(57)【要約】【課題】  クラミドモナス属の緑藻の培養により効率的に水素を製造する微細藻類による水素製造方法を提供する。【解決手段】  例えばＴＡＰのような培養液中のリン、窒素、鉄、マグネシウム、マンガン、銅のいずれかの成分濃度を低くし、又はこれらのいずれかと硫黄の成分濃度とを共に低くした培養液の培地を用意し、この培地にクラミドモナス属の緑藻を接種して培養し、培地の発生気体中から水素を取り出す微細藻類による水素製造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液中のリン、窒素、鉄、マグネシウム、マンガン、銅のいずれかの成分濃度を低くし、又はこれらのいずれかと硫黄の成分濃度とを共に低くした培養液を培地として培養容器中に用意し、
前記培地にクラミドモナス属の緑藻を接種して培養し、
前記培養容器の発生気体中から水素を取り出す微細藻類による水素製造方法。
【請求項２】
前記緑藻は、クラミドモナス（Chlamydomonas reinhardtii）であることを特徴とする請求項１に記載の微細藻類による水素製造方法。
【請求項３】
前記培地の培養液に炭素源として炭素化合物を添加し、又は培養液中に炭酸ガスを通気し、当該培養容器を密閉し、室温、可視光線照射下に撹拌して培養することを特徴とする請求項１又は２に記載の微細藻類による水素製造方法。
【請求項４】
前記緑藻を前記培地で一定時間培養し、水素を取り出した後、前記ＴＡＰ（Tris-acetate-Phosphate Medium）培養液の培地にて一定時間培養する操作を繰り返すことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微細藻類による水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラミドモナス属の緑藻による水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９９年に、米国カリフォルニア大学バークレー校教授のアナスタシオス・メリス（Anastasios Melis）氏らにより、緑藻クラミドモナスを硫黄成分のない培養液中で培養することによって、培養容器の気中に一定時間、水素が生成されることが発見された（Anastasios Melis, at al., "Sustained Photobiological Hydrogen Gas Production upon Reversible Inactivation of Oxygen Envolution in the Green Alga Chlamydomonas reinhardtii", Plant Physiology, January 2000, Vol. 122, pp.127-135）。
【特許文献１】特開平８−２９４３９６号公報
【非特許文献１】Anastasios Melis, at al., "Sustained Photobiological Hydrogen Gas Production upon Reversible Inactivation of Oxygen Evolution in the Green Alga Chlamydomonas reinhardtii", Plant Physiology, January 2000, Vol. 122, pp.127-135。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この論文に発表された内容は、ＴＡＰ（Tris-acetate-Phosphate Medium）培養液から硫黄成分を除いた培養液を用い、その中でクラミドモナスを培養することによって、培養容器の気中に水素ができたというものである。
【０００４】
本願発明者らは、この論文の発表技術を追試する中で、ＴＡＰ培養液中から硫黄以外のミネラル成分のいずれか、またそのミネラル成分と共に硫黄成分の濃度を著しく低下させた培養液を用い、この培養液中でクラミドモナス緑藻を培養することによって、水素が発生することを発見した。
【０００５】
本発明はこのような技術的背景のもとに、クラミドモナス属の緑藻の培養により効率的に水素を製造する微細藻類による水素製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明の微細藻類による水素製造方法は、例えばＴＡＰのような培養液中のリン、窒素、鉄、マグネシウム、マンガン、銅のいずれかの成分濃度を低くし、又はこれらのいずれかと硫黄の成分濃度とを共に低くした培養液を培養容器に用意し、前記培養液中にクラミドモナス属の緑藻を接種して培養し、前記培養容器の気中から水素を取り出すものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の微細藻類による水素製造方法において、前記緑藻は、クラミドモナス（Chlamydomonas reinhardtii）であることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は２の微細藻類による水素製造方法において、前記培地の培養液に炭素源として炭素化合物を添加し、又は培養液中に炭酸ガスを通気し、当該培養容器を密閉し、室温、可視光線照射下に撹拌して培養することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１〜３の微細藻類による水素製造方法において、前記緑藻を前記培地で一定時間培養し、水素を取り出した後、前記ＴＡＰ培養液の培地にて一定時間培養する操作を繰り返すことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によればクラミドモナス属の緑藻の培養により効率的に水素を製造する微細藻類による水素製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１２】
クラミドモナスは、単細胞の緑藻であり、２〜３ミクロンの大きさで、２本の鞭毛で動く。
【００１３】
ＴＡＰ培養液は、一般的に使用されている代表的な培養液であり、表１に示す組成である。そしてその組成中のHutner's trace elementの組成は、表２に示すものである。
【表１】
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【表２】
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【００１４】
微細藻類による水素生成プロセスは図１に示し、水素生成メカニズムは図２に示すものと考えられる。すなわち、図１に示すように、ＴＡＰ培養液から光合成過程で作用するミネラル成分の濃度を著しく低下させた培地に微細藻類を接種し、太陽エネルギー、水、炭酸ガスを与えて光合成が行える環境にして培養すると、濃度が低いあるいは除去されたミネラル成分が関与するはずの段階で、電子伝達鎖が断ち切られて代謝が切り替わり、その際にヒドロゲナーゼが活性化され、水素が放出される。
【００１５】
図２は植物の通常の光合成のメカニズムを示している。培養液中でタンパク質Ｐ６８０に太陽光を照射すれば、電子エネルギーを取り込んでＰ６８０＊ に励起する。この励起状態から電子移動により、Ｐｈｅｏ、ＱA 、ＱB 等の化合物を経由して、タンパク質Ｐ７００に到達する。そしてさらに、このタンパク質Ｐ７００は、太陽光照射により電子を取り込んでＰ７００＊ に励起し、これから電子移動によりＦＮＲに到る。このＦＮＲはＮＡＤＰ（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate；ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）を還元してＮＡＤＰＨに変え、炭酸ガスを固定する。なお、図中の各表記は、次の表３に示すものである。
【表３】
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【００１６】
ところが、この光合成に作用する培養液中のミネラル成分、リンＰ、窒素Ｎ、鉄Ｆｅ、マグネシウムＭｇ、マンガンＭｎ、銅Ｃｕあるいはこれらのいずれかと硫黄Ｓの濃度を著しく低下させた培地あるいはそのいずれかを除いた培地において緑藻を培養すると、不足するミネラル成分が関与する段階で酸素発生を中断し、代替代謝のプロセスを活発化することで水素を発生することになると考えられる。
【００１７】
したがって、例えば、鉄若しくは鉄・硫黄成分を除いた培地では、図２における（ｉ）、（ii）の段階で光合成過程が中断し、それまでに蓄えられたタンパクを消費し、その過程で水素が生成され、また、銅若しくは銅・硫黄成分を除いた培地では、図２における（iii）の段階で光合成が中断し、水素が生成される。
【００１８】
他方、光合成過程で作用するミネラル成分若しくはそれと硫黄との化合物成分を除いた培養液による緑藻の培養では、光合成過程がある段階で中断されるため、やがて緑藻が死活してしまう。これを避け、水素生成を継続させるためには、緑藻が死活する前で十分に活性力を保持している段階で通常のＴＡＰ培養液を培地にして、光合成を再活性させる必要がある。
【００１９】
そこで、水素の連続的な生成のためには、（１）ＴＡＰ培養液の培地における培養と、（２）特定ミネラル成分濃度を低下させあるいは除いた培養液の培地における培養とを所定時間毎に繰り返す方法をとるのが望ましい。
【００２０】
ＴＡＰ培養液に対して、特定ミネラル成分濃度を低下させた培養液あるいはその成分を除いた培養液を調製するのは、次の方法による。すなわち、リンＰ、窒素Ｎ、鉄Ｆｅ、マグネシウムＭｇ、マンガンＭｎ、銅Ｃｕのいずれかの成分濃度を著しく低下させ、あるいは除くには、表１、表２に示したＴＡＰ培養液から、該当するミネラル成分を含有する化合物のみを削除した組成の培養液を作成する。例えば、リン成分を含まない培養液の作成には、表１、表２の組成からリン成分を含む化合物、Ｋ2 ＨＰＯ4 、ＫＨ2 ＰＯ4 を除いた組成の培養液を作成する。また、鉄成分を含まない培養液の作成には、表１、表２の組成から鉄成分を含む化合物、ＦｅＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏを除いた組成の培養液を作成する。
【００２１】
また、特定のミネラル成分と共に硫黄成分を除いた組成の培養液を調製する場合は、すべての硫酸塩を塩化物に置き換え、かつ特定ミネラル成分を含む化合物を除いた培養液を作成する。例えば、マグネシウムＭｇ・硫黄Ｓなしの培養液を作成する場合には、まず硫黄成分なしにするために、表１、表２において、硫酸塩ＺｎＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、ＦｅＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、ＣｕＳＯ4 ・５Ｈ2 Ｏをそれぞれ、ＺｎＣｌ2 、ＦｅＣｌ2 ・４Ｈ2 Ｏ、ＣｕＣｌ2 ・２Ｈ2 Ｏに置き換え、かつＭｇ化合物である硫酸マグネシウムＭｇＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏを除いた培養液を作成する。また、鉄Ｆｅ・硫黄Ｓなしの培養液を作成する場合には、硫酸塩ＭｇＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、ＺｎＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ、ＣｕＳＯ4 ・５Ｈ2 ＯをそれぞれＭｇＣｌ2 ・６Ｈ2 Ｏ、ＺｎＣｌ2 、ＣｕＣｌ2 ・２Ｈ2 Ｏに置き換え、かつＦｅ化合物である硫酸鉄ＦｅＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏを除いた培養液を作成する。
【００２２】
水素製造は、次の手順で行う。
【００２３】
（１）まず、硫酸イオンが約５０ｐｐｍ、ｐＨ７．５程度の中性ないし弱アルカリ性の通常のＴＡＰ培養液の培地にクラミドモナス属の緑藻を接種し、室温２５℃、昼間光に近い光照射のもとに炭酸ガスの連続通気しながら撹拌してこの緑藻を培養する。
【００２４】
（２）所定量の緑藻の繁殖が得られれば、培養液を遠心分離して緑藻を取り出す。
【００２５】
（３）取り出した緑藻を、上述したＴＡＰ培養液中のリン、窒素、鉄、マグネシウム、マンガン、銅のいずれかの成分濃度を低くし、又はこれらのいずれかと硫黄の成分濃度とを共に低くした培養液の培地に接種し、培養容器を密閉し、室温２５℃、昼間光に近い特性の可視光線照射のもとに撹拌してこの緑藻を培養する。このときには炭酸ガスは通気しない。
【００２６】
（４）（３）の培養容器の気相から水素を取り出す。
【００２７】
なお、本発明で用いる緑藻には、広くクラミドモナス属に属する光合成作用が活発なものを利用することができる。
【実施例】
【００２８】
まず、硫酸イオンが約４８．７ｐｐｍ、ｐＨ７．５の通常のＴＡＰ培養液の培地にしてクラミドモナス緑藻（Chlamydomonas reinhardtii，ＩＡＭ  Ｃ−５４１）を接種し、室温２５℃、２００μＥ／ｍ2 ／ｓの強さの蛍光照射のもとに、炭酸ガス濃度３％の空気を連続通気しながら撹拌してこのクラミドモナスを培養し、その後、培養液を遠心分離してクラミドモナスをＴＡＰ培養液から分離して取り出した。
【００２９】
取り出したクラミドモナスを、図３の表に掲げる培養液それぞれが２００ｍｌ入った三角フラスコそれぞれに接種した。炭素源として炭酸水素ナトリウムＮａＨＣＯ3 を培養液に添加し、三角フラスコそれぞれの口をシリコン栓にて密閉し、室温２５℃、蛍光灯５０μＥ／ｍ2 ／ｓの環境下に撹拌しつつ、所定時間毎に密閉三角フラスコ内のガスを採取し、ガスクロマトグラフィにかけて水素濃度（％）を定量した。なお、比較のために、硫黄Ｓ成分のみなしの培養液に対しても実施した。
【００３０】
図３〜図９の結果から明らかなように、培養開始から７２時間後には、Ｆｅ成分なしの培養液で水素生成がもっとも優れており、Ｍｇ成分なしの培養液でも水素生成に優れ、またＰ成分なしの培養液ではそれに続いて水素生成に優れていた。
【００３１】
培養開始から１６８時間後には、Ｆｅ−Ｓなしの培養液で水素生成が最も優れ、Ｐなし、Ｍｇなしの培養液での水素生成がそれに続く結果となった。この傾向は培養開始から２６４時間後もほぼ同様であった。
【００３２】
この実験結果から、培養液にＴＡＰ培養液からＦｅ−Ｓ成分を除いたものを培地としてクラミドモナス緑藻を培養することにより水素生成が最も効果的に行えることが分かった。また、Ｆｅなし、Ｍｎなし、Ｃｕなし、Ｍｇなし、Ｐなしにしても硫黄Ｓ成分のみなしの培養液での培養に比べて格段の効果があることが分かった。また、硫黄Ｓ成分と共にＭｎ成分あるいはＣｕ成分を除いた培養液であっても、硫黄Ｓ成分のみなしの培養液よりも水素生成には効果があることも分かった。
【００３３】
さらに、培養開始から２６４時間後には１６８時間後よりも水素量が減少していることから、ある程度の時間の経過によりクラミドモナスの水素生成機能が低下することが理解できるので、適切な水素生成時間が経過した後には通常のＴＡＰ培養液に戻して培養させることによりクラミドモナスの光合成を再活性させる必要があることも分かった。つまり、所定時間の水素生成の後には光合成作用を所定時間行わせ、その後、再度水素生成させるサイクルを繰り返すことによって、水素生成を継続的に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の水素製造方法の１つの実施の形態のプロセスの説明図。
【図２】一般的な光合成メカニズムの説明図。
【図３】本発明の１つの実施例による７２時間後、１６８時間後、２６４時間後の水素濃度、酸素濃度の表。
【図４】本発明の１つの実施例による水素製造開始時、７２時間後、１６８時間後、２６４時間後の水素濃度の表。
【図５】本発明の１つの実施例による水素生成状況の時間推移を示すグラフ。
【図６】本発明の１つの実施例による水素生成状況を、比較例のＳなし、２６４時間後の水素濃度を１とした場合の濃度比で表した表。
【図７】本発明の１つの実施例による水素生成状況を、比較例のＳなし、２６４時間後の水素濃度を１とした場合の濃度比の時間推移を示すグラフ。
【図８】本発明の１つの実施例による水素製造開始時、７２時間後、１６８時間後、２６４時間後の培養液１リッタ当たりの水素発生量を示す表。
【図９】本発明の１つの実施例による培養液１リッタ当たりの水素発生量の時間推移を示すグラフ。
【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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