生物触媒を用いるスーパーバイオ電池の創出に関する基盤研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13460042
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 池田 篤治 京都大学, 農学研究科, 教授 (40026422)
• 研究分担者: 加納 健司 京都大学, 農学研究科, 助教授 (10152828)
• キーワード: 生物燃料電池 / ヒドロゲナーゼ / ビリルビンオキシダーゼ / 生体触媒 / シアノバクテリア / 水素燃料 / バイオエレクトロカタリシス / 光合成電池

研究概要

呼吸と光合成は生物が有する大変効率よいエネルギー獲得手段である。呼吸においては有機物の酸化に伴う化学エネルギーを、光合成においては直接光エネルギーを利用する。本研究では、このような生体エネルギー変換反応系を電気化学の立場から整理して考え、燃料電池反応と対応させて考察した。呼吸反応と光合成反応について、どちらも電子移動とプロトン移動に注目して模式化を試み、酵素や微生物を電極反応の触媒として用いる電池、バイオ電池、の基本構成と基本反応の考察を行った。
まず水率/酸素バイオ電池について実験的検討を加えた。アノード極での水素酸化反応にはメチルビオローゲンを介する微生物(硫酸還元菌:Dυ(Hildenborough))触媒系を、また、カソード極での酸素還元反応には色素(2,2'-Azinobis(3-ethylbenzo-thiazoline-6-sulfonate):ABTS)を介する酵素(ビリルビンオキシダーゼ:BOD)触媒系を用いた。電極には炭素シートを用い、隔膜にはアニオン交換膜を用いた。作製した水素/酸素バイオ電池には室温、中性溶液中、開回路で1.17ボルトと理論値に近いの起電力を与え、電流密度1mA/cm^2程度で通電時においても1ボルト近くの電圧を発生した。これは、アノード、カソード両極に生体触媒反応を用いた水素/酸素燃料電池として、世界で初めての例である。藍藻の光合成系を利用する光バイオ電池の基本反応についても基礎実験を行い、出力電圧0.2Vで0.5mAの電流を得た。この場合アノードで水から酸素の発生が、カソードで酸素の水への変換が起こるので正味の化学変化無しに光-電気エネルギー交換が行える。

研究成果

• [文献書誌] Tsujimura, S., Wadano, A., Kano, K, Ikeda, T.: "Photosynthetic Bioelectrochemical Cell Utilizing Cyanobacteria and Water-Generating Oxidase"Enz. Microbial Tech.. 29(4-5). 225-231 (2001)
• [文献書誌] Tsujimura, S., Fujita, M., Tatsumi, H., Kano, K., Ikeda, T.: "Bioelectrocatalysis-based Dihydrogen/Dioxygen Fuel Cell Operating at Physiological pH"Phys. Chem. Chem. Phys.. 3(3). 1331-1335 (2001)
• [文献書誌] Ikeda T., Kano, K.: "An Electrochemical Approach to the Studies of Biological Redox Reactions and Their Applications to Biosensors, Bioreactors, and Biofuel Cells"J. Biosci. Bioeng.. 92(1). 9-18 (2001)