(57)【要約】【課題】太陽光を用いた微生物反応によって二酸化炭素をメタンに変換し、メタンを生産するとともに、二酸化炭素ガスを固定化すること。【解決手段】アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地により共培養可能な紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを、二酸化炭素含有ガス存在下で共培養してメタンガスを得る。【選択図】図１
2013192547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地により共培養可能な紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを、二酸化炭素含有ガス存在下で共培養してメタンガスを得るメタン生産方法。
【請求項２】
前記紅色非硫黄細菌が、ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）、ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＮＢＲＣ１６６６１）から選ばれる少なくとも１種の細菌を含有するものである請求項１に記載のメタン生産方法。
【請求項３】
前記水素資化性メタン生成菌が、メタノバクテリウムｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）（ＮＢＲＣ１０５０３９）、メタノバクテリウム・フンガテイ（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｈｕｎｇａｔｅｉ）（ＮＢＲＣ１００３９７Ｔ）から選ばれる少なくとも１種の細菌を含有するものである請求項１または２に記載のメタン生産方法。
【請求項４】
前記紅色非硫黄細菌が、ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）であり、前記水素資化性メタン生成菌がメタノバクテリウムｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）（ＮＢＲＣ１０５０３９）である請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタン生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン生産方法に関し、具体的には大気中の二酸化炭素をメタンに変換し、メタンを生産するとともに、二酸化炭素ガスを固定化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の主たる原因となる二酸化炭素等の温室効果ガスは、化石燃料消費量の増大に伴い、大気中の濃度が増加している。排出を抑制せずに現在の消費を続けると、１００年後には地球上の平均気温が２．４℃〜６．４℃上昇し、異常気象の発生、生体系の混乱や食料生産の変化、海面の上昇による陸地の減少等、人々の生活に深刻な影響がでることが予想されるため、大気中の二酸化炭素濃度の低減を目的として、火力発電所などから排出される二酸化炭素の排出抑制とともに大気中の二酸化炭素を除去することが課題となっている。
【０００３】
特許文献１には、太陽エネルギーで水を電気分解して水素を発生させ、生成した水素と炭酸ガスとを水素資化性メタン生成菌に供給して培養し、そこから排出されるメタンを燃焼させてエネルギーを得る方法が記載されている。
特許文献２には、光合成細菌とメタン生成菌を含むメタン発酵の共培養に関する記載がある。ここでは、メタン発酵槽内に嫌気性の光合成細菌を増殖させ、窒素化合物やリンの回収効率を改善する方法が述べられている。
【０００４】
特許文献１によれば、外部より水素と炭酸ガスの供給下でメタン生成菌を培養すると、メタン生成菌の持つ生物反応によって炭酸ガスをメタンに変換できる。しかしながら、特許文献１では水素の供給を外部の太陽光による水の電気分解装置に依存しており酸素も同時に発生するため、絶対嫌気性のメタン生成菌の反応においては酸素の分離プロセスが必要である。このため、全体としては反応設備が複雑となりコストアップが避けられない。
一方、特許文献２によれば、有機性廃水または有機性廃棄物のメタン発酵において、光合成細菌が発酵槽内で増殖できることが示されている。このことは、光合成細菌とメタン生成菌が共培養可能であることを示唆しているが、特許文献２はメタン発酵における窒素化合物とリンの回収効率を光合成細菌の増殖によって改善されることを目的としており、炭酸ガスのメタン化の方法、条件等については触れられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−１６９７８３号公報
【特許文献２】特開２０００−１５３２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
つまり、太陽光を用いた微生物反応によって炭酸ガスを効率的にメタンガスとして固定化する方法は現在のところ知られていない状況にある。また、上記公知技術によると、いずれも大掛かりな装置やエネルギーが必要で、かつ高コストである。一方、大量の二酸化炭素の排出を抑制するため、二酸化炭素対策はなるべく低コストであることが望まれる。
【０００７】
そこで、本発明は上記実状に鑑み、太陽光を用いた微生物反応によって二酸化炭素をメタンに変換し、メタンを生産するとともに、二酸化炭素ガスを固定化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
〔構成１〕
上記目的のための本発明の特徴構成は、アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地により共培養可能な紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを、二酸化炭素含有ガス存在下で共培養してメタンガスを得ることにある。
【０００９】
上記特徴構成によると、紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とが共培養されることにより、紅色非硫黄細菌が光合成により生産した水素ガスをメタン生産菌が資化してメタンを生産することになり、一見、太陽光を用いた微生物反応によって大気中の二酸化炭素をメタンに変換することができるように思われる。しかしこれらの細菌は生育条件が異なり、通常は混合培養してもどちらか一方の増殖しか観測されない。
【００１０】
具体的に説明すると、紅色非硫黄細菌の培養環境では、水素資化性メタン生成菌を生育させることはできず、逆に、水素資化性メタン生成菌の培養環境では、紅色非硫黄細菌を生育させることはできないのが現状である。
【００１１】
そこで、本発明者らが鋭意研究したところによると、紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを共培養する場合には、アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地を選択することにより、両者を共培養可能となる環境が得られることを新規に見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
紅色非硫黄細菌による水素生成はニトロゲナーゼによるものであることが知られている。この酵素はアンモニウム塩によって阻害されるので、Ｎ源としてアンモニウム塩は使えない。よってアンモニウム塩以外の窒素源で生育可能なメタン生成菌を選択すれば、容易に紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを共培養することができる条件が見出せると考えられる。
【００１３】
また、メタン生成菌培地には通常酸化還元電位を下げるための還元剤が含まれている。これらが光合成細菌の生育を阻害する。本発明者らによると、紅色非硫黄細菌は硫化水素に弱いことから、特に還元剤として硫黄系還元剤が生育の阻害に関与するものと考えられた。そこで、メタン生産菌の培養に用いることができる還元剤のうち、非硫黄系還元剤であるＬシステイン塩酸塩で生育する紅色非硫黄細菌を選択すれば容易に紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを共培養することができる条件が見出せると考えられる。
【００１４】
すなわち、アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地により共培養可能な紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを、二酸化炭素含有ガス存在下で共培養することにより、メタンガスを効率よく生産することができるようになった。
【００１５】
〔構成２〕
また、前記紅色非硫黄細菌が、ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）、ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＮＢＲＣ１６６６１）から選ばれる少なくとも１種の細菌を含有するものであってもよく、
【００１６】
〔構成３〕
前記水素資化性メタン生成菌が、メタノバクテリウムｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）（ＮＢＲＣ１０５０３９）、メタノバクテリウム・フンガテイ（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｈｕｎｇａｔｅｉ）（ＮＢＲＣ１００３９７Ｔ）から選ばれる少なくとも１種の細菌を含有するものであってもよく、
【００１７】
〔構成４〕
前記紅色非硫黄細菌が、ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）であり、前記水素資化性メタン生成菌がメタノバクテリウムｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）（ＮＢＲＣ１０５０３９）であれば、特に好ましい。
【００１８】
すなわち、これらの微生物を選択すると、アンモニウム塩以外の窒素源で生育可能なメタン生成菌と、Ｌシステイン塩酸塩で生育する紅色非硫黄細菌との組み合わせを提供することができるので容易に両者を共培養可能な微生物の組み合わせを提供することができるようになる。
【００１９】
なかでも、前記紅色非硫黄細菌が、ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）であり、前記水素資化性メタン生成菌がメタノバクテリウムｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）（ＮＢＲＣ１０５０３９）であれば、きわめて効率よく大気中の二酸化炭素を固定化してメタンを生産することができるようになった。
【発明の効果】
【００２０】
したがって、太陽光を用いた微生物反応等によって二酸化炭素をメタンに変換することができるので、たとえば、ガスコージェネレーションシステム等からのオンサイト排出炭酸ガスをメタンに変換してエネルギー源として利用できるようにするとともに、温暖化ガスである二酸化炭素ガスを効果的に削減できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のメタン生産方法の実証試験結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明のメタン生産方法を説明する。尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
【００２３】
〔メタン生産装置〕
本発明のメタン生産方法に用いるメタン生産装置は、紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを、共培養する生物反応槽を備える。
前記生物反応槽には、アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地が収容され、前記反応槽内に二酸化炭素ガスを供給する二酸化炭素ガス供給部を備え、前記培地中に光照射する光照射部を備えるとともに、生成したメタンガスを排出するメタンガス排出部を備える。これにより、前記培地中で紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを、二酸化炭素含有ガス存在下で共培養することができ、これにより、前記生物反応槽では、前記紅色非硫黄細菌が光合成反応により水素を生成するとともに、生成した水素を用いて水素資化性メタン生成菌が炭酸ガスをメタンに変換することにより、結果的に二酸化炭素をメタンに変換することができるものとなっている。
【００２４】
〔紅色非硫黄細菌〕
前記紅色非硫黄細菌としては、
・ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６４３５）
・ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）
・ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＮＢＲＣ１６６６１）
・ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＮＢＲＣ１００２４６）
・ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＮＢＲＣ１００４１９）
・ロドスピルリウム・ルブラム（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ  ｒｕｂｒｕｍ）（ＮＢＲＣ３９８６）
・ロドバクター・スフェロイデス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）（ＮＢＲＣ１２２０３）
・ロドバクター・スフェロイデス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）（ＮＢＲＣ１０００３７）
・ロドバクター・スフェロイデス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）（ＮＢＲＣ１０００３８）
等の市販光合成細菌を利用することが考えられる。なかでも、市販菌株を入手し、それぞれの水素生成能力を検討したところ、
・ロドバクター・キャプシュラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）（ＮＢＲＣ１６５８１）
・ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＮＢＲＣ１６６６１）
が好適に用いられることがわかった。（以下適宜寄託番号で略称する）
【００２５】
以下では紅色非硫黄細菌として、ＮＢＲＣ１６５８１を用いて検証を行った。
【００２６】
〔水素資化性メタン生成菌〕
前記水素資化性メタン生成菌としては、
・メタノバクテリウム・フンガテイ（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｈｕｎｇａｔｅｉ）
・メタノバクテリウム・オリザエ（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｏｒｙｚａｅ）
・メタノバクテリウム・パルストレ（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｐａｌｕｓｔｒｅ）
・メタノバクテリウム・ｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）
・メタノバクテリウム・サブテラヌエム（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｕｂｔｅｒｒａｎｅｕｍ）
とうの市販メタン生成菌を利用することが考えられる。なかでも、市販菌株を入手し、それぞれのメタン生成能力を検討したところ、
・メタノバクテリウム・ｓｐ．（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｓｐ．）（ＮＢＲＣ１０５０３９）
・メタノバクテリウム・フンガテイ（Ｍｅｔｈａｎｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ  ｈｕｎｇａｔｅｉ）（ＮＢＲＣ１００３９７Ｔ）
が好適に用いられることがわかった。
【００２７】
以下では、水素資化性メタン生成菌として、ＮＢＲＣ１０５０３９を用いて検証を行った。
【００２８】
〔培地〕
これらの紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌を共培養するための培地組成を検討した。
【００２９】
（１）水素資化性メタン生成菌の窒素源についての検証
水素資化性メタン生成菌は通常アンモニウム塩を含む合成培地で培養される。一方、紅色非硫黄細菌による水素生成はニトロゲナーゼによるものであることが知られており、この酵素はアンモニウム塩によって阻害されるので、紅色非硫黄細菌の培養にはＮ源としてアンモニウム塩は使えない。よって、メタン生成菌の生育が可能な、アンモニウム塩以外の窒素源を検証した。
【００３０】
窒素源として下記（Ａ）または（Ｂ）を含有する培地を用いてメタン生成菌の増殖がみられるか調べたところ、どちらの場合でもほぼアンモニウム塩の場合と同等の増殖がみられた。すなわちこれらの培地を用いると、水素資化性メタン生成菌を紅色非硫黄細菌培養可能な環境で培養できる可能性があることがわかる。
【００３１】
（Ａ）  ５ｍＭ  グルタミン酸ナトリウム
（Ｂ）  ０．２％  Ｐｏｌｙｐｅｐｔｏｎｅ，  ０．２％  Ｙｅａｓｔ  Ｅｘｔｒａｃｔ
【００３２】
酸化還元電位を下げやすいという理由から以下では（Ｂ）０．２％Ｐｏｌｙｐｅｐｔｏｎｅ，  ０．２％  Ｙｅａｓｔ  Ｅｘｔｒａｃｔ  を用いることにした。
【００３３】
（２）紅色非硫黄細菌のメタン生成菌培地での生育についての検証
メタン生成菌増殖用培地を用いて紅色非硫黄細菌を培養したところ、増殖阻害が見られ、水素の生産はみられなかった。通常、酸化還元電位を下げるための還元剤として０．０５％硫化ナトリウムと０．０５％Ｌ−システイン塩酸塩が含まれている。これらが光合成細菌の生育に影響する可能性が考えられたので、（文献等の調査によると紅色非硫黄細菌は硫化水素に弱いらしいことがわかった。）そこで還元剤として、０．１％  Ｌ−システイン塩酸塩のみを用いて培養を行ったところ、増殖阻害は見られず、増殖および水素生成は回復することがわかった。
【００３４】
また、この培地でメタン生成菌が増殖可能なことも確認することができた。
【００３５】
（３）メタン生成菌と光合成細菌の共培養によるメタン生成の可能性の検証
（１）、（２）の検証により、共培養の培地組成として、たとえば、下表１のような共培養培地を用いることができる。以下表１〜３に共培養培地、メタン生成菌増殖用培地、紅色非硫黄細菌増殖用培地を示す。
【００３６】
【表１】
2013192547.tif 000003
Ｖｉｔａｍｉｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎは表４参照
Ｔｒａｃｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓは表５参照
ｐＨ  ７．０
８０％−Ａｒ，  ２０％−ＣＯ2
【００３７】
【表２】
2013192547.tif 000004
Ｖｉｔａｍｉｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎは表４参照
Ｔｒａｃｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓは表５参照
ｐＨ  ７．０
８０％−Ｈ2，  ２０％−ＣＯ2
【００３８】
【表３】
2013192547.tif 000005
Ｖｉｔａｍｉｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎは表４参照
Ｔｒａｃｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓは表５参照
ｐＨ  ６．７
１００％−Ａｒ
【００３９】
【表４】
2013192547.tif 000006
【００４０】
【表５】
2013192547.tif 000007
【００４１】
すなわち、ＮＢＲＣ１６５８１およびＮＢＲＣ１０５０３９を種々の培地で培養したところ、培養結果は下表６のようなり、紅色非硫黄細菌と水素資化性メタン生成菌とを安定的に共培養できる環境としては、アンモニウム塩を含有せず、還元剤としてＬシステイン塩酸塩を含有する培地を用いることが好ましいことがわかった。
【００４２】
【表６】
2013192547.tif 000008
【００４３】
〔メタン生産方法の実証試験〕
上記表１に示す培地において、ＮＢＲＣ１６５８１およびＮＢＲＣ１０５０３９を、３０℃、近赤外線（ピーク８５０ｎｍ）照射下で培養し、適時ガスクロマトグラフィーでメタン生成量の経時変化を測定した。
【００４４】
その結果図１のようになり、上記ＮＢＲＣ１６５８１およびＮＢＲＣ１０５０３９を共培養することによって、反応槽を一段階経由するだけで、供給される二酸化炭素からメタンを生産することができることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明により、たとえば、ガスコージェネレーションシステム等からのオンサイト排出炭酸ガスをメタンに変換してエネルギー源として利用できるようにするとともに、温暖化ガスである二酸化炭素ガスを効果的に削減できる。
【図１】
2013192547.tif 000009