連携講座（電力中央研究所）

連携講座（ 電力中央研究所 ）Collaborative Divisions（ Central Research Institute of Electric Power Industry ）バイオエコマネジメント学分野 Biotechnical Eco-management

バイオテクノロジー・バイオシステムを利用した地球温暖化の緩和と適応対策

We are engaged in Biotechnical Eco-management research for mitigation of Green House Gases (GHGs). The
development of efficient microbial processes to produce useful products from waste biomass is a promising routethat is expected to contribute to mitigation of GHGs.
We applied the electrochemical cultivation system for a butanol-producing bacterium, Clostridium
acetobutylicum. An electron as reducing power was supplied to C. acetobutylicum by electrolysis from a working
electrode at -0.7V (Ag/AgCl). Addition of electron to cell inhibited glucose consumption and increased butanolproduction. By a reduction of electrolysis time for 10 min at mid-phase, avoidance the inhibition of glucose
consumption and increase of butanol production by two times was established.  We also aimed at examining theincreased efficiency of the microbial conversion of glycerol, a by-product of biodiesel production, to ethanol using
electrochemical cultivation. We examined the conversion of waste glycerol by a microbial consortium and attempted
to isolate the target microorganism.In an anaerobic culture bottle, we dissolved 2 types of waste glycerol in 100
mL of a microbial consortium to achieve a final concentration of 10 g/L. The suspensions were incubated at 30
degree C for 3 weeks. Therefore, the conditions for microbial activity on both types of waste glycerol were thesame as those for microbial activity on pure glycerol. Furthermore, microbial activity was enhanced up to 1.3-1.5
times by using potential-controlled cultivation at -0.6 V (vs Ag/AgCl). We proposed the novel electrochemical
cultivation system for biorefinery processes in these ways.

客員准教授

Visiting Professor

Visiting Associate Professor

渡部 良朋

Yoshitomo Watanabe

松本 伯夫

Norio Matsumoto

抑制された。そこで、通電条件を検討した結果、グルコーする微生物属を明らかにした。

ス消費中期に短時間（10 分）通電し電子を供給することにより、グルコース消費の抑制を回避しつつ、ブタノール生産量および収率を最大で非通電時の約 3 倍向上させることができた（Fig.-1）。

（1）廃液中グリセロールのエタノールへの変換

商業的なディーゼル燃料変換の際に生じた 2 種類のグリセロール廃液は、成分として 40 ～ 45％程度のグリセロールを含み、それ以外に微生物の生育を阻害しうる不純物を含有していた。しかしながら、変換における微生物への阻害効果は小さく、グリセロール純品使用時と同様のエタノールへの変換が生じ、グリセロール廃液に対してもその有用性が確認できた。更に、培養に通電した場合では、30Fig.1 Effect of electron supply on butanol production by Clostridium
acetobutylicum in the electrochemical cultivation method.

～ 50％高いグリセロールの変換が観察された。

（2）網羅的代謝産物分析によるブタノール生産促進メカニ
ズムの推定（ Central Research Institute of Electric Power Industry）
Collaborative Divisions

Utilizing biotechnology and bio-system as global warming mitigation and adaptation measures.

客員教授

細胞内の全代謝産物を網羅的に分析し、通電時と非通電時で比較することで代謝に対する通電の効果を評価した。
東日本大震災を挟んだここ数年、世界や日本の各地で起こる経済危機、紛争、自然災害等は、社会がとるべき地球温暖化問題への対応の基本姿勢である、エネルギー安全保障、経済性、環境保全（3E）の同時達成を困難なものとした。
では、社会がとるべき新たな選択はどのようなものであるから、研究開発を進めた。

電気を用いた革新的微生物変換技術の開発～還元力の供給によるブタノール増産とそのメカニズム～

NADH が増加する一方で、NADH を消費するアミノ酸など菌体構成成分の合成は抑制されることが明らかとなった。この結果は、細胞内の代謝がブタノール生産に適した状態に変化したことを示唆する。ブタノール生産の促進は

Fig.2 Enhancement of waste glycerol conversion to ethanol by electrochemicalcontrol/cultivation method of microorganism.

微生物の発酵機能を利用した、再生可能資源である未利電子の供給効果だけではなく、細胞内代謝がブタノール生世界的にも国内的にも、長期的な温室効果ガス（Green用バイオマスからのバイオ燃料生産が注目されている。エ

産に適した状態へなったことに起因すると推定された。

House Gases:GHGs）排出削減の見通しが不透明なうえ、タノールより単位容量当たりのエネルギー価が高く次世代今後は、廃棄物系バイオマス（グリセロール、セルロー

温暖化対策の水準が不確実な状況が長期に亘る中で、社会バイオ燃料として期待されているブタノールは微生物の発ス）の変換に電気化学的な代謝制御手法を適用し、その有はいかに地球温暖化問題に対応するべきか。その対応策の酵により生産されるが、生産に時間がかかる、生産反応に効性を評価する。

一つとして、再生可能エネルギー（≒新エネルギー）や省必要である還元力が不足するため生産性が低い、という問エネルギーを最大限に進めることがある。しかしながら、題がある。これまでに、電気化学的に微生物によるブタノー

新エネルギーや省エネルギーには、普及を妨げるもの＝ル生産を早めることに成功しているが、一方、細胞外から「ギャップ」と「バリア」が存在する。新エネ・省エネの電気化学的に還元力（電子）を供給することができれば、ブギャップやバリアを克服するために、戦略的な「技術設計」

タノール生産に適した代謝を促進し、ブタノール収率を向植物由来油からのディーゼル燃料変換の際に生じるグリ

今後は、廃液中グリセロールを対象としたエタノール変や「研究開発」、そして「制度設計」が重要となる。

上できる可能性がある。このため、電気化学的に電子を供セロール廃液の有効利用策として、微生物によるエタノー換の培養工学的な最適化、エネルギー収支の評価を検討し、給することによるブタノール収率向上への効果を明らかにルへの変換に着目し、自然界から新たに取得したグリセ変換プロセスとしての成立性を調べる。

した。

ロール変換微生物群によりグリセロール純品からエタノーか。その選択に関する様々な議論が、始まっている。

バイオエコマネジメント学分野では、新エネルギー・省エネルギーや資源リサイクルについてバイオテクノロジーやバイオシステム、環境計測技術の研究開発を行っている。

電気を用いた未利用バイオマスからの物質生産～実廃液を対象としたグリセロール変換微生物の活性評価～る。一方、グリセロール廃液は種々の不純物も含むため、有用物質生産やエネルギー回収への適用することを最終目菌として Clostridium

acetobutylicum を対象とした電気的促進作用は不明であり、更に変換活性を担う微生物属も標として、その技術的可能性を示してきた。2012 年では、培養を実施した。電気化学的にメチルビオロゲンを介して明らかでない。そこで、グリセロール変換微生物群による電気を用いた革新的微生物変換技術の開発、さらに、電気電子を常時供給しながら培養を行ったところ、非通電時に実廃液中グリセロールのエタノールへの変換及びその電気を用いた未利用廃棄物系バイオマスからの物質生産の視点比べてブタノール収率は向上したが、グルコースの消費が的促進の可能性を検証するとともに、群中の変換活性を有気を利用した “ 電気培養法 ” を廃棄物系バイオマスからのCoexistence Activity Report 2012（2）
グリセロール変換活性を有する微生物の解明

グリセロール変換微生物群から活性を有する細菌を単離した結果、Paenibacillus 属の近縁種で未同定株であった。
この菌は実廃液中でも増殖が確認されており、微生物群中において、グリセロールのエタノールへの変換を担う重要な菌であると考えられた。

ルへの変換を電気的に促進できることを既に報告してい（1）電極から電子を供給することによるブタノール収率の向上

これまで、新エネの一つバイオマスに関わり、微生物と電64

その結果、通電の効果として、細胞内の主な還元力であるモデル基質としてグルコースを使用し、ブタノール生産

実廃液を対象としたエタノールへの微生物変換、及び電気

アクティビティレポート 201265