バイオ水素生産技術の開発

図

微生物を利用した水素生産(バイオ水素生産)は、常温常圧での反応が可能なことから環境負荷が小さく、また、バイオマスを原料としたCO₂循環によるゼロエミッション型のプロセスを構築できます。そのため、将来の持続可能なCO₂フリー水素製造技術の1つと位置づけられています。これまで多様な微生物水素代謝経路が同定され、これらを利用した水素生産に関する多くの研究がありますが、生産性が低いことが課題であり、経済性ある水素製造技術は未だ確立していません。このような背景の下、世界各国でバイオ水素生産技術の研究開発が進められています。

バイオ水素生産は、活用する微生物代謝経路の違いにより光エネルギー依存型と非依存型に大別されます。前者として、藻類やシアノバクテリアの光合成反応における水の分解、および光合成細菌による有機物の分解(光発酵)に伴う水素生産が挙げられますが、光からのエネルギー変換効率が低く、生産速度が遅いことが課題となります。一方、光エネルギーに依存しない嫌気発酵(暗発酵)による水素生産は有機物を原料とした高速な水素生産が可能ですが、有機酸やアルコールといった他の発酵産物の副生が起こるため、原料あたりの水素収率が低いことが課題となります。暗発酵を利用した経済性ある水素製造技術の確立には、遺伝子工学による水素収率の飛躍的な向上が重要な鍵とされています。また、バイオマス由来糖類からの水素収率を高めるため、暗発酵で副生する有機酸を光発酵の基質として利用する統合型水素生産プロセスの研究が行われています。

当グループは、シャープ株式会社との共同研究により、ギ酸を介した暗発酵水素生産経路を利用して圧倒的な水素生産速度 (最大300 L H₂/h/L) を達成しています。この成果を基盤として、光発酵との統合による水素収率の向上に向けた技術開発に取り組んでいます。

ギ酸を介した水素生産経路では、バイオマス由来糖類(グルコース)の分解により生成する還元力の一部しか利用できないため、原料あたりの水素収率が低いことが課題となります。そこで、還元力としてNADHと還元型フェレドキシン(Fd²¯)を利用できる高収率水素生産経路を導入し、これが駆動することを示しています。また、光発酵水素生産に利用する光合成細菌のユニークな酢酸代謝制御機構を明らかにし、これを利用して酢酸から水素への変換効率を向上させることに成功しています。

研究者

研究者

乾 将行

公益財団法人地球環境産業技術研究機構 バイオ研究グループ グループリーダー/主席研究員

論文

バイオ水素生産技術開発に関する論文

  1. Shimizu T, Teramoto H and Inui M. Engineering the transcriptional activator NifA for the construction of Rhodobacter sphaeroides strains that produce hydrogen gas constitutively. Appl. Microbiol. Biotechnol. 103: 9739-9749. 2019.
  2. Shimizu T, Teramoto H and Inui M. Introduction of glyoxylate bypass increases hydrogen gas yield from acetate and L-glutamate in Rhodobacter sphaeroides. Appl. Environ. Microbiol. 85: e01873-18. 2019.
  3. 寺本 陽彦, 乾 将行「水素社会実現に向けたバイオ水素生産技術開発」 電気評論 634: 52-53. 2016.
  4. Yoshida A, Nishimura T, Kawaguchi H, Inui M and Yukawa H. Efficient induction of formate hydrogen lyase of aerobically grown Escherichia coli in a three-step biohydrogen production process. Appl. Microbiol. Biotechnol. 74: 754-760. 2007.
  5. Yoshida A, Nishimura T, Kawaguchi H, Inui M and Yukawa H. Enhanced hydrogen production from glucose using ldh- and frd-inactivated Escherichia coli strains. Appl. Microbiol. Biotechnol. 73: 67-72. 2006.
  6. Yoshida A, Nishimura T, Kawaguchi H, Inui M and Yukawa H. Enhanced hydrogen production from formic acid by formate hydrogen lyase-overexpressing Escherichia coli strains. Appl. Environ. Microbiol. 71: 6762-6768. 2005.

その他のバイオ変換技術開発に関する主要な論文(バイオ液体燃料)

  1. Jojima T, Igari T, Noburyu R, Watanabe A, Suda M and Inui M. Coexistence of the Entner–Doudoroff and Embden–Meyerhof–Parnas pathways enhances glucose consumption of ethanol-producing Corynebacterium glutamicum. Biotechnol. Biofuels. 14:45. 2021.
  2. Hasegawa S, Jojima T, Suda M and Inui M. Isobutanol production in Corynebacterium glutamicum: Suppressed succinate by-production by pckA inactivation and enhanced productivity via the Entner-Doudoroff pathway. Metab. Eng. 59: 24-35. 2020.
  3. 渡邉 彰, 乾 将行「グリーンジェット燃料開発の現状」 電気評論 632: 38-39. 2016.
  4. 渡邉 彰, 城島 透, 乾 将行「100%グリーンジェット燃料の開発」 配管技術 58: 6-11. 2016.
  5. Jojima T, Noburyu R, Sasaki M, Tajima T, Suda M, Yukawa H and Inui M. Metabolic engineering for improved production of ethanol by Corynebacterium glutamicum. Appl. Microbiol. Biotechnol. 99: 1165-1172. 2015.
  6. Yamamoto S, Suda M, Niimi S, Inui M and Yukawa H. Strain optimization for efficient isobutanol production using Corynebacterium glutamicum under oxygen deprivation. Biotechnol. Bioeng. 110: 2938-2948. 2013.
  7. Inui M, Suda M, Kimura S, Yasuda K, Suzuki H, Toda H, Yamamoto S, Okino S, Suzuki N and Yukawa H. Expression of Clostridium acetobutylicum butanol synthetic genes in Escherichia coli. Appl. Microbiol. Biotechnol. 77: 1305-1316. 2008.
  8. Jojima T, Inui M and Yukawa H. Production of isopropanol by metabolically engineered Escherichia coli. Appl. Microbiol. Biotechnol. 77: 1219-1224. 2008.
  9. Sakai S, Tsuchida Y, H. Nakamoto, Okino S, Ichihashi O, Kawaguchi H, T. Watanabe, Inui M and Yukawa H. Effect of lignocellulose-derived inhibitors on growth of and ethanol production by growth-arrested Corynebacterium glutamicum R. Appl. Environ. Microbiol. 73: 2349-2353. 2007.

その他のバイオ変換技術開発に関する主要な論文(バイオ化学品)

  1. Kogure T, Suda M, Hiraga K and Inui M. Protocatechuate overproduction by Corynebacterium glutamicum via simultaneous engineering of native and heterologous biosynthetic pathways. Metab. Eng. 65: 232-242. 2021.
  2. 久保田 健, 乾 将行「バイオエコノミー社会の実現に向けたバイオカテコール生産技術開発」電気評論 692:39-40. 2021.
  3. 久保田 健「微生物発酵を利用した再生可能資源からの高機能バイオマスプラスチック原料生産技術開発」バイオサイエンスとインダストリー 79:250-251. 2021.
  4. 乾 将行 「コリネ菌を用いた有用芳香族化合物生産菌の開発」 バイオサイエンスとインダストリー 78: 450-451. 2020.
  5. Tsuge Y, Kato N, Yamamoto S, Suda M, Jojima T and Inui M. Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for hyperproduction of polymer-grade L- and D-lactic acid. Appl. Microbiol. Biotechnol. 103: 3381-3391. 2019.
  6. Tsuge Y, Kato N, Yamamoto S, Suda M and Inui M. Enhanced production of D-lactate from mixed sugars in Corynebacterium glutamicum by overexpression of glycolytic genes encoding phosphofructokinase and triosephosphate isomerase. J. Biosci. Bioeng. 127: 288-293. 2019.
  7. 宮内 啓行, 乾 将行「バイオマス由来フェノール樹脂の生産技術開発」 月刊BIO INDUSTRY 36:47-56. 2019.
  8. Kitade Y, Hashimoto R, Suda M, Hiraga K and Inui M. Production of 4-hydroxybenzoic acid by an aerobic growth-arrested bioprocess using metabolically engineered Corynebacterium glutamicum. Appl. Environ. Microbiol. 84: e02587-17. 2018.
  9. Kogure T, Kubota T, Suda M, Hiraga K and Inui M. Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for shikimate overproduction by growth-arrested cell reaction. Metab. Eng. 38: 204-216. 2016.
  10. Kubota T, Watanabe A, Suda M, Kogure T, Hiraga K and Inui M. Production of para-aminobenzoate by genetically engineered Corynebacterium glutamicum and non-biological formation of an N-glucosyl byproduct. Metab. Eng. 38: 322-330. 2016.
  11. Jojima T, Noburyu R, Suda M, Okino S, Yukawa H and Inui M. Improving process yield in succinic acid production by cell recycling of recombinant Corynebacterium glutamicum. Fermentation 2: 5: 2016.
研究開発課題へ戻る