教材開発　水素産生菌と燃料電池を利用したバイオ水素エネルギー学習の教材化

Abstract：Teaching biomass energy are important parts of science education. Then, we developed the experimental kit for biomass energy which consists of fermentation vessel, fuel cell and fan motor. We used apple pomace as a substrate of hydrogen fermentation. Hydrogen was produced by indigenous fungus of apple (Rhodosporidium toruloides) which is non-pathogenic microbial without any additional microorganisms, and introduced into fuel cell. Fuel cell generated electrical power and fan motor worked several minutes. This kit will be carried out easily to make students understand about biomass energy, and it can be used safely in the junior high and high school.
Keywords：Biomass; Hydrogen; Apple pomace; The kit for biomass energy learning　

１．緒論

  近年、中学校や高等学校などの教育現場において、エネルギー教育に対する関心は高まっており［1］、燃料電池などの実験キットを用いたエネルギー教育が実施されている。［2］ なかでも、バイオマスエネルギーなどの再生可能エネルギーによる発電は中学理科の教科書でも取り上げられ、［3］ 自由研究などのテーマとして中学生や高校生に学習機会が与えられることもある。［4］ しかし、バイオマスエネルギーに関する実験を行い、発電までの工程を実際に経験するためには、専門的な微生物設備や技術が必要とされ、中学校や高等学校での実施は困難であった。
  一方、筆者らは実験を伴ったエネルギー環境教育手法を確立する観点から、微生物の専門設備がないような、通常の中学校、高等学校における教育現場でも簡単にバイオマス発電を実施できる学習教材の研究開発を行い、製品化に成功した［5］。利用する微生物については、病原性がないとされるバイオセーフティレベル１で、かつ水素発酵を行い、発酵過程により硫化水素やアンモニアなどの有害ガスを発生しないリンゴ常在菌 R. toruloides［6］ を採用した。すなわち、水素産生微生物が含まれ、かつバイオマスでもあるリンゴ果実搾り粕を用いて発酵を実施し、発生させた水素を含む気体を燃料電池に導入して発電し、この電力でファンモーターを回転させるバイオマスエネルギー学習教材用のキットを作製した。本報では開発した装置の実験条件や検討結果と、微生物により生成された水素を用いたバイオマスエネルギー学習方法について示す。

２　開発した実験教材の概要

  リンゴ(Malus pumila)果実の搾り粕をバイオマスとして用いて水素発酵を行い、得られた水素を含む発生気体を燃料電池に導き、発電試験を行う。水素発酵とは嫌気性微生物が行う発酵のうち、最終生成物が水素であるものを言う。水素以外にも、有機酸やアルコール、二酸化炭素なども生成する。また燃料電池とは、外部から陰極に供給された水素と空気中の酸素を電極上の触媒で反応させ、電力を取り出すことができる発電装置である。なお、燃料電池を用いた方法は発電後に副産物としては水しか生成されず、環境負荷が少ないことから、将来におけるエネルギー産生方法として期待されている。発電は燃料電池に接続したファンの回転やLEDの点灯から確認する。水素産生菌としてはリンゴ常在菌を利用するため、種菌（発酵スターター）の投与などの微生物学的な技量は必要ない。発酵時間は4〜7日程度かかるが、発酵の仕込みに必要な時間は30分程度、発電試験に必要な時間は10分程度である。

３　実験方法および材料

３．２ 発酵槽・水素貯蔵塔および水素産生試験
  発酵槽および発生水素回収装置として、図１に示した装置を作製した。すなわち、ガラスおよびアクリルフタからなる容器（350mL容）のフタ部分に穴を開け、継ぎ手（ニッタ・ムアー社　ケミフィットCPコネクタ　CP-C6-R1/8　17mmΦ）を接続して発酵槽とした。この発酵槽に50〜100gの搾り粕、市販ミネラルウォーター約330mL、および3種類のpH 緩衝剤を入れて発酵液を調製した。

３．３　発生水素による発電確認試験
  発酵終了後は発酵槽と水素貯蔵塔間に設置した三方コックを通じて、水素貯蔵塔内に蓄積された発生気体をシリンジで採取した。この採取した気体を理科実験用の小型水素燃料電池（Hレーサー用燃料電池（株）ナリカ社製　電圧　0.4〜1.0V 電流　最大1000mA 水素消費量　1000mAの電流を流した時最大7mL/min　大きさ 52×32×12mm）に投入して発電試験を実施した。燃料電池の水素投入口は2箇所有るため、両方に発生気体を満たしたプラスチックシリンジと空のシリンジを図5のようにそれぞれ接続し、導入した水素が燃料電池に消費される前に散逸しないようにした。発生気体に水素が数十％の濃度で含まれている場合は、この水素によって燃料電池による発電できる。ファンモーターやLED灯などの製品を燃料電池に接続しておけば、ファンの回転やLEDの点灯などが確認され、気体により発電したことが視認できる。

３．４　発酵槽中の微生物について
　 本研究では実験中の発酵液中からの微生物も分離した。これはエネルギー教育実験を行う上では実施する必要性はない事項であるが、開発した教材で水素発酵を行っている微生物を確認するために行った。
  分離は水素発酵開始から48 時間後に実施し、分離培地にはリンゴ寒天培地(pH7 に調整) を使用した。発酵液1mL を滅菌済みマイクロピペットで採取し、これを滅菌水で任意の濃度に希釈した後、寒天培地に0.1mL 塗抹した。培養は30℃の好気条件で行い、塗抹3日後に出現コロニーの観察とカウントを行った。

４　実験結果および考察

４．２　発酵時pHと使用するリンゴ果実の品種・産地
  表１には、pH緩衝剤の量を変化させ、培養開始時の培地pH条件が4.9〜9.1の条件での結果について示した。その結果、pHが6.5〜7.9の中性付近で実施した場合は、リンゴの産地・品種にかかわらず、十分な量の水素（数十mL以上）が発生した。

４．４　発生気体を利用した発電試験
　 発生気体（水素濃度50〜80％）を5mL 導入したときのファンモーターの駆動時間と燃料電池電圧の関係を図8に示す。図8 には、発生気体投入1 回目、50 回目および100 回目に発電試験を実施したときの結果を示した。ファンモーター駆動時における電圧はいずれも0.8V程度であり、使用回数の増加に伴って電圧が低下するなどの燃料電池の劣化現象はみられなかった。燃料電池の電極には白金触媒が使用されており、導入気体中に硫化水素等の被毒ガスが含まれている場合は触媒が被毒し、発電しなくなることが報告されている。［14］ しかし、本教材では図8の結果から、繰り返し100 回発電試験を行っても、発生気体成分に起因する電圧特性の変化はなく、発生気体による燃料電池の損傷作用はみられなかった。
  なお、燃料電池に接続して駆動する電気製品であれば、LEDや温湿度計などのファンモーター以外のものでも使用可能である（図9）。

４．５　発生気体の組成［15］
  発生気体中に含まれるガスの分析の結果を表３に示す。発生したガスとして水素(20〜80%) に次いで高濃度であったのは二酸化炭素(20%以上) であった。酢酸は臭気として感じることができ、液相中に生成することも確認されている［6］が、ガス濃度としては検知管の検出下限値(0.2ppm)より低いために検出されなかった。アンモニアや硫化水素などの悪臭ガス(有毒で、触媒毒にもなる)は、臭気として感じることは無く、また検知管を用いても検出されなかった(検出下限値はそれぞれ0.2および1ppm)。酸素は微生物の増殖に使われたためか、ほぼ消費されていた。また、メタンは検出されなかった。この結果から、発生気体中の主要成分は水素および二酸化炭素であることがわかる。また分析はしていないものの、発酵前に発酵槽中上面に含まれていた空気中の窒素も、気体中には含まれていると考えられる。
  微生物の発酵試験時には有害ガスである高濃度のアンモニアや硫化水素が発生することが多い。しかしながら本方法ではこれらのガスは発生しておらず、安全に実験することができ、教材として都合が良い。

４．６　 他の果物での実験結果

５．結論

＜参考文献及び注解＞

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