(57)【要約】【課題】  水素産生発酵菌としてクロストリディウム属細菌を用いて、実用的で高効率且つ安価に水素を産生する水素産生発酵装置を提供することが、本発明の課題である。【解決手段】  複数の菌種を含む基質に、加熱、乾燥、水分調整、酸素濃度及びｐＨ等の物理的／化学的状態を適正に制御する装置および水素産生方法を提供することによって課題が達成される。具体的には、本発明による装置を使用して、発酵反応を行うことにより、菌叢交代反応理により菌淘汰が生じ、初期状態に活性であった不要な菌種の菌数を激減させ、水素産生に必要なある種のクロストリディウム属水素産生細菌を活性化させさせることが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
糖類を含む基質を微生物によって発酵させる装置おいて、基質を６０℃〜１２０℃に保持する加熱部と、基質の水分比率を１〜１０重量％に制御する乾燥部と、基質の水分比率を１５％以上且つペーハー（ｐＨ）を６．０〜１０．０且つ温度を３０℃〜４５℃且つ嫌気性雰囲気状態に制御する発酵部と、産生されたガスを系外に取り出す産生ガス導出部と、発酵残渣を系外に取り出す発酵残渣排出部とで構成される水素産生用発酵装置。
【請求項２】
前記において、加熱部と乾燥部が一体となっていることを特徴とする請求項１に記載の水素産生用発酵装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の水素産生用発酵装置において、発酵部における水素産生発酵が、クロストリディウム・アセトブチリカム（Clostridium acetobutyricum）, クロストリディウム・テルチウム（Clostridium tertium）、クロストリディウム・サルタゴフォルム（Clostridium sartagoforme）、クロストリディウム・ブチリカム（Clostridium butyricum）、クロストリディウム・フィメタリウム（Clostridium fimetarium）、のうち、２種類以上の菌株を主構成成分とする細菌群によりなされることを特徴とする水素産生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖類等のバイオマス基質を微生物により発酵させて、効率的且つ安価に水素ガスを産生する水素産生用発酵装置および水素産生方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
微生物を利用する発酵反応は、解糖、乳酸発酵または酪酸発酵等として知られており、炭酸ガス、水素等のガスを産生する。更に、産生された炭酸ガス、水素ガスは、乳酸菌、メタン細菌等の存在により、酢酸、乳酸、酪酸、アルコール等を合成する。これらの反応を利用して生ゴミを処理し、生ゴミを減容又は水と炭酸ガスに消滅させる、又は発酵産生物を肥料、飼料とする、又はメタンガス等を産生させてバイオマスエネルギーとする等の研究および工業化が既に実施されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５０３５号公報
【０００４】
一方、燃料電池、ニッケルー水素電池等の電池、化学品合成用または燃料等は、水素（水素ガスを含む）の状態で供給されることが望ましい場合がある。しかし、発酵反応により水素ガスを安価で効率的に取り出す技術については、様々な検討が行われているにも関わらず、未だ工業的に満足できるものはなく、改善の余地があった。
【０００５】
水素ガスを産生する微生物としては、らん藻や緑藻などの藻類と嫌気性細菌が知られており、これらの細菌を含めて微生物中に存在するヒドロゲナーゼ（水素産生を触媒する酵素）が、水素産生に関与していることは公知である。さらに、一般的な嫌気性細菌であるクロストリディウム（Clostridium）属が、グルコース、キチン等の糖類を次の反応式により分解して、水素ガスを発生することも周知である（非特許文献１参照）。
【０００６】
【化１】
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【０００７】
【非特許文献１】Gerhard Gottschalk, 「Bacterial Metabolism」 second edition, Springer-Verlag,1986, pp.230-231
【特許文献２】特開２００３−１０２４８２（Ｐ２００３−１０２４８２Ａ）号公報
【０００８】
上記の反応式によれば、理論的には１モルのグルコースから４モルの水素ガスが得られる筈であるが、実際には１〜２モルの水素ガス発生に止まっている。そこで、より効率的な微生物学的水素ガス生産方法が、本発明者らの一人により提案された（特許文献２参照）。又、特許文献２は、新規なヒドロゲナーゼ遺伝子を導入した組み換え体を提供することにより、高効率な水素ガス生産方法を目標とするものであるが、複雑な工程を経ることと組み換え体の大量生産が難しく、コスト高となることが問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
水素産生発酵菌としてクロストリディウム属細菌を用いて、実用的で高効率且つ安価に水素を産生する方法およびそのための水素産生発酵装置を提供することが、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは上記の課題を解決するため、細菌の菌叢交代反応に着目した。菌叢交代反応の目的は、複数の菌種を含む基質に、物理的処理および／又は化学的処理を加えることにより、菌淘汰を生ぜしめて、これにより初期状態で活性であった不必要な菌種の菌数を激減させ、必要とする菌種を活性化することにある。ここで物理的処理とは、加熱・冷却等の温度管理および圧力管理が主なものであり、化学的処理とは、ｐＨ管理、水分管理および酸素濃度管理を主とした処理を言う。そして、これらの管理条件を適正に制御する装置を開発することによって、水素産生に必要な発酵細菌を活性化させることが可能となり、本発明に到達した。
【００１１】
具体的には、糖類を含む基質を微生物によって発酵させる装置おいて、基質を６０℃〜１２０℃の範囲に温度制御する加熱部と、基質の水分比率を１〜１０重量％に制御する乾燥部と、基質の水分比率を１５％以上且つペーハー（ｐＨ）を６．０〜１０．０且つ温度を３０℃〜４５℃且つ嫌気性雰囲気状態に制御する発酵部と、産生されたガスを系外に取り出す産生ガス導出部と、発酵残渣を系外に取り出す発行残渣排出部とで構成される水素産生用発酵装置にある。
【００１２】
ここで糖類を含む基質とは、適量の水分を含む多糖／オリゴ糖／グルコース等の細菌培養に好適な基質を言い、デンプン、セルロース、ショ糖、果汁、キチン、タンパク質、脂肪等を含む食物又は生ごみを用いても良いし、人工的に合成しても良い。生ゴミは、本発明を完成する上で必須な、内生胞子形成桿菌又は球菌であるクロストリディウム属細菌等を含む上に、安価に入手できるため資源の有効活用の点からも望ましい。
【００１３】
ところで、生ゴミは言うに及ばず、糖類等の基質は、一般的にクロストリディウム属細菌以外に古細菌、グラム陽性菌またはプロテオバクテリア類等の細菌を含んでいる。しかし、本発明においては、水素産生に必要なクロストリディウム属細菌を活性化させ、その他の細菌は死滅または不活化する必要がある。  そのために、最初に基質を６０℃〜１２０℃に加熱すると共に、基質の水分比率を１０％以下とすることにより、大腸菌、カビ、酵母等の熱及び／又は乾燥に弱い細菌を死滅させる。一方、クロストリディウム属細菌は内生胞子を形成するため、耐熱性および耐乾燥性を有しており、上述の加熱乾燥工程を経ても死滅することなく生存可能である。
【００１４】
次の水素産生工程では、クロストリディウム属細菌が最も活発に発酵反応を行える環境を与える必要がある。すなわち、クロストリディウム属細菌は、３０℃〜４５℃、より好ましくは３５℃〜４０℃の嫌気性状態で、基質の水分比率が１５％以上、望ましくは３０％以上、且つ、ｐＨが６．０〜１０．０、より好ましくは、６．５〜７．５の条件で活発に発酵活動を行い、効率的に水素が産生される。ここで、加熱工程と乾燥工程を別々に行っても良いが、加熱・乾燥を１工程で行う方が効率的である。
【００１５】
又、発酵により短時間で効率的に水素生産を行うためには、基質を湿潤化するとともに発酵装置内の雰囲気を嫌気性状態に制御する必要がある。更に、ｐＨが９．５以上のアルカリ性では、バチルス属細菌が活性となる一方、クロストリディウム属細菌が不活性となる。又、ｐＨが６．０以下ではクロストリディウム属細菌の活性が弱くなる。
【００１６】
上記の工程を経ることにより、水素を活発に産生するクロストリディウム・アセトブチリカム（Clostridium acetobutyricum）, クロストリディウム・テルチウム（Clostridium tertium）、クロストリディウム・サルタゴフォルム（Clostridium sartagoforme）、クロストリディウム・ブチリカム（Clostridium butyricum）、クロストリディウム・フィメタリウム（Clostridium fimetarium）を活性化する。そして、これらの細菌のうち、２種類以上の菌株を主構成成分とすることにより、基質から効率的に水素を生産することが可能となる。なお、これらのクロストリディウム属細菌のうち、クロストリディウム・ブチリカムのある種の株に弱い病原性が認められるものの、その他の菌は病原性が無いとされている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水素産生用発酵装置および水素産生方法の提供により、安価で高効率な水素生産が可能となる。これにより燃料用水素ガスまたは燃料電池原料としての水素ガスの供給の他に、水素発生用バイオ分子デバイス又は微生物電池にも使用できる。又、水素生産のための原料として、農林業、水産業または家庭等からの食物性廃棄物を利用できるので、資源の有効活用が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態について下記に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものではなく、その要旨を変更することなく様々に改変して実施することができる。また、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
【００１９】
本発明における装置概念図を図１に示す。ここで、基質を６０℃〜１２０℃に加熱する方法は、一般的に抵抗加熱、誘導過熱、マイクロ波加熱、ガス加熱、蒸気加熱等の定法を用いることができ、抵抗加熱または蒸気加熱による場合は、外熱型または内熱型の何れを用いてもよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。次の乾燥工程では、上述の加熱乾燥の他にスクリューフィーダ又は押出し機又は圧搾機のように基質に圧力を加えて脱水する方法、又は遠心分離機を用いて脱水する方法、又は真空脱水により乾燥する方法等の何れを用いてもよい。ここで、スクリューフィーダ又は押出し機又は圧搾機を用いると、加熱工程と乾燥工程を１工程とすることができるので望ましい。
【００２０】
次工程の発酵装置には、原料である基質投入管、ｐＨ調整のためのｐＨ調整原料導入管、水分補給のための水分導入管、嫌気状態保持のための窒素ガスまたは炭酸ガス等の不活性ガス導入管、発酵により得られる水素及び炭酸ガス等を系外に取り出す産生ガス導出管および発酵残渣を系外に取り出す発酵残渣排出管の他に、温度測定のための熱電対、ｐＨ測定のためのｐＨセンサー計、酸素濃度測定のための酸素濃度計が設備されている。そして、発酵装置は、発酵装置に付随する加熱または冷却装置により３０℃〜４５℃に温度制御される。ここで、加熱は上述と同様の方法を用いることができ、冷却は、一般的に冷媒または冷風を用いるが、必ずしもこれに限定されるものではない。なお、発酵反応中の基質を攪拌するための攪拌装置を備えていても良い。
【００２１】
なお、ｐＨ調整は、消石灰等の水酸化物塩が一般に用いられるが、必ずしもこれに限定されるものではない。本発明においては、発酵開始時に消石灰を添加してＰＨを７〜１０とするが、細菌による発酵により有機酸が生成するため徐々にｐＨが低下し、ｐＨ調整を行わない場合にはｐＨ６．０以下となる。このｐＨでは、クロストリディウム属細菌の活性が弱くなり、水素の産生が十分でない。従って、ｐＨ計によりｐＨを測定し、至適ｐＨである６．５〜７．５に制御することが望ましい。
【００２２】
発酵により産生されるガスには、水素ガスの他に炭酸ガス、窒素ガス等を含むため、水素ガスのみを取り出したい場合には、物理的吸着法、化学的吸収法または分離膜法等の定法により、分離することができる。又、発酵残渣は肥料等として有効活用ができる。ところで、基質として生ゴミ等を用いる場合は、食中毒菌等の病原菌を含む場合があるので、前もって殺菌により除外することが望ましい。
【実施例１】
【００２３】
＜細菌含有糖質性培地および菌叢交代反応＞
クロストリディウム属細菌等を含んだ基質として生ゴミ（水分８０重量％、ｐＨ５．５）５００ｇを用い、水分比率が７重量％となるまで外熱法による抵抗加熱により８０℃で加熱・乾燥した。次に、該基質を炭酸ガスで置換した発酵槽に移し、水分添加により水分比率を５８重量％にすると共に、消石灰の添加により、ｐＨを７．０、８．３及び１２．０の３種類用意し、発酵槽中で嫌気的に３７℃に放置した。
【００２４】
＜水素産生能の評価＞
上記の３種類の基質各１００ｇ（水分比率５８重量％）を、密閉容器中で嫌気的に３７℃×６０時間放置し、発生ガスをシリンダーに採取し、ガスクロマトグラフィーにてガス成分の分析を行った。その結果、発生全ガス量は１６００ｃｃであり、うち１０１５ccが水素ガスで、残りが炭酸ガスとなり、高効率な水素産生が確認された。
【００２５】
＜水素産生菌の同定＞
上記３種類の基質について、水素産生前、水素産生中および水素産生後の試料を図２に示す方法で分析し、水素産生菌を同定した。図３に変性濃度勾配ゲル電気泳動による菌叢解析（ＤＧＧＥ法）結果を、又図４に同定された菌種を示すが、ｐＨ７．０及び８．３の場合に、水素産生前と比較し、水素産生中および水素産生後は、クロストリディウム・アセトブチリカム（Clostridium acetobutyricum）, クロストリディウム・テルチウム（Clostridium tertium）、クロストリディウム・サルタゴフォルム（Clostridium sartagoforme）、クロストリディウム・ブチリカム（Clostridium butyricum）、クロストリディウム・フィメタリウム（Clostridium fimetarium）が顕著に検出され、菌叢交代反応処理が明瞭に認められた。一方、ｐＨ１２．０では、発酵初期にバチルス属細菌が検出され、発酵が進んでｐＨが１０．０以下になるとバチルス属細菌に代わり、クロストリディウム属細菌が検出され菌叢交代処理現象を示した。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明における水素産生装置の基本的思想を示す概念図である。
【図２】水素産生細菌を同定するための分析手順を示すフロー図である。
【図３】変性濃度勾配ゲル電気泳動による菌叢解析（ＤＧＧＥ法）結果の写真を示す図である。
【図４】ＤＧＧＥ法により同定された菌種を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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