータによって８５℃に保ったまま、６８０時間にわたる連続培養を行った。
【００９２】
その結果、５．８Ｌの水素を得ることができた。
【００９３】
なお、水素量の測定については、上記培養によって培養槽（１）で産生したバイオガスを、図２に示すようにシリコンチューブ（１０）を介してバイオガス捕集瓶（１１）に捕集した後、捕集瓶（１１）から押し出されたバイオガスを、燃料電池（８）（株式会社ＦＣ−Ｒ＆Ｄ製、ＨＰＦＣＲＤ−０５０５）に流し、発電電圧をレコーダ（９）で計測した。燃料電池による水素濃度と発電電圧の関係は予め計測しておき、発電電圧の値から水素濃度を計算した。
【００９４】
また、本培養中、下記表１に示すように、培地の循環量（４Ｌ／時間〜２０Ｌ／時間）を変化させて水素発生速度を計測した。その結果、循環量１５Ｌ／時間の時に水素生産速度が最大となり、２２ｍＬ／時間となった。
【００９５】
【表１】
2019180339.tif 000003
【００９６】
水素発生は６８０時間を過ぎても続いていたが、水素発生速度が低下し始めたので培養を打ち切った。
【００９７】
長時間の連続培養ができたことで酢酸の無害化は立証されているが、培養後の培地中の酢酸濃度を、培養槽中の培地を抜き取ってイオンクロマトグラフィで計測した。その結果、予想通り酢酸は検出できなかった。
【００９８】
以上より、本発明の微生物を用いた製造方法によって、連続培養を妨げる酢酸を無害化して、効率良く連続的に水素を産生できることが確認できた。
【符号の説明】
【００９９】
１      培養槽
２      無害化槽
３      支持体
４      カルシウム成分として含む廃棄物、貝類や骨
５      ガス導出手段
６      炭素源
７      ポンプ
８      燃料電池
９      記録計
１０    シリコンチューブ
１１    バイオガス捕集瓶
【図１】
2019180339.tif 000004
【図２】
2019180339.tif 000005