(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）２ｂａｒ〜４ｂａｒの範囲の圧力下で４５〜６０分間、水中へＣＯ2（ｇ）をバブリングし、次いで、容器を密閉し、トリス緩衝液に溶解した酵素を重炭酸イオンおよび水素イオンを得るために加えることによって、酵素の存在下にＣＯ2の水和速度を加速させる工程；
（ｂ）水素を得るために、照明下または照明なしで、光触媒、および／または、助触媒を伴って単独若しくは組み合わせの金属ドナーおよび犠牲ドナーの存在下、工程（ａ）で得られた水素イオンを還元する工程；
（ｃ）光触媒の存在下、さらに必要に応じて単独若しくは組み合わせの金属ドナーおよび犠牲ドナーを使用して、工程（ａ）からの重炭酸イオンを一酸化炭素へ還元する工程；
（ｄ）合成ガスを生成するために、工程（ｃ）で得られた一酸化炭素と工程（ｂ）で得られた水素とを混合する工程、
を有する生物模倣的炭酸化および光触媒反応による水素および合成ガスの生成方法。
【請求項２】
工程(a）で使用される酵素が、炭酸脱水酵素、キトサンビーズ上に固定化された炭酸脱水酵素、およびＳＥＮ  ＣＡからなる群から選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
酵素濃度が、１〜５ｍｇ／ｌ飽和炭酸水である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
工程（ｂ）および（ｃ）で使用される光触媒が、チタニア、酸化亜鉛、照明下での亜鉛、ナノフェライト、窒素ドープされたメソチタニア、ペロブスカイト、混合酸化物、支持されたTiO2 およびカーボンナノ粒子からなる群から選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
チタニアの濃度が、１〜６５ｍｇ／ｌ飽和炭酸水である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
反応で使用するＴｉＯ2の量が、基質に対して活性種が０．０１〜１０ｍｏｌ％になる量の範囲にある請求項４に記載の方法。
【請求項７】
酸化亜鉛または亜鉛の濃度が、１０〜６５ｍｇ／ｌ飽和炭酸水である請求項４に記載の方法。
【請求項８】
反応で使用する酸化亜鉛の量が、基質に対して活性種が０．０１〜１０ｍｏｌ％になる量の範囲にある請求項４に記載の方法。
【請求項９】
工程（ｂ）および（ｃ）で使用される犠牲ドナーが、エタノールおよびメタノールからなる群から選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
工程（ｂ）および（ｃ）で使用される金属ドナーが、亜鉛、マグネシウム、銅、アルミニウムからなる群から選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
工程（ｂ）で使用される助触媒が、白金、亜鉛、ニッケル、銅、マンガン、マグネシウム、鉄および錫からなる群から選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
光源が、タングステンフィラメント電球および太陽光から選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
使用する触媒は、ろ過によって回収され、安定した活性で数サイクル間再利用される請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
水素の放出量が、０．０１５〜６６８４．５７μｍｏｌｅｓ／４ｈの範囲である請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、ＣＯとともにホルムアルデヒドの形成を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
ホルムアルデヒドの濃度が、０．０００４〜０．３４５ｐｐｍの範囲である請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
合成ガス中の水素の放出量が、０．０４９〜１７０３．０３μｍｏｌｅｓ／４ｈの範囲である請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
合成ガス中のＣＯの放出量が、０．００４２〜１９．８４μｍｏｌｅｓ／４ｈの範囲である請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物模倣的炭酸化（biomimetic carbonation）と光触媒反応に基づく水素と合成ガスの生成方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応との組み合わせによる革新的な太陽水素の生成方法に関する。特に、固定発生源及び移動発生源用燃料電池での有望な用途及び内燃機関用の使用ならびに化学物質及び燃料としての他の関連用途に使用する太陽水素の前記アプローチが、カーボンニュートラルな水素の生成を要求する水素経済のために必要な画期的な技術的進歩であることを示し得る。本発明は、また、合成ガス、ホルムアルデヒドの合成に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業革命の夜明け以降、石油及び石炭を含む低コスト化石燃料は、先進的技術及び現代生活の新しい時代のために用いられてきた。世界規模での急速な産業化は、かつてないほど化石燃料を消費することになっていた。これらの枯渇する資源への需要は、想像を絶するレベルにエネルギー価格を追いやっており、この過程で、数十億トンのＣＯ2が放出されていた。このエネルギーと天候の二つの危機が我々の生活ならびに国家の安全の脅威となる。この課題への対応は、刻下の急務の一つである。こうして、世界的なエネルギー消費の増大、現存する非再生可能エネルギー資源の枯渇、及び、大気への種々の有害なガスの放出による天候変化に対するこれらの脅威が、クリーンで、再生可能であり、維持可能なエネルギー資源の必要性及び温室効果ガスの減少の必要性を際出させていた。クリーン燃料に関連して、水素は、クリーンで、再生可能であり、確実なエネルギー系に対して、将来性のある長期的な解決策として考えられている。太陽エネルギーを利用し、それを効率的に水素のような化学物質エネルギーキャリアに変換することは、研究の一分野であり、重要な意義がある。基本的に、水素は、２つの経路（光電気化学及び光触媒的アプローチ）によって、太陽エネルギーに促進されて生成され得る。ＵＶ光が総合スペクトルの４％のみに寄与する一方で、電磁スペクトルの大部分は可視光によって占められているため、太陽エネルギーを利用するという究極の目的と共に、可視領域における光触媒反応に関する研究が重要視されている。したがって、世界中で、可視領域で水分解反応を光触媒するのに効率的である光触媒を開発するために、大々的な取り組みがなされている。この代替として、革新的なバイオ光触媒的（biophotocatalytic）方法が生物模倣的炭酸化及び光触媒反応に基づいて開発されてきた。
【０００３】
温室効果ガスのうち、ＣＯ2は、その生成量のため最も関心が高い。現在、ＣＯ2の分離及び捕捉に対して広範囲の技術が存在している。これらのうち、アミン又はアミン系着剤を用いた吸着／吸収は、ＣＯ2捕捉／除去用に最も普及している技術である。しかしながら、特に大流量で用いられる場合、それはかなり内在的な問題と関連する。問題のいくつかは、莫大な投資費用及び高いエネルギー消費であり、吸着剤は、通常、使用時にあまり安定的ではなく、分解生成物を生じる。海洋隔離、地中隔離、及び地質封入を含む炭素隔離の多くの選択肢が追求されている。この発明では、太陽エネルギーを用い、二酸化炭素（ＣＯ2）排出を水素及び基本的な燃料構成単位に変換する革新的な方法が開発されてきた。化学工学領域と生物工学領域が交わる点を取り入れ、世界の燃料の需要に対応するバイオ光触媒的方法が開発されてきた。毎年２８億トン以上のＣＯ2が放出されながら、世界の消費用の、再生可能かつ維持可能な燃料を生産する入手可能な原材料は十分に供給されている。本発明は、全般的に、生物模倣的炭酸化と光触媒反応との組み合わせによる太陽水素用の新規な方法の開発に関する。この大発見は、炭素隔離の最終生産物は環境に優しいだけでなく、クリーンエネルギーの生成にもつながるという事実のおかげで、炭素隔離の領域の新たな展望を切り開くものである。ＣＯ2の水素及び基本的な燃料構成単位すなわちギ酸への変換は、気候安定性及び燃料消費の持続可能性を保証する。
【０００４】
生物模倣的炭酸化は、化学工学的な問題を解決する生物学的機構を用いるＣＯ2の隔離を暗示している。これに関しては、生体触媒として炭酸脱水酵素（ＣＡ）を用いて、人為的ＣＯ2の炭酸カルシウムへの固定化反応を模倣する取り組みがなされている。自然界では、ＣＯ2は、天然起源の白雲石、方解石等の鉱物への変換によって隔離されている。しかしながら、これは、地質学的時間の期間を通して起こる。炭酸カルシウムは、カルシウム及び炭酸イオンの適切な飽和を前提として、溶液から沈殿させることができ、取り組むべき課題は、重炭酸イオンの形成を最初に必要とし、炭酸イオンをＣＯ2及びＨ2Ｏから迅速に生成する方法にある。反応速度を高めるという化学的かつ工学的なこの問題は、酵素として炭酸脱水酵素を用いることで容易になり、生物模倣的二酸化炭素の隔離と称される。炭酸イオン及びプロトンを形成するＣＯ2の水和の速度を加速させるために、ＣＡは採用されており、ＣＯ2は有機化合物/鉱物炭酸塩に変換され得る。
【０００５】
この発明において、以下の反応で示すようにＨ+イオン（プロトン）を用いて、該イオンを水素に変換することが提案される:
気体のＣＯ2は、弱く水和した水性形態を生成するために、急速に水に溶解する。この反応は、急速である。
ＣＯ2（ｇ）＝ＣＯ2（ａｑ）
その後、含水ＣＯ2は 水と、又は、高いｐＨで水酸基イオンと反応し得る。
ＣＯ2（ａｑ）＋Ｈ2Ｏ＝Ｈ2ＣＯ3                  （１ａ）
Ｈ2ＣＯ3＝Ｈ+＋ＨＣＯ3-                        （１ｂ）
ＣＯ2（ａｑ）＋ＯＨ-＝ＨＣＯ3-                  （２）
【０００６】
ＣＡの不存在下、（１ａ）のための正反応の一定の比率は、２５℃で６．２×１０-2ｓ-1であった。重炭酸アニオン及びプロトンを形成するために、炭酸脱水酵素は可逆的なＣＯ2の水和を触媒する。ＨＣＯ3光触媒でギ酸に還元され、さらに、光触媒で又はバイオ光触媒反応との組み合わせで、メタン及びメタノールに還元され得る。
【０００７】
非特許文献１を参照すると、該文献では、ルビスコ（リブロース−１，５−二リン酸カルボキシラーゼ／キシゲナーゼ）は、ルビスコをＲｕＢＰに変換するＣＯ2の固定に用いられていた。しかしながら、ルビスコは、遅効性酵素であるため、現在、速い酵素である炭酸脱水酵素がＣＯ2を炭酸塩に水和させるのに重要になってきた。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的（hybrid biophotocatalytic）アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【０００８】
非特許文献２を参照すると、該文献では、ニトロセルロースシリコーンラバーメンブレンに封入されたＣＡの固定化が、熱安定性、操作上の安定性及び貯蔵安定性に関する優れた発見とともに報告された。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【０００９】
非特許文献３を参照すると、当該文献では、宇宙船の客室乗務員から、反応器でＣＯ2を捕捉するために、酵素/緩衝液溶液を含むのに微細孔ポリプロピレンが使用された。研究の第二の道は、改良された性能と長期間の実施可能性のために、優れた発見を伴う変異、架橋結合及び固定によって、酵素の安定性と寿命を増大することを目標としている。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１０】
特許文献１（二酸化炭素の隔離、2006）を参照すると、当該文献では、ＣＯ2の隔離が報告された。ＣＯ2は、触媒、すなわち炭酸脱水酵素を含むマトリックスを通して通過し、酵素は、それを炭酸イオンの形態、無害な生成物に変換する。その後、この生成物は、水中に放出又は地中に埋められ、いかなる害も及ぼさない。しかしながら、この発明は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１１】
特許文献２（炭酸脱水酵素に対する二酸化炭素の処理のための方法及び装置、2003）を参照すると、当該文献では、多孔質基体上に炭酸脱水酵素を固定化することによって、ＣＯ2はガス流から除去されている。しかしながら、この発明は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１２】
特許文献３（混合ガスからの二酸化炭素除去のための新規な酵素組成物、2008）を参照すると、当該文献では、ガス分離用の方法が開示されている。混合ガス流中の二酸化炭素は、ＣＡＭとして表すγ炭酸脱水酵素に、４０〜８５℃の温度範囲で、酵素で触媒された二酸化炭素捕捉系で、接触させることによって重炭酸イオンに変換される。しかしながら、この発明は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１３】
特許文献４（酵素は新規な着脱反応器/装置で排出流からの二酸化炭素の可溶化を促進、2005）を参照すると、当該文献では、新規な反応器／装置が報告されている。反応器は、水を噴霧して、ＣＯ2の触媒変換を可能にすることにより、排出されたＣＯ2の濃縮及び可溶化を可能にする固定化生体触媒を採用している。しかしながら、この発明は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１４】
特許文献５（酵素的な経路を介した炭酸カルシウムを産生するための方法及び装置、2006）を参照すると、当該文献での発明は、沈降炭酸カルシウム（ＰＣＣ）の生成物の収率の改善方法に関する。改善点は、水溶液中で気体の二酸化炭素のバブリングすることなく、ＰＣＣを生成することを可能にする反応にＨＣＯ3を供給する酵素バイオリアクタを使用することにある。該発明は、工業用途、すなわち、パルプ及び製紙業用途を有する。しかしながら、この発明は、本明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１５】
非特許文献４を参照すると、当該文献では、ＣＯ2隔離に対する新規な生物模倣的アプローチの開発が報告されてきた。目的は、酵素又は生物学的触媒の使用に基づいて、例えば、化石燃料燃焼発電プラントからＣＯ2の排出量を減らすために使用され得るＣＯ2吸収装置を開発することである。結果として得られる隔離システムは、以下を含むいくつかの将来性のある利点を提供する：排出の減少に対するプラント毎の解決法；高価なＣＯ2濃縮及び輸送工程が不要；安全で、安定した、環境に優しい生成物；及び環境に優しい方法。原理の証明は既に示されている。しかしながら、この発明は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１６】
非特許文献５を参照すると、当該文献では、固定源から放出される温室効果ガスを制御するためのアプローチとして、実験室規模の反応器がガスから液体への二酸化炭素（ＣＯ2）の捕捉を評価するために開発された。ＣＯ2は、５〜５０％濃度でガス交換膜を通過し、液体培地（水道水又は模擬海水）に移した。水を使用する場合、捕捉効率は、５０％を超え、塩基（例えば、水酸化ナトリウム）又は、塩基と炭酸脱水酵素との組み合わせ、ＣＯ2の炭酸への変換を加速する触媒を添加することによって高めることができる。移されたＣＯ2は、塩基の存在する量に応じて、重炭酸イオン又は炭酸イオン等のイオンを形成した。Ｃａのような沈殿カチオンを添加すると、不溶性炭酸塩が生成した。模擬海水は、ＣＯ2の吸収において、移されたＣＯ2では６％未満の減少で、ほとんど水と同じくらい効率的であることを示した。ＣＯ2は、海水に溶解するか、ガスとイオンの混合物を形成する。相性が良好であった場合、炭酸塩沈殿物は自発的に形成する。地下から海水をポンプで上げ下げするエネルギー消費は、モデル化された。ガス流から液体へのＣＯ2捕捉用ガス交換膜システムにおいて海水の使用が、技術的に実現可能であり、それほど高くないエネルギー消費で達成されることが報告された。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１７】
非特許文献６を参照すると、当該文献では、炭酸脱水酵素は、重炭酸イオンへの気体ＣＯ2の水和を促進するために、熱可塑性ポリマー上に固定された。触媒の固定化は、ポリアミド支持体への共有結合を可能にする一連の化学反応によって実現した。０．２５、０．５０、０．７５、１、及び２ｍｇ／ｍｌの種々の初期酵素濃度が検証された。酵素の付着を評価するために。種々の技術が開発された。結合したタンパク質の量は、固体の支持体を用いたCA II培養の後の溶液中に残存するタンパク質のブラッドフォード（Bradford）用量を用いて決定された。ＥＬＩＳＡは、時間の関数として、酵素結合の堅牢性の追跡を可能にするタンパク質の定性的な評価を与える。酢酸ｐ−ニトロフェニル（ｐ−ＮＰＡ）の加水分解とＣＯ2の水和は分光測定によって評価した。固定化後の活性酵素の割合は、線形モデルのエステラーゼを用いて測定された。気体ＣＯ2の水和の触媒の変換率は、固定化の種類毎に算出した。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１８】
非特許文献７を参照すると、当該文献では、ウシ炭酸脱水酵素（ＣＡ）は、生物模倣的ＣＯ2隔離のために、ポリウレタン（ＰＵ）フォーム内に固定された。遊離及び固定化ＣＡの触媒活性は、基質として酢酸ｐ−ニトロフェニル（ｐ−ＮＰＡ）を用いて評価された。ｐ−ＮＰＡは水相での溶解性がわずかであるため、活性は、１０％アセトニトリルを含むトリス緩衝液で評価された。ラインウイーバー・バルク（Lineweaver-Burk）の関係は、遊離及び固定化ＣＡのミカエリス・メンテン（Michaelis-Menten）速度論的パラメータを評価するのに用いられた。遊離ＣＡのｋｃａｔ、Ｋｍ、及びｋｃａｔ／Ｋｍ値は、それぞれ２．０２ｓ-1、１２．２ｍＭ、及び１６６．４Ｍ-1ｓ-1であることが見出された。固定化ＣＡのＫｍ値は、同一条件で９．６ｍＭであると算出された。固定化ＣＡは、安定であり、７回連続の洗浄と活性試験に対していかなる活性も失わなかった。一方、遊離のＣＡは、４℃の冷蔵庫での４５日間の保管で活性を失った。固定化ＣＡは、周囲条件の トリス緩衝液での４５日間保管において活性を１００％維持した。固定化ＣＡは、非常に安定な生体触媒として生物模倣的ＣＯ2隔離において採用できると結論づけられた。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００１９】
非特許文献８を参照すると、当該文献では、ウシ及びヒト赤血球由来の炭酸脱水酵素 (アイソフォーム II)は、不活性マトリックス上において種々の共有結合方法を用いて固定された。固定化炭酸脱水酵素は、バイオリアクタにおいて、Rubisco（リブロース−１，５−二リン酸  カルボキシラーゼ／オキシゲナーゼ）触媒による固定のためにＣＯ2濃縮を可能にすることができる。該研究では、ＣＯ2の水和に関する炭酸脱水酵素活性は、溶解性があり、固定化酵素を使用して測定された。固定化マトリックスの安定性、操作変数における変動にさらされた固定化酵素の特性及び貯蔵に関する活性プロフィールが報告されている。固定化は、より高い熱安定性及び貯蔵安定性ならびに向上した再利用可能性を付与した。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００２０】
非特許文献９を参照すると、当該文献では、「ワンポット」（“one pot”）プロセスでは、ＨＣＯ3-アニオンを形成する炭酸脱水酵素による生体触媒的なＣＯ2の捕捉があり、次いで、塩基性条件で固体ＣａＣＯ3として捕獲されることが報告されている。酵素の有無によるＣａＣＯ3形成速度は、５℃と２０℃、並びに形成された固体の結晶性で比較された。使用される緩衝液の温度及び初期ｐＨに応じて、２つの異なる固相（準安定バテライト及び安定斜方六面体方解石）が観察された。バテライトの形成は、いかなる酵素も使用せずに、初期ｐＨ１０．５で緩衝液の原液を使用した場合、増強された。これらの観察結果を説明可能なメカニズムは議論されている。５℃で、固体ＣａＣＯ3の初期析出速度は、酵素の添加により倍増率が１０倍を超えて増加した。しかしながら、この初期速度は、酵素の濃度及び緩衝能に依存することが見出された。これらの２つのパラメータに応じて、第１工程でのＨＣＯ3-の形成速度の増加は、非常に速く反応媒体のｐＨを下げることができ、第２工程での固体の炭酸塩の沈殿は非常に妨げられ得る。例えば、酵素の質量が増加すると、結果として、固体ＣａＣＯ3の全体的な生成速度は、実際には、減少する。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的プローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００２１】
非特許文献１０を参照すると、当該文献では、酵素は、水和の向上及びそれに続くＣＯ2の沈殿の沈殿に使用される。この文献では、ウシ炭酸脱水酵素のＣＯ2の水和における影響、及び炭酸カルシウムの形での沈殿が研究された。酵素は、水和反応を向上させた。水和反応の速度は、酵素濃度と温度の両方で増大する。炭酸カルシウムの沈殿は、酵素の存在下促進された。酵素濃度は沈殿に影響を及ぼさなかった;しかしながら、温度は炭酸カルシウムの沈殿に影響を及ぼす。より高い温度では、より少ない炭酸カルシウムが形成された。また、酵素の存在下、炭酸カルシウムはより早く固まった。酵素活性は、反応混合物のｐＨに影響されなかった。対照的に、炭酸カルシウムの形成は、溶液のｐＨに影響された。速度論的分析は、ウシ炭酸脱水酵素で行った。実験結果に基づいて、活性エネルギー及び触媒速度定数は、それぞれ７００．９１ｃａｌ／ｍｏｌと０．６５ｓ-1として算出された。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００２２】
非特許文献１１を参照すると、当該文献では、炭酸脱水酵素（ＣＡ）を固定する試みもなされる一方で、バチルス  プミルス(Bacillus pumilus)の全細胞は、種々のキトサン系材料の上に固定された。エステラーゼ活性のための材料のスクリーニングは、全細胞及びＣＡの固定化のための将来性のある材料として、生体高分子系ビーズを選択することとなった。細胞固定化後、キトサン−ＮＨ4ＯＨビーズ、多層ビーズ、及びアルギン酸ナトリウムのエステラーゼ活性は、遊離の有機体２７．１５Ｕ／ｍｌに比べて、それぞれ４２、３６、及び３０．５Ｕ／ｍｌであることが見出された。しかしながら、この文献は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００２３】
特許文献６（水素燃料電池を用いて電気を発生させる方法、2005）を参照すると、当該文献では、発明の目的は、電気の生産及びＣＯ2の変換及び隔離のための酵素的プロセスへの水素燃料電池のカップリングである。改質炭化水素等のプロセスからの気体のＣＯ2排出量は、温室効果への寄与を防止するために、酵素系によって炭酸塩又は重炭酸イオンと水素イオンに変換される。酵素的プロセスから生じる水素イオンは、回収され、水素燃料電池に供給するために組み合わせる。最終的に、水素燃料電池の酸化反応副産物である水は、回収され、水性の酵素の系に戻され、再利用される。この発明は、電子供与体として金属を用いた水素の生成を検討している。しかしながら、この発明は、本発明で見出された複合バイオ光触媒的アプローチによる水素とギ酸の生成を報告していない。
【００２４】
上記の最新技術は、大部分が、水中でのＣＯ2の炭酸カルシウムへの変換を加速するために炭酸脱水酵素を使用して検討している。ＣＯ2を水素及び有機構成単位(ギ酸)に変換するための複合バイオ光触媒的アプローチに関する報告はない。
【００２５】
生体触媒として炭酸脱水酵素（ＣＡ）を用いて、人為的ＣＯ2の炭酸カルシウムへの固定化反応を模倣する取り組みが世界中でなされている。炭酸イオン及びプロトンを形成するＣＯ2の水和の速度を加速させるために、ＣＡは採用されている。現在、炭酸塩は、カルシウム及び炭酸イオンの適切な飽和を前提として、適切な緩衝液の添加によって炭酸カルシウムとして水溶液から沈殿させている。太陽水素の生成の分野における大躍進は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせて達成されてきた。また、生物模倣的炭酸化の間、最終生産物としての炭酸塩に加えて水素を生産することは、前記方法を、二酸化炭素を放出する産業によって採用される商業的に実現可能なものにし得る。炭酸塩の豊富な流れは、光触媒でホルムアルデヒドに還元された。そのため、この大発見は、炭素隔離の最終生産物は環境に優しいだけでなく、クリーンエネルギーの生成にもつながるという事実のおかげで、炭素隔離の領域の新たな展望を切り開くものである。水素放出の最大量は、照明下に光触媒としてＴｉＯ2／Ｚｎ／Ｐｔを用いて、最大で１０１．１４μｍｏｌｅｓ／ｍｇＣＡであった。金属ドナーとしてＺｎを用いる問題は、系を照らすことによって克服された。水素放出は、照明付きで、助触媒としてＰｔの存在下、金属ドナーとしてＺｎを用いる系で、８４μｍｏｌｅｓ／ｍｇＣＡ程度まで観察された。
【００２６】
このため、本発明は、下記の問題を克服する：
生物模倣的炭酸化反応からのプロトンの、水素のような高付加価値製品への非変換。
再利用可能な光触媒で代用することによる、水素放出のための亜鉛等の金属ドナーの必要性の回避。
プロトンを水素に変換し、正反応を進めることによる、ＣＯ2の水和反応の後退の防止。
プロトンを水素に変換することによって反応のｐＨを維持するための緩衝液の使用の防止。
重炭酸イオンの、ギ酸のような高付加価値製品への非変換。
研究は、太陽エネルギーに関するＣＳＩＲのＴＡＰＳＵＮ統括プログラムの下で実施されている。プログラムは、太陽エネルギーのさまざまな側面に関するＣＳＩＲの様々な研究室で利用可能な能力のネットワーク化を伴う。この仮想ネットワークは、太陽エネルギーのためのＣＳＩＲ−ネットワークの研究所（CSIR-NISE）としてＣＳＩＲによって認識されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】米国特許第７１３２０９０号明細書
【特許文献２】米国特許第６５２４８４３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０００３６６２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０２１４９３６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／０１２８００４号明細書
【特許文献６】米国特許第６８４６５８４号明細書
【非特許文献】
【００２８】
【非特許文献１】S. Bhattacharya, A. Nayak, M. Schiavone, SK. Bhattacharya  (Solubilization and concentration of carbon dioxide: Novel spray reactors with immobilized carbonic anhydrase, Journal of Biotechnology  Bioengineering, Vol 86, 2004, page numbers 37-46)
【非特許文献２】S. Bhattacharya, M. Schiavone, S. Chakrabarti, S. K. Bhattacharya (CO2 hydration by immobilized carbonic anhydrase,Biotechnology  Applied Biochemistry  Vol 38, 2003, page numbers 111-117)
【非特許文献３】Li-H. Cheng, L. Zhang, Huan-L. Chen, and Cong-J Gao(Hollow fiber contained hydrogel-CA membrane contactor for carbon dioxide removal from the enclosed spaces, Journal of Membrane Science, Vol 324, 2008, page numbers 33-43)
【非特許文献４】G.M. Bond, J. Stringer, D.K. Brandvold, Simsek F.A., M. Medina, G. Egeland (Development of Integrated System for Biomimmetic CO2 Sequestration Using the Enzyme Carbonic Anhydrase, Energy & Fuels  Vol 15, 2001, page numbers 309-316)
【非特許文献５】D. Dziedic, K.B Gross, R. A. Gorski, J.T. Johnson (Feasibility study of using brine for carbon dioxide capture and storage from fixed sources, Journal of Air and waste management Assoc Vol 56, 2006, page numbers 1631-1641)
【非特許文献６】A. Belzil, C. Parent, Biochem. Cell Biol. 83 (2005) 70-77
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【非特許文献８】S. K. Chakrabarti, S. Bhattacharya, Bhattacharya S.K. (Immobilization of D-ribose-1,5-bisphosphate carboxylase 1 oxygenase: A step toward carbon dioxide fixation process, Biotechnology Bioengineering Vol 81, 2003a, page numbers 705-711)
【非特許文献９】N. Favre, M.L. Christ, C.P. Pierre(Biocatalytic capture of CO2with carbonic anhydrase and its transformation to solid carbonate, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, Vol 60, 2009, Page numbers 163-170)
【非特許文献１０】P. Mirjafari, K. Asghari, N. Mahinpey, (Investigating the application of enzyme carbonic anhydrase for CO2 sequestration purposes, Ind. Eng. Chem. Res. Vol 46, 2007,page numbers 921-926)
【非特許文献１１】C. Prabhu, S. Wanjari, S. Gawande, S. Das, N. Labhsetwar, S. Kotwal, A.K.Puri, T.Satyanarayana, S. Rayalu (Immobilization of carbonic anhydrase enriched microorganism on biopolymer based materials, Journal of Molecular Catalalysis B: Enzymatic, Vol 60, 2009, page numbers 13-21)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明は、生物模倣的炭酸化及び光触媒反応に基づく水素と合成ガスの生成方法を提供することを目的とする。
【００３０】
他の目的は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた太陽水素用の複合方法である。得られる生成物は、環境に優しく、提案される自動車用途用、固定発生源用及び電子製品用燃料電池で使用され得るクリーンエネルギーである。
【００３１】
他の目的は、自動車用途用、固定発生源用及び電子製品用燃料電池で使用するためのメタノールを合成するために、また、フィッシャー・トロプシュ（Fisher Tropsch）反応を介して、炭酸ジメチル、ジメチルエーテル及びディーゼル並びに他の生成物を含む他の化学物質を合成するために、ＣＯ2を合成ガスに変換することである。
【００３２】
本発明の他の目的は、炭酸イオン及びプロトンを形成するＣＯ2の水和の速度を加速させるために、炭酸脱水酵素が用いられる方法を提供することである。
【００３３】
さらに、他の目的は、炭酸イオン及びプロトンを形成するＣＯ2の水和の速度を加速させるために、キトサンが用いられる方法を提供することである。
【００３４】
さらに、他の目的は、光触媒によって太陽水素に変換される方法において、プロトンが生成される方法を提供することである。
【００３５】
さらに、他の目的は、前記方法で生成された炭酸イオン／重炭酸イオンが光触媒によってホルムアルデヒドに変換される方法を提供することである。
【００３６】
さらに、他の目的は、光の存在下に亜鉛及びチタニアを用いることである。
【００３７】
さらに、他の目的は、助触媒及びドナーの存在下又は不存在下に、ＴｉＯ2を用いて炭酸水から水素を生成することである。
【００３８】
さらに、他の目的は、照明下に、亜鉛を用いて炭酸水から太陽水素を生成することである。
【００３９】
さらに、他の目的は、炭酸化反応用に安定化された炭酸脱水酵素を用いることである。
【００４０】
さらに、他の目的は、炭酸化反応用に固定化炭酸脱水酵素を用いることである。
【００４１】
さらにまた、他の目的は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせることによる、太陽水素の生成の分野における大躍進である新規な方法を提供することである。このアプローチは、カーボンニュートラルな水素の生成を要求する水素経済のために必要な画期的な技術的進歩であることを示し得る。
【００４２】
さらにまた、他の目的は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせることによって、ギ酸、メタン、メタノール及び合成ガス等の太陽化学物質（solar chemicals）の生成の分野における大躍進である新しい方法を提供することである。このアプローチは、カーボンニュートラルな水素の生成を要求している無公害化学物質及び燃料のために必要な画期的な技術的進歩であることを示し得る。
【００４３】
さらに、他の目的は、助触媒及びドナーの存在下又は不存在下に、ＴｉＯ2及び亜鉛を用いて炭酸水から水素を生成することである。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
したがって、本発明は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応による水素及び合成ガスの生成方法を提供し、前記方法は、以下の工程を含む;
（ａ）２ｂａｒ〜４ｂａｒの範囲の圧力下で４５分〜６０分間、水中へＣＯ2（ｇ）をバブリングし、次いで、容器を密閉し、トリス緩衝液に溶解した酵素を、重炭酸イオン及び水素イオンを得るために加えることによって、酵素の存在下にＣＯ2の水和速度を加速させる工程;
（ｂ）水素を得るために、照明下又は照明なしで、必要に応じて光触媒、及び／又は、任意に助触媒を伴ってもよいドナーとして単独若しくは組み合わせの金属及び犠牲ドナーの存在下、工程（ａ）で得られた水素イオンを還元する工程；
（ｃ）光触媒の存在下、さらに必要に応じてドナーとして単独若しくは組み合わせの金属及び犠牲ドナーを使用して、工程（ａ）からの重炭酸イオンを一酸化炭素へ還元する工程；
（ｄ）合成ガスを生成するために、工程（ｃ）で得られた一酸化炭素と工程（ｂ）で得られた水素とを混合する工程。
【００４５】
本発明の実施態様において、工程（ａ）で用いる酵素は、炭酸脱水酵素、キトサンビーズ上に固定化された炭酸脱水酵素、SEN CA 又はこれらの類似体からなる群から選ばれる。
【００４６】
本発明の他の実施態様において、酵素の濃度は、１〜５ｍｇ／ｌ飽和炭酸水の範囲である。
【００４７】
本発明の他の実施態様において、工程（ｂ）及び（ｃ）に用いる光触媒は、チタニア、酸化亜鉛、照明下での亜鉛、ナノフェライト、窒素ドープされたメソチタニア、ペロブスカイト、混合酸化物、支持されたＴｉＯ2及びカーボンナノ粒子からなる群から選ばれる。
【００４８】
本発明の他の実施態様において、チタニアの濃度は、１〜６５ｍｇ／ｌ飽和炭酸水まで変化した。
【００４９】
本発明の他の実施態様において、反応に用いるＴｉＯ2の量は、基質に対して活性種が０．０１〜１０ｍｏｌ％になる量の範囲にある。
【００５０】
本発明の他の実施態様において、酸化亜鉛／亜鉛の濃度は、１０〜６５ｍｇ／ｌ飽和炭酸水まで変化した。
【００５１】
本発明の他の実施態様において、反応に用いる酸化亜鉛の量は、基質に対して活性種が０．０１〜１０ｍｏｌ％なる量の範囲にある。
【００５２】
本発明の他の実施態様において、工程（ｂ）及び（ｃ）に用いる犠牲ドナーは、エタノール及びメタノールからなる群から選ばれるものである。
【００５３】
本発明の他の実施態様において、工程（ｂ）及び（ｃ）に用いる金属ドナーは、亜鉛、マグネシウム、銅、アルミニウムからなる群から選ばれるものである。
【００５４】
本発明の他の実施態様において、工程（ｂ）に用いる助触媒は、白金、亜鉛、ニッケル、銅、マンガン、マグネシウム、鉄及び錫からなる群から選ばれるものである。
【００５５】
本発明の他の実施態様において、光源は、タングステンフィラメント電球である。
【００５６】
本発明の他の実施態様において、使用する触媒は、ろ過によって回収され、安定した活性で数サイクル間再利用される。
【００５７】
本発明の他の実施態様において、水素の収率は、０．０１５〜６６８４．５７μｍｏｌｅｓ／４ｈの範囲である。
【００５８】
本発明の他の実施態様において、ホルムアルデヒドはＣＯとともに形成される。
【００５９】
本発明の他の実施態様において、ホルムアルデヒドの収率は、０．０００４〜０．３４５ｐｐｍの範囲である。
【００６０】
本発明の他の実施態様において、合成ガス中の水素の収率は、０．０４９〜１７．０３．０３μｍｏｌｅｓ／４ｈの範囲である。
【００６１】
本発明の他の実施態様において、合成ガス中のＣＯの収率は、０．００４２〜１９．８４μｍｏｌｅｓ／４ｈの範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】太陽光は、太陽水素の生物模倣的炭酸化反応を誘導した:図１は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせる複合方法を用いた水素の生成方法を示す。開発された水素の生成方法を、以下、Biosolhyと称する。本発明に含まれる進歩性は以下のとおりである:(i) 周囲条件の温度と圧力での、水中でのＣＯ2の溶解、(ii)周囲条件での酵素による系によって、炭酸脱水酵素の存在下、重炭酸イオン及び水素イオンに変換するために、ＣＯ2の水和の速度を加速する、(iii) 光触媒の存在下、さらに必要に応じてドナーとして金属及びアルコールを単独で又は助触媒としての白金と組み合わせて使用して、工程(ii)からの水素イオン水素を光触媒的に還元する、(iv)燃料電池及び他の用途での使用のための９９．８％純度の水素ガスの生成と回収
【図２】太陽光は、メタノールへのＣＯ2の生物模倣的固定を誘導した:生物模倣的炭酸化と光触媒反応と組み合わせた複合方法に基づいて、革新的で概念化された、ギ酸、メタン及びメタノールの生成方法。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
炭酸イオン及びプロトンを形成するＣＯ2の水和の速度を加速させるために、ＣＡを用いた炭酸化反応の研究に対する取り組みがなされてきた。しかしながら、ＣＯ2の排出制御と同時に、水素及び有機構成単位／化学物質を生成するための、簡便で費用対効果があり、クリーンな方法を提供する画期的なアプローチは、文献で報告されていない。太陽燃料、特に水素、メタン及びメタノールの生成分野における大躍進は、生物模倣的炭酸化と光触媒反応との組み合わせによって発明されてきた。このアプローチは、カーボンニュートラルな水素の生成を要求する水素経済のために必要な画期的な技術的進歩であることを示し得る。また、生物模倣的炭酸化の間に、最終生産物として炭酸塩に加えて水素を生産することは、前記方法を、二酸化炭素を放出する産業によって採用される商業的に実現可能なものにし得る。また、炭酸塩の豊富な流れを光触媒でギ酸に変換する発明は、炭素隔離の最終生産物は環境に優しいだけでなく、クリーンエネルギーの及び有機構成単位生成にもつながるという事実のおかげで、炭素隔離の領域の新たな展望を切り開くものである。
【００６４】
目標とされた反応は以下のとおりである:
気体のＣＯ2は、弱く水和した水性形態を生成するために、急速に水に溶解する。この反応は、急速である。
ＣＯ2（ｇ）＝ＣＯ2（ａｑ）
【００６５】
その後、含水ＣＯ2は水と、又は、高いｐＨで水酸基イオンと反応し得る。
ＣＯ2（ａｑ）＋Ｈ2Ｏ＝Ｈ2ＣＯ3                （１ａ）
Ｈ2ＣＯ3＝Ｈ+＋ＨＣＯ3-                        （１ｂ）
ＣＯ2（ａｑ）＋ＯＨ-＝ＨＣＯ3-                  （２）
【００６６】
ＣＡの不存在下、（１ａ）のための正反応の一定の比率は、２５℃で６．２×10-2ｓ-1であった。重炭酸アニオン及びプロトンを形成するために、炭酸脱水酵素は可逆的なＣＯ2の水和を触媒する:
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＜＝＝＞ＨＣＯ3-＋Ｈ+
【００６７】
上記水和反応の転換数（ｋcat）は、約１０6ｓｅｃ-1である。
【００６８】
図１は、日光の存在下、水素とギ酸の生成用の発明された方法を示す。
【００６９】
上述のように、ＣＡは、ＣＯ2の水和の速度を加速させるために採用されている。亜鉛は、炭酸水から生成したＨ+イオンと反応することによって水素を放出する；しかしながら、反応において、１モルの水素を生成するのに６５．３７ｇの亜鉛が必要とされる。亜鉛を用いる水素放出量は、炭酸脱水酵素（ＣＡ）の不存在下では２．５９μｍｏｌｅｓ／４ｈ（０．６４７μｍｏｌｅｓ／ｈ）のみであった。しかしながら、ＣＡの存在下で、８倍に改善された。
【００７０】
再利用可能な触媒として亜鉛を使用することの可能性は、系を照らすことで発見された。照明下、酸化亜鉛と混合される亜鉛は、高電子中心及び正孔を生成する。高電子中心は、亜鉛金属及びプロトンの反応から酸化された亜鉛金属（Ｚｎ  ＩＩ）を還元する。したがって、照明とともに部分的に酸化された亜鉛金属が存在する条件下、ＣＯ2の水和は、照明の無い系に比べて、程よい水素放出を与える。これは、われわれの知る限りでは報告されていない。
【００７１】
亜鉛を用いる水素放出量は、照明がなく、炭酸脱水酵素（ＣＡ）不存在下では、２．５９μｍｏｌｅｓ／４ｈ（０．６４７μｍｏｌｅｓ／ｈ）であった。しかしながら、照明により、系はＣＡの不存在下において（ほとんど１７．５倍）４５．３５μｍｏｌｅｓ／４ｈ（１１．３３μｍｏｌｅｓ／ｈ）に有意に改善する。
【００７２】
炭酸脱水酵素及び照明の存在する同様の系は、３．３３倍の改善を示した。
【００７３】
水素放出量での有意な改善は、白金（Ｐｔ）のような助触媒の存在する系でも観察された。水素放出量は、助触媒不存在の系が６９．１１μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であったのに対して、８４．６６μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質（２１．６５μｍｏｌｅｓ／ｈ／ｍｇタンパク質）であった。
【００７４】
固定化された生体触媒でも、水素放出量が、約１５６．８μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質（３９．２μｍｏｌｅｓ／ｈ／ｍｇタンパク質）まで改善された。
【００７５】
安定化された生体触媒は、約２３．３９μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｌ単一の酵素ナノ微粒子であって、約６６８４．５７μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質まで改善された水素放出を示した。
【００７６】
亜鉛に対する基質としての光触媒の使用により、亜鉛は、光触媒として、ＴｉＯ2と異なり、ＣＡの不存在下であっても、より反応性が高く、水素を放出することが明らかになった。しかしながら、ＴｉＯ2の使用は、Ｚｎのような金属ドナーの補充の必要性を克服する。水素放出量は、１．７０μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であり、助触媒としてＰｔの存在下で改善しなかった。
【００７７】
ＴｉＯ2及び亜鉛を組み合わせた系で、これまでにない高い値が観察された。水素放出量は、限定されたＣＯ2濃度（０．１２５７ｍｇのＣＯ2／１０ｍｌ）の条件下で、１０１．１４μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質（２５．２μｍｏｌｅｓ／ｈ／ｍｇタンパク質）であった。
【００７８】
水素放出量での有意な改善は、照明下で、亜鉛の存在下、炭酸脱水酵素を用いない系に比べて、炭酸脱水酵素を用いる系で観察された（ＣＡを用いる系の場合、水素の放出は５分間隔で始め、水素放出量は、ＣＡを用いない系で水素の放出が観察されなかったのに対して、０．３６μｍｏｌｅｓ／ｍｉｎ／ｍｇＣＡであった）。３０分間隔では、ＣＡを用いない系が０．０７６μｍｏｌｅｓ／ｍｉｎであったのに対して、ＣＡを用いる系の水素放出量は、１．０９９２μｍｏｌｅｓ／ｍｉｎ／ｍｇタンパク質である。
【００７９】
水素放出量での有意な改善は、照明下で、ＴｉＯ2及び亜鉛／Ｐｔの存在下、炭酸脱水酵素を用いない系に比べて、炭酸脱水酵素を用いる系で観察された（ＣＡを用いる系の水素放出量は、ＣＡを用いない系で１．２２３μｍｏｌｅｓ／ｍｉｎであったのに対して、１．４７２８μｍｏｌｅｓ／ｍｉｎ／ｍｇタンパク質である）。本発明に含まれる進歩性は以下のとおりである：
i)チタニア等の光触媒及び白金等の助触媒を使用することによって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、生物模倣的炭酸化反応からのプロトンの、水素のような高付加価値製品への変換
ii)照明下に再利用可能な触媒としての亜鉛等の金属ドナー及び白金等の助触媒を使用することによって、反応で消費される亜鉛等のドナーの補充の必要がなくなる、生物模倣的炭酸化反応からのプロトンの、水素のような高付加価値製品への変換
iii)プロトンを水素に変換し、正反応を進めることによって、ＣＯ2の水和反応の後退を防止すること
iv)プロトンを水素に変換することによって反応のｐＨを維持するための緩衝液の使用の必要性をなくすこと
v)純粋に水媒体から水素を生成し、補充する必要がある犠牲ドナーを使用する必要性を排除すること
vi)ＣＯ2の水和用の触媒としてのキトサン（ＣＡ類似体）の使用
vii)重炭酸イオンの同時変換であって、一酸化炭素への変換と、チタニアのような光触媒及び白金のような助触媒の使用によって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、水素イオンの還元を用いたメタンのような高付加価値製品への変換
viii) 重炭酸イオンの同時変換であって、一酸化炭素デヒドロゲナーゼ（ＣＯＤＨ）を用いた一酸化炭素への変換と、チタニアのような光触媒及び白金のような助触媒の使用によって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、光触媒的な水素イオンの還元を用いたメタンのような高付加価値製品への変換
ix)チタニアのような光触媒及び白金のような助触媒の使用によって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、ギ酸のような高付加価値製品への変換
x)チタニアのような光触媒及び白金のような助触媒の使用によって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、重炭酸イオン及び水素イオンの合成ガスのような高付加価値製品への酵素的な変換
xi) タニアのような光触媒及び白金のような助触媒の使用によって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、重炭酸イオン及び水素イオンの合成ガスのような高付加価値製品への光触媒的な変換
xii)チタニアのような光触媒及び白金のような助触媒の使用によって、反応で消費される亜鉛等のドナーの必要がなくなる、重炭酸イオン及び水素イオンの合成ガスのような高付加価値製品への酵素的かつ光触媒的な変換
【００８０】
水素放出のための実験プロトコール：
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２  ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力  ｐ（ＣＯ２（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、適切な金属ドナー又は光触媒とともに総量１ｍｇのＣＡ酵素があらかじめ緩衝液に溶解されており、もう１つの試験では、いかなる酵素も用いなかったが、適切な金属ドナー又は光触媒があらかじめ緩衝液に溶解されていた。試料は水から発生した水素を光触媒反応器内で分析された。試料は、異なる時間間隔で同じバイアルから引き出された。生成された水素は、ＧＣ−ＴＣＤで分析された；
【００８１】
水素及び合成ガスの分析方法
水素は、熱伝導度検出器を用いてガスクロマトグラフィー法で分析した。最初に、水素発生器から取り出した１００μｌの標準水素試料を注入し、その保持時間を記録した。これに続いて、残存水素を流し出すために空気を試料として繰り返し注入した。空のクロマトグラムを得た後、系の１００μｌの気体の試料が注入され、水素の保持時間に対応するピークをマッチさせた。標準水素の保持時間にマッチングするピークの存在は、水分解による系の水素の存在を示す。
【００８２】
水素用条件
キャリアーガス:窒素
使用カラム:モレキュラーシーブ5A（Molecular sieve 5A）
検出器:熱伝導度検出器
カラム温度：６０℃
注入器温度：７５℃
検出器温度：１００℃
【００８３】
合成ガス用条件
キャリアーガス:ヘリウム
使用カラム:モレキュラーシーブ5A（Molecular sieve 5A）
検出器:熱伝導度検出器
カラム温度：１００℃
注入器温度：１１０℃
検出器温度：１３５℃
【００８４】
ホルムアルデヒド測定用のナッシュ（Nash）法:
ナッシュ試薬の調製:１Ｌ容量フラスコの２００〜３００ｍｌの脱イオン水で、１５０ｇの酢酸アンモニウム、３ｍｌの酢酸及び２ｍｌのアセチルアセトンを溶解する。
必要な範囲で異なる標準のホルムアルデヒドを準備する。等量（等容積）のナッシュ試薬及びホルムアルデヒド溶液をとり、すべての標準用に４１２ｎｍでの吸光度を測定する。標準液のホルムアルデヒド濃度ｐｐｍ（Ｘ軸）に対する吸光度（Ｙ軸）をプロットする。線形回帰により検量線を計算する。
ホルムアルデヒドをナッシュ試薬で評価するために等量（等容積）の溶液をとり、４１２ｎｍでの吸光度を測定し、校正曲線を用いて未知の溶液のホルムアルデヒドの濃度を算出する。
【００８５】
キトサン材料上でのＣＡの固定化
約１０ｍｇの材料を秤量り、脱イオン水で洗浄した。洗浄後、４．８ｍｌリン酸緩衝液（１００ｍＭ，ｐＨ＝７）及び０．２ｍｌ酵素（５ｍｇ／ｍｌ）が添加された。試料は、１２０ｒｐｍで２５℃６時間振とうし、振とう器で保持した。振とう後、該材料及び上清は、分離された。さらに、上清は、５０００ｒｐｍで１０分遠心分離した。ペレットを捨て、上清をＣＡのエステラーゼ活性の測定に用いた。
【実施例】
【００８６】
以下の実施例は、本発明の説明のために与えられ、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００８７】
［実施例１］
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ2（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、電子供与体として亜鉛（６５ｍｇ）とともに総量１ｍｇのＣＡ（炭酸脱水酵素）酵素があらかじめ緩衝液に溶解されており（１ｍｌ，１Ｍ，ｐＨ＝８．３）、もう１つの試験では、いかなる酵素も用いなかったが、電子供与体として亜鉛があらかじめ緩衝液に溶解されていた。試料は光触媒反応器内で発生した水素を分析された。生成された水素は、ＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素放出量は、照明の不存在下、約（５．１６５μｍｏｌｅｓ／ｈ）２０．６６μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった。酵素及び照明の不存在下では、水素放出量は（０．６２５μｍｏｌｅｓ／ｈ）２．５μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった。
【００８８】
【表１】
0005837984.tif 000002
【００８９】
［実施例２］
２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球で系を照らす以外は、実施例１と同様の実験を行った。実施例１で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成した水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、約（１７．２７μｍｏｌｅｓ／ｈ）６９．１１μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であり、照明により３倍改善された。水素放出量は、酵素の不存在下に（１１．３３μｍｏｌｅｓ／ｈ）４５．３５μｍｏｌ／４ｈであり、照明により有意に１８倍改善された。
【００９０】
【表２】
0005837984.tif 000003
【００９１】
［実施例３］
エタノール（０．５ｍｌ又は５％ｖ／ｖ）の添加以外は、実施例２と同様の実験を行った。実施例１で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、照明により、約（１５．１５μｍｏｌｅｓ／ｈ）６０．６３μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった（エタノールの存在下に有意な水素放出の改善は見られなかった）。
【００９２】
【表３】
0005837984.tif 000004
【００９３】
［実施例４］
系で照明無しで反応を行った以外は、実施例３と同様の実験を繰り返した。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、照明により、約（２．８１μｍｏｌ／ｈ）１１．２４μｍｏｌ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった。
【００９４】
【表４】
0005837984.tif 000005
【００９５】
［実施例５］
白金（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を添加し、系を照らした以外は、実施例１と同様の実験を繰り返した。実施例１で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、約（２１．１６μｍｏｌｅｓ／ｈ）８４．６６μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であり、白金未添加（実施例２）に対して白金を添加することで１．２２倍改善された。
【００９６】
【表５】
0005837984.tif 000006
【００９７】
［実施例６］
白金（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）の添加以外は、実施例１と同様の実験を繰り返した。実施例１で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素は、ＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、約（８．７６μｍｏｌｅｓ／ｈ）３５．０４μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった。
【００９８】
【表６】
0005837984.tif 000007
【００９９】
［実施例７］
キトサンビーズ（０．４４ｍｇ／１０ｍｇのキトサンビーズ）上に酵素を固定化する（固定化法は実験の項で与えられる）以外は、実施例２と同様の実験を行った。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、照明により、約１５６．８μｍｏｌｅｓ／ｈ／ｍｇタンパク質であった。
【０１００】
【表７】
0005837984.tif 000008
【０１０１】
［実施例８］
照明無しで反応を行った以外は、実施例６と同様の実験を行った。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、（０．７４５μｍｏｌｅｓ／ｈ）２．９８μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった（照明がないと、有意な低下が観察された）。
【０１０２】
【表８】
0005837984.tif 000009
【０１０３】
［実施例９］
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ2（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、電子供与体としてチタニア（６５ｍｇ）とともに総量１ｍｇのＣＡ酵素があらかじめ緩衝液に溶解されており、もう１つの試験では、いかなる酵素も用いなかったが、電子供与体としてチタニア（６５ｍｇ）があらかじめ緩衝液に溶解され、２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球で照らされていた。試料は、水から発生した水素を光触媒反応器内で分析された。生成された水素は、ＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球を用いた照明により、約（０．４２５μｍｏｌｅｓ／ｈ）１．７μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇタンパク質であった。当該水素放出量は、金属ドナーとしての亜鉛に比べて低かった。水素放出は、エタノール（０．５ｍｌ又は５％ｖ／ｖ）の存在下及びエタノール（０．５ｍｌ又は５％ｖ／ｖ）／ｐｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）の存在する系で０．２６及び０．３３μｍｏｌｅｓ／４ｈ程度まで観察された。
【０１０４】
【表９】
0005837984.tif 000010
【０１０５】
［実施例１０］
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ２（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、電子供与体としてチタニア（６５ｍｇ）とともに総量１ｍｇのＣＡ酵素があらかじめ緩衝液に溶解されており、もう１つの試験では、いかなる酵素も用いなかったが、電子供与体としてチタニア（６５ｍｇ）があらかじめ緩衝液に溶解されていた。試料は照明無しで水から発生した水素を光触媒反応器内で分析された。生成された水素は、  ＧＣ−ＴＣＤで分析された;照明無しでは、水素の放出は観察されなかった。水素放出は、エタノール（０．５ｍｌ又は５％ｖ／ｖ）の存在下、０．１２及び０．０４３μｍｏｌｅｓ／４ｈ程度が観察された。
【０１０６】
【表１０】
0005837984.tif 000011
【０１０７】
［実施例１１］
チタニア（６５ｍｇ）に亜鉛（６５ｍｇ）を加える以外は実施例９と同様の実験を行った。試料は、実施例９で述べたように、２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球を用いた照明によって発生した水素を光触媒反応器内で分析された。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、約１０１．４４μｍｏｌｅｓ／ｈ／ｍｇタンパク質であった（ＴｉＯ2及び亜鉛の組み合わせによって有意な改善が見られた）。
【０１０８】
【表１１】
0005837984.tif 000012
【０１０９】
［実施例１２］
亜鉛（６５ｍｇ）及びチタニア（６５ｍｇ）を用いて照明無しとする以外は実施例１０と同様の実験を行った。実施例９で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で照明無しで分析された。生成された水素はＧＣ−ＴＣＤで分析された；当該水素放出量は、（１１．１５μｍｏｌｅｓ／ｈ）４４．６３μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、照明無しで有意に低下した。
【０１１０】
【表１２】
0005837984.tif 000013
【０１１１】
［実施例１３］
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ２（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、電子供与体として亜鉛（６５ｍｇ）とともに総量１ｍｇのＣＡ酵素があらかじめ緩衝液に溶解されており、もう１つの試験では、いかなる酵素も用いなかった。試料は、生成した合成ガスを光触媒反応器内で分析した。水素とともに生成された一酸化炭素は、キャリアーガスとしてヘリウムを用いてＧＣ−ＴＣＤで同時に分析された。；  水素及び一酸化炭素は、照明がない場合、観察されなかった。試料は、異なる時間間隔で同じバイアルから引き出された。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１１２】
【表１３】
0005837984.tif 000014
【０１１３】
［実施例１４］
系を２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球で照らした以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約１．０４３μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．０６１μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１１４】
【表１４】
0005837984.tif 000015
【０１１５】
［実施例１５］
電子供与体として亜鉛（６５ｍｇ）を系に加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素及び一酸化炭素の発生は見られなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１１６】
【表１５】
0005837984.tif 000016
【０１１７】
［実施例１６］
電子供与体として亜鉛（６５ｍｇ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約９４．７０μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．９３６μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１１８】
【表１６】
0005837984.tif 000017
【０１１９】
［実施例１７］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）及びＣＡ（１ｍｇ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器内で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約６．３８μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．０９２μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１２０】
【表１７】
0005837984.tif 000018
【０１２１】
［実施例１８］
系に、Ｚｎ及びＣＡを加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約５５．７９μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．２６２μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１２２】
【表１８】
0005837984.tif 000019
【０１２３】
［実施例１９］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された;水素の放出量は、約２８．６９μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１２４】
【表１９】
0005837984.tif 000020
【０１２５】
［実施例２０］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は、約１３８．４μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１２６】
【表２０】
0005837984.tif 000021
【０１２７】
［実施例２１］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）、ＣＡ及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は、約５．２１μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１２８】
【表２１】
0005837984.tif 000022
【０１２９】
［実施例２２］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）、ＣＡ及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は、約９２．８１μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は、０．０８１μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１３０】
【表２２】
0005837984.tif 000023
【０１３１】
［実施例２３］
系に、チタニア（６５ｍｇ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素及び一酸化炭素の放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１３２】
【表２３】
0005837984.tif 000024
【０１３３】
［実施例２４］
系に、チタニア（６５ｍｇ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約１２．４７μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は１．４μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１３４】
【表２４】
0005837984.tif 000025
【０１３５】
［実施例２５］
系に、チタニア（６５ｍｇ）及びＣＡを加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素及びＣＯの放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１３６】
【表２５】
0005837984.tif 000026
【０１３７】
［実施例２６］
系に、チタニア（６５ｍｇ）及びＣＡを加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約０．３４２μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．０７２μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１３８】
【表２６】
0005837984.tif 000027
【０１３９】
［実施例２７］
系に、チタニア（６５ｍｇ）及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約０．２８９μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１４０】
【表２７】
0005837984.tif 000028
【０１４１】
［実施例２８］
系に、チタニア（６５ｍｇ）及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約０．３９１μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１４２】
【表２８】
0005837984.tif 000029
【０１４３】
［実施例２９］
系に、チタニア（６５ｍｇ）、ＣＡ及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約０．０４９μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１４４】
【表２９】
0005837984.tif 000030
【０１４５】
［実施例３０］
系に、チタニア（６５ｍｇ）、ＣＡ及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約０．１３μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．０３９μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１４６】
【表３０】
0005837984.tif 000031
【０１４７】
［実施例３１］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）及びチタニア（６５ｍｇ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約１．６４μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、一酸化炭素の放出は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１４８】
【表３１】
0005837984.tif 000032
【０１４９】
［実施例３２］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）及びチタニア（６５ｍｇ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約１２４．１６μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は１．９４９μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１５０】
【表３２】
0005837984.tif 000033
【０１５１】
［実施例３３］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）チタニア（６５ｍｇ）及びＣＡを加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約１０．３６μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は観察されなかった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１５２】
【表３３】
0005837984.tif 000034
【０１５３】
［実施例３４］
系に、Ｚｎ（６５ｍｇ）、ＴｉＯ2（６５ｍｇ）及びＣＡを加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約８８．４１μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．２６μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１５４】
【表３４】
0005837984.tif 000035
【０１５５】
［実施例３５］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）、チタニア（６５ｍｇ）及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約５．４７μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．００４２μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１５６】
【表３５】
0005837984.tif 000036
【０１５７】
［実施例３６］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）、チタニア（６５ｍｇ）及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約７２．１２μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．０６２μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１５８】
【表３６】
0005837984.tif 000037
【０１５９】
［実施例３７］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）、チタニア（６５ｍｇ）、ＣＡ及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１３と同様の実験を行った。実施例１３で述べたように、試料は発生した水素を光触媒反応器で分析された。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約４８．０５μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．００５μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１６０】
【表３７】
0005837984.tif 000038
【０１６１】
［実施例３８］
系に、亜鉛（６５ｍｇ）、チタニア（６５ｍｇ）、ＣＡ及びＰｔ（０．０５ｍｇ又は０．５％ｗ／ｖ）を加える以外は実施例１４と同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料は生成した合成ガスを光触媒反応器で分析した。生成された水素及び一酸化炭素は、同時にＧＣ−ＴＣＤで分析された；水素の放出量は約９０．２３μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、ＣＯの放出量は０．０６２μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１６２】
【表３８】
0005837984.tif 000039
【０１６３】
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ2（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。炭酸溶液は、固定されたキトサンビーズ（ＣＡＩｍＣＳ）を１０ｍｌの飽和炭酸水と１ｍｌトリス緩衝液（ｐＨ８．３，１Ｍ）ＣＡに加えて調製された。試料は、ボルテックスされて、ワットマン（whatman）ろ紙42を用いて、ろ過された。重炭酸イオンを含む上澄液は、さらに合成ガスの生成を測定された。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、前記炭酸溶液に亜鉛及びチタニアが用いられ、もう１つの試験では、亜鉛（６５ｍｇ）及びチタニア（６５ｍｇ）とともに飽和炭酸水を用いた。試料は、合成ガスの生成を測定された。水素とともに生成された一酸化炭素は、キャリアーガスとしてヘリウムを用いてＧＣ−ＴＣＤで同時に分析された。；水素の放出量は約２．８μｍｏｌｅｓ／４ｈであり、一酸化炭素の放出量は照明無しで０．０２９μｍｏｌｅｓ／４ｈであった。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１６４】
【表３９】
0005837984.tif 000040
【０１６５】
［実施例４０］
系を２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球で照らす以外は実施例４０と同様の実験を行った。試料はＧＣ−ＴＣＤを用いて生成した合成ガスを光触媒反応器内分析した。生じた合成ガスから、１２２．６２μｍｏｌｅｓ／４ｈの水素の放出と１．２μｍｏｌｅｓ／４ｈのＣＯの放出が測定された。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１６６】
【表４０】
0005837984.tif 000041
【０１６７】
［実施例４０ａ］
撹拌してリン酸緩衝液（５０ｍＭ；ｐＨ７）にＣＡ（１０ｍｇ）を溶解させることによって、安定化酵素ナノ微粒子が調製された。水酸基（−ＯＨ）をアルデヒド基に変換するためにメタ過ヨウ素酸ナトリウム（１．８５ｍＭ）が添加され、暗黒下に３０分保持された。反応を止めるために、一定分量のエチレングリコール（１．５ｍＬ）が添加され、２時間撹拌された。溶液は、暗黒下で２．５Ｌの５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に対して一晩透析された。ＣＡは、暗黒下に4時間撹拌することによって、３％酢酸に溶解したキトサン（６ｍｇ／ｍＬ）で活性化した。これにより、キトサンのアミノ基と酵素のアルデヒド基との間で、シッフ（Schiff）塩基が形成される。次いで、シッフ複合体は、水素化ホウ素ナトリウム（０．７４ｍＭ）の液滴を添加し、４時間継続的撹拌して、イミンに変換されることによって、安定化された。その後、混合物は、未反応の試薬を除くために、暗黒下で２．５Ｌの５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に対して一晩透析された。次いで、イミン複合体は、３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）及びヘキサン（１：１０）でシリル化され、２２℃（３００ｒｐｍ）で５分間ボルテックスされ、振とうされた。下側の緩衝液フラクションはろ過され（０．１  ｌｍ）、冷蔵庫で保管された。上側のヘキサンフラクションに対して、等量の２００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）が添加され、ＣＡ抽出用に再度２２℃（３００ｒｐｍ）で５分間ボルテックスされた。緩衝液フラクションは、ろ過された（０．１  ｌｍ）。上側ヘキサンフラクションにＣＡ活性が得られなくなるまでこのプロセスは繰り返された。緩衝液フラクションは、集められ、シラノール縮合のため（エイジング）に冷蔵庫で３日間保管された。溶液は、ＣＡの自己分解生成物と未反応の試薬を除くために、暗黒下で２．５Ｌの５０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に対して３日間透析された。最終的な透明な溶液（ＳＥＮｓ）は、４℃で冷蔵庫に保管した。ＳＥＮの形でのＣＡ活性収率は、５０〜６０％であった。
【０１６８】
［実施例４０ｂ］
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ２（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。第２工程では、ｐＨ８．３のトリス緩衝液（１ｍｌ，１Ｍ）が、ＣＯ2（ｇ）圧力を維持するために、ゴムキャップを通してシリンジでフラスコの水に添加された。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、亜鉛（６５ｍｇ）及びチタニア（６５ｍｇ）、とともにＳＥＮ−ＣＡがあらかじめ緩衝液に溶解されており、もう１つの試験では、ＳＥＮ−ＣＡがなく、亜鉛及びチタニアが使用された。試料は、実施例１で述べたように、キャリアーガスとしてヘリウムを用いてＧＣ−ＴＣＤを用いて生成した合成ガスを光触媒反応器内分析した。生じた合成ガスを測定し、３５３．７８μｍｏｌｅｓ／４ｈ／ｍｇ酵素の水素の放出と、ＣＯが放出されていないことが観察された。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１６９】
【表４１】
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【０１７０】
２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球で照らした以外は実施例４０ｂと同様の実験を行った。実施例１４で述べたように、試料はＧＣ−ＴＣＤを用いて生成した合成ガスを光触媒反応器内分析した。生じた合成ガスから、１７０３．０３μｍｏｌｅｓ／４ｈの水素の放出と１９．８４μｍｏｌｅｓ／４ｈのＣＯの放出が測定された。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１７１】
【表４２】
0005837984.tif 000043
【０１７２】
［実施例４３］
１０ｍｌのＨＰＬＣ水をバイアルに入れた。ＣＯ2（ｇ）ガスは、この水の中に浸漬するニードルを通して、水の中でバブリングされた。ＣＯ2（ｇ）は、ＣＯ2シリンダーから、２ｂａｒの圧力下で６０分間流された。この操作中、溶液はマグネチックスターラーを用いて６００ｒｐｍの速度で一定の撹拌下に維持され、フラスコは大気に対して開栓されていた。ＣＯ2（ｇ）バブリングが停止されたとき、クリンパーを用いて、栓はすぐにアルミニウムシールで閉じた。したがって、水面から上部の初期の大気は、基本的に、初期圧力ｐ（ＣＯ２（ｇ））０≒２ｂａｒのＣＯ2（ｇ）ガスであった。第２工程では、ｐＨ８．３のトリス緩衝液（ｍｌ，１Ｍ）が、ＣＯ2（ｇ）圧力を維持するために、ゴムキャップを通してシリンジでフラスコの水に添加された。２つの試験は常に平行して行われ、１つの試験では、加圧ＣＯ2が亜鉛及びチタニアとともに取り入れられ、もう１つの試験では、加圧ＣＯ2は用いずに亜鉛（６５ｍｇ）とチタニア（６５ｍｇ）を用いた。試料は、キャリアーガスとしてヘリウムを用いて、ＧＣ−ＴＣＤで生成した合成ガスを光触媒反応器で評価された。生じた合成ガスを測定し、３．３８μｍｏｌｅｓ／４ｈの水素の放出とＣＯが放出されていないことが観察された。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１７３】
【表４３】
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【０１７４】
［実施例４４］
系を２つの２００Ｗのタングステンフィラメント電球で照らす以外は実施例４４と同様の実験を行った。試料はＧＣ−ＴＣＤを用いて生成した合成ガスを光触媒反応器内で分析した。生じた合成ガスから、５９．６６μｍｏｌｅｓ／４ｈの水素の放出と０．４３μｍｏｌｅｓ／４ｈのＣＯの放出が測定された。試料中のホルムアルデヒドの濃度を測定した。ホルムアルデヒドは、Ｎａｓｈ法を用いて評価した。
【０１７５】
【表４４】
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【０１７６】
利点:
ｉ）プロトンを水素に変換し、正反応を進めることによってＣＯ2の水和反応が後退することを防ぐために開発された、生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法。
ｉｉ）開発された生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法では、プロトンを水素に変換することによって反応のｐＨを維持するための緩衝液の使用が必要なくなる。
ｉｉｉ）開発された生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法では、反応で消費される亜鉛等のドナーが必要なくなる。
ｉｖ）開発された生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法は、系を照らすことによって、反応で消費される亜鉛等のドナーの補充が必要なくなる。
ｖ）開発された生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法は、純粋に水媒体から水素を生成するため、補充する必要がある犠牲ドナーをしようする必要を排除する。
ｖｉ）開発された生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法は、ＣＯ2の水和のために、ＣＡ類似体としてキトサンを使用する。
ｖｉｉ）開発された生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた新規で画期的な複合方法は、以下の点を保証する：
ａ）炭酸カルシウムの通常環境に優しい生成物の、水素のような高付加価値製品との置換。
ｂ）炭酸カルシウムの通常環境に優しい生成物の、ホルムアルデヒドのような高付加価値製品との置換。
ｃ）生物模倣的炭酸化と光触媒反応とを組み合わせた、新規で画期的な太陽水素の生成方法。
ｄ）ギ酸及びメタン／メタノールの合成のための新規で画期的な方法。
ｅ）ＣＯ2を方解石、水素、ギ酸及びメタン／メタノールに変換することによる炭素隔離のための新規で画期的な方法。
ｆ）クリーンエネルギー及び化学物質の生成用炭素隔離の新規で画期的な方法。
ｇ）カーボンニュートラルな水素の生成を要求している水素経済のための画期的な技術的進歩。
ｈ）二酸化炭素を放出する産業によって採用され、商業的に実現可能な方法。
【図１】
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【図２】
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