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- いぶき まつかた
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1 木曜班秋輪講書 1. 要旨 ナフィオン膜を用いてバイオ燃料電池を形成し 培養した電解液を用いて電圧を測定した その結果を考察し 電力の安定は難しいが資源の代替の必要性は少ないため長期的な電力供給を行う場合有用であると結論した 2. 目的 市販の藻を用いて シアノバクテリアを培養し 得られた培養液を既成のナフィオン膜を用いて作成したバイ オ燃料電池の電解液として用い 電圧を調べることで バイオ燃料電池の実用性を研究する 3. 原理 3-1 光合成 3-1a 明反応 酸素発生を行う生物種では PSⅠ( 光化学系 Ⅰ 複合体 ) と PSⅡ( 光化学系 Ⅱ 複合体 ) が必要である 光合成に置い ては二つの光化学系は光により駆動される水分子の酸化と NADP+ の還元を共役させている 2H2O O2 + 4e- + 4H + E = V NADP + + H + + 2e- NADPH E = V 両者を合わせた標準酸化還元電位は V となる 2NADP + + 2H2O 2NADPH + O2 + 2H + E = V 光に駆動される光合成の過程は 光エネルギーによる PS2 の励起によって始まり PS1 に伝達されるにした がって H + がストロマ側からチラコイド内腔へとくみ出される ストロマへプロトンが逆流するにしたがって ATP シンターゼによって ATP( アデノシン三リン酸 ) が合成される P700(PS1 内の二量体状 αクロロフィル ) がさらに光子を吸収すると エネルギーを受け取った電子が放出される 新たにエネルギーを得た電子は 一連の鉄 -たんぱく質やフラビンたんぱく質を経て 最終的な電子受容体である NADP + NAD に受け渡され NADPH( 還元型 NADP) NADH( 還元型 NAD) となる これら NADPH NADH は シアノバクテリア 32 内での電荷伝達体として機能するもので電子 (e-) やプロトン (H + ) の流れを生じさせることができる
2 ( 図は NADP 還元型は PO4 PO3 基が還元された形となる ) ( 図は NAD 還元型は PO3 が還元された形となる ) 3-1b 光とエネルギー 可視光の波長分布は 400nm から 700nm である 光は 波としての性質に加え 質量と加速度のような粒子としての性質も示す 光子のエネルギー εは電磁波の周波数に比例し ε=hμ 量子論に従うと 輻射エネルギーは量子と呼ばれる特殊な量でのみ吸収されたり 放出されたりする 分子がエネルギーの量子を吸収すると 電子が基底状態の軌道から高い状態へ移動する 吸収が起こるには二つの軌道の間のエネルギー差は吸収した光子のエネルギーと厳密に等しくなくてはならない 一方 複雑な分子は複数の波長で吸収を起こす 目で見える色は吸収されない波長で 例えば クロロフィル溶液では緑色である 電磁波エネルギーを吸収する分子は 発色団とよばれる構造をもっている この発色団は通常 共役二重結合や独立した二重結合など 十分な二重結合によってもたらされる共鳴安定化を行っている これにより 電子が容易に遷移状態に移動することが出来る 励起された電子は 光合成に置いては 次の主な 2 つの様式により基底状態に戻る 1 共鳴エネルギー伝達 2 酸化還元集光性複合体によって吸収されたエネルギーは伝達され 最終的には反応中心のクロロフィル分子へと到達する 3-1c 光調節 植物は非常に多様な環境に適応する必要があるので 光合成の制御は非常に複雑である ほとんどの過程は 光によって直接または間接的に調整されている 植物に対する光の効果の多くは 鍵となる
3 酵素の活性が変化することによってもたらされる 植物細胞はいくつもの競合過程にある経路で作用する酵素をもっているので 徹底した代謝調節が必要となる 光により活性化または不活性化する酵素は様々だが ここでは 最もよく研究されている ph Mg 2+ について挙げておく 1pH 光反応の間に プロトンはチラコイド膜を横切り ストロマからチラコイドな以降へとくみ出される ストロマの ph は 7 から 8 へと上昇するのでいくつかの酵素の活性が影響を受ける 例えば リブロース -1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼの至適 ph は 8 である 2Mg いくつかの光合成酵素は Mg 2+ により活性化される 光はストロマの Mg2+ 濃度を 1-3mM から 3-6mM へ上昇させる 3-2 培養 増殖 生物系において 増殖は化学成分の秩序ある増加と定義されている シアノバクテリアは 適切な環境下であれば無限に増殖すると言われている 本実験では 或る一定の電力供給を行うためのシアノバクテリアの増殖を考え 一定量のシアノバクテリアを保つための増殖に集中する 増殖曲線 Z = Z0 10 μ (t - t 0 )/2.303 Z0 を初期の細胞数 t0 を時間とすると Z は t 秒後の細胞数である μは増殖速度定数と呼ばれる しかし微生物集団が長い間高速度の対数的増殖を維持することはほとんど無い 細菌集団の増殖は 利用可能な栄養素の消耗によるか 有毒退社産物の蓄積によって制限される その結果 増殖速度が低下し ついには増殖を停止する ( 定常期 ) 非増殖状態に置かれた細菌細胞はついには死滅する これは特に細胞内のエネルギー貯蔵物の死滅に起因する が 死滅速度は環境によって様々である 培養環境 シアノバクテリアにとっての培地は液体の培地となる 照明は 2000~3000 ルクス程度で温度は 25~28 度ほど が良い 培養促進のため 定期的にゆっくりと攪拌する 照明が強すぎたり温度が上昇しすぎたりすると死滅し てしまう恐れがある 培地配合比 硝酸カルシウム 4 水和物 75mg 硝酸カリウム 50mg 硫酸マグネシウム 7 水和物 20mg 塩化鉄 6 水和物 100mg ビシン 250mg 以上の材料を水 500ml に溶かす 3-3 電池 起電力閉回路における電池反応が平衡状態に向かって進行する際に 化学反応に伴うエネルギー変化が電気エネルギーに変換されるが このとき外界に放出される電気的仕事は反応の Gibbs エネルギー変化に相当する量よりも小さい
4 ここで 負荷抵抗 R を無限大とすると電池系に流れる電流は 0 に等しくなり 電池反応は無限にゆっくりになる このような電池系の開回路状態における電池電圧を電池の起電力とする 4 器具試薬等 A 電池形成における必要部品 銅板 2 O 型ゴムリング 2 ナフィオン膜(5cm 5cm) ボルト ボルト止め具 4 アクリル板(5 5) 2 ナフィオン膜(Nafion perfluorinated membrane,polymer) [(CF2CF2)nCFCF2 (OCF2CF)nOCF2CF2SO3H] CF3 すぐれた耐久性と化学的安定性を持ち 主に 燃料電池膜用に薄膜の作成やコーティング 触媒コーティング センサー 電気化学用途に用いられる 強い毒性や急な腐食などは見られない 皮膚に付着した場合はその箇所を多量の水で洗い流す必要がある ポリアニリン 導電性高分子の一種で 多くの導電性高分子と同様 共役 π 電子系が直線的な分子鎖に沿う一次元構造を有する 固体電解コンデンサの電極材料などとして実用化されている フェリシアン化カリウムヘキサシアノ鉄 (III) 酸カリウム 赤血塩 ( せっけつえん ) とも呼ばれる無機化合物で 錯塩の一種 K3[Fe(CN)6] 赤色の結晶または粉末である 水溶液中で電離しても配位子の CN ( シアン化物イオン ) が安定しているため 無機シアン化物のような毒性は示さない 水に良く溶け 水溶液は黄緑色の蛍光をいくぶん示す フェロシアン化カリウムの溶液に塩素ガスを通じると得られる B 培養 ウィローモス( 市販 ) 硫酸カリウム M= d=2.66g/cm 3 mp1069 bp1689 無色斜方晶の結晶 硫酸マグネシウム七水和物 M= 水溶液と共存安定な固層は 48 以下 塩化鉄六水和物 M= mp 36.5 bp 280 溶解度 246g/100ml 黄褐色 潮解性 熱すると脱水する 塩化マンガン四水和物 M= 水 エタノールに易溶 ビシン生化学用 ph 緩衝剤 ph を 7.7~9.1 に固定する 5. 実験操作
5 5-1 バイオ燃料電池の形成 (1) ナフィオン膜にポリアニリンを塗布した 固着させるため ドライヤーで水分をある程度除いた後風乾した (2) 銅板 2 O 型ゴムリング 2 ナフィオン膜(5cm 5cm) ボルト ボルト止め具 4 アクリル板(5 5) 2 を用意し 図に示すようなバイオ燃料電池を形成した 組み立てた後に液体を O リング内部に封入できるよう 円穴を開けておいた 5-2 藍藻類の培養 (1) ウィローモス ( 市販の藻 ) を約 10g 用意し 使用済みの 500ml ペットボトルの上部を切り取ったもの (A) 上部が開閉自由なごく普通のもの (B) とそれぞれ 4 本ずつ用意した (2) 硫酸マグネシウム七水和物 20mg 硝酸カリウム 50mg 塩化鉄六水和物 70mg ビシン 250mg を蒸留水 500ml に溶かす これを培養液とした (3) ウィローモスをおよそ均等になるようにちぎり 各ペットボトルに入れた ボトルの 8 分目ぐらいまで溶液を満たし 1 日に当てないもの 2 日に当てるだけのもの 3 2に加え 培養液を定期的に取り替えるもの 4 ブランク用以上 4 種を用意した 3は (2) で作成した培養液 4は蒸留水 ( ブランク用 ) を入れ B はキャップを閉め 空気の出入りが起こらないようにした 3に関しては培養液を入れ替えるときだけキャップを開いた (4) 上記で作成した 8 種の培養槽から培養液をまずは 1 日後に その後 1 週間後 2 週間後に取り出して 4-3 で行う実験に用いた 5-3 電圧測定 (1) 培養液は微量を用いるため 電池へ封入する際は手早く行った (2) 得られたサンプルに対して電圧測定を行った 計測は 20 分間行い 初期電圧と 1 秒あたりの平均電圧を記録した 得られた結果をグラフ 表にした
6 6. 実験結果 日経過視認できるほどの変化は現れていなかった 培養があまり進行していないようだった 一週間後 (1) A と B について比較すると A の方が透明な緑色であったのに対し B の方は濁った緑色を呈していた (3) まず A についてであるが 緑色の強さは 1<2<<3であるようだった 4と1を比較してみると差はあったものの 変化は小さかった 次に B であるが 134はほぼ A と変わらなかったのに対して 2は (a) の場合よりも緑色は弱く 濁っていた 二週間後 (1) A と B について比較すると A の方は 1 週間後と変わらなかったが (b) の方は濁りが強くなっていた (3) まず A についてであるが 1 週間後とあまり変化がなかった 次に B であるが 23は濁りが見られた 5-3 最大電圧を示す 1 日後 A B 週間後 A B 週間後 A B 平均電圧を示す 1 日後 A B 週間後 A B
7 2 週間後 A B 考察 5-1 実験データ A と B 相違光合成の過程で以下の反応が起こる 2H2O O2 + 4e- + 4H + この場合 空気の入れ替えの有無がないと O2 が密閉空間内で増加することになるため 平衡は左へ進んでしまい 電子の生成が抑えられてしまう A は容器の上部が開いているが B は閉じられているため A の方が電子生成も進み 電圧も大きくなったと考えられる ブランク用 1 日に当てないものこの場合では光の強度がとても小さく 光合成がほぼ起こらないため 電子生成が僅かであり 電圧も小さくなったと考えられる 2 日に当てるだけのものこの場合はある程度増殖してから死滅期を迎えると考えられる 単に光合成を起こすだけでは シアノバクテリアが増殖しすぎてしまう これによって生命維持に必要な栄養が少なくなって死滅が進んでしまう 光合成は盛んであるので1よりは電圧は大きくなっているが これ以上電圧を高めるのは難しいと考えられる 3 2 に加え 培養液を定期的に取り替えるもの この方法ではシアノバクテリアの数をある程度一定に保てるため 電圧も安定していたと思われる 以上の点から A と 3 の方法を組み合わせた手段が良いと言える 5-2 電力の安定性 維持力計測の間 電圧が維持されればされるほど その電池は長持ちするということになる しかし 今回は 20 分という短い時間でも電圧を維持することは出来なかった 電極が金属などの場合 放出される電子は一価の金属であれば一原子につき 1 つである シアノバクテリアは金属粒子よりもかなり大きいことが予測されるから 1 つのシアノバクテリア内で多くの NAD NADP の還元反応が起こらなければならないことになる そうすると バクテリアにより多くの光合成反応を起こさせなくてはならない しかし 光度が強すぎるとシアノバクテリアは死滅してしまう よって燃料電池単位に期待される短期的な電力は 一般的な電池より劣ると結論せざるを得ない
8 しかし 資源やコストの面で従来の電力源より優れている部分もある 5-3 電荷伝達 金属板は電荷伝達体として働き 電子の流れをスムーズにしている ポリアニリンから電子を受け取り 正極側に放出するだけなので 銅板自体は酸化されないため 空気に触れない場所で使用するならばこの銅板は理論的には取り替える必要が無い また ナフィオンは耐久性と化学安定性に優れている フェリシアンカリウムも一つのサイクルで酸化還元が行われる 5-4 光太陽光をエネルギーの源として使用できるのもバイオ燃料電池の優れた点である また 光合成を行う植物は基本的に緑色であるため その補色である赤色付近の波長の光をよく吸収すると考えられる 日照条件の悪化などにより 白色光を十分な得られない場合は 太陽と培養液の間に赤色の光の透過性のよい板などを挟めて 植物に到達する光の波長をある程度整える という方法が考えられる その場合 人工的に太陽光を調製することで太陽光が植物に与える光合成面以外での働きを阻害する可能性も考慮しなければならない まとめ ある一定量のシアノバクテリアが存在し それを保持する のようなシステムが確立されているならば 長期的にはコストも少なくなると考えられる 8 反省 課題 実験を開始してから わからないことが多く 方向性を見出せなかった時期が長くなってしまったことが今回の実験での一番の反省点だと思う これにより 実験が遅れてしまい 班員と一緒に実験したり学んだりする機会が少なくなってしまった もっと多くの実験を出来ていればと思う一方で まだまだ未知の部分が多い分野を研究したことで多くの事柄を学べたと思う この点を活かして 今後の研究活動を検討 改善していきたい 9. 参考文献マッキ- 生化学微生物学光合成電気化学玉虫伶太東京化学同人電気化学の基礎喜多英明魚崎浩平技報堂出版株式会社バイオ燃料電池公開特許公報
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