(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む気体源と栄養源供給部に連通する微生物の培養部と、該培養部と連通し、グルコースと蟻酸または蟻酸塩とを含む、微生物に水素生成能を発現させる有機物を供給するための有機物供給源および嫌気雰囲気付与手段を有する微生物の嫌気条件下での水素生成能発現部とを具備する微生物の培養装置が水素生成反応部に連設されてなり、
前記水素生成反応部が、蟻酸または蟻酸塩を噴霧装置を介して供給する原料供給部と連通し、
前記培養部と前記水素生成能発現部との間に、培養された微生物と培養液との分離部が設けられ、
前記水素生成能発現部と前記水素生成反応部との間に、水素生成能を発現した微生物と培養液との分離部が設けられている
ことを特徴とする連続式水素生産装置。
【請求項２】
微生物が、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する請求項１に記載の水素生産装置。
【請求項３】
水素の生産量が、原料供給部から水素生成反応部への蟻酸または蟻酸塩の供給量で制御される請求項１または２に記載の水素生産装置。
【請求項４】
水素の生産量が、水素生成反応部の蟻酸または蟻酸塩の濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選ばれる少なくとも１つの水素生成条件により制御される請求項１または２に記載の水素生産装置。
【請求項５】
水素生成反応部が水素生成量検出部を具備し、水素生成量検出部の検出値に基づいて培養装置から微生物を供給できるように構成されてなる請求項１〜４のいずれか１つに記載の水素生産装置。
【請求項６】
水素生成反応部が、排出されるガスに含まれる水蒸気を凝縮するための凝縮器を備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素生産装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の水素生産装置と、該水素生産装置から発生する水素を燃料ガスとして用いる燃料電池とからなるシステム。
【請求項８】
燃料電池での発電量が、原料供給部から水素生成反応部への蟻酸または蟻酸塩の供給量により制御される請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
燃料電池での発電量が、水素生成反応部の蟻酸または蟻酸塩の濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選択されるいずれか１つの水素生成条件により制御される請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物の培養装置、それにより培養される微生物を用いる水素生産装置、およびこれを用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は化石原料とは異なり、燃焼しても炭酸ガスや硫黄酸化物などの環境問題により懸念される物質を発生しない究極のクリーンエネルギー源として注目されている。水素の単位質量当たりの熱量は石油の３倍以上あり、燃料電池に供給すれば、高い効率で電気エネルギーおよび熱エネルギーに変換することができる。【０００３】
水素の生産方法としては、従来より、化学的製法として天然ガスやナフサの熱分解水蒸気改質法などの技術が提案されている。この方法は、高温高圧の反応条件を必要とする。また、この方法で製造される合成ガスにはＣＯ（一酸化炭素）が含まれるので、燃料電池用燃料として使用する場合には燃料電池電極触媒の劣化防止のため、技術的課題解決難度の高いＣＯ除去を行うことが必要である。【０００４】
一方、微生物による生物的水素生産方法は、反応条件が常温常圧であり、そして発生するガスにはＣＯが含まれないのでその除去も不要である。
このような観点から、微生物による生物的水素生産は、燃料電池用の燃料（水素）供給方法としてより好ましく、注目されている。【０００５】
生物的水素生産方法は、光合成微生物を使用する方法、および非光合成微生物（主に嫌気性微生物）を使用する方法に大別される。前者の方法は、水素発生に光エネルギーを用いるが、光合成微生物の光エネルギー利用効率が低いので、水素発生に広大な集光面積を要する。また、水素発生装置の価格問題や維持管理の難しさなど、解決しなければならない課題が多く、実用的なレベルには達していない。【０００６】
後者の嫌気性微生物を使用する水素生産方法について、特開２００３−１３５０８８号公報（特許文献１）には、水素発酵槽において発生させたバイオガス中から水素を分離し、残った二酸化炭素を主成分とする残ガスを水素発酵槽に循環して発酵液中に吹き込み、発酵槽内を加圧下とすることで水素濃度を低下させ、水素生成菌の作用を活性化して、水素の発生量および水素収率を増加させる方法が開示されている。【０００７】
また、微生物を用いて製造した水素を利用する燃料電池とのシステムに関して、特開２００２−２８００４５号公報（特許文献２）では、微生物により生成された水素ガスを燃料電池へ供給し、水素の消費に応じた水素吸入口の水素分圧低下によりリアクターの気相部から燃料電池へ水素ガスを吸入してなる燃料電池組み込み型バイオリアクターが示されている。【０００８】
さらに水素発酵後の後処理の方法としては、特開２００２−３５５０２２号公報（特許文献３）では、クロストリジウム属の微生物が投入される第１の反応容器中において、クロストリジウム属の微生物が有機材料を分解して水素を製造し、水素発生後の残りの有機材料を第２の反応容器中に投入し、該有機材料の投入後に第２の微生物を投入することにより、有機材料を水と二酸化炭素に分解することができる。このように第２の反応容器中での有機材料の分解により、ほとんど排出物（ゴミ）が生じない方法が示されている。【０００９】
また、これまでに、微生物の高密度培養方法に関しては、特開平１１−９９３９７号公報（特許文献４）では、菌体（好気性菌）を用いて曝気槽からの処理水を膜分離装置に導入し、水分を膜を透過させて系外に除去するとともに、膜を透過しなかった非透過液を曝気槽へ返送することにより高密度に培養する培養方法が示されている。
【特許文献１】特開２００３−１３５０８８号公報
【特許文献２】特開２００２−２８００４５号公報
【特許文献３】特開２００２−３５５０２２号公報
【特許文献４】特開平１１−９９３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の微生物を用いた水素生産装置においては、水素生産を行っている間に微生物の水素生成能力が低下してくるため、水素生成能力を回復することを目的として、水素製造装置内の微生物を交換・補充する必要があった。しかしながら、微生物を交換・補充する際に、水素の製造が一次的に停止する状態となり、水素を利用することができなくなる。例えばその水素を燃料電池にて発電に使用する場合であれば、電気を使用できない状態になり、非常に不便であった。また、交換・補充する微生物は、保管できる期間が短いうえに、時間経過とともに水素生成能力が低下してくるので、頻繁に交換・補充する必要があり、非常に労力を要していた。
微生物を保管する場合にも、低温条件下に保管する必要があり、安全性の点からも特別な保管庫が必要であり、定期的に微生物を購入する必要があった。さらに微生物を保存している容器の処理が煩雑であるなどの問題があった。
このように課題に対して、水素生成能を有する微生物を連続的に大量に培養して、該微生物の水素生成能を連続的に誘導し、該微生物を水素生産装置に連続的に供給することができる装置は、見出されていなかった。【００１１】
また、これまでの微生物を用いた水素の生産方法として、有機性物質を発酵させて水素を製造する方法では、反応容器内の水素濃度を下げることにより、水素の発生量および水素収率を増加させることが示されている。これまで、一般的に微生物を用いた水素生産において、水素発生量を増加させる方法、水素収率を改善させる方法は検討がなされている。しかしながら、微生物を用いる水素生産装置において、得られる水素発生量が少ないので水素発生量を制御することは困難であったために、水素発生量を制御することができる水素生産装置は見出されていなかった。【００１２】
さらに、微生物を用いる水素生産装置と燃料電池からなるシステムにおいて、特開2002-280045号では、燃料電池の発電による水素の消費を利用して、水素分圧を低く保つ方式の微生物による水素生産装置と燃料電池とを含むシステムは示されている。しかしながら、水素の生産量の制御をすることにより、発電量の制御が行えるような水素生産装置を含む燃料電池システム、つまり、微生物を用いた水素生産方法により実用的レベルで用いることが可能な燃料電池システムは、これまで見出されていなかった。【００１３】
また従来の微生物を用いる水素生産方法では、水素発生後の発酵残さの処理の問題があった。特開2002-355022号では、２つの反応容器を用いて、第１の反応容器で水素を発生し、水素発生後の残りの有機材料を第２の反応容器に投入し、さらに第２の微生物を投入することで、水と二酸化炭素まで分解し、排出物の生じない方法を示している。しかしながら、水素発生後の残りの有機材料を第２の反応容器に投入する必要があるなど工程が複雑で、制御が困難であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
嫌気性微生物における水素発生に関する代謝経路は色々な経路が知られている。そのような経路としては、例えば、グルコースのピルビン酸への分解経路での水素を発生する経路、ピルビン酸からアセチルＣｏＡを経て酢酸が生成する過程での水素を発生する経路、ピルビン酸由来の蟻酸より直接水素を発生する経路などが挙げられる。
上記の代表的な水素発生の反応式を以下に示す。【００１５】
（ａ）グルコースのピルビン酸への分解経路
C6H12O6（グルコース）→ 2CH3COCOOH（ピルビン酸）＋2H2（水素）
（ｂ）ピルビン酸がアセチルＣｏＡをへて酢酸が生成する経路
CH3COCOOH+H2O→ CH3COOH（酢酸）＋CO2（二酸化炭素）+ H2
（ｃ）蟻酸より水素が発生する経路
HCOOH（蟻酸）→ H2＋CO2【００１６】
（ａ）の経路は、還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）およびフェレドキシン（Fd）を経由する方法である。この経路は熱力学的に不利であるため、反応系内の水素分圧を低下させる必要がある。
（ｂ）の経路は、還元型フェレドキシンおよびヒドロゲナーゼを経由する方法である。この経路では水素の生成と共に酢酸が生成する。水素の連続的な生産を行うためには、不要な酢酸が反応溶液中に副生する問題点がある。
（ｃ）の経路は、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼを経由する方法である。生成物も常温で気体のみであるために、反応溶液からの水素の分離が起こりやすく、連続的な水素の連続水素生産、および水素生産が可能となる。【００１７】
本発明者らは、微生物細胞内の蟻酸および蟻酸塩より水素が生成する代謝経路を主として利用することにより、連続水素生産が可能な水素生産装置、および水素の生産量を制御することが可能な水素生産装置を提供することができることを見出した。
連続水素生産が可能な水素生産装置として、好気条件下に連続的に微生物を培養し、その微生物に嫌気条件下で水素生成能を発現させ、該微生物を水素発生装置に供給することにより、水素発生装置の連続水素生成を可能にする。酸素を含む気体源と栄養源供給部とに連通する微生物の培養部と、該培養部に連通し、微生物に水素生成能を発現させる有機物を供給するための有機物供給源と嫌気雰囲気付与手段とを有する、微生物の嫌気条件下での水素生成能発現部とを具備する微生物の培養装置、その培養装置部が水素生産装置に連設されてなる水素生産装置を見出した。【００１８】
さらに、有機性基質の供給量の制御を行うこと、ならびに蟻酸濃度条件、温度条件、ｐH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件の制御を行うことで、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置を見出した。また、同時に燃料電池の発電量も制御可能な上記の水素生産装置を用いる燃料電池システムを見出した。加えて、本発明により、残さの生じにくい水素生産装置を提供でき、燃料電池システムとして水素の連続生産が可能、また発電量が制御可能である燃料電池システムを構築することができる。【００１９】
本発明は、蟻酸から水素が生成する代謝経路を主として利用する、生物的水素生産装置およびそれを用いた燃料電池システムに関する発明である。上記の課題を解決し、微生物により水素を生産させる場合、水素生産の原料となる有機性基質の供給量を制御することにより、水素生産量を制御することが可能となる。さらに、蟻酸濃度条件、温度条件、ｐH条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件により制御することにより、水素生産量を制御することが可能となる。また、微生物を用いての水素生産方法において、水素生産量の制御により、発電量を制御することができる燃料電池システム、すなわち所要電力を即座に取り出すことができる燃料電池システムを提供するものである。【００２０】
また、本発明では、有機性基質を選択することで残さの生じにくい水素生産装置を提供するのが可能であることを見出した。中でも有機性基質に蟻酸および蟻酸塩を用いること、特に蟻酸を用いた場合では、水素と二酸化炭素に分解することが可能である。その場合に、主に気体が生成するため、反応槽内の反応溶液からの分離が容易である。そのため、１つの反応槽で、複雑な工程、制御を必要とせずに、容易に連続的に水素生産することが可能な水素生産装置を提供するものである。【００２１】
すなわち、本発明は：
（１）酸素を含む気体源と栄養源供給部に連通する微生物の培養部と、該培養部と連通し、微生物に水素生成能を発現させる有機物を供給するための有機物供給源および嫌気雰囲気付与手段を有する微生物の嫌気条件下での水素生成能発現部とを具備する微生物の培養装置；
（２）培養部と水素生成能発現部との間に、培養された微生物と培養液との分離部が設けられている上記の（１）に記載の培養装置；
（３）微生物に水素生成能を発現させる有機物が、グルコース、蟻酸および蟻酸塩から選択される少なくとも１種である上記の（１）または（２）に記載の培養装置；
（４）微生物が、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する上記の（１）〜（３）のいずれか１つに記載の培養装置；【００２２】
（５）上記の（１）〜（４）のいずれか１つに記載の培養装置が水素生成反応部に連設されてなり、該水素生成反応部が、有機性基質を供給する原料供給部と連通する水素生産装置；
（６）水素の生産量が、原料供給部から水素生成反応部への有機性基質の供給量で制御される上記の（５）に記載の水素生産装置；
（７）水素の生産量が、水素生成反応部の有機性基質濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選ばれる少なくとも１つの水素生成条件により制御される上記の（５）に記載の水素生産装置；【００２３】
（８）有機性基質が、噴霧装置を介して水素生成反応部に供給される上記の（５）に記載の水素生産装置；
（９）水素生成能発現部と水素生成反応部との間に、水素生成能を発現した微生物と培養液との分離部が設けられている上記の（５）〜（８）のいずれか１つに記載の水素生産装置；
（１０）水素生成反応部が水素生成量検出部を具備し、水素生成量検出部の検出値に基づいて培養装置から微生物を供給できるように構成されてなる上記の（５）〜（９）のいずれか１つに記載の水素生産装置；【００２４】
（１１）有機性基質が、蟻酸または蟻酸塩である上記の（５）〜（１０）のいずれか１つに記載の水素生産装置；
（１２）水素生成反応部が、排出されるガスに含まれる水蒸気を凝縮するための凝縮器を備える上記の（５）〜（１１）のいずれか１つに記載の水素生産装置；
（１３）上記の（５）〜（１２）のいずれか１つに記載の水素生産装置と、該水素生産装置から発生する水素を燃料ガスとして用いる燃料電池とからなるシステム；
（１４）燃料電池での発電量が、原料供給部から水素生成反応部への有機性基質の供給量により制御される上記の（１３）に記載のシステム；
（１５）燃料電池での発電量が、水素生成反応部の有機性基質濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件および攪拌条件から選択されるいずれか１つの水素生成条件により制御される上記の（１３）に記載のシステム
に関する。【００２５】
なお、本明細書において、「栄養源供給部」、「微生物の培養部」、「水素生成能発現部」、「水素生成反応部」などの語における「部」は、区切られた空間を意味し、槽、タンク、容器などであってよい。よって、以下、例えば「微生物の培養部」を「微生物の培養槽」などということがある。これらの区切られた空間は、1つであってもよいし、複数が併設されていてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の培養装置によれば、微生物を連続培養し、微生物に連続的に水素生成能を発現させること（改質）ができる。また、該微生物培養装置を水素生産装置に付加することで、水素生成能を発現させた微生物を水素生産装置に連続的に供給することが可能となり、水素の連続生産が可能な装置を提供できる。
さらに、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物が存在している本発明のリアクターを用いることにより、有機性基質の供給量、および水素生成条件（有機性基質濃度、温度、ｐＨ、微生物濃度および攪拌）を制御することにより、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置を提供することができる。さらに、有機性基質の供給量、および水素生成条件（有機性基質濃度、温度、ｐＨ、微生物濃度および攪拌）を制御することにより、燃料電池の発電量を制御することが可能な水素生産装置を含む燃料電池システムを提供できる。
また、連続的に水素を生産することが可能な水素生産装置、およびそれを用いた燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の好ましい微生物の培養装置の模式図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい水素生成装置の模式図である。
【図３】図３は、本発明の水素生産装置を用いた燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】図４は、実施例２〜１５に用いた水素生産装置を用いた燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】図５は、本発明の水素生産装置を用いた有機性基質の供給速度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。
【図６】図６は、本発明の水素生産装置を用いた有機性基質の濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。
【図７】図７は、本発明の水素生産装置を用いた反応溶液中の温度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。
【図８】図８は、本発明の水素生産装置を用いた反応溶液中のｐＨと水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。
【図９】図９は、本発明の水素生産装置を用いた反応溶液中の微生物濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。
【図１０】図１０は、本発明の水素生産装置を用いた攪拌装置の回転数と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の関係を示した図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：燃料タンク
２：反応槽
３：培地タンク
４：廃液タンク
５：水素濃縮槽（固定槽）
６：燃料電池部
７：インバーター
８：撹拌器
９：燃焼触媒
１０：清浄フィルター
１１：弁
１２：流量計
１３：ポンプ
１４：動力
１５：培地供給ポンプ
１６：廃液抜取口
１７：培地投入口
１８：廃液抜取ポンプ
１９：エアー取り入れ口
２０：送風ポンプ
２１：濃縮剤入替口（弁）
２２：吸着剤
２３：微生物培養用培地タンク
２４：培養容器（培養槽）
２５：滅菌空気供給装置
２６：改質容器（水素生成能発現槽）
２７：有機物供給装置
２８：微生物貯蔵槽
２９：微生物洗浄槽
３０：廃液バルブ（ベント）
３１：微生物供給口
３３、３５、３７、４０、４２、４４、４５：ポンプ
３２、３４、３６、３９、４１、４３：流量計
３８：洗浄用培地供給口
５１：リアクター（水素生成反応部）
５２：有機性基質の入ったタンク
５３：恒温槽
５４：燃料電池
５５：凝縮器
５６：ガス分離装置
５７：有機性基質を噴霧する装置
５８：培地成分の入ったタンク
５９：モーター
６０：攪拌装置
６１：有機性基質供給ポンプ
６２：培地成分供給ポンプ
６３：有機性基質供給口
６４：培地成分供給口
６５：反応溶液排出ポンプ
６６：微生物供給口
６７：各種センサー類
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の培養装置は、培養槽に酸素を含む気体源と微生物を培養するための栄養源を貯蔵して供給する栄養源供給槽とに連通する微生物培養槽と、微生物を培養した培養液から微生物を分離するための微生物分離部と、改質槽を嫌気状態にする嫌気雰囲気付与手段を有する微生物に水素生成能を発現させる改質槽と、改質槽から微生物を回収して貯蔵する微生物貯蔵槽とを具備する装置である。【００３０】
本発明の水素発生装置は、上記培養装置とともに、水素の排出口を有する水素生成反応槽と、水素生成反応槽に有機性基質を含む溶液を貯蔵・供給するタンクと、水素生成反応槽内部の水素生成能の低下した微生物および微生物の代謝成分を除去して蓄える廃液タンクと、水素生成反応槽で生成した水素を用いる燃料電池部を具備する装置である。【００３１】
以下、本発明の微生物の培養装置および水素発生装置に関して図面を参照しながら説明する。
本発明の培養装置の好ましい形態を図1に示す。
本発明で使用される微生物は、水素生成能を有する微生物であればよく、主に、蟻酸脱水素酵素遺伝子(F.Zinoniら、Proc.Natl.Acid.Sci.USA、Vol.83、pp4650〜4654、July 1986 Biochemistry)およびヒドロゲナーゼ遺伝子（R.Boehmら、Molecular Microbiology (1990) 、4(2)、231〜243）を有する微生物であり、主として嫌気性微生物である。【００３２】
本発明で使用される具体的な嫌気性微生物の例としては、エシェリキア（Escherichia）属微生物―例えばエシェリキア・コリ（Escherichia coli  ＡＴＣＣ９６３７、ＡＴＣＣ１１７７５、ＡＴＣＣ４１５７等）、クレブシェラ（Klebsiella）属微生物―例えばクレブシェラ・ニューモニエ（Klebsiella pneumoniae  ＡＴＣＣ１３８８３、ＡＴＣＣ８０４４等）、エンテロバクター（Enterobacter）属微生物―例えばエンテロバクター・アエロギネス（Enterobacter aerogenes  ＡＴＣＣ１３０４８、ＡＴＣＣ２９００７等）そしてクロストリジウム（Clostridium）属微生物―例えばクロストリジウム・ベイエリンキイ（Clostridium beijerinckii  ＡＴＣＣ２５７５２、ＡＴＣＣ１７７９５等）等が挙げられる。【００３３】
これらの嫌気性微生物の嫌気的条件による分裂増殖は、好気的条件によるそれと比較して極めて遅いので、該微生物の増殖は好気的条件による培養が好ましい。この意味では嫌気性微生物の内、偏性嫌気性微生物よりも通性嫌気性微生物が好適に使用される。上記微生物の内ではエシェリキア・コリ（Escherichia coli）、エンテロバクター・アエロギネス（Enterobacter aerogenes）等が好適に用いることが出来る。【００３４】
本発明の培養装置においては、上記微生物は、該微生物を好気条件下で培養して分裂増殖させた後、嫌気条件下で培養することにより、微生物の水素生成経路に関与する酵素タンパクを作成することができ、したがって水素生成能を有することができる。このように微生物の機能を発現させることを、ここでは（本発明では）「改質」と表現している。【００３５】
本発明の培養装置における微生物の培養部は、微生物の増殖用の栄養源を貯蔵し、培養部に該栄養源を供給する栄養源供給部と連通している。図1においては、微生物の培養部としての微生物培養タンク24は、栄養源供給部としての微生物培養用培地タンク23と連通している。【００３６】
本発明で使用される微生物の増殖用の栄養源(以下、微生物増殖用培地ともいう)としては、炭素源、窒素源、ミネラル源等を含む通常の栄養培地を用いることができる。炭素源としては、例えばグルコース、フルクトース、廃糖蜜等を、窒素源としては、無機態窒素源では、例えばアンモニア、アンモニウム塩、硝酸塩等、有機態窒素源では、例えば尿素、アミノ酸類、タンパク質等をそれぞれ単独もしくは混合して用いることができる。無機態、有機態ともに同様に利用することが可能である。またミネラル源として、おもにK、P、Mg、Sなどを含む、例えばリン酸一水素カリウム、硫酸マグネシウム等を用いることができる。この他にも必要に応じて、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティープリカー、カザミノ酸、ビオチン、チアミン等各種ビタミン等の栄養素添加することもできる。微生物培養用培地として、具体的にはLB培地を使用する場合は、トリプトン 10g、酵母エキス5g、塩化ナトリウム 10gに水を加えて１リットルにした溶液を、微生物培養用培地タンク23に供給することができる。【００３７】
栄養源供給部は、内部を滅菌するための滅菌手段を有することが好ましい。滅菌手段としては、ヒーター、熱交換器などの内部を高温に制御できる装置を用いることができる。
これにより、新たに培地をタンクに供給するときに、加熱処理により120℃で20分程度、滅菌処理することができる。但し、予め、滅菌処理した培地を使用する場合は、この処理は行わなくてもよい。微生物培養用培地タンク23のタンク表面には、ヒーターまたは熱交換器などが設けられていることが好ましい。【００３８】
栄養源供給部と微生物の培養部との間は、配管、容器、ポンプ、センサーおよび弁から選択される少なくとも１種の接続手段を用いて連通していることが好ましい。また、培養部には培養部内の液量の検出機構が設けられており、この検出値に基づいて栄養源供給部から栄養源を供給できることが好ましい。【００３９】
図1の形態では、微生物培養用培地タンク23と培養タンク24とが流量計32およびポンプ33を介して接続され、培養タンク24に、微生物培養用培地を流量計32で計測しながらポンプ33を用いて送ることができる。【００４０】
微生物の培養部において行われる培養は、通常、通気攪拌、振盪等の好気的条件下、約20℃〜約40℃、好ましくは約25℃〜約40℃の温度で行うことができる。培養時のpHは5〜10、好ましくは6〜8付近の範囲がよく、培養中のpH調整は、酸またはアルカリを添加することにより行うことができる。培養開始時の炭素源濃度は、0.1〜20% (w/v)、好ましくは1〜5% (w/v)である。また、培養期間は通常、半日〜5日間である。【００４１】
微生物の培養部は、酸素を含む気体源と連通している。酸素を含む気体としては、一般に、酸素または空気が用いられる。酸素を含む気体供給方法としては、通常の好気培養に用いる気体供給方法、例えばエアーポンプなどを用いることができる。酸素を含む気体源は、該気体の滅菌手段を有し、滅菌された気体を培養部に供給することができる。微生物の培養部に供給する滅菌空気または酸素の量は、用いる微生物に応じて適宜選択することができるが、0.001〜1リットル酸素/ 1リットル溶液・minが好ましい。より好ましくは、0.01〜0.5リットル酸素/ 1リットル溶液・minである。図1では、微生物培養槽には、滅菌エアーまたは酸素を、滅菌空気供給装置25から、流量計34による制御の下、0.001〜1リットル酸素/１リットル溶液・minの速度でポンプ35を用いて送ることができる。【００４２】
微生物の培養部は、酸素を含む気体源と連通しており、好気条件下で培養を行うことができるが、嫌気条件下で培養を行うことも可能である。この場合、上記気体源から培養部に気体を供給しない。【００４３】
微生物の培養部は、上記の微生物を導入することが可能な導入口を有することが好ましい。微生物の導入口から導入する菌体は、微生物の培養部内の菌体光学密度OD610=0.01〜10の密度になるように投入されることが好ましい。より好ましくは、菌体光学密度OD610=0.05〜5である。図1においては、培養タンク24には、微生物投入口（図示せず）から微生物が投入される。【００４４】
本発明の培養装置においては、連続培養が可能であるので連続培養の開始時のみ微生物を投入すればよい。あるいは、連続培養の開始後に微生物を追加して投入することも可能である。また、装置上のトラブルなどにより微生物の水素生成能力が低下した場合に、該投入口から同種の微生物を投入することができる。【００４５】
微生物の培養部で培養された微生物は、培養された微生物と培養液とを分離することが可能な分離部に送られる。微生物と培養液とを分離する方法としては、膜分離、遠心分離などを用いることができ、操作が簡便である膜分離を用いることが好ましい。分離部では、培養液中に含まれ、水素生成能を発現させるときに阻害要因となる物質を除去する操作を行うことも可能となる。このような操作としては、分離された微生物を嫌気状態の未使用の培地、滅菌水などを用いて洗浄することが挙げられる。【００４６】
図1においては、分離部としての微生物洗浄槽29に送られた培養液は、水素生成能を誘導するときに阻害要因となる物質を除去するために、ベント30から微生物の大きさより小さい１μm以下の目のフィルターにより、微生物以外の溶液の一部または全部を分離する。未使用の培地を洗浄用培地供給口38から微生物洗浄槽29に供給した後、微生物と培地の混合物を、ポンプ40、流量計39により改質容器（水素生成能発現槽）26に送る。【００４７】
本発明の培養装置において、培養した後の微生物に水素生成能力を発現させるための水素生成能発現部(以下、改質部ともいう)は、該改質部を嫌気状態に保つシステムと、蟻酸、蟻酸塩もしくはグルコースまたはそれらを少なくとも一成分以上含む有機物を供給するシステムを有している。
上記の有機物として供給する炭素源の種類を種々変更させることにより、水素生成能力を発現させる時間を変化させることができる。これは、微生物が炭素源を取り込む速度が、炭素源の種類によって異なることを利用している。例えば、炭素源としてガラクトースを用いると、炭素源としてグルコースを用いるよりも水素生成能力の発現を遅くするように制御することができる。さらに付け加えると、有機物として供給する炭素源以外にも、微生物の増殖用の栄養源で示した窒素源、ミネラル源を供給することも好ましい。【００４８】
水素生成能発現部は、嫌気雰囲気付与手段を有する。嫌気雰囲気付与手段としては、改質部内の内容物を加熱処理する手段、改質部内を減圧する手段、改質部内に窒素ガスなどの不活性ガスや炭酸ガスなどを導入する手段などを単独または組み合わせて用いることができる。【００４９】
改質部内を減圧して嫌気的状態にする場合、改質部内を約6.67×102 Pa以下、より好ましくは約4.00×102 Pa以下の減圧下に、約1〜60分程度、好ましくは5〜60分程度保持することが好ましい。改質部内は、改質反応中においても嫌気的状態に維持されることが好ましく、反応系を窒素ガスなどの不活性ガスや炭酸ガスなどで封入する方法が通常用いられる。【００５０】
また、必要に応じて、適切な還元剤（例えば、チオグリコール酸、アスコルビン酸、システィン塩酸塩、メルカプト酢酸、チオール酢酸、グルタチオンそして硫化ソーダ等）を改質部内の内容物に添加して嫌気的条件とすることができ、このような還元剤を投入する手段を用いることもできる。【００５１】
水素生成能発現部内の溶液中の酸化還元電位は-100mV〜-500mVが好ましく、より好ましくは-150mV〜-400mVであり、さらに好ましくは-200mV〜-350mVである。酸化還元電位は、例えば、BROADLEY JAMES社製、ORP Electrodesで測定することができる。【００５２】
微生物に水素生成能を発現させるために改質部に供給する有機物としては、グルコース、蟻酸および蟻酸塩から選択される少なくとも１種を使用することができる。
グルコースの濃度は、水素生成能力の発現をより容易に行うことができる点で、好ましくは1〜1000 mM、より好ましくは1〜300 mMであり、さらに好ましくは10〜250 mMになるように供給する。
蟻酸塩としては、蟻酸亜鉛、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸セシウム、蟻酸ニッケル、蟻酸バリウム、蟻酸カルシウム、蟻酸アンモニウムなどが使用できる。蟻酸または蟻酸塩の溶液を用いる場合、これらの濃度としては、1〜1000 mMになるように供給することが好ましく、より好ましくは1〜500 mMであり、さらに好ましくは1〜300 mMであり、特に好ましくは1〜50 mMである。【００５３】
有機物としては、グルコース、フルクトース、廃糖蜜等の糖類が挙げられる。グルコースを用いる場合、グルコースの量としては、微生物の嫌気条件下での分裂増殖により細胞数が2倍程度以上になるのに必要な量が好ましい。この分裂増殖は、通常の菌体光学密度測定、例えばBeckman Coulter社製  spectrophotometer DU-800による測定を行う事により容易に知ることができる。さらに付け加えると、蟻酸脱水素酵素およびヒドロゲナーゼの誘導発現には、必要な微量金属成分（用いる微生物種により、金属成分は異なるものの、鉄、モリブデン、ニッケル、セレン等が一般的である。）を含むことが好ましい。
また、前記の微生物増殖用培地がグルコースを含む場合、該微生物増殖用培地をグルコースの供給源として用いることもできる。【００５４】
水素生成能発現部における微生物の水素生成能の誘導は、約20℃〜40℃、好ましくは約25℃〜40℃の温度で行う。また、pHは5〜10、好ましくは6〜8付近で行うことができる。微生物の水素生成能を誘導する時間としては、用いる微生物により異なるが、通常、0.5〜24時間である。【００５５】
微生物の培養部と改質部との間は、配管、ポンプ、センサーおよび弁から選択される少なくとも１種を用いて連通していることが好ましい。また、上述したように、培養部と改質部との間に分離部が介在することもできる。【００５６】
改質部は、改質部内の液量の検出機構を有することが好ましく、この検出値に基づいて培養部からの微生物の投入量を調節することが好ましい。
本発明の培養装置において水素生成能を発現させた微生物を、例えば水素生産装置などの装置において用いる場合、上記の改質部が、水素生成能を発現させた微生物を貯蔵・供給することができる微生物貯蔵部と連通することが好ましい。微生物貯蔵部は、連続的または断続的に水素生産装置に微生物を供給できる機構を有することが好ましい。【００５７】
図1において、水素生成能発現部としての改質槽26には、排気装置(図示せず)にて改質槽内を嫌気的状態にした後、有機物供給装置27によりポンプ42、流量計41により制御しながら有機物を添加する。改質槽において水素生成能を発現した微生物は、微生物貯蔵槽28に送られ、後述の連続水素生成装置の反応槽2に必要に応じて供給されるまで貯蔵されることができる。
以上が、本発明の培養装置の好ましい例である。【００５８】
連続式水素発生装置の水素生成反応部に連設された微生物培養装置を含む連続水素生成システムに関して、例として図2に示す。
本発明の水素生産装置は、上記の培養装置が水素生成反応部に連設されてなるものが好ましい。改質容器から水素生成反応部へは、エタノールや酢酸、乳酸などの代謝産物を除去するために、微生物以外の溶液の一部または全部を分離する。
分離する方法としては、フィルターを用いたクロスフローろ過による方法により代謝産物を含む培養液の量を少なくする方法、遠心分離により微生物を培養上清と分離して培養上清を除く方法などが挙げられる。遠心分離により培養上清を除く場合、遠心分離後の微生物を新しい培地に分散・懸濁して洗浄し、これを水素生成反応部に送って用いるのが好ましい。また、水素生成反応部への代謝産物の持込をより少なくするために、上記の遠心分離および洗浄を繰り返して行うのが好ましい。
上記の代謝産物は、微生物の水素生産に悪影響を及ぼすことが知られている。本発明の水素生産装置においては、微生物の培養装置において産生された代謝産物の量をできるだけ低減させて水素生成反応部へ送達することができるので、長時間、安定して微生物による水素生産を行うことができる。【００５９】
水素生産装置における、微生物の培養部および水素生成能発現部を含む培養装置については、上記の培養装置について述べたことと同様である。【００６０】
培養装置と水素生成反応部とは、微生物を運搬することができる機構により連通することが好ましい。微生物を運搬することができる機構としては、ポンプ、配管などを適宜組み合わせた通常の微生物の運搬機構を用いることができ、培養装置の微生物貯蔵部内を陽圧にして、微生物を水素生成反応部内に投入する機構、水素生成反応部内を陰圧にして、微生物を培養装置から導入する機構などが挙げられる。【００６１】
図2においては、上述したようにして改質槽26で改質された微生物は、微生物供給槽28に蓄えられ、必要に応じて、動力14により水素発生装置の水素生成反応槽(以下、反応槽ともいう) 2に供給することができる。反応槽2に供給する際の微生物濃度は、0.1〜80％（w/w）（湿潤状態菌体質量基準）の濃度範囲であり、好ましくは10〜70％（w/w）（湿潤状態菌体質量基準）である。【００６２】
反応槽2には、培地タンク3から、水素生産用培地を供給することができる。該培地としては、微生物の水素発生性能の点で、上記培養部で使用した微生物増殖用培地とは異なる培地を用いることが好ましいが、同じ培地を用いることもできる。微生物増殖用培地と同じ培地を水素発生用培地として用いる場合、培地タンク3から上記培養装置の培養タンク24に培地を供給することもできる。このようにすれば、水素発生装置をコンパクトにすることができる。【００６３】
水素生成反応部は、20℃〜40℃の温度に管理され、好ましくは25℃〜40℃の温度に保たれる。
水素生成反応部は、嫌気雰囲気付与手段を有する。嫌気雰囲気付与手段としては、上記の水素生成能発現部における嫌気雰囲気付与手段について述べたことと同様である。【００６４】
水素生成反応部は、水素生成のための有機物を供給する水素生成用有機物（以下、有機性基質ともいう）供給源と連通していることが好ましい。水素生成用有機物としては、菌体内代謝経路において蟻酸に変換される糖類等の化合物であってもよいし、蟻酸や蟻酸塩であってもよい。ここで蟻酸塩とは、ヒドロカルボキシル基（化学構造式HCOO-）を有する物質である。中でも、蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、蟻酸マンガン、蟻酸ニッケル、蟻酸セシウム、蟻酸バリウム、蟻酸アンモニウムなどが挙げられる。それらの中でも、水に対する溶解度の面から蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、および蟻酸アンモニウムが好ましく、さらに、コストの面から蟻酸、蟻酸ナトリウムおよび蟻酸アンモニウムが好ましい。間接的供給方法と直接的供給方法の併用も可能であるものの、直接的供給方法が好ましく用いることができる。そして、燃料タンク1から水素生成用有機物を含む溶液を、嫌気状態に保持された反応槽2にポンプ13および流量計12を用いて計測制御しながら、溶液のpHが5〜9の範囲になるように供給することができる。pHが大きく変化する場合は、pH調整液を供給することができる。
このようにして、水素生成のための有機物を供給することにより、水素を含むガス、または水素を含むガスと代謝産物等が生成する。【００６５】
水素生成反応部は、水素発生のための有機物と微生物が接触する面積を増加させるために、反応部内部の液体を流動させる手段を有していることが好ましい。このような手段としては、反応部の内容物を移動させる混合翼、該内容物を噴霧する装置、反応槽内部に設けられた内容物を滴下する装置などを用いることができる。
なお、上記の改質槽26、有機物供給装置27、反応槽2、燃料タンク1は、溶液の特性に応じて材料的に安定であるものが選択され、槽やタンクの内部の一部または全部が化学的に安定な材料でコートされているものが好ましい。例えば酸性溶液を使用する場合であれば、合金のような耐酸性の材料で製造されたタンクを使用することもできる。改質槽26、反応槽2の表面は、耐腐食性であることが好ましい。【００６６】
反応部で発生するガス中に、水素ガス以外のガスが含まれ、それを除去する方が望ましい場合は、水素生成反応部の後に水素濃縮部（固定部）を設けて、水素ガス以外の成分を固定することができる。水素ガス以外の成分を固定する方法としては、従来公知の方法を用いることができ、液体の吸収剤、固体の吸収剤などを用いた吸収剤による固定方法を用いることができる。二酸化炭素を除去する場合、液体の二酸化炭素吸収剤を水素濃縮部に貯蔵して二酸化炭素を固定する方法を用いることができる。液体の二酸化炭素吸収剤としては、エタノールアミン溶液などが使用可能である。【００６７】
図2においては、水素濃縮槽5を設けて水素ガスを濃縮することができる。水素濃縮槽5が有する弁21は、濃縮剤(吸収剤)の入れ替え用のバルブであるが、入れ替え口は2箇所以上あってもかまわない。また、複数個のバルブ、タンクなどの組み合わせにより吸収剤の再生システムを組み合わせることもできる。ゼオライト、アミン系溶液などの、常温で吸着して高温で再生するシステムを使用する場合、後述の燃料電池部において発生した熱を利用して濃縮剤を再生することも可能である。【００６８】
水素生産装置は、水素生成量検出部を具備し、該水素生成量検出部の検出値に基づいて、培養装置から微生物を供給できるように構成されてなる。水素生成量検出部としては、生成する水素の量を測定し得る機器を用いることができ、例えばガス流量計を用いることができる。図2においては、流量計32により水素生成量を測定することができ、この測定値に基づいて微生物貯蔵槽28から反応槽2に微生物を供給することができる。【００６９】
反応槽への水素生成用有機物を含む溶液の供給量は、後述の燃料電池6の出力、水素生成量を検出する流量計32、反応槽2の温度、撹拌状態などの情報をベースに供給ポンプを調節することにより制御することができる。供給ポンプの出力増加にかかわらず燃料電池6の発電出力が増加しない場合は、微生物の水素生成能力が低下していることが考えられるので、反応槽2内の培地および微生物の一部を抜き取り、培地タンクおよび培養装置から微生物と新たな培地を供給することが好ましい。その際、微生物貯蔵槽28から反応槽2に微生物を供給する量を制御する。【００７０】
反応槽2中の菌体および培地の一部は、上記のように、水素生成量、温度、原料供給量などの情報をベースに抜き取り量を制御しつつ、ポンプ18を用いて廃液タンク4に抜き取られる。この抜き取り量に応じて、培地タンク3から所定量の培地を、また微生物貯蔵槽28から所定量の微生物を、反応槽2にポンプ15を使用して供給する。なお、燃料タンク1と反応槽2、培地タンク3は、ポリウレタンフォームやガラスウールなどの断熱材を使用して熱の移動量を抑制し、熱交換器などにより温度が20〜45℃程度に制御されていることが好ましい。【００７１】
以下に、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置、および燃料電池を含むシステムについて示す。
図３に、水素生産量を制御することが可能な水素生産装置を用いた燃料電池システム構成図を一例として示す。
図３の有機性基質の入ったタンク５２から有機性基質供給ポンプ６１で供給しながら、水素生成反応部５１へ供給する。水素生成反応部５１は、蟻酸脱水素酵素遺伝子およびヒドロゲナーゼ遺伝子を有する微生物と培地成分（水素発生用培地）を含む反応溶液を含み得る。有機性基質を水素生成反応部５１へ供給することにより、反応溶液中の微生物が水素を含むガスを生産する。【００７２】
微生物が生産したガスは凝縮器５５を通過し、ガス分離装置５６にて水素リッチなガスに分離され、燃料電池５４の燃料極に供給される。燃料電池５４では、燃料極に供給された水素ガスと、空気極に供給された空気中の酸素とから、発電することが可能となる。【００７３】
有機性基質供給ポンプ６１で有機性基質の供給量の制御により、ガス生産量を制御することが可能である。さらには、有機性基質の供給量の制御により、燃料電池５４での発電量も制御可能となる。
反応液中の蟻酸濃度、温度、ｐＨ、微生物濃度が把握できるように各種センサー類６７に、それぞれ必要なセンサーを取付けることにより、蟻酸濃度、温度、ｐＨ、微生物濃度を確認でき、蟻酸濃度、温度、ｐＨ、微生物濃度の条件を設定することが可能な水素生産装置が得られる。攪拌については、攪拌装置６０を反応容器に取付け、回転させ、回転数を把握することで、攪拌装置の回転数の条件を設定することが可能な水素生産装置が得られる。【００７４】
また上記の水素生産装置を用いて燃料電池のシステムとした場合、蟻酸濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件を制御することにより、水素生産量の制御を行うと同時に、燃料電池システムとして発電量の制御も行うことが可能な水素生産装置を含む燃料電池システムを得ることができる。【００７５】
以下に、水素生産量、および燃料電池の発電量を制御する手段として、蟻酸濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件、および攪拌条件の詳細について示す。【００７６】
蟻酸濃度条件は、反応容器内の蟻酸イオン濃度を測定し、制御を行う。蟻酸濃度を測定する方法としては、液体クロマトグラフィーを用いる方法、超音波と導電率により測定する超音波液体濃度計を用いる方法が挙げられる。本発明では、溶液中の経時変化を見ていくために、超音波による濃度計を用いる方法により、測定を行うものの、液体クロマトグラフィーを用いる方法も併用することができる。蟻酸濃度を増加させることにより、水素生産量は増加し、蟻酸濃度を下げると、水素生産量は減少する。また、ある一定の蟻酸濃度を超える場合には、水素の生産量の制御は難しくなる。水素生産量を制御できる蟻酸濃度の範囲としては、０〜２５０ｍＭが好ましく、水素生産量と蟻酸濃度との直線的な関係を得ることが可能な範囲である点で、１０〜１００ｍＭがさらに好ましい。蟻酸濃度を増加させる方法としては、有機性基質を加えることにより行い、減少させる方法としては、培地成分等を加える方法により行う。【００７７】
反応温度条件は、反応容器内の温度を測定し、制御を行う。温度を測定する方法としては、一般的な抵抗式の温度センサー等を用いて行う方法が挙げられる。反応温度を上げると、用いる微生物種にもよるものの、水素生産量は増加し、温度を下げると水素生産量は減少する。一般的に常温で増殖する微生物を用いた場合、水素生産量を制御できる温度範囲としては、20℃〜45℃の条件が好ましく、さらに好ましくは30℃〜40℃の範囲が微生物のライフの面から好ましい。反応温度を上げる方法としては、燃料電池による得られる熱エネルギーを用いて、水素生産装置を加温する方法により行われる。反応温度を下げる方法としては、空冷、水冷などが挙げられるものの、水冷方法が制御の容易な点で、用いられる。【００７８】
ｐＨ条件は、反応溶液中のｐＨを測定し、制御を行う。ｐＨを測定する方法としては、一般的なｐＨセンサー等を用いて、値を検出する。ｐＨの値は、用いる微生物種にもよるが、最適なｐＨ領域と反応溶液中のｐＨの値との差が小さくなるほど、水素の生産量は増加し、差が大きくなるほど、水素の生産量は減少する。一般的に、用いる微生物種、反応溶液中の緩衝成分に最適値は異なってくるものの、最適なｐＨ値は４．０〜８．０に存在することが多く、さらに好ましくは５．５〜７．０に存在する。ｐＨを上げる方法としては、アルカリ性溶液を添加する方法を用いることができる。ｐＨを下げる方法としては、有機性基質を添加する方法が用いられる。アルカリ性溶液としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、アンモニア等の水溶液が挙げられる。中でも、水酸化ナトリウムが、コストの面から、アンモニア水が、窒素源としても用いることが可能な面から、これらを用いることが好ましい。【００７９】
微生物濃度条件は、反応溶液中の微生物濃度を測定し、制御を行う。微生物濃度を測定する方法としては、濁度センサーを用いる方法、吸光度から算出する方法、反応溶液の一部に電場を与え、その部分の細胞の分極度合を測定する方法などが挙げられる。本発明では、溶液中の経時変化を見ていくために、濁度センサーにより、測定を行うものの、吸光度から算出する方法も併用することができるが、測定方法はこれらに限定するものではない。微生物濃度を上げると、水素生産量は増加し、微生物濃度を下げると水素生産量は減少する。微生物濃度を上げる方法としては、微生物供給口６６より微生物を投入する方法を用いる。微生物濃度を下げる方法としては、培地成分供給ポンプ６２から培地を反応溶液中に供給する方法を用いる。【００８０】
攪拌条件は、反応溶液中の攪拌装置６０の回転数を設定することにより、制御を行う。攪拌条件は、回転数だけではなく、モーター５９のトルク、攪拌装置６０の消費動力を測定する方法などさまざまな制御方法が挙げられるものの、図３では回転数を用いて行う装置を示す。攪拌装置６０の回転数を増加させると、水素生産量は増加し、攪拌装置６０の回転数を下げると水素生産量は減少する。攪拌装置６０の回転数は、モーター５９の調整により行うことができる。マグネティック方式の攪拌装置も、メンテナンスが容易になるために好ましく用いられる。【００８１】
上記に示した、蟻酸濃度条件、温度条件、ｐＨ条件、微生物濃度条件、および攪拌条件から選ばれる少なくとも一つの水素生成条件により制御することで、水素発生量の制御を行うことができる。またこのようにして、水素の生産量を制御することにより、燃料電池の発電量の制御も可能である。【００８２】
また、上記に示した中の水素生成条件を２つ以上の組み合わせによっても水素生産量の制御が可能である。中でも、蟻酸濃度条件と微生物濃度条件、微生物濃度条件と攪拌条件の組み合わせが好ましく、これらを同時に制御する方法が好ましい。蟻酸濃度条件と微生物濃度条件、微生物濃度条件と攪拌条件を同時に制御することで、水素の生産量をより容易に制御することが可能になる。【００８３】
有機性基質をリアクター（水素生成反応部）５１へ供給する手段としては、有機性基質を噴霧する装置５７を用いて、噴霧しながら供給する方法を用いることができる。噴霧を行うことで、有機性基質を分散して供給することができ、反応面積が増加し、それに伴い、水素を含むガスの生産速度が増加することができる。また、特に有機性基質に蟻酸を用いる場合には、噴霧を行うことにより、反応溶液中の微生物への局所的な酸に対する負荷を減らすことが可能になる。ひいては、微生物ライフが向上するために好ましい。噴霧を行う手段としては、加圧による方法、超音波による方法などが挙げられる。噴霧させる手段として加圧による方法を用いる場合には、リアクター５１内の嫌気雰囲気を保持するために、窒素ガス等の不活性ガスを用いる必要がある。この点から、噴霧させる手段は超音波を用いる方法が好ましい。【００８４】
リアクター５１からの発生した水素を含むガスの排出口付近に凝縮器５を用いることにより、微生物が生産した水素を含むガスに含まれる蒸気量を減少させることができる。冷却方法は、空冷でも可能であるが、効果を高めるために、水冷することが好ましい。これにより、発生したガスに含まれる蒸気が、リアクター５１から燃料電池までのシステムの配管内で結露、液滴、ひいては液膜が生じ、発生した水素の燃料電池への供給が滞りやすくなる点が改善される。
上記の有機性基質の供給から水素ガスを含むガスを発生する段階は、恒温槽５３内にて一定温度の雰囲気で行われるのが好ましい。【００８５】
有機性基質は有機性基質供給口６３から、補給することが可能である。
ガス分離装置５６は、リアクター５１で発生した水素および二酸化炭素を主成分とするガスから、水素リッチなガスを分離することができる。分離する方法としては、膜分離法、吸着法など、一般的な方法が用いられる。【００８６】
また培地成分の入ったタンク５８、培地成分供給ポンプ６２、培地成分供給口６４、反応溶液排出バルブ６５を設置することができる。ここで、水素を連続生産する場合、培地成分を連続的あるいは半連続的に、培地成分供給ポンプ６２より加え、反応溶液も同じ流量で、反応溶液排出ポンプ６５から引き抜く方法を用いる。微生物も、微生物供給口６６から供給することが可能である。培地成分の入ったタンク５８の培地成分は、培地成分供給口６４から補給することができる。【００８７】
リアクター内で微生物に水素を発生させるには、連続的にあるいは間欠的に、蟻酸、蟻酸塩を供給すること（直接的供給方法）、あるいは菌体内代謝経路において蟻酸に変換される糖類（例えばグルコース、フルクトース、マンノース、ガラクトースなど）の化合物を供給すること（間接的供給方法）で行うことができる。直接的供給方法と間接的供給方法の併用も可能である。【００８８】
ここで蟻酸塩とは、ヒドロカルボキシル基（化学構造式HCOO-）を有する物質である。中でも、蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、蟻酸マンガン、蟻酸ニッケル、蟻酸セシウム、蟻酸バリウム、蟻酸アンモニウムなどが挙げられる。それらの中でも、水に対する溶解度の面から蟻酸、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、蟻酸カルシウム、および蟻酸アンモニウムが好ましく、さらに、コストの面から蟻酸、蟻酸ナトリウムおよび蟻酸アンモニウムが好ましい。供給する蟻酸、蟻酸塩の濃度は、リアクター５１の反応溶液の体積を増加させないため、それぞれの物質の飽和濃度に近いものが好ましい。純度の高い液体原料である蟻酸が、取り扱いの面でより好ましい。
反応溶液の条件としては、還元状態下の培養液を用いる必要がある。嫌気的条件に準じて、酸化還元電位が−100mV（ミリボルト）〜−500mV、好ましくは−200mV〜−500mVである。【００８９】
微生物濃度は、10%（w/w）〜90%(w/w)（湿潤状態菌体質量基準）の微生物濃度の水素発生用反応溶液を用いることが好ましい。反応溶液の粘性が高くなるという観点から、微生物濃度は10%（w/w）〜80%(w/w)（湿潤状態菌体質量基準）が好ましい。さらに好ましくは、単位体積あたりの水素発生量という観点からは、微生物濃度は20%（w/w）〜80%(w/w)（湿潤状態菌体質量基準）が好ましく用いることができる。この微生物濃度範囲で水素を生産することで、実用化に必要な水素生産性である５０Ｌ（H2）／ｈｒ／Ｌ（反応容積）の水素発生速度以上が得ることが可能となる。【００９０】
リアクター５１内で用いられる反応溶液が含み得る培地成分としては、炭素源、窒素源、ミネラル源等を含む通常の栄養培地を挙げることができる。炭素源としては、例えばグルコース、フルクトース、廃糖蜜等を、窒素源としては、無機態窒素源では、例えばアンモニア、アンモニウム塩、硝酸塩等、有機態窒素源では、例えば尿素、アミノ酸類、タンパク質等をそれぞれ単独もしくは混合して用いることができる。無機態、有機態ともに同様に利用することが可能である。またミネラル源として、おもにK、P、Mg、Sなどを含む、例えばリン酸一水素カリウム、硫酸マグネシウム等を用いることができる。この他にも必要に応じて、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティープリカー、カザミノ酸、ビオチン、チアミン等各種ビタミン等の栄養素を添加することもできる。【００９１】
水素発生の際には、反応溶液中に消泡剤を加えることが好ましい。消泡剤については、公知のものが用いられる。具体的にはシリコーン系、ポリエーテル系の消泡剤が用いられる。【００９２】
リアクター５１の材質は、耐酸性の金属類や耐酸性コーティング処理されたガラス類やプラスチック類を好適に用いることができる。またリアクター５１は、嫌気性微生物を用いるために、リアクター５１内部へ酸素を透過しない構造が好ましく、攪拌部分の回転部などはパッキン等を用いたシール性の高いものを使用することが推奨される。【００９３】
従来の技術において、水素生産装置で生成した水素を一般的に固体高分子型燃料電池の燃料として用いる場合には、一酸化炭素を除去するシステム（CO変成器、CO除去器等）を用いて、COを10ppm以下に維持する必要がある。本発明の微生物を用いた水素生産装置では主に水素と二酸化炭素からなるガスが生成し、基本的に一酸化炭素が生成しない。そのため、本発明の方法では、COを除去する装置の設置が不要である。
また、従来の都市ガスを用いた水素発生装置では、600℃以上の改質温度が必要となり、メタノールを用いた改質方法でも数百℃の改質温度が必要となるのに対して、本発明の反応容器の温度は常温で用いることが可能である。さらに、通常、従来の改質器の立ち上げ、終了時に時間がかかるものの、本発明の方法では水素の生産までの取り扱いが容易で時間を短縮でき、燃料電池システムとしても好ましい。【００９４】
さらに燃料電池において生じた電力は、図1に示すような電力変換システム7を介して機器系統に接続することができる。燃料電池から排出されたガスは、燃焼用触媒9を通って発熱し、必要に応じて燃料タンク1、反応槽2、培地タンク3、水素濃縮槽5を保温する熱源の一部として使用することができる。
これらの点からも、本発明の水素生産方法を用いた燃料電池システムが、CO発生しないため燃料電池の劣化に対して問題が少ないこと、水素の供給方法としても高温の必要な改質器のシステムを必要としないこと、有機性基質の供給と同時に水素生産可能であることなどの点において優れていることがわかる。【００９５】
本発明によれば、水素生成能を有する微生物を連続的に培養して水素生成能を発現させることができ、一旦、種となる微生物を供給すれば、長期間連続的に有用な微生物を製造できる。また、水素生成能を発現させた微生物を連続的に水素生成装置に供給することが可能になり、その微生物を使用して連続的に水素を生成することが可能になる。【００９６】
本発明の水素生産装置およびそれを含む燃料電池システムは、有機性基質の供給量を制御することにより、リアクター５１内で発生する水素を含むガスの生産量を制御することが可能であり、さらには燃料電池の発電量も制御できる。また、有機性基質として蟻酸塩および蟻酸を用いることにより、発酵残さの生成が生じにくく、また主な生成物が気体であるために、リアクター５１からの分離も容易であるために、連続的な水素生産を容易に行うことが可能になることを特徴としている。
【実施例】
【００９７】
以下、実施例により具体的に本発明を説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
実施例１
実施例1で用いた水素発生装置を、図2に示す。
微生物培養用培地タンク23に、水(1000 ml)、グルコース(20 mM)、トリプトンペプトン(1%)、モリブテン酸ナトリウム(10μM)、亜セレン酸ナトリウム(10μM)、リン酸水素二ナトリウム(26.5 mm)、リン酸二水素ナトリウム(73.5 mM)、酵母エキス(0.5%)および硫化ナトリウム(2mM)からなる培養液を予め120℃で10分間加熱殺菌したものを貯蔵し、培養槽に供給する。初回起動時のみ、エシェリキア・コリＷ株（ＡＴＣＣ９６３７）を培養槽に投入し、菌体密度が3 g-湿潤菌体/リットル（菌体光学密度OD610=約1.5）になるように培地を供給した。そして、滅菌した空気を送付して曝気した。37℃にて12時間の培養を実施し、培養槽内の菌体と培養液を、水素生成能発現槽に槽内に設けられた液量センサーから必要量を判断し、流量計から供給量を判断して、ポンプを用いて水素生成能発現槽に送った。培養槽から排出された培養液は、一旦、菌体洗浄槽(図示せず)にて菌体を培地と分離して洗浄し、新たな培地と混合してから水素生成能発現槽に送った。その際、水素生成能発現槽を嫌気状態にするために、排気装置を用いて槽内の酸素濃度を低下させた。そのときの水素生成能発現槽内の内容物の酸化還元電位は、−250 mVであった。そして、水素生成能を発現させるために、蟻酸ナトリウムを50 ｍM程度になるように供給して菌体に水素生成能を発現させた。水素生成能を誘導する時間は、6時間であった。水素生成能を発現させた微生物を微生物貯蔵槽に貯蔵した。【００９８】
この連続微生物水素生成能発現装置においては、培地タンク、培養槽、菌体洗浄槽、改質容器（水素生成能発現槽）、微生物貯蔵槽のそれぞれに水位レベルセンサーを設置し、流量計とポンプを用いて送液した。また、各タンクの内部は、温度は37℃、pHは約 ６〜７に制御した。【００９９】
水素発生用培地タンク3には、水素発生用培地として、水(1000 ml)、トリプトンペプトン(1%)、モリブテン酸ナトリウム(10μM)、亜セレン酸ナトリウム(10μM)、リン酸水素二ナトリウム(26.5 mM)、リン酸二水素ナトリウム(73.5 mM)、酵母エキス(0.5%)からなる培養液を予め120℃で10分間加熱殺菌したものを貯蔵した。
反応槽2には、水素発生用培地を培地タンク3からポンプ15を用いて供給し、さらに、微生物貯蔵槽から菌体を供給し、温度37℃程度、pH 6〜7に保ち、嫌気状態にて燃料タンク1から蟻酸水溶液をポンプ13を用いて流量計12により計測しながら液送した。撹拌機8により撹拌して、菌体と蟻酸の接触頻度を向上させた。【０１００】
発生した水素を含む混合ガスは、流量計32を有する配管を通り水素濃縮槽5においてジエタノールアミンに二酸化炭素を吸着させて水素を濃縮した。
濃縮された水素をポンプ45を用いて燃料電池部6のアノードに送付し、空気取り入れ口19からポンプ20にて取り入れられた空気をフィルター10にて浮遊物を除去した後、カソードに送付して、これらを用いて発電した。発電した電力は、インバーター７などにより機器・系統に接続される。【０１０１】
なお、反応槽2において、水素ガス生成に伴い菌体の補充および培地の入れ替えの必要があったので、反応槽2内の培養液をポンプ18にて廃液タンク4に抜き取った。
以上の操作の繰り返しにより、連続的に水素を生成することが可能であった。26mol（モル）/L(リットル)の濃度の蟻酸水溶液を28 mL/hrのフィード速度で連続的に供給して発生するガス量を測定した結果、約32L（ガス）/hrであり、１２０時間の連続ガス製造を行うことが可能であった。ガスクロマトグラフィーによる分析では、生成ガスの主要成分は水素と炭酸ガスであり、これらがほぼ同体積生成した。水素発生速度は、実験時間の間、安定的に50〜55L (H2) / hr / L (反応容積)であった。【０１０２】
実施例１の結果により、本発明の培養装置を連設した水素生産装置を用いることにより、燃料電池に必要な水素が数日間にわたり、安定した速度で発生することが明らかとなった。【０１０３】
実施例２〜４
エシェリキア・コリW株（Escherichia coli W strain；ATCC９６３７）による微生物を用いた水素生産方法。
本菌株を下表１で示される組成の培養液５００ｍｌ（ミリリットル）に加え、好気的条件下、３７℃で一晩振盪培養（前培）を行った。【０１０４】
【表１】
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【０１０５】
次に嫌気的条件下、一晩振盪培養（前培）を行った培養液を一部採取し、蟻酸ナトリウムを含む下表２で示される組成の培養液に加え、３７℃で１２時間の振盪培養（本培）を行った。【０１０６】
【表２】
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【０１０７】
次いで、本培養液を遠心分離機にかけ（５０００回転、１５分）、上澄み液を除去し、水素生産機能を有する微生物を得ることができた。
本微生物を遠心分離により分離後、下表３の組成で示される還元状態下の水素発生用培地５００ｍｌ（ミリリットル）に懸濁調製した。【０１０８】
【表３】
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【０１０９】
今回の実施例に用いた装置の概略図を図３に示す。
上記で作成した微生物の存在している水素発生反応溶液をリアクター５１へ注液し、培地成分の入ったタンク５８には表３で示される水素発生培地を注液した。また有機性基質の入ったタンク５２には26Ｍ（モーラー  モル/リットル）の蟻酸を準備した。
反応溶液温度３７℃、溶液のｐＨ６．０、微生物濃度約４０％（湿潤状態菌体質量基準）、反応溶液内の攪拌回転数８００rpmの条件に設定した。【０１１０】
有機性基質供給ポンプ６１で有機性基質の供給速度を変化させ、リアクター５１に供給して発生する水素生産ガス量および、燃料電池での発電量を測定した。
供給速度を10ｍｌ／ｈｒ（ミリリットル/時間）（実施例２）、21ｍｌ／ｈｒ（ミリリットル/時間）（実施例３）、42ｍｌ／ｈｒ（ミリリットル/時間）（実施例４）で行った。その結果を図５に示す。【０１１１】
図５は有機性基質の供給速度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。有機性基質の供給速度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量を制御できることが明らかになった。【０１１２】
実施例５
実施例２と同様の方法で、水素生産能を有する微生物を得て、得られた微生物を水素発生用培地に懸濁調製することにより、水素発生反応溶液５００ｍｌ(ミリリットル)を得た。
有機性基質供給ポンプ６１で水素生産装置に蟻酸を供給し、以下の反応溶液中の蟻酸濃度となるように添加しながら、水素生産速度および、燃料電池での発電量を測定した。【０１１３】
リアクター内の蟻酸濃度を１０ｍM（ミリモーラー）、３０ｍM（ミリモーラー）、５０ｍM（ミリモーラー）に変化させる以外は、リアクター内の反応溶液の温度が37℃、ｐＨが６．０、微生物濃度が４０％(w/w)（湿潤状態菌体質量基準）の条件を用い、攪拌については、攪拌装置の回転数で制御を行い、８００ｒｐｍの条件で、水素生産速度および発電量の測定を行った。
その結果を、図６に示す。【０１１４】
図６は、有機性基質（蟻酸）の濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内の蟻酸濃度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。【０１１５】
実施例６
リアクター内の反応溶液の温度を３０℃、３７℃、および４４℃に変化させ、蟻酸濃度：３０ｍＭ、ｐＨ＝６．０、微生物濃度：４０％(w/w)、攪拌回転数：８００ｒｐｍの条件を用いて、実施例５と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図７に示す。【０１１６】
図７は、リアクター内の反応溶液の温度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内の温度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。【０１１７】
実施例７
リアクター内の反応溶液のｐＨを５.５、６.０、および６.５に変化させ、蟻酸濃度：３０ｍＭ、温度：３７℃、微生物濃度：４０％(w/w)、攪拌回転数：８００ｒｐｍの条件を用いて、実施例５と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図８に示す。【０１１８】
図８は、リアクター内の反応溶液のｐＨと水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内のｐＨを制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。【０１１９】
実施例８
リアクター内の反応溶液の微生物濃度を３０％、４０％、および５０％に変化させ、蟻酸濃度：３０ｍＭ、温度：３７℃、ｐＨ＝６.０、攪拌回転数：８００ｒｐｍの条件を用いて、実施例５と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図９に示す。【０１２０】
図９は、リアクター内の反応溶液の微生物濃度と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクターの反応溶液内の微生物濃度を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。【０１２１】
実施例９
リアクター内の反応溶液の攪拌力について、攪拌装置の回転数で制御を行った。攪拌装置の回転数を４００ｒｐｍ、８００ｒｐｍ、および１２００ｒｐｍに変化させ、蟻酸濃度：３０ｍＭ、温度：３７℃、ｐＨ＝６.０、微生物濃度：４０％(w/w)の条件を用いて、実施例５と同様の方法にて、水素生産速度および燃料電池の発電量の測定を行った。
結果を図１０に示す。【０１２２】
図１０は、リアクター内の攪拌装置の回転数と水素生産量及び燃料電池システムでの発電量の相関を示している。リアクター内の攪拌装置の回転数を制御することで、水素生産量、及び燃料電池の発電量に相関関係があることが明らかになった。【０１２３】
実施例５〜１０により、反応容器から排出される水素の生産量を蟻酸濃度、温度、ｐH、微生物濃度、攪拌力のいずれか一つにより制御することを特徴とする水素生産装置における水素生産量の制御、およびこれを用いて生産された水素を燃料ガスに用いた燃料電池の発電量の制御が可能であることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明の培養装置、およびこれを含む水素発生装置は、微生物を用いて連続的に水素を発生させることができ、連続的に水素を必要とするシステム、例えば家庭用や事務所ビルなどに応用される燃料電池コジェネレーションシステム、需要地ネットワークに広く設置される分散型電源用燃料電池などに利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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