2014 Fiscal Year Annual Research Report
酵素近傍のナノ構造制御による全固体型バイオ燃料電池の高電流密度化
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25820387
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田巻 孝敬 東京工業大学, 資源化学研究所, 講師 (80567438)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | バイオ燃料電池 / 酵素 / グラフト重合 / 材料システム設計 / 遺伝子改質 / 失活抑制 / 親水化処理 / レドックスポリマー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酵素を触媒に用いるバイオ燃料電池は、生体に安全・安心なグルコースなどを燃料として利用できる次世代電池であり、医療用補助具や携帯機器での利用が期待されている。しかし、バイオ燃料電池の出力密度、特に電流密度は低い値にとどまっており、高電流密度化には酵素の電極表面への物理吸着に伴う変性・失活の抑制が必要である。本研究では、活性を維持した状態で酵素を電極へ固定化する手法として、電極表面との親和性を有するペプチドタグを遺伝子組換えにより酵素へ導入する手法、および電極を構成するカーボン微粒子(カーボンブラック)の表面修飾を行い、酵素の失活へつながる物理吸着を抑制したうえで酵素を固定化する手法を検討した。
ペプチドタグ融合酵素の開発では、酵素グルコースオキシダーゼ(GOx)のC末端へエラスチン由来のペプチドタグを付加した遺伝子組換え体を作製したが、発現の確立が困難であったことから、カーボン微粒子の表面修飾を重点的に推進した。
カーボンブラックの表面修飾では、ポリエチレングリコール(PEG)との物理混合と、アニオン性ポリマーのグラフト重合を検討した。いずれの表面修飾においてもGOxの物理吸着は大幅に抑制され、特に疎水性末端を有するPEGと混合した系では吸着酵素活性が測定できない程度まで吸着量が減少した。物理吸着を抑制したカーボン電極への酵素の固定化は、硫安沈殿と架橋の組み合わせにより行った。なお、酵素電極で用いるカーボンブラックには、レドックスポリマーをグラフト重合して、酵素からの電子授受機能を付与した。親水処理をしたうえで硫安沈殿と架橋によりGOxを固定化した電極では、PEG修飾をしていない従来手法で作製した酵素電極と比較して、約2倍の電流密度が得られた。以上の結果より、カーボンブラックへの物理吸着を抑制した電極へ酵素を固定化することにより高電流密度化が可能であることを示した。
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