エネルギ一生産としての微生物を利用した水素製造：服部達雄

水素エネルギ システム Vo1.21， No.1， 1996

エネルギー生産としての微生物を利用した水素製造

Biological hydrogen-energy production

服 部 達 雄

Tatsuo Hattori

東 京 ガ ス ( 株 ) 技 術 企 画 部 東 京 都 港 区 海 岸 1 - 5 - 2 0 1 . は じ め に 特集 2 1世 紀 半 ば に は 世 界 の 総 人 口 は 1 0 0億 人 に 達 す る も の と 予 想 さ れ て い る が 、 こ れ だ け の 人 口 を 擁 す る 世 界 が 今 後 と も 持 続 的 発 展 を し て ゆ く 上 で の 基 本 的 課 題 で あ る エ ネ ル ギ ー 確 保 の 問 題 と 地 球 環 境 の 保 全 の 問 題 と を 同 時 解 決 す る た め の 現 実 的 ア プ ロ ー チ の 一 つ は 、 化 石 燃 料 の 使 用 を 抑 制 し 、 そ の 代 わ り に 自 然 エ ネ ル ギ ー の 使 用 を 拡 大 し て ゆ く こ と で あ る ロ 種 々 の 自 然 エ ネ ル ギ ー が エ ネ ル ギ ー 資 源 の 対 象 と し て 検 討 ・ 調 査 さ れ て い る が 、 そ の う ち の 地 熱 と 潮 汐 力 を 除 い て 、 残 り の 太 陽 熱 、 太 陽 光 、 風 力 、 水 力 、 波 力 、 海 洋 温 度 差 、 バ イ オ マ ス な ど は 全 て 太 陽 か ら 地 球 へ の 入 射 エ ネ ル ギ ー を 起 源 と し て い る 。 自 然 エ ネ ル ギ ー の 利 用 に お い て は 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 何 ら か の 手 段 ・ 媒 体 を 用 い て 捕 捉 ・ 濃 縮 し 、 我 々 の 利 用 に 好 都 合 な 形 態 へ 変 換 す る ま で の 過 程 を ど の よ う に 構 築 す る か が 問 題 で あ る が 、 こ の 過 程 の ど こ が 、 ど こ か ら ど こ ま で が 自 然 現 象 と し て 行 わ れ る か 、 ど の 段 階 に 人 為 的 手 段 を 取 り 入 れ る か に よ っ て 、 上 記 の よ う な 多 く の 自 然 エ ネ ル ギ ー 資 源 と そ の 利 用 形 態 が 考 え ら れ る こ と に な る 。 バ イ オ マ ス に お い て も 、 そ の 資 源 を ど こ に 求 め る か 、 人 工 的 に 生 産 す る の か 、 ど の よ う な 形 に し て 利 用 す る の か な ど に よ っ て 、 対 象 と す る 資 源 、 生 産 方 式 ・ 利 用 シ ス テ ム が 異 な っ て く るD そ の 一 つ が 本 稿 の 主 題 で あ る 微 生 物 を 利 用 し た 水 素 生 産 で あ る が 、 こ こ で も ど こ に ど ん な 微 生 物 を 関 与 さ せ る か に よ っ て 多 数 の プ ロ セ ス 構 成 が 考 え ら れ る ロ そ の な か で 光 合 或 微 生 物 を 用 い た 水 素 製 造 に お い て は 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 集 光 と 水 素 へ の 変 換 が 一 つ の 微 生 物 の 中 で 一 度 に 行 わ れ る と こ ろ に 特 徴 が あ るo 本 稿 に お い て は 、 こ の よ う な 自 然 エ ネ ル ギ ー ( 太 陽 エ ネ ル ギ ー ) の 利 用 の 観 点 か ら 微 生 物 を 利 用 し た 水 素 製 造 を 捉 え 、 そ の エ ネ ル ギ 一 生 産 技 術 と し て の 評 価 ・ 展 望 を 試 み る 。 2. 微 生 物 を 用 い た 水 素 製 造 の 原 理 2. 水 素 生 産 微 生 物 の 種 類 水 素 発 生 能 力 を 持 っ た 微 生 物 の う ち 、 水 素 製 造 プ ロ セ ス の 開 発 の た め に 現 在 研 究 対 象 と な っ て い る の は 、 非 光 合 成 微 生 物 の 嫌 気 性 細 菌 と 光 合 成 微 生 物 の 光 合 成 細 菌 、 藍 藻 、 緑 藻 で あ る 。 こ れ ら の 微 生 物 に よ る 水 素 生 産 の 概 要 を 表 1に示す。

水素エネルギーシステム Vo1.21， No.1， 1996 一 方 、 現 在 広 く 実 用 さ れ て い る 工 業 的 水 素 製 造 方 法 は 、 炭 化 水 素 の 水 蒸 気 分 解 と 水 の 電 気 分 解 で あ る 。 炭 化 水 素 と し て は 天 然 ガ ス や 石 油 系 ガ ス が 使 わ れ 、 低 コ ス ト な 水 素 製 造 を 実 現 し て い るo 7.K電解の 電 力 を 太 陽 電 池 発 電 に よ っ て 供 給 す る こ と も 提 案 さ れ て い る が 、 現 在 の 大 規 模 水 電 解 は 水 力 発 電 か ら の 安 価 な 電 力 に よ っ て 実 施 さ れ て い るo こ れ ら の 方 法 の 反 応 熱 力 学 を 表 2に 示 す が 、 水 素 生 成 反 応 を 進 め る の に 必 要 な エ ン タ 利用する微生物 微生物の例'】 反 応 モ デ ル エネルギー源 *'索へのエネル ギ一転換効率zl 特 徴 筏 術 課 題 表1 微 生 物 を 利 用 し た 水 素 生 産 の 概 要 藍 藻 光 合 成 細 菌 Ana凶enacy 1 indrica 紅色非硫糞細菌 踏lodobactersphaeroides H，Oぅ H，+1/20，CH，COOH+2H，O →.4H，+2CO， 太陽光 太陽光 [対太陽エネルギー] [対太陽エネルギー] 5 % (0. 1-0.5%) 1 0 % (1 -3 %) -光エネルギーによって水 -光エネルギーを駆動力と を分解する。 して有機酸を分解する。 -天然のものでは水素発生 {有機酸を供給する有機質 能力が低〈、実用不可。 原料が必要) -反応としは水素生成が容 易で、藍iIより.い水* 発生能力を示す. -水素発生能力 -菌の水素発生能力の向上 の抜本的向上 -前処理(有機感化)方法 -実用条件での高効率・大 量水素発生の持続 特集 嫌 気 性 細 菌 偏性嫌気性菌 Clostridium butyricu田 C.H， ，0.+211，0 今 4H，+2，∞+2α1，αJOH 槍類などの有機物 [対基質有機物] 4 0 % (15-20%) -嫌気性培養条件を調節す ることによって比較的高 い水素生産が可能。 -副生する有機感は光合成 細菌の基質として利用で る。{光合成細菌の前処 理工程に利用) 高 効 率 、 高 負 荷 蹴 法 l の確立 ルビー変化、

Gibbs

自由エネル(l主} ギ 一 変 化 を 、 炭 化 水 素 の 水 蒸 1)浅田泰男:サイエンスジャーナル、Vol.1 1 . No. 2. P. 1 9 (1 9 9 0) 2)筆者の推定値で‘理論的上限の目安値と現在の実現値(力ッコ内) 気 分 解 に お い て は 、 原 料 炭 化 水 素 の 一 部 を 燃 焼 さ せ る こ と に よ っ て 、 水 電 解 に お い て は 、 外 部 か ら 供 給 す る 電 力 に よ っ て 賄 っ て い る 白 こ れ に 対 し 、 嫌 気 性 細 菌 に よ る 水 素 生 産 に お い て は 、 原 料 有 機 物 自 身 の 持 つ エ ネ ル ギ ー の 一 部 が 反 応 の 進 行 の た め に 消 費 さ れ る が 、 光 合 成 微 生 物 を 用 い た 水 素 生 産 に お い て は 、 光 エ ネ ル ギ ー に よ っ て 反 応 に 必 要 な エ ン タ ル ビ ー 、 自 由 エ ネ ル ギ ー が 供 給 さ れ る 。 な お 、 藍 藻 に よ る 水 の 直 接 分 解 よ り も 光 合 成 細 菌 に よ る 有 機 酸 の 分 解 の 方 が 熱 力 学 的 に 有 利である。 藍 藻 は 、 光 エ ネ ル ギ ー を 駆 動 力 と し て 水 を 車 接 分 解 す る の で 、 原 料 資 源 の 取 得 や 立 地 場 所 に 制 約 を 受 け ず 、 ま た 環 境 調 和 性 の 観 点 か ら も 魅 力 的 あ る が 、 天 然 に 得 ら れ る も の で は 水 素 発 生 能 力 が 低 く 、 水 素 製 造 に 用 い る に は 水 素 発 生 能 力 を 抜 本 的 に 向 上 さ せ る こ と が 必 要 で あ るo 光 合 成 細 菌 は 、 光 エ ネ ル ギ ー を 駆 動 力 と し て 有 機 酸 を 分 解 し 、 水 素 を 発 生 す る の で 、 こ の 有 機 酸 を 表2 7 ) ( 繁 製 造 反 応 の 熱 力 学 水素製造方法 反 応 式 炭化水素の CH.+2H，O (g) 水蒸気分解 ーーーーラ4 H，+CO， 水の電気分解 H，O (~)一一一ぅ H ， +1/20 ， 藻類による H，O (~)一一一う H ， +1/20 ， *の分解 光合成細菌による CH.COOH+2 H，O 有機酸の分解 一一一弓シ4H，+2CO， 嫌気性細菌による C.H， ，0. +211，0 有機物の分解 一一一歩4H，+2，11CαlOHt2ωa

一

一

一

一

標準エ~tll-t・ー 標準自由工初t' -変 化 ムH

・

変 化 ムG

・

kJ/mol・H. kJ/田ol-H，! 41 28 286 237 286 237 67 1 9 22 -46 廃 水 や 廃 棄 物 の 中 の 有 機 物 を 変 換 ( 基 質 化 ) す る こ と に よ っ て 供 給 す る こ と に よ り 、 通 常 で は 利 用 で き な い 未 利 用 有 機 資 源 か ら の 水 素 製 造 が 可 能 と な る 口 嫌 気 性 細 菌 で は 、 培 養 条 件 を 調 節 す る こ と に よ っ て 、 比 較 的 容 易 に 高 い 転 換 効 率 で 水 素 が 発 生 す るo し か し 、 謙 気 性 細 菌 の み で は 有 機 物 を 完 全 に 分 解 し き れ な い の で 、 そ の 残 存 有 機 物 ( 副 生 有 機 酸 ) を 後 段 の 光 合 成 細 菌 の 基 質 と し て 利 用 す る な ど の 対 応 が 必 要 で あ る 。 嫌 気 性 細 菌 に よ る 水 素 発 生 に は 光 エ ネ ル ギ ー を 必 要 と し な い が 、 こ れ は 既 に 光 合 成 に よ っ て 光 エ ネ ル ギ ー を 蓄 え た 有 機 物 を 水 素 へ エ ネ ル ギ 一 変 換 し て い る か ら で あ るo な お 、 緑 藻 も 水 を 直 接 分 解 す る 能 力 を 持 っ て い る と も 云 わ れ る が 、 現 在 研 究 さ

-4-特集 水素エネルギーシステム Vo1.21， No.，l 1996 れ て い る 緑 藻 を 用 い た 水 素 生 産 は 、 光 化 学 的 に 生 成 し た 内 部 貯 蔵 物 質 を 介 す る 明 暗 サ イ ク ル 方 式 あ る い は 緑 藻 の 光 合 成 に よ っ て 得 た 有 機 物 を 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 発 生 の 基 質 原 料 と し て 利 用 す る 方 式 で あ る 。 2. 2 光 合 成 微 生 物 の 水 素 生 産 能 力 藍 藻 あ る い は 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 発 生 反 応 は 光 エ ネ ル ギ ー に よ っ て 駆 動 さ れ る の で 、 そ の 反 応 を 実 用 的 に 行 わ せ る に は 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 利 用 す る こ と に な る 。 藍 藻 も 光 合 成 細 菌 も 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 濃 縮 し て 、 そ の エ ネ ル ギ ー を 水 素 へ 変 換 し て い るo し た が っ て 、 こ れ ら の 水 素 生 産 反 応 に 実 用 性 を 与 え る た め に は 、 単 位 水 素 製 造 量 当 た り に 必 要 と す る 太 陽 エ ネ ル ギ ー 量 を 抜 本 的 に 減 ら す ( 逆 に 表 現 す れ ば 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 水 素 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 効 率 を 飛 躍 的 に 高 め る ) こ と が 必 要 で あ り 、 そ れ に は 菌 体 自 体 の 水 素 発 生 能 力 を 向 上 さ せ る こ と が 必 須 で あ るo 藍 藻 お よ び 光 合 成 細 菌 に つ い て の 変 換 効 率 の 理 論 的 上 限 の 試 算 を 表 3に 示 すo ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ 酵 素 系 に お い は 、 藍 藻 で 5% 程 度 が 変 換 効 率 の 上 限 と み ら れ る が 、 光 合 成 細 菌 で の 上 限 は 1 0 %程 度 と な るo し た が っ て 、 ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ 酵 素 系 に よ り 水 素 発 生 を 行 う 現 有 の 光 合 成 細 菌 に お い て も 、 そ の 菌 体 能 力 を 十 分 に 引 き 出 す こ と が で き れ ば 、 実 用 的 に 有 意 な 変 換 効 率 と な る。一方、 ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ 酵 素 系 の 導 入 が 実 現 で き れ ば 、 藍 藻 に お い て も 1 0 %以 上 の 理 論 的 上 限 値 と な り 、 極 め て 高 い 変 換 効 率 が 達 成 さ れ る 可 能 性 が あ る 。 し た が っ て 、 光 表3光合成徴生物による水繁生産の太陽エネルギ一変換効率 光合成微生物 光 合 成 細 菌 に よ る 方 法 藍 藻 類 に よ る 方 法 水素発生酵素系 現 状 酵 素 系 膏fl改良酵素系 現 状 欝 紫 系 開量改良E事素系 (ニトロゲナーセ・系) (tドロケ" H (系) (ニトロゲトr系) (tドロゲナ→.系) *=発生反応式 C H，COOH+ 2 H，Oー主ぅ H，O 7e;ぅH，+1/20，

4 H，+ 2 C O， 光エ初.r-必要量 (光量子/H，'mol) 8以上 Z厄L上 1 0以上 4以上 吸収最大波長 900nm 900nm 700n田 700nm 水素生成反応への 日射エネ糾・eの有効率 3596 3596 3096 3096 必要太陽エ.j.JI..¥-"量 (kJ/H，・目。1) 3.040kJ 7 60kJ 5.700kJ 2.280kJ 太陽エ初l"-変換効寧 9.4

九

38

九

5.0

九

12

少

。

(高位/低位} .096 296 .296 .596 注) 1)日射エネ料 有効率l立、有効波長範囲と水素への反応割合から推定した. 2) 太陽エ主的.ー変換効率I孟、得られた水素の燃焼然量を照射した太陽~*.H"告で除した値。 {高位発罪事量基準値/低位発熱量基準値)を:eす。 合 成 微 生 物 を 用 い る 水 素 生 産 に は か な り 高 い エ ネ ル ギ ー 効 率 と な る 力 が 潜 在 さ れ て い る と み ら れ るo 2. 3 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 生 産 光 合 成 リ ア ク タ に お け る 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 生 産 量 は 次 式 で 与 え ら れ る 。 《 光 合 成 リ ア ク タ の 水 素 生 産 量 ) A

x

B

x

C ここに、 A は 、 光 合 成 細 菌 自 体 が 本 来 持 っ て い る 水 素 発 生 能 力 の 項 で 、 通 常 照 射 さ れ る 光 強 度 に よ っ て 大 き く 変 化 す る Bは 、 リ ア ク タ の 培 養 効 率 の 項 で 、 実 用 の 基 質 、 実 太 陽 下 で の 連 続 運 転 あ る い は ス ケ ー ル ア ッ プ に 伴 う 微 生 物 的 、 化 学 工 学 的 要 因 な ど に よ る 水 素 発 生 の 低 下 率 で あ るo 水 素 発 生 に 最 適 な 培 養 条 件 を 追 求 し 、 副 反 応 を 抑 え 、 水 素 へ の 転 換 を 最 大 に す る こ と が 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 製 造 を 実 用 化 す る 上 で の ポ イ ン ト の 一 つ で あ るo

C

は 、 年 間 水 素 生 産 量 を 算 出 す る た め の 換 算 係 数 で 、 装 置 の 立 地 条 件 と 稼 働 率 で 決 ま っ て く る 。 光 合 成 細 菌 の 水 素 発 生 能 力 の 1例 を 図 1に 示 す 。 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 発 生 反 応 が 、 光 を 吸 収 し た と こ ろ か ら 始 ま る 逐 次 反 応 で あ る こ と か ら 、 こ の よ う な 光 飽 和 型 の カ ー ブ と な るD 光 強 度 ゼ ロ へ 外 揮 し た 変 換 効 率 が 理 論 的 上 限 値 と な る 。 こ

水素エネルギーシステム Vo1.21， No.，l 1996 の カ ー ブ を 決 め る 要 因 は 、 菌 自 身 の 中 で の 酵 素 反 応 特 性 と リ ア ク タ 内 の 菌 体 濃 度 で あ り、 リ ア ク タ の 形 式 、 形 状 は 関 係 し な いo し た が っ て 、 第 一 義 に は 菌 そ の も の の 能 力 向 上 が あ る が 、 次 に 菌 種 が 決 ま る と 、 実 プ ラ ン ト の 水 素 生 産 量 は 、 そ の プ ラ ン ト 規 模 、 運 転 条 件 に お い て Bが い く つ に な る か 、 す な わ ち 菌 自 身 の 能 力 が ど こ ま で 引 き 出 せ る か に よ っ て 決 ま る こ と に な る ロ し か も エ ネ ル ギ 一 生 産 と し て 意 味 の あ る 水 素 生 産 規 模 に お い て は 、 水 素 生 産 量 は 光 合 成 リ ア ク タ へ の 光 エ ネ ル ギ ー の 吸 収 量 に よ っ て 支 配 さ れ る の で 、 工 学 的 意 味 に お い て は 光 合 成 リ ア ク タ の 受 光 面 積 が 水 素 生 産 規 模 と 生 産 量 を 決 定 す る こ と に な るD 特集 図1 光合成細菌の水繁発生能力 (Rhodぬacterspl陪eroi島sRV) 14 -i2. 渓 10 鑓 8 主主 銀 6 首 ば 4 2 四 一 量 糊 一 件 川 綻 問 一 判 明 防 相 一

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o

200 400 600 800 1000 光 強 度 (W/m勺 3. 微 生 物 を 用 い た 水 素 製 造 プ ロ セ ス 3. プ ロ セ ス イ メ ー ジ 光 合 成 細 菌 、 嫌 気 性 細 菌 、 藍 藻 の 3つ を 単 独 、 あ る い は 組 み 合 わ せ て 構 成 し た 水 素 製 造 プ ロ セ ス の 一 覧 を 図 2に示す。 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 製 造 に は 基 質 と し て 有 機 酸 が 必 要 で あ る の で 、 そ の 原 料 を ど こ に 求 め る か に よ っ て プ ロ セ ス 構 成 、 特 徴 が 変 わ っ て く る 。 他 の 方 法 に よ っ て は エ ネ ル ギ ー 資 源 と な ら な い 廃 水 や 廃 棄 物 な ど か ら エ ネ ル ギ 一 生 産 が で き る と こ ろ に こ の 菌 の 大 き な 働 き が あ るo 通 常 、 廃 水 や 廃 棄 物 の 中 の 有 機 物 を 有 機 酸 に 転 化 す る 前 処 理 工 程 が 必 要 で あ る が 、 光 合 成 細 菌 へ 直 接 供 給 で き る 廃 水 も あ るD 嫌 気 性 細 菌 は 光 エ ネ ル ギ ー を 必 要 と せ ず に 水 素 を 発 生 す る が 、 こ れ 単 独 で は 有 機 物 を 有 機 酸 ま で し か 分 解 し な い の で 、 そ の 後 段 に 光 合 成 細 菌 を 組 み 合 わ せ た プ ロ セ ス 構 成 が 採 用 さ れるロ 藍 藻 に よ る 水 の 直 接 分 解 を 工 業 的 水 素 製 造 と し て 実 現 す る た め に は 、 水 素 発 生 酵 素 系 へ ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ を 導 入 し 、 藍 藻 の 水 素 発 生 能 力 ( 太 陽 エ ネ ル ギ 一 変 換 効 率 ) を 抜 本 的 に 高 め る と と も に 、 生 成 す る 酸 素 に よ る ヒ ド ロ 図2徴生物を用いた水素製造のプロセスコンセプト (1)光合成細菌のみでの水素製造プロセス (製議工場廃水などを基賀原料とし、これを直縫光合成細lI:~程へ供給する。) (H.) (穂含有廃水) ( 排 水 } (2)嫌気性発酵と光合成細菌との組み合わせプロセス {有償物を含有した廃水や廃棄物を嫌気性発醇させ、その残存有機酸を光合成細菌の基質とする。) (H2) (有縄性廃水) ( 排 水 ) (3)バイオマスを原料とする最も一般的水素製造プロセス (原料バイオマスの性状によっては、鎌気性発酵の前に前処理{事前分解)工干勤f必要となる.) (H.) {バイオマス) : : : : ス 臨 緑 藻 ド ( 炭 水 化 物 ) (4)藻類をIi賀原料とする水素製造プロセス (藍藻あるいは緑藻が光合成によって生産する炭水化物を水素製造の原料とする.) (H.) (5 )藍;Jiを用いた水素製造プロセス {藍藻によって水を直接分解する.厳禁分綾などのプロセスを連続的に運転するための工夫を必要とする。) (H.O)斗 藍 藻

j

→芭百一→

(H.)

-6-水素エネルギーシステム Vo1.2，1No.，l 1996 ゲ ナ ー ゼ の 被 毒 防 止 策 、 生 成 ガ ス か ら の 水 素 分 離 方 法 な ど の プ ロ セ ス 開 発 が 必 要 で あ るo しかも、 ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ 酵 素 系 の 導 入 ・ 発 現 に は 遺 伝 子 操 作 に よ る 育 種 技 術 の 完 成 が 前 提 で あ る の で 、 藍 藻 を 用 い た 水 素 製 造 は 長 期 的 取 り 組 み と な ら ざ る を え な い 。 特集 表 4 光合成微生物を用いた7K繁製造プロセスの特徴 特 徴 内 官骨~ ①[再生可能エネルギーシスァ.ム」 化石燃料に依存しない水索、エネルギーの生産である。 太陽エネルギーを水素の形ヘエネルギー変換する。 ②「ヨ転手)1用資源活用シスァム」 廃水‘廃棄物の処理と水素‘エネルギーの生産を同時に行う。 廃水、廃棄物から水素としてエネルギーを回収する。 ③「省資源プロセス」 プロセスの傭築に特別の材料・資源を必要としない。 ④「エネルギー自立プロセス」 プロセスを運転するのに外部からのエネルギー供給をほとんど 必要としない。 ⑤「付加価値生産プロセスJ 有用物質を副生することができる。 余理事j窪i体;も付加価値を待った副産物となる。 こ れ ら の プ ロ セ ス は い ず れ も 水 を 媒 体 と し て ( 水 溶 液 の 形 で ) 反 応 を 行 わ せ る の で 、 他 の 方 法 で は エ ネ ル ギ 一 回 収 の で き な い 廃 水 や 高 含 水 廃 棄 物 を 原 料 と し て 利 用 で き る 特 徴 を 持 つ 反 面 、 プ ロ セ ス か ら 排 出 さ れ る 排 水 の 処 理 が 必 要 で あ る 。 現 実 に は 光 合 成 細 菌 工 程 に 続 い て 活 性 汚 泥 処 理 工 程 を 付 設 す るo な お 、 光 合 成 微 生 物 を 用 い た 水 素 製 造 プ ロ セ ス の 特 長 を 表 4に示す。 3. 2 バ イ オ マ ス 利 用 と の 関 係 地 球 へ 降 り 注 ぐ 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 全 量 は 確 か に 膨 大 で あ る が 、 地 表 面 で 受 け る 太 陽 エ ネ ル ギ ー 密 度 は い か ん せ ん 希 薄 で あ るo こ の 希 薄 さ を い か に 低 コ ス ト で 克 服 す る か が 太 陽 エ ネ ル ギ 一 利 用 の ポ イ ン ト で あ り 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 捕 集 す る た め に 必 要 と す る 土 地 面 積 か ら プ ラ ン ト 規 模 が 規 制 さ れ る こ と に な る 。 光 合 成 微 生 物 を 用 い た 水 素 生 産 に お い て も 、 太 陽 エ ネ ル ギ 一 変 換 効 率 を で き る か ぎ り 高 め る の は 勿 論 の こ と 、 プ ロ セ ス 全 体 と し て 太 陽 光 受 光 面 積 の 削 減 を 図 る こ と が 実 用 性 を 高 め る 上 で 重 要 で あ るo 光 合 成 細 菌 へ 供 給 す る 基 質 を バ イ オ マ ス か ら 製 造 す る と す る と 、 そ の バ イ オ マ ス が 蓄 積 し た 太 陽 エ ネ ル ギ ー が 水 素 へ 変 換 さ れ る こ と に な り 、 そ の 分 だ け 少 な い 太 陽 エ ネ ル ギ ー 量 で 水 素 を 生 産 す る こ と が で き る こ と に な り 、 所 要 の 受 光 面 積 が 小 さ く な るo こ こ に 、 光 合 成 細 菌 へ の 基 質 製 造 に 嫌 気 性 細 菌 を 用 い る 、 光 合 成 細 菌 と 嫌 気 性 細 菌 と の 組 み 合 わ せ プ ロ セ ス が 当 面 の 実 用 化 の タ ー ゲ ッ ト と し て 考 え る 理 由 が あ る 。 現 在 嫌 気 性 細 菌 へ の 供 給 原 料 と し て 考 え ら れ て い る も の は 比 較 的 分 解 の し や す い 廃 水 類 で あ る が 、 将 来 木 質 系 な ど の 難 分 解 性 バ イ オ マ ス の 前 処 理 技 術 が 開 発 さ れ る な ら ば 、 原 料 範 囲 が 格 段 に 拡 大 さ れ 、 光 合 成 細 菌 の 利 用 が 有 力 な エ ネ ル ギ 一 生 産 手 段 に な る も の と 期 待 さ れ る 。 ま た 、 藻 類 の 光 合 成 能 力 を 高 め 、 そ の 生 産 物 を 光 合 成 細 菌 へ の 基 質 原 料 と す る こ と も 有 力 な オ プ シ ョ ン で あ るo 4. 考 4. 環 境 調 和 性 の 評 価 光 合 成 細 菌 を 用 い た 水 素 生 産 は 、 水 素 生 産 と 同 時 に 廃 水 ・ 廃 棄 物 を 処 理 で き る こ と か ら 地 域 環 境 対 策 と な り う る こ と と 、 原 理 的 に は 化 石 燃 料 を 必 要 と し な い こ と か ら 地 球 温 暖 化 対 策 に 結 び つ く こ と と の 両 面 か ら 環 境 調 和 性 が あ る も の と み ら れ るo そ こ で 、 プ ラ ン ト の 建 設 か ら 運 転 ま で の 化 石 燃 料 由 来 の 二 酸 化 炭 素 発 生 量 を 指 標 察 表5 水素製造プロセスの C02排出量の試算例 (k 9 ・CO，/m'.水素) 生 物 的 水蒸気改質 太 陽 電 池 + 水 繁 製 造 による方法 電 気 分 解 建 設 時 O. 1 0 0.07 0.35 運 転 時 0.17 0.99 計 0.27 1.06 0.35

水素エネルギーシステム Vo1.21， No.1， 1996 特集 と し た 環 境 調 和 性 の 評 価 ( L C C Ozに よ る 評 価 ) を 試 み 、 い く つ か の 仮 定 を 入 れ た 、 予 備 的 試 算 で は あ る が 、 表 5に 示 す よ う に 、 炭 化 水 素 の 水 蒸 気 分 解 に 比 べ 、 は る か に C 0 2排 出 量 が 少 な く 、 地 球 温 暖 化 対 策 と し て の 地 球 環 境 調 和 性 の 備 わ る 可 能 性 が 十 分 に あ る こ と が 確 か め ら れ たo 4. 2 他 の エ ネ ル ギ 一 回 収 方 法 と の 比 較 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 製 造 の 特 徴 の 一 つ は 、 廃 水 や 汚 泥 な ど の 、 燃 焼 に よ っ て は エ ネ ル ギ 一 回 収 の で き な い 、 高 含 水 有 機 質 資 源 か ら エ ネ ル ギ ー を 回 収 ・ 濃 縮 で き る こ と で あ るo こ の よ う な 高 含 水 _{表6微生物による有機物からのエネルギー生産の比較} 廃 棄 物 か ら ガ ス 体 エ ネ ル ギ ー を 回 収 す る 、 同 類 の 方 法 で あ る メ タ ン 発 酵 に 比 較 し て 、 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 生 産 に お い て は 、 表 6 に み ら れ る よ う に 、 有 機 酸 か ら 水 素 へ の 反 応 に お い て 光 エ ネ ル ギ ー が 取 り 込 ま れ る 分 だ け 、 バ イ オ マ ス か ら の エ ネ ル ギ 一 回 収 率 が 理 論 的 に 高 く な るo さらに、 得 ら れ た ガ ス を 燃 料 電 池 の 燃 料 に 利 用 す る と す る と 、 メ タ ン よ り も 水 素 の 方 が 発 電 効 率 が 高 い の で 、 本 方 式 の 水 素 製 造 の 方 が 全 体 の エ ネ ル ギ ー 効 率 に 優 れ る こ と に な るo (高位発熱量基準での比較) 1モルのゲlI-J-A 方 式 反 応 式 から得られるエ ネルギー量 有償物の C.H日0.+60，一一ーシ6CO，+6 H，O 2.803kJ 直後燃焼 (670kcall メタン発静 C.H..O.ァ一歩3COけ3CH. 2. 67 2kJ 3CH.+60，一→3CO，+6 H，O (638kcall アルコール発醇 C.H..O. --72 C，H.OH+ 2 C 0， 2. 73 5kJ 2C，H.OH+60， -ーーう4CO.+6H，O (653kcall

嫌気性発醇に C.H"O.+ 2 H，O よる水素生産 一-'74H，+2 C H.COOH+ 2 C 0， 1.143kJ 4H，+60，一一)う4H，O (273kcall 嫌気性発酵 C.H"O.+ 2 H，O + ー一一歩4H，+2CH.COOH+2CO，3.430kJ 光合成細菌 2CH.COOH+4H，O -ーーヨシ8H，+4CO，(8 1 9kca}) 12H，+60，一一ーラ12H，O 4. 3 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 生 産 の 実 用 性 の 見 通 し 環 境 調 和 性 を 備 え る だ け で な く 、 水 素 製 造 コ ス ト に お い て も 実 用 性 を 具 現 す る た め に は 、 光 合 成 細 菌 の 光 エ ネ ル ギ 一 変 換 効 率 が 大 幅 に 高 ま る こ と 、 前 処 理 か ら 光 合 成 リ ア ク タ ま で の 設 備 コ ス ト が 相 当 に 低 下 す る こ と 、 廃 水 処 理 や 副 産 物 ・ 余 剰 菌 体 か ら の ペ イ パ ッ ク が あ る こ と 、 な ど が 必 要 で あ る ロ こ れ ら の 解 決 も 最 終 的 に は 技 術 に 帰 せ ら れ る の で 、 今 後 の 研 究 開 発 の 進 展 が 待 た れ る 。 コ ス ト と と も に エ ネ ル ギ ー 技 術 と し て 重 要 な こ と は 、 そ の 技 術 が 提 供 で き る プ ラ ン ト 規 模 と 全 エ ネ ル ギ 一 生 産 量 で あ るo 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 生 産 に は 有 機 物 を 含 ん だ 廃 水 や 廃 棄 物 を 光 合 成 細 菌 の 基 質 原 料 と し て 必 要 と す る こ と か ら 、 そ れ ら 原 料 の 発 生 場 所 に プ ラ ン ト の 立 地 が 制 約 さ れ 、 そ れ ら の 原 料 の 発 生 量 に よ っ て プ ラ ン ト 規 模 が 規 制 さ れ る ロ し た が っ て 、 廃 水 ・ 廃 棄 物 の 処 理 と の 複 合 目 的 を 持 っ た 、 個 別 ・ 分 散 立 地 型 水 素 製 造 技 術 と し て の 普 及 が 当 面 見 込 ま れ る 。 将 来 的 に は 、 基 質 化 技 術 の 進 展 に 伴 い 、 適 用 で き る 原 料 範 囲 が 拡 大 し 、 エ ネ ル ギ ー 技 術 と し て の 地 位 が 高 ま っ て ゆ く も の と 期 待 さ れ る 白 5. 結 1=1 バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー を 水 素 / エ ネ ル ギ 一 生 産 に 応 用 し 、 そ れ を 最 終 的 に は 産 業 技 術 と し て 実 現 す る に は 、 微 生 物 そ の も の の 水 素 発 生 能 力 を 向 上 さ せ る 基 礎 的 研 究 と そ の 能 力 を 実 用 条 件 下 に お い て 十 分 に 引 き 出 す 生 物 化 学 工 学 技 術 の 開 発 が 必 要 で あ るo -8

水素エネルギーシステム Vo1.21. No.1.1996 特 集 前 者 に お い て は 、 遺 伝 子 操 作 に よ る 育 種 ・ 改 良 が 有 力 な ア プ ロ ー チ 方 法 で あ り 、 後 者 に お い て は 、 副 反 応 を 抑 え 、 水 素 を 選 択 的 に 発 生 さ せ る 培 養 技 術 と そ れ を 行 う 光 合 成 リ ア ク タ の 工 学 が 鍵 で あ るo こ の 両 者 の 研 究 開 発 が 単 独 に で は な く 、 互 い に 連 係 し て 進 展 し て こ そ 、 水 素 / エ ネ ル ギ ー の 分 野 で バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー が 花 開 く こ と が で き る 。 こ の 両 分 野 に 関 連 す る 世 界 の 専 門 家 が 結 集 し 、 水 素 と い う 、 魅 力 あ る エ ネ ル ギ ー を 現 実 の も の と さ れ る こ と を 期 待 す る も の で あ る 。 な お 、 本 研 究 開 発 は 、 新 エ ネ ル ギ ー ・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 の 委 託 研 究 「 環 境 調 和 型 水 素 製 造 技 術 研 究 開 発 」 の 一 部 と し て 実 施 し た も の で あ るo 参 考 文 献

1. Kazuhisa Miyamoto : Hydrogen Production by Photosynthetic Bacteria and Micralgae、 RECOMBINANT MICROBES FOR INDUSTRIAL AND AGRICULTURAL APPLICATIONS、edited by Yoshikatsu Murooka and Tadayuki Imanaka、

Marce 1 Dekker. 1 nc.• New Yor託、 (1994)、 p.7 7 1ー 7 8 6

2. J.Miyake and S.Kawamura: EFFICIENCY OF LIGHT ENERGY CONVERSION TO HYDROGEN BY THE PHOTOSYNTHETIC BACTERIUM RHODOBACTER SHAEROIDES 、

1 n t. J. Hydrogen Energy 、 Vol. 1 2、 No.3、p.1 4 7 - 1 4 9 (1 9 8 7 ) 3. 三 宅 淳 : 水 素 発 酵 : バ イ オ マ ス か ら 水 素 生 産 、 微 生 物 、 Vol.3、開 o.6、 p. 4 2 - 4 9 (1 9 8 7 ) 4. 宮 本 和 久 、 三 浦 喜 温 : 微 細 藻 類 に よ る エ ネ ル ギ ー お よ び 化 学 物 質 の 生 産 、 PETROTECH、 Vol. 1 2、 No. 1 1、p.9 1 0 - 9 1 5 (1 9 8 9 ) 5. 三 宅 淳 : 光 合 成 細 菌 を 用 い た 光 水 素 生 産 、 サ イ エ ン ス ジ ャ ー ナ ル 、 Vol.1 1、 No.1、p.2 0 - 2 4 (1 9 9 0 ) 6. 浅 田 泰 男 : 微 細 藻 類 に よ る 水 素 生 産 、 サ イ エ ン ス ジ ャ ー ナ ル 、 Vol. 1 1、 No. 2、 p. 1 9 - 2 5 (1 9 9 0 ) 7. 三 宅 淳 : 光 合 成 独 立 栄 養 微 生 物 、 化 学 と 生 物 、 Vol. 3 0、 No. 9、 p. 5 9 7ー 6 0 3 (1992) 8. 宮 坂 均 他 : 微 細 藻 類 等 を 用 い た 水 素 発 生 技 術 、 第4回 地 球 環 境 保 全 関 係 産 業 技 術 開 発 促 進 事 業 に 係 る 研 究 交 流 会 要 旨 集 、 ( 財 ) 地 球 環 境 産 業 技 術 研 究 機 構 (平成 6年 10月)、 P. 2 9 - 3 2 9. 服 部 達 雄 : 環 境 調 和 型 水 素 製 造 技 術 研 究 開 発 、 本 部 研 究 室 ・ プ ロ ジ ェ ク ト 室 研 究 成 果 報 告 会 要 旨 集 、 ( 財 ) 地 球 環 境 産 業 技 術 研 究 機 構 ( 平 成 7年 1 1月)¥ P. 3 3 - 3 6 1 O. 平 成 6年 度 地 球 環 境 産 業 技 術 研 究 開 発 事 業 新 エ ネ ル ギ ー ・ 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 委 託 環 境 調 和 型 水 素 製 造 技 術 研 究 開 発 成 果 報 告 書 ( 財 ) 地 球 環 境 産 業 技 術 研 究 機 構 ( 平 成 7年 3月)