リンゴを用いた水素ガス製造方法
【課題】病原性微生物を使用せず、種菌や活性汚泥などの発酵スターターを用いる必要もなく、バイオマスであるリンゴからバイオ水素の産生を行う方法を提供する。
【解決手段】水素発酵のための種菌をバイオマスに投与することなく、リンゴ搾り粕およびリンゴ汁、もしくはそれらの混合物を発酵させて水素ガスを生産する方法であり、種菌投与の作業が無くても発酵し、管理に関する手間の省略化を実現できる。また、発酵に関与する微生物は非病原性であるため、安全に発酵・水素製造・後処理作業を行うことができる。
【解決手段】水素発酵のための種菌をバイオマスに投与することなく、リンゴ搾り粕およびリンゴ汁、もしくはそれらの混合物を発酵させて水素ガスを生産する方法であり、種菌投与の作業が無くても発酵し、管理に関する手間の省略化を実現できる。また、発酵に関与する微生物は非病原性であるため、安全に発酵・水素製造・後処理作業を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスであるリンゴ搾り粕、リンゴジュース、また、それらの混合物を原料として、非病原性細菌を用いて発酵させ、水素を得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油などの化石燃料の消費は大気中の二酸化炭素量を増加させ、地球温暖化を引き起こすとされている。これにより、カーボンニュートラル効果が得られることから、石油代替エネルギー源としてバイオマスを利用する方法が注目されている。
【０００３】
なかでもバイオマス由来の水素は燃料電池の反応ガス等としても利用可能であり、発電時に生成する物質が水のみであるためクリーンなエネルギー物質とされ注目されている。
【０００４】
バイオマスからの水素産生は、水素発酵を行う微生物により行うことが可能である。水素産生に用いられる微生物としては、クロストリジウム属菌や、エンテロバクター属菌、大腸菌属等の嫌気性細菌がある。しかしながらこれらの菌の多くはバイオセーフティレベルが２と病原性を有しており、発酵工程時の安全性に注意を要するものがほとんどである。
【０００５】
また光合成細菌も水素発酵を行うことが知られているが、発酵には光エネルギーの供給が必要であり、太陽光を利用した場合は日中の晴天時にしか効率的に発酵しないという問題点がある。また、シアノバクテリアやクロレラ等も水素を産生することで知られているが、水素発生速度が遅く、実用化が困難であるとされている。
【０００６】
バイオマスの種類としては様々なものがあるが、未利用バイオマスの一つとしてジュース製造時のリンゴ搾り粕（加工残渣）や、規格外や売れ残り等で農業廃棄物であるリンゴの活用も重要であるとされている。しかしながら、一部飼料粕としての利用はあるものの、バイオマスエネルギーとしての利用はほとんど報告されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電子とイオンと機能化学シリーズ，Ｖｏｌ．４，「固体高分子燃料電池のすべて」，第４節，バイオマス水素製造，ｐ２３４，監修者 田村英雄，担当著者 谷生重晴，２００３年１０月１日，初版，（株）ＮＴＳ発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は病原性微生物を使用せず、種菌や活性汚泥などの発酵スターターを用いる必要もなく、バイオマスであるリンゴからバイオ水素の生産を行うことができる方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、リンゴ果実を搾ったときの搾り粕とリンゴ汁のうち、前記搾り粕又は前記リンゴ汁のいずれか一方又は両方を含有し、ｐHが７以上のアルカリ性に調整された培養液を、前記リンゴ果実に付着する常在細菌によって発酵させて水素ガスを放出させる水素ガス製造方法である。
また、本発明は、前記培養液をｐH６．５以上に調整する水素ガス製造方法である。
また、本発明は、前記培養液を３０℃以上の温度に維持する水素ガス製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
売れ残りのリンゴ果実や、リンゴ果実の搾り粕等のリンゴの農業廃棄物から水素ガスが得られる。
リンゴ果実の常在菌であるRhodosporidium属の酵母を利用して発酵するので、活性汚泥や種菌など外部から細菌を投与する工程が必要ない。
Rhodosporidium属の至適であるｐH７以上又はｐH７付近で発酵させると水素ガス集率が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の水素ガス製造方法を実施できる水素収集装置の一例
【図２】リンゴ培養液の種類による培養日数と気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図３】光と気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図４】ｐHと気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図５】滅菌処理と発酵との関係を示すグラフ
【図６】ブドウ、桃の培養日数と気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図７】サン津軽（長野産)のｐＨと気体発生量の関係を示すグラフ
【図８】高ｐＨでの水素ガス発生状況を示すグラフ
【図９】低ｐＨで水素ガスが発生する場合の例を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
天然のリンゴには常在菌として、酵母であるRhodosporidium toruloidesがリンゴ果実に付着しており、常在菌を利用するため、バイオマス材料であるリンゴには消毒や加熱・殺菌・滅菌処理を施さず、その天然リンゴの常在菌を利用して水素発酵を行わせる。
【００１３】
リンゴ搾り粕およびリンゴジュース、もしくはそれらの混合物から成る培養液は通常ｐＨが４〜５程度の範囲であるが、このｐＨを７付近に調整することで、Rhodosporidium属の酵母が水素発酵できるような環境とし、発酵に供する。
本発明では、リンゴ搾り粕には、リンゴの皮の部分が含まれており、リンゴジュース（リンゴ搾り汁）は、リンゴ果実の皮を含む粉砕物を搾って取得している。
【００１４】
リンゴ搾り粕およびリンゴジュース、もしくはそれらの混合物を、水とともに容器に入れる（以下、発酵溶液）。このリンゴ搾り粕およびリンゴジュース、もしくはそれらの混合物中には常在菌であるRhodosporidium toruloidesが含まれており、種菌や活性汚泥等の発酵スターターを添加する必要性がない。発酵溶液のｐＨは、未調整の場合は４〜５程度である。
【００１５】
この条件では水素発酵が行われないため、ｐＨをRhodosporidium toruloidesが水素発酵を行う条件であるｐＨ７付近に調整して３０℃程度の温度を維持しながら、２４〜２００時間程度放置すると、この発酵溶液から気体が発生する。発生した気体の中には水素と二酸化炭素とが含まれており、水素ガス(H2)濃度は３０〜８０％程度である。この水素濃度は、燃料電池を駆動させるのに十分な濃度であり、この発酵溶液から得られる気体を利用した発電、すなわちバイオマスエネルギーの利用が可能となる。発酵を行う際には、水素収集速度の観点からは、発酵液の温度は１０℃以上４０℃以下の範囲に維持することが望ましく、２０℃以上３５℃以下の範囲に維持することが、一層望ましい。
【００１６】
また、発酵を行うために培養液の濃度は所望の値に調整できるが、１ｇの搾り粕を３３０ｍＬの水に分散・溶解した培養液(０．３％)から、リンゴジュースを希釈しない培養液(１００％)まで、任意の濃度の培養液を発酵させて水素産生を行うことが可能である。
但し、効率を考えた場合、１０ｇの搾り粕を３００ｍＬの水に溶解した濃度(３％)以上の濃度の培養液が望ましい。
【００１７】
水素貯蔵には、例えば、図１に記載した水素収集装置１０を用いることができる。
この水素収集装置１０は、発酵槽１２と捕集槽２２を有しており、発酵槽１２には、天井となる部分は蓋１３によって閉塞されている。
蓋１３には、捕集配管３２の一端が接続され、捕集配管３２の他端は、捕集槽２２の内部に導入され、他端の先端の開口１８が捕集槽２２の底面の略中心の上方に配置されている。
発酵槽１２内に、ｐＨ調整された培養液１５が配置され、発酵して水素が発生すると、捕集配管３２を通って、開口１８から捕集槽２２内に放出される。
【００１８】
開口１８の上方には、下端が捕集槽２２の上端よりも下方に配置された貯蔵塔２３が配置されている。貯蔵塔２３の下端は開放され、容器状にされており、予め捕集槽２２に捕集水１６を注入し、貯蔵塔２３の下端を、注入した捕集水１６の水面化の位置に浸漬させておくと、開口１８から放出された水素は、捕集水１６内を泡となって上昇し、水上置換によって、貯蔵塔２３内に捕集される。水素が捕集されると、その体積に応じて生じた浮力によって、貯蔵塔２３が上昇する。
【００１９】
貯蔵塔２３の上方に向けられた底面には、サンプル管３４の一端が接続され、貯蔵塔２３に貯蔵された水素は、サンプル管３４内を流れて燃料電池２６の内部に導入されるようになっている。
サンプル管３４の途中には、コック３３が設けられており、開口１８から放出された水素を貯蔵塔２３の内部に貯蔵するときには、コック３３を閉じておき、貯蔵された水素で燃料電池２６を動作させるときには、コック３３を開け、貯蔵塔２３が重力で下降するときの圧力が貯蔵塔２３内部の水素に印加され、その圧力で水素が燃料電池２６に導入される。
【００２０】
燃料電池２６の燃料極３６と酸素極３７とには、ファンモータ２７が接続されており、燃料電池２６に水素が供給されて発電され、ファンモータ２７に電圧が印加されると、ファンモータ２７に接続されたプロペラが回転するようになっている。
【００２１】
従って、プロペラの回転により、発酵槽１２内での発酵による水素の発生から、貯蔵塔２３による捕集を経て燃料電池２６にて発電するまでの結果を視認することができるので、水素収集装置１０は、リンゴの廃棄物を再利用するための教材としても用いることができるし、水素収集装置１０を大型化すれば、廃棄物リサイクルによるエネルギーの多様化に寄与することもできる。
【実施例】
【００２２】
リンゴ１個を水で軽く洗ってから４つに包丁で切断し、食品用のすりおろし器ですり下ろした。すり下ろしたリンゴは３００ｍＬ容のガラスビーカー内にてプラスチック製ネット（台所用水切りネット）を用いて搾りとり、この搾り粕を試験に供した。なお、すり下ろしの作業は手の常在菌からのコンタミネーションを防ぐ目的で、ゴム手袋をはめて実施した。
【００２３】
調製した搾り粕１０ｇを容積３００ｍＬのガラス製三角フラスコ内に入れて脱イオン水を３３０ｍＬ投入した。これにＫＨ2ＰＯ4を０．２８ｇ、Ｋ2ＨＰＯ4を０．２４ｇ、ＨＮａＣＯ3を０．４９ｇ（割合はＫＨ2ＰＯ4０．８５ｇ、Ｋ2ＨＰＯ4０．７５ｇ、ＨＮａＣＯ3１．５ｇ／１Ｌとなる）投入し、ｐＨを７付近に調製された培養液を作製した（上記試薬を投入するだけで、ｐＨ７付近となる）。また、培養前後の液体のｐＨはｐＨメーター（（株）堀場製作所「Ｂ−２１２」）にて測定した。
【００２４】
この溶液の入った三角フラスコにテフロンチューブ（テフロンは登録商標）を接続したシリコン栓を差し込み、三角フラスコを照明によって３０℃付近（実測温度３１℃）の温度に昇温させ、調整した恒温槽（水槽を利用、水は使用せず）内にフラスコを置き、培養液中の微生物を培養し、発酵させた。またテフロンチューブ（テフロンは登録商標）の先端を水の入れた水槽内に沈め、チューブ先端から発生した気体をガラス製メスシリンダー内に水上置換することで、発生気体の捕集を行った。
【００２５】
培養日数と気体発生量の積算値との関係を図２に示す。サンフジのリンゴを使用した培養液と、フジのリンゴを使用した培養液とを、滅菌せずに別々に発酵させて発生気体を捕集した。
培養液からは１〜２日後から気体の発生が確認できた。
【００２６】
メスシリンダー内に捕集した気体は、プラスチック製シリンジにて回収し、その後ガラスシリンジで空気によって１００倍希釈してから、水素濃度を検知管法（水素検知管 Ｕ型 光明理化学工業（株）社製）にて水素濃度を測定した。測定した発生気体中の水素濃度を希釈前の濃度に換算すると、５０％であった。
【００２７】
さらに、シリンジで回収した発生気体は、１０ｍＬを燃料電池に投入し、接続したファンモーターが駆動するかどうかについても確認した。駆動時間は、サンフジの場合は６分２秒、フジの場合は７分１１秒であった。
発生した気体を燃料電池に投入することで、ファンの駆動から発電が確認できた。これより、バイオマスであるリンゴから電気エネルギーを取り出せることが確認できた。
なお、燃料電池の水素投入口は２ヵ所あるが、投入に使用しない側の投入口には、投入した水素が燃料電池から拡散しないように、シリンジを別途接続しておいた。
【００２８】
一方、比較対照として滅菌処理（高圧蒸気滅菌処理）したリンゴからも培養液を作成し、同じ条件で発酵を試みたが、気体は発生しなかった。これより、リンゴ中に含まれている微生物が水素発酵し、水素が産生されていることが確認できた。
また、リンゴバイオマスに加熱等の消毒・殺菌・滅菌処理等をおこなうと、常在菌が死滅するため、発酵が行われず水素産生が見られないことがわかった。
【００２９】
＜光試験＞
フジのリンゴジュースで３０％の濃度のものを用い、ｐＨを６．５に調整して培養液を作製した。この培養液は、培養液を配置した発酵容器を遮光して発酵させたときと、光照射しながら発酵させたときとで、それぞれ気体発生量を測定した。培養液は３０℃に維持して発酵させた。
【００３０】
培養日数と気体発生量の積算値との関係を図３に示す。光照射の有無にかかわらず気体は発生している。この結果から、水素産生が光合成細菌によるものではないことがわかる。発生気体の水素濃度は、光照射したときには３０％、光照射しなかったときには２５％であった。
発生気体をシリンジで１０ｍＬ抽出し、燃料電池に注入して動作させると、ファンモーターの回転時間は、光照射したときの発生気体の時と光非照射のときとで、１０分以上であった。
【００３１】
＜ｐH試験(１)＞
次に、フジのリンゴの搾り粕１０ｇを脱イオン水３３０ｍLに投入し、ｐＨを４．９、７．０、７．２にそれぞれ調整した培養液を作製し、各培養液を３０℃で発酵させた。ｐH４．９はｐH未調整である。
【００３２】
初発（発酵開始時）のｐＨ値と気体発生量の積算値との関係を図４に示す。ｐＨ未調整の４．９では気体発生が確認されなかったが、ｐＨ７付近（ｐＨ調整）では気体が発生し、水素濃度はｐH７．０の培養液では４０％、ｐH７．２の培養液では４５％であった。これより、リンゴバイオマスはｐＨ未調整の場合は水素産生がみられないが、ｐＨを中性域に調整することにより、水素を産生させることが可能であることがわかった。
得られた発生気体をシリンジで５ｍL抽出し、燃料電池に注入して動作させると、ファンモーターは１０分以上回転した。
【００３３】
＜発酵微生物の同定＞
気体発生中の発酵溶液（発酵後４８時間）を一部採取し、これをリンゴ寒天培地（リンゴ果汁をｐＨ６．７に調整してから滅菌して調整した寒天平板培地。寒天濃度は１．５％）に塗沫して、発酵溶液中の微生物の釣菌を試みた。その結果、塗沫７２時間後には寒天培地上に多数の赤色コロニーおよび少量の白色コロニーが確認された。
【００３４】
発酵溶液中の赤色菌数は５×１０4個／ｍＬ程度、白色菌数は２×１０2個／ｍＬ程度であった。生えてきたコロニーの大半は赤色菌であったことから、水素産生に寄与している微生物は赤色菌と考え、この赤色菌の同定を試みた。
【００３５】
赤色菌のＤＮＡを抽出し、ＰＣＲ法によりLarge subunit rRNAのＤ２領域のＤＮＡを増幅した。増幅したＤＮＡについてABI PRISM 310 Genetic Analyzer(Life technologies corporation)を用いて塩基配列を解析した。得られた配列を国際塩基配列データベース(DDBJ/EMBL/Genbank)に登録されている配列およびMicroseq ID Analysis Software Version 2.0(Life technologies corporation)のデータベースと相同性検索を行い、近縁種との系統樹を近隣結合法（ＮＪ法）により作成した。
【００３６】
その結果、Rhodosporidium toruloidesともっとも相同性が高く、その相同性は９９．４４％であった。この結果から、発酵溶液中の主要微生物である赤色菌はRhodosporidium toruloidesであることがわかった。Rhodosporidium toruloidesは植物、土壌、空気、動物、海水等から分離され、その不完全時代はRhodotorula rubescensである。
【００３７】
滅菌リンゴの搾り汁の３０％、ｐH６．７の培養液に、Rhodosporidium toruloidesのコロニーを３白金耳投入し、３０℃で培養したところ、図５に示すとおり、気体が発生し水素も確認された。水素ガス濃度は３０％であった。(図５のグラフでは、発酵開始３日目から８日目の間は、データを取得していない。)
発生気体をシリンジで５ｍＬ抽出し、燃料電池に注入して動作させると、ファンモーターの回転時間は２分３０秒であった。
同じ培養液にコロニーを投入せずに３０℃で培養した比較対象では、水素は発生しなかった。
【００３８】
以上の結果により、リンゴバイオマス由来の水素発生にはRhodosporidium toruloidesが寄与していることが確認できた。
Rhodosporidium toruloidesはバイオセーフティレベルが１であり病原性がないとされている。これから、本微生物を用いたバイオ水素の産生は、発酵・水素製造・後処理作業時において、安全性が高いと言える。
【００３９】
＜発生ガスの解析＞
発生したガスを検知管法にて解析をおこなった。結果の例を下記表１に示す。検知管はいずれも光明理化学工業株式会社製である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１の結果は、複数回測定したときの測定結果例を示している。測定のタイミングや使用したリンゴの試験ロットは同一ではない。
ただし、水素、二酸化炭素が主要な発生ガスであり、硫化水素、酢酸、エチレン、アルコール類、アンモニアはほとんど含まれていないことがわかる。
【００４２】
発生ガス中には燃料電池の触媒被毒原因物質である硫化水素が含まれていないことから、燃料電池への投入ガスとしては利点がある。アンモニア等の有害ガスも含まれていないことから、安全上も利点が高い。
【００４３】
＜発酵前後の発酵溶液中の糖質・有機酸・エタノール濃度＞
発酵前後の発酵溶液中の糖質・有機酸濃度を測定した。
測定結果は、下記表２に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
本試験時には４０％の水素を含む気体が６５ｍＬ産生した。
各成分は酵素法（ロシュ社 Ｆ−ｋｉｔ）にて測定した。その結果、ショ糖、麦芽糖、グルコース、フルクトースの糖質およびリンゴ酸は発酵前には比較的高濃度で含まれていたが、発酵後には著しく減少していることが確認できた。一方、エタノール、Ｌ／Ｄ−乳酸、酢酸は発酵前にはほとんど含まれていなかったが、発酵後には著しく増加していることが確認できた。この結果から、発酵溶液中では糖質およびリンゴ酸を栄養源として微生物が利用し、それにより水素発酵、エタノール発酵、乳酸発酵、酢酸発酵が行われていることがわかる。
ｐＨは、発酵前は７．１であったが、発酵後は５．８にまで低下していた。これは、発酵により酢酸、乳酸などの有機酸が生成したことによることがわかる。
【００４６】
＜水素産生速度＞
本発明における水素産生速度は、試験条件にも左右されるが、事例としては２２ｍｍｏｌ／Ｌ．ｈ程度の結果が得られている。文献によると、非病原性である水素産生微生物の産生速度は、Oscillatoria sp.（ヨレモ）で０．４、Anabaena cylindrical（シアノバクテリア）で１．２、Rhdopseudomonas capslata（光合成細菌）で５．３ｍｍｏｌ／Ｌ．ｈであった。これから、本発明による水素産生速度は非病原性微生物としては優れていることがわかる。また、病原性微生物においては、Clostridium beijerinkii（偏性嫌気性菌）で１７、Enterobacter aerogenesで３６ｍｍｏｌ／Ｌ．ｈとなっており、本発明より早いケースはあるものの、本発明の方法は非病原性でありながらこれらの病原性微生物による産生速度とくらべても十分に比較可能なものであることがわかる。
【００４７】
＜比較例＞
天然リンゴに替え、ブドウと桃についても、果実に付着している常在細菌によって発酵させた。その結果を図６に示す。
桃、ブドウについて気体が発生したが、桃の発生気体は７５％の水素ガス濃度が検出されていたが、ブドウの発生気体には水素は検出されなかった。
ブドウについては、巨峰についての搾り粕４０ｇを脱イオン水３３０ｍLに投入し、桃については白桃の搾り粕２０ｇを脱イオン水３３０ｍLに投入し、ｐHを８．０にして培養液をそれぞれ作成し、３０℃で発酵させた。
【００４８】
桃、ブドウの発生気体をシリンジで５ｍL抽出して燃料電池に注入して動作させたところ、ファンモーターの回転時間は桃の発生気体では１０分以上であり、ブドウの発生気体では、回転しなかった。
なお、水素発生を確認した時点では、発酵に寄与した常在細菌の特定はできていない。
【００４９】
＜ｐH試験(２)＞
リンゴの産地と種類を変え、水素発生の試験を行った。
試験結果を下記表３に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
上記表３から、発酵開始時のｐＨの値は、６ｐＨ以上８ｐＨ未満であれば、水素発生が可能なことが分かる。
次に、長野県産の「サン津軽」のリンゴの搾り粕１０ｇを３００ｍＬの水に溶解し、濃度(３％)で、ｐＨ値が４．９、５．８、７．０、７．９の四種類の培養液を作成し、発酵させた。培養温度は３０℃にした。
【００５２】
各培養液についての培養日数と気体発生量積算値の関係を、図７に示す。図中の数値は、各培養液についての、発生ガス中の水素ガス濃度と、サンプル気体によるモータ回転時間とを示す値である（シリンジで５ｍL注入)。これらの試験結果から、ｐＨ５以上ｐH８未満の培養液について、水素発生が確認されている。
【００５３】
次に、長野産に替え、会津産「サン津軽」のリンゴで、長野産と同じ濃度、体積で異なるｐＨ値５．８、７．０、８．０、９．１の培養液を作成し、長野産と同じ条件で発酵させた。
その培養液の培養日数と気体発生量の積算値との関係を図８に示す。シリンジへの注入量は５ｍLである。ｐH７．０の培養液は水素ガス発生が確認できたが、ｐH５．８と、ｐH８〜９の培養液については水素ガス発生は確認できなかった。
【００５４】
次に、低ｐH値でも、大量の水素ガスが発生する例を示す。
図９は、青森産のリンゴ「フジ」の搾り汁３０％、ｐH６．５の培養液を光を照射して発酵させたときと、遮光して発酵させたときの、培養日数と気体発生量の積算値との関係を示すグラフである。光照射したときの水素ガス濃度は３０％、遮光したときの水素ガス濃度は２５％であった。シリンジで１０ｍＬ注入したときのモータ駆動時間は、それぞれ１０分以上であった。
このグラフの例から分かるように、ｐH６．５のときでも、水素ガスが大量発生する場合はある。
以上のことにより、水素ガス発生には、培養液のｐH値は６以上８未満、発生量を考慮すると、６．５以上８．０未満が望ましい。
【符号の説明】
【００５５】
１０……水素収集装置
１２……発酵槽
２３……貯蔵塔
２６……燃料電池
２７……ファンモータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスであるリンゴ搾り粕、リンゴジュース、また、それらの混合物を原料として、非病原性細菌を用いて発酵させ、水素を得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油などの化石燃料の消費は大気中の二酸化炭素量を増加させ、地球温暖化を引き起こすとされている。これにより、カーボンニュートラル効果が得られることから、石油代替エネルギー源としてバイオマスを利用する方法が注目されている。
【０００３】
なかでもバイオマス由来の水素は燃料電池の反応ガス等としても利用可能であり、発電時に生成する物質が水のみであるためクリーンなエネルギー物質とされ注目されている。
【０００４】
バイオマスからの水素産生は、水素発酵を行う微生物により行うことが可能である。水素産生に用いられる微生物としては、クロストリジウム属菌や、エンテロバクター属菌、大腸菌属等の嫌気性細菌がある。しかしながらこれらの菌の多くはバイオセーフティレベルが２と病原性を有しており、発酵工程時の安全性に注意を要するものがほとんどである。
【０００５】
また光合成細菌も水素発酵を行うことが知られているが、発酵には光エネルギーの供給が必要であり、太陽光を利用した場合は日中の晴天時にしか効率的に発酵しないという問題点がある。また、シアノバクテリアやクロレラ等も水素を産生することで知られているが、水素発生速度が遅く、実用化が困難であるとされている。
【０００６】
バイオマスの種類としては様々なものがあるが、未利用バイオマスの一つとしてジュース製造時のリンゴ搾り粕（加工残渣）や、規格外や売れ残り等で農業廃棄物であるリンゴの活用も重要であるとされている。しかしながら、一部飼料粕としての利用はあるものの、バイオマスエネルギーとしての利用はほとんど報告されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電子とイオンと機能化学シリーズ，Ｖｏｌ．４，「固体高分子燃料電池のすべて」，第４節，バイオマス水素製造，ｐ２３４，監修者 田村英雄，担当著者 谷生重晴，２００３年１０月１日，初版，（株）ＮＴＳ発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は病原性微生物を使用せず、種菌や活性汚泥などの発酵スターターを用いる必要もなく、バイオマスであるリンゴからバイオ水素の生産を行うことができる方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、リンゴ果実を搾ったときの搾り粕とリンゴ汁のうち、前記搾り粕又は前記リンゴ汁のいずれか一方又は両方を含有し、ｐHが７以上のアルカリ性に調整された培養液を、前記リンゴ果実に付着する常在細菌によって発酵させて水素ガスを放出させる水素ガス製造方法である。
また、本発明は、前記培養液をｐH６．５以上に調整する水素ガス製造方法である。
また、本発明は、前記培養液を３０℃以上の温度に維持する水素ガス製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
売れ残りのリンゴ果実や、リンゴ果実の搾り粕等のリンゴの農業廃棄物から水素ガスが得られる。
リンゴ果実の常在菌であるRhodosporidium属の酵母を利用して発酵するので、活性汚泥や種菌など外部から細菌を投与する工程が必要ない。
Rhodosporidium属の至適であるｐH７以上又はｐH７付近で発酵させると水素ガス集率が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の水素ガス製造方法を実施できる水素収集装置の一例
【図２】リンゴ培養液の種類による培養日数と気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図３】光と気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図４】ｐHと気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図５】滅菌処理と発酵との関係を示すグラフ
【図６】ブドウ、桃の培養日数と気体発生量の積算値との関係を示すグラフ
【図７】サン津軽（長野産)のｐＨと気体発生量の関係を示すグラフ
【図８】高ｐＨでの水素ガス発生状況を示すグラフ
【図９】低ｐＨで水素ガスが発生する場合の例を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
天然のリンゴには常在菌として、酵母であるRhodosporidium toruloidesがリンゴ果実に付着しており、常在菌を利用するため、バイオマス材料であるリンゴには消毒や加熱・殺菌・滅菌処理を施さず、その天然リンゴの常在菌を利用して水素発酵を行わせる。
【００１３】
リンゴ搾り粕およびリンゴジュース、もしくはそれらの混合物から成る培養液は通常ｐＨが４〜５程度の範囲であるが、このｐＨを７付近に調整することで、Rhodosporidium属の酵母が水素発酵できるような環境とし、発酵に供する。
本発明では、リンゴ搾り粕には、リンゴの皮の部分が含まれており、リンゴジュース（リンゴ搾り汁）は、リンゴ果実の皮を含む粉砕物を搾って取得している。
【００１４】
リンゴ搾り粕およびリンゴジュース、もしくはそれらの混合物を、水とともに容器に入れる（以下、発酵溶液）。このリンゴ搾り粕およびリンゴジュース、もしくはそれらの混合物中には常在菌であるRhodosporidium toruloidesが含まれており、種菌や活性汚泥等の発酵スターターを添加する必要性がない。発酵溶液のｐＨは、未調整の場合は４〜５程度である。
【００１５】
この条件では水素発酵が行われないため、ｐＨをRhodosporidium toruloidesが水素発酵を行う条件であるｐＨ７付近に調整して３０℃程度の温度を維持しながら、２４〜２００時間程度放置すると、この発酵溶液から気体が発生する。発生した気体の中には水素と二酸化炭素とが含まれており、水素ガス(H2)濃度は３０〜８０％程度である。この水素濃度は、燃料電池を駆動させるのに十分な濃度であり、この発酵溶液から得られる気体を利用した発電、すなわちバイオマスエネルギーの利用が可能となる。発酵を行う際には、水素収集速度の観点からは、発酵液の温度は１０℃以上４０℃以下の範囲に維持することが望ましく、２０℃以上３５℃以下の範囲に維持することが、一層望ましい。
【００１６】
また、発酵を行うために培養液の濃度は所望の値に調整できるが、１ｇの搾り粕を３３０ｍＬの水に分散・溶解した培養液(０．３％)から、リンゴジュースを希釈しない培養液(１００％)まで、任意の濃度の培養液を発酵させて水素産生を行うことが可能である。
但し、効率を考えた場合、１０ｇの搾り粕を３００ｍＬの水に溶解した濃度(３％)以上の濃度の培養液が望ましい。
【００１７】
水素貯蔵には、例えば、図１に記載した水素収集装置１０を用いることができる。
この水素収集装置１０は、発酵槽１２と捕集槽２２を有しており、発酵槽１２には、天井となる部分は蓋１３によって閉塞されている。
蓋１３には、捕集配管３２の一端が接続され、捕集配管３２の他端は、捕集槽２２の内部に導入され、他端の先端の開口１８が捕集槽２２の底面の略中心の上方に配置されている。
発酵槽１２内に、ｐＨ調整された培養液１５が配置され、発酵して水素が発生すると、捕集配管３２を通って、開口１８から捕集槽２２内に放出される。
【００１８】
開口１８の上方には、下端が捕集槽２２の上端よりも下方に配置された貯蔵塔２３が配置されている。貯蔵塔２３の下端は開放され、容器状にされており、予め捕集槽２２に捕集水１６を注入し、貯蔵塔２３の下端を、注入した捕集水１６の水面化の位置に浸漬させておくと、開口１８から放出された水素は、捕集水１６内を泡となって上昇し、水上置換によって、貯蔵塔２３内に捕集される。水素が捕集されると、その体積に応じて生じた浮力によって、貯蔵塔２３が上昇する。
【００１９】
貯蔵塔２３の上方に向けられた底面には、サンプル管３４の一端が接続され、貯蔵塔２３に貯蔵された水素は、サンプル管３４内を流れて燃料電池２６の内部に導入されるようになっている。
サンプル管３４の途中には、コック３３が設けられており、開口１８から放出された水素を貯蔵塔２３の内部に貯蔵するときには、コック３３を閉じておき、貯蔵された水素で燃料電池２６を動作させるときには、コック３３を開け、貯蔵塔２３が重力で下降するときの圧力が貯蔵塔２３内部の水素に印加され、その圧力で水素が燃料電池２６に導入される。
【００２０】
燃料電池２６の燃料極３６と酸素極３７とには、ファンモータ２７が接続されており、燃料電池２６に水素が供給されて発電され、ファンモータ２７に電圧が印加されると、ファンモータ２７に接続されたプロペラが回転するようになっている。
【００２１】
従って、プロペラの回転により、発酵槽１２内での発酵による水素の発生から、貯蔵塔２３による捕集を経て燃料電池２６にて発電するまでの結果を視認することができるので、水素収集装置１０は、リンゴの廃棄物を再利用するための教材としても用いることができるし、水素収集装置１０を大型化すれば、廃棄物リサイクルによるエネルギーの多様化に寄与することもできる。
【実施例】
【００２２】
リンゴ１個を水で軽く洗ってから４つに包丁で切断し、食品用のすりおろし器ですり下ろした。すり下ろしたリンゴは３００ｍＬ容のガラスビーカー内にてプラスチック製ネット（台所用水切りネット）を用いて搾りとり、この搾り粕を試験に供した。なお、すり下ろしの作業は手の常在菌からのコンタミネーションを防ぐ目的で、ゴム手袋をはめて実施した。
【００２３】
調製した搾り粕１０ｇを容積３００ｍＬのガラス製三角フラスコ内に入れて脱イオン水を３３０ｍＬ投入した。これにＫＨ2ＰＯ4を０．２８ｇ、Ｋ2ＨＰＯ4を０．２４ｇ、ＨＮａＣＯ3を０．４９ｇ（割合はＫＨ2ＰＯ4０．８５ｇ、Ｋ2ＨＰＯ4０．７５ｇ、ＨＮａＣＯ3１．５ｇ／１Ｌとなる）投入し、ｐＨを７付近に調製された培養液を作製した（上記試薬を投入するだけで、ｐＨ７付近となる）。また、培養前後の液体のｐＨはｐＨメーター（（株）堀場製作所「Ｂ−２１２」）にて測定した。
【００２４】
この溶液の入った三角フラスコにテフロンチューブ（テフロンは登録商標）を接続したシリコン栓を差し込み、三角フラスコを照明によって３０℃付近（実測温度３１℃）の温度に昇温させ、調整した恒温槽（水槽を利用、水は使用せず）内にフラスコを置き、培養液中の微生物を培養し、発酵させた。またテフロンチューブ（テフロンは登録商標）の先端を水の入れた水槽内に沈め、チューブ先端から発生した気体をガラス製メスシリンダー内に水上置換することで、発生気体の捕集を行った。
【００２５】
培養日数と気体発生量の積算値との関係を図２に示す。サンフジのリンゴを使用した培養液と、フジのリンゴを使用した培養液とを、滅菌せずに別々に発酵させて発生気体を捕集した。
培養液からは１〜２日後から気体の発生が確認できた。
【００２６】
メスシリンダー内に捕集した気体は、プラスチック製シリンジにて回収し、その後ガラスシリンジで空気によって１００倍希釈してから、水素濃度を検知管法（水素検知管 Ｕ型 光明理化学工業（株）社製）にて水素濃度を測定した。測定した発生気体中の水素濃度を希釈前の濃度に換算すると、５０％であった。
【００２７】
さらに、シリンジで回収した発生気体は、１０ｍＬを燃料電池に投入し、接続したファンモーターが駆動するかどうかについても確認した。駆動時間は、サンフジの場合は６分２秒、フジの場合は７分１１秒であった。
発生した気体を燃料電池に投入することで、ファンの駆動から発電が確認できた。これより、バイオマスであるリンゴから電気エネルギーを取り出せることが確認できた。
なお、燃料電池の水素投入口は２ヵ所あるが、投入に使用しない側の投入口には、投入した水素が燃料電池から拡散しないように、シリンジを別途接続しておいた。
【００２８】
一方、比較対照として滅菌処理（高圧蒸気滅菌処理）したリンゴからも培養液を作成し、同じ条件で発酵を試みたが、気体は発生しなかった。これより、リンゴ中に含まれている微生物が水素発酵し、水素が産生されていることが確認できた。
また、リンゴバイオマスに加熱等の消毒・殺菌・滅菌処理等をおこなうと、常在菌が死滅するため、発酵が行われず水素産生が見られないことがわかった。
【００２９】
＜光試験＞
フジのリンゴジュースで３０％の濃度のものを用い、ｐＨを６．５に調整して培養液を作製した。この培養液は、培養液を配置した発酵容器を遮光して発酵させたときと、光照射しながら発酵させたときとで、それぞれ気体発生量を測定した。培養液は３０℃に維持して発酵させた。
【００３０】
培養日数と気体発生量の積算値との関係を図３に示す。光照射の有無にかかわらず気体は発生している。この結果から、水素産生が光合成細菌によるものではないことがわかる。発生気体の水素濃度は、光照射したときには３０％、光照射しなかったときには２５％であった。
発生気体をシリンジで１０ｍＬ抽出し、燃料電池に注入して動作させると、ファンモーターの回転時間は、光照射したときの発生気体の時と光非照射のときとで、１０分以上であった。
【００３１】
＜ｐH試験(１)＞
次に、フジのリンゴの搾り粕１０ｇを脱イオン水３３０ｍLに投入し、ｐＨを４．９、７．０、７．２にそれぞれ調整した培養液を作製し、各培養液を３０℃で発酵させた。ｐH４．９はｐH未調整である。
【００３２】
初発（発酵開始時）のｐＨ値と気体発生量の積算値との関係を図４に示す。ｐＨ未調整の４．９では気体発生が確認されなかったが、ｐＨ７付近（ｐＨ調整）では気体が発生し、水素濃度はｐH７．０の培養液では４０％、ｐH７．２の培養液では４５％であった。これより、リンゴバイオマスはｐＨ未調整の場合は水素産生がみられないが、ｐＨを中性域に調整することにより、水素を産生させることが可能であることがわかった。
得られた発生気体をシリンジで５ｍL抽出し、燃料電池に注入して動作させると、ファンモーターは１０分以上回転した。
【００３３】
＜発酵微生物の同定＞
気体発生中の発酵溶液（発酵後４８時間）を一部採取し、これをリンゴ寒天培地（リンゴ果汁をｐＨ６．７に調整してから滅菌して調整した寒天平板培地。寒天濃度は１．５％）に塗沫して、発酵溶液中の微生物の釣菌を試みた。その結果、塗沫７２時間後には寒天培地上に多数の赤色コロニーおよび少量の白色コロニーが確認された。
【００３４】
発酵溶液中の赤色菌数は５×１０4個／ｍＬ程度、白色菌数は２×１０2個／ｍＬ程度であった。生えてきたコロニーの大半は赤色菌であったことから、水素産生に寄与している微生物は赤色菌と考え、この赤色菌の同定を試みた。
【００３５】
赤色菌のＤＮＡを抽出し、ＰＣＲ法によりLarge subunit rRNAのＤ２領域のＤＮＡを増幅した。増幅したＤＮＡについてABI PRISM 310 Genetic Analyzer(Life technologies corporation)を用いて塩基配列を解析した。得られた配列を国際塩基配列データベース(DDBJ/EMBL/Genbank)に登録されている配列およびMicroseq ID Analysis Software Version 2.0(Life technologies corporation)のデータベースと相同性検索を行い、近縁種との系統樹を近隣結合法（ＮＪ法）により作成した。
【００３６】
その結果、Rhodosporidium toruloidesともっとも相同性が高く、その相同性は９９．４４％であった。この結果から、発酵溶液中の主要微生物である赤色菌はRhodosporidium toruloidesであることがわかった。Rhodosporidium toruloidesは植物、土壌、空気、動物、海水等から分離され、その不完全時代はRhodotorula rubescensである。
【００３７】
滅菌リンゴの搾り汁の３０％、ｐH６．７の培養液に、Rhodosporidium toruloidesのコロニーを３白金耳投入し、３０℃で培養したところ、図５に示すとおり、気体が発生し水素も確認された。水素ガス濃度は３０％であった。(図５のグラフでは、発酵開始３日目から８日目の間は、データを取得していない。)
発生気体をシリンジで５ｍＬ抽出し、燃料電池に注入して動作させると、ファンモーターの回転時間は２分３０秒であった。
同じ培養液にコロニーを投入せずに３０℃で培養した比較対象では、水素は発生しなかった。
【００３８】
以上の結果により、リンゴバイオマス由来の水素発生にはRhodosporidium toruloidesが寄与していることが確認できた。
Rhodosporidium toruloidesはバイオセーフティレベルが１であり病原性がないとされている。これから、本微生物を用いたバイオ水素の産生は、発酵・水素製造・後処理作業時において、安全性が高いと言える。
【００３９】
＜発生ガスの解析＞
発生したガスを検知管法にて解析をおこなった。結果の例を下記表１に示す。検知管はいずれも光明理化学工業株式会社製である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１の結果は、複数回測定したときの測定結果例を示している。測定のタイミングや使用したリンゴの試験ロットは同一ではない。
ただし、水素、二酸化炭素が主要な発生ガスであり、硫化水素、酢酸、エチレン、アルコール類、アンモニアはほとんど含まれていないことがわかる。
【００４２】
発生ガス中には燃料電池の触媒被毒原因物質である硫化水素が含まれていないことから、燃料電池への投入ガスとしては利点がある。アンモニア等の有害ガスも含まれていないことから、安全上も利点が高い。
【００４３】
＜発酵前後の発酵溶液中の糖質・有機酸・エタノール濃度＞
発酵前後の発酵溶液中の糖質・有機酸濃度を測定した。
測定結果は、下記表２に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
本試験時には４０％の水素を含む気体が６５ｍＬ産生した。
各成分は酵素法（ロシュ社 Ｆ−ｋｉｔ）にて測定した。その結果、ショ糖、麦芽糖、グルコース、フルクトースの糖質およびリンゴ酸は発酵前には比較的高濃度で含まれていたが、発酵後には著しく減少していることが確認できた。一方、エタノール、Ｌ／Ｄ−乳酸、酢酸は発酵前にはほとんど含まれていなかったが、発酵後には著しく増加していることが確認できた。この結果から、発酵溶液中では糖質およびリンゴ酸を栄養源として微生物が利用し、それにより水素発酵、エタノール発酵、乳酸発酵、酢酸発酵が行われていることがわかる。
ｐＨは、発酵前は７．１であったが、発酵後は５．８にまで低下していた。これは、発酵により酢酸、乳酸などの有機酸が生成したことによることがわかる。
【００４６】
＜水素産生速度＞
本発明における水素産生速度は、試験条件にも左右されるが、事例としては２２ｍｍｏｌ／Ｌ．ｈ程度の結果が得られている。文献によると、非病原性である水素産生微生物の産生速度は、Oscillatoria sp.（ヨレモ）で０．４、Anabaena cylindrical（シアノバクテリア）で１．２、Rhdopseudomonas capslata（光合成細菌）で５．３ｍｍｏｌ／Ｌ．ｈであった。これから、本発明による水素産生速度は非病原性微生物としては優れていることがわかる。また、病原性微生物においては、Clostridium beijerinkii（偏性嫌気性菌）で１７、Enterobacter aerogenesで３６ｍｍｏｌ／Ｌ．ｈとなっており、本発明より早いケースはあるものの、本発明の方法は非病原性でありながらこれらの病原性微生物による産生速度とくらべても十分に比較可能なものであることがわかる。
【００４７】
＜比較例＞
天然リンゴに替え、ブドウと桃についても、果実に付着している常在細菌によって発酵させた。その結果を図６に示す。
桃、ブドウについて気体が発生したが、桃の発生気体は７５％の水素ガス濃度が検出されていたが、ブドウの発生気体には水素は検出されなかった。
ブドウについては、巨峰についての搾り粕４０ｇを脱イオン水３３０ｍLに投入し、桃については白桃の搾り粕２０ｇを脱イオン水３３０ｍLに投入し、ｐHを８．０にして培養液をそれぞれ作成し、３０℃で発酵させた。
【００４８】
桃、ブドウの発生気体をシリンジで５ｍL抽出して燃料電池に注入して動作させたところ、ファンモーターの回転時間は桃の発生気体では１０分以上であり、ブドウの発生気体では、回転しなかった。
なお、水素発生を確認した時点では、発酵に寄与した常在細菌の特定はできていない。
【００４９】
＜ｐH試験(２)＞
リンゴの産地と種類を変え、水素発生の試験を行った。
試験結果を下記表３に示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
上記表３から、発酵開始時のｐＨの値は、６ｐＨ以上８ｐＨ未満であれば、水素発生が可能なことが分かる。
次に、長野県産の「サン津軽」のリンゴの搾り粕１０ｇを３００ｍＬの水に溶解し、濃度(３％)で、ｐＨ値が４．９、５．８、７．０、７．９の四種類の培養液を作成し、発酵させた。培養温度は３０℃にした。
【００５２】
各培養液についての培養日数と気体発生量積算値の関係を、図７に示す。図中の数値は、各培養液についての、発生ガス中の水素ガス濃度と、サンプル気体によるモータ回転時間とを示す値である（シリンジで５ｍL注入)。これらの試験結果から、ｐＨ５以上ｐH８未満の培養液について、水素発生が確認されている。
【００５３】
次に、長野産に替え、会津産「サン津軽」のリンゴで、長野産と同じ濃度、体積で異なるｐＨ値５．８、７．０、８．０、９．１の培養液を作成し、長野産と同じ条件で発酵させた。
その培養液の培養日数と気体発生量の積算値との関係を図８に示す。シリンジへの注入量は５ｍLである。ｐH７．０の培養液は水素ガス発生が確認できたが、ｐH５．８と、ｐH８〜９の培養液については水素ガス発生は確認できなかった。
【００５４】
次に、低ｐH値でも、大量の水素ガスが発生する例を示す。
図９は、青森産のリンゴ「フジ」の搾り汁３０％、ｐH６．５の培養液を光を照射して発酵させたときと、遮光して発酵させたときの、培養日数と気体発生量の積算値との関係を示すグラフである。光照射したときの水素ガス濃度は３０％、遮光したときの水素ガス濃度は２５％であった。シリンジで１０ｍＬ注入したときのモータ駆動時間は、それぞれ１０分以上であった。
このグラフの例から分かるように、ｐH６．５のときでも、水素ガスが大量発生する場合はある。
以上のことにより、水素ガス発生には、培養液のｐH値は６以上８未満、発生量を考慮すると、６．５以上８．０未満が望ましい。
【符号の説明】
【００５５】
１０……水素収集装置
１２……発酵槽
２３……貯蔵塔
２６……燃料電池
２７……ファンモータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リンゴ果実を搾ったときの搾り粕とリンゴ汁のうち、前記搾り粕又は前記リンゴ汁のいずれか一方又は両方を含有し、ｐHが６以上８未満のアルカリ性に調整された培養液を、前記リンゴ果実に付着する常在細菌によって発酵させて水素ガスを放出させる水素ガス製造方法。
【請求項２】
前記培養液をｐH６．５以上に調整する請求項１記載の水素ガス製造方法。
【請求項３】
前記培養液を３０℃以上の温度に維持する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の水素ガス製造方法。
【請求項１】
リンゴ果実を搾ったときの搾り粕とリンゴ汁のうち、前記搾り粕又は前記リンゴ汁のいずれか一方又は両方を含有し、ｐHが６以上８未満のアルカリ性に調整された培養液を、前記リンゴ果実に付着する常在細菌によって発酵させて水素ガスを放出させる水素ガス製造方法。
【請求項２】
前記培養液をｐH６．５以上に調整する請求項１記載の水素ガス製造方法。
【請求項３】
前記培養液を３０℃以上の温度に維持する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の水素ガス製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−９４１４０（Ｐ２０１３−９４１４０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１６３７（Ｐ２０１１−２４１６３７）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（３９００１０３６４）光明理化学工業株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（３９００１０３６４）光明理化学工業株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
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