(57)【要約】【課題】微生物を用いた水素生産において、水素の生産効率を向上し、水素の量産化・工業化を図る。【解決手段】微生物による水素生産方法において、光合成能力を有する微細藻により明好気条件下で光合成産物を得る工程、上記光合成産物を用いて上記光合成能力を有する微細藻により暗嫌気条件下で水素生成の資化源を得る工程、上記資化源を用いて光合成能力を有する細菌により明嫌気条件下で水素を生成する工程を含み、上記光合成能力を有する微細藻を、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いる、あるいは／及び、上記光合成能力を有する細菌を、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いる。【選択図】　図１
2004057045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成能力を有する微細藻により明好気条件下で光合成産物を得る工程、
上記光合成産物を用いて上記光合成能力を有する微細藻により暗嫌気条件下で水素生成の資化源を得る工程、
上記資化源を用いて光合成能力を有する細菌により明嫌気条件下で水素を生成する工程を含み、
上記光合成能力を有する微細藻を、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いている、あるいは／及び、上記光合成能力を有する細菌を、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いていることを特徴とする微生物による水素生産方法。
【請求項２】
上記光合成産物を得る工程、上記水素生成の資化源を得る工程、上記水素を生成する工程を連続的に行っている請求項１に記載の微生物による水素生産方法。
【請求項３】
上記光合成能力を有する微細藻は、細胞の増殖が進行した対数増殖期後期乃至定常期の微細藻とし液体中に存在させ、該液体に不溶な担体に固定化された状態で用いられている請求項１または請求項２に記載の微生物による水素生産方法。
【請求項４】
上記光合成能力を有する細菌は、細胞の増殖が進行した対数増殖期後期乃至定常期の細菌とし液体中に存在させ、該液体に不溶な担体に固定化されていると共に、ニトロゲナーゼが高誘導された状態で用いられている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の微生物による水素生産方法。
【請求項５】
上記光合成能力を有する微細藻は、細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるように、海水あるいは／及び窒素供給源・無機成分・ビタミンを含む溶液中に飽和状態で存在させていると共に、
上記光合成能力を有する細菌は、細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるように、海水あるいは／及び窒素供給源・無機成分・ビタミンを含む溶液中に飽和状態で存在させている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の微生物による水素生産方法。
【請求項６】
上記光合成産物を得る工程で用いられた光合成能力を有する微細藻は、そのままの状態で連続的に、上記水素生成の資化源を得る工程で用いられている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の微生物による水素生産方法。
【請求項７】
上記水素を生成する工程の前に、上記資化源と上記光合成能力を有する微細藻とを分離し、
上記分離された資化源と上記光合成能力を有する細菌とを作用させると共に、上記分離された微細藻は上記光合成産物を得る工程に循環させている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の微生物による水素生産方法。
【請求項８】
光エネルギー及び熱エネルギーを全ての細胞に均等に循環的に伝えられるような流路を備えた装置を用い、該流路内に上記光合成能力を有する微細藻を含む液体あるいは上記光合成能力を有する細菌を含む液体を流通し、上記明好気条件下の光合成能力を有する微細藻あるいは上記明嫌気条件下の光合成能力を有する細菌に均等に循環的に光エネルギーを伝達し、光阻害を低め、上記光合成能力を高めている請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の微生物による水素生産方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微生物による水素生産方法に関し、詳しくは、水素の生産効率を向上し、微生物による水素生産の量産化、工業化を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石油・石炭をはじめとする化石燃料の代替として、クリーンエネルギー源である水素が着目されている。水素エネルギーは燃料電池として高い効率で電気エネルギーへ変換できること、発熱量が石油の３〜４倍で、燃焼後は水を生じて環境汚染の恐れが少ない等の利点を有している。
【０００３】
このような水素の生成方法としては、従来、水の電気分解等の非生物による水素生産方法、光合成生物等の生物による水素生産方法等が行われている。生物による水素生産方法としては、藻類等の微生物を用いることが研究されており、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、本出願人は、特開昭５８−６０９９２号で、水素発生能を有する緑藻を、明好気条件下に水中で培養するサイクルと、暗嫌気条件下に水中で培養するサイクルを交互に繰り返し、明好気条件下の培養中に光合成を行わせ、暗微好気条件下で、光合成により蓄積した物質を分解して水素を発生させる水素生産方法を提案している。
【０００５】
また、特開平１０−４２８８１号では、海洋性緑藻や海洋性光合成バクテリア等を用いた水素等の有用ガスの生産システムにおいて、緑藻醗酵プロセスの醗酵槽のパージガスとして二酸化炭素を用いている微生物を用いた有用ガス生産プロセスが提案されている。
【０００６】
さらに、本出願人は、特開２０００−１０２３９７号で、光合成能力を有する微細藻を明好気条件下培養して光合成産物を得る工程、該微細藻を暗嫌気条件下培養し、該光合成産物の発酵液を得る工程、および該発酵液に、明嫌気条件下、光合成能力を有する細菌を作用させる工程を含む水素の生産方法において、該明好気条件下の微細藻の培養及び／又は明嫌気条件下で該発酵液に細菌を作用させる工程が透明塔型エアーリフト培養槽で行われる水素の生産方法を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５８−６０９９２号は、水素を生成することが可能であるものの、最適な水素生産の条件が未だ確立されておらず、量産化、工業化への対応の点で未だ改善の余地がある。
【０００８】
また、特開平１０−４２８８１号は、パージガスを二酸化炭素とすることで、水素生産量を改善しているが、培養槽において緑藻を培養し、培養した緑藻液を用いて澱粉を蓄積しているため、培養と澱粉合成に必要な光エネルギーが大量に必要となり、水素生産の効率が悪く、量産化・工業化に対応できないという問題がある。また、バッチ処理操作で運転されるため、量産化、工業化へ対応できないという問題がある。
【０００９】
さらに、特開２０００−１０２３９７号は、明好気的条件下における微細藻の培養及び／又は明嫌気条件下における光合成細菌による水素生産を、透明塔型エアーリフト培養槽を用いることにより、水素生産を効率よく行うことができる。しかし、光合成産物を得る工程において、微細藻の培養と澱粉等の光合成産物の生成とを同時に行っているため、培養と澱粉合成に必要な光エネルギーが大量に必要となり、水素の生産効率が未だ充分とはいえない。従って、水素の量産化・工業化の点において未だ改善の余地がある。
【００１０】
本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、微生物を用いた水素生産において、水素の生産効率を向上し、水素の量産化・工業化を図ることを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、光合成能力を有する微細藻により明好気条件下で光合成産物を得る工程、
上記光合成産物を用いて上記光合成能力を有する微細藻により暗嫌気条件下で水素生成の資化源を得る工程、
上記資化源を用いて光合成能力を有する細菌により明嫌気条件下で水素を生成する工程を含み、
上記光合成能力を有する微細藻を、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いている、あるいは／及び、上記光合成能力を有する細菌を、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いていることを特徴とする微生物による水素生産方法を提供している。
【００１２】
このように、本発明では、予め細胞が培養され細胞濃度が高められた状態の微細藻を用いている、あるいは／及び、予め細胞が培養され細胞濃度が高められた状態の光合成能力を有する細菌を用いている。このため、光合成能力を有する微細藻を培養する工程、光合成能力を有する細菌を培養する工程を必要とせず、非常に効率良く水素を生産することができる。
【００１３】
具体的には、細胞濃度が高められた光合成能力を有する微細藻を用いているため、明好気条件下で得られる光エネルギーが、微細藻の細胞増殖に使われることがなく、光合成産物の生成に集中的に費やされ、光合成産物を効率良く得ることができる。その結果、光合成産物を用いて得られる水素生成の資化源の生産効率も高めることができる。また、細胞濃度が高められた光合成能力を有する細菌を用いているため、明嫌気条件下で得られる光エネルギーが、細菌の細胞増殖に使われることがなく、水素の生成に集中的に費やされ、水素を効率良く得ることができる。このように、一連の各工程で得られる産物の生産効率を向上することができるため、微生物を用いた水素生産において、最終生成物である水素の生産効率を向上することができ、水素の量産化・工業化を実現することができる。
【００１４】
上記光合成産物を得る工程、上記水素生成の資化源を得る工程、上記水素を生成する工程を連続的に行っていることが好ましい。各工程を連続的に行うことにより、生産速度を速めることができ、水素をより量産化することができる。
【００１５】
上記光合成能力を有する微細藻は、細胞の増殖が進行した対数増殖期後期乃至定常期の微細藻とし液体中に存在させ、該液体に不溶な担体に固定化された状態で用いられていることが好ましい。
【００１６】
また、上記光合成能力を有する細菌は、細胞の増殖が進行した対数増殖期後期乃至定常期の細菌とし液体中に存在させ、該液体に不溶な担体に固定化されていると共に、ニトロゲナーゼが高誘導された状態で用いられていることが好ましい。
【００１７】
対数増殖期後期乃至定常期の微細藻や細菌を用いることにより、各工程での反応の立ち上がり時間が早くなり初期の状態から高い生産効率を得ることができる。また、浮遊細胞として用いるのではなく、微細藻や細菌を担体に固定化することで、単位体積当たりの細胞密度を高めることができると共に、細胞活性を安定化することができ、微細藻や細菌の作用を長期に渡って持続させることができる。また、上記担体は、微細藻や細菌を存在させる液体に不溶であるため、微細藻や細菌を固定化した担体と、液体とを固液分離により容易に分離することができる。よって、微細藻や細菌を固定化した担体のみを回収して再循環させることもできる。
【００１８】
細菌が担体に固定されると共に、水素生産を支配する酵素である二トロゲナーゼが高誘導された状態で用いられることにより、二トロゲナーゼが高活性の状態で安定化され、細菌が高密度とされる。よって、細菌は、細胞の増殖に基質、エネルギーを使うことなく、専ら水素生産に基質、エネルギーを使うので、高速度で水素生産を行うことができる。なお、細菌にニトロゲナーゼを高いレベルで誘導してから細菌を担体に固定化しても良いし、細菌を担体に固定化してから細菌にニトロゲナーゼを高いレベルで誘導しても良い。
【００１９】
上記光合成能力を有する微細藻は、細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるように、海水あるいは／及び窒素供給源・無機成分・ビタミンを含む溶液中に飽和状態で存在させていると共に、
上記光合成能力を有する細菌は、細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるように、海水あるいは／及び窒素供給源・無機成分・ビタミンを含む溶液中に飽和状態で存在させていることが好ましい。
【００２０】
微細藻や細菌は、海水あるいは／及び窒素供給源・無機成分・ビタミンを含む溶液中に飽和状態で存在させていることが好ましく、各工程で効率良く各産物を得ることができる。上記溶液中には窒素源が少ない方が好ましく、塩化アンモニウム等の窒素源の濃度が０．１ｍＭ以下が好ましい。
【００２１】
微細藻や細菌の細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌより小さいと各産物の生産効率を向上しにくくなる。また、細胞濃度は、１．０×１０９ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上がさらに好ましい。なお、細胞濃度は高いほど好ましいが、上限値としては、１．０×１０１０ｃｅｌｌｓ／ｍｌ程度である。
【００２２】
上記光合成産物を得る工程で用いられた光合成能力を有する微細藻は、そのままの状態で連続的に、上記水素生成の資化源を得る工程で用いられていることが好ましい。上記微細藻をそのままの状態で連続的に用いることにより、より生産性を高めることができる。
【００２３】
上記水素を生成する工程の前に、上記資化源と上記光合成能力を有する微細藻とを分離し、上記分離された資化源と上記光合成能力を有する細菌とを作用させると共に、上記分離された微細藻は上記光合成産物を得る工程に循環させていることが好ましい。これにより、各工程に必要な物質のみを存在させることができると共に、微細藻を循環して再度用いることができるため、常時、安定して細胞濃度が高い微細藻を用いることができる。
【００２４】
光エネルギー及び熱エネルギーを全ての細胞に均等に循環的に伝えられるような流路を備えた装置を用い、該流路内に上記光合成能力を有する微細藻を含む液体あるいは上記光合成能力を有する細菌を含む液体を流通し、
上記明好気条件下の光合成能力を有する微細藻あるいは上記明嫌気条件下の光合成能力を有する細菌に均等に循環的に光エネルギーを伝達し、光阻害を低め、上記光合成能力を高めている。
【００２５】
上記流路を備えた装置を用い、該流路内に上記液体を流通することにより、エネルギー効率が高まり、より生産性を向上することができる。具体的には、太陽光および／または人工光の照射下、透明塔型エアーリフト培養槽等を用いて行うことができる。なお、ヘリカルフローを生じる構造を持たせていることが好ましい。即ち、ヘリカルフロープロモーター付透明塔型エアーリフト反応槽を用いることが好ましい。
【００２６】
光合成能力を有する微細藻により明好気条件下で光合成産物を得る工程において、炭素源が必要であるので、空気あるいは空気と二酸化炭素との混合気体を通気するのが好ましい。二酸化炭素を混合する場合は、ガス中の二酸化炭素濃度（体積％）が、約２〜２０％、好ましくは２〜１０％、さらに好ましくは、約２〜５％が良い。
【００２７】
本発明に用いる担体の材質としては、例えば、多孔質ガラスビーズ、ポリビニルアルコール、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリアクリルアミド、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体、シリコンフォーム、セルロース多孔質体等の発泡体あるいは樹脂が好ましい。なお、多孔質体の開口部の大きさは、約１０μｍ〜５００μｍが好適である。また、担体の形状は問わないが、担体の強度、培養効率等を考慮すると、球状あるいは立方体状で、大きさは、球状の場合、直径が１ｍｍ〜５０ｍｍ、立方体状の場合、１ｍｍ〜５０ｍｍ角が好ましい。
【００２８】
また、微細藻や細菌の固定化には、例えば、担体結合法、架橋法および包括法等の公知の方法が適用でき、中でも担体結合法が最適である。担体結合法には、イオン交換性の樹脂に吸着させる化学的吸着法あるいは物理的吸着法が含まれる。微細藻、特に緑藻は、一般的に粘着性があり、容易に粘着固定化されるものが多い。細菌は細胞表面がマイナスに帯電しているものが多く、従って、固定化担体を予めプラスに帯電しているポリリジンによりコーティングし、これに細菌を電気的引力によって結合させると容易に固定化される。このような方法で固定化すると、例えば、緑藻では、５０ｍｇ乾燥重量／ｃｍ３（担体）程度固定化できる。細菌では、３０ｍｇ乾燥重量／ｃｍ３（担体）程度固定化できる。
【００２９】
本発明に用いられる微細藻としては、光合成能力を有する微細藻を用いることができ、特に、緑藻、藍藻等が好ましい。緑藻としては、クラミドモナス（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ）属に属するクラミドモナス・ラインハルディ（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ　ｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉ）、クラミドモナス・モエブシイ（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ　ｍｏｅｗｕｓｉｉ）、クラミドモナス属のＭＧＡ１６１株，Ｗ−８０株、クラミドモナス　ユーガメタス（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ　ｅｕｇａｍｅｔｏｓ）、クラミドモナス　セグニス（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓｓｅｇｎｉｓ）、クロレラ（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ）属に属するクロレラ　ブルガリス（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ　ｖｕｌｇａｒｉｓ）、セネデスムス（Ｓｅｎｅｄｅｓｍｕｓ）属に属するセネデスムス　オブリガス（Ｓｅｎｅｄｅｓｍｕｓ　ｏｂｌｉｇｕｕｓ）およびデュナリエラ（Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ）属に属するデュナリエラ　テルトロレクタ（Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ　ｔｅｒｔｒｏｌｅｃｔａ）等が挙げられる。また、藍藻類としては、アナべナ属（Ａｎａｂａｅｎａ）に属するアナべナ・バリアビリス（Ａｎａｂａｎｅｎａ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ）ＡＴＣＣ　２９４１３、シアノテセ（Ｃｙａｎｏｔｈｅｃｅ）属の　Ｃｙａｎｏｔｈｅｃｅ　ｓｐ．　ＡＴＣＣ　５１１４２、シネノコッカス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ）属に属するＳｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ　ｓｐ．　ＰＣＣ　７９４２およびアナシスティス（Ａｎａｃｙｓｔｉｓ）属に属するアナシスティス　ニデュランス（Ａｎａｃｙｓｔｉｓｎｉｄｕｌａｎｓ）等が挙げられる。
【００３０】
中でも、緑藻クラミドモナスＭＧＡ１６１株及びクラミドモナスＷ−８０株は、海水から常法により単離された株であり、明好気条件下の光合成能力が高い上に、暗嫌気条件下における発酵が速く、また、明好気条件下に戻したときに、速やかに光合成系に適応できるという優れた能力を有し、また担体に固定化しやすいので好ましい。クラミドモナスＭＧＡ１６１株及びクラミドモナスＷ−８０株あるいはこれに相当する株は、海水サンプルから光合成能力と分解能とで当業者が容易に単離することができる株である。
【００３１】
光合成能力を有する細菌としては、光合成無機栄養細菌および光合成有機栄養細菌（紅色無硫黄細菌、緑色滑走細菌等）が用いられる。本発明においては、光合成産物を分解して生じる有機物を基質（電子供与体）とするので、光合成有機栄養細菌が好適に用いられる。光合成有機栄養細菌としては、ロドスピリルム科（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌａｃｅａｅ）に属する紅色無硫黄細菌、クロロフレクスス科（Ｃｈｌｏｆｌｅｘａｃｅａｅ）に属する緑色滑走細菌等が挙げられる。
【００３２】
上記光合成有機栄養細菌は、例えば、海水サンプルから乳酸（例えば、０．３ｍＭ）を基質として水素を発生する微生物を選択することにより得ることができる。光合成細菌としては、例えば、ロドシュードモナス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）属に属するロドシュードモナス　パラストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）およびロドシュードモナス　アシドフィラ（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ａｃｉｄｏｐｈｉｌａ）、ロドスピリラム（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）属に属するロドスピリラム　ルブラム（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ　ｒｕｂｒｕｍ）ＡＴＣＣ　１１１７０、同ＩＦＯ　３９８６等、ロドバクター（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ）属に属するロドバクター　スフェロイデス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ　ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）、ロドバクターカプスレイタス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ　ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）ＡＴＣＣ　２３７８２、ＡＴＣＣ　１７０１３　等、ロドブラム（Ｒｈｏｄｏｖｕｌｕｍ）属に属するロドブラム　ストリクタム（Ｒｈｏｄｏｖｕｌｕｍ　ｓｔｒｉｃｔｕｍ）ロドブラム　アドリアティカム（Ｒｈｏｄｏｖｕｌｕｍ　ａｄｒｉａｔｉｃｕｍ）、ロドブラム・サルフィドフィラム（Ｒｈｏｄｏｖｕｌｕｍ　ｓｕｌｆｉｄｏｐｈｉｌｕｍ）等が挙げられる。本発明においては、海水サンプルから単離したロドブラム・サルフィドフィラムＷ−１Ｓと名付けた株およびこれと同等の活性を有する光合成細菌が好ましい。
【００３３】
海水あるいは／及び窒素供給源・無機成分・ビタミンを含む溶液としては、適切な窒素供給源と無機成分・ビタミンを含む溶液であれば良い。無機成分を含む培地としては海水が好適に用いられるが、以下の組成の改変岡本培地（以下、ＭＯＭ培地という）：ＮａＣｌ　３０　ｇ、ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ　２００　ｍｇ、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ　２５０　ｍｇ、ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ　２０　ｍｇ、ＫＨ２ＰＯ４　４０．８ｍｇ、Ｋ２ＨＰＯ４　４９５　ｍｇ、ビタミンＢ１　１００　μｇ、ビタミンＢ１２　１　μｇ、１Ｍ　ＮＨ４Ｃｌ　５　ｍｌ、微量金属混合物Ａ５　１．０　ｍｌ、蒸留水　１０００　ｍｌ　ｐＨ８．０も用いられる。
ここで、微量金属混合物Ａ５の組成は、以下の通りである。
Ｈ３ＢＯ４　２．８５　ｇ、ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ　１．８１　ｇ、ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ　０．２２　ｇ、ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ　０．０８　ｇ、Ｎａ２ＭｏＯ４　０．０２１ｇ、ＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏ　０．０１　ｇ、ＥＤＴＡ・２Ｎａ　５０　ｇ、蒸留水　１０００　ｍｌ。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の微生物による水素生産方法を行う水素生産装置１０の概略構成を示す。この水素生産装置１０は、光合成能力を有する微細藻により明好気条件下で光合成産物を得る工程を行う第１塔１１、光合成産物を用いて光合成能力を有する微細藻により暗嫌気条件下で水素生成の資化源を得る工程を行う第２塔１２、資化源を用いて光合成能力を有する細菌により明嫌気条件下で水素を生成する工程を行う第３塔１３を備えている。これらの３つの塔により、順次、光合成産物を得る工程、水素生成の資化源を得る工程、水素を生成する工程を連続的に行う構成としている。
【００３５】
第１塔１１と第２塔１２とは、パイプＰ１により連結されており、第２塔１２と第３塔１３とは、分離装置１４を介してパイプＰ２、Ｐ３により連結されている。また、分離装置は、第１塔１１ともパイプＰ４により連結されている。第３塔１３からは水素回収用のパイプＰ５が設けられている。
【００３６】
以下、具体的に、本発明の微生物による水素生産方法について詳述する。
まず、第１塔の入口から炭素源となる二酸化炭素、空気（酸素）、海水、緑藻等の微細藻を流入する。
【００３７】
第１塔において、光合成能力を有する微細藻は、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いられている。具体的には、光合成能力を有する微細藻は、細胞の増殖が進行した対数増殖期後期乃至定常期の微細藻とし海水を主成分とする懸濁液中に存在させ、細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるように、懸濁液に不溶な担体に固定化された状態で、飽和状態で用いられている。
【００３８】
第１塔では、太陽光等の光が照射され明好気条件としている。光合成能力を有する微細藻は、二酸化炭素を炭素源とし、光エネルギーを利用して澱粉を含む光合成産物を得ている。具体的には、光合成により得られた澱粉は微細藻中に蓄えられる。第１塔では、微細藻の細胞増殖は行われず、ほぼ澱粉の合成のみが行われており、澱粉濃度が高められている。懸濁液中の澱粉濃度は、１．０〜３．０μｍｏｌ／ｍｌ、好ましくは１．８〜２．５μｍｏｌ／ｍｌに高められて第１塔から流出させるのが好ましい。
【００３９】
光合成産物である澱粉の濃度が高められた微細藻は、そのままの状態で、連続的に、水素生成の資化源を得る工程で用いられるため、第１塔から流出される懸濁液は、パイプを通じて第２塔へ送られる。第１塔の出口では、二酸化炭素の濃度は、澱粉合成に使用されただけ減少しており、微細藻の濃度は、入口とほぼ同じである。
【００４０】
第２塔では、太陽光等の光が照射されず、酸素が存在しない暗嫌気条件としており、ガスとしては１００％二酸化炭素を用いている。光合成産物である澱粉を蓄えた微細藻は、この条件下において、水素生産の資化源を得ている。
【００４１】
具体的には、澱粉を蓄えた微細藻は、暗嫌気条件下で光合成産物を発酵している。即ち、光合成産物である澱粉が分解され、発酵されて、エタノール、グリセロール、酢酸等を微細藻中から懸濁液中に放出される。その他、ぎ酸、乳酸等の有機酸やアルコール等が微細藻体外に放出される。このように放出されたエタノール、グリセロール、酢酸等が水素生成の資化源として用いられる。
【００４２】
これら資化源の有機物が電子供与体として、光合成能力を有する細菌による水素生産に用いられる。従って、この暗嫌気条件は、いわゆる有機物の発酵生産がスムーズに行われる条件が好ましく、特に、乳酸が多く発酵する条件が好ましい。また、二酸化炭素による嫌気条件にして光合成産物の分解を促進し、第２塔では、微細藻による水素の発生をできるだけ抑制することが好ましい。
【００４３】
第２塔で、醗酵に要する時間は、第１塔での澱粉合成に要する時間とほぼ同じで良い。第２塔の出口での資化源の濃度と、懸濁液の流出速度との積が資化源の生産速度であり、第２塔は、この資化源の生産速度が最高となるような条件とされるのが好ましい。
【００４４】
第２塔から流出され資化源と微細藻を含む懸濁液は、パイプを通じて分離装置へ送られ、分離装置に備えられたフィルターにより、担体に固定化された微細藻と、資化源を含む懸濁液とに固液分離される。分離された微細藻はパイプを通じて第１塔へ循環させ、光合成産物を得る工程において再度用いられる。分離された資化源を含む懸濁液はパイプを通じて第３塔へ送られる。
【００４５】
第３塔では、第２塔から送られてきた資化源と光合成能力を有する細菌とを作用させ、水素を生成する。第３塔では、光合成能力を有する細菌は、予め細胞が培養され、細胞濃度が高められた状態で用いられている。具体的には、光合成能力を有する細菌は、細胞の増殖が進行した対数増殖期後期乃至定常期の細菌とし海水を主成分とする懸濁液中に存在させ、細胞濃度が１．０×１０８ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるように、懸濁液に不溶な担体に固定化された状態で、飽和状態で用いられている。また、ニトロゲナーゼが高誘導された状態で用いられている。具体的には、二トロゲナーゼが２００〜１０００ｎｍｏｌＣ２Ｈ４／ｍｇ　ｃｅｌｌ　ｄｒｙ　ｗｔ／ｈｒの活性（この活性はアセチレンのエチレンへの還元速度で測定した活性）で活性化されていることが好ましい。
【００４６】
第３塔は、太陽光等の光が照射され明嫌気条件としている。光合成能力を有する細菌は、エタノール等の資化源から、光エネルギーを利用して水素を生産している。得られた水素が回収され、連続的に水素を得る。なお、生成した水素の一部を第３塔に循環させても良い。
【００４７】
このように、上記方法では、光合成能力を有する微細藻や光合成能力を有する細菌を細胞濃度が高められた状態で用いており、かつ光合成産物を得る工程、水素生成の資化源を得る工程、水素を生成する工程を連続的に行っている。このため、各工程で水素生産に必要な産物を効率良く得ることができ、最終的には水素を非常に効率良く、連続的に生産することができる。よって、微生物を用いた方法により水素の量産化、水素生産の工業化を実現することができる。
【００４８】
また、図２に第１〜第３塔の具体的な構成を示す。
本実施形態では、第１〜第３塔は、透明塔型エアーリフト槽３０としている。透明塔型エアーリフト槽３０は、円筒形とし、透明塔型エアーリフト槽３０の下部に、液体が流れる程度の空間をあけて、内部円筒３１を配置し、二重円筒構造としている。内部円筒３１の内側と内部円筒３２の外側とで、懸濁液３３が循環するように構成されている。
【００４９】
透明塔型エアーリフト槽３０内に設けられた内部円筒３２の内側の下部において、通気装置３４から通気することにより、内部円筒３２の内側の下部から上部へ向かって懸濁液３３の流れを発生させ、内部円筒３２の内側の上面では、その流れにより内部円筒３２の外側へ懸濁液３３が流れるようにしている。その後、懸濁液３３が側壁３５と内部円筒３２との間の空間に沿って透明塔型エアーリフト槽３０の下部へ向かって流れることにより、懸濁液３３の循環状態を得ている。懸濁液３３は、側壁３５と内部円筒３２との間を流れる際に最も強く、光が照射される構成としている。また、内部円筒３２の上部には、螺旋状や放射状の流れを生み出すヘリカルフロープロモーター３６が配置されている。
【００５０】
即ち、透明塔型エアーリフト槽３０は、光エネルギー及び熱エネルギーを全ての細胞に均等に循環的に伝えられるような流路を備えた装置とされている。この流路内に光合成能力を有する微細藻を含む液体あるいは光合成能力を有する細菌を含む液体である懸濁液を流通し、明好気条件下の光合成能力を有する微細藻あるいは明嫌気条件下の光合成能力を有する細菌に均等に循環的に光エネルギーを伝達し、光阻害を低め、光合成能力を高めている。よって、従来の攪拌型の培養槽を用いる場合に比べて、微細藻や細菌への光の照射時間を長くできるとともに、微細藻や細菌が効率よく循環されるため、全ての細胞に均等に循環的に光エネルギーを伝達し、光阻害の少ない効率の良い、光合成を行うことができる。なお、第２塔は攪拌型槽としても良い。
【００５１】
また、第１〜３の各塔の温度は１５℃〜３５℃、圧力は常圧である１ａｔｍ程度、希釈率は０．０５ｈｒ−１〜１ｈｒ−１、平均滞留時間は１ｈｒ〜２０ｈｒとされるのが好ましい。また、第１塔のｐＨは５〜８、第２塔のｐＨは３〜６、第３塔のｐＨは５〜８とされるのが良い。
【００５２】
以下、本発明の微生物による水素生産方法の実施例、比較例について詳述する。
上記第１実施形態と同様の装置を用い、以下の実験を行った。
第１〜第３塔は、全て実容積５０Ｌのヘリカルフロープロモーター付きエアーリフト型バイオリアクターを用いた。アクリル樹脂製の透明塔型エアーリフト槽の高さは１．８ｍ、外径は０．２ｍ、アクリル樹脂製の内部円筒の直径は０．１２５ｍとした。通気装置であるガス吹き込み口を槽の底から０．０５ｍの位置に設置した。具体的には、内径０．０１ｍの円形チューブ（円の直径０．１ｍ）に５０個の内径０．００１ｍの孔をあけ、そこからガスを吹き込んだ。実施例、比較例共に同様とした。
【００５３】
明好気条件は、太陽光と光源（１８Ｗ／ｍ２）とを用いて行った。懸濁液の主成分は、海水とした。光合成能力を有する微細藻としては、緑藻クラミドモナスＷ−８０株を用いた。光合成能力を有する細菌は、ロドブラム・サルフィドフィラムＷ−１Ｓを用いた。
担体としては、ポリビニルホルマールからなる多孔性高分子材料を用いた。
【００５４】
（実施例１）
下記の表１のように細胞濃度が高められた状態で微細藻、細菌を用いた。定常期の微細藻、細菌を用い、担体に固定化した。
【００５５】
（比較例１）
下記の表１のように細胞濃度が高くなく、細胞の増殖が行い得る状態で微細藻、細菌を用いた。対数増殖期の微細藻、細菌を用い、担体には固定化せず、浮遊細胞として用いた。
【００５６】
【表１】
2004057045.tif 000003
【００５７】
上記実施例及び比較例の方法により水素を生産し、水素生産速度、水素生産比を測定した。なお、希釈率は共に０．１ｈｒ−１とした。測定結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
2004057045.tif 000004
【００５９】
表２に示すように、実施例１は、比較例１に比べて、非常に水素生産速度が早く、水素を効率良く生産できることが確認できた。よって、本発明の方法によれば、水素を量産することができ、微生物による水素生産の工業化に非常に有用であることが確認できた。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、予め細胞が培養され細胞濃度が高められた状態の微細藻や細菌を用いているため、光合成能力を有する微細藻を培養する工程、光合成能力を有する細菌を培養する工程を必要とせず、非常に効率良く水素を生産することができる。具体的には、細胞濃度が高められた微細藻を用いているため、明好気条件下で得られる光エネルギーが、光合成産物の生成に集中的に費やされ、光合成産物を効率良く得ることができる。その結果、光合成産物を用いて得られる水素生成の資化源の生産効率も高めることができる。また、細胞濃度が高められた細菌を用いているため、明嫌気条件下で得られる光エネルギーが、水素の生成に集中的に費やされ、水素を効率良く得ることができる。
【００６１】
従って、一連の各工程で得られる産物の生産効率を向上することができ、これらの各工程を連続的に行うことで、微生物を用いた水素生産において、最終生成物である水素の生産効率を、さらに向上することができ、水素の量産化・工業化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微生物による水素生産方法を行う水素生産装置の概略構成図である。
【図２】透明塔型エアーリフト槽の概略構成図である。
【符号の説明】
１０　水素生産装置
１１　第１塔
１２　第２塔
１３　第３塔
１４　分離装置
３０　透明塔型エアーリフト槽
【図１】
2004057045.tif 000005
【図２】
2004057045.tif 000006