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JP6786885B2 - Biobattery - Google Patents
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JP6786885B2 - Biobattery - Google Patents

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Description

本発明は、バイオ電池に関する。 The present invention relates to a biobattery.

近年、酵素や微生物が持つエネルギー変換システムを利用したバイオ電池の開発が進められている。バイオ電池は、生体内のエネルギー変換系を応用した燃料電池であり、電極触媒として生体触媒を用いて、生体触媒による酸化還元反応と電極反応を共役させて電気エネルギーを取り出す発電装置である。バイオプロセスを利用するバイオ電池は、緩和な条件かつ高い選択性を有し、燃料として糖やアルコール等の環境中に存在する多様な物質を利用できるという利点を有する。そのため、安全で環境負荷が小さいことから、携帯型機器や体内埋込型機器等の小型電子機器等の次世代電源としての更なる発展が期待されている。 In recent years, the development of biobatteries using the energy conversion system of enzymes and microorganisms has been promoted. A biobattery is a fuel cell that applies an energy conversion system in a living body, and is a power generation device that uses a biocatalyst as an electrode catalyst and couples a redox reaction and an electrode reaction by the biocatalyst to extract electrical energy. A biobattery that utilizes a bioprocess has an advantage that it has mild conditions and high selectivity, and can utilize various substances existing in the environment such as sugar and alcohol as a fuel. Therefore, since it is safe and has a small environmental load, further development as a next-generation power source for small electronic devices such as portable devices and implantable devices is expected.

電極触媒として酵素を利用したバイオ電池の場合、負極側では燃料の酸化反応により電子とプロトンを生成し、取り出された電子を電極基材に伝達する。電子は、外部回路を介して、また、プロトンは電解質層等を介して正極側に輸送され、正極側では酸素の還元反応が進められる。近年、バイオ電池の性能向上を目指し、安定性向上、電極素材の最適化、電極/酵素間の電子の移動の効率化等の観点からの研究開発が進められている。 In the case of a biobattery using an enzyme as an electrode catalyst, electrons and protons are generated by the oxidation reaction of fuel on the negative electrode side, and the extracted electrons are transferred to the electrode base material. Electrons are transported to the positive electrode side via an external circuit, and protons are transported to the positive electrode side via an electrolyte layer or the like, and an oxygen reduction reaction proceeds on the positive electrode side. In recent years, with the aim of improving the performance of biobatteries, research and development have been carried out from the viewpoints of improving stability, optimizing electrode materials, and improving the efficiency of electron transfer between electrodes / enzymes.

例えば、バイオ電池を長期間にわたっての安定的な動作を実現するため、正極側の湿度を一定範囲内に調整する技術が報告されている(特許文献1を参照)。特許文献1の技術によれば、相対湿度を一定範囲内に調整することで、正極の劣化を招くことなくその性能を長期にわたって持続でき、バイオ電池の耐久性を向上できる。 For example, in order to realize stable operation of a biobattery for a long period of time, a technique for adjusting the humidity on the positive electrode side within a certain range has been reported (see Patent Document 1). According to the technique of Patent Document 1, by adjusting the relative humidity within a certain range, the performance can be maintained for a long period of time without causing deterioration of the positive electrode, and the durability of the biobattery can be improved.

また、効率的に燃料からエネルギーを取りだすため、負極側では、電極触媒である酵素が好適な環境下で安定的にその触媒活性を保持できることが要求される。例えば、優れた緩衝能を有するイミダゾール環を含む化合物の存在下で安定した活性を有し、少なくともpH 7〜11の範囲で安定である酵素を電極触媒として利用したバイオ電池が報告されている(特許文献2を参照)。特許文献2のバイオ電池は、電極でのプロトン濃度の増減が生じても十分な緩衝作用を得ることができるイミダゾール環を含む化合物を緩衝液成分として電解液等に使用する。これにより、電極上の酵素の周囲のpHを酵素の至適pH範囲から外れることを抑制できると共に、利用される酵素は緩衝能の高いイミダゾール環を有する化合物の存在下で安定に機能できることから、効率的に電気エネルギーを創出できることが可能となることが記載されている。 Further, in order to efficiently extract energy from the fuel, it is required that the enzyme, which is an electrode catalyst, can stably maintain its catalytic activity in a suitable environment on the negative electrode side. For example, a biobattery using an enzyme as an electrode catalyst, which has stable activity in the presence of a compound containing an imidazole ring having excellent buffering capacity and is stable at least in the pH range of 7 to 11 has been reported ( See Patent Document 2). The biobattery of Patent Document 2 uses a compound containing an imidazole ring, which can obtain a sufficient buffering action even when the proton concentration at the electrode increases or decreases, as a buffering solution component in an electrolytic solution or the like. As a result, it is possible to prevent the pH around the enzyme on the electrode from deviating from the optimum pH range of the enzyme, and the enzyme used can function stably in the presence of a compound having an imidazole ring having a high buffering capacity. It is stated that it is possible to efficiently generate electrical energy.

また、燃料溶液を負極に効率的に供給するためのバイオ電池スタックが報告されている(特許文献3を参照)。詳細には、特許文献3のバイオ電池スタックは、少なくとも1以上の燃料容器が組み込まれた燃料マニホールド、及び当該燃料マニホールドに燃料溶液を注入するための入口、及び燃料溶液を放出するための出口を含む燃料供給部を備える。そして、負極は燃料容器において燃料溶液と接触するように配置されており、燃料溶液は、適切な燃料源から燃料マニホールドの燃料容器内に供給される。燃料は、バイオ電池の作動の間に消費され、消費後の燃料は適切な廃棄先に放出されるように構成されている。 Further, a biobattery stack for efficiently supplying a fuel solution to a negative electrode has been reported (see Patent Document 3). Specifically, the biobattery stack of Patent Document 3 has a fuel manifold in which at least one or more fuel containers are incorporated, an inlet for injecting a fuel solution into the fuel manifold, and an outlet for discharging the fuel solution. It has a fuel supply unit including. The negative electrode is arranged so as to come into contact with the fuel solution in the fuel container, and the fuel solution is supplied into the fuel container of the fuel manifold from an appropriate fuel source. The fuel is consumed during the operation of the biobattery, and the fuel after consumption is configured to be discharged to an appropriate disposal destination.

また、燃料消費に起因する電池性能劣化を判断し、燃料の添加やバイオ電池本体の回転を通した燃料溶液の濃度分布の均等化等を通して、効率的に発電性能を回復させるように構成したバイオ電池も報告されている(例えば、特許文献4を参照のこと)。詳細には、特許文献4のバイオ電池は、燃料溶液のpH変化を色変化により検出するpH検出部を設け、燃料溶液の消費を視覚的に検出可能とするように構成されている。 In addition, the bio is configured to efficiently restore power generation performance by judging the deterioration of battery performance due to fuel consumption, and by adding fuel and equalizing the concentration distribution of the fuel solution through the rotation of the biobattery body. Batteries have also been reported (see, eg, Patent Document 4). Specifically, the biobattery of Patent Document 4 is configured to be provided with a pH detection unit that detects a pH change of the fuel solution by a color change so that the consumption of the fuel solution can be visually detected.

特開2015-228321号公報JP-A-2015-228321 特開2014-182887号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-182887 特表2010-516017号公報Special Table 2010-516017 特開2013-33630号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-33630

しかしながら、特許文献1のバイオ電池に関しては、電流密度がμA/cm2レベルの低出力のみに言及し、mA/cm2レベル以上で燃料を繰り返し供給するケースは検討されていない。特許文献2〜4のバイオ電池は、バイオ電池の作動に伴い、負極側では電極触媒である酵素により燃料が酸化されるが、燃料の酸化に伴って生成する有機酸が酵素に与える影響に関して検討する必要がある。有機酸は電解液や燃料溶液等に含まれる緩衝液成分の濃度と比較して大量に生成するため、負極側のpHが酸性に移行し、その結果、pHが酵素の至適範囲を外れ、酵素活性の低下によりバイオ電池の出力が低下することが予想される。しかしながら、従来の何れの技術においても、有機酸の生成によるバイオ電池の出力低下への対応は改善の余地があった。 However, for bio battery of Patent Document 1, the current density refers only to the low output of .mu.A / cm 2 level, the case is supplied repeatedly fuel mA / cm 2 level or more has not been studied. In the biobatteries of Patent Documents 2 to 4, the fuel is oxidized by the enzyme which is an electrode catalyst on the negative electrode side as the biobattery operates, and the influence of the organic acid generated by the oxidation of the fuel on the enzyme is examined. There is a need to. Since organic acids are generated in large quantities compared to the concentration of the buffer solution component contained in the electrolytic solution, fuel solution, etc., the pH on the negative side shifts to acidic, and as a result, the pH deviates from the optimum range of the enzyme. It is expected that the output of the biobattery will decrease due to the decrease in enzyme activity. However, in any of the conventional techniques, there is room for improvement in dealing with the decrease in the output of the biobattery due to the production of organic acids.

そこで、燃料の酸化により生成する有機酸に起因する酵素活性の低下を防止することを課題とする。また、電極触媒である酵素が好適な環境下で安定的にその触媒活性を保持できることを課題とする。更には、発電効率を向上できるバイオ電池を提供すること、また、発電持続時間を向上できるバイオ電池を提供することを課題とする。 Therefore, it is an object to prevent a decrease in enzyme activity due to an organic acid produced by oxidation of fuel. Another object of the present invention is that the enzyme, which is an electrode catalyst, can stably maintain its catalytic activity in a suitable environment. Another object of the present invention is to provide a biobattery capable of improving power generation efficiency and to provide a biobattery capable of improving power generation duration.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、バイオ電池の作動後、燃料の酸化に伴い有機酸を生成した負極を一定濃度以上の緩衝液成分を含むアルカリ性緩衝液に含浸させることによって、負極側のpHを酵素の至適範囲に戻し、電極酵素である酵素を再び活性状態とすることができ、発電効率及び発電持続時間を向上できることを見出した。また、追加で供給する燃料溶液に、一定濃度以上の緩衝液成分を含ませ、かつ、アルカリ性に調整することによっても、電極酵素である酵素を再び活性状態とすることができ、発電効率及び発電持続時間を向上できることを見出した。これらの知見に基づき、本発明者らは本発明を完成した。 As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have turned the negative electrode, which produces an organic acid by the oxidation of the fuel after the operation of the biobattery, into an alkaline buffer solution containing a buffer solution component having a certain concentration or higher. It has been found that by impregnation, the pH on the negative electrode side can be returned to the optimum range of the enzyme, the enzyme which is the electrode enzyme can be reactivated, and the power generation efficiency and the power generation duration can be improved. Further, by adding a buffer solution component having a certain concentration or more to the fuel solution to be additionally supplied and adjusting the concentration to alkaline, the enzyme which is an electrode enzyme can be reactivated, and the power generation efficiency and power generation can be increased. We have found that the duration can be improved. Based on these findings, the present inventors have completed the present invention.

すなわち、上記課題を解決するため、以下の〔1〕〜〔8〕に示す発明を提供する。 That is, in order to solve the above problems, the inventions shown in the following [1] to [8] are provided.

〔1〕燃料を酸化して有機酸を生成する酵素を電極触媒とする負極を備えるバイオ電池であって、
前記負極による前記燃料の酸化に伴い生成する有機酸による負極内のpH変動を調整するpH調整部を備え、
前記pH調整部が、
(i)前記負極に、前記燃料と前記燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている交換用の燃料溶液を供給し、使用済みの燃料溶液と交換する燃料溶液交換部、及び、
(ii)前記負極を、前記負極に供給される燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている緩衝液に含浸する負極含浸部、から選択される少なくとも1つから構成されるバイオ電池。
[1] A biobattery including a negative electrode using an enzyme that oxidizes fuel to produce an organic acid as an electrode catalyst.
A pH adjusting unit for adjusting the pH fluctuation in the negative electrode due to the organic acid generated by the oxidation of the fuel by the negative electrode is provided.
The pH adjuster
(I) A fuel containing the fuel and a buffer solution having a concentration of 0.5 times or more that of the fuel and being adjusted to be alkaline to be supplied to the negative electrode to replace the used fuel solution. Solution exchange part and
(Ii) At least one selected from a negative electrode impregnated portion in which the negative electrode is impregnated with a buffer solution having a concentration of 0.5 times or more that of the fuel supplied to the negative electrode and adjusted to be alkaline. Biobattery composed of.

上記〔1〕の構成によれば、負極の電極触媒である酵素が燃料を酸化する際に発生した有機酸に起因して、負極側のpHが酸性に傾くことを防止し、また、負極側のpHが酸性に傾いたとしても、負極側のpHを負極の酵素の至適範囲に戻すことができる。負極の電極触媒である酵素を活性状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。また、負極側のpHの調整は、使用済みの燃料溶液を緩衝液成分濃度及びpHを調整した燃料溶液に交換する、若しくは、緩衝液成分濃度及びpHを調整した緩衝液に含浸するという、簡便な機構で行うことができ、バイオ電池の大型化及び複雑化を招かない。 According to the configuration of [1] above, it is possible to prevent the pH on the negative electrode side from becoming acidic due to the organic acid generated when the enzyme which is the electrode catalyst of the negative electrode oxidizes the fuel, and also to prevent the pH on the negative electrode side from becoming acidic. Even if the pH of the negative electrode tends to be acidic, the pH on the negative electrode side can be returned to the optimum range of the enzyme on the negative electrode. The enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode can be maintained in the active state. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, it is possible to provide a biobattery that exhibits excellent battery characteristics with the above configuration. Further, the pH on the negative side can be adjusted simply by replacing the used fuel solution with a fuel solution having an adjusted buffer component concentration and pH, or by impregnating the buffer solution having an adjusted buffer component concentration and pH. It can be performed by a simple mechanism and does not cause the bio-cell to become large and complicated.

〔2〕前記燃料溶液交換部によって前記負極に供給される前記交換用の燃料溶液が、0.75 M以上の緩衝液成分を含む。 [2] The replacement fuel solution supplied to the negative electrode by the fuel solution exchange section contains 0.75 M or more of a buffer solution component.

上記〔2〕の構成によれば、負極側のpHの調整を効果的に行うことができ、負極側を負極の電極触媒である酵素を活性の発揮に好適な状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により、更に優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。 According to the configuration of the above [2], the pH on the negative electrode side can be effectively adjusted, and the enzyme, which is the electrode catalyst of the negative electrode, can be maintained on the negative electrode side in a state suitable for exerting the activity. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, with the above configuration, it is possible to provide a biobattery that exhibits more excellent battery characteristics.

〔3〕前記負極含浸部によって前記負極が含浸される前記緩衝液が、1 M以上の緩衝液成分を含む。 [3] The buffer solution in which the negative electrode is impregnated by the negative electrode impregnated portion contains 1 M or more of a buffer solution component.

上記〔3〕の構成によれば、負極側のpHの調整を効果的に行うことができ、負極側を負極の電極触媒である酵素を活性の発揮に好適な状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により、更に優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。 According to the configuration of the above [3], the pH on the negative electrode side can be effectively adjusted, and the enzyme, which is the electrode catalyst of the negative electrode, can be maintained on the negative electrode side in a state suitable for exerting the activity. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, with the above configuration, it is possible to provide a biobattery that exhibits more excellent battery characteristics.

〔4〕前記アルカリ性が、pH 8〜11の範囲である。 [4] The alkalinity is in the range of pH 8 to 11.

上記〔4〕の構成によれば、前記燃料溶液交換部によって前記負極に供給される前記燃料溶液、及び、前記負極含浸部によって前記負極が含浸される前記緩衝液のpHを8〜11の範囲とすることで、負極側のpHの調整を効果的に行うことができ、負極側を負極の電極触媒である酵素を失活させることなく、活性の発揮に好適な状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により、更に優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。 According to the configuration of the above [4], the pH of the fuel solution supplied to the negative electrode by the fuel solution exchange part and the buffer solution impregnated with the negative electrode by the negative electrode impregnated part is in the range of 8 to 11. By doing so, the pH on the negative electrode side can be effectively adjusted, and the negative electrode side can be maintained in a state suitable for exerting the activity without inactivating the enzyme which is the electrode catalyst of the negative electrode. .. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, with the above configuration, it is possible to provide a biobattery that exhibits more excellent battery characteristics.

〔5〕前記緩衝液成分が、イミダゾール化合物を含む。 [5] The buffer solution component contains an imidazole compound.

上記〔5〕の構成によれば、緩衝液成分としたイミダゾール化合物は、優れた緩衝作用を有するため、負極側で生成した有機酸によるpH変動を効果的に緩衝でき、特に、高濃度の燃料を用いた高出力時においても、負極側のpHの調整を効果的に行うことができ、負極側を負極の電極触媒である酵素の活性の発揮に好適な状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により、更に優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。 According to the configuration of the above [5], since the imidazole compound used as the buffer solution component has an excellent buffering action, it can effectively buffer the pH fluctuation due to the organic acid generated on the negative electrode side, and in particular, a high-concentration fuel. The pH on the negative electrode side can be effectively adjusted even at the time of high output using the above, and the negative electrode side can be maintained in a state suitable for exerting the activity of the enzyme which is the electrode catalyst of the negative electrode. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, with the above configuration, it is possible to provide a biobattery that exhibits more excellent battery characteristics.

〔6〕前記緩衝液成分が、強塩基性化合物によって緩衝能が調整されている。 [6] The buffer capacity of the buffer solution component is adjusted by a strong basic compound.

上記〔6〕の構成によれば、緩衝液成分に加えて強塩基性化合物の存在により、アルカリ性側での緩衝能が向上されているため、負極側で生成した有機酸によるpH変動を効果的に緩衝できる。特に、高濃度の燃料を用いた高出力時においても、負極側のpHの調整を効果的に行うことができ、負極側を負極の電極触媒である酵素の活性の発揮に好適な状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により、更に優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。 According to the configuration of [6] above, the presence of the strong basic compound in addition to the buffer component improves the buffering capacity on the alkaline side, so that the pH fluctuation due to the organic acid generated on the negative electrode side is effective. Can be buffered. In particular, even at high output using a high concentration fuel, the pH on the negative electrode side can be effectively adjusted, and the negative electrode side is maintained in a state suitable for exerting the activity of the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode. can do. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, with the above configuration, it is possible to provide a biobattery that exhibits more excellent battery characteristics.

〔7〕前記pH調整部が、燃料溶液の交換時に繰り返し作動するように構成されている。 [7] The pH adjusting unit is configured to operate repeatedly when the fuel solution is replaced.

上記〔7〕の構成によれば、pH調整部を燃料溶液の交換時に繰り返し作動することにより、負極側で生成した有機酸によるpH変動を持続的に緩衝でき、負極側を負極の電極触媒である酵素の活性の発揮に好適な状態に長期にわたって維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、特には、耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により、更に優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。 According to the configuration of [7] above, by repeatedly operating the pH adjusting unit when exchanging the fuel solution, the pH fluctuation due to the organic acid generated on the negative electrode side can be continuously buffered, and the negative electrode side is used as the negative electrode catalyst. It can be maintained in a state suitable for exerting the activity of a certain enzyme for a long period of time. As a result, stable and sustainable operation of the biobattery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and in particular, durability can be improved. Therefore, with the above configuration, it is possible to provide a biobattery that exhibits more excellent battery characteristics.

〔8〕前記酵素が、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、又はピロロキノリンキノン依存性脱水素酵素である。 [8] The enzyme is nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, or pyrroloquinoline quinone-dependent dehydrogenase.

上記〔8〕の構成によれば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、又はピロロキノリンキノン依存性脱水素酵素を負極の電極触媒とするバイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、特には、耐久性を向上することができる。ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、又はピロロキノリンキノン依存性脱水素酵素は、糖の酸化反応を触媒する等のバイオ電池の負極に汎用される酵素であることから、本発明のバイオ電池の利用可能性が向上する。 According to the configuration of [8] above, stable and continuous operation of a biobattery using nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, or pyrroloquinoline quinone-dependent dehydrogenase as an electrode catalyst of the negative electrode. Can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and in particular, durability can be improved. Nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, or pyrroloquinoline quinone-dependent dehydrogenase is an enzyme that is widely used in the negative electrode of biobattery, such as catalyzing the oxidation reaction of sugars. Biobattery availability is improved.

バイオ電池の負極内部構成の検証を行った参考例1にて作製した負極内部構成の酸化還元電位の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the redox potential of the negative electrode internal composition produced in the reference example 1 which verified the negative electrode internal composition of a biobattery. 正極及び負極に使用する酵素の至適pHの検証(PQQGDH-mPMS系)を行った参考例2の結果を示すグラフであり、正極酵素及び負極酵素の活性のpH依存性例を示す。It is a graph which shows the result of the reference example 2 which verified the optimum pH of the enzyme used for a positive electrode and a negative electrode (PQQGDH-mPMS system), and shows the pH dependence example of the activity of a positive electrode enzyme and a negative electrode enzyme. pH環境がバイオ電池出力に与える影響の検証(PQQGDH-mPMS系)を行った参考例3で作製したバイオ電池の模式図である。It is a schematic diagram of the biobattery produced in Reference Example 3 in which the influence of the pH environment on the biobattery output was verified (PQQGDH-mPMS system). 燃料溶液の交換による電圧保持時間の検証−1(PQQGDH-mPMS系)を行った比較例1の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the comparative example 1 which performed the verification-1 (PQQGDH-mPMS system) of the voltage holding time by exchanging a fuel solution. 燃料溶液の交換による電圧保持時間の検証−2(NADGDH-ACNQ系)を行った比較例2の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the comparative example 2 which performed the verification-2 (NADGDH-ACNQ system) of the voltage holding time by exchanging a fuel solution. 燃料溶液の交換による電圧保持時間の検証−3(NADGDH-ACNQ系)を行った比較例3の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the comparative example 3 which performed the verification 3 (NADGDH-ACNQ system) of the voltage holding time by exchanging a fuel solution. 電池容量低下要因の電極からの検証(NADGDH-ACNQ系)を行った参考例4で作製したバイオ電池の電極の交換方式を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the electrode exchange method of the biobattery produced in Reference Example 4 which verified from the electrode of the battery capacity decrease factor (NADGDH-ACNQ system). 電池容量低下要因の電極からの影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った参考例4の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the reference example 4 which verified the influence from the electrode of the battery capacity decrease factor (NADGDH-ACNQ system). 電池容量低下要因の負極の内部構成成分からの検証(NADGDH-ACNQ系)を行った参考例5の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the reference example 5 which performed the verification (NADGDH-ACNQ system) from the internal component of the negative electrode of the battery capacity decrease factor. 電池容量低下要因の燃料消費によって発生する有機酸からの検証−1(NADGDH-ACNQ系)を行った参考例6の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the reference example 6 which performed the verification-1 (NADGDH-ACNQ system) from the organic acid generated by the fuel consumption of the battery capacity decrease factor. 電池容量低下要因の燃料消費によって発生する有機酸からの影響の検証−2(NADGDH-ACNQ系)を行った参考例7の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the reference example 7 which performed the verification-2 (NADGDH-ACNQ system) of the influence from the organic acid generated by the fuel consumption of the battery capacity decrease factor. 負極へのpH調整のための緩衝液含浸の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例1において負極への構成成分の含浸方式を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the impregnation method of the component | component in the negative electrode in Example 1 which verified the influence of the buffer solution impregnation for pH adjustment on a negative electrode (NADGDH-ACNQ system). 負極へのpH調整のための緩衝液含浸の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例1の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 1 which verified the influence of the buffer solution impregnation for pH adjustment on the negative electrode (NADGDH-ACNQ system). 燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例2の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 2 which verified the influence of the buffer solution concentration in the fuel solution added at the time of fuel solution exchange (NADGDH-ACNQ system). 燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液の種類の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例3の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 3 which verified the kind (NADGDH-ACNQ system) of the buffer solution in the fuel solution added at the time of fuel solution exchange. 燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液の種類の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例3の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 3 which verified the kind (NADGDH-ACNQ system) of the buffer solution in the fuel solution added at the time of fuel solution exchange. 燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の高濃度緩衝液及びそのpHの影響(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例4の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 4 which performed the influence of the high concentration buffer solution (NADGDH-ACNQ system) in the fuel solution added at the time of fuel solution exchange and its pH. 燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例5の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 5 which verified the influence of the buffer solution concentration in the fuel solution added at the time of fuel solution exchange (NADGDH-ACNQ system). 燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度、及びpHの影響の検証(PQQGDH-mPMS系)を行った実施例6の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 6 which verified the influence of the buffer solution concentration and pH (PQQGDH-mPMS system) added at the time of exchanging a fuel solution. 低濃度燃料溶液時の挙動の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った比較例4の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the comparative example 4 which verified the behavior at the time of a low-concentration fuel solution (NADGDH-ACNQ system). 負極への緩衝液含浸時の緩衝液のpHの影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例8の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 8 which verified the influence of the pH of the buffer solution (NADGDH-ACNQ system) at the time of impregnating the negative electrode with the buffer solution. 燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の燃料濃度と緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)を行った実施例9の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of Example 9 which verified the influence of the fuel concentration and the buffer solution concentration in the fuel solution added at the time of fuel solution exchange (NADGDH-ACNQ system).

以下、本願発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the invention of the present application will be described in detail.

(本発明のバイオ電池)
本発明のバイオ電池は、正極と負極が、隔膜を挟んで対向するように配置され、正極と負極は外部回路によって接続されている。本発明のバイオ電池はpH調整部を備え、負極内pHを調整できるように構成されている。
(Biobattery of the present invention)
In the biobattery of the present invention, the positive electrode and the negative electrode are arranged so as to face each other with a diaphragm interposed therebetween, and the positive electrode and the negative electrode are connected by an external circuit. The biobattery of the present invention is provided with a pH adjusting unit and is configured to be able to adjust the pH inside the negative electrode.

本発明のバイオ電池の負極は、燃料を酸化して有機酸を生成する酵素を電極触媒として備え、かかる酵素の触媒作用により、燃料(基質)から生物エネルギーを取り出し電気エネルギーに変換する反応を行う酵素電極として構成される。 The negative electrode of the biobattery of the present invention is provided with an enzyme that oxidizes fuel to produce an organic acid as an electrode catalyst, and by the catalytic action of the enzyme, a reaction of extracting biological energy from the fuel (substrate) and converting it into electrical energy is performed. It is configured as an enzyme electrode.

酵素は、燃料を酸化して有機酸を生成する酵素であり、基質となる燃料よりも酸性度の強い生成物を生成する。ここで、有機酸の生成は、酵素の直接的な触媒作用によるものの他、酵素の直接的な触媒作用により生成した生成物に対するその後の非酵素的な作用により有機酸が生成する場合も含む。 An enzyme is an enzyme that oxidizes a fuel to produce an organic acid, and produces a product having a higher acidity than the fuel used as a substrate. Here, the production of the organic acid includes not only the case where the organic acid is produced by the direct catalytic action of the enzyme, but also the case where the organic acid is produced by the subsequent non-enzymatic action on the product produced by the direct catalytic action of the enzyme.

酵素は、一種類のみを単独で、若しくは2種以上の複数種類の酵素を組み合わせて利用することができる。複数種類の酵素を組み合わせて多段階反応系を構築する場合には、各段階の何れかで有機酸を生成するものであればよく、好ましくは多段階反応の最終生成物が有機酸となる酵素の組み合わせを利用することができる。 As the enzyme, only one type can be used alone, or a combination of two or more types of enzymes can be used. When constructing a multi-step reaction system by combining a plurality of types of enzymes, it is sufficient that an organic acid is produced at any of the steps, and preferably an enzyme in which the final product of the multi-step reaction is an organic acid. Combinations can be used.

前記酵素は、上記性質を有する限り、由来は特に制限されない。したがって、天然に存在する生物体から適当なタンパク質の単離精製技術により精製された天然由来のものであってよく、また遺伝子工学的手法により組み換え体として製造されたものあるいは化学的に合成されたものあってもよい。更には、市販品を利用することもできる。 The origin of the enzyme is not particularly limited as long as it has the above-mentioned properties. Therefore, it may be of natural origin purified by isolation and purification technology of an appropriate protein from a naturally occurring organism, and it may be produced as a recombinant by a genetic engineering method or chemically synthesized. There may be something. Furthermore, a commercially available product can also be used.

遺伝子工学的手法により製造する場合には公知の方法を利用することができる。具体的には、所望の酵素遺伝子の塩基配列を基にして作成したDNAをプローブとして用いるハイブリダイゼーション法により、生物体由来のゲノムDNA、全RNAから逆転写反応によって合成したcDNA等から所望の酵素をコードする核酸分子を作製することができる。ここで用いられるプローブは、所望の酵素と相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、常法に基づいて作製することができる。例えば、化学合成法の他、既に標的となる核酸が取得されている場合にはその制限酵素断片等が利用可能である。 A known method can be used when producing by a genetic engineering method. Specifically, a desired enzyme is obtained from genomic DNA derived from an organism, cDNA synthesized by a reverse transcription reaction from total RNA, or the like by a hybridization method using DNA prepared based on the base sequence of a desired enzyme gene as a probe. A nucleic acid molecule encoding the above can be prepared. The probe used here is an oligonucleotide containing a sequence complementary to the desired enzyme, and can be prepared by a conventional method. For example, in addition to the chemical synthesis method, a restriction enzyme fragment or the like can be used when the target nucleic acid has already been obtained.

また、所望の酵素遺伝子の塩基配列を基にして作成したプライマーとして用いるPCRによっても同様に、生物体由来のゲノムDNA、cDNAを鋳型として所望の酵素をコードする核酸分子を作製することができる。PCRを利用する場合に用いられるプライマーは、所望の酵素をコードする核酸配列と相補的な配列を含むオリゴヌクレオチドであり、上記プローブと同様にして常法に基づいて作製することができる。化学合成法に基づきプローブ又はプライマーを作製する場合には、合成に先立って標的核酸の配列情報に基づいてプローブ又はプライマーの設計を行う。 Similarly, by PCR using a primer prepared based on the base sequence of a desired enzyme gene, a nucleic acid molecule encoding the desired enzyme can be prepared using genomic DNA or cDNA derived from an organism as a template. The primer used when utilizing PCR is an oligonucleotide containing a sequence complementary to the nucleic acid sequence encoding the desired enzyme, and can be prepared by a conventional method in the same manner as the above probe. When a probe or primer is prepared based on a chemical synthesis method, the probe or primer is designed based on the sequence information of the target nucleic acid prior to the synthesis.

ここで、相補的とは、プローブ又はプライマーと標的核酸分子とが塩基対合則にしたがって特異的に結合し安定な二重鎖構造を形成できることを意味する。ここで、完全な相補性のみならず、プローブ又はプライマーと標的核酸分子が互いに安定な二重鎖構造を形成し得るのに十分である限り、いくつかの核酸塩基のみが塩基対合則に沿って適合する部分的な相補性であっても許容される。プローブ又はプライマーの長さはGC含量等の標的核酸の配列情報、並びに、反応温度、反応液中の塩濃度等のハイブリダイゼーション反応条件等の多くの因子に依存して決定される。 Here, complementary means that the probe or primer and the target nucleic acid molecule can specifically bind to each other according to the base pairing rule to form a stable double-stranded structure. Here, not only perfect complementarity, but only some nucleobases follow the base pairing rule, as long as the probe or primer and the target nucleobase are sufficient to form a stable duplex structure with each other. Even partial complementarity that fits together is acceptable. The length of the probe or primer is determined depending on the sequence information of the target nucleic acid such as GC content and many factors such as the reaction temperature and the hybridization reaction conditions such as the salt concentration in the reaction solution.

更に、常法のホスホルアミダイト法等のDNA合成法を利用して、所望の酵素をコードする核酸分子を化学的に合成することができる。 Furthermore, a nucleic acid molecule encoding a desired enzyme can be chemically synthesized by using a DNA synthesis method such as a conventional phosphoramidite method.

そして、得られた核酸分子を用いて、当業者に公知の遺伝子組換え技術により所望の酵素を製造することができる。 Then, using the obtained nucleic acid molecule, a desired enzyme can be produced by a gene recombination technique known to those skilled in the art.

具体的には、所望の酵素をコードする核酸分子を適当な発現ベクター中に挿入し、これを宿主に導入することによって形質転換体を作製する。ここで、利用可能なベクターとしては、外来DNAを組み込め、かつ宿主細胞中で自律的に複製可能なものであれば特に制限はない。そして、ベクターは、外来遺伝子がその機能を発現できるように組み込まれ、機能発現に必要な他の既知の塩基配列が含まれていてもよい。例えば、プロモータ配列、リーダー配列、シグナル配列、並びにリボソーム結合配列等が挙げられる。更に、宿主において表現型選択を付与することが可能なマーキング配列等をも含ませることができる。 Specifically, a nucleic acid molecule encoding a desired enzyme is inserted into an appropriate expression vector, and this is introduced into a host to prepare a transformant. Here, the usable vector is not particularly limited as long as it can incorporate foreign DNA and can autonomously replicate in a host cell. Then, the vector may be integrated so that the foreign gene can express its function, and may contain other known base sequences necessary for function expression. For example, a promoter sequence, a leader sequence, a signal sequence, a ribosome binding sequence, and the like can be mentioned. Further, a marking sequence or the like capable of imparting phenotypic selection in the host can also be included.

ベクターへの外来遺伝子の挿入は、例えば、適当な制限酵素で所望の酵素をコードする核酸分子を切断し、適当なベクターの制限酵素部位、又はマルチクローニング部位に挿入して連結する方法等を用いることができるが、これに限定されない。 For insertion of a foreign gene into a vector, for example, a method is used in which a nucleic acid molecule encoding a desired enzyme is cleaved with an appropriate restriction enzyme and inserted into a restriction enzyme site or a multicloning site of an appropriate vector for ligation. Can, but is not limited to.

形質転換体の作製に際して宿主となる細胞としては、外来遺伝子を効率的に発現できる宿主細胞であれば、特に制限はない。原核生物細胞を好適に利用でき、特には大腸菌を利用することができる。その他、枯草菌、バシラス属細菌、シュードモナス属細菌等をも利用できる。更に、原核生物に限定されず真核生物細胞を利用することが可能である。形質転換法としては、塩化カルシウム法、エレクトロポレーション法、リポソームフェクション法、マイクロインジェクション法等を既知の方法を利用することができる。 The host cell for producing the transformant is not particularly limited as long as it is a host cell capable of efficiently expressing a foreign gene. Prokaryotic cells can be preferably used, and especially Escherichia coli can be used. In addition, Bacillus subtilis, Bacillus bacterium, Pseudomonas bacterium and the like can also be used. Furthermore, it is possible to utilize eukaryotic cells without being limited to prokaryotes. As the transformation method, a known method such as a calcium chloride method, an electroporation method, a liposome fermentation method, or a microinjection method can be used.

続いて、得られた形質転換体を、導入された核酸分子の発現を可能にする条件下で適切な栄養培地中で培養し、所望の酵素を製造する。培養は、常法に準じて行うことができ、宿主細胞の栄養生理学的性質を勘案して、培養条件を選択すればよい。使用される培地としては、宿主細胞が資化し得る栄養素を含み、形質転換体におけるタンパク質の発現を効率的に行えるものであれば特に制限はない。また、培養形態についても特に制限はないが、大量培養の観点から液体培地が好適に利用できる。 The resulting transformant is then cultured in a suitable nutrient medium under conditions that allow the expression of the introduced nucleic acid molecule to produce the desired enzyme. The culture can be carried out according to a conventional method, and the culture conditions may be selected in consideration of the nutritional and physiological properties of the host cell. The medium used is not particularly limited as long as it contains nutrients that can be assimilated by the host cell and can efficiently express the protein in the transformant. Further, the culture form is not particularly limited, but a liquid medium can be preferably used from the viewpoint of mass culture.

所望の組換えベクターを保持する宿主細胞の選別は、例えば、マーキング配列の発現の有無により行なうことができる。例えば、マーキング配列として薬剤耐性遺伝子を利用する場合には、薬剤耐性遺伝子に対応する薬剤含有培地で培養することによって行うことができる。 The selection of host cells carrying the desired recombinant vector can be performed, for example, by the presence or absence of expression of the marking sequence. For example, when a drug resistance gene is used as a marking sequence, it can be carried out by culturing in a drug-containing medium corresponding to the drug resistance gene.

形質転換体の培養物から、所望の酵素を単離精製するには、通常のタンパク質の単離、精製法を用いることができる。精製は、上記形質転換体の培養物から、所望の酵素の存在する画分に応じて、一般的なタンパク質の単離精製方法に準じた手法を適用すればよい。具体的には、所望の酵素が宿主細胞外に生産される場合には、培養液をそのまま使用するか、遠心分離、濾過等の工程により宿主細胞を除去して培養上清を得る。続いて、培養上清に、公知のタンパク質精製方法を適宜選択することにより、単離精製することができる。 In order to isolate and purify the desired enzyme from the culture of the transformant, a conventional protein isolation and purification method can be used. For purification, a method similar to a general protein isolation and purification method may be applied from the culture of the transformant according to the fraction in which the desired enzyme is present. Specifically, when the desired enzyme is produced outside the host cell, the culture solution is used as it is, or the host cell is removed by a step such as centrifugation or filtration to obtain a culture supernatant. Subsequently, the culture supernatant can be isolated and purified by appropriately selecting a known protein purification method.

また、所望の酵素が宿主細胞内で産生される場合には、培養物を遠心分離、濾過等の工程により宿主細胞を回収する。続いて、酵素的破砕方法、又は超音波処理、凍結融解、浸透圧ショック等の物理的破砕方法等により、宿主細胞を破砕する。破砕後、遠心分離、濾過等の工程により可溶化画分を収集する。得られた可溶化画分を、前述の細胞外に生産できる場合と同様に処理することにより単離精製することができる。 When the desired enzyme is produced in the host cell, the host cell is recovered by a step such as centrifugation or filtration of the culture. Subsequently, the host cells are disrupted by an enzymatic disruption method or a physical disruption method such as ultrasonic treatment, freeze-thaw, or osmotic shock. After crushing, the solubilized fraction is collected by steps such as centrifugation and filtration. The obtained solubilized fraction can be isolated and purified by treating it in the same manner as in the case where it can be produced extracellularly as described above.

また、アミノ酸配列が公知である酵素については、化学的合成技術によっても製造することができる。例えば、所望の酵素のアミノ酸配列の全部、又は一部を、ペプチド合成機を用いて合成し、得られるポリペプチドを適当な条件の下で、再構築することにより作製することもできる。 In addition, an enzyme having a known amino acid sequence can also be produced by a chemical synthesis technique. For example, it can be prepared by synthesizing all or a part of the amino acid sequence of a desired enzyme using a peptide synthesizer and reconstructing the obtained polypeptide under appropriate conditions.

更に、酵素としては、上記した精製品に限らず、燃料(基質)が持つ化学エネルギーを取り出し電気エネルギーに変換可能な触媒活性を有する限り、微生物、細胞小器官及び細胞等の生物体の形態であってもよい。また、これらの生物体からの粗精製物あってもよい。 Furthermore, the enzyme is not limited to the above-mentioned refined products, but is in the form of organisms such as microorganisms, organelles and cells as long as it has catalytic activity that can extract the chemical energy of the fuel (substrate) and convert it into electrical energy. There may be. In addition, crude products from these organisms may be used.

前記酵素は、補酵素及び補因子要求性の有無についても特に制限はないが、好ましくは、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(以下、「NAD」、又は「NAD」と称する場合がある)、又はニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(「NADP」、又は「NADP」と称する場合がある)依存性酵素、若しくはピロロキノリンキノン(以下、「PQQ」と称する場合がある)依存性酵素である。複数酵素を組み合わせる場合には、少なくとも1の酵素がNAD依存性酵素、NADP依存性酵素、又はPQQ依存性酵素であることが好ましく、全ての酵素がNAD依存性酵素、NADP依存性酵素、又はPQQ依存性酵素であってもよい。ここで、NAD依存性酵素及びNADP依存性酵素は、酵素の触媒活性の発揮に補酵素NAD若しくはNADPを要求する酵素であり、燃料(基質)を酸化しNAD又はNADPを還元する反応を触媒する。PQQ依存性酵素は、酵素の触媒活性の発揮に補酵素PQQを要求する酵素である。 The enzyme is not particularly limited in the presence or absence of coenzyme and cofactor requirement, but is preferably nicotinamide adenine dinucleotide (hereinafter, may be referred to as "NAD" or "NAD + ") or nicotin. It is an adenine dinucleotide phosphate (sometimes referred to as "NADP" or "NADP + ") -dependent enzyme, or a pyrroloquinoline quinone (hereinafter sometimes referred to as "PQQ") -dependent enzyme. When combining multiple enzymes, it is preferable that at least one enzyme is a NAD-dependent enzyme, a NADP-dependent enzyme, or a PQQ-dependent enzyme, and all the enzymes are NAD-dependent enzymes, NADP-dependent enzymes, or PQQ. It may be a dependent enzyme. Here, the NAD-dependent enzyme and the NADP-dependent enzyme are enzymes that require the coenzyme NAD or NADP to exert the catalytic activity of the enzyme, and catalyz the reaction of oxidizing the fuel (substrate) and reducing NAD or NADP. .. A PQQ-dependent enzyme is an enzyme that requires the coenzyme PQQ to exert its catalytic activity.

酵素は、好ましくは、酸化還元反応を触媒する酵素を利用でき、特に好ましくは、脱水素反応を触媒する脱水素酵素を利用できる。例えば、糖類を酸化してアルドン酸やアルダル酸等の有機酸を生成する酵素が挙げられる。これらに限定するものではないが、グルコース脱水素酵素、ガラクトース脱水素酵素、マンノース脱水素酵素、グリセルアルデヒド脱水素酵素、アラビノース脱水素酵素、キシロース脱水素酵素等を利用することができる。更に、アルデヒド脱水素酵素やアセトアルデヒド脱水素酵素等を挙げることができる。好ましくはグルコース脱水素酵素であり、特に好ましくは、天野エンザイムからGLUCDH“Amano”2として購入できるNAD依存性グルコース脱水素酵素、及びアシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)NBRC12552株由来のPQQ依存性グルコース脱水素酵素であり、当該グルコース脱水素酵素はグルコースを酸化してグルコノラクトンを生成し、グルコノラクトンは非酵素的に加水分解され有機酸であるグルコン酸を生成する。 As the enzyme, an enzyme that catalyzes a redox reaction can be preferably used, and a dehydrogenase that catalyzes a dehydrogenation reaction can be particularly preferably used. Examples thereof include enzymes that oxidize sugars to produce organic acids such as aldonic acid and aldaric acid. Although not limited to these, glucose dehydrogenase, galactose dehydrogenase, mannose dehydrogenase, glyceraldehyde dehydrogenase, arabinose dehydrogenase, xylose dehydrogenase and the like can be used. Further, aldehyde dehydrogenase, acetaldehyde dehydrogenase and the like can be mentioned. Glucose dehydrogenase is preferred, particularly preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase, which can be purchased from Amano Enzyme as GLUCDH “Amano” 2, and PQQ-dependent from the Acinetobacter calcoaceticus NBRC12552 strain. It is a glucose dehydrogenase, which oxidizes glucose to produce gluconolactone, and gluconolactone is hydrolyzed non-enzymatically to produce gluconic acid, which is an organic acid.

本発明のバイオ電池の負極は、前記酵素が適当な電極基材上に固定化されている。ここで、酵素は、好ましくは1〜100mg/mlの濃度で固定化される。 In the negative electrode of the biobattery of the present invention, the enzyme is immobilized on an appropriate electrode base material. Here, the enzyme is preferably immobilized at a concentration of 1-100 mg / ml.

前記電極基材は、外部回路に接続可能で電子を伝達できる導電性の基材であれば特に制限はない。カーボンクロス、カーボンペーパー、グラファイト、及びグラッシーカーボン等のカーボン材、アルミニウム、銅、金、白金、銀、ニッケル、パラジウム等の金属又は合金、SnO2、In2O3、WO3、TiO2等の導電性酸化物等が例示できるが、これらに限定するものではない。従来公知の材質の導電性の基材を使用することができる。 The electrode base material is not particularly limited as long as it is a conductive base material that can be connected to an external circuit and can transmit electrons. Carbon materials such as carbon cloth, carbon paper, graphite, and glassy carbon, metals or alloys such as aluminum, copper, gold, platinum, silver, nickel, and palladium, SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 , TiO 2, etc. Examples thereof include conductive oxides, but the present invention is not limited to these. A conductive base material of a conventionally known material can be used.

また、これを単層又は2種以上の積層構造をもって構成してもよい。また、導電性向上のため、市販のケッチェンブラック等のカーボンブラック、活性炭粉末等の導電性カーボン微粒子を基材に塗布してもよい。その際に、PVDF等のバインダーを使用してもよい。電極基材の大きさ及び形状等は特に限定されるものではなく、使用目的に応じて適宜調整することができる。マイクロメートルオーダーに電極面積を小さくした微小電極として構成することができる。 Further, this may be configured with a single layer or a laminated structure of two or more types. Further, in order to improve the conductivity, commercially available carbon black such as Ketjen black or conductive carbon fine particles such as activated carbon powder may be applied to the base material. At that time, a binder such as PVDF may be used. The size and shape of the electrode base material are not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the purpose of use. It can be configured as a microelectrode whose electrode area is reduced to the order of micrometers.

前記電極基材には、酵素と共に、酵素がその触媒活性を発揮するのに必要な物質を固定化してもよい。例えば、酵素の触媒活性の発揮に補酵素等を要求する酵素の場合には、活性化に必要な物質を電極基材上に酵素と共に固定化することができる。一方、電極基材上に酵素のみを固定化した場合には、活性化に必要な物質を電極基材上に固定化された酵素に供給するための部材を設けてもよい。また、補因子を要求する酵素については、固定化される酵素は、アポ形態及びホロ形態の別を問わないが、電極反応に際しては活性を発揮できるように構成する必要がある。したがって、アポ形態として電極基材上に保持した場合には、電極基材上に固定化された酵素に補因子を供給するための部材を設ける等、アポ形態の酵素を活性型のホロ形態に変換するための部材を設けることが必要となる。更に、前記電極基材には、触媒反応と電極との間の電子授受を媒介する電子メディエータを酵素と共に固定化してもよい。 A substance necessary for the enzyme to exert its catalytic activity may be immobilized on the electrode base material together with the enzyme. For example, in the case of an enzyme that requires a coenzyme or the like to exert the catalytic activity of the enzyme, a substance required for activation can be immobilized together with the enzyme on the electrode substrate. On the other hand, when only the enzyme is immobilized on the electrode substrate, a member for supplying the substance necessary for activation to the enzyme immobilized on the electrode substrate may be provided. As for the enzyme that requires a cofactor, the enzyme to be immobilized may be in the apo form or the holo form, but it must be configured so that it can exert its activity in the electrode reaction. Therefore, when it is held on the electrode base material as the apo form, the enzyme in the apo form is changed to the active holo form by providing a member for supplying a cofactor to the enzyme immobilized on the electrode base material. It is necessary to provide a member for conversion. Further, an electron mediator that mediates electron transfer between the catalytic reaction and the electrode may be immobilized on the electrode base material together with an enzyme.

例えば、NAD依存性酵素及びNADP依存性酵素の場合には、酵素の触媒活性の発揮に要求される補酵素であるNAD又はNADPを、酵素と共に電極基材上に固定化してよい。ここで、NAD又はNADPは、NAD依存性酵素又はNADP依存性酵素の燃料の酸化に伴い還元され還元型であるNADH又はNADPHを生成する。したがって、このNADH又はNADPHを酸化して酸化型であるNAD又はNADPに戻すと共に、電子メディエータとの電子の授受を媒介するジアホラーゼ等のNADH酸化酵素又はNADPH酸化酵素、及び電極基材に電子を伝達する電子メディエータを固定化してもよい。PQQ依存性酵素の場合には、酵素の触媒活性の発揮に要求される補酵素であるPQQ、及び電極基材に電子を伝達する電子メディエータを固定化してもよい。 For example, in the case of a NAD-dependent enzyme and a NADP-dependent enzyme, NAD or NADP, which is a coenzyme required for exerting the catalytic activity of the enzyme, may be immobilized on the electrode substrate together with the enzyme. Here, NAD or NADP is reduced with the oxidation of the fuel of the NAD-dependent enzyme or NADP-dependent enzyme to produce the reduced form of NADH or NADPH. Therefore, this NADH or NADPH is oxidized to return to the oxidized form NAD or NADP, and electrons are transferred to the NADH oxidase or NADPH oxidase such as diaholase that mediates the transfer of electrons to and from the electron mediator, and the electrode substrate. The electronic mediator to be used may be fixed. In the case of a PQQ-dependent enzyme, PQQ, which is a coenzyme required for exerting the catalytic activity of the enzyme, and an electron mediator that transfers electrons to the electrode substrate may be immobilized.

電子メディエータは上記性質を有する限り、特に制限はない。例えば、フェロセン、フェリシアン化物、キノン類、シトクロム類、ビオロゲン類、フェナジン類、フェノキサジン類、フェノチアジン類、フェレドキシン類及びその誘導体等が例示されるが、電極触媒の種類に応じて最適な物質を選択すればよい。好ましくは、NAD依存性酵素及びNADP依存性酵素の場合には、2-アミノ-3-クロロ-1,4-ナフトキノン(以下、「ACNQ」と称する)を用いることができる。PQQ依存性酵素の場合には、1-メトキシ-5-フェナジンメトサルフェート(以下「mPMS」と略する)を用いることができる。 The electronic mediator is not particularly limited as long as it has the above properties. Examples thereof include ferrocene, ferricyanide, quinones, cytochromes, viologens, phenazines, phenoxazines, phenothiazines, ferredoxins and derivatives thereof, and the most suitable substance is selected according to the type of electrode catalyst. You can select it. Preferably, in the case of a NAD-dependent enzyme and a NADP-dependent enzyme, 2-amino-3-chloro-1,4-naphthoquinone (hereinafter referred to as "ACNQ") can be used. In the case of a PQQ-dependent enzyme, 1-methoxy-5-phenazinemethsulfate (hereinafter abbreviated as "mPMS") can be used.

本発明のバイオ電池の正極は、酸素の還元反応を行えるものであることが好ましい。正極ではオキシダーゼ等の酸素の還元反応を行う酵素を選択することが好ましい。正極は、適当な電極基材上の少なくとも一部に生体触媒を含んだ生物電極の他、金属の触媒反応を利用する白金等の金属電極等として構成しても良い。ここで、生体触媒とは、生物体内に存在する物質変換能を有する物質である。生体由来の天然物質のほか、それを模した人工の物質をも含む。例えば、酵素、微生物、細胞小器官及び細胞等が含まれる。生物電極として正極を構成する場合には、適当な電極基材上に酵素を固定化した酵素電極することが好ましい。電極基材については、上記負極で説明したものと同様の導電性の基材を用いることができる。 It is preferable that the positive electrode of the biobattery of the present invention can carry out an oxygen reduction reaction. For the positive electrode, it is preferable to select an enzyme such as oxidase that undergoes an oxygen reduction reaction. The positive electrode may be configured as a biological electrode containing a biocatalyst in at least a part on a suitable electrode base material, a metal electrode such as platinum utilizing a catalytic reaction of a metal, or the like. Here, the biocatalyst is a substance having a substance conversion ability existing in the living body. In addition to natural substances derived from living organisms, it also includes artificial substances that imitate it. For example, enzymes, microorganisms, organelles and cells are included. When a positive electrode is formed as a biological electrode, it is preferable to use an enzyme electrode in which an enzyme is immobilized on an appropriate electrode base material. As the electrode base material, the same conductive base material as that described for the negative electrode can be used.

酵素としては、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等の酸化還元酵素の利用が好ましく、酵素は単独で、若しくは複数組み合わせて利用することができる。ここで、ビリルビンオキシダーゼは、銅イオンを活性中心に持つマルチ銅オキシダーゼであり、ビリルビンからビルベルジンへの酸化反応を触媒する酵素である。基質から取り出した電子を用いて分子状酸素を電子還元し水分子を生成する反応を触媒するという性質を有することから、バイオ電池の正極用の電極触媒としての利用価値が高い酵素である。補酵素及び補因子要求性の有無についても特に制限はない。 As the enzyme, oxidoreductases such as bilirubin oxidase, pyruvate oxidase, laccase, and ascorbic acid oxidase are preferably used, and the enzymes can be used alone or in combination of two or more. Here, bilirubin oxidase is a multicopper oxidase having a copper ion as an active center, and is an enzyme that catalyzes the oxidation reaction from bilirubin to biliverdin. It is an enzyme with high utility value as an electrode catalyst for the positive electrode of a biobattery because it has the property of catalyzing the reaction of electron reduction of molecular oxygen using electrons extracted from the substrate to generate water molecules. There are no particular restrictions on the presence or absence of coenzyme and cofactor requirements.

前記電極基材には、酵素と共に、酵素がその触媒活性を発揮するのに必要な物質を固定化してもよい。例えば、酵素の触媒活性の発揮に補酵素等を要求する酵素の場合には、活性化に必要な物質を電極基材上に酵素と共に固定化することができる。一方、電極基材上に酵素のみを固定化した場合には、活性化に必要な物質を電極基材上に固定化された酵素に供給するための部材を設けてもよい。また、補因子を要求する酵素については、固定化される酵素は、アポ形態及びホロ形態の別を問わないが、電極反応に際しては活性を発揮できるように構成する必要がある。したがって、アポ形態として電極基材上に保持した場合には、電極基材上に固定化された酵素に補因子を供給するための部材を設ける等、アポ形態の酵素を活性型のホロ形態に変換するための部材を設けることが必要となる。更に、前記電極基材には、酵素の触媒反応と電極との間の電子授受を媒介する電子メディエータを酵素と共に固定化してもよい。 A substance necessary for the enzyme to exert its catalytic activity may be immobilized on the electrode base material together with the enzyme. For example, in the case of an enzyme that requires a coenzyme or the like to exert the catalytic activity of the enzyme, a substance required for activation can be immobilized together with the enzyme on the electrode substrate. On the other hand, when only the enzyme is immobilized on the electrode substrate, a member for supplying the substance necessary for activation to the enzyme immobilized on the electrode substrate may be provided. As for the enzyme that requires a cofactor, the enzyme to be immobilized may be in the apo form or the holo form, but it must be configured so that it can exert its activity in the electrode reaction. Therefore, when it is held on the electrode base material as the apo form, the enzyme in the apo form is changed to the active holo form by providing a member for supplying a cofactor to the enzyme immobilized on the electrode base material. It is necessary to provide a member for conversion. Further, an electron mediator that mediates the catalytic reaction of the enzyme and the transfer of electrons between the electrodes may be immobilized on the electrode substrate together with the enzyme.

本発明のバイオ電池の隔膜は、プロトン等を透過できるイオン伝導性を有すると共に、プロトン等のイオン以外の負極側の構成成分及び正極側の構成成分を透過させないという性質を有する限り、その素材及び形状等に制限はない。例えば、セルロース膜等を利用することができ、また、固体電解質膜を利用することができる。固体電解質膜としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、及びホスフィン基等の強酸基、カルボキシル基等の弱酸基、及び極性基を有する有機高分子等のイオン交換機能を有する固体膜等が例示されるが、これらに限定するものではない。具体的にはセルロース膜、及びテトラフルオロエチレンとパーフルオロ〔2−(フルオロスルフォニルエトキシ)プロピルビニルエーテル〕:tetrafluoroethyleneとperfluoro[2-(fluorosulfonylethoxy)propylvinyl ether]の共重合体であるナフィオン(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)系の樹脂膜を利用することができる。 The biobattery diaphragm of the present invention has ionic conductivity capable of allowing protons and the like to pass through, and as long as it has the property of not allowing the negative electrode side constituents and the positive electrode side constituents other than ions such as protons to permeate, the material and the material thereof. There are no restrictions on the shape, etc. For example, a cellulose membrane or the like can be used, and a solid electrolyte membrane can be used. Examples of the solid electrolyte film include a solid film having an ion exchange function such as a strong acid group such as a sulfone group, a phosphoric acid group, a phosphone group, and a phosphine group, a weak acid group such as a carboxyl group, and an organic polymer having a polar group. By way of example, but not limited to these. Specifically, a cellulose membrane, and Nafion (registered trademark), which is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro [2- (fluorosulfonylethoxy) propylvinyl ether]: tetrafluoroethylene and perfluoro [2- (fluorosulfonylethoxy) propylvinyl ether], etc. Perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) -based resin film can be used.

本発明のバイオ電池の燃料は、前記負極上に固定された酵素によって進められる酸化還元反応により酸化されて有機酸を生成する共に、電子を放出可能な物質であれば特に制限はない。有機酸の生成は、酵素の直接的な触媒作用によるものの他、酵素の触媒作用により生成した生成物に対するその後の非酵素的な作用により有機酸が生成する場合も含む。したがって、燃料は、負極上に固定された酵素の種類に応じて適宜選択することができる。2種以上の複数種類の酵素を組み合わせた多段階反応を利用する場合には、各段階の何れかで有機酸が生成すればよく、好ましくは多段階反応の最終産物として有機酸が生成する燃料が本発明の対象となる。燃料は、好ましくは、バイオマス燃料である。バイオマスとは生物由来の資源を意味し、これら自体でもよいが、これらを加工したものが好ましい。 The fuel for the biobattery of the present invention is not particularly limited as long as it is a substance capable of producing an organic acid while being oxidized by a redox reaction carried out by an enzyme immobilized on the negative electrode. The production of an organic acid includes not only the direct catalytic action of the enzyme but also the production of the organic acid by the subsequent non-enzymatic action on the product produced by the catalytic action of the enzyme. Therefore, the fuel can be appropriately selected according to the type of enzyme immobilized on the negative electrode. When using a multi-step reaction in which two or more types of enzymes are combined, an organic acid may be produced at any of the steps, preferably a fuel produced by the organic acid as the final product of the multi-step reaction. Is the subject of the present invention. The fuel is preferably a biomass fuel. Biomass means resources derived from living organisms, and these may be themselves, but processed ones are preferable.

例えば燃料としては、単糖類、二糖類、多糖類の別を問わず、糖類を使用することができる。単糖類としては、炭素数4のエリトロース、トレオース、エリトルロース、炭素数5のアラビノース、キシロース、リボース、リキソース、リブロース、炭素数6のグルコース、ガラクトース、タロース、マンノース、ソルボース、フルクトース、タガソース、ソルボース等が挙げられる。二糖類としては、マルトース、ラクトース、スクロース等を、また、多糖類としては、デンプン、グリコーゲン、セルロース等を例示できる。更に、メタノールや、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類、アラニンやバリン、ロイシン、グリシン等の中性アミノ酸、ペプチド、タンパク質類のポリアミノ酸類等が例示され、酵素の触媒作用で、より酸性度の強い生成物に変換される限り、特に制限はない。 For example, as the fuel, saccharides can be used regardless of whether they are monosaccharides, disaccharides, or polysaccharides. Examples of monosaccharides include erythrose with 4 carbon atoms, threose, elittlerose, arabinose with 5 carbon atoms, xylose, ribose, lyxose, ribulose, glucose with 6 carbon atoms, galactose, talose, mannose, sorbose, fructose, taga sauce, sorbose and the like. Can be mentioned. Examples of the disaccharide include maltose, lactose, sucrose and the like, and examples of the polysaccharide include starch, glycogen, cellulose and the like. Further, alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, neutral amino acids such as alanine, valine, leucine and glycine, peptides and polyamino acids such as proteins are exemplified. There is no particular limitation as long as it is converted into a more acidic product by catalytic action.

燃料は、適当な溶媒に溶解させた燃料溶液として供給される。溶媒は、水性媒体であり、蒸留水の他、適当な緩衝液であってもよい。緩衝液に含まれる緩衝液成分としては、例えば、イミダゾール、炭酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(TRIS)、4-(2-ヒドロキシエチル)−ピペラジン-1-エタン スルホン酸(HEPES)、3-モルフォリノプロパン スルホン酸(MOPS)等を例示することができる。これらは単独で用いてもよいが、2種以上を組み合わせて使用することができる。ただし、pH調整部が作動する場合には、緩衝液成分の濃度及びpHは、後述する交換用の燃料溶液として調製することになる。 The fuel is supplied as a fuel solution dissolved in a suitable solvent. The solvent is an aqueous medium, and in addition to distilled water, a suitable buffer solution may be used. Examples of the buffer solution component contained in the buffer solution include imidazole, carbonate, phosphate, borate, tartrate, citrate, tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS), 4- (2-hydroxy). Ethyl) -piperazin-1-ethane sulfonic acid (HEPES), 3-morpholinopropane sulfonic acid (MOPS) and the like can be exemplified. These may be used alone, but two or more kinds may be used in combination. However, when the pH adjusting unit operates, the concentration and pH of the buffer solution component will be prepared as a replacement fuel solution described later.

燃料溶液には、補酵素や補因子等の酵素がその触媒活性を発揮するのに必要な物質、及び電子メディエータ等の酵素の触媒反応と電極反応と共役させるために必要な物質を含めてもよい。例えば、負極の電極触媒としてNAD又はNADP依存性酵素を利用する場合には、NAD又はNADP、ジアホラーゼ等のNADH又はNADPH酸化酵素、及び適当な電子メディエータを含んで構成することができる。また、負極の電極触媒としてPQQ依存性酵素を利用する場合には、PQQ、及び適当な電子メディエータ等を含んで構成することができる。 Even if the fuel solution contains substances necessary for enzymes such as coenzymes and cofactors to exert their catalytic activity, and substances necessary for coupling the catalytic reaction of enzymes such as electron mediators with the electrode reaction. Good. For example, when NAD or NADP-dependent enzyme is used as the electrode catalyst of the negative electrode, it can be composed of NAD or NADP, NADH or NADPH oxidase such as diaphorase, and an appropriate electron mediator. Further, when a PQQ-dependent enzyme is used as the electrode catalyst of the negative electrode, it can be configured to include PQQ, an appropriate electronic mediator, and the like.

燃料溶液は、バイオ電池内部に配置された負極上の酵素に供給される。燃料溶液の供給は、燃料溶液供給部によって行われる。燃料溶液供給部は、燃料溶液を負極上の酵素に供給できる限り、その形態に制限はない。バイオ電池内部に、燃料溶液を貯留すると共に、その内部に貯留する燃料溶液を負極に接触可能に供給する燃料溶液貯留空間を設けてもよい。そして、ポンプ等によりバイオ電池の外部から燃料溶液貯留空間に燃料を供給するように構成してもよい。更に、燃料溶液貯留空間に燃料溶液を供給するための供給流路や供給孔、及び負極との接触後の使用済みの燃料溶液を回収し燃料溶液貯留空間から排出する排出流路や排出孔を設けてもよい。また、バイオ電池の組み立て時に燃料溶液貯留空間に燃料溶液を供給するように構成してもよい。 The fuel solution is supplied to the enzyme on the negative electrode located inside the biobattery. The fuel solution is supplied by the fuel solution supply unit. The form of the fuel solution supply unit is not limited as long as the fuel solution can be supplied to the enzyme on the negative electrode. A fuel solution storage space may be provided inside the biobattery to store the fuel solution and to supply the fuel solution stored inside the biobattery so as to be in contact with the negative electrode. Then, the fuel may be supplied to the fuel solution storage space from the outside of the biobattery by a pump or the like. Further, a supply flow path and a supply hole for supplying the fuel solution to the fuel solution storage space, and a discharge flow path and a discharge hole for collecting the used fuel solution after contact with the negative electrode and discharging the used fuel solution from the fuel solution storage space are provided. It may be provided. Further, the fuel solution may be supplied to the fuel solution storage space when the biobattery is assembled.

本発明のバイオ電池は、pH調整部を備える。負極として酵素電極を用いて燃料を酸化し電子を取り出すバイオ電池においては、その作動に伴い、負極側では酵素による燃料の酸化に応じて有機酸が生成する。かかる有機酸は電解液や燃料溶液等に含まれる緩衝液成分の濃度と比較して大量に生成するため、負極側のpHが酸性に移行する。その結果、pHが酵素の至適範囲を外れ、酵素活性の低下によりバイオ電池の出力が低下する。本発明のバイオ電池は、pH調整部により、負極による前記燃料の酸化により生成する有機酸による負極内のpH変動を調整し、負極側での有機酸によるpH変動による起因する酵素活性の低下を防止し、電極触媒である酵素が好適な環境下で安定的かつ持続的にその触媒活性を保持することができる。 The biobattery of the present invention includes a pH adjuster. In a biobattery that uses an enzyme electrode as a negative electrode to oxidize fuel and take out electrons, an organic acid is generated on the negative electrode side in response to the oxidation of the fuel by the enzyme. Since such an organic acid is generated in a large amount as compared with the concentration of the buffer solution component contained in the electrolytic solution, the fuel solution, or the like, the pH on the negative electrode side shifts to acidic. As a result, the pH deviates from the optimum range of the enzyme, and the output of the biobattery decreases due to the decrease in the enzyme activity. In the biobattery of the present invention, the pH adjusting unit adjusts the pH fluctuation in the negative electrode due to the organic acid generated by the oxidation of the fuel by the negative electrode, and reduces the enzyme activity caused by the pH fluctuation due to the organic acid on the negative electrode side. The enzyme, which is an electrode catalyst, can prevent and stably and sustainably maintain its catalytic activity in a suitable environment.

pH調整部は、前記負極に、前記燃料と前記燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている交換用の燃料溶液を供給し、使用済みの燃料溶液と交換する燃料溶液交換部によって構成することができる。また、前記負極を、前記負極に供給される燃料の0.5倍以上の濃度の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている緩衝液に含浸する負極含浸部により構成することができる。pH調整部は、燃料溶液交換部と負極含浸部の何れか一方により構成されていても、また双方により構成されていてもよい。 The pH adjusting unit supplies the negative electrode with a replacement fuel solution containing the fuel and a buffer solution having a concentration of 0.5 times or more that of the fuel and which is adjusted to be alkaline, and replaces the fuel solution with a used fuel solution. It can be configured by a fuel solution exchange unit. Further, the negative electrode can be composed of a negative electrode impregnated portion which contains a buffer solution component having a concentration of 0.5 times or more that of the fuel supplied to the negative electrode and impregnates the buffer solution which is adjusted to be alkaline. The pH adjusting unit may be composed of either a fuel solution exchange unit or a negative electrode impregnated unit, or may be composed of both.

pH調整部として構成される燃料溶液交換部によって供給される交換用の燃料溶液は、前記燃料と前記燃料の濃度の0.5倍以上、好ましくは1倍以上の緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている。このときの交換用の燃料溶液中の燃料濃度は、好ましくは0.5 M以上である。前記燃料溶液は、更に好ましくは0.75 M濃度以上、特に好ましくは2.0 M濃度以上の緩衝液成分を含む。ここで、緩衝液成分とは、酸や塩基による水素イオン濃度の変化を妨げる緩衝作用のある成分を指し、好ましくは弱酸とその塩や、弱塩基とその塩との混合物である。緩衝液成分の濃度とは、例えば、酸とその塩により緩衝作用を示す場合には、かかる酸とその塩の合計の濃度を、また、塩基とその塩の組み合わせでは、かかる塩基とその塩の合計の濃度を指す。燃料溶液に含まれる燃料濃度が大きくなると、燃料の酸化によって生成する有機酸量が増えpHの変動も大きくなる。多量の有機酸により酸性側に傾いたpHを酵素の至適pHに戻すためには強い緩衝作用が必要となる。一方、緩衝液の緩衝作用は、緩衝液の濃度が大きいほど強くなることから、交換用の燃料溶液中に含ませる緩衝液成分濃度は燃料濃度に応じて設定することが好ましい。 The replacement fuel solution supplied by the fuel solution exchange unit configured as the pH adjuster contains the fuel and a buffer solution component of 0.5 times or more, preferably 1 time or more of the concentration of the fuel, and is adjusted to be alkaline. Has been done. The fuel concentration in the replacement fuel solution at this time is preferably 0.5 M or more. The fuel solution further preferably contains a buffer solution component having a concentration of 0.75 M or more, particularly preferably 2.0 M or more. Here, the buffer solution component refers to a component having a buffering action that prevents a change in hydrogen ion concentration due to an acid or base, and is preferably a weak acid and a salt thereof, or a mixture of a weak acid and a salt thereof. The concentration of the buffer component is, for example, the total concentration of the acid and its salt when the acid and its salt exhibit a buffering effect, and the combination of the base and its salt is the concentration of the base and its salt. Refers to the total concentration. As the concentration of fuel contained in the fuel solution increases, the amount of organic acid produced by the oxidation of the fuel increases and the pH fluctuation also increases. A strong buffering action is required to return the pH inclined to the acidic side to the optimum pH of the enzyme due to a large amount of organic acid. On the other hand, since the buffering action of the buffer solution becomes stronger as the concentration of the buffer solution increases, it is preferable to set the concentration of the buffer solution component contained in the replacement fuel solution according to the fuel concentration.

交換用の燃料溶液の液性はアルカリ性、即ち、pHが7を超えるように調整される。しかしながら、酵素の種類によっては強アルカリ性環境下では、酵素の立体構造が変化し失活する場合があるため、pHは12以下の範囲に調整されることが好ましい。特には、pHは8〜11の範囲に調整されることが好ましい。これにより、酵素を失活させることなく、活性の発揮に好適な状態に維持することができる。 The liquidity of the replacement fuel solution is adjusted to be alkaline, i.e. pH above 7. However, depending on the type of enzyme, the three-dimensional structure of the enzyme may change and be inactivated in a strongly alkaline environment, so the pH is preferably adjusted to the range of 12 or less. In particular, the pH is preferably adjusted in the range of 8-11. As a result, the enzyme can be maintained in a state suitable for exerting its activity without inactivating the enzyme.

燃料溶液交換部によって供給される交換用の燃料溶液に含まれる緩衝液成分は、アルカリ性領域に緩衝可能であれば制限はない。 The buffer component contained in the replacement fuel solution supplied by the fuel solution exchange unit is not limited as long as it can buffer the alkaline region.

緩衝液成分としてイミダゾール化合物が好ましく例示される。イミダゾール化合物とは、イミダゾール(CAS番号288-32-4、C3H4N2、MW=68.08)の他、水素イオン濃度に対する緩衝作用を有するイミダゾール環を有する化合物であれば特に制限はない。また、イミダゾール緩衝液には、塩化ナトリウムやエチレンジアミン四酢酸二ナトリム、酢酸マグネシウム等を含んでいてもよい。 An imidazole compound is preferably exemplified as a buffer component. The imidazole compound is not particularly limited as long as it is a compound having an imidazole ring having a buffering effect on hydrogen ion concentration, in addition to imidazole (CAS No. 288-32-4, C 3 H 4 N 2 , MW = 68.08). Further, the imidazole buffer solution may contain sodium chloride, ethylenediaminetetraacetic acid dinatrim, magnesium acetate and the like.

燃料溶液交換部によって供給される交換用の燃料溶液には、緩衝液成分に加えて、強塩基性化合物を添加することができる。強塩基性化合物としては、例えば、アルカリ土類金属及びアルカリ金属塩の水酸化物が好ましく、特には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウムの強塩基性化合物であることが好ましい。これにより、緩衝液成分に加えて強塩基性化合物の存在により、アルカリ性側での緩衝能が向上されているため、負極側で生成した有機酸によるpH変動を効果的に緩衝でき、特に、高濃度の燃料を用いた高出力時においても、負極側のpHの調整を効果的に行うことができ、負極側を負極の電極触媒である酵素の活性の発揮に好適な状態に維持することができる。 A strong basic compound can be added to the replacement fuel solution supplied by the fuel solution exchange unit in addition to the buffer solution component. As the strongly basic compound, for example, hydroxides of alkaline earth metal and alkali metal salt are preferable, and in particular, they are strongly basic compounds of sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide and barium hydroxide. Is preferable. As a result, the presence of a strongly basic compound in addition to the buffer component improves the buffering capacity on the alkaline side, so that pH fluctuations due to the organic acid generated on the negative electrode side can be effectively buffered, and particularly high. Even at high output using a concentrated fuel, the pH on the negative electrode side can be effectively adjusted, and the negative electrode side can be maintained in a state suitable for exerting the activity of the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode. it can.

更に、燃料溶液交換部によって供給される交換用の燃料溶液には、補酵素や補因子等の酵素がその触媒活性を発揮するのに必要な物質、及び電子メディエータ等の酵素の触媒反応と電極反応と共役させるために必要な物質を含めてもよい。 Further, in the replacement fuel solution supplied by the fuel solution exchange unit, substances necessary for enzymes such as coenzymes and cofactors to exert their catalytic activities, and catalytic reactions and electrodes of enzymes such as electron mediators. The substance required for conjugation with the reaction may be included.

燃料溶液交換部は、バイオ電池内部に配置された負極上の酵素に交換用燃料溶液を使用済みの燃料溶液と交換可能に供給できれば、その形態は特に制限されない。バイオ電池の所定の運転後に、燃料酸化後の使用済みの燃料溶液の全部又は一部を交換用の燃料溶液と交換するように構成することができ、好ましくは、使用済みの燃料溶液の全部を交換する。例えば、燃料溶液交換部は、上記した燃料溶液供給部と同一の部材として構成してもよく、また別個の部材として構成してもよい。燃料溶液交換部を燃料溶液供給部と同一の部材として構成する場合には、バイオ電池の所定の運転後に、燃料溶液貯留空間から排出孔を介して使用済みの燃料溶液を排出し、続いて、供給孔を介して交換用の燃料溶液を燃料貯留空間内に供給するように構成することができる。また、バイオ電池の組み立て時に燃料貯留空間に交換用の燃料溶液を供給するように構成することもできる。 The form of the fuel solution exchange unit is not particularly limited as long as the replacement fuel solution can be exchanged with the used fuel solution to the enzyme on the negative electrode arranged inside the biobattery. After a predetermined operation of the biobattery, all or part of the used fuel solution after fuel oxidation can be configured to be replaced with a replacement fuel solution, preferably all of the used fuel solution. Exchange. For example, the fuel solution exchange unit may be configured as the same member as the fuel solution supply unit described above, or may be configured as a separate member. When the fuel solution exchange unit is configured as the same member as the fuel solution supply unit, the used fuel solution is discharged from the fuel solution storage space through the discharge hole after a predetermined operation of the biobattery, and then the used fuel solution is discharged. The replacement fuel solution can be configured to be supplied into the fuel storage space through the supply holes. It can also be configured to supply a replacement fuel solution to the fuel storage space when assembling the biobattery.

燃料溶液交換部による交換用の燃料溶液の供給は、バイオ電池の所定の運転後、即ち、負極による一定量の燃料の酸化後に行うことができる。例えば、バイオ電池の発電量から、負極での燃料の酸化により生じた有機酸の生成物量を推定でき、推定された有機酸の生成量が一定基準を超えた場合に、燃料溶液の供給を行うように構成することができる。また、pH測定部を設けて、pHが一定基準を超えた場合に燃料溶液の供給を行うように構成してもよく、バイオ電池の所定時間の運転後に燃料溶液の供給を行うように構成してもよい。 The replacement fuel solution can be supplied by the fuel solution exchange unit after a predetermined operation of the biobattery, that is, after oxidation of a certain amount of fuel by the negative electrode. For example, the amount of organic acid products produced by the oxidation of fuel at the negative electrode can be estimated from the amount of power generated by the biobattery, and when the estimated amount of organic acid produced exceeds a certain standard, the fuel solution is supplied. It can be configured as follows. Further, a pH measuring unit may be provided to supply the fuel solution when the pH exceeds a certain standard, or the fuel solution may be supplied after the biobattery has been operated for a predetermined time. You may.

燃料溶液交換部は、バイオ電池の燃料溶液の毎交換時に作動するように構成してもよく、また、毎交換時ではなく一定間隔の交換時に作動するように構成してもよい。一定間隔の交換時に作動するように構成する場合には、pH調整部による燃料溶液交換部を作動時以外の燃料溶液の交換は、緩衝液成分濃度及びpHが上記の交換用燃料溶液として調整されていない通常使用される燃料溶液を燃料溶液供給部により供給するように構成してもよい。バイオ電池作動時に供給される初期燃料溶液は、緩衝液成分濃度及びpHが上記の交換用燃料溶液として調整されていない通常使用される燃料溶液であってもよいし、緩衝液成分濃度及びpHが上記の交換用燃料溶液と同一の組成のものを使用してもよい。 The fuel solution exchange unit may be configured to operate at each exchange of the fuel solution of the biobattery, or may be configured to operate at regular intervals instead of every exchange. When the fuel solution exchange unit is configured to operate at regular intervals, the buffer solution component concentration and pH are adjusted as the above replacement fuel solution when exchanging the fuel solution other than when the fuel solution exchange unit is operated. It may be configured to supply the normally used fuel solution which is not used by the fuel solution supply unit. The initial fuel solution supplied when the bio-cell is operated may be a normally used fuel solution whose buffer solution concentration and pH are not adjusted as the above replacement fuel solution, or the buffer component concentration and pH may be high. A solution having the same composition as the above replacement fuel solution may be used.

燃料溶液交換部は、繰り返し作動するように構成することが好ましい。pH調整部を燃料溶液の交換時に繰り返し作動することにより、負極側で生成した有機酸によるpH変動を持続的に緩衝でき、負極側を負極の電極触媒である酵素の活性の発揮に好適な状態に長期にわたって維持することができる。 The fuel solution exchange unit is preferably configured to operate repeatedly. By repeatedly operating the pH adjuster when exchanging the fuel solution, pH fluctuations due to the organic acid generated on the negative electrode side can be continuously buffered, and the negative electrode side is in a state suitable for exerting the activity of the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode. Can be maintained for a long period of time.

pH調整部として構成される負極含浸部によって負極が含浸される緩衝液は、燃料の濃度の0.5倍以上の濃度、好ましくは1倍以上の緩衝液成分を含み、かつ、アルカリ性に調整されている。このときの燃料液中の燃料濃度は、好ましくは0.5M以上である。緩衝液は、更に好ましくは1M以上の緩衝液成分を含む。また、pHは7を超えるように調整され、pHは12以下の範囲に調整されることが好ましく、pHは8〜11の範囲に調整されることが特に好ましい。 The buffer solution in which the negative electrode is impregnated by the negative electrode impregnating part configured as the pH adjusting part contains a buffer solution component having a concentration of 0.5 times or more, preferably 1 times or more the concentration of the fuel, and is adjusted to be alkaline. .. The fuel concentration in the fuel liquid at this time is preferably 0.5 M or more. The buffer solution more preferably contains 1 M or more of a buffer solution component. Further, the pH is adjusted to exceed 7, the pH is preferably adjusted to the range of 12 or less, and the pH is particularly preferably adjusted to the range of 8 to 11.

負極含浸部によって負極が含浸される緩衝液に含まれる緩衝液成分は、アルカリ性領域に緩衝可能であれば制限はない。緩衝液成分としてイミダゾール化合物が好ましく例示される。更に、緩衝液成分に加えて、強塩基性化合物を添加することができ、これにより、更に、効果的に負極側のpHが酸性に傾くことを防止でき、負極側の環境を負極酵素の至適範囲に維持することができる。 The buffer solution component contained in the buffer solution in which the negative electrode is impregnated by the negative electrode impregnated portion is not limited as long as it can buffer the alkaline region. An imidazole compound is preferably exemplified as a buffer component. Further, a strong basic compound can be added in addition to the buffer solution component, which can further effectively prevent the pH on the negative electrode side from becoming acidic, and the environment on the negative electrode side can be adjusted to the negative electrode enzyme. It can be maintained in an appropriate range.

負極含浸部は、バイオ電池の構成要素である負極、特には負極の酵素が固定化された領域を緩衝液中に均一に含浸できれば、その形態は特に制限されない。バイオ電池の所定の運転後に、負極の全部又は一部を緩衝液に含浸するように構成することができ、好ましくは、負極上の酵素が固定化された領域の全部を緩衝液に含浸する。例えば、バイオ電池内部に、緩衝液を貯留すると共に、その内部に貯留する緩衝液を負極に接触可能に供給する緩衝液貯留空間、及びポンプ等によりバイオ電池の電池セルの外部から緩衝液貯留空間に緩衝液を供給するように構成することができる。緩衝液貯留空間に緩衝液を供給するための供給経路や供給孔、及び負極含浸後の緩衝液を回収し緩衝液貯留空間から排出するための排出経路や排出孔を設けてもよい。なお、負極含浸部は、上記した燃料溶液供給部及び燃料溶液交換部の一部又は全部を同一の部材として構成してもよいし、また別個の部材として構成してもよい。例えば、燃料溶液貯留空間と緩衝液貯留空間を同一の部材として構成し、緩衝液の供給する供給経路や供給孔及び排出する排出経路や排出孔のみを、燃料溶液供給部及び燃料溶液交換部とは別個の部材として構成してもよい。また、緩衝液を充填した緩衝液タンクを設け、所定の運転後にバイオ電池から負極を取り出し、取り出した負極を緩衝液タンクに所定時間浸漬した後、当該負極を再び電池セルに組み込むように構成してもよい。 The form of the negative electrode impregnated portion is not particularly limited as long as the negative electrode, which is a component of the biobattery, particularly the region in which the enzyme of the negative electrode is immobilized can be uniformly impregnated in the buffer solution. After a predetermined operation of the biobattery, the buffer can be configured to impregnate all or part of the negative electrode with the buffer, preferably the entire area of the enzyme immobilized on the negative electrode. For example, a buffer solution storage space that stores a buffer solution inside the biobattery and supplies the buffer solution stored inside the buffer solution so as to be in contact with the negative electrode, and a buffer solution storage space from the outside of the battery cell of the biobattery by a pump or the like. Can be configured to supply a buffer solution. A supply path and a supply hole for supplying the buffer solution to the buffer solution storage space, and a discharge path and a discharge hole for collecting the buffer solution after impregnation with the negative electrode and discharging the buffer solution from the buffer solution storage space may be provided. The negative electrode impregnated portion may be configured as a part or all of the fuel solution supply portion and the fuel solution exchange portion described above as the same member, or may be configured as separate members. For example, the fuel solution storage space and the buffer solution storage space are configured as the same member, and only the supply path and supply hole for supplying the buffer solution and the discharge path and discharge hole for discharging are combined with the fuel solution supply unit and the fuel solution exchange unit. May be configured as a separate member. Further, a buffer tank filled with a buffer solution is provided, the negative electrode is taken out from the biobattery after a predetermined operation, the taken out negative electrode is immersed in the buffer solution tank for a predetermined time, and then the negative electrode is reassembled into the battery cell. You may.

負極含浸部による負極の緩衝液への含浸は、バイオ電池の所定の運転後、即ち、負極による一定量の燃料の酸化後に行うことができる。例えば、バイオ電池の発電量から、負極での燃料の酸化により生じた有機酸の生成物量を推定でき、推定された有機酸の生成量が一定基準を超えた場合に、負極を緩衝液に含浸するように構成することができる。また、pH測定部を設けて、pHが一定基準を超えた場合に負極を緩衝液に含浸するように構成してもよく、バイオ電池の所定時間の運転後に負極を緩衝液に含浸するように構成してもよい。 The impregnation of the negative electrode into the buffer solution by the negative electrode impregnating portion can be performed after a predetermined operation of the biobattery, that is, after oxidation of a certain amount of fuel by the negative electrode. For example, the amount of organic acid products produced by the oxidation of fuel at the negative electrode can be estimated from the amount of power generated by the biobattery, and when the estimated amount of organic acid produced exceeds a certain standard, the negative electrode is impregnated into the buffer solution. Can be configured to: Further, a pH measuring unit may be provided so that the negative electrode is impregnated with the buffer solution when the pH exceeds a certain standard, and the negative electrode is impregnated with the buffer solution after the biobattery has been operated for a predetermined time. It may be configured.

負極含浸部は、バイオ電池の燃料溶液の交換時に作動させることが好ましい。燃料溶液の交換時に作動させる場合、毎交換時に作動するように構成してもよく、また、毎交換時ではなく一定間隔の交換時に作動するように構成してもよい。 The negative electrode impregnated portion is preferably operated when the fuel solution of the biobattery is replaced. When operating at the time of replacement of the fuel solution, it may be configured to operate at each replacement, or may be configured to operate at regular intervals instead of every replacement.

負極含浸部は、繰り返し作動するように構成することが好ましい。特に、燃料溶液の交換時に繰り返し作動することにより、負極側で生成した有機酸によるpH変動を持続的に緩衝でき、負極側を負極の電極触媒である酵素の活性の発揮に好適な状態に長期にわたって維持することができる。 The negative electrode impregnated portion is preferably configured to operate repeatedly. In particular, by repeatedly operating when the fuel solution is replaced, pH fluctuations due to the organic acid generated on the negative electrode side can be continuously buffered, and the negative electrode side remains in a state suitable for exerting the activity of the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode for a long period of time. Can be maintained over.

このように、pH調整部を設けることにより、負極の電極触媒である酵素が燃料を酸化する際に発生した有機酸に起因して、負極側のpHが酸性に傾くことを防止し、また、負極側のpHが酸性に傾いたとしても、負極側のpHを酵素の至適pH範囲に戻すことができる。酵素の至適pHとは、酵素がその機能を発揮する最適のpHのことであり、バイオ電池の負極の電極触媒として酵素の場合には、酵素の種類によって異なるが、一般にはpH 6.5〜9.5、好ましくはpH 7〜9、特に好ましくはpH 7.5〜8.5である酵素が多い。負極側のpHを酵素の至適pH範囲とすることで、負極の電極触媒である酵素を活性状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。したがって、上記構成により優れた電池特性を発揮するバイオ電池を提供することができる。また、負極側のpHの調整は、使用済みの燃料溶液を緩衝液成分濃度及びpHを調整した燃料溶液に交換する、若しくは、緩衝液成分濃度及びpHを調整した緩衝液に含浸するという、簡便な機構で行うことができ、バイオ電池の大型化及び複雑化を招かないという利点もある。 By providing the pH adjusting unit in this way, it is possible to prevent the pH on the negative electrode side from tilting to acidic due to the organic acid generated when the enzyme, which is the electrode catalyst of the negative electrode, oxidizes the fuel. Even if the pH on the negative electrode side tends to be acidic, the pH on the negative electrode side can be returned to the optimum pH range of the enzyme. The optimum pH of an enzyme is the optimum pH at which the enzyme exerts its function. In the case of an enzyme as an electrode catalyst for the negative electrode of a biocell, the pH varies depending on the type of enzyme, but is generally pH 6.5 to 9.5. Most of the enzymes have a pH of 7 to 9, preferably pH 7.5 to 8.5. By setting the pH on the negative electrode side to the optimum pH range of the enzyme, the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode can be maintained in the active state. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved. Therefore, it is possible to provide a biobattery that exhibits excellent battery characteristics with the above configuration. Further, the pH on the negative side can be adjusted simply by replacing the used fuel solution with a fuel solution having an adjusted buffer component concentration and pH, or by impregnating the buffer solution having an adjusted buffer component concentration and pH. There is also an advantage that it can be performed by a simple mechanism and does not lead to an increase in size and complexity of the biocell.

(本発明のバイオ電池の作製)
本発明のバイオ電池の作製は、公知の方法に基づいて行うことができる。例えば、負極及び正極の作製、電池セルの作製、及び必要に応じて電池セルスタックの作製からなる。
(Preparation of Biobattery of the Present Invention)
The biobattery of the present invention can be produced based on a known method. For example, it comprises manufacturing a negative electrode and a positive electrode, manufacturing a battery cell, and manufacturing a battery cell stack if necessary.

酵素電極である負極の作製は、酵素溶液の作製、及び電極基材への酵素の固定化により行われる。正極を酵素電極として作製する場合も負極と同様に、酵素溶液の作製、及び電極基材への酵素の固定化により行われる。 The negative electrode, which is an enzyme electrode, is produced by preparing an enzyme solution and immobilizing the enzyme on the electrode substrate. When the positive electrode is used as the enzyme electrode, the enzyme solution is prepared and the enzyme is immobilized on the electrode base material in the same manner as the negative electrode.

酵素溶液の作製は、酵素を適当な溶媒に溶解又は分散させることによって作製することができる。溶媒は、水性媒体であり、蒸留水の他、適当な緩衝液であってもよい。緩衝液に含まれる緩衝液成分としては、例えば、イミダゾール、炭酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(TRIS)、4-(2-ヒドロキシエチル)−ピペラジン-1-エタン スルホン酸(HEPES)、3-モルフォリノプロパン スルホン酸(MOPS)等を例示することができる。これらは単独で用いてもよいが、2種以上を組み合わせて使用することができる。 The enzyme solution can be prepared by dissolving or dispersing the enzyme in a suitable solvent. The solvent is an aqueous medium, and in addition to distilled water, a suitable buffer solution may be used. Examples of the buffer solution component contained in the buffer solution include imidazole, carbonate, phosphate, borate, tartrate, citrate, tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS), 4- (2-hydroxy). Ethyl) -piperazin-1-ethane sulfonic acid (HEPES), 3-morpholinopropane sulfonic acid (MOPS) and the like can be exemplified. These may be used alone, but two or more kinds may be used in combination.

酵素の電極基材への固定化は、公知の方法の何れをも利用して行うことができる。例えば、共有結合、物理的吸着、イオン結合、抗体等の生物化学的特異的結合による担体結合法、2以上の官能基をもつ試薬による架橋法、ゲル内に封入する包括法等によって固定化することができる。また、これらを組み合わせてもよく、各々の酵素に最適化な酵素固定化法を適宜選択することが望ましい。 Immobilization of the enzyme on the electrode substrate can be performed by using any known method. For example, immobilization is performed by a carrier bonding method by covalent bonding, physical adsorption, ionic bonding, biochemical specific bonding such as an antibody, a cross-linking method using a reagent having two or more functional groups, a comprehensive method of encapsulation in a gel, or the like. be able to. In addition, these may be combined, and it is desirable to appropriately select an enzyme immobilization method that is optimized for each enzyme.

包括法としては、種々の天然高分子や合成系高分子等の網目状の三次元構造を持つゲル内に封入する格子型を利用することができる。ゲルとしては、アガロース、アガロペクチン、アラビアゴム、カラーギナン、コラーゲン、ゼラチン等の天然高分子、ポリアクリルアミド系重合体、ポリビニルアルコール系重合体、ポリビニルピロリドン系重合体、ポリビニルエーテル系重合体等の合成高分子等を好適に利用することができ、親水性のポリマーの利用が好ましい。 As an omnibus method, a lattice type encapsulating in a gel having a network-like three-dimensional structure such as various natural polymers and synthetic polymers can be used. Examples of the gel include natural polymers such as agarose, agaropectin, arabic rubber, colorginan, collagen and gelatin, and synthetic polymers such as polyacrylamide-based polymers, polyvinyl alcohol-based polymers, polyvinylpyrrolidone-based polymers and polyvinyl ether-based polymers. Etc. can be preferably used, and the use of a hydrophilic polymer is preferable.

また、透析膜等の半透性膜によって封入するマイクロカプセル型、リン脂質のような液体膜によって封入するリポソーム型等を利用することができる。更に、酵素は結晶状態で固定化してもよい。 Further, a microcapsule type enclosed by a semipermeable membrane such as a dialysis membrane, a liposome type enclosed by a liquid membrane such as phospholipid, and the like can be used. In addition, the enzyme may be immobilized in the crystalline state.

特に好ましくは、物理的吸着であり、酵素を適当な溶媒に溶解又は分散した酵素溶液を電極基材表面に接触させることにより行うことができる。接触は噴霧、滴下、含浸等の公知の方法で行うことができる。また、スピンコート、スプレー法、スクリーン法、ディップコート、ブレード法等の塗布方法を利用することができる。 Particularly preferred is physical adsorption, which can be carried out by bringing an enzyme solution in which the enzyme is dissolved or dispersed in an appropriate solvent into contact with the surface of the electrode substrate. Contact can be performed by a known method such as spraying, dropping, impregnation or the like. Further, a coating method such as a spin coating method, a spray method, a screen method, a dip coating method, or a blade method can be used.

NADやNADP、PQQ等の補酵素、電極触媒としてNAD又はNADP依存性酵素を用いた場合に要求されるジアホラーゼ等のNADH酸化酵素又はNADPH酸化酵素、及び電子メディエータについても酵素と混合した酵素溶液として固定化してもよいし、また、別個の溶液として作製し、酵素の固定化前、又は固定後に電極基材に固定化してもよい。 Coenzymes such as NAD, NADP, PQQ, NADH oxidases such as diaholase or NADPH oxidases required when NAD or NADP-dependent enzymes are used as electrode catalysts, and electron mediators as enzyme solutions mixed with enzymes. It may be immobilized, or it may be prepared as a separate solution and immobilized on the electrode substrate before or after the enzyme is immobilized.

電池セルは、負極、正極、及び隔膜を1組含んで構成され、負極、隔膜、正極を順に積層することにより作製される。詳細には、負極と正極とが、隔膜を挟んで対向するように配置され、負極と正極は外部回路によって接続する。負極側には燃料を供給し、正極側は大気中の酸素を取り入れられるように構成する。pH調整部は、電池セル内部に設けることができ、また、pH調整部を構成する部材の一部又は全部を電池セル内部に設けてもよい。 The battery cell is composed of a set of a negative electrode, a positive electrode, and a diaphragm, and is manufactured by laminating the negative electrode, the diaphragm, and the positive electrode in this order. Specifically, the negative electrode and the positive electrode are arranged so as to face each other with the diaphragm interposed therebetween, and the negative electrode and the positive electrode are connected by an external circuit. Fuel is supplied to the negative electrode side, and oxygen in the atmosphere can be taken in from the positive electrode side. The pH adjusting unit can be provided inside the battery cell, and a part or all of the members constituting the pH adjusting unit may be provided inside the battery cell.

電池セルは、バイオ電池の最小単位であり、電池セルを複数個直列に電気的に接続して集積させることにより電池セルスタックを作製することができる。電池セルスタックの形状は、平面状に電池セルを配列した平面形状であってもよいし、電池セルを積み重ねる積層形状であってもよい。 A battery cell is the smallest unit of a biobattery, and a battery cell stack can be produced by electrically connecting a plurality of battery cells in series and accumulating them. The shape of the battery cell stack may be a flat shape in which the battery cells are arranged in a plane, or may be a laminated shape in which the battery cells are stacked.

(本発明のバイオ電池の作動様式)
本発明のバイオ電池の作動様式は、電極基材上に固定化された酵素が、燃料を酸化し有機酸を生成すると共に、電子及びプロトンを生成する。そして、電子メディエータを介して電極基材にこの電子が伝達される。例えば、酵素としてNAD又はNADP依存性グルコース脱水素酵素を用いる場合には、燃料グルコースを酸化しグルコノラクトンが生じる。燃料の酸化反応に伴い、補酵素NAD又はNADPが、それぞれNADH又はNADPHに還元される。NADH又はNADPHは、ジアホラーゼ等のNADH又はNADPH酸化酵素により酸化される。NADH又はNADPHの酸化に伴って生じる電子を電子メディエータが受け取り導電性基板に伝達される。
(Operating mode of the biobattery of the present invention)
In the operating mode of the biobattery of the present invention, an enzyme immobilized on an electrode base material oxidizes a fuel to generate an organic acid and also produces an electron and a proton. Then, these electrons are transferred to the electrode base material via the electron mediator. For example, when NAD or NADP-dependent glucose dehydrogenase is used as the enzyme, the fuel glucose is oxidized to produce gluconolactone. With the oxidation reaction of the fuel, the coenzyme NAD or NADP is reduced to NADH or NADPH, respectively. NADH or NADPH is oxidized by NADH or NADPH oxidase such as diaholase. The electron mediator receives the electrons generated by the oxidation of NADH or NADPH and transfers them to the conductive substrate.

続いて、電子は、負極から外部回路を通って正極に伝達されることにより、酵素によって基質から取り出された燃料の持つ化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。燃料の酸化反応に伴い電子と共に生じたプロトンは隔膜を通って正極側に移行する。正極上で、プロトンは大気から取り込んだ酸素と外部回路を通して移動してきた電子との反応により水を生成する。 Subsequently, the electrons are transferred from the negative electrode to the positive electrode through an external circuit, so that the chemical energy of the fuel extracted from the substrate by the enzyme is converted into electrical energy. Protons generated with electrons in the fuel oxidation reaction move to the positive electrode side through the diaphragm. On the positive electrode, protons produce water by the reaction of oxygen taken in from the atmosphere and electrons moving through an external circuit.

そして、バイオ電池の所定の運転後に、pH調整部を作動させ、燃料酸化後の燃料溶液を所定濃度以上の緩衝液成分を含みアルカリ性に調整された燃料溶液に交換する、及び/又は、燃料酸化後の負極を所定濃度以上の緩衝液成分を含みアルカリ性に調整された緩衝液に含浸する。負極の電極触媒である酵素が燃料を酸化する際に発生した有機酸に起因して、負極側のpHが酸性に傾くことを防止し、また、負極側のpHが酸性に傾いたとしても、負極側のpHを酵素の至適pH範囲に戻すことができる。負極側のpHを酵素の至適pH範囲とすることで、負極の電極触媒である酵素を活性状態に維持することができる。これにより、バイオ電池の安定的かつ持続的な運転を実現することができ、発電効率、電圧保持時間及び電池容量を向上することができ、ひいては耐久性を向上することができる。 Then, after the predetermined operation of the biobattery, the pH adjustment unit is operated to replace the fuel solution after fuel oxidation with a fuel solution containing a buffer solution component having a predetermined concentration or more and adjusted to be alkaline, and / or fuel oxidation. The latter negative electrode is impregnated with a buffer solution containing a buffer solution component having a predetermined concentration or higher and adjusted to be alkaline. It prevents the pH on the negative electrode side from tilting to acidic due to the organic acid generated when the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode oxidizes the fuel, and even if the pH on the negative electrode side tilts to acidic. The pH on the negative electrode side can be returned to the optimum pH range of the enzyme. By setting the pH on the negative electrode side to the optimum pH range of the enzyme, the enzyme that is the electrode catalyst of the negative electrode can be maintained in the active state. As a result, stable and sustainable operation of the bio-battery can be realized, power generation efficiency, voltage holding time and battery capacity can be improved, and thus durability can be improved.

以下に、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

参考例1.バイオ電池1の負極内部構成の検証
A.概要
本参考例では、以下の実施例、比較例、及び参考例で使用するバイオ電池1の負極内部構成について説明する。バイオ電池1の出力を向上させる要因の一つとして、セル電圧の向上がある。以下の実施例、比較例、及び参考例では、酸化還元電位に着目して、2種類の負極内部構成を適宜使用した。
Reference example 1. Verification of the negative electrode internal configuration of the biobattery 1 A. Outline In this reference example, the negative electrode internal configuration of the biobattery 1 used in the following examples, comparative examples, and reference examples will be described. One of the factors for improving the output of the bio-battery 1 is the improvement of the cell voltage. In the following examples, comparative examples, and reference examples, two types of negative electrode internal configurations were appropriately used, focusing on the redox potential.

構成1/PQQGDH-mPMS系
負極22の電極触媒として、電位が劣るが触媒回転速度の高い酵素であるPQQ依存性グルコース脱水素酵素(以下、「PQQGDH」と略する)(触媒回転速度:4000 s-1)と、メディエータとして1-メトキシ-5-フェナジンメトサルフェート(以下、「mPMS」と略する)の組み合わせ
Composition 1 / PQQGDH-m PMS system As an electrode catalyst for the negative electrode 22, PQQ-dependent glucose dehydrogenase (hereinafter abbreviated as "PQQGDH"), which is an enzyme with inferior potential but high catalyst rotation speed (hereinafter abbreviated as "PQQGDH") (catalyst rotation speed: 4000 s) Combination of -1) and 1-methoxy-5-phenazinemethsulfate (hereinafter abbreviated as "mPMS") as a mediator

構成2/NADGDH-ACNQ系
負極22の電極触媒として、電位のロスが少ないが、触媒回転速度が上記PQQGDHより遅く、もう1種類の酵素ジアホラーゼも必要となるNAD依存性グルコース脱水素酵素(以下、「NADGDH」と略する)(触媒回転速度:500 s-1)とメディエータとして2-アミノ-3-クロロ-1,4-ナフトキノン(以下、「ACNQ」と略する)の組合せ
Composition 2 / NADGDH-ACNQ system As an electrode catalyst for the negative electrode 22, there is little potential loss, but the catalyst rotation speed is slower than the above PQQGDH, and another type of enzyme, diaphorase, is also required. NAD-dependent glucose dehydrogenase (hereinafter, A combination of (abbreviated as "NADGDH") (catalyst rotation speed: 500 s-1) and 2-amino-3-chloro-1,4-naphthoquinone (hereinafter abbreviated as "ACNQ") as a mediator.

B.バイオ電池1の具体的構成例
以下に、PQQGDH-mPMS系、及びNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1の具体的構成例について詳細に説明すると共に、図1に両者の酸化還元電位の測定結果を示す。
B. Specific Configuration Example of Bio-Battery 1 Below, a specific configuration example of the PQQGDH-mPMS system and the NADGDH-ACNQ system bio-battery 1 will be described in detail, and FIG. 1 shows the measurement results of the redox potentials of both. ..

B−1.PQQGDH-mPMS系
正極21、隔膜3、及び負極22の作製手順について説明する。なお、作製において使用した水は、全てミリポア社製超純水製造装置Direct-Q UVで精製したものである。
B-1. The procedure for manufacturing the PQQGDH-mPMS positive electrode 21, the diaphragm 3, and the negative electrode 22 will be described. The water used in the production was all purified by the ultrapure water production device Direct-Q UV manufactured by Millipore.

a.正極21の作製
a−1.正極酵素溶液の作製
正極酵素として、ビリルビンオキシダーゼ(Bilirubin Oxidase:天野エンザイム、BO-3、以下「BOD」と略する。)を使用した。BODは、適当量の1 Mのイミダゾール pH 4.6に溶解し、280 nm吸光度測定から吸光度1=1.0 mg/mlと換算して100 mg/mlに、また、フェリシアン化カリウムを50 mMになるように濃度調整した溶液を正極酵素溶液とした。
a. Preparation of positive electrode 21 a-1. Preparation of positive electrode enzyme solution Bilirubin oxidase (Bilirubin Oxidase: Amano enzyme, BO-3, hereinafter abbreviated as "BOD") was used as the positive electrode enzyme. BOD is dissolved in an appropriate amount of 1 M imidazole pH 4.6, and the concentration is adjusted to 100 mg / ml by converting the absorbance 1 = 1.0 mg / ml from the 280 nm absorbance measurement, and the concentration of potassium ferricyanide to 50 mM. The prepared solution was used as a positive enzyme solution.

a−2.電極基材への酵素の固定
上記で作製した正極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを正極21とした。正極21は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断し、これに活性炭粉末を塗布したものを使用した。活性炭粉末の塗布は、活性炭粉末、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、1-メチル-2-ピロリジノン(NMP)を乳鉢で混合の後、適当量をスパチュラでカーボンクロス両面に塗抹して60 ℃で8時間以上乾燥させることにより行った。
a-2. Fixation of Enzyme on Electrode Base Material 51 μl of the positive electrode enzyme solution prepared above was applied to each electrode base material, and this was used as the positive electrode 21. Two positive electrodes 21 were used. As the electrode base material, a carbon cloth cut into 10 mm × 10 mm with a cutter and coated with activated carbon powder was used. To apply the activated carbon powder, mix the activated carbon powder, polyvinylidene fluoride (PVDF), and 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) in a mortar, and then smear an appropriate amount on both sides of the carbon cloth with a spatula for 8 hours at 60 ° C. This was done by drying the above.

b.負極22の作製
b−1.負極酵素溶液の作製
ここで用いた負極酵素PQQGDHは、アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)NBRC12552株由来のPQQ依存可溶性グルコース脱水素酵素(以下、「sPQQGDH」と略する)である。かかる酵素の作製方法及び配列情報は特開2013-45647号に開示されている。具体的には、sPQQGDH遺伝子(GeneID:X15871)をベクターpET-22b(+)のマルチクローニング部位(NdeI/BamHI)に挿入した。sPQQGDH遺伝子を挿入したpET-22b(+)ベクターを用いて大腸菌BL21(DE3)株をトランスフォーメーションし、出てきたコロニーをLB/Amp(含アンピシリン50 μg/ml)培地300 mlに接種し、37 ℃で一晩培養した。つぎにジャーファーメンターにLB/Amp培地を20 L仕込み、前培養液200 mlを加え、37℃で約1時間(O.D.=0.1になるまで)培養し、0.01 mM IPTGを加えてタンパク発現誘導をかけ、28 ℃で一晩振盪培養した。培養液を遠心、上清を除去した沈殿を−80 ℃で凍結保存した。凍結保存されたタンパク質発現菌体5 gをPBSバッファー15 mlに懸濁した。氷上で、超音波破砕機XL2000(MISONIX)を用いて15 Wで15秒間破砕を10回行なった。破砕した液は4 ℃、5000 rpmで20分間遠心分離し、分取した上清をCellulose Acetate 0.45μm filter (ADBANTEC)でフィルタリングしたものをサンプルとした。オープンカラム(Bio-Rad)にヒスチジンタグ精製用レジン:TALON(Clontech)を10 ml充填し、ベッドボリュームの5倍量の平衡化バッファー(PBS + 50 mM NaCl)で平衡化した。前処理を行なったサンプルをカラムにアプライし、ベッドボリュームの5倍量の洗浄バッファー(PBS + 50 mM NaCl +10 mM イミダゾール)で洗浄後、ベッドボリュームの3倍量の溶出バッファー(PBS + 50 mM NaCl +150 mM イミダゾール)で溶出した。回収した溶出液をAmicon Ultra-4 (Millipore)を用いて濃縮し、微量透析装置 低速タイプ及び透析カップMWCO1200(共にBio-Tec)を用いて、透析バッファー(10 mM Tris-HCl(pH 7.5)+ 0.1 mM CaCl2)を1時間ごとに交換し合計2時間透析した。透析サンプルは4 ℃、15000 rpmで5分間遠心分離し、分取した上清を20 mg/ml以上になるように再度濃縮した。使用時に、CaCl2を1 mM、及びPQQを1μMとなるように添加し4℃で30分以上インキュベートした。更に、1 M イミダゾール pH 8.0に溶解し、sPQQGDH を1 mg/ml、mPMSを30 mMとなるように濃度調整した溶液を負極酵素溶液とした。
b. Preparation of negative electrode 22 b-1. Preparation of Negative Enzyme Solution The negative enzyme PQQGDH used here is a PQQ-dependent soluble glucose dehydrogenase (hereinafter abbreviated as "sPQQGDH") derived from the Acinetobacter calcoaceticus NBRC12552 strain. The production method and sequence information of such an enzyme are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-45647. Specifically, the sPQQGDH gene (GeneID: X15871) was inserted into the multicloning site (NdeI / BamHI) of the vector pET-22b (+). Escherichia coli BL21 (DE3) strain was transformed using the pET-22b (+) vector into which the sPQQGDH gene was inserted, and the resulting colonies were inoculated into 300 ml of LB / Amp (including ampicillin 50 μg / ml) medium, 37 Inoculated overnight at ° C. Next, add 20 L of LB / Amp medium to the jar fermenter, add 200 ml of the preculture solution, incubate at 37 ° C for about 1 hour (until OD = 0.1), and add 0.01 mM IPTG to induce protein expression. It was sprinkled and cultured with shaking at 28 ° C overnight. The culture solution was centrifuged, and the precipitate from which the supernatant had been removed was cryopreserved at -80 ° C. 5 g of the cryopreserved protein-expressing cells were suspended in 15 ml of PBS buffer. On ice, crushing was performed 10 times at 15 W for 15 seconds using an ultrasonic crusher XL2000 (MISONIX). The crushed solution was centrifuged at 4 ° C. and 5000 rpm for 20 minutes, and the separated supernatant was filtered with a Cellulose Acetate 0.45 μm filter (ADBANTEC) as a sample. An open column (Bio-Rad) was packed with 10 ml of histidine tag purification resin: TALON (Clontech) and equilibrated with 5 times the bed volume of equilibration buffer (PBS + 50 mM NaCl). The pretreated sample is applied to a column, washed with 5 times the bed volume of wash buffer (PBS + 50 mM NaCl + 10 mM imidazole), and then 3 times the bed volume of elution buffer (PBS + 50 mM NaCl). Elution with +150 mM imidazole). The recovered eluate is concentrated using Amicon Ultra-4 (Millipore), and a dialysis buffer (10 mM Tris-HCl (pH 7.5) (pH 7.5) +) is used using a microdialysis machine low-speed type and a dialysis cup MWCO1200 (both Bio-Tec). 0.1 mM CaCl 2 ) was replaced every hour and dialyzed for a total of 2 hours. The dialysis sample was centrifuged at 4 ° C. and 15000 rpm for 5 minutes, and the separated supernatant was reconcentrated to 20 mg / ml or more. At the time of use, CaCl 2 was added to 1 mM and PQQ to 1 μM, and the mixture was incubated at 4 ° C. for 30 minutes or longer. Further, a solution prepared by dissolving in 1 M imidazole pH 8.0 and adjusting the concentration of sPQQGDH to 1 mg / ml and mPMS to 30 mM was used as a negative enzyme solution.

b−2.電極基材への酵素の固定
上記で作製した負極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを負極22とした。負極22は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断したものを使用した。
b-2. Fixation of Enzyme on Electrode Base Material 51 μl of the negative electrode enzyme solution prepared above was applied to each electrode base material, and this was used as the negative electrode 22. Two negative electrodes 22 were used. As the electrode base material, a carbon cloth cut into 10 mm × 10 mm with a cutter was used.

c.隔膜3
セルロース膜を隔膜3として使用した。
c. Septum 3
The cellulose membrane was used as the diaphragm 3.

B−2.NADGDH-ACNQ系
正極21、隔膜3、及び負極22の作製手順について説明する。なお、作製において使用した水は、全てミリポア社製超純水製造装置Direct-Q UVで精製したものである。
B-2. The procedure for manufacturing the NADGDH-ACNQ positive electrode 21, the diaphragm 3, and the negative electrode 22 will be described. The water used in the production was all purified by the ultrapure water production device Direct-Q UV manufactured by Millipore.

a.正極21の作製
正極21は、上記のPQQGDH-mPMS系と同様にして作製した。
a. Preparation of Positive Electrode 21 The positive electrode 21 was produced in the same manner as the above-mentioned PQQGDH-mPMS system.

b.負極22の作製
b−1.酵素溶液の作製
ここで用いた負極酵素NADGDHは、NAD依存性グルコース脱水素酵素(天野エンザイム、GLUCDH“Amano”2、以下、「NADGDH」と略する。)である。適当量の1Mのイミダゾール pH 8.7に溶解し、NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼ(東洋紡DAD301)を20 mg/ml、及びNADH(β-Nicotinamide-adenine dinucleotide reduced、和光純薬工業 Wako 305-50451)を10 mMになるように濃度調整した溶液を負極酵素溶液とした。
b. Preparation of negative electrode 22 b-1. Preparation of Enzyme Solution The negative electrode enzyme NADGDH used here is NAD-dependent glucose dehydrogenase (Amano Enzyme, GLUCDH “Amano” 2, hereinafter abbreviated as “NADGDH”). Dissolve in an appropriate amount of 1M imidazole pH 8.7, NADGDH 10 mg / ml, diaholase (Toyo Boseki DAD301) 20 mg / ml, and NADH (β-Nicotinamide-adenine dinucleotide reduced, Wako Pure Chemical Industries Wako 305-50451) Was used as a negative enzyme solution, the concentration of which was adjusted to 10 mM.

b−2.電極基材への負極酵素の固定
60 mMの ACNQを予め塗布した電極基材に、上記で作製した負極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを負極22とした。負極22は2枚使用した。電極基材は、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断したものを使用した。
b-2. Fixation of negative electrode enzyme on electrode substrate
51 μl of the negative electrode enzyme solution prepared above was applied to the electrode base material to which 60 mM ACNQ was previously applied, and this was used as the negative electrode 22. Two negative electrodes 22 were used. The electrode base material used was a carbon cloth cut into 10 mm × 10 mm with a cutter.

c.隔膜3
セルロース膜を隔膜3として使用した。
c. Septum 3
The cellulose membrane was used as the diaphragm 3.

参考例2.正極及び負極に使用する酵素の至適pHの検証(PQQGDH-mPMS系)
A.概要
本参考例では、正極21及び22負極の反応系での水素イオン濃度の動態からも正極21及び負極22に使用する酵素のpH依存性を検証した。
Reference example 2. Verification of optimum pH of enzymes used for positive and negative electrodes (PQQGDH-mPMS system)
A. Outline In this reference example, the pH dependence of the enzyme used for the positive electrode 21 and the negative electrode 22 was verified from the dynamics of the hydrogen ion concentration in the reaction system of the positive electrode 21 and the negative electrode 22.

B.検証
バイオ電池1では、正極21には、O2、H+及びe-からH2Oに還元する酵素が使用され、例えば、参考例1で使用したBOD等が使用できる。負極22には、ブドウ糖等のバイオマスを酸化して有機酸、H+、e-を生成する酵素が使用され、例えば、グルコース脱水素酵素、更に詳細には、参考例1で使用したPQQGDH等が使用できる。
B. Verification In the biobattery 1, an enzyme that reduces O 2 , H + and e - to H 2 O is used for the positive electrode 21, and for example, the BOD used in Reference Example 1 can be used. The anode 22, an organic acid by oxidizing biomass glucose etc., H +, e - enzymes that produce is used, for example, glucose dehydrogenase, more particularly, the PQQGDH or the like used in Reference Example 1 Can be used.

ここで、試験管中での上記BOD(正極酵素)及びPQQGDH(負極酵素)の酵素活性のpH依存性を検討した例を図2に示す。この結果からも理解できるが、使用する酵素の種類によらず、正極21ではH+を消費する反応であるためにH+豊富な環境(低pH)である方が本質的に好ましく、反対に、負極22ではH+を生成する反応であるためにH+欠乏の環境(高pH)である方が本質的に好ましい。 Here, FIG. 2 shows an example of examining the pH dependence of the enzyme activities of the above BOD (positive electrode enzyme) and PQQGDH (negative electrode enzyme) in a test tube. As can be understood from this result, regardless of the type of enzyme used, since the positive electrode 21 is a reaction that consumes H + , it is essentially preferable to have an environment rich in H + (low pH), and conversely. Since the negative electrode 22 is a reaction that produces H + , it is essentially preferable that the environment is H + deficient (high pH).

参考例3.pH環境がバイオ電池出力に与える影響の検証(構成1/PQQGDH-mPMS系)
A.概要
本参考例では、参考例2の結果に基づき正極21及び負極22のpHを設定し、pH環境がバイオ電池1の出力に与える影響を検討した。
Reference example 3. Verification of the effect of pH environment on biobattery output (configuration 1 / PQQGDH-mPMS system)
A. Outline In this reference example, the pH of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 was set based on the result of the reference example 2, and the influence of the pH environment on the output of the biobattery 1 was examined.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成、及び当該構成を用いたバイオ電池1の作製手順
B−1−1.各構成の作製
正極21、負極22、燃料溶液の作製について説明する。なお、作製において使用した水は、全てミリポア社製超純水製造装置Direct-Q UVで精製したものである。
B. Method B-1. The configuration of the bio-battery 1 and the procedure for manufacturing the bio-battery 1 using the configuration B-1-1. Preparation of each configuration The preparation of the positive electrode 21, the negative electrode 22, and the fuel solution will be described. The water used in the production was all purified by the ultrapure water production device Direct-Q UV manufactured by Millipore.

a.正極21の作製
a−1.酵素溶液の作製
正極酵素として、参考例1で使用したBODを使用した。BODを適当量の1Mの Sodium phosphate Bufferに溶解し、280 nm吸光度測定から吸光度1=1.0 mg/mlと換算して100 mg/mlとなるように濃度調整したものを正極酵素溶液とした。
a. Preparation of positive electrode 21 a-1. Preparation of enzyme solution The BOD used in Reference Example 1 was used as the positive electrode enzyme. BOD was dissolved in an appropriate amount of 1 M Sodium phosphate buffer, and the concentration was adjusted to 100 mg / ml by converting the absorbance at 1 = 1.0 mg / ml from the 280 nm absorbance measurement, and this was used as the positive enzyme solution.

a−2.電極基材への酵素の固定
上記で作製した正極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを正極21とした。正極21は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断し、これに活性炭粉末を塗布したものを使用した。活性炭粉末の塗布は、活性炭粉末、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、1-メチル-2-ピロリジノン(NMP)を乳鉢で混合の後、適当量をスパチュラでカーボンクロス両面に塗抹して60 ℃で8時間以上乾燥させることにより行った。
a-2. Fixation of Enzyme on Electrode Base Material 51 μl of the positive electrode enzyme solution prepared above was applied to each electrode base material, and this was used as the positive electrode 21. Two positive electrodes 21 were used. As the electrode base material, a carbon cloth cut into 10 mm × 10 mm with a cutter and coated with activated carbon powder was used. To apply the activated carbon powder, mix the activated carbon powder, polyvinylidene fluoride (PVDF), and 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) in a mortar, and then smear an appropriate amount on both sides of the carbon cloth with a spatula for 8 hours at 60 ° C. This was done by drying the above.

b.負極22の作製
b−1.酵素溶液の作製
負極酵素として、参考例1に記載のアシネトバクター・カルコアセティカスNBRC12552株由来のグルコース脱水素酵素を用いた。かかる酵素の作製方法等の詳細は参考例1に記載の通りである。上清を20 mg/ml以上になるように再度濃縮したサンプルに、使用時に、CaCl2を1 mM、及びPQQを0.8 mMとなるように添加し4℃で30分以上インキュベートした。更に、PQQGDH 1 mg/ml、30 mM mPMS、1 M Sodium Phosphate Buffer pH 7.0となるように調整した溶液を負極酵素溶液とした。
b. Preparation of negative electrode 22 b-1. Preparation of Enzyme Solution As the negative electrode enzyme, the glucose dehydrogenase derived from the Acinetobacter calcoaceticus NBRC12552 strain described in Reference Example 1 was used. Details of the method for producing such an enzyme are as described in Reference Example 1. At the time of use, CaCl 2 was added to 1 mM and PQQ to 0.8 mM to the sample in which the supernatant was reconcentrated to 20 mg / ml or more, and the mixture was incubated at 4 ° C. for 30 minutes or more. Further, a solution adjusted to PQQGDH 1 mg / ml, 30 mM mPMS, and 1 M Sodium Phosphate Buffer pH 7.0 was used as a negative enzyme solution.

b−2.電極基材への酵素の固定
上記で作製した負極酵素溶液を電極基材1枚当たり51μl塗布し、これを負極22とした。負極22は2枚使用した。電極基材としては、カーボンクロスを10 mm×10 mmにカッターで切断したものを使用した。
b-2. Fixation of Enzyme on Electrode Base Material 51 μl of the negative electrode enzyme solution prepared above was applied to each electrode base material, and this was used as the negative electrode 22. Two negative electrodes 22 were used. As the electrode base material, a carbon cloth cut into 10 mm × 10 mm with a cutter was used.

c.隔膜3の作製
正極21と負極22の間を隔てる隔膜3として、セルロース膜を使用した。
c. Preparation of Septum 3 A cellulose film was used as the diaphragm 3 that separates the positive electrode 21 and the negative electrode 22.

d.燃料溶液の作製
1M D-Glucose、1 M Sodium Phosphate Buffer pH 7.0に作製し、これを燃料溶液として使用した。
d. Preparation of fuel solution
It was prepared at 1 M D-Glucose and 1 M Sodium Phosphate Buffer pH 7.0 and used as a fuel solution.

B−1−2.電池セルの組み立て
上記で作製した正極21、負極22、及び隔膜3を組み合わせてバイオ電池1の電池セル1aを作製した。ここで作製した電池セル1aの構成の模式的に示す図3を参照して説明する。図3の電池セル1aは、2 mm厚アクリル板100aに燃料溶液供給用に3 mmφの丸穴(燃料供給孔)110を2箇所を開けたものと、5mm厚アクリル板100bに10 mm×10 mmの角穴111を開けたものを使用した。角穴111の4辺には、ねじ止め用に穴を開けた。なお、集電板としてチタンメッシュ103(Alfa Aesar 40921)を10 mm×40 mm、0.4 mm厚SUS網10メッシュ102を14 mm×14 mm、スペーサーとして0.5 mm厚シリコンシート101a(アズワン等)に16 mm×16 mmの角穴をあけたもの、又は1 mm厚のシリコンシート101bに10 mm×10 mmの角穴をあけたもの、隔膜3として、セルロース膜(和光純薬工業 生化学用透析膜 047-30941)を使用した。これらを図3の順番通りに、正極21|隔膜3|負極22となるよう積層し、四方をねじ止めし電池セル1aを組み立てた。バイオ電池1の駆動時には、負極22には丸穴から燃料溶液が導入され、正極21にはダイアフラムポンプ((5.5 L-air/min、KNF LAB、LABOPORT N86 KT.18)で大気を送気するように構成した。
B-1-2. Assembly of Battery Cell The battery cell 1a of the biobattery 1 was produced by combining the positive electrode 21, the negative electrode 22, and the diaphragm 3 produced above. This will be described with reference to FIG. 3, which schematically shows the configuration of the battery cell 1a produced here. The battery cell 1a shown in FIG. 3 has two 3 mmφ round holes (fuel supply holes) 110 formed in a 2 mm thick acrylic plate 100a for supplying a fuel solution, and 10 mm × 10 in a 5 mm thick acrylic plate 100b. The one with a square hole 111 of mm was used. Holes were made in the four sides of the square hole 111 for screwing. Titanium mesh 103 (Alfa Aesar 40921) as a current collector is 10 mm x 40 mm, 0.4 mm thick SUS net 10 mesh 102 is 14 mm x 14 mm, and 0.5 mm thick silicon sheet 101a (AS ONE, etc.) is used as a spacer. A cellulose film (Wako Pure Chemical Industries, Ltd. biochemical dialysis film) as a diaphragm 3 with a square hole of mm × 16 mm or a silicon sheet 101b with a thickness of 1 mm with a square hole of 10 mm × 10 mm. 047-30941) was used. These were laminated in the order of FIG. 3 so as to have a positive electrode 21 | diaphragm 3 | negative electrode 22, and screwed on all sides to assemble the battery cell 1a. When the biobattery 1 is driven, a fuel solution is introduced into the negative electrode 22 from a round hole, and the atmosphere is sent to the positive electrode 21 by a diaphragm pump ((5.5 L-air / min, KNF LAB, LABOPORT N86 KT.18)). It was configured as follows.

B−2.測定条件
測定時には、燃料溶液供給用の丸穴から、下記負極22側の緩衝液と同じpHの緩衝液を使用して作製された燃料溶液150μlが注入し、上記で作製した電池セル1aを電子負荷装置(菊水電子PLZ164WA)に接続し、0.5 mAずつ負荷電流を上げ、各電流値での安定電圧を測定することにより、電池出力を測定した。正極21及び負極22側の緩衝液は、下記表1に示す各種pHの1 M Sodium phosphate Buffer組合せを使用した。
B-2. Measurement conditions At the time of measurement, 150 μl of a fuel solution prepared using a buffer solution having the same pH as the buffer solution on the negative electrode 22 side below is injected from the round hole for supplying the fuel solution, and the battery cell 1a prepared above is electronically charged. The battery output was measured by connecting to a load device (Kikusui Denshi PLZ164WA), increasing the load current by 0.5 mA, and measuring the stable voltage at each current value. As the buffer solution on the positive electrode 21 side and the negative electrode 22 side, 1 M Sodium phosphate Buffer combinations of various pHs shown in Table 1 below were used.

C.結果
各種pHにおける最大電力密度を比較した結果を表1に示す。その結果、負極22がpH 8.0、正極21がpH 4.3の組合せが、最大電力密度が最も高かった。なお負極22がpH 8.8と正極21がpH 4.3の組み合わせでは、酵素の凝集が認められ最大電力密度も低下した。
C. Results Table 1 shows the results of comparing the maximum power densities at various pH values. As a result, the combination of the negative electrode 22 having a pH of 8.0 and the positive electrode 21 having a pH of 4.3 had the highest maximum power density. When the negative electrode 22 had a pH of 8.8 and the positive electrode 21 had a pH of 4.3, enzyme aggregation was observed and the maximum power density also decreased.

Figure 0006786885
Figure 0006786885

本参考例の結果を受け、以下の実施例及び比較例では、別途注記した場合を除き、電極に含浸する酵素-メディエータ溶液のpHは、PQQGDH-mPMS系では正極21はpH 4.6、負極22はpH 8.0、最初に添加する燃料はpH 8.0とし、NADGDH-ACNQ系では正極21はpH 4.6、負極22はpH 8.7、最初に添加する燃料はpH 8.7とした。 Based on the results of this reference example, in the following examples and comparative examples, the pH of the enzyme-mediator solution impregnated in the electrodes is pH 4.6 for the positive electrode 21 and pH 4.6 for the negative electrode 22 in the PQQGDH-mPMS system, unless otherwise noted. The pH was 8.0, the first fuel to be added was pH 8.0, and in the NADGDH-ACNQ system, the positive electrode 21 was pH 4.6, the negative electrode 22 was pH 8.7, and the first fuel to be added was pH 8.7.

比較例1.燃料溶液の交換による電圧保持時間の検証−1(PQQGDH-mPMS系)
A.概要
本比較例では、PQQGDH-mPMS系のバイオ電池1の電圧保持時間を検証した。このとき、燃料溶液を交換しながら検証を行った。
Comparative example 1. Verification of voltage holding time by exchanging fuel solution-1 (PQQGDH-mPMS system)
A. Outline In this comparative example, the voltage holding time of the PQQGDH-mPMS-based biobattery 1 was verified. At this time, verification was performed while exchanging the fuel solution.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、参考例1で使用したPQQGDH-mPMS系であり、参考例1のPQQGDH-mPMS系と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of biobattery 1 is the PQQGDH-mPMS system used in Reference Example 1, and the biobattery 1 was produced in the same manner as the PQQGDH-mPMS system of Reference Example 1.

B−2.測定条件
PQQGDH-mPMS系を使用した使用した電極面積1 cm2の電池セル1aに対し、1回目の燃料溶液を添加し、1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0
B-2. Measurement condition
The first fuel solution was added to the battery cell 1a with an electrode area of 1 cm 2 using the PQQGDH-mPMS system, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity. When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows. The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.0
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.0

C.結果
結果を図4に示す。図4は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。1回目の燃料溶液における電池容量は2.0 mWh(4.5 mAh)であったが、2回目の燃料溶液における電池容量は0.3 mWh(1.1 mAh)と、2回目の電池容量(Wh)は約1/6に低下した。1回目の燃料溶液には、ブドウ糖2.4 M×78 μl(188 μmole)が含まれていると算出できる。してみると、1回目の電池容量が4.5 mAh=4.5 mC/s×3600 s=16.2 C=16.2 C/96500 C/mole=168μmole-電子であったこと。ブドウ糖の脱水素が2電子反応であることを考慮すると、168 μmole-電子/(188μmole-ブドウ糖×2)=0.45となり、ブドウ糖の少なくとも45 %(0.45×2.4 M=1.1 M)が脱水素されグルコン酸になっていると推定される。これは燃料溶液の緩衝液成分(イミダゾール)濃度の1 Mを超える濃度であり、pHへの影響は大きいと推定できる。燃料溶液の交換に際して、1回目の発電の後、燃料溶液をピペッタにて極力吸い取り、1回目と同様の燃料溶液を入れて発電したが、電極基材がカーボンクロスであるため、電極中には未反応のブドウ糖とグルコン酸が残留していることが想定される。2回目の燃料溶液に含まれるブドウ糖を基準とすると、同様の計算でブドウ糖の11 %(0.26 M)が脱水素されたと推定され、大幅に発電効率が低下していることが理解できる。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 4, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. The battery capacity in the first fuel solution was 2.0 mWh (4.5 mAh), but the battery capacity in the second fuel solution was 0.3 mWh (1.1 mAh), and the battery capacity (Wh) in the second fuel solution was about 1/6. Decreased to. It can be calculated that the first fuel solution contains 2.4 M × 78 μl (188 μmole) of glucose. Then, the first battery capacity was 4.5 mAh = 4.5 mC / s x 3600 s = 16.2 C = 16.2 C / 96500 C / mole = 168 μmole - electrons. Considering that dehydrogenation of glucose is a two-electron reaction, 168 μmole - electrons / (188 μmole - glucose x 2) = 0.45, and at least 45% of glucose (0.45 x 2.4 M = 1.1 M) is dehydrogenated and glucon. It is presumed to be acid. This is a concentration exceeding 1 M of the buffer solution component (imidazole) concentration of the fuel solution, and it can be estimated that the effect on pH is large. When exchanging the fuel solution, after the first power generation, the fuel solution was absorbed as much as possible with a pipettor, and the same fuel solution as the first time was put in to generate power, but since the electrode base material is carbon cloth, the inside of the electrode It is assumed that unreacted glucose and gluconic acid remain. Based on the glucose contained in the second fuel solution, it is estimated that 11% (0.26 M) of glucose was dehydrogenated by the same calculation, and it can be understood that the power generation efficiency is significantly reduced.

比較例2.燃料溶液の交換による電圧保持時間の検証−2(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本比較例では、比較例1と同様にして、NADGDH-ACNQ系のバイオ電池1の電圧保持時間を検証した。NADGDH-ACNQ系は、電位を至適化し高出力が期待される。
Comparative example 2. Verification of voltage holding time by exchanging fuel solution-2 (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this comparative example, the voltage holding time of the NADGDH-ACNQ-based biobattery 1 was verified in the same manner as in Comparative Example 1. The NADGDH-ACNQ system is expected to have high output by optimizing the potential.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、参考例1で使用したNADGDH-ACNQ系であり、参考例1のNADGDH-ACNQ系と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Reference Example 1, and the biobattery 1 was produced in the same manner as the NADGDH-ACNQ system of Reference Example 1.

B−2.測定条件
NADGDH-ACNQ系を使用した電極面積1 cm2の電池セル1aに対し、1回目の燃料溶液を添加し、1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
B-2. Measurement condition
The first fuel solution was added to the battery cell 1a with an electrode area of 1 cm 2 using the NADGDH-ACNQ system, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity. When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows. The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7

C.結果
結果を図5に示す。図5は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、2回目の発電での電池容量(Wh)は約1/3に低下することが判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 5, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, it was found that the battery capacity (Wh) in the second power generation was reduced to about 1/3.

比較例3.燃料溶液の交換による電圧保持時間の検証−3(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本比較例では、比較例2に続いて、NADGDH-ACNQ系のバイオ電池1の電圧保持時間を検証した。本比較例では、正極21及び負極22に含浸する酵素溶液、及び燃料溶液のpHを7.0とした系で検証した。
Comparative example 3. Verification of voltage holding time by exchanging fuel solution-3 (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this comparative example, following Comparative Example 2, the voltage holding time of the NADGDH-ACNQ-based biobattery 1 was verified. In this comparative example, the enzyme solution impregnated in the positive electrode 21 and the negative electrode 22 and the fuel solution were verified with a pH of 7.0.

B.方法
B−1.バイオ電池の構成
バイオ電池の構成は、参考例1で説明したNADGDH-ACNQ系であり、正極酵素溶液及び負極酵素溶液の作製をpH 7.0のイミダゾールで行った以外は、参考例1のNADGDH-ACNQ系と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Composition of bio-battery The composition of the bio-battery is the NADGDH-ACNQ system described in Reference Example 1, and the NADGDH-ACNQ of Reference Example 1 was prepared except that the positive electrode enzyme solution and the negative electrode enzyme solution were prepared with imidazole of pH 7.0. The biobattery 1 was produced in the same manner as the system.

詳細には、正極酵素溶液としては、BODを100 mg/ml、フェリシアン化カリウムを50 mMになるように1 MイミダゾールpH 7.0 に溶解することで作製したものを使用した。負極酵素溶液としては、NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 7.0に溶解することで作製したものを使用した。 Specifically, as the positive enzyme solution, a solution prepared by dissolving BOD at 100 mg / ml and potassium ferricyanide at pH 7.0 at 1 M imidazole to 50 mM was used. As the negative enzyme solution, a solution prepared by dissolving NADGDH at 10 mg / ml, diaholase at 20 mg / ml, and NADH at 1 M imidazole pH 7.0 to 10 mM was used.

B−2.測定条件
比較例2と同様にNADGDH-ACNQ系において、電極に含浸する酵素-メディエータ溶液、最初に添加する燃料溶液ともにpH 7.0とした系で、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 7.0
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 7.0
B-2. Measurement conditions In the NADGDH-ACNQ system as in Comparative Example 2, the enzyme-mediator solution impregnated in the electrode and the fuel solution to be added first were both set to pH 7.0, and the first fuel solution was added and the electrode area was 1 cm. The first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a of 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 7.0
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 7.0

C.結果
結果を図6に示す。図6は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、2回目の発電での電池容量(Wh)は約1/5に低下することが判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 6, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, it was found that the battery capacity (Wh) in the second power generation was reduced to about 1/5.

参考例4.電池容量低下要因の電極からの検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本参考例では、比較例1〜3で確認された燃料溶液の交換による2回目の発電での電池容量低下が正極21又は負極22の何れに起因しているのかを検証した。
Reference example 4. Verification of battery capacity reduction factors from electrodes (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this reference example, it was verified whether the decrease in battery capacity in the second power generation due to the replacement of the fuel solution confirmed in Comparative Examples 1 to 3 was caused by the positive electrode 21 or the negative electrode 22.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。そして、図7に示すように、一定電流負荷による1回目の発電により電圧が低下した電池セル1aを解体し、正極21、又は負極22を新しいものに交換することにより、電池容量低下が正極21、又は負極22の何れに起因しているのかを検証した。正極21及び負極22の交換方式は以下の通りである。
1.2回目の発電において、負極22はそのまま1回目と同じもの、正極21は新しいものに交換した電池セル
2.2回目の発電において、正極21はそのまま1回目と同じもの、負極22は新しいものに交換した電池セル
B. Method B-1. Configuration of Bio-Battery 1 The configuration of the bio-battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the NADGDH-ACNQ-based bio-battery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Then, as shown in FIG. 7, the battery capacity is reduced by disassembling the battery cell 1a whose voltage has dropped due to the first power generation under a constant current load and replacing the positive electrode 21 or the negative electrode 22 with a new one. , Or the negative electrode 22 was verified. The exchange method of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 is as follows.
1. In the second power generation, the negative electrode 22 is the same as the first one, the positive electrode 21 is replaced with a new one. 2. In the second power generation, the positive electrode 21 is the same as the first one, and the negative electrode 22 is new. Battery cell replaced with one

B−2.測定条件
比較例2と同様に、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、上記した通り、正極21又は負極22の交換を行うと共に燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
B-2. Measurement conditions Similar to Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity in the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage dropped to 0.1 V, the positive electrode 21 or the negative electrode 22 was replaced and the fuel solution was replaced with the fuel solution for the second time as described above. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7

C.結果
結果を図8に示す。図8は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、正極21を交換し負極22を交換しなかった“1”の電池セル1aにおいては、2回目の発電では1回目に比べて短い時間で電圧が低下し、電池容量(Wh)も約1/5に低下することが判明した。負極22を交換し正極21を交換しなかった“2”の電池セル1aにおいては、2回目の発電でも1回目同様に電圧は保持された。このことから、負極22が電池容量低下の要因であることが判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 8, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, in the battery cell 1a of "1" in which the positive electrode 21 was replaced and the negative electrode 22 was not replaced, the voltage dropped in a shorter time in the second power generation than in the first power generation, and the battery capacity (Wh) was also about. It turned out to drop to 1/5. In the battery cell 1a of "2" in which the negative electrode 22 was replaced and the positive electrode 21 was not replaced, the voltage was maintained in the second power generation as in the first time. From this, it was found that the negative electrode 22 is a factor of lowering the battery capacity.

参考例5.電池容量低下要因の負極の内部構成成分からの検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本参考例では、参考例4で確認された負極22に起因する電池容量低下の要因について、負極22の内部構成成分に着目し詳細に検証した。
Reference example 5. Verification from the internal components of the negative electrode, which is a factor that reduces battery capacity (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this reference example, the factors of the battery capacity decrease due to the negative electrode 22 confirmed in the negative electrode 22 were examined in detail by focusing on the internal components of the negative electrode 22.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。そして、一定電流負荷による1回目の発電により電圧が低下した電池セル1aを解体し、正極21はそのままで2回目も使用し、負極22についても2回目も使用するが、負極22の内部構成成分のうちの一部を負極22に含浸させてから、電池セル1aを組み立て、電池容量低下が負極22の内部構成成分の何れに起因しているのかを検証した。2回目の発電の際に負極22に含浸させる負極22の内部構成成分は表2に要約した。
B. Method B-1. Configuration of Bio-Battery 1 The configuration of the bio-battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the NADGDH-ACNQ-based bio-battery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Then, the battery cell 1a whose voltage has dropped due to the first power generation with a constant current load is disassembled, the positive electrode 21 is used as it is for the second time, and the negative electrode 22 is also used for the second time, but the internal components of the negative electrode 22 are used. After impregnating a part of the negative electrode 22 with the negative electrode 22, the battery cell 1a was assembled, and it was verified which of the internal components of the negative electrode 22 caused the decrease in battery capacity. Table 2 summarizes the internal components of the negative electrode 22 impregnated into the negative electrode 22 during the second power generation.

Figure 0006786885
Figure 0006786885

B−2.測定条件
比較例2と同様に、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)により発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、上記した通り、負極22に内部構成成分を含浸させた後、再び電池セル1aを組み立てた。続いて、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけ、電圧保持時間を測定した。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
B-2. Measurement conditions Similar to Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and power was generated in the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 by the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ). When the voltage dropped to 0.1 V, the negative electrode 22 was impregnated with the internal constituents as described above, and then the battery cell 1a was assembled again. Subsequently, the fuel solution was replaced with the second fuel solution, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 , and the voltage holding time was measured. The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7

C.結果
結果を図9に示す。図9中、横軸は、2回目発電時に負極22に含浸させた負極22の内部構成成分を示す凡例、縦軸は1回目の電圧保持時間を100%とし、それに対する相対値を示す。その結果、酵素及びメディエータ等の負極22の内部構成成分の何れを含浸させても1回目の発電の電圧保持時間まで復活するものはなかった。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 9, the horizontal axis shows a legend showing the internal components of the negative electrode 22 impregnated in the negative electrode 22 at the time of the second power generation, and the vertical axis shows the relative value with respect to the first voltage holding time of 100%. As a result, no matter which of the internal components of the negative electrode 22 such as the enzyme and the mediator was impregnated, none of them recovered until the voltage holding time of the first power generation.

参考例6.電池容量低下要因の燃料消費によって発生する有機酸からの検証−1(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本参考例では、参考例4で確認された負極22に起因する電池容量低下の要因について、燃料消費によって発生する有機酸に着目し詳細に検証した。参考例5で負極22の内部構成成分に着目し電池容量低下要因を検証したが、2回目の発電に際して、酵素及びメディエータ等の負極22の内部構成要素の何れを含浸させても1回目の電圧保持時間まで復活しなかったことから、本参考例では、他の要因として、燃料のブドウ糖の消費で発生するグルコン酸に着目した。特に、グルコン酸が及ぼす影響の1つ目として、グルコン酸生成によるpH変化による影響を検証した。
Reference example 6. Verification from organic acids generated by fuel consumption, which is a factor that reduces battery capacity-1 (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this reference example, the factors of the battery capacity decrease due to the negative electrode 22 confirmed in the reference example 4 were examined in detail by focusing on the organic acid generated by the fuel consumption. In Reference Example 5, we focused on the internal components of the negative electrode 22 and verified the factors that reduced the battery capacity. However, when the second power generation was performed, the voltage of the first time was impregnated with any of the internal components of the negative electrode 22 such as enzymes and mediators. Since it did not recover until the retention time, in this reference example, we focused on gluconic acid generated by the consumption of glucose as a fuel as another factor. In particular, as the first effect of gluconic acid, the effect of pH change due to gluconic acid production was examined.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、負極酵素溶液の作製をpH 6.4又はpH 10.8のイミダゾールで行った以外は、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Bio-Battery 1 The configuration of Bio-Battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and is the same as in Comparative Example 2 except that the negative electrode enzyme solution was prepared with imidazole at pH 6.4 or pH 10.8. Biobattery 1 was produced.

詳細には、負極酵素溶液として、NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 6.4又はpH 10.8に溶解することで作製したものを使用した。 Specifically, a negative enzyme solution prepared by dissolving NADGDH at 10 mg / ml, diaholase at 20 mg / ml, and NADH at 1 M imidazole pH 6.4 or pH 10.8 to 10 mM was used. did.

B−2.測定条件
比較例2の1回目の発電と同様にして、負極酵素溶液のpHと同じpHに作製した燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけ、1回の発電による電圧保持時間を検証した。燃料溶液の組成は以下の通りである。
燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 6.4、又は、
2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8
B-2. Measurement conditions Similar to the first power generation in Comparative Example 2, the prepared fuel solution was added to the same pH as the negative electrode enzyme solution, and a constant current load (2.5 mA / cm) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2. 2 ) was applied to verify the voltage holding time for one power generation. The composition of the fuel solution is as follows.
Fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 6.4, or
2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 10.8

C.結果
結果を図10に示す。図10は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、pH 6.4ではpH 10.8の1/10程度と大幅に電圧保持時間は低下することが判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 10, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, it was found that at pH 6.4, the voltage holding time was significantly reduced to about 1/10 of pH 10.8.

参考例7.電池容量低下要因の燃料消費によって発生する有機酸からの検証−2(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本参考例では、参考例4で確認された負極22に起因する電池容量低下の要因について、参考例6に続き燃料消費によって発生する有機酸に着目し詳細に検証した。参考例5で負極22の内部構成成分に着目し電池容量低下要因を検証したが、2回目の発電に際して酵素及びメディエータ等の負極22の内部構成要素の何れを含浸させても1回目の電圧保持時間まで復活しなかったことから、本参考例では、他の要因として、燃料のブドウ糖の消費で発生するグルコン酸に着目した。特に、グルコン酸が及ぼす影響の2つ目として、グルコン酸生成による生成物阻害の影響を検証した。
Reference example 7. Verification from organic acids generated by fuel consumption, which is a factor that reduces battery capacity-2 (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this reference example, the factors of the battery capacity decrease due to the negative electrode 22 confirmed in the reference example 4 were examined in detail by focusing on the organic acid generated by the fuel consumption following the reference example 6. In Reference Example 5, we focused on the internal components of the negative electrode 22 and verified the factors that reduced the battery capacity. However, the voltage was held for the first time regardless of which of the internal components of the negative electrode 22 such as enzymes and mediators was impregnated during the second power generation. Since it did not recover until time, in this reference example, we focused on gluconic acid generated by the consumption of glucose as a fuel as another factor. In particular, as the second effect of gluconic acid, the effect of product inhibition by gluconic acid production was examined.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系である。ただし、負極22として、グルコン酸が電池容量に与える影響を検証するため、比較例2と同様にして作製した負極酵素溶液に加えてグルコン酸(pH未調整又は調整済み)を含浸して作製したものを使用し、その他は比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。作製した負極酵素溶液の詳細は以下の通りである。なお、pH未調整のグルコン酸を含浸したものは負極22内pHが5前後の酸性側に傾いているものと推定される。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2. However, as the negative electrode 22, in order to verify the effect of gluconic acid on the battery capacity, it was prepared by impregnating gluconic acid (pH unadjusted or adjusted) in addition to the negative electrode enzyme solution prepared in the same manner as in Comparative Example 2. The biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except for the above. The details of the prepared negative electrode enzyme solution are as follows. It is presumed that the pH of the negative electrode 22 impregnated with gluconic acid whose pH has not been adjusted is inclined to the acidic side of around 5.

1.グルコン酸のpH未調整のものを含浸
NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 8.7に溶解し、続いて、グルコン酸のpH未調整のものを0.36 Mとなるよう添加したもの
2.グルコン酸のpH調整済みのものを含浸
NADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 8.7に溶解し、続いて、グルコン酸をNaOHでpH 8付近に調整したものを0.36 Mとなるよう添加したもの
3.グルコン酸添加なし(コントロール)
参考例1と同様にNADGDHを10 mg/ml、ジアホラーゼを20 mg/ml、及びNADHを10 mMになるように1 MイミダゾールpH 8.7に溶解し、グルコン酸を加えないもの。
1. 1. Impregnated with unadjusted pH of gluconic acid
Dissolve NADGDH at 10 mg / ml, diaholase at 20 mg / ml, and NADH at 1 M imidazole pH 8.7 to 10 mM, followed by adding unadjusted gluconic acid at 0.36 M. What I did 2. Impregnated with pH-adjusted gluconic acid
NADGDH was dissolved at 10 mg / ml, diaholase at 20 mg / ml, and NADH at 1 M imidazole pH 8.7 to 10 mM, followed by gluconic acid adjusted to around pH 8 with NaOH. Addition to 0.36 M 3. No addition of gluconic acid (control)
As in Reference Example 1, NADGDH was dissolved at 10 mg / ml, diaholase at 20 mg / ml, and NADH at 10 mM at 1 M imidazole pH 8.7, and gluconic acid was not added.

B−2.測定条件
比較例2の1回目の発電と同様にして、燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけ、1回の発電による電圧保持時間を検証した。燃料溶液の組成は以下の通りである。
燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
B-2. Measurement conditions Similar to the first power generation in Comparative Example 2, a fuel solution is added, a constant current load (2.5 mA / cm 2 ) is applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 , and the voltage generated by the first power generation. The retention time was verified. The composition of the fuel solution is as follows.
Fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7

C.結果
結果を図11に示す。図11は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、pH未調整のグルコン酸を添加した“1”においては、グルコン酸を添加しない“3”に比べて短い時間で電圧が低下したが、pHを調整した“2”では、グルコン酸を添加しない“3”と同等の電圧保持時間となった。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 11, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, the voltage of "1" to which pH-adjusted gluconic acid was added decreased in a shorter time than that of "3" to which gluconic acid was not added, but in "2" where pH was adjusted, gluconic acid was added. The voltage holding time was equivalent to that of "3" without addition.

参考例6の結果と併せて鑑みると、電池容量低下は、グルコン酸による生成物阻害の影響ではなく、グルコン酸生成による電極内pHの変化が電圧保持時間に与える影響が大きいことが判明した。 In view of the results of Reference Example 6, it was found that the decrease in battery capacity is not the effect of product inhibition by gluconic acid, but the effect of the change in pH in the electrode due to gluconic acid production on the voltage holding time.

実施例1.負極へのpH調整のための緩衝液含浸の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、参考例7で負極22内pHの変化が電圧保持時間に与える影響が大きいことが判明したことから、その詳細検証を行った。本実施例では、負極22側で使用する緩衝液が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。緩衝液は水素イオン濃度に対する緩衝作用を有することから、負極22で生成するグルコン酸による負極22内pHの変動を小さくする。
Example 1. Verification of the effect of buffer impregnation on the negative electrode for pH adjustment (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, since it was found in Reference Example 7 that the change in pH in the negative electrode 22 had a large effect on the voltage holding time, detailed verification was performed. In this example, the influence of the buffer solution used on the negative electrode 22 side on the voltage holding time and the battery capacity was verified. Since the buffer solution has a buffering action against the hydrogen ion concentration, the fluctuation of the pH in the negative electrode 22 due to the gluconic acid generated in the negative electrode 22 is reduced.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。そして、図12に示すように、一定電流負荷による1回目の発電により電圧が低下した電池セル1aを解体し、正極21はそのままで2回目も使用し、負極22についても2回目も使用するが、負極22の内部構成成分及び緩衝液成分のうちの一部を負極22に含浸させてから、電池セル1aを組み立て、電池容量が負極22の内部構成成分及び緩衝液成分の何れにより回復できるのかを検証した。2回目の発電の際に負極22に含浸させる負極22の内部構成成分及び緩衝液成分の種類、並びにその濃度及び液量は以下の通りである。
B. Method B-1. Configuration of Bio-Battery 1 The configuration of the bio-battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the NADGDH-ACNQ-based bio-battery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2. Then, as shown in FIG. 12, the battery cell 1a whose voltage has dropped due to the first power generation with a constant current load is disassembled, the positive electrode 21 is used as it is for the second time, and the negative electrode 22 is also used for the second time. After impregnating the negative electrode 22 with a part of the internal component and the buffer solution component of the negative electrode 22, the battery cell 1a is assembled, and which of the internal component component and the buffer solution component of the negative electrode 22 can recover the battery capacity. Was verified. The types of internal constituents and buffer components of the negative electrode 22 to be impregnated with the negative electrode 22 at the time of the second power generation, and their concentrations and liquid amounts are as follows.

1.緩衝液+内部構成成分(緩衝液、酵素、メディエータ、及び補酵素を含浸)
2.5 Mイミダゾール pH 10.8を11μl、NADGDH 100 mg/mlを5.5μl、ジアホラーゼ200 mg/mlを11μl、NADH 200 mMを2.8μl、ACNQ 60 mMを2μl加えて混合し、負極22に1枚あたり32.3μl含浸した。負極22の2枚の何れにも含浸した。
2.緩衝液(緩衝液のみを含浸)
1 Mイミダゾール pH 10.8を負極22に1枚あたり32μl含浸した。負極22の2枚の何れにも含浸した。
3.内部構成成分(酵素、メディエータ、及び補酵素のみを含浸)
NADGDH 100 mg/mlを5.5μl、ジアホラーゼ200 mg/mlを11μl、NADH 200 mMを2.8μl、ACNQ60mMを2μl、水を11μl加えて混合し、負極22に1枚あたり32μl含浸した。負極22の2枚の何れにも含浸した。
4.含浸なし(コントロール)
1回目の発電後の負極22をそのまま使用
1. 1. Buffer solution + internal components (impregnated with buffer solution, enzyme, mediator, and coenzyme)
Add 11 μl of 2.5 M imidazole pH 10.8, 5.5 μl of NADGDH 100 mg / ml, 11 μl of diahorase 200 mg / ml, 2.8 μl of NADH 200 mM, and 2 μl of ACNQ 60 mM, and mix them. 32.3 μl per negative electrode 22 Impregnated. Both of the two negative electrodes 22 were impregnated.
2. Buffer solution (impregnated with buffer solution only)
The negative electrode 22 was impregnated with 32 μl of 1 M imidazole pH 10.8 per sheet. Both of the two negative electrodes 22 were impregnated.
3. 3. Internal constituents (impregnated with enzymes, mediators, and coenzymes only)
NADGDH 100 mg / ml was added to 5.5 μl, diaholase 200 mg / ml was added to 11 μl, NADH 200 mM was added to 2.8 μl, ACNQ60 mM was added to 2 μl, and water was added to 11 μl to mix, and the negative electrode 22 was impregnated with 32 μl per sheet. Both of the two negative electrodes 22 were impregnated.
4. No impregnation (control)
Use the negative electrode 22 after the first power generation as it is

B−2.
比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、上記した通り、負極22に内部構成成分を含浸させ、再び電池セル1aを組み立てた。続いて、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖/ 1 M イミダゾール pH 10.8
B-2.
In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity in the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage dropped to 0.1 V, the negative electrode 22 was impregnated with the internal constituents as described above, and the battery cell 1a was assembled again. Subsequently, the fuel solution was replaced with a second fuel solution, and a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 10.8
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 10.8

C.結果
結果を図13に示す。図13は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。緩衝液、酵素、メディエータ、及び補酵素を含浸した“1”、及び緩衝液のみを含浸した“2”では、2回目の発電においても1回目と同様の電圧保持間を示し、電池容量も同等であった。この結果から、負極22内のpHが低下し、酵素、及びメディエータが充分に機能できない条件になったことが電圧保持時間低下要因であることが判明した。また、発電1回目の後に負極22に緩衝液を含浸させるという簡単な操作だけで、2回目の発電に際して電池容量を同じにすることができることも判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 13, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. “1” impregnated with buffer solution, enzyme, mediator, and coenzyme, and “2” impregnated with buffer solution only show the same voltage holding time as the first power generation, and the battery capacity is also the same. Met. From this result, it was found that the pH in the negative electrode 22 was lowered and the condition that the enzyme and the mediator could not function sufficiently became a factor for lowering the voltage holding time. It was also found that the battery capacity can be made the same for the second power generation by simply impregnating the negative electrode 22 with the buffer solution after the first power generation.

実施例2.燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、実施例1にてグルコン酸の生成により負極22内のpHが低下し、酵素、及びメディエータが充分に機能できない条件になったことが電圧保持時間低下要因であることが判明したことから、燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試みた。
Example 2. Verification of the effect of buffer concentration in the fuel solution added when replacing the fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, it was found that the voltage holding time was lowered because the pH in the negative electrode 22 was lowered due to the production of gluconic acid in Example 1 and the conditions were such that the enzyme and the mediator could not function sufficiently. Therefore, the effects of the buffer solution concentration in the fuel solution added when the fuel solution was replaced on the voltage holding time and the battery capacity were verified. As a measure for adjusting the pH inside the negative electrode 22 to be alkaline after the completion of the first power generation, an attempt was made to adjust the pH inside the negative electrode 22 with a fuel solution.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Bio-Battery 1 The configuration of the bio-battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the NADGDH-ACNQ-based bio-battery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試み、2回目に添加する燃料溶液をこれまでの2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7から1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8に変更した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vに低下した時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液と交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、又は、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
B-2. Measurement condition
As a measure to adjust the pH inside the negative electrode 22 to be alkaline after the end of the first power generation, we tried to adjust the pH inside the negative electrode 22 with a fuel solution, and added the fuel solution for the second time to the previous 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH. The pH was changed from 8.7 to 1.5 M glucose / 2.5 M imidazole pH 10.8. In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity in the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage dropped to 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7 or
1.5 M glucose / 2.5 M imidazole pH 10.8

結果を図14に示す。図14は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。2回目の燃料溶液の緩衝液として2.5 MイミダゾールpH 10.8を使用することで、2回目の発電においても1回目と同様の電圧保持時間を示し、電池容量も向上した。一方、2回目の燃料溶液として2.4 Mブドウ糖/1 MイミダゾールpH 8.7を使用した場合に、電圧保持時間の低下が観察されたが、ブドウ糖濃度を濃くすることにより大量に生成したグルコン酸に対して、1 MイミダゾールpH 8.7の緩衝液ではpH調整機能が十分に機能しなかったためと想定される。 The results are shown in FIG. In FIG. 14, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. By using 2.5 M imidazole pH 10.8 as a buffer solution for the second fuel solution, the same voltage holding time as the first one was shown in the second power generation, and the battery capacity was also improved. On the other hand, when 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7 was used as the second fuel solution, a decrease in the voltage holding time was observed, but for gluconic acid produced in large quantities by increasing the glucose concentration. It is presumed that the pH adjustment function did not work sufficiently with the 1 M imidazole pH 8.7 buffer solution.

実施例3.燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液の種類の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、実施例2で燃料溶液による負極22内pHの調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、交換時に添加する燃料溶液の緩衝液の種類の影響を検証した。
Example 3. Verification of the type of buffer solution in the fuel solution added when replacing the fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, since it was found in Example 2 that the battery capacity can be maintained high by adjusting the pH in the negative electrode 22 with the fuel solution, the buffer solution concentration in the fuel solution added when the fuel solution is replaced is the voltage holding time. And the effect on the battery capacity was verified. As a measure for adjusting the pH inside the negative electrode 22 to be alkaline after the completion of the first power generation, the influence of the type of buffer solution of the fuel solution added at the time of replacement was examined.

B−1.バイオ電池の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にして参考例1と同様にしてNADGDH-ACNQ系のバイオ電池1を作製した。
B-1. Composition of Bio-Battery The composition of the bio-battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the NADGDH-ACNQ-based bio-battery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2 and in the same manner as in Reference Example 1.

B−2.測定条件
1回目の発電終了後の負極2内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試み、2回目に添加する燃料溶液の緩衝液の種類を変え、その影響を検証した。そして、比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対する1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 Mイミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 0.9 M CHES pH 9.5、
2.4 M ブドウ糖 / 0.7 M CAPS pH 10.0、
2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、
2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M リン酸 pH10.6、又は、
1.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7/1.5 M NaOH
B-2. Measurement condition
As a measure to adjust the pH inside the negative electrode 2 to alkaline after the end of the first power generation, we tried to adjust the pH inside the negative electrode 22 with the fuel solution, changed the type of buffer solution of the fuel solution added the second time, and verified the effect. did. Then, in the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was generated for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 0.9 M CHES pH 9.5,
2.4 M glucose / 0.7 M CAPS pH 10.0,
2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7,
2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 10.8,
1.5 M glucose / 2.5 M phosphate pH 10.6, or
1.5 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7 / 1.5 M NaOH

C.結果
結果を図15及び16に示す。図15及び図16は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示し、図15は、2回目の燃料溶液が2.4 M ブドウ糖 / 0.9 M CHES pH 9.5、2.4 M ブドウ糖 / 0.7 M CAPS pH 10.0、2.4 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、又は、2.4 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8、及び、1.5 Mブドウ糖 / 2.5 Mリン酸 pH 10.6の結果を示し、図16は、1.5 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7 / 1.5 M NaOHの結果を示す。図15より、1 M イミダゾール緩衝液はpH 8.7(1.0 mWh(1.8 mAh))及びpH 10.8(1.0 mWh(1.8 mAh))では、2回目の発電に際し電池容量の回復効果が認められたが、その効果は小さかった。一方、CHES(0.3 mWh(0.5 mAh))、CAPS(0.3 mWh(0.5 mAh))、及びリン酸(0.3 mWh(0.5 mAh))では電池容量の回復効果が認められなかった。そして、図16より、1 Mイミダゾール緩衝液pH 8.7 / 1.5 M NaOH(2.5 mWh(4.0 mAh))では2回目の発電においても1回目の発電と同等の電池容量が得られることが判明した。
C. Results Results are shown in FIGS. 15 and 16. 15 and 16 show the voltage holding time (seconds) on the horizontal axis and the voltage (V) on the vertical axis, and FIG. 15 shows that the second fuel solution was 2.4 M glucose / 0.9 M CHES pH 9.5, 2.4 M. Results are shown for glucose / 0.7 M CAPS pH 10.0, 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7, or 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 10.8, and 1.5 M glucose / 2.5 M phosphate pH 10.6, FIG. , 1.5 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7 / 1.5 M NaOH results are shown. From FIG. 15, the 1 M imidazole buffer had a recovery effect on the battery capacity at pH 8.7 (1.0 mWh (1.8 mAh)) and pH 10.8 (1.0 mWh (1.8 mAh)) during the second power generation. The effect was small. On the other hand, CHES (0.3 mWh (0.5 mAh)), CAPS (0.3 mWh (0.5 mAh)), and phosphoric acid (0.3 mWh (0.5 mAh)) did not show a recovery effect on battery capacity. From FIG. 16, it was found that with 1 M imidazole buffer pH 8.7 / 1.5 M NaOH (2.5 mWh (4.0 mAh)), the same battery capacity as that of the first power generation can be obtained in the second power generation.

実施例4.燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の高濃度緩衝液及びそのpHの影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、実施例2〜3で燃料溶液による負極22内pHの調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度を高濃度に調整すると共に、そのpHが与える影響についても検証した。
Example 4. Verification of the effect of high-concentration buffer solution and its pH in the fuel solution added when replacing the fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, since it was found in Examples 2 to 3 that the battery capacity can be maintained high by adjusting the pH in the negative electrode 22 with the fuel solution, the buffer solution concentration in the fuel solution added when the fuel solution is replaced is a voltage. The effects on the holding time and battery capacity were examined. As a measure for adjusting the pH in the negative electrode 22 to be alkaline after the completion of the first power generation, the concentration of the buffer solution in the fuel solution added at the time of replacement was adjusted to a high concentration, and the effect of the pH was also verified.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of the biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高濃度(1.5 Mブドウ糖 / 2.5 Mイミダゾール)にし、高濃度緩衝液が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証する共に、pHがどのように影響するのかを検証した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 7.0、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 8.7、又は、
1.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
B-2. Measurement condition
As a measure to adjust the pH inside the negative electrode 22 to alkaline after the end of the first power generation, the buffer solution in the fuel solution is made high concentration (1.5 M glucose / 2.5 M imidazole), and the high concentration buffer solution is used for the voltage holding time and battery capacity. We examined the effect on pH and how pH affects it. In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 1.5 M glucose / 2.5 M imidazole pH 7.0,
1.5 M glucose / 2.5 M imidazole pH 8.7 or
1.5 M glucose / 2.5 M imidazole pH 10.8

C.結果
結果を図17に示す。図17は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、2回目の燃料溶液の緩衝液をpH 10.8とすることで更に大きな電池容量の向上が得られた。なお pH 10.8での2回目の発電による電池容量は3.5 mWh(5.6 mAh)であった。これを、比較例1と同様に計算すると2回目の燃料に含まれるブドウ糖を基準とすると同様の計算でブドウ糖の89 %(1.3 M)が脱水素されたと計算できる。しかしながら、1回目の燃料に含まれるブドウ糖が残留した分が加算されていることも考慮すべきである。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 17, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, a further significant improvement in battery capacity was obtained by setting the pH of the buffer solution of the fuel solution for the second time to 10.8. The battery capacity of the second power generation at pH 10.8 was 3.5 mWh (5.6 mAh). When this is calculated in the same manner as in Comparative Example 1, it can be calculated that 89% (1.3 M) of glucose is dehydrogenated by the same calculation based on the glucose contained in the second fuel. However, it should also be considered that the residual amount of glucose contained in the first fuel is added.

実施例5.燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、実施例2〜4で燃料溶液による負極22内pHの調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度が電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、緩衝液濃度の影響を検証した。
Example 5. Verification of the effect of buffer concentration in the fuel solution added when replacing the fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, since it was found in Examples 2 to 4 that the battery capacity can be maintained high by adjusting the pH in the negative electrode 22 with the fuel solution, the buffer solution concentration in the fuel solution added at the time of fuel solution replacement holds the voltage. The effect on time and battery capacity was examined. As a measure for adjusting the pH in the negative electrode 22 to be alkaline after the completion of the first power generation, the influence of the buffer solution concentration was verified.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of the biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高pH(0.5 Mブドウ糖 / イミダゾールpH 10.8)にした場合、更に緩衝液の濃度がどのように影響するか検証した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
2回目の燃料溶液:0.5 M ブドウ糖 / 0.5 M イミダゾール pH 10.8
0.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 10.8、
0.5 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
0.5 M ブドウ糖 / 3 M イミダゾール pH 10.8、又は、
0.5 M ブドウ糖 / 4.2 M イミダゾール pH 10.8
B-2. Measurement condition
As a measure to adjust the pH in the negative electrode 22 to alkaline after the end of the first power generation, when the buffer solution in the fuel solution is set to a high pH (0.5 M glucose / imidazole pH 10.8), what is the concentration of the buffer solution? I verified whether it would affect it. In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 0.5 M glucose / 0.5 M imidazole pH 10.8
0.5 M glucose / 1 M imidazole pH 10.8,
0.5 M glucose / 2.5 M imidazole pH 10.8
0.5 M glucose / 3 M imidazole pH 10.8, or
0.5 M glucose / 4.2 M imidazole pH 10.8

C.結果
結果を図18に示す。図18は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、燃料溶液のイミダゾール濃度1.0 Mの場合と比較して、イミダゾール2.5 Mの場合には電池容量向上効果が有ったが、3 M以上では若干の低下が発生した。これにより、緩衝液濃度に至適範囲があることが判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 18, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, there was an effect of improving the battery capacity in the case of imidazole 2.5 M as compared with the case of the fuel solution having an imidazole concentration of 1.0 M, but a slight decrease occurred at 3 M or more. From this, it was found that the buffer solution concentration had an optimum range.

実施例6.燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度、及びpHの影響の検証(PQQGDH-mPMS系)
A.概要
本実施例では、NADGDH-ACNQ系において、実施例2〜5で燃料溶液による負極22内pH及び緩衝液濃度の調整により電池容量を高く維持できることが判明したことから、PQQGDH-mPMS系における燃料溶液の交換時に添加する燃料溶液中の緩衝液濃度及びpHが電圧保持時間及び電池容量に与える影響を検証した。具体的には、PQQGDH-mPMS系において、1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高pH、及び高濃度にした場合の影響を検証した
Example 6. Verification of the effect of buffer concentration and pH in the fuel solution added when replacing the fuel solution (PQQGDH-mPMS system)
A. Outline In this example, in the NADGDH-ACNQ system, it was found in Examples 2 to 5 that the battery capacity can be maintained high by adjusting the pH in the negative electrode 22 and the buffer solution concentration with the fuel solution. Therefore, the fuel in the PQQGDH-mPMS system The effects of the buffer concentration and pH in the fuel solution added at the time of solution replacement on the voltage holding time and battery capacity were examined. Specifically, in the PQQGDH-mPMS system, as a measure to adjust the pH in the negative electrode 22 after the end of the first power generation to alkaline, the effect of increasing the pH and concentration of the buffer solution in the fuel solution is verified. did

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例1で説明したPQQGDH-mPMS系であり、比較例1と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of biobattery 1 is the PQQGDH-mPMS system described in Comparative Example 1, and the biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 1.

B−2.測定条件
PQQGDH-mPMS系において、1回目の発電終了後の負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液中の緩衝液を高pH、及び高濃度にした場合の影響を検証した。比較例1と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目の燃料溶液:1 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0
2回目の燃料溶液:1 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.0、
1 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 8.0、又は、
1 M ブドウ糖 / 2.5 M イミダゾール pH 10.8
B-2. Measurement condition
In the PQQGDH-mPMS system, as a measure for adjusting the pH in the negative electrode 22 after the completion of the first power generation to be alkaline, the effect of increasing the pH and concentration of the buffer solution in the fuel solution to high was verified. In the same manner as in Comparative Example 1, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
First fuel solution: 1 M glucose / 1 M imidazole pH 8.0
Second fuel solution: 1 M glucose / 1 M imidazole pH 8.0,
1 M glucose / 2.5 M imidazole pH 8.0 or
1 M glucose / 2.5 M imidazole pH 10.8

C.結果
結果を図19に示す。図19は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、1 Mブドウ糖/1 MイミダゾールpH 8.0、1 Mブドウ糖/2.5 MイミダゾールpH 8.0、1 M ブドウ糖/2.5 M イミダゾールpH 10.8に対して、2回目の発電による電池容量はそれぞれ0.9 mWh(2.2 mAh)、1.1 mWh(2.7 mAh)、1.2 mWh(2.9 mAh)であった。このことから、燃料溶液中の緩衝液のpHと濃度が高いほど電池容量向上が得られることが確認できた。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 19, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, the battery capacity of the second power generation was 0.9 mWh (2.2 mAh) for 1 M glucose / 1 M imidazole pH 8.0, 1 M glucose / 2.5 M imidazole pH 8.0, and 1 M glucose / 2.5 M imidazole pH 10.8, respectively. ), 1.1 mWh (2.7 mAh), 1.2 mWh (2.9 mAh). From this, it was confirmed that the higher the pH and concentration of the buffer solution in the fuel solution, the better the battery capacity.

比較例4.低濃度燃料溶液時の挙動の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本比較例では、比較例2で確認された電池容量の低下について、燃料濃度が低い場合における挙動を検証した。
Comparative example 4. Verification of behavior when low-concentration fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this comparative example, the behavior of the decrease in battery capacity confirmed in Comparative Example 2 when the fuel concentration is low was verified.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で説明したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of the biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system described in Comparative Example 2, and the biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
比較例2と同じ実験を、燃料濃度を2.4 Mから1.0 M又は0.5 Mに下げて実施した。比較例2と同様に、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りである。
1回目、2回目の燃料溶液ともに:0.5 Mブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、又は、
1回目、2回目の燃料溶液ともに:1 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7
B-2. Measurement conditions The same experiment as in Comparative Example 2 was carried out with the fuel concentration reduced from 2.4 M to 1.0 M or 0.5 M. Similar to Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows.
Both 1st and 2nd fuel solutions: 0.5 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7 or
Both 1st and 2nd fuel solutions: 1 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7

C.結果
結果を図20に示す。図20は、電圧保持時間(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、低濃度燃料溶液の場合には、2回目の発電での電池容量(Wh)の低下は目立たなかった。燃料溶液中の燃料濃度が緩衝液濃度と比べて同じあるいは低い場合に電池容量はほとんど低下せず、有機酸が発生してもpH変動による負極側での酵素の活性低下が起こらないことが理解できる。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 20, the voltage holding time (seconds) is shown on the horizontal axis, and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, in the case of the low-concentration fuel solution, the decrease in battery capacity (Wh) in the second power generation was not noticeable. It is understood that when the fuel concentration in the fuel solution is the same as or lower than the buffer concentration, the battery capacity hardly decreases, and even if an organic acid is generated, the enzyme activity on the negative side does not decrease due to pH fluctuation. it can.

実施例7.燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の燃料濃度と緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、実施例5において、緩衝液濃度に至適範囲があることが判明した結果に基づき、燃料溶液中の燃料濃度と緩衝液濃度の関係が電池容量に与える影響を検証した。
Example 7. Verification of the effects of fuel concentration and buffer concentration in the fuel solution added when replacing the fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, based on the result that the buffer solution concentration was found to have an optimum range in Example 5, the influence of the relationship between the fuel concentration in the fuel solution and the buffer solution concentration on the battery capacity was verified.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用しNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of the biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は、下記表3及び表4に要約する。
B-2. Measurement conditions In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is summarized in Tables 3 and 4 below.

結果を、下記表3及び表4に示す。表3は、1回目の発電による電池容量の平均値とバラツキを示す。表4は、2回目の燃料溶液中の各燃料濃度及び各緩衝濃度の組み合わせによる2回目発電での電池容量 (mWh)を示す。その結果、電池容量を高く維持するためには、燃料溶液中の燃料濃度が高くなると、それに応じて緩衝液濃度も高くする必要があることが判明した。 The results are shown in Tables 3 and 4 below. Table 3 shows the average value and variation of the battery capacity due to the first power generation. Table 4 shows the battery capacity (mWh) in the second power generation by the combination of each fuel concentration and each buffer concentration in the second fuel solution. As a result, it was found that in order to maintain the battery capacity high, it is necessary to increase the buffer concentration as the fuel concentration in the fuel solution increases.

Figure 0006786885
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Figure 0006786885
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実施例8.負極への緩衝液含浸時の緩衝液のpHの影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、実施例1にて1回目の発電の後に負極22に緩衝液を含浸させるという簡単な操作だけで、2回目の発電においても電池容量を同じにすることができることが判明したことから、1回目の発電後に負極22に含浸させる緩衝液のpHが電圧保持時間及び電池容量に与える影響について検証した。
Example 8. Verification of the effect of buffer pH on the negative electrode when buffer is impregnated (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this embodiment, it was found that the battery capacity can be made the same in the second power generation by simply impregnating the negative electrode 22 with the buffer solution after the first power generation in the first embodiment. Therefore, the influence of the pH of the buffer solution impregnated on the negative electrode 22 after the first power generation on the voltage holding time and the battery capacity was verified.

B.方法
B−1.バイオ電池の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Composition of Bio-Battery The composition of the bio-battery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the bio-battery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
1回目の発電後に負極22に含浸させる緩衝液のpHについて、pH 7.0、pH 8.7、pH 10.8の3条件で電池容量への影響を検証した。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、負極22を1 M イミダゾール pH 7.0、pH 8.7、又はpH 10.8に含浸させ、再び電池セル1aを組み立てた。続いて、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。1回目の発電の後に負極22を緩衝液に含浸しなかったものについても同様に検討した。燃料溶液の組成は以下の通りある。
1回目燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH8.7
2回目燃料溶液:2.4 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH8.7
B-2. Measurement condition
Regarding the pH of the buffer solution impregnated in the negative electrode 22 after the first power generation, the effect on the battery capacity was verified under the three conditions of pH 7.0, pH 8.7, and pH 10.8. In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the negative electrode 22 was impregnated with 1 M imidazole pH 7.0, pH 8.7, or pH 10.8, and the battery cell 1a was reassembled. Subsequently, the fuel solution was replaced with a second fuel solution, and a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The case where the negative electrode 22 was not impregnated with the buffer solution after the first power generation was also examined in the same manner. The composition of the fuel solution is as follows.
1st fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7
Second fuel solution: 2.4 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7

C.結果
結果を図21に示す。図21は、電圧保持時間を(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、1回目の発電による電池容量の平均が2.5 mWh(3.7 mAh)であるのに対して、緩衝液含浸なしでは2回目の発電による電池容量が0.7 mWh(2.0 mAh)と1/3以下に低下した。一方、pH 7.0での含浸では2回目の発電による電池容量は1.1 mWh(2.0 mWh)、pH8.7では1.3 mWh(2.3 mAh)、pH 10.8では1.8 mWh(3.1 mAh)であり、pH 7.0以上の緩衝液を負極22に含浸させることでpH調整が可能となり、電池容量は向上することが判明した。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 21, the voltage holding time is shown on the horizontal axis (seconds) and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, the average battery capacity from the first power generation is 2.5 mWh (3.7 mAh), while the battery capacity from the second power generation is 0.7 mWh (2.0 mAh), which is less than 1/3 without buffer impregnation. Decreased to. On the other hand, in the impregnation at pH 7.0, the battery capacity due to the second power generation is 1.1 mWh (2.0 mWh), 1.3 mWh (2.3 mAh) at pH 8.7, 1.8 mWh (3.1 mAh) at pH 10.8, and pH 7.0 or higher. It was found that the pH can be adjusted by impregnating the negative electrode 22 with the buffer solution, and the battery capacity is improved.

実施例9.燃料溶液交換時に添加する燃料溶液中の燃料濃度と緩衝液濃度の影響の検証(NADGDH-ACNQ系)
A.概要
本実施例では、比較例4にて燃料溶液中の燃料濃度が緩衝液濃度と比べて同じあるいは低い場合に電池容量はほとんど低下せず、有機酸が発生してもpH変動による負極側での酵素の活性低下が起こらないこと確認されたことから、燃料濃度と緩衝液濃度の関係が電圧保持時間及び電池容量に与える影響に更に詳細に検証した。
Example 9. Verification of the effects of fuel concentration and buffer concentration in the fuel solution added when replacing the fuel solution (NADGDH-ACNQ system)
A. Outline In this example, when the fuel concentration in the fuel solution is the same as or lower than the buffer concentration in Comparative Example 4, the battery capacity hardly decreases, and even if an organic acid is generated, it is on the negative side due to pH fluctuation. Since it was confirmed that the activity of the enzyme did not decrease, the effect of the relationship between the fuel concentration and the buffer concentration on the voltage holding time and the battery capacity was examined in more detail.

B.方法
B−1.バイオ電池1の構成
バイオ電池1の構成は、比較例2で使用したNADGDH-ACNQ系であり、比較例2と同様にしてバイオ電池1を作製した。
B. Method B-1. Configuration of Biobattery 1 The configuration of the biobattery 1 is the NADGDH-ACNQ system used in Comparative Example 2, and the biobattery 1 was produced in the same manner as in Comparative Example 2.

B−2.測定条件
1回目の発電の後に負極22内pHをアルカリ性に調整する方策として、燃料溶液による負極22内pHの調整を試み、燃料濃度と緩衝液濃度の関係を検証するため、1 回目及び2回目に添加する燃料溶液をブドウ糖0.5 Mに対して緩衝液濃度を0.125 M、0.25 M、0.5 M、1 Mとした。比較例2と同様にして、1回目の燃料溶液を添加し、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して1回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)による発電を行った。電圧が0.1 Vとなった時点で、燃料溶液を2回目の燃料溶液に交換した。続いて、電極面積1 cm2の電池セル1aに対して2回目の一定電流負荷(2.5 mA/cm2)をかけた。燃料溶液の組成は以下の通りあり、1回目及び2回目の燃料溶液は、同じイミダゾール濃度のものを使用した。
1回目の燃料溶液:0.5 M ブドウ糖 / 0.125 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.25 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.5 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、
2回目の燃料溶液:0.5 M ブドウ糖 / 0.125 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.25 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 0.5 M イミダゾール pH 8.7、
0.5 M ブドウ糖 / 1 M イミダゾール pH 8.7、
B-2. Measurement condition
As a measure to adjust the pH inside the negative electrode 22 to alkaline after the first power generation, try adjusting the pH inside the negative electrode 22 with a fuel solution, and add it to the first and second times to verify the relationship between the fuel concentration and the buffer solution concentration. The buffer solution concentration was 0.125 M, 0.25 M, 0.5 M, and 1 M with respect to 0.5 M of glucose. In the same manner as in Comparative Example 2, the first fuel solution was added, and the first constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was used to generate electricity for the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . When the voltage reached 0.1 V, the fuel solution was replaced with a second fuel solution. Subsequently, a second constant current load (2.5 mA / cm 2 ) was applied to the battery cell 1a having an electrode area of 1 cm 2 . The composition of the fuel solution is as follows, and the first and second fuel solutions used had the same imidazole concentration.
First fuel solution: 0.5 M glucose / 0.125 M imidazole pH 8.7,
0.5 M glucose / 0.25 M imidazole pH 8.7,
0.5 M glucose / 0.5 M imidazole pH 8.7,
0.5 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7,
Second fuel solution: 0.5 M glucose / 0.125 M imidazole pH 8.7,
0.5 M glucose / 0.25 M imidazole pH 8.7,
0.5 M glucose / 0.5 M imidazole pH 8.7,
0.5 M glucose / 1 M imidazole pH 8.7,

C.結果
結果を図22に示す。図22は、電圧保持時間を(秒)を横軸に、電圧(V)を縦軸に示す。その結果、1回目の発電による電池容量の平均は0.9mWh(1.3mAh)であるのに対し、2回目の発電の電池容量は緩衝液濃度0.125 Mで0.5 Wh(0.7 mAh)、0.25 Mでは0.6 Wh(1.0 mAh)、0.5 Mでは0.8 Wh(1.3 mAh)、1 Mでは0.8 Wh(1.2 mAh)となり、燃料濃度に比べて緩衝液濃度が低い濃度である場合はpH調整ができず、2回目の発電による電池容量は低下することが判明した。効果的なpH調整のためには燃料溶液の0.5倍以上の濃度に緩衝液を調整することが好ましいことが理解できる。
C. Results The results are shown in FIG. In FIG. 22, the voltage holding time is shown on the horizontal axis (seconds) and the voltage (V) is shown on the vertical axis. As a result, the average battery capacity of the first power generation is 0.9 mWh (1.3 mAh), while the battery capacity of the second power generation is 0.5 Wh (0.7 mAh) at a buffer concentration of 0.125 M and 0.6 at 0.25 M. Wh (1.0 mAh), 0.5 M is 0.8 Wh (1.3 mAh), 1 M is 0.8 Wh (1.2 mAh), and if the buffer concentration is lower than the fuel concentration, the pH cannot be adjusted, and the second time. It was found that the battery capacity due to the power generation of It can be understood that it is preferable to adjust the buffer solution to a concentration of 0.5 times or more that of the fuel solution for effective pH adjustment.

本発明は、バイオ電池に関し、バイオ電池が要求されるあらゆる分野、特に、電子、医療、食品、環境分野等の産業分野において利用可能である。詳細には、卓上電卓等の携帯型機器や心臓ペースメーカー等の体内埋め込み式機器等の小型電子機器の電源等への応用が可能である。 The present invention relates to a biobattery and can be used in all fields in which a biobattery is required, particularly in industrial fields such as electronics, medical care, food, and the environment. Specifically, it can be applied to a power source of a portable device such as a desktop calculator or a small electronic device such as an implantable device such as a cardiac pacemaker.

バイオ電池1
電池セル1a
正極21
負極22
隔膜3
Biobattery 1
Battery cell 1a
Positive electrode 21
Negative electrode 22
Septum 3

Claims (7)

燃料を酸化して有機酸を生成する酵素を電極触媒とする負極を備えるバイオ電池であって、
前記負極による前記燃料の酸化に伴い生成する有機酸による負極内のpH変動を調整するpH調整部を備え、
前記pH調整部が、
(i)前記負極に、前記燃料と前記燃料の0.5倍以上6.0倍以下モル濃度のイミダゾール化合物である緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている交換用の燃料溶液を供給し、使用済みの燃料溶液と交換する燃料溶液交換部、及び、
(ii)前記負極を、前記負極に供給される前記燃料の0.5倍以上6.0倍以下モル濃度のイミダゾール化合物である緩衝液成分を含み、かつアルカリ性に調整されている緩衝液に含浸する負極含浸部、から選択される少なくとも1つから構成される、バイオ電池。
A biobattery equipped with a negative electrode using an enzyme that oxidizes fuel to produce an organic acid as an electrode catalyst.
A pH adjusting unit for adjusting the pH fluctuation in the negative electrode due to the organic acid generated by the oxidation of the fuel by the negative electrode is provided.
The pH adjuster
(I) A replacement fuel solution containing the fuel and a buffer solution which is an imidazole compound having a molar concentration of 0.5 times or more and 6.0 times or less of the fuel and adjusted to be alkaline is supplied to the negative electrode and used. Fuel solution exchange part to replace the finished fuel solution, and
(Ii) Negative electrode impregnation in which the negative electrode is impregnated with a buffer solution containing a buffer solution which is an imidazole compound having a molar concentration of 0.5 times or more and 6.0 times or less of the fuel supplied to the negative electrode and which is adjusted to be alkaline. A biobattery composed of at least one selected from the parts.
前記燃料溶液交換部によって前記負極に供給される前記交換用の燃料溶液が、0.75M以上の緩衝液成分を含む請求項1に記載のバイオ電池。 The biobattery according to claim 1, wherein the replacement fuel solution supplied to the negative electrode by the fuel solution exchange unit contains a buffer solution component of 0.75 M or more. 前記負極含浸部によって前記負極が含浸される前記緩衝液が、1M以上の緩衝液成分を含む請求項1又は2に記載のバイオ電池。 The biobattery according to claim 1 or 2, wherein the buffer solution in which the negative electrode is impregnated by the negative electrode impregnated portion contains a buffer solution component of 1 M or more. 前記アルカリ性が、pH 8〜11の範囲である請求項1〜3の何れか一項に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 3, wherein the alkalinity is in the range of pH 8 to 11. 前記緩衝液成分が、強塩基性化合物によって緩衝能が調整されている請求項1〜の何れか一項に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 4 , wherein the buffer solution component has a buffering capacity adjusted by a strong basic compound. 前記pH調整部が、燃料溶液の交換時に繰り返し作動するように構成されている請求項1〜の何れか一項に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 5 , wherein the pH adjusting unit is configured to operate repeatedly when the fuel solution is replaced. 前記酵素が、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、又はピロロキノリンキノン依存性脱水素酵素である請求項1〜の何れか一項に記載のバイオ電池。 The biobattery according to any one of claims 1 to 6 , wherein the enzyme is nicotinamide adenine dinucleotide, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, or pyrroloquinoline quinone-dependent dehydrogenase.
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