生化学反応用炭素電極
【課題】低コストに得ることができ、比表面積が大きく、更に取扱い性や強度に優れると共に、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる、培養微生物を増殖する上で好ましい導電性炭素繊維又は導電性炭素粒状物に微生物を担持させてなる生化学反応用炭素電極を提供する。
【解決手段】ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素又は該粒状炭素の集合体からなることを特徴とし、好ましくは、前記粒状炭素は、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることを特徴とし、より好ましくは、前記粒状炭素は、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°以下であることを特徴とする生化学反応用炭素電極。
【解決手段】ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素又は該粒状炭素の集合体からなることを特徴とし、好ましくは、前記粒状炭素は、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることを特徴とし、より好ましくは、前記粒状炭素は、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°以下であることを特徴とする生化学反応用炭素電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生化学反応用炭素電極に関し、詳しくは、粒状炭素又は該粒状炭素の集合体から成る生化学反応用炭素電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオリアクターやバイオセンサーなどの分野では、電極表面上に微生物を担持してなる微生物担持電極が研究されている。
【０００３】
しかし、従来の一般的な電極は、微生物との親和性が低く、比較的親和性の高い炭素電極を用いても、微生物と電極との間における電子移動反応が十分に進まず、このことが、微生物担持電極の実用化を妨げていた。
【０００４】
特許文献１には、導電性物質に微生物を担持し、メディエーター（キノン）を介して導電性物質と微生物との間の電子移動を行って、微生物を培養する技術が開示されている。そして、導電性物質として、炭素繊維を１４００℃以上の温度で焼成して得られる導電性炭素繊維、及び／又は、粉末活性炭などを含む炭素粒子を、１３００℃以上の温度で空気を遮断して焼成して得られる導電性炭素粒状物を用いることが培養微生物を増殖する上で好ましいことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６５９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、特許文献１に開示される導電性炭素繊維又は導電性炭素粒状物に微生物を担持させてなる微生物担持炭素電極を、バイオリアクターやバイオセンサーに用いることを試みた。
【０００７】
その結果、導電性炭素繊維を用いた場合は、担持微生物が特定の機能を十分に発現するのに対し、導電性炭素粒状物を用いた場合は、特定の機能の発現が十分に認められなかった。
【０００８】
しかしながら、導電性炭素粒状物は、導電性炭素繊維と比較して、取扱い性や強度に優れ、また低コストに得られる利点があるため、これを微生物担持電極として実用化することの効果は大きい。
【０００９】
本発明者は、導電性炭素粒状物の上記利点を生かしながら、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる生化学反応用炭素電極を提供することを鋭意検討し、本発明に至った。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、低コストに得ることができ、比表面積が大きく、更に取扱い性や強度に優れると共に、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる生化学反応用炭素電極を提供することにある。
【００１１】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１３】
（請求項１）
ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素又は該粒状炭素の集合体からなることを特徴とする生化学反応用炭素電極。
【００１４】
（請求項２）
前記粒状炭素は、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることを特徴とする請求項１記載の生化学反応用炭素電極。
【００１５】
（請求項３）
前記粒状炭素は、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の生化学反応用炭素電極。
【００１６】
（請求項４）
バイオリアクター用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【００１７】
（請求項５）
バイオセンサー用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低コストに得ることができ、比表面積が大きく、更に取扱い性や強度に優れると共に、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる生化学反応用炭素電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】炭素表面における顕微ラマンスペクトル
【図２】炭素表面のＸ線回折スペクトル
【図３】実施例の結果を示す図
【図４】実施例の結果を示す図
【図５】実施例の結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
まず、本発明の生化学反応用炭素電極は、平均粒径が１ｍｍφ以上の粒状炭素、又は、複数の該粒状炭素同士が互いに接触するように集合してなる粒状炭素の集合体からなる。本明細書において、粒状炭素とは、炭素を主成分とする粒状物又は塊状物である。
【００２２】
本発明者は、かかる粒状炭素の表面に、ヒドロキシ基、カルボキシル基、オキソ基などの酸素含有官能基が多く形成された場合、生化学反応用炭素電極に担持された担持微生物の特定の機能の発現に対して、阻害要因になることを見出し、本発明に至った。
【００２３】
まず、粒状炭素の表面に酸素含有官能基が多く形成された場合、酸素含有官能基は、粒状炭素に導電性を付与するグラファイト質を被覆してしまうため、粒状炭素間の電気的な接続に対して立体障害となり、その結果、生化学反応用炭素電極の導電性が低下する。特に、粒状炭素を用いる本発明の場合は、炭素間の接触部を介した電子移動の割合が多いため、上述の立体障害による導電性の低下は著しいものとなる。また、このような立体障害による影響は、粒状炭素間に限らず、粒状炭素と担持微生物との間や、粒状炭素と電子メディエーターとの間の導電性の低下にも繋がる。
【００２４】
さらに、多量に形成された酸素含有官能基は、粒状炭素の表面の物性にも大きな影響を及ぼす。つまり、酸素含有官能基は、酸素原子の影響により負電荷を帯び易いため、粒状炭素の表面が負電荷を帯びることになる。その結果、粒状炭素同士の接触は、酸素含有官能基が静電的障害となって、静電反発力により阻害される。その結果、生化学反応用炭素電極の導電性が更に低下する。
【００２５】
更にまた、一般に微生物の表面は負電荷を帯びているため、粒状炭素に対する微生物の接触乃至担持も、上述の立体障害及び静電的障害によって阻害され、生化学反応用炭素電極の微生物担持数までもが低下することになる。
【００２６】
上述したような、酸素含有官能基による立体障害及び静電的障害によって、担持微生物による特定の機能の発現は、大幅に阻害されることになる。
【００２７】
粒状炭素の表面における酸素含有官能基の形成状態は、ＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光）による表面分析で、Ｃ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃに反映される。
【００２８】
本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素は、上述の元素数比Ｏ／Ｃが、０．１０以下、好ましくは、０．０８以下、より好ましくは、０．０５以下である。元素数比Ｏ／Ｃが、０．１０以下であれば、粒状炭素の表面における酸素含有官能基の形成量が少ないため、担持微生物による特定の機能を好適に発現することができる。一方、元素数比Ｏ／Ｃが、０．１０を超える場合は、上述した酸素含有官能基による立体障害及び静電的障害によって、担持微生物による特定の機能の発現が大きく阻害されるため、本発明に適さない。
【００２９】
ところで、形状のみを比較した場合、粒状よりも繊維状の方が、導電性に優れることは当業者の常識である。しかし、動力用電源である電池用の電極の場合と異なり、バイオリアクターやバイオセンサー用の微生物担持電極の場合は、用いる電流が極僅かでよく、電流が極僅かなものであれば、電圧降下が生じ難く、抵抗値の大きい電極を用いても、電極の電位はほぼ均一となるように形成される。具体的には、通常、動力用電源である電池用の電極の場合は、体積抵抗率は１０Ωｃｍ以下であるが、微生物担持電極の場合は、１ｋΩｃｍ程度の体積抵抗率であっても使用可能である。
【００３０】
したがって、本発明の生化学反応用炭素電極は、電極としての最低限の導電性を備えていればよい。上述の元素数比Ｏ／Ｃを満たす粒状炭素であれば、最低限の導電性を発現することができ、更に、取扱い性や強度に優れ、また低コストに得られる利点を有するので、バイオリアクターやバイオセンサー用の微生物担持電極として、好ましく用いることができる。
【００３１】
本発明の生化学反応用炭素電極は、例えば、後述するように、活性炭を再焼成して得ることができ、再焼成された活性炭のグラファイト質の結晶構造は、顕微ラマン分光分析や、Ｘ線回折測定によって特定することができる。
【００３２】
具体的には、以下に説明するように、顕微ラマン分光分析によって、粒状炭素表面のグラファイト化率が測定され、Ｘ線回折測定によって、グラファイト化されたグラファイト質の結晶性を評価できる。
【００３３】
炭素表面における顕微ラマンスペクトルを図１に示す。
【００３４】
このスペクトルには、グラファイト質を示すピーク（１５９０ｃｍ−１）と炭素質を示すピーク（１３５０ｃｍ−１）とが現われている。
【００３５】
炭素質が十分にグラファイト化されていると、グラファイト質を示すピークが高く、炭素質を示すピークが低くなる。導電性は主にグラファイト質によって与えられるものであるから、上記のように、グラファイト質を示すピークが高く、炭素質を示すピークが低いことが好ましい。更に、本発明において、１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることが、より好ましい。
【００３６】
次に、炭素表面のＸ線回折スペクトルを図２に示す。
【００３７】
図２において、Ａは、２５００℃において再焼成した炭素のスペクトルを示す。また、Ｂは、１３５０℃において再焼成した炭素のスペクトルを示す。
【００３８】
図２が示すように、再焼成時の温度が異なる２つの炭素のスペクトルを比較すると、００２回折ピーク半値幅に差が現われる。ピーク半値幅は、ピーク強度の半分の強度におけるピーク幅として与えられ、ピークの広がりの程度を表す指標として用いられる。００２回折ピークは、グラファイト結晶に対応したピークであり、この半値幅が小さいことは、炭素表面における結晶構造に乱れがなく、高度に結晶化されていることを示している。高度に結晶化されたグラファイト質は、電気抵抗が小さく、高い導電性を示す。
【００３９】
本発明では、粒状炭素の表面のＸ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が、２．８°以下であることが好ましい。
【００４０】
本発明において、再焼成された活性炭の表面構造を、元素数比Ｏ／Ｃにより規定し、更に、グラファイト質の結晶構造を、顕微ラマン分光分析又はＸ線回折測定によって規定することにより、担持微生物による特定の機能が、更に好適に発現する。
【００４１】
また、生化学反応用炭素電極において、電子移動の反応密度は、電極の比表面積に大きく依存する。電極の比表面積を大きくすることは、電子移動の反応密度を増加させることに繋がる。
【００４２】
本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素は、窒素吸着により測定したＢＥＴ比表面積が４０ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上であることが好ましい。
【００４３】
次に、本発明の生化学反応用炭素電極の製造方法の一例について説明する。
【００４４】
本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素は、活性炭を、好ましくは１３５０℃以上、より好ましくは１５００℃以上で、還元雰囲気下で再焼成し、グラファイト質化して導電性を付与し、平均径が１ｍｍφ以上となる範囲で適宜破砕することによって得られる。
【００４５】
還元雰囲気下は、酸素元素を含まない気体中であることが好ましく、酸素元素を含まない気体としては、窒素等を好ましく例示できる。
【００４６】
活性炭としては、木炭、ヤシ穀炭、石炭（亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭等）、オイルカーボン及びフェノール樹脂等の粒状活性炭を好ましく例示でき、中でも、木炭、ヤシ穀炭等の生物由来の活性炭を用いることが好ましい。生物由来の活性炭は、再焼成物の比表面積が大きいという本発明において好ましい性質を有し、更に、廃棄物からも製造可能であるため、比較的安価に入手でき、低コスト化にも寄与する。更にまた、理由は明らかでないが、人工活性炭を原料に用いた場合と比較して、微生物との親和性が高く、担持微生物が特定の機能を発現し易いという性質も認められる。
【００４７】
一方、レーヨン、アクリロニトリル、石炭ピッチ、石油ピッチ、フェノール樹脂等に由来する繊維状活性炭は、再焼成物の強度が十分に得られないため、本発明において好ましくない。また、オガ屑、硬質の木材チップ、木炭（素灰）、草炭（ピート）等に由来する粉末活性炭は、再焼成して１ｍｍφ以上の粒状炭素を得ることが困難であるため、本発明において好ましくない。
【００４８】
また、本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素として、上記の条件での再焼成処理を行っていない未処理の活性炭を用いることは好ましくない。つまり、通常、活性炭は、賦活ガスや賦活剤を用いて通常６００〜１０００℃で焼成する賦活処理を経て得られるが、焼成の温度が低いことと、賦活ガスは、塩化亜鉛や燐酸等からなり、賦活剤は、水蒸気、二酸化炭素、空気、燃焼ガス等からなり、何れも上述したヒドロキシ基、カルボキシル基、オキソ基などの酸素含有官能基を形成し易いことにより、賦活処理後の活性炭表面は、酸素含有官能基が多く形成された状態にあり、上述の元素数比Ｏ／Ｃが０．１０を超え、担持微生物による特定の機能の発現が大きく阻害される。
【００４９】
以上、本発明の生化学反応用炭素電極を微生物担持電極として用いる場合について説明したが、担持される対象は、微生物に限定されず、例えば酵素などであってもよい。本発明の生化学反応用炭素電極は、バイオリアクター用電極、バイオセンサー用電極として好ましく用いることができる。
【実施例】
【００５０】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００５１】
＜試料の調整＞
（試料１−１、試料１−２及び試料１−３）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１３５０℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約３ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５２】
（試料２）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１３５０℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約１ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５３】
（試料３−１及び試料３−２）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１６００℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約３ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５４】
（試料４）
木炭（活性炭）を、窒素気流中において、１４００℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約３ｍｍの１〜５ｍｍ程度の塊状体となるように調整した。
【００５５】
（試料５）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、破砕により、平均径が約１ｍｍとなるように調整した。
【００５６】
（試料６）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１２００℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約１ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５７】
（試料７）
木炭（活性炭）を、破砕により、平均径が約３ｍｍの１〜５ｍｍ程度の塊状体となるように調整した。
【００５８】
＜物性値の測定＞
上記の試料について、以下ア〜オに示す測定を行った。各測定の結果は表１に示した。
【００５９】
ア．ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃの測定
ＥＳＣＡによる表面分析によって、Ｃ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から、粒状炭素表面の元素数比Ｏ／Ｃを求めた。
【００６０】
イ．ラマン分光ピーク比の測定
顕微ラマン分光分析装置（Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ製Ｕ−１０００ラマンシステム）を用いて、粒状炭素表面における、１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）を測定し、強度比（Ｐ１／Ｐ２）を算出した。
【００６１】
ウ．００２回折半値幅の測定
Ｘ線回折測定装置（日本電子ＪＤＸ−８０３０）を用いて、粒状炭素表面におけるグラファイト結晶に由来する００２回折ピークを観察し、その半値幅を算出した。
【００６２】
エ．体積抵抗率の測定
室温において、長さ１４０ｍｍ、幅、深さ共に１０ｍｍの溝を有する容器の溝に、上記の試料を充填して充填極を形成し、溝の長手方向の両端部に通電極を設け、長手方向に５０ｍｍの間隔を開けて炭素粒状物、塊状物に電圧計の電極を差し込み、通電値１０ｍＡにおいて、直流四端子法によって充填極の体積抵抗率を測定した。本発明において、体積抵抗率は、好ましくは、１ｋΩｃｍ以下、より好ましくは、２００Ωｃｍ以下、最も好ましくは１００Ωｃｍ以下である。
【００６３】
オ．ＢＥＴ比表面積の測定
粒状炭素の比表面積を、窒素吸着によるＢＥＴ法によって測定した。
【００６４】
【表１】
【００６５】
＜生物脱硫試験＞
アクリル樹脂製リアクターの充填部に、上記の試料を充填し、電圧を印加し、充填部において、下記バイオガスと下記循環液を向流で接触させて、バイオガス脱硫試験を行った。
充填部：層高約５０ｍｍ、内径約１００ｍｍ
循環液：メタン発酵消化液を約５０ｍＬ／ｍｉｎの流速で循環させた。
バイオガス：搾乳牛糞尿メタン発酵処理施設（４ｔ／日）発酵槽からのバイオガスを用いた。組成比（体積）は、ＣＨ４：５３％、ＣＯ２：４７％、Ｈ２Ｓ：８５０ｐｐｍである。
脱硫塔：４５℃
【００６６】
各試料について、印加電圧＋１．０（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）の条件において、脱硫率（％）のガス流量（ｍｌ／ｍｉｎ）による変化を測定した。
【００６７】
結果を図３に示す。
【００６８】
更に、試料２及び試料４について、ガス流量２００ｍｌ／ｍｉｎの条件において、脱硫率（％）の印加電圧（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）による変化を測定した。
【００６９】
結果を図４に示す。
【００７０】
＜評価＞
試料１−１、試料１−２、試料２、試料３−１及び試料４については、ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素の集合体から成るため、本発明の生化学反応用炭素電極としての要件を満たし、結果として、脱硫機能が好適に発現していることがわかる。
【００７１】
試料１−３及び試料３−２は、ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃが０．１０を超えており、本発明の生化学反応用炭素電極としての要件を満たさず、試料１−１、試料１−２、試料２、試料３−１及び試料４と同等のラマン分光ピーク比及び００２回折半値幅を有するにも関わらず、これらと比較して脱硫率が低いことがわかる。
【００７２】
試料５及び試料７は、ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃが０．１０を超えており、本発明の生化学反応用炭素電極としての要件を満たすものではなく、導電性も有さず、２００ｍｌ／ｍｉｎのガス流量において、脱硫機能の発現が認められなかった。
【００７３】
試料６は、参考例であり、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５に満たないものであり、また、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°を超え、体積抵抗率が１５０Ωｃｍを示し、結果として、２００ｍｌ／ｍｉｎのガス流量において、脱硫機能の発現が認められなかった。
【００７４】
＜アンモニア酸化処理（亜硝酸への選択酸化）＞
上述の脱硫試験で用いたリアクターのガスラインを閉鎖して、活性汚泥上澄水にアンモニアをＮＨ３−Ｎとして２ｇ／Ｌ添加した液１Ｌを、液循環ラインにおいて、５０ｍＬ／ｍｉｎの流量で循環させた。温度は１５〜１９℃の範囲とし、印加電位は、＋０．４Ｖ（ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）とした。
【００７５】
試料３−１及び試料４について、約１日の連続試験において、循環液中の亜硝酸（ＮＯ２−−Ｎ）濃度の経時変化を、鉄（II）ｅｄｔａを用いるボルタンメトリーによって定量した（下記の電気化学反応式を参照）。
ＮＯ２−＋Ｈ＋＋２ＦｅIIｅｄｔａ → ＦｅIIＮＯｅｄｔａ＋ＦｅIII（ＯＨ）ｅｄｔａ
【００７６】
結果を図５に示す。
【００７７】
＜評価＞
試料３−１及び試料４を用いたところ、亜硝酸（ＮＯ２−−Ｎ）濃度が経過時間に伴って上昇した。このことから、アンモニア酸化機能が好適に発現していることがわかる。
なお、参考例として、試料４を用いて、電位の印加を行わなかった場合は、亜硝酸（ＮＯ２−−Ｎ）濃度の上昇は観察されず、アンモニア酸化機能の発現は認められなかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生化学反応用炭素電極に関し、詳しくは、粒状炭素又は該粒状炭素の集合体から成る生化学反応用炭素電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオリアクターやバイオセンサーなどの分野では、電極表面上に微生物を担持してなる微生物担持電極が研究されている。
【０００３】
しかし、従来の一般的な電極は、微生物との親和性が低く、比較的親和性の高い炭素電極を用いても、微生物と電極との間における電子移動反応が十分に進まず、このことが、微生物担持電極の実用化を妨げていた。
【０００４】
特許文献１には、導電性物質に微生物を担持し、メディエーター（キノン）を介して導電性物質と微生物との間の電子移動を行って、微生物を培養する技術が開示されている。そして、導電性物質として、炭素繊維を１４００℃以上の温度で焼成して得られる導電性炭素繊維、及び／又は、粉末活性炭などを含む炭素粒子を、１３００℃以上の温度で空気を遮断して焼成して得られる導電性炭素粒状物を用いることが培養微生物を増殖する上で好ましいことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６５９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、特許文献１に開示される導電性炭素繊維又は導電性炭素粒状物に微生物を担持させてなる微生物担持炭素電極を、バイオリアクターやバイオセンサーに用いることを試みた。
【０００７】
その結果、導電性炭素繊維を用いた場合は、担持微生物が特定の機能を十分に発現するのに対し、導電性炭素粒状物を用いた場合は、特定の機能の発現が十分に認められなかった。
【０００８】
しかしながら、導電性炭素粒状物は、導電性炭素繊維と比較して、取扱い性や強度に優れ、また低コストに得られる利点があるため、これを微生物担持電極として実用化することの効果は大きい。
【０００９】
本発明者は、導電性炭素粒状物の上記利点を生かしながら、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる生化学反応用炭素電極を提供することを鋭意検討し、本発明に至った。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、低コストに得ることができ、比表面積が大きく、更に取扱い性や強度に優れると共に、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる生化学反応用炭素電極を提供することにある。
【００１１】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１３】
（請求項１）
ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素又は該粒状炭素の集合体からなることを特徴とする生化学反応用炭素電極。
【００１４】
（請求項２）
前記粒状炭素は、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることを特徴とする請求項１記載の生化学反応用炭素電極。
【００１５】
（請求項３）
前記粒状炭素は、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の生化学反応用炭素電極。
【００１６】
（請求項４）
バイオリアクター用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【００１７】
（請求項５）
バイオセンサー用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低コストに得ることができ、比表面積が大きく、更に取扱い性や強度に優れると共に、担持微生物の特定の機能を十分に発現することができる生化学反応用炭素電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】炭素表面における顕微ラマンスペクトル
【図２】炭素表面のＸ線回折スペクトル
【図３】実施例の結果を示す図
【図４】実施例の結果を示す図
【図５】実施例の結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
まず、本発明の生化学反応用炭素電極は、平均粒径が１ｍｍφ以上の粒状炭素、又は、複数の該粒状炭素同士が互いに接触するように集合してなる粒状炭素の集合体からなる。本明細書において、粒状炭素とは、炭素を主成分とする粒状物又は塊状物である。
【００２２】
本発明者は、かかる粒状炭素の表面に、ヒドロキシ基、カルボキシル基、オキソ基などの酸素含有官能基が多く形成された場合、生化学反応用炭素電極に担持された担持微生物の特定の機能の発現に対して、阻害要因になることを見出し、本発明に至った。
【００２３】
まず、粒状炭素の表面に酸素含有官能基が多く形成された場合、酸素含有官能基は、粒状炭素に導電性を付与するグラファイト質を被覆してしまうため、粒状炭素間の電気的な接続に対して立体障害となり、その結果、生化学反応用炭素電極の導電性が低下する。特に、粒状炭素を用いる本発明の場合は、炭素間の接触部を介した電子移動の割合が多いため、上述の立体障害による導電性の低下は著しいものとなる。また、このような立体障害による影響は、粒状炭素間に限らず、粒状炭素と担持微生物との間や、粒状炭素と電子メディエーターとの間の導電性の低下にも繋がる。
【００２４】
さらに、多量に形成された酸素含有官能基は、粒状炭素の表面の物性にも大きな影響を及ぼす。つまり、酸素含有官能基は、酸素原子の影響により負電荷を帯び易いため、粒状炭素の表面が負電荷を帯びることになる。その結果、粒状炭素同士の接触は、酸素含有官能基が静電的障害となって、静電反発力により阻害される。その結果、生化学反応用炭素電極の導電性が更に低下する。
【００２５】
更にまた、一般に微生物の表面は負電荷を帯びているため、粒状炭素に対する微生物の接触乃至担持も、上述の立体障害及び静電的障害によって阻害され、生化学反応用炭素電極の微生物担持数までもが低下することになる。
【００２６】
上述したような、酸素含有官能基による立体障害及び静電的障害によって、担持微生物による特定の機能の発現は、大幅に阻害されることになる。
【００２７】
粒状炭素の表面における酸素含有官能基の形成状態は、ＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光）による表面分析で、Ｃ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃに反映される。
【００２８】
本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素は、上述の元素数比Ｏ／Ｃが、０．１０以下、好ましくは、０．０８以下、より好ましくは、０．０５以下である。元素数比Ｏ／Ｃが、０．１０以下であれば、粒状炭素の表面における酸素含有官能基の形成量が少ないため、担持微生物による特定の機能を好適に発現することができる。一方、元素数比Ｏ／Ｃが、０．１０を超える場合は、上述した酸素含有官能基による立体障害及び静電的障害によって、担持微生物による特定の機能の発現が大きく阻害されるため、本発明に適さない。
【００２９】
ところで、形状のみを比較した場合、粒状よりも繊維状の方が、導電性に優れることは当業者の常識である。しかし、動力用電源である電池用の電極の場合と異なり、バイオリアクターやバイオセンサー用の微生物担持電極の場合は、用いる電流が極僅かでよく、電流が極僅かなものであれば、電圧降下が生じ難く、抵抗値の大きい電極を用いても、電極の電位はほぼ均一となるように形成される。具体的には、通常、動力用電源である電池用の電極の場合は、体積抵抗率は１０Ωｃｍ以下であるが、微生物担持電極の場合は、１ｋΩｃｍ程度の体積抵抗率であっても使用可能である。
【００３０】
したがって、本発明の生化学反応用炭素電極は、電極としての最低限の導電性を備えていればよい。上述の元素数比Ｏ／Ｃを満たす粒状炭素であれば、最低限の導電性を発現することができ、更に、取扱い性や強度に優れ、また低コストに得られる利点を有するので、バイオリアクターやバイオセンサー用の微生物担持電極として、好ましく用いることができる。
【００３１】
本発明の生化学反応用炭素電極は、例えば、後述するように、活性炭を再焼成して得ることができ、再焼成された活性炭のグラファイト質の結晶構造は、顕微ラマン分光分析や、Ｘ線回折測定によって特定することができる。
【００３２】
具体的には、以下に説明するように、顕微ラマン分光分析によって、粒状炭素表面のグラファイト化率が測定され、Ｘ線回折測定によって、グラファイト化されたグラファイト質の結晶性を評価できる。
【００３３】
炭素表面における顕微ラマンスペクトルを図１に示す。
【００３４】
このスペクトルには、グラファイト質を示すピーク（１５９０ｃｍ−１）と炭素質を示すピーク（１３５０ｃｍ−１）とが現われている。
【００３５】
炭素質が十分にグラファイト化されていると、グラファイト質を示すピークが高く、炭素質を示すピークが低くなる。導電性は主にグラファイト質によって与えられるものであるから、上記のように、グラファイト質を示すピークが高く、炭素質を示すピークが低いことが好ましい。更に、本発明において、１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることが、より好ましい。
【００３６】
次に、炭素表面のＸ線回折スペクトルを図２に示す。
【００３７】
図２において、Ａは、２５００℃において再焼成した炭素のスペクトルを示す。また、Ｂは、１３５０℃において再焼成した炭素のスペクトルを示す。
【００３８】
図２が示すように、再焼成時の温度が異なる２つの炭素のスペクトルを比較すると、００２回折ピーク半値幅に差が現われる。ピーク半値幅は、ピーク強度の半分の強度におけるピーク幅として与えられ、ピークの広がりの程度を表す指標として用いられる。００２回折ピークは、グラファイト結晶に対応したピークであり、この半値幅が小さいことは、炭素表面における結晶構造に乱れがなく、高度に結晶化されていることを示している。高度に結晶化されたグラファイト質は、電気抵抗が小さく、高い導電性を示す。
【００３９】
本発明では、粒状炭素の表面のＸ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が、２．８°以下であることが好ましい。
【００４０】
本発明において、再焼成された活性炭の表面構造を、元素数比Ｏ／Ｃにより規定し、更に、グラファイト質の結晶構造を、顕微ラマン分光分析又はＸ線回折測定によって規定することにより、担持微生物による特定の機能が、更に好適に発現する。
【００４１】
また、生化学反応用炭素電極において、電子移動の反応密度は、電極の比表面積に大きく依存する。電極の比表面積を大きくすることは、電子移動の反応密度を増加させることに繋がる。
【００４２】
本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素は、窒素吸着により測定したＢＥＴ比表面積が４０ｍ２／ｇ（窒素吸着量）以上であることが好ましい。
【００４３】
次に、本発明の生化学反応用炭素電極の製造方法の一例について説明する。
【００４４】
本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素は、活性炭を、好ましくは１３５０℃以上、より好ましくは１５００℃以上で、還元雰囲気下で再焼成し、グラファイト質化して導電性を付与し、平均径が１ｍｍφ以上となる範囲で適宜破砕することによって得られる。
【００４５】
還元雰囲気下は、酸素元素を含まない気体中であることが好ましく、酸素元素を含まない気体としては、窒素等を好ましく例示できる。
【００４６】
活性炭としては、木炭、ヤシ穀炭、石炭（亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭等）、オイルカーボン及びフェノール樹脂等の粒状活性炭を好ましく例示でき、中でも、木炭、ヤシ穀炭等の生物由来の活性炭を用いることが好ましい。生物由来の活性炭は、再焼成物の比表面積が大きいという本発明において好ましい性質を有し、更に、廃棄物からも製造可能であるため、比較的安価に入手でき、低コスト化にも寄与する。更にまた、理由は明らかでないが、人工活性炭を原料に用いた場合と比較して、微生物との親和性が高く、担持微生物が特定の機能を発現し易いという性質も認められる。
【００４７】
一方、レーヨン、アクリロニトリル、石炭ピッチ、石油ピッチ、フェノール樹脂等に由来する繊維状活性炭は、再焼成物の強度が十分に得られないため、本発明において好ましくない。また、オガ屑、硬質の木材チップ、木炭（素灰）、草炭（ピート）等に由来する粉末活性炭は、再焼成して１ｍｍφ以上の粒状炭素を得ることが困難であるため、本発明において好ましくない。
【００４８】
また、本発明の生化学反応用炭素電極を形成する粒状炭素として、上記の条件での再焼成処理を行っていない未処理の活性炭を用いることは好ましくない。つまり、通常、活性炭は、賦活ガスや賦活剤を用いて通常６００〜１０００℃で焼成する賦活処理を経て得られるが、焼成の温度が低いことと、賦活ガスは、塩化亜鉛や燐酸等からなり、賦活剤は、水蒸気、二酸化炭素、空気、燃焼ガス等からなり、何れも上述したヒドロキシ基、カルボキシル基、オキソ基などの酸素含有官能基を形成し易いことにより、賦活処理後の活性炭表面は、酸素含有官能基が多く形成された状態にあり、上述の元素数比Ｏ／Ｃが０．１０を超え、担持微生物による特定の機能の発現が大きく阻害される。
【００４９】
以上、本発明の生化学反応用炭素電極を微生物担持電極として用いる場合について説明したが、担持される対象は、微生物に限定されず、例えば酵素などであってもよい。本発明の生化学反応用炭素電極は、バイオリアクター用電極、バイオセンサー用電極として好ましく用いることができる。
【実施例】
【００５０】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
【００５１】
＜試料の調整＞
（試料１−１、試料１−２及び試料１−３）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１３５０℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約３ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５２】
（試料２）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１３５０℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約１ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５３】
（試料３−１及び試料３−２）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１６００℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約３ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５４】
（試料４）
木炭（活性炭）を、窒素気流中において、１４００℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約３ｍｍの１〜５ｍｍ程度の塊状体となるように調整した。
【００５５】
（試料５）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、破砕により、平均径が約１ｍｍとなるように調整した。
【００５６】
（試料６）
ヤシ穀を約１０００℃で焼成して得たヤシ穀炭（活性炭）を、窒素気流中において、１２００℃で再焼成し、さらに、破砕により、平均径が約１ｍｍの粒状体となるように調整した。
【００５７】
（試料７）
木炭（活性炭）を、破砕により、平均径が約３ｍｍの１〜５ｍｍ程度の塊状体となるように調整した。
【００５８】
＜物性値の測定＞
上記の試料について、以下ア〜オに示す測定を行った。各測定の結果は表１に示した。
【００５９】
ア．ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃの測定
ＥＳＣＡによる表面分析によって、Ｃ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から、粒状炭素表面の元素数比Ｏ／Ｃを求めた。
【００６０】
イ．ラマン分光ピーク比の測定
顕微ラマン分光分析装置（Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ製Ｕ−１０００ラマンシステム）を用いて、粒状炭素表面における、１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）を測定し、強度比（Ｐ１／Ｐ２）を算出した。
【００６１】
ウ．００２回折半値幅の測定
Ｘ線回折測定装置（日本電子ＪＤＸ−８０３０）を用いて、粒状炭素表面におけるグラファイト結晶に由来する００２回折ピークを観察し、その半値幅を算出した。
【００６２】
エ．体積抵抗率の測定
室温において、長さ１４０ｍｍ、幅、深さ共に１０ｍｍの溝を有する容器の溝に、上記の試料を充填して充填極を形成し、溝の長手方向の両端部に通電極を設け、長手方向に５０ｍｍの間隔を開けて炭素粒状物、塊状物に電圧計の電極を差し込み、通電値１０ｍＡにおいて、直流四端子法によって充填極の体積抵抗率を測定した。本発明において、体積抵抗率は、好ましくは、１ｋΩｃｍ以下、より好ましくは、２００Ωｃｍ以下、最も好ましくは１００Ωｃｍ以下である。
【００６３】
オ．ＢＥＴ比表面積の測定
粒状炭素の比表面積を、窒素吸着によるＢＥＴ法によって測定した。
【００６４】
【表１】
【００６５】
＜生物脱硫試験＞
アクリル樹脂製リアクターの充填部に、上記の試料を充填し、電圧を印加し、充填部において、下記バイオガスと下記循環液を向流で接触させて、バイオガス脱硫試験を行った。
充填部：層高約５０ｍｍ、内径約１００ｍｍ
循環液：メタン発酵消化液を約５０ｍＬ／ｍｉｎの流速で循環させた。
バイオガス：搾乳牛糞尿メタン発酵処理施設（４ｔ／日）発酵槽からのバイオガスを用いた。組成比（体積）は、ＣＨ４：５３％、ＣＯ２：４７％、Ｈ２Ｓ：８５０ｐｐｍである。
脱硫塔：４５℃
【００６６】
各試料について、印加電圧＋１．０（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）の条件において、脱硫率（％）のガス流量（ｍｌ／ｍｉｎ）による変化を測定した。
【００６７】
結果を図３に示す。
【００６８】
更に、試料２及び試料４について、ガス流量２００ｍｌ／ｍｉｎの条件において、脱硫率（％）の印加電圧（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）による変化を測定した。
【００６９】
結果を図４に示す。
【００７０】
＜評価＞
試料１−１、試料１−２、試料２、試料３−１及び試料４については、ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素の集合体から成るため、本発明の生化学反応用炭素電極としての要件を満たし、結果として、脱硫機能が好適に発現していることがわかる。
【００７１】
試料１−３及び試料３−２は、ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃが０．１０を超えており、本発明の生化学反応用炭素電極としての要件を満たさず、試料１−１、試料１−２、試料２、試料３−１及び試料４と同等のラマン分光ピーク比及び００２回折半値幅を有するにも関わらず、これらと比較して脱硫率が低いことがわかる。
【００７２】
試料５及び試料７は、ＥＳＣＡによる元素数比Ｏ／Ｃが０．１０を超えており、本発明の生化学反応用炭素電極としての要件を満たすものではなく、導電性も有さず、２００ｍｌ／ｍｉｎのガス流量において、脱硫機能の発現が認められなかった。
【００７３】
試料６は、参考例であり、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５に満たないものであり、また、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°を超え、体積抵抗率が１５０Ωｃｍを示し、結果として、２００ｍｌ／ｍｉｎのガス流量において、脱硫機能の発現が認められなかった。
【００７４】
＜アンモニア酸化処理（亜硝酸への選択酸化）＞
上述の脱硫試験で用いたリアクターのガスラインを閉鎖して、活性汚泥上澄水にアンモニアをＮＨ３−Ｎとして２ｇ／Ｌ添加した液１Ｌを、液循環ラインにおいて、５０ｍＬ／ｍｉｎの流量で循環させた。温度は１５〜１９℃の範囲とし、印加電位は、＋０．４Ｖ（ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）とした。
【００７５】
試料３−１及び試料４について、約１日の連続試験において、循環液中の亜硝酸（ＮＯ２−−Ｎ）濃度の経時変化を、鉄（II）ｅｄｔａを用いるボルタンメトリーによって定量した（下記の電気化学反応式を参照）。
ＮＯ２−＋Ｈ＋＋２ＦｅIIｅｄｔａ → ＦｅIIＮＯｅｄｔａ＋ＦｅIII（ＯＨ）ｅｄｔａ
【００７６】
結果を図５に示す。
【００７７】
＜評価＞
試料３−１及び試料４を用いたところ、亜硝酸（ＮＯ２−−Ｎ）濃度が経過時間に伴って上昇した。このことから、アンモニア酸化機能が好適に発現していることがわかる。
なお、参考例として、試料４を用いて、電位の印加を行わなかった場合は、亜硝酸（ＮＯ２−−Ｎ）濃度の上昇は観察されず、アンモニア酸化機能の発現は認められなかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素又は該粒状炭素の集合体からなることを特徴とする生化学反応用炭素電極。
【請求項２】
前記粒状炭素は、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることを特徴とする請求項１記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項３】
前記粒状炭素は、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項４】
バイオリアクター用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項５】
バイオセンサー用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項１】
ＥＳＣＡによる表面分析でＣ１Ｓ及びＯ１Ｓピーク面積から求める元素数比Ｏ／Ｃが０．１０以下の平均粒径１ｍｍφ以上の粒状炭素又は該粒状炭素の集合体からなることを特徴とする生化学反応用炭素電極。
【請求項２】
前記粒状炭素は、ラマン分光スペクトルにおける１５９０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ１）と１３５０ｃｍ−１ピーク強度（Ｐ２）の比（Ｐ１／Ｐ２）が０．８５以上であることを特徴とする請求項１記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項３】
前記粒状炭素は、Ｘ線回折ピークにおける００２回折ピークの半値幅が２．８°以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項４】
バイオリアクター用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【請求項５】
バイオセンサー用電極として用いられる請求項１〜３の何れかに記載の生化学反応用炭素電極。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１０９９４２（Ｐ２０１１−１０９９４２Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６７７４３（Ｐ２００９−２６７７４３）
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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