Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 9, No. 2, 65–68, 2009

総説（特集）

超好熱菌による廃棄バイオマスからの連続水素生産
Continuous Hydrogen Production by the Hyperthermophile Thermococcus kodakaraensis KOD1
今中忠行

TADAYUKI IMANAKA
立命館大学生命科学部 〒 525–8577 滋賀県草津市野路東 1–1–1
TEL: 077–561–5811 FAX: 077–561–5811
E-mail: imanaka@sk.ritsumei.ac.jp
Department of Biotechnology, College of Life Sciences, Ritsumeikan University, 1–1–1 Noji-Higashi, Kusatsu, Shiga 525–8577, Japan
キーワード：バイオマス，バイオガス，水素生産，超好熱菌，連続培養，遺伝的改良
Key words: biomass, biogas, hydrogen production, hyperthermophile, Thermococcus kodakaraensis
KOD1, continuous culture, genetic improvement（原稿受付 2009 年 10 月 8 日／原稿受理 2009 年 11 月 2 日）

1.

はじめに菌を利用することにより，この廃棄バイオマスからクリーンエネルギーである水素を効率的に生産することが可能になってきた事例を紹介したい。

世界人口の急激な増加により，食料，エネルギーに加えて環境問題が重要な人類の課題になっている。毎年日
本では約 5 億トンの廃棄物が出ているが（図 1）（環境省環境白書），そのうち食品加工工場から廃棄されているバイオマスは年間約 1,136 万トンであり，1 トンの処理費用は約 25,000 円であるから約 4,300 億円の費用がかかっている。食品関連産業における廃棄物の再資源化については 2000 年に「循環型社会形成推進基本法」が，2001 年には「食品リサイクル法」が制定・施行された。
またバイオマスの利活用を発展させることと，地球温暖化防止のため，2002 年に「バイオマス・ニッポン総合戦略」が閣議決定され，2005 年には「京都議定書」が発効した。これらは地球温暖化の防止と循環型社会の形成に向け，貢献するものと思われる。本稿では，超好熱

水素ガスは，①単位重量あたり高い燃焼エネルギー（29,000 kcal/kg） を 発 生 し， ② 燃 焼 に よ り CO2, NOx,SOx を排出しないクリーンエネルギーであり，③燃料電池の動力源であり直接かつ高効率に電気エネルギーへ変換可能である。水素ガス製造の現状は天然ガスの水蒸気改質法であり，このような化石燃料の使用は地球温暖化につながる。これに対し，持続可能な将来のためには，再生可能なエネルギー源を利用した水素生産法の開発が急務である。その要請に応えるのが微生物による水素生産である（図 2）。具体的には，光合成水素生産と

図1

図22.

微生物による水素生産の試み

66

今

発酵水素生産の 2 つが考えられる。光合成水素生産には光合成細菌や藍藻などが考えられるが，水素生産量は受光面積に比例するため大量生産には大面積が必要になりスケールアップが困難である。さらに夜間や雨天では満足に機能しないのが欠点である。これに対し，発酵水素生産には Clostridium 属，Enterobacter 属などの（通性）嫌気性細菌の使用が考えられる。これらは光合成微生物と比較して高い水素生産速度を有しており，昼夜・天候には関係なく水素の連続生産が可能であり，未利用バイオマスや有機性廃棄物を水素生産に利用可能である。しかし，常温菌を利用しようとしても廃棄物中の雑菌に汚染されうまくいかないのが現状である。そこで超好熱菌が水素生産の候補と考えられるのである。
3.

超好熱菌

私たちは 1993 年に鹿児島県小宝島の温泉から超好熱始原菌（Thermococcus kodakaraensis KOD1 株）を分離した（図 3）1)。本菌は 60〜100°C で生育する嫌気性菌であり，細胞は直径が約 1 μm の不定球菌で複数の鞭毛を有 し て い る 始 原 菌 で あ っ た。 こ の ゲ ノ ム サ イ ズ は20,880,737 塩基対（大腸菌染色体の半分以下）であり，2,300 個程度の遺伝子をコードしていることも判明した2)。DNA チップを用いたトランスクリプトーム解析や，特異的遺伝子破壊法を開発するなどにより，多くの新しい酵素や代謝経路を発見することができた。その結果，比較的簡単な代謝経路を利用して，水素を生産できるこ
3)。すなわち，デンプン（グルコーともわかった（図 4）ス 1 モル＝ 180 g）から 2 モルのピルビン酸を生成する過程で 2 モルの水素を生産し，さらにピルビン酸から 2モルの酢酸を生成する過程でさらに 2 モルの水素を生産するので，計 4 モル（約 90 リットル）の水素生産が可能である。炭素源としてピルビン酸を与えた場合には，酢酸への酸化過程で等モルの水素が生産できる。さらに本菌は遺伝子破壊（交換）系が確立しているので 4)，水素を消費する還元的代謝系を破壊することにより，さらに効率的な水素生産も期待できる5)。

中4.

超好熱菌による水素生産食品加工工場の廃棄ジャガイモデンプンを利用する場
合，85°C での高温培養のメリットとして，①雑菌汚染の予防，②デンプンの糊化（クッキング），③燃料電池への導入が効率的であること，などが挙げられる。さらに培養の開始時には加熱して 85°C にしなければならないが，いったん培養が定常になると発酵熱が出るのと自然放熱のため，冷却水がほとんど不要であるのも利点である。
実際に，基本培地［MT-YT］（3）にデンプンを添加して 85°C（増殖最適温度）で回分培養した場合，デンプンの消費とともに菌体量が増加し，水素と炭酸ガスが2：1 の割合で発生した（図 5）。得られたバイオガスを燃料電池に導入すれば発電できる（図 6）。一般に微生物の代謝産物は，増殖と密接に連動した代謝により得られる 1 次代謝産物と，微生物増殖とは直接連動しない 2次代謝産物に大別されるが，ここで得られる水素は，菌体増殖と連動しているので一次代謝産物であることがわかる。それならば，水素の連続生産のためには，常に微生物が増殖し続けている連続培養が適当であろうということになる（図 7）。すなわち新鮮培地を連続的に培養槽内に供給し，同速度で培養液を引き抜くと，一定の比

図4

図3

図567

超好熱菌による廃棄バイオマスからの連続水素生産増殖速度を維持することができるのである。希釈率（D）＝液供給速度（F）÷培養液量（V），で定義されるから，希釈率＝ 1〜2 h–1 であれば，平均滞留時間はそれぞれ1〜0.5 時間となる。なお一定の希釈率で連続培養を続けると，やがてすべての変数が一定になるいわゆる定常状態が得られる。この場合，希釈率（D）＝比増殖速度［μ＝（1/X）
・（dX/dt）］となることが理論的に導ける。
したがって，希釈率を変えることにより，微生物の増殖活性を制御できるという利点もある。通常，あまりにも液供給速度を大きくすると微生物の増殖が追いつかず，やがて微生物が洗い流されてしまうことになり，この現象を wash out という。なお本菌の場合の wash out point
は D=0.9 h–1 であった。
5.

水素の連続生産

本菌を長期間にわたって連続培養した結果を図 8 に示す。希釈率 0.2 h–1 を出発点として，徐々に流量を上げて定常状態での水素生産速度を比較したデータであるが，希釈率 D=2.3 h–1 で最大値を示した。本菌の washout point が D=0.9 h–1 であったから，比較的早く実験が終了するだろうと思っていたが，希釈率を高めていってもなかなか wash out しなかった。培養終了後，発酵槽を開いたところ，バイオフィルムを形成した菌の固まりが認められた（図 8）。本菌は比較的バイオフィルムを形成しやすい特徴を有しているので，担体（スポンジ）を培養槽に設置し，微生物濃度を高く維持することを試みた。担体に形成されたバイオフィルムの電子顕微鏡観察結果を図 9 に示す。小さな微粒子が超好熱菌である。
担体の有無による水素連続生産量を比較したのが図 10である。担体の効果が顕著であることが分かる。最大の水 素 生 産 速 度 は， 毎 時， 培 養 液 1 L 当 た り 0.7 L（ 約35 m mol）であった。さらに最適の培養条件を設定した
ところ，水素生産量がさらに向上し，毎時，培養液 1 L
当たり 1.1 L（約 50 m mol）の水素を生産し続けることが可能となった。このニュースは読売新聞でも報道された（図 11）。
6.

メタン発酵よりはるかに高効率で安価

従来の廃棄物からのエネルギー回収法では，通常メタン発酵法が採用されてきた。それは常温では水素生産微生物が雑菌により淘汰されてしまい，安定に培養するこ

図6

図8

図7

図9

68

今とができず結局メタン発酵しか連続的に安定運転することができなかったためである。メタン発酵の平均滞留時間は約 30 日であるのに対し，超好熱菌連続培養の希釈率が 1〜2 h–1 であるから平均滞留時間は 1 時間から 30分間になり，われわれが行ってきた水素生産発酵法の方が約 700〜1,400 倍の高効率になる。したがって発酵装置も約千分の一になるため初期投資額が大幅に減額される。またメタン発酵法で得られたメタンは別のプロセスを使って水素に変換しなくてはならないから無駄なエネルギーを使っていることにもなる。メタンから変換された水素中には硫化水素・一酸化炭素・アンモニアなどが含まれているので，燃料電池に導入するに際してこれら中の不純物を除去しなくてはならないから，高価なものにならざるを得ない。これに対し，超好熱菌により生産されるガスは水素 2；炭酸ガス 1 の割合であるから簡単に炭酸ガスを除去できるし，不純物は混在しないので燃料電池も比較的安価になると考えられる。ここで示したよ
うに，処理費用がかかっていた廃棄デンプンからの効率的水素生産は，環境問題とエネルギー問題を同時に解決する一石二鳥の方法であり，未来の新エネルギー開発の期待を担っている。
7.

おわりに食品工場からの廃棄物を有効な炭素源として利用し水素を生産する試みは興味深いものである。またノンス
ラッジ排水処理と併用すれば，その効果はさらに大きくなると予想される。その場合の試算によれば，コストは約 1/5 にまで低減するという。また炭酸ガスの排出枠売買（CO2 削減価格）が 1 トン当たり約 1200 円になると試算（環境省，2007 年 10 月）されている。国内での食品系廃棄物（1,136 万トン）は毎年約 4,300 億円を支払っているので，その 4/5 である 3,440 億円が削減されることになり，約 2 億 8,670 万トンの CO2 減に相当することになる。
文1）Atomi, H., T. Fukui, T. Kanai, M. Morikawa, and T. Imanaka.
2004. Description of Thermococcus kodakaraensis sp. nov., awell studied hyperthermophilic archaeon previously reported
as Pyrococcus sp. KOD1. Archaea. 1: 263–267.
2）Fukui, T., H. Atomi, T. Kanai, R. Matsumi, S. Fujiwara, and T.
Imanaka. 2005. Complete genome sequence of the hyperthermophilic archaeon Thermococcus kodakaraensis KOD1 andcomparison with Pyrococcus Genomes. Genome Res. 15:352–363.
3）Kanai, T., H. Imanaka, A. Nakajima, K. Uwamori, Y. Omori, T.
Fukui, H. Atomi, and T. Imanaka. 2005. Continuous hydrogenproduction by the hyperthermophilic archaeon, Thermococcus kodakaraensis KOD1. J. Biotechnol. 116: 271–282.
4）Sato, T., T. Fukui, H. Atomi, and T. Imanaka. 2003. Targeted
gene disruption by homologous recombination in the hyperthermophilic archaeon Thermococcus kodakaraensis KOD1.
J. Bacteriol. 185: 210–220.
5）跡見晴幸，金井保，今中忠行．2008．超好熱菌育種技術の開発と水素生産能の向上．バイオインダストリー．25（8）：29–36．

図 10

図 11

2008 年 3 月 10 日

献読売新聞