(57)【要約】本発明は、直熱型電極を用いてCO2を炭化水素に還元する、CO2を還元することによる炭化水素の製造方法に関する。対応する方法を実施するための装置、対応するパワープラント、ならびに、燃焼機関を備えた前記パワープラントおよび車両を含むシステムも、本発明の対象である。方法および装置は、例えば、非集中型エネルギー供給のためのマイクロエネルギーシステムとして使用されてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直熱型電極を用いてCO2を炭化水素に還元することを含む、CO2を還元することによる炭化水素の製造方法。
【請求項２】
還元が酵素的に起こる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
還元がいくつかの工程で行われ、少なくとも1つの、好ましくはすべての工程での還元が、直熱型電極と結合した酵素によって触媒される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
複数の工程、好ましくはすべての工程は、それぞれの反応に最適な温度に直熱された電極にそれぞれ結合した酵素によって触媒される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
複数の工程、好ましくはすべての工程が、同じ直熱型電極に結合した酵素によって触媒される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
還元がいくつかの工程で行われ、少なくとも1つの、好ましくはすべての工程における還元は、直熱型電極で再生される補因子を同時に酸化する酵素によって触媒され、補因子はNADH、NADPHおよびFADHを含む群から選択される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
前記還元がギ酸脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素および/またはアルコール脱水素酵素によって触媒される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
CO2が、炭酸脱水酵素によって炭酸水素塩に変換され、必要により、炭酸脱水酵素が直熱型電極と結合する、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
還元が加熱電極で非酵素的に起こり、電極は白金、銅、チタン、ルテニウムおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される材料を好ましくは含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
直熱型電極が、スパイラル状またはヘリックス状または網状または平面状の形態を有する、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
直熱型電極は、炭素、特にガラス状炭素またはグラファイト、貴金属、特に金または白金、光学的に透明な導電性材料、特にインジウムでドープされた二酸化スズ、銅、ステンレス鋼およびニッケルを含む群から選択される電極材料からなる、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
先行する請求項のいずれかに記載の方法が実施されるあるいは前記方法を行うのに適切である装置であって、装置は2つの電極およびアノードとカソードの反応を分離するための膜を含む、装置。
【請求項１３】
反応生成物を同時に生成できる複数の反応槽を並行して稼働する、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
単回使用反応器またはリサイクルに適した反応器として構成されている、請求項12に記載の装置。
【請求項１５】
c）好ましくは、CO2を炭化水素に還元する工程を触媒できる少なくとも1つの酵素が結合している、または好ましくは、CO2を炭化水素に還元する工程を触媒できる酵素と相互作用できる少なくとも1つの補因子と結合している、直熱型電極、および
d）直熱型電極と接触できる反応区画にCO2を導入するのに適した、ガス状のCO2を導入するための装置
を含む、CO2を固定することによって炭化水素を製造するための装置であって、
必要により装置は請求項12-14のいずれかに記載の装置である、装置。
【請求項１６】
i）エネルギー源、好ましくは、例えば太陽光発電に基づく再生エネルギー源、
ii）炭化水素の製造に必要なエネルギーがエネルギー源i）に由来する請求項12-15に記載の装置、
iii）炭化水素貯蔵装置、および
iv）必要により、電気エネルギーを生成するための炭化水素燃料電池、または
v）必要により、暖かい水または建物またはアパートメントの暖房用の熱エネルギーの製造のための炭化水素を燃焼するための装置
を含む、電気エネルギーおよび/または炭化水素の形態のエネルギーを提供するためのパワープラント。
【請求項１７】
請求項16に記載のパワープラントおよび、自動車、バスおよび自動二輪車を含む群から選択される車両を含み、車両は炭化水素、好ましくはメタノールの燃焼に適した、好ましくは最適化されたエンジンを備えるシステム。
【請求項１８】
炭化水素が、メタノール、メタン、ギ酸およびホルムアルデヒドを含む群から選択される、先行する請求項のいずれかに記載の方法、装置、パワープラントまたはシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直熱型電極を用いてCO2を炭化水素に還元する、CO2を還元することによる炭化水素の製造方法に関する。対応する方法を実施するための装置、対応するパワープラント、ならびに、燃焼機関を備えた前記パワープラントおよび車両を含むシステムも、本発明の対象である。方法および装置は、例えば、非集中型エネルギー供給のためのマイクロエネルギーシステムとして使用されてもよい。
【発明の概要】
【０００２】
我々のビジョン−居住用小規模燃料発電−独立、非集中型化、商業的実行可能性
【０００３】
我々のソリューションを通じ、今後5〜7年で、すべての世帯がCO2ニュートラル経済に貢献し、家庭や建物を暖房するための外部ガスあるいはエネルギー供給からエネルギー的独立を達成できる。これは、代替燃料の使用および、CO2からの化学物質の利用に基づく効率的なエネルギー貯蔵システムによって達成される。
【０００４】
この目的のために、既存のインフラの構造的な変更は必要でない。実際、我々のシステムは、既存の暖房システムと互換性があり、広範囲で低コストで利用できるエダクト：大気、水、再生可能源からの余剰エネルギーを使用することが好ましい。
【０００５】
望まれるプロジェクト結果−非集中型家庭用マイクロエネルギーシステム
【０００６】
この目的は、特に請求項に記載の主題によって達成される。
【０００７】
したがって、本発明の対象の１つは、直熱型電極を用いてCO2を炭化水素に還元する工程を含む、CO2を還元することによる炭化水素の製造方法である。
【０００８】
還元は酵素的に起こり得る。
【０００９】
還元はいくつかの工程で行うことができ、少なくとも1つの、好ましくはすべての工程における還元が、直熱型電極と結合した酵素によって触媒される。
【００１０】
一方では、酵素の固定化は、電子のより好ましい取り込みのための電極表面上における酵素のより好ましいポジショニングを助長し、したがって活性および生成物の生成速度の改善を可能にする。一方、酵素はまた、固定化によって安定化される。高分子は常に、ある部分は、その触媒活性に寄与する、コンホメーションの変化を受ける。しかしながら、外部（例えば、温度または放射）による影響もまた、不可逆的コンホメーション状態につながり、酵素の凝集が起こり得て、生体触媒の機能が消失する。固定化は、酵素を局所的に結合するのを助け、不活性なコンフォメーション状態がそれ以上生成せず、凝集を防止する。
【００１１】
例えば、酵素を炭素繊維上のアルギン酸塩に固定化し、作用電極でCO2をギ酸に還元するために使用できる（Wagner A. Enzyme Immobilization on Electrodes for CO2 Reduction. 2013. Institute of Physical Chemistry）。アルギン酸塩中での固定化は酵素を安定化するが、電極に対するそれらのポジショニングは指向的ではない。
【００１２】
電極上の酵素のより好ましいポジショニングのためのアルギン酸塩への固定の代替法は、例えば、酵素の官能基を介したカーボンナノチューブ上への固定化、共有結合の硫化物結合を介した金表面上への、または酵素上のヒスチジン残基を介したNi材料上の固定化である。このために、加熱電極の支持材料に直接結合できる適切なアミノ酸を、製造中に酵素に添加してもよい。
【００１３】
複数の工程、好ましくはすべての工程は、それぞれの反応に最適な温度に直熱された電極にそれぞれ結合した酵素によって触媒され得る。好ましくは、それぞれの電極の温度は、それぞれの酵素の物質変換速度に関して最適化されるが、1つ以上の酵素の十分な安定性が保証されない場合、より低い温度を選択することも可能である。良好な総転化率のために、すべての反応が周囲温度または反応器温度と比較して上昇した温度を要しない場合、1つ以上の酵素が直熱型電極と結合しないことも可能である。例えば、カンジダ属（Candida spp.）由来のギ酸脱水素酵素に結合する電極の温度は、35〜40℃、特に約37〜38℃に調節できる。
【００１４】
また、複数の工程、好ましくは全ての工程は、同じ直熱型電極に結合した酵素によって触媒されてもよい。この電極の温度は、物質の全転化率に関して最適化されることが好ましいが、1つ以上の酵素の十分な安定性が保証されない場合、より低い温度を選択することも可能である。
【００１５】
還元はいくつかの工程で実施することができ、少なくとも1つの、好ましくはすべての工程における還元は、直熱型電極で再生される補因子を同時に酸化する酵素によって触媒され、補因子はNADH、NADPH、およびFADHを含む群から選択される。
【００１６】
還元は、ギ酸脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素および/またはアルコール脱水素酵素によって触媒されてよい。
【００１７】
適切な酵素は市販品を利用できるが、これらはさらに最適化することもできる（Felber S., Optimierung der NAD-Abhngng Formiatdehydrogenase in Candida boidinii fuer den E Biocatalyse, 2001）。ギ酸脱水素酵素として、例えば35〜40℃の最適温度を有し、補因子としてのNADHと共に作用するカンジダ属由来の酵素、特に（例えば、Sigma-Adrich社より入手可能）カンジダ ボイディニ（Candida biodinii）由来の酵素を選択できる。直熱型電極での補因子NADHの酵素的再生が付加的に可能である。
【００１８】
ギ酸からの連続的生体電気触媒的メタノール合成に関して、例えばシュードモナス種（Pseudomonas sp.）由来のアルデヒド脱水素酵素およびサッカロマイセス種（Saccharomyces sp.）からのアルコール脱水素酵素が使用可能であり、カンジダ種由来のギ酸脱水素酵素と有利に組み合わせることができ、特に、これらの酵素もNADHに関係するからである。補因子の再生のために、例えば、ピロコクス種（Pyrococcus sp.）由来のジアホラーゼ（diaphorase）を使用できる。
【００１９】
前記プロセスにおいて、CO2は、炭酸脱水酵素（carboanhydrase）によって炭酸水素塩に変換されてもよく、必要により、前記炭酸脱水酵素は、直熱型電極と結合していてもよい。
【００２０】
あるいは、還元は加熱電極において非酵素的に起こってもよく、電極は白金、銅、チタン、ルテニウムおよびこれらの組み合わせを含む群から選択される材料を好ましくは含む。
【００２１】
加熱要素が電極のみからなる、異なった直熱可能な電極、すなわち、温度上昇が電極からのみ得られ、電解液から電極に伝達しないものは、当該技術分野において公知である。
【００２２】
作用電極の直接的な電気加熱は、従来技術によれば、いわゆる対称的な秩序によって、または、特殊なフィルタ回路によって可能となる。直熱された作用電極の1つの変形は、加熱電流の供給のための2つの接点間の中央において電気化学測定機器との接続のための第3の接点を含む。この秩序により、測定信号における加熱電流の干渉の影響が防止される。これの欠点の1つは、作用電極当たり3つの接点を有する複雑な構造、暖かさを転用する第3接点による熱干渉、および複雑な小型化である。本発明による好適な変形の例では、直熱を可能にするブリッジ回路を介した対称的な接触が採用されている（Wachholz et al., 2007, Electroanalysis 19, 535-540、特に図3; Wachholz 2009 論文）。この場合、作用電極は、電極の表面上の温度分布が均一であるように形成できる（DE 10 2004 017 750）。 DE 10 2006 006 347は、有利な直熱可能な電極を記載している。
【００２３】
本発明によるプロセスでは、直熱型電極は、特にDE 10 2014 114 047に開示されているように、スパイラル状またはヘリックス状または網状または平面状の形態を有していてよい。
【００２４】
適切な直熱型電極は、例えば、Gensoric GmbH（Rostock、DE）から入手可能である。
【００２５】
直熱型電極は、炭素、特にガラス状炭素またはグラファイト、貴金属、特に金または白金、光学的に透明な導電性材料、特にインジウムでドープされた二酸化スズ、銅、ステンレス鋼およびニッケルを含む群から選択される電極材料からなる。
【００２６】
また、本発明の対象の１つは、先行する請求項のいずれかに記載の方法が実施されるあるいは前記方法を行うのに適切な装置であって、装置は2つの電極およびアノードとカソードの反応を分離するための膜を含むかあるいはそれらからなる、装置である。
【００２７】
反応生成物を同時に生成できる複数の反応槽を並行して稼働してよい。
【００２８】
この装置は、単回使用反応器またはリサイクルに適した反応器として構成されてよく、それに応じて使用されることができる。
【００２９】
また、本発明の対象の１つは、
a）好ましくは、CO2を炭化水素に還元する工程を触媒できる少なくとも1つの酵素が結合している、または好ましくは、CO2を炭化水素に還元する工程を触媒できる酵素と相互作用できる少なくとも1つの補因子と結合している、直熱型電極、および
b）直熱型電極と接触できる反応区画にCO2を導入するのに適した、ガス状のCO2を導入するための装置
を含む、CO2を固定することによって炭化水素を製造するための装置である。
【００３０】
前記装置は、典型的には、さらなる電極およびアノードとカソードの反応を分離するための膜を含む。
【００３１】
本発明による装置は、直熱型電極を備えた1〜10000の反応槽を含んでもよく、好ましくは100〜5000または500〜2000または800〜1200の反応槽を含む。複数の反応槽を並行して運転することができ、全体として反応生成物を生成できる。
【００３２】
この装置は、リサイクルに適した単回使用反応器または反応器として構成することができ、それに応じて使用できる。
【００３３】
ガス状CO2は、周囲の空気から使用することができ、または、精製されてもよく、例えばガスシリンダーなどから、濃縮形態で使用できる。
【００３４】
また、本発明の対象の１つは、
i）エネルギー源、好ましくは、例えば太陽光発電、流体力学的エネルギーまたは風力エネルギー、好ましくは太陽光発電に基づく再生エネルギー源、
ii）炭化水素の製造に必要なエネルギーがエネルギー源i）に由来する本発明の装置、
iii）炭化水素貯蔵装置、および
iv）必要により、電気エネルギーを生成するための炭化水素燃料電池、または
v）必要により、暖かい水または建物またはアパートメントの暖房用の熱エネルギーの製造のための炭化水素を燃焼するための装置
を含む、電気エネルギーおよび/または炭化水素の形態のエネルギーを提供するためのパワープラントである。
【００３５】
また、本発明の対象の１つは、本発明におけるパワープラントおよび、自動車、バスおよび自動二輪車を含む群から選択される車両を含み、車両は、炭化水素、好ましくはメタノールの燃焼に適した、好ましくは最適化されたエンジンを備える、システムである。
【００３６】
本発明に関して、炭化水素は、メタノール、メタン、ギ酸およびホルムアルデヒドを含む群から選択され、好ましくはメタノールである。
【００３７】
集中型のエネルギー供給から、より独立することを希望し、価格とインセンティブが不明な環境で既存の再生可能エネルギーシステム（RES）をより収益性の高いものにすることを望む住宅所有者だけでなく、このプロジェクトの結果は、RESの余剰エネルギーを蓄えること、および、小規模での主に加熱のためのエネルギー供給を確保することに役立つマイクロエネルギーシステム（MES）である。他のCO2利用およびpower-to-X貯蔵アプローチとは対照的に、本出願は住宅的利用に適しており、穏やかな周囲条件下（高圧なし、高温なし）で動作し、既存のインフラ（加熱システム）へのシームレスな統合を目的として設計されている。基礎をなす新しい電気酵素的アプローチの選択性のために、水素の電解生成の必要はない。実際には、すべての基質を環境（大気、水道水）から直接的に使用できる。
【００３８】
このプロジェクトでは、酵素反応のカスケードを利用するCO2および電気のメタノールへの電気−生体触媒変換が重要なプロセスである。得られたメタノールは、加熱システムのための燃料として使用される。外部貯蔵設備やインフラは不要である。
【００３９】
商業的実行可能性
【００４０】
エンドユーザーにとって、我々のシステムは、集中型のガスまたはエネルギー供給に対する魅力的な代替物となるであろう。システムと消耗品の年間コスト構造は、年間ガス消費のコストに匹敵するものでなければならない（参考：ドイツにおけるここ5〜10年  天然ガス10 Ct / kWh）。さらに、我々のソリューションは、再生可能源（例えば、太陽光）によって生成されたエネルギーの効率的な貯蔵を可能にする。
【００４１】
商業化パートナー、すなわち戦略的パートナーにとって、MESの単独販売に加えて消費財（酵素反応器）の繰り返される購入の需要は、2030年までにドイツで10億ポンドを超える、売上的に魅力的可能性を提示する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
本発明の文脈において、「１つの（ein）」は、特に明記しない限り、「１つ以上の（ein oder mehrere）」を意味する。
図1  プロジェクトの範囲
図2  プロジェクト活動の計画されている結果：生産性と酵素の安定性の向上
図3  コア技術 − H2Oおよび電気由来のCO2、H2をCH3OH（メタノール）などの高価値燃料に変換する電気-酵素反応器。
【００４３】
実施例
【００４４】
プロジェクトの説明
【００４５】
１．  コア技術開発活動I − 電気-酵素反応
【００４６】
我々のキーとなる反応は、導電性の直熱型電極で実施されるいくつかの工程にわたる酵素カスケードにおける、メタノール（CH3OH）などのC1有機分子の電気化学的形成である。
【００４７】
【化１】
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【００４８】
このアプローチは、例えば、以下の特徴により、新しい。
-   穏やかな条件 - 高圧または高温が必要なし、
-   酵素変換による高い選択性;
・周囲空気の大容量の流れの精製/濃縮なし
・水から直接H2を生成するためのH2O変換（O2を生成する）における電気分解なし
-  非加熱電極と比較して、直熱型電極の使用により、酵素の顕著な劣化を伴わない、より高い反応速度、より高いターンオーバー、および/または
-  ターンオーバーおよび温度の統合された電気化学的測定を通じてターンオーバーと酵素活性の直接制御が可能
【００４９】
これらの特徴は、我々のアプローチをさらなるCO2利用技術と区別し、特に小規模な応用に適したものとしている。
【００５０】
このプロジェクトのキーとなる活動は、酵素の収量および安定性の向上、すなわち寿命の増大を目標とする。現在の状況および計画されているプロジェクトの結果を図2に示す。
【００５１】
これらの目標を達成するために計画された活動は、
- 酵素の安定性および活性を増加させる（それぞれ、100および30倍）
- 酵素製造コストを下げる（目標：<10ユーロ/g）
【００５２】
3年間の先行するプロジェクトにおいて、同様の測定が成功していることが証明されている。
【００５３】
加熱電極または加熱反応媒体を用いることで酵素が増強される、科学的に証明された開発の例がある。これらの酵素は、典型的には好熱性生物に由来し、NADHサイクルにおける部分反応を触媒する[McPherson, I.J.und Vincent, K.A.; Electrocatalysis by hydrogenases: lessons for building bio-inspired device. Journal of the Brazilian Chemical Society, 2014]。
【００５４】
２．  コア技術開発活動II − 電気-酵素反応器
【００５５】
重要な反応カスケードは、特別に設計された反応器内で行われる。我々の意図するビジネスモデルのために、このプロジェクトの主な目的は、コスト効率の優れた手法（組立、酵素の配置、配線）での使い捨ての電気酵素反応器の開発と実現である。しかしながら、リサイクル可能な反応器を使用することもでき、例えば、効率の低下後、精製後に新しい酵素が電極と結合する。
【００５６】
反応器は、電気エネルギー源からの電子が電気-生体触媒反応に移動できるように、酵素が固定化されている直熱型電極を含む。これは、ビーカーガラス中の大きな面積の電極を使用することによって、または管型反応器の内部を改変することによって達成される。
【００５７】
３．  コア技術開発活動III - システム統合
【００５８】
プロジェクトの全体的な目的によれば、コア技術は既存の家庭用加熱インフラに統合できる自立型システムに統合することが好ましい。
【００５９】
基本的な機能システム：最適化された酵素カスケードは、zミリグラムの酵素触媒を用いてy時間以内にxグラムの生成物を産生できる。既存のインフラ、例えば、暖房システム、で使用するために、1日あたり5 kgのメタノールを生産することが我々の目標である。生体触媒反応のスケールアップの複雑さのために、我々はディスクリートのスケールアップ戦略に焦点を当てる。すなわち、（使い捨ての）並行して運転される電気-生体触媒反応器の数を増やす。現在の設計によれば、1000の並行する反応器は、1日あたりのエネルギー/燃料の意図された量を生み出すことができるであろう。
【００６０】
反応媒体は、例えば、パーベーパレーションユニットを用いて、生成物のメタノールから分離される。メタノールが生成され装置の内部に貯蔵される間、反応媒体は循環してポンプ輸送される。
【００６１】
４．  非加熱電極によるバイオ電気分解の比較実験
【００６２】
HF Thermalab（登録商標）（Gensoric、Ros-tock、DE）を用いて最適化生体電気分解を行う前に、CO2をギ酸に還元するための予備実験を、非加熱酵素アルギン酸電極を用いて行った。この電極を調製するために、カンジダ属（カンジダ ボイディニ(Candida boidinii)）由来のギ酸脱水素酵素の処理調製物75mgを用いた（Sigma Aldrich）。この酵素は、CO2をギ酸に還元するための作用電極として使用される炭素繊維上のアルギン酸塩に固定化された（Wagner A. Enzyme Immobilization on CO2 Reduction. 2013. Institute of Physical Chemistry）。参照電極として3 M KClを有する銀/塩化銀電極（Ag / AgCl）および対極として2mmグラファイト棒を用いた。すべての反応は、100mLの反応器中の20 mLの水性緩衝電解質溶液（0.05 M TRIS、pH7.7）中、室温で実施した。ギ酸の生体電気触媒合成のために、反応器には連続的にガス状のCO2が供給された。コントロール実験は、アルゴン飽和電解液中で、CO2の不在下で行った。酵素アルギン酸電極の機能性は、最初にサイクロボルタンメトリーによって試験され、CO2の還元ピークは約-0.8 Vであると決定された。
【００６３】
次いで、ギ酸の合成をクロノアンペロメトリーを用いて行った（表1）。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
-1Vの電圧および周囲温度での第1の予備実験では、合計0.15 mgのギ酸を生体電気触媒的手法でCO2から製造することができた。定量は、試料の酵素分析およびHPLCにより行った。第2の予備実験では、-0.8 Vの電圧を印加した。同様の収量で、CO2から0.14 mgのギ酸が得られた。
【００６６】
５．  加熱電極での生体電気分解の最適化
【００６７】
一連の実験のさらなる経過において、加熱電極におけるCO2の生体電気触媒的還元が最適化された。この場合、目標とする電極の加熱によって、固定化酵素の触媒特性に及ぼす温度の影響を分析し、酵素触媒反応のための最適なパラメーターを見出した。Gensoric社より入手可能なシステムHF ThermalabTMを実験に使用した。
【００６８】
1 mgの酵素（カンジダ属由来のギ酸脱水素酵素）を、加熱微小電極上のアルギネート懸濁液を通して固定化した。これを用いて、異なった温度（22℃、30℃、35℃、40℃、45℃）での一連のクロノアンペロメトリー測定を行った。参照電極および対電極として、比較実験における電極が使用された。実験前に、1 mgの再生補因子NADHを添加し、CO2を用いた生体電気触媒活性のための酵素微小電極の試験を周囲温度で行った。いずれの場合においても、この試験は、-0.8 Vで2〜3分間実施されたクロノアンペログラムの−320 μA〜−330 μAであった。実験中、反応器における電解質の温度を測定した。ネガティブコントロールとして、微小電極上に酵素を含まないアルギネートを用いた実験を行った。
【００６９】
比較実験では、-1.0Vおよび-0.8Vの電圧を使用した。収量の差が10％未満であり、過電圧を避けて反応器へのエネルギー投入を最小限に抑えるために、-0.8V（vs Ag / AgCl、3M Cl-に対して）の電圧を使用した。
【００７０】
すべてのクロノアンペロメトリー測定では、測定開始時に増大した電流フローが観察され、約3時間後にはそれぞれ一定のレベルに減少した。40℃の電極温度での反応の電流フローは、他の実験との比較において、さらなる反応の開始時および過程の両方において最高であり、比較的高い還元速度があるという結論が可能である。対照的に、22℃でのクロノアンペログラムは、酵素電極の最も低い電流フローを有していた。コントロール用の酵素を含まない過程では、約-30 μAの電流をほとんど示さず、反応中に約0 μAにさらに減少した。クロノアンペロメトリー測定の間、それぞれ3時間後および9時間後に反応器からサンプルを採取して、合成したギ酸についてHPLCを用いて分析した（表2）。加熱酵素微小電極を用いた全ての実験において、CO2が連続的に供給される反応器からのギ酸は、3時間後には既に検出されており、その量は9時間後に約2倍になった。このとき、電極温度が40℃のときに、最も多い量のギ酸が検出されたが、他の電極温度（22℃、30℃、35℃、45℃）の実験ではより少ないギ酸が製造された。45℃での実験を除いて、生成物の収量は連続的に電極の温度に比例して増加した。実験中、反応器中の電解質溶液の温度を連続的にモニターした。45℃の電極温度における、最高の印加された加熱電力でも、反応器内の電解質溶液は常に22℃であった（表2）。
【００７１】
【表２】
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【００７２】
議論
【００７３】
比較実験では、100 mLの反応器中、室温で9時間の過程で、クロノアンペロメトリー（-1 V; vs Ag/AgCl、3 M Cl-）によりCO2から0.15 mgのギ酸を合成することが示された。ここで、電気酵素の選択的触媒特性は、低電圧（-0.8 V; vs Ag/AgCl、3M Cl-）が印加された場合でもほぼ同じ合成力（9時間で0.14 mgのギ酸）であった。続く実験では、同様の条件下で0.05 mgのギ酸の合成に成功した。比較実験と周囲温度との最初の続く実験との間の本質的な相違点の1つは、使用される酵素の量および電極材料の性質であった。比較実験では、生体触媒として炭素繊維上に合計75 mgの酵素を固定化したが、続く実験では、Gensoric社製の加熱可能微小電極を使用し、ここでは電極表面がはるかに小さいため酵素1 mgのみが固定化された。
【００７４】
したがって、触媒の使用に関連して加熱可能な微小電極を用いた場合の収量は酵素1 mgあたり0.05 mgのギ酸で、酵素1 mgあたり約0.002 mgのギ酸を用いた比較実験と比較して、明らかに高かった。
【００７５】
使用される加熱電極の利点は、最適反応条件のための温度を電極表面で直接調整することができ、各反応器の完全な電解質溶液中の温度を維持する必要がなく、それは、すべての種類の電気触媒的プロセスのエネルギーのバランスを改善する。反応器内の温度を生体電気触媒的合成の間に連続的にモニターした。このとき、温度は常に22℃に維持されていた。これは、電解質への連続的なガス供給による連続的な混合によるものであり、周囲への暖かさの伝達を助長する。一方、加熱電極からの暖かさの一部は、固定された酵素に直接導かれ、その立体配座変化をさらに刺激することができた。
【００７６】
さらなる実験において、ギ酸の合成速度は、酵素微小電極の直熱によって最適化された。（反応の最初の3時間後におけるクロノアンペログラムによる一定の合成速度に関して）0.02〜0.03 mg/hの最高の合成の速度が35℃および40℃で生じた。比較すると、ギ酸の合成速度は、電極温度が22℃に低下しても、45℃に増加しても、どちらでも減少する。おそらく酵素微小電極での基質の取り込みと生成物の輸送と触媒反応機構の実行に必要とされる固定化された酵素のコンホメーション状態の変化はともに35℃と40℃の間で最適であり、周囲温度（22℃）と比較して6倍高くなる。文献中では、溶液中の同じ酵素の最適反応は、約60℃であると記載されていることは興味深い（Tishkov V et al., Catalytic mechanism and application of formate dehydrogenase. Biochemistry (Moscow), 2004, 69(11):1252-1267）。
【００７７】
全体で、各実験の開始時に、それぞれ、最も強い電流フローが測定された。これは、電極での反応の大部分が最初の時間に起こることを示している。これはギ酸の濃度を測定することによって確認することができた。3時間後、さらなる6時間後のさらなる実験に存在するギ酸の約半分が既に合成されていた。反応速度の低下は、生体電気触媒における生成物濃度の増加によって説明できる。これによれば、拡散効果は反応が初めより迅速に起こる原因となる。おそらく、さらにNADHの再生が、生体電気触媒反応の制限因子である。最初は、CO2の還元に十分な補助因子があったため、全ての反応は最速で行われた。さらなる過程において、補因子は、酵素反応のためにもはや使用することができない異性体に還元され、反応速度が低下した。よって、補因子の効果的な再生、例えば酵素による再生もまた、反応の効率を高めることができる。
【００７８】
同一の酵素微小電極を用いて異なる温度の実験を常に行い、各実験前の試験において1週間の期間にわたる固定化された物質の変性が観察されなかったので、9時間を超えてもギ酸の生体電気触媒的合成がさらに絶えず起こるという仮定から開始することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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