具备固定化酶的生物反应器、固定化酶的活性提高方法和生物燃料电池.pdf

对于任何种类的酶均能够提高固定化酶的酶活性。具备固定化酶和反应场，在所述反应场中进行由所述固定化酶催化的酶反应，所述反应场含有5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物。

权利要求书1.  生物反应器，其特征在于，具备固定化酶和反应场，在所述反应场中进行由所述固定化酶催化的酶反应，所述反应场含有5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物。2.  根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述反应场以0.2～5.0M的浓度含有所述化合物。3.  根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述固定化酶是将氧化还原酶固定于载体而成的。4.  根据权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，所述氧化还原酶是以NAD和/或NADP作为电子受体催化氧化还原反应的酶。5.  根据权利要求3所述的生物反应器，其特征在于，所述氧化还原酶是选自葡萄糖-1-脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和甲酸脱氢酶中的至少1种酶。6.  根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述杂环式化合物是具有咪唑环的化合物。7.  根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于，所述杂环式化合物是选自咪唑盐酸盐、吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸中的至少1种以上的化合物。8.  固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行由固定化酶催化的酶反应。9.  根据权利要求8所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，使所述化合物的浓度为0.2～5.0M进行酶反应。10.  根据权利要求8所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述固定化酶是将氧化还原酶固定于载体而成的。11.  根据权利要求10所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述氧化还原酶是以NAD和/或NADP作为电子受体催化氧化还原反应的酶。12.  根据权利要求10所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于， 所述氧化还原酶是选自葡萄糖-1-脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和甲酸脱氢酶中的至少1种酶。13.  根据权利要求8所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述杂环式化合物是具有咪唑环的化合物。14.  根据权利要求8所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述杂环式化合物是选自咪唑盐酸盐、吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸中的至少1种以上的化合物。15.  生物燃料电池，其特征在于，在阴极电极与阳极电极隔着电解质而相对的生物燃料电池中，阴极电极和阳极电极的至少一方具备固定化酶，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行该固定化酶的酶反应。16.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，所述化合物包含在与阳极电极接触的燃料和/或与阴极电极接触的溶液中。17.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，所述化合物存在于阳极电极的与燃料接触的表面和/或阴极电极的与溶液接触的表面。18.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，使所述化合物的浓度为0.2～5.0M进行酶反应。19.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，所述固定化酶是将氧化还原酶固定于载体而成的。20.  根据权利要求19所述的生物燃料电池，其特征在于，所述氧化还原酶是以NAD和/或NADP作为电子受体催化氧化还原反应的酶。21.  根据权利要求19所述的生物燃料电池，其特征在于，所述氧化还原酶是选自葡萄糖-1-脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和甲酸脱氢酶中的至少1种酶。22.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，所述阳极电极具备固定化酶，在具有咪唑环的化合物的存在下进行阳极电极的酶反应。23.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，所述杂环式化合物是具有咪唑环的化合物。24.  根据权利要求15所述的生物燃料电池，其特征在于，所述杂环式 化合物是选自咪唑盐酸盐、吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸中的至少1种以上的化合物。

说明书具备固定化酶的生物反应器、固定化酶的活性提高方法和生物燃料电池
技术领域
本发明涉及利用由固定化酶催化的酶反应的生物反应器、固定化酶的活性提高方法，还涉及由固定化酶催化的酶反应的生物燃料电池。
背景技术
生物反应器是指利用了通过酶等而实现的生物反应的装置。在生物反应器中被利用的生物反应中，可利用固定化酶、固定化微生物、其他生物细胞等。生物反应器可用于氨基酸、肽有机酸等的生产、糖的异构化等。另外，石油化学工业的一部分工艺也应用利用酶催化的生物反应器。进而，作为生物反应器，还有为了各种诊断等分析目的而使用的。
生物燃料电池也称为酶燃料电池，是利用由通过酶、微生物而实现的化学反应所产生的电能的电池。生物燃料电池与一般的电池同样，具有阴极电极和阳极电极隔着电解质而相对的结构，作为燃料使用像甲醇、乙醇这样的醇类或像葡萄糖这样的糖类。另外，在生物燃料电池中的阴极电极和阳极电极中，将固定化酶在电极中利用。
对于生物反应器和生物燃料电池的任一者，如果能够提高通过酶等实现的化学反应的反应效率，那么都能够期待大幅改善物质的生产性、电输出功率。但是，对于生物反应器、生物燃料电池，现状是关于提高固定化酶的酶反应这样的技术尚未充分被研究。因此，要求能够对使用了固定化酶的生物反应器、生物燃料电池通用、显著提高由固定化酶催化的酶反应的效率的技术。
非专利文献1和专利文献1中公开了固定于电子传递介体电极的生物燃料电池。在非专利文献1和专利文献1所公开的生物燃料电池中，作为 将电子传递介体固定化于电极材料时的固体化剂使用聚乙烯基咪唑。另外，在非专利文献1和专利文献1所公开的生物燃料电池中，酶分散在电解液中。
另外，专利文献2中公开了以下燃料电池：具有正极与负极隔着包含缓冲物质的电解质而相对的结构，正极和负极的至少一方利用固定化酶，作为缓冲物质使用包含咪唑环的化合物。在专利文献2所公开的燃料电池中，在正极固定化有胆红素氧化酶、使用包含咪唑缓冲液的电解质时，能够在阴极单极评价中能够实现高的电流密度。
进而，专利文献3中公开了使用酶和电子受体来测定血糖值的传感器。专利文献3所公开的传感器通过除了酶和电子受体以外还含有咪唑等杂环式化合物，改善了酶的保存稳定性(抑制保存期间的前后的电流值的变化)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-71584号公报
专利文献2：日本特开2008-60067号公报
专利文献3：WO2012/042903
非专利文献
非专利文献1：Electrochemistry 76,No.8,(2008)p.594-596
发明内容
发明所要解决的课题
但是，尚不知道对于不限定酶的种类的广泛酶都能够提高生物反应器、生物燃料电池中的固定化酶的酶活性的技术。因此，鉴于上述事实，本发明的目的是提供具备无论是任何种类的酶酶活性都优异的固定化酶的生物反应器、无论是任何种类的酶都能对于固定化酶提高其酶活性的固定化酶的活性提高方法、和具备优异的酶活性的固定化酶的生物燃料电池。
用于解决课题的方法
为了实现上述的目的，本发明者们进行了深入研究，结果发现，通过 使由固定化酶的催化的反应体系中存在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物而该固定化酶的酶活性显著提高，从而完成了本发明。本发明包含以下(1)～(24)。
(1)生物反应器，其特征在于，具备固定化酶和反应场，在所述反应场中进行由所述固定化酶催化的酶反应，所述反应场含有5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物。
(2)根据(1)所述的生物反应器，其特征在于，所述反应场以0.2～5.0M的浓度含有所述化合物。
(3)根据(1)所述的生物反应器，其特征在于，所述固定化酶是将氧化还原酶固定于载体而成的。
(4)根据(3)所述的生物反应器，其特征在于，所述氧化还原酶是以NAD和/或NADP作为电子受体催化氧化还原反应的酶。
(5)根据(3)所述的生物反应器，其特征在于，所述氧化还原酶是选自葡萄糖-1-脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和甲酸脱氢酶中的至少1种酶。
(6)根据(1)所述的生物反应器，其特征在于，所述杂环式化合物是具有咪唑环的化合物。
(7)根据(1)所述的生物反应器，其特征在于，所述杂环式化合物是选自咪唑盐酸盐、吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸中的至少1种以上的化合物。
(8)固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行由固定化酶催化的酶反应。
(9)根据(8)所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，使所述化合物的浓度为0.2～5.0M进行酶反应。
(10)根据(8)所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述固定化酶是将氧化还原酶固定于载体而成的。
(11)根据(10)所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述氧化还原酶是以NAD和/或NADP作为电子受体催化氧化还原反应的酶。
(12)根据(11)所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述 氧化还原酶是选自葡萄糖-1-脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和甲酸脱氢酶中的至少1种酶。
(13)根据(8)所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述杂环式化合物是具有咪唑环的化合物。
(14)根据(8)所述的固定化酶的酶活性提高方法，其特征在于，所述杂环式化合物是选自咪唑盐酸盐、吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸中的至少1种以上的化合物。
(15)生物燃料电池，其特征在于，在阴极电极与阳极电极隔着电解质而相对的生物燃料电池中，阴极电极和阳极电极的至少一方具备固定化酶，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行该固定化酶的酶反应。
(16)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述化合物包含在与阳极电极接触的燃料和/或与阴极电极接触的溶液中。
(17)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述化合物存在于阳极电极的与燃料接触的表面和/或阴极电极的与溶液接触的表面。
(18)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，使所述化合物的浓度为0.2～5.0M进行酶反应。
(19)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述固定化酶是将氧化还原酶固定于载体而成的。
(20)根据(19)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述氧化还原酶是以NAD和/或NADP作为电子受体催化氧化还原反应的酶。
(21)根据(19)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述氧化还原酶是选自葡萄糖-1-脱氢酶、谷氨酸脱氢酶和甲酸脱氢酶中的至少1种酶。
(22)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述阳极电极具备固定化酶，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行阳极电极的酶反应。
(23)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述杂环式化合物是具有咪唑环的化合物。
(24)根据(15)所述的生物燃料电池，其特征在于，所述杂环式化合物是选自咪唑盐酸盐、吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸中的至少1种以上的化合物。
本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本专利申请2012-277271号的说明书和/或附图所记载的内容。
发明的效果
根据本发明，不论酶的种类如何都能够大幅提高在生物反应器、生物燃料电池等中使用的固定化酶的酶活性。本发明的生物反应器由于固定化酶的酶活性提高，因而成为反应场中的反应效率优异的生物反应器。本发明的生物燃料电池由于固定化酶的酶活性提高，因而成为具有优异的电池特性的生物燃料电池。
附图说明
图1是显示应用了本发明的生物反应器的一例的构成示意图。
图2是显示应用了本发明的生物反应器其他例子的构成示意图。
图3是显示应用了本发明的生物燃料电池的一例的构成示意图。
图4是显示各种固定化酶的酶活性在咪唑系化合物的存在下、不存在下的测定结果的特性图。
图5是显示固定化酶的酶活性在各种杂环式化合物的存在下、不存在下的测定结果的特性图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明。
本发明不限定酶的种类，能够应用于利用在载体上将酶进行固定化而成的固定化酶的场合。通过应用本发明，能够提高固定化酶的酶活性。即，由本发明产生的酶活性提高效果能够不限于特定的种类的酶而在广泛的酶中实现。换言之，本发明的固定化酶的活性提高方法，是能够对于对所有种类的酶制作的固定化酶提高酶活性的技术。本发明的固定化酶的活性提高方法，具有将由固定化酶催化的酶反应在5或6元环的包含氮和碳的杂 环式化合物的存在下进行的特征。
本发明的固定化酶的活性提高方法能够在利用固定化酶的所有体系中应用。即，作为利用固定化酶的体系，可列举生物反应器和生物燃料电池，但本发明的固定化酶的活性提高方法不限于这些。以下，对于应用了本发明的生物反应器和生物燃料电池进行说明。
＜生物反应器＞
本发明中，生物反应器是指具备固定化酶和反应场的装置，所述反应场含有5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物。在生物反应器中，由于在反应场中通过固定化酶而进行酶反应，因而由固定化酶催化的酶反应在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行。另外，本发明中，生物反应器只要是利用了由固定化酶催化的生物反应的装置即可，可以是生产物质的装置、感知物质等的装置、对物质等进行定量测定的装置和检测物质的变化的装置等的任一装置。即，在本发明中，生物反应器是包含生物传感器的含义。
另外，对应用了本发明的生物反应器的利用用途不特别限定，例如可以例示各种物质的生产目的、各种物质的检测目的、各种诊断等分析目的等作为利用用途。
将应用了本发明的生物反应器的一例示意性地示于图1。图1所示的生物反应器，由在载体1上固定化了酶2而成的固定化酶3、和收纳固定化酶3的筐体4构成。图1所示的生物反应器在筐体4内部进行酶反应，通过酶反应而生产目的物质。
即，如图1中作为箭头A显示的那样，包含作为目的物质的底物的反应液被供给至筐体4，则在筐体4内部进行由固定化酶3催化的酶反应。即，反应液被供给至筐体4，则在筐体4内部形成反应场。此时，在应用了本发明的生物反应器中，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下，进行由固定化酶3催化的酶反应。5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物可以预先与反应液混合，也可以与反应液分别地被供给至筐体4而在筐体4内部与反应液混合。或者，5或6元环的包含氮和碳的杂环式 化合物还可以含浸于载体1等而预先存在于筐体4内部。
在图1所示的生物反应器中，筐体4内部的酶反应结束后，可以将包含目的物质的反应液沿着图中箭头B所示的方向取出。另外，在图1所示的生物反应器中，还可以通过将反应液从图中箭头A向B连续地供给，从而使筐体4中的酶反应连续地进行，连续地生产目的物质。
另外，应用了本发明的生物反应器其他例子示意性地示于图2。图2所示的生物反应器，由在载体1上固定化了酶2而成的固定化酶3、以夹入固定化酶3的方式配置的一对电极5、安装固定化酶3和电极5的基板6、与一对电极5电连接的检测器7构成。图2所示的生物反应器是针对通过固定化酶3而进行的酶反应，电检测由反应所产生的变化的生物反应器。即，图2所示的生物反应器是用于利用酶反应来检测溶液所含的物质的装置(生物传感器)。
在图2所示的生物反应器中，使作为检查对象的溶液与固定化酶3接触。为了使溶液与固定化酶3接触，可以将该溶液滴加于固定化酶3上，也可以将生物反应器整个浸渍于该溶液中。在与固定化酶3反应的底物包含在溶液中的情况下，酶反应进行，通过辅酶(NADH等)的氧化还原反应，从而能够通过检测器7来检测一对电极5之间的电流。此时，在应用了本发明的生物反应器中，在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下，进行由固定化酶3催化的酶反应。5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物可以预先与检查对象的溶液混合，也可以与溶液分别地被供给至固定化酶3而与该溶液在固定化酶3上混合。或者，5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物也可以含浸于载体1等而预先存在。
这里，5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物是在仅由碳构成的5或6元环化合物中1个以上的碳、优选2个碳被替换成了氮的化合物。此外，该杂环式化合物可以是脂肪族化合物也可以是芳香族化合物。作为5或6元环的具有氮的脂肪族的杂环式化合物，不特别限定，可列举2-咪唑烷酮、哌啶、哌嗪、吗啉、和吡咯烷以及它们的衍生物。作为5或6元环的具有氮的芳香族的杂环式化合物，不特别限定，可列举吡咯、咪唑、吡 唑、唑、异唑、噻唑、异噻唑、三唑、吡啶、嘧啶、哒嗪、吡嗪、1,2,3-三嗪和联吡啶以及它们的衍生物。特别优选使用具有吡嗪、2-咪唑烷酮、和咪唑环的化合物(咪唑衍生物、咪唑系化合物)。这是因为，通过使用这些具有吡嗪、2-咪唑烷酮、和咪唑环的化合物，能够大幅提高固定化酶的酶活性。
这里，作为具有咪唑环的化合物，不特别限定，除了咪唑之外，可列举咪唑衍生物，即组氨酸、1-乙烯基咪唑、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、咪唑-2-甲酸乙酯、咪唑-2-甲醛、咪唑-4-甲酸、咪唑-4,5-二甲酸、咪唑-1-基-乙酸、2-乙酰苯并咪唑、1-乙酰咪唑、N-乙酰咪唑、2-氨基苯并咪唑、N-(3-氨基丙基)咪唑、5-氨基-2-(三氟甲基)苯并咪唑、4-氮杂苯并咪唑、4-氮杂-2-巯基苯并咪唑、苯并咪唑、1-苄基咪唑、1-丁基咪唑)等。特别是，作为咪唑系化合物，优选使用咪唑、组氨酸和/或1-乙烯基咪唑。这是因为，通过使用咪唑、组氨酸和/或1-乙烯基咪唑，能够大幅提高固定化酶的酶活性。
另外，作为具有咪唑环的化合物，能够使用聚乙烯基咪唑和聚苯并咪唑以及它们的衍生物这样的聚合物。特别优选使用聚乙烯基咪唑。这是因为，通过使用聚乙烯基咪唑，能够大幅提高固定化酶的酶活性。此外，这时，聚合物的分子量优选为5000～1000000，更优选为5000～200000，最优选为100000～200000。
另外，反应场中的咪唑系化合物的浓度，在将咪唑系化合物混合到溶液中使用的情况下，不特别限定，优选为0.2～5.0M，更优选为0.5～2.0M。通过使咪唑系化合物的浓度为该范围，能够进一步提高固定化酶3的酶活性。在咪唑系的浓度低于该范围的情况下，有时提高固定化酶3的酶活性的效果低。另外，在咪唑系化合物的浓度高于该范围的情况下，有时溶液的粘度变高，反应性降低，另外还可能产生对固定化酶3的毒性。
进而，反应场中的咪唑系化合物的浓度，在将咪唑系化合物涂布于载体并混合而使用的情况下，优选为2.0～50nmol/cm2，更优选为5.0～20nmol/cm2。通过使咪唑系化合物的浓度为该范围，能够进一步提高固定 化酶3的酶活性。在咪唑系的浓度低于该范围的情况下，有时提高固定化酶3的酶活性的效果降低。另外，在咪唑系化合物的浓度高于该范围的情况下，有时产生对固定化酶3的毒性。
另一方面，在本发明的生物反应器中，对作为固定化酶3使用的酶2没有任何限定，可以是任何酶。即，本发明不限于酶的种类，可以对于广泛的种类的酶(固定化酶)应用。
具体地，作为酶2，在图1所示的生物反应器中使用的情况下，可列举催化从规定的底物生成目的生产物的反应的酶。作为这样的酶，不特别限定，可列举使乙酰-DL-氨基酸变为L-氨基酸的氨基酰化酶、使葡萄糖变为异构化糖的葡萄糖异构酶、使富马酸变为L-天冬氨酸的天冬氨酸酶、使青霉素G变为6-氨基青霉烷酸的青霉素酰化酶、使富马酸变为L-苹果酸的富马酸酶、使牛奶变为低乳糖牛奶的乳糖酶、使L-天冬酰胺变成L-丙氨酸的L-天冬氨酸β-脱羧酶、使丙烯腈变为丙烯酰胺的腈水合酶、使蔗糖变为帕拉金糖的α-葡糖基转移酶、使蔗糖变为低聚果糖的β-呋喃果糖苷酶、使植物油变为可可脂样油脂的脂酶、使液化淀粉变为低聚麦芽糖的低聚麦芽糖生成酶、使白蛋白变成干燥白蛋白的葡萄糖氧化酶、使天然果汁变成无苦味果汁的柚苷酶、防止啤酒混浊的木瓜蛋白酶、使植物油变成脂肪酸的脂酶、使ADP变成ATP的乙酸激酶等。
另外，具体地，作为酶2，在图2所示的生物反应器中使用的情况下，可以使用具有能够特异性地识别规定的分子的功能的酶。即，可列举用于检测葡萄糖的葡萄糖氧化酶、用于检测胆固醇的胆固醇氧化酶、用于检测胆固醇酯的胆固醇酯酶、用于检测中性脂肪的脂酶、用于检测磷脂质的碱性磷酸酶以及磷脂酶C、用于检测游离脂肪酸的酰基辅酶A合成酶、用于检测脲的脲酶、用于检测氨的谷氨酸脱氢酶、用于检测尿酸的尿酸酶、用于检测肌酐的肌酐酶、用于检测肌酸的肌酸酶、用于检测胆红素的胆红素氧化酶、用于检测甲硫氨酸的甲硫氨酸γ-裂解酶、用于检测乳酸或丙酮酸的乳酸脱氢酶、用于检测氨基酸的L-氨基酸氧化酶、用于检测柠檬酸的柠檬酸裂解酶和用于检测无机磷酸的糖原磷酸化酶等。
作为用于固定化这些酶2的载体1，不特别限定，可以使用一直以来在固定化酶中利用的各种载体(也包含称为支持体的物质)。更具体地，作为载体，可列举具有离子交换基的多糖类衍生物、离子交换树脂等合成高分子、多孔性烷基胺玻璃、尼龙聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、胶原、聚氨酯等。另外，作为在载体1上固定化酶2的方法，也可以适宜使用现有公知的方法。具体地，酶固定化方法大致分为载体结合法、交联法、包埋法等。载体结合法可列举吸附法、共价键合法和离子键合法。交联法是使用各种交联剂使载体1与酶2结合的方法。另外包埋法是使酶封入高分子中的方法。
在如上构成的本发明的生物反应器中，固定化酶3的酶反应在咪唑系化合物的存在下进行。因此，固定化酶3的酶活性大幅提高，例如在图1所示那样的生物反应器中，物质的生产性大幅提高。另外，在图2所示那样的生物反应器中，能够高敏感度地检测物质。此外，本发明的生物反应器不限于图1和2所示的构成的生物反应器，能够在所谓酶柱、酶管、酶膜、自动分析仪和流动注射分析仪(FIA)中应用。
＜生物燃料电池＞
本发明中，生物燃料电池是阴极电极与阳极电极隔着电解质而相对的生物燃料电池，是指阴极电极和阳极电极的至少一方具备固定化酶的电池。在生物燃料电池中，由构成电极的固定化酶催化的酶反应，在上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行。另外，本发明中，生物燃料电池只要是利用了由固定化酶催化的酶反应的电池即可，对其形状、酶的种类、电解质的种类等没有任何限定。
将应用了本发明的生物燃料电池的一例模式地示于图3。图3所示的生物燃料电池10具备阳极侧电极11、阴极侧电极12、和配置在阳极侧电极11与阴极侧电极12之间的具有离子传导性的膜13(以下，称为电解质膜13)。此外，在生物燃料电池10中，阳极侧电极11配设在阳极极室14内部，阴极侧电极12配设在阴极极室15内部。此外，向阳极极室14中填充或供给燃料。
特别是，本发明的生物燃料电池优选在阳极侧电极11使用固定化酶，在上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行该固定化酶的酶反应。但是，本发明的生物燃料电池也可以是在阳极侧电极11和阴极侧电极12均使用固定化酶，在上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行这些固定化酶的酶反应的生物燃料电池。此外，作为能够在本发明的生物燃料电池中使用的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的种类及其浓度，与在上述生物反应器的栏中所说明的种类和浓度相同。
本发明的生物燃料电池中，上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物可以预先混合到填充或供给至阳极极室14的燃料中，也可以与该燃料分别地供给到阳极极室14中。同样地，在本发明的生物燃料电池中，上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物可以预先混合到填充或供给至阴极极室15的溶液中，也可以与该溶液分别地供给到阴极极室15中。另外，在本发明的生物燃料电池中，上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物也可以存在于阳极侧电极11的与燃料接触的表面和/或阴极侧电极12的与溶液接触的表面。例如，通过将包含上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的溶液涂布在阳极侧电极11的与燃料接触的表面和/或阴极侧电极12的与溶液接触的表面，能够使该表面存在该杂环式化合物。或者，还可以在制作构成阳极侧电极11的电极材料、构成阴极侧电极12的电极材料时预先混合5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物。
这里，阳极侧电极11由电极材料、与包含酶和介体的氧化反应相关试剂构成。阳极侧电极11中的氧化反应相关试剂内的介体，是进行氧化反应相关试剂的酶-电极材料之间的电子输送的能够传递电子的来源于生物体的蛋白质。作为能够传递电子的来源于生物体的蛋白质，不特别限定，可列举例如，包含铁、铜等的含金属蛋白质，可列举例如、血红蛋白(Hemoglobin)、铁氧还蛋白(Ferredoxin)、细胞色素(Cytochrome)C511、细胞色素P450、天青蛋白(Azurin)、质体蓝素(Plastocyanin)、细胞色素a，a1，a3，b，b2，b3，b5，b6，b555，b559，b562，b563，b565，b566， c，c1，c2，c3，d，e，f，o，P-450、血蓝蛋白(Hemocyanin)、铁蛋白(Ferritin)等。
更具体地，作为能够传递电子的来源于生物体的蛋白质的具体例，可列举来源于牛的血红蛋白(ナカライテクス社制)、来源于梭菌属的铁氧还蛋白(SIGMA社制)、来源于假单胞菌属的细胞色素C551(SIGMA社制)、来源于假单胞菌属的天青蛋白(SIGMA社制)等。
阳极侧电极11中的氧化反应相关试剂内的酶是参与填充或供给至阳极极室14中的燃料的氧化反应的酶，根据下述所例示的燃料来选择。例如，在以甲醇作为燃料的情况下，可列举将甲醇氧化成甲醛的醇脱氢酶。另外，例如，在以葡萄糖作为燃料的情况下，可列举将葡萄糖氧化成葡糖酸内酯的葡萄糖脱氢酶。这些酶优选是NAD+依赖型脱氢酶或PQQ(吡咯喹啉醌)型脱氢酶。NAD+依赖型脱氢酶使用NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)作为辅酶，在NAD+的存在下进行燃料的氧化反应。另一方面，PQQ(吡咯喹啉醌)型脱氢酶即使在NAD+辅酶不存在下也进行燃料的氧化反应。
另外，作为PQQ型脱氢酶的具体例，可以使用来源于巴氏醋杆菌(Acetobacter pasteurianus)、扭脱甲基杆菌(Methylobacterium extorquens)、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)(NBRC 12048)的PQQ型醇脱氢酶、来源于乙酸钙不动杆菌(Acetobacter calcoaceticus)、大肠杆菌的PQQ型葡萄糖脱氢酶等。
另外，作为氧化反应相关试剂内的酶的其他例，可以使用参与糖代谢的酶(例如己糖激酶、葡萄糖磷酸异构酶、果糖磷酸激酶、果糖二磷酸醛缩酶、丙糖磷酸异构酶、甘油醛磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸变位酶、磷酸丙酮酸水合酶、丙酮酸激酶、L-乳酸脱氢酶、D-乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合酶、顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酰辅酶A合成酶、琥珀酸脱氢酶、富马酸酶、丙二酸脱氢酶等)等。
填充或供给至阳极极室14中的燃料可以使用例如，甲醇等醇类、葡萄糖等糖类、脂肪类、蛋白质、作为糖代谢的中间生成物的有机酸(葡萄糖-6- 磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1,6-二磷酸、丙糖磷酸、1,3-二磷酸甘油酸、3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸、磷酸烯醇丙酮酸、丙酮酸、乙酰辅酶A、柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸、草酰琥珀酸、α-酮戊二酸、琥珀酰辅酶A、琥珀酸、富马酸、L-苹果酸、草酰乙酸等)、它们的混合物等。
作为电极材料，从使包含酶和介体的氧化反应相关试剂更多地浸渍或固定化的方面考虑，优选使用多孔质材料。可列举例如，碳毡、碳纸和活性炭等。
对阳极侧电极11不特别限定，例如，可以作为使包含酶和介体的氧化反应相关试剂通过聚合物或交联剂固定化于电极材料而成的固定化酶制作。另外，例如，还可以通过使包含酶和介体的氧化反应相关试剂溶解于缓冲溶液，使其溶解液浸渍于电极材料，来制作阳极侧电极11的固定化酶。这里作为能够使用的聚合物，可例示聚乙烯基咪唑、聚烯丙基胺、聚氨基酸、聚吡咯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯与马来酸酐的接枝共聚物、甲基乙烯基醚与马来酸酐的共聚物、邻甲酚酚醛清漆型环氧树脂等。另外，作为能够使用的交联剂，可以例示聚乙二醇二缩水甘油醚、戊二醛、辛二酸二琥珀酰亚胺酯、琥珀酰亚胺-4-(对马来酰亚胺苯基)丁酸酯等。进而，作为能够使用的缓冲溶液，可例示MOPS(3-(N-吗啉基)丙磺酸，3-(N-morpholino)propanesulfonic acid)缓冲溶液、磷酸缓冲液、Tris缓冲液等。
接着，对于阴极侧电极12进行说明。阴极侧电极12由电极材料与还原反应相关试剂构成。作为阴极侧电极12中的还原反应相关试剂，可以使用例如，担载了铂等金属催化剂作为电极催化剂的碳粉末、或由氧化还原酶和介体构成的试剂。
作为能够用作还原反应相关试剂的氧化还原酶，可以使用胆红素氧化酶、漆酶、过氧化物酶等。另外，作为介体，可以使用与上述说明的同样的物质。另一方面，还原反应相关试剂由担载了金属催化剂的碳粉末构成的情况下，作为金属催化剂，使用例如铂、铁、镍、钴、钌等。另外，作为碳粉末，使用例如乙炔黑、炉法炭黑、槽法炭黑、热裂法炭黑等炭黑等。
在阴极极室15内的阴极侧电极12中，进行由氧和质子生成水的反应。 因此，需要向阴极侧电极12供给用于反应的氧。在此，例如，可以通过向阴极极室15内导入含氧的气体(例如，空气)，从而供给在该反应中利用的氧。另外，还可以向阴极极室15内供给添加了铁氰化钾等牺牲试剂的缓冲液(含有氧)等。另外，如果构成阴极侧电极12的还原反应相关试剂是担载了铂等金属催化剂的碳粉末，则还可以使用氧气。
在使用氧化还原酶和介体作为还原反应相关试剂的情况下，阴极侧电极12与上述的阳极侧电极11同样地，可以作为使氧化还原酶和介体通过聚合物和交联剂固定化于电极材料而得的固定化酶来制作。另外例如，还可以通过使氧化还原酶和介体溶解于缓冲溶液，使其溶解液浸渍到电极材料中，来制作成为阴极侧电极12的固定化酶。这里能够使用的聚合物、交联剂和缓冲溶液，可以使用与上述的阳极侧电极11同样的物质。另一方面，在使用担载了金属催化剂的碳粉末的情况下，阴极侧电极12可以如下制作：使担载了金属催化剂的碳粉末通过与后述的电解质膜13同样的电解质(例如，全氟碳磺酸系的电解质)固定化于电极材料，从而制作。
另外，电解质膜13只要是不具有电子传导性而具有质子传导性的电解质膜，就不特别限制。可列举例如，全氟碳磺酸系的树脂膜、三氟苯乙烯衍生物的共聚膜、含浸了磷酸的聚苯并咪唑膜、芳香族聚醚酮磺酸膜等。具体可使用ナフィオン(注册商标)。此外，在本发明的生物燃料电池中，可以使电解质膜13中也含有上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物，但电解质膜13也可以是不含有5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的构成。
如上构成的本发明的生物燃料电池1，例如在供给至阳极侧电极11的燃料是甲醇的情况下，阳极侧电极11和阴极侧电极12的氧化还原反应分别用下式(1)和(2)表示。
阳极：CH3OH→HCHO+2H++2e- (1)
阴极：2H++1/2O2+2e-→H2O (2)
即在阳极侧电极11中，进行甲醇通过酶而变成甲醛、氢离子和电子的反应。电子通过介体而被运送至电极材料，进而通过外部电路而被运送至 阴极侧电极12。氢离子介由电解质膜13而移动到阴极侧电极12。另一方面，在阴极侧电极12，进行氢离子、电子、氧反应而生成水的反应。通过这些反应而向外部电路释放能量。
特别是，本发明的生物燃料电池与现有的生物燃料电池相比电池输出功率等电池特性提高。这里，现有的生物燃料电池，是指由构成电极的固定化酶催化的酶反应在上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物不存在下进行的电池。特别是，在本发明的生物燃料电池中，通过由构成阳极电极的固定化酶催化的酶反应在上述的5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行这样的特征，能够大幅提高构成阳极电极的固定化酶的酶活性。
实施例
以下，使用实施例更详细地说明本发明，但本发明的技术的范围不限于以下实施例。
〔实施例1～3〕
在本实施例中，作为5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物使用咪唑系化合物，在咪唑系化合物的存在下评价各种固定化酶的酶活性。
(1-1)固定化酶的制作
涂布于切成1cm2的纤维状基材，使其干燥。其中，使2.5％戊二醛、20％聚-L-赖氨酸、10mM Tris-HCl(pH8.0)、实施例1～3的酶混和而成的液体浸入纤维状材料，并使其干燥，制成固定化酶。实施例1～3中使用的酶示于表1。
表1
 酶底物实施例1、比较例1葡萄糖脱氢酶葡萄糖、NADP实施例2、比较例2谷氨酸脱氢酶谷氨酸钠、NADP实施例3、比较例3甲酸脱氢酶甲酸钠、NAD
此外，本实施例中使用的葡萄糖脱氢酶使用东洋纺社制的产品，谷氨酸脱氢酶使用フナコシ社制的产品，甲酸脱氢酶使用シグマアルドリッチ 社制的产品。
(1-2)使用咪唑的固定化酶的评价
在实施例1～3中，在表1所示的底物与1M咪唑-HCl(pH7.0)混和而成的溶液中浸入固定化酶，在25℃搅拌30分钟使其反应，然后用WST1和mPMS使其显色，用分光光度计测定吸光度。另一方面，在比较例1～3中，除了使用1M磷酸钠缓冲液(pH7.0)代替1M咪唑-HCl(pH7.0)以外，与实施例1～3同样地评价固定化酶。
此外，本实施例中使用的葡萄糖、谷氨酸钠、NAD和NADP使用ナカライテスク社制的产品。
(1-3)结果
实施例1～3和比较例1～3的结果示于表2和图4。
表2
 OD OD实施例10.4668比较例10.1598实施例21.1707比较例20.3966实施例30.5996比较例30.4134
如由表2和图4可判断的那样，弄清楚了固定化酶在咪唑系化合物的存在下显示优异的酶活性。由以上结果可知，在具备固定化酶的生物反应器中，通过将由该固定化酶催化的酶反应在咪唑系化合物的存在下进行，能够显著提高酶活性。
特别是在本实施例中显示，对于能够在生物燃料电池的阳极电极中使用的、固定化了氧化还原酶的固定化酶，能够显著提高酶活性。由以上结果显示，在具备氧化还原酶的固定化酶的生物燃料电池中，特别通过使阳极电极的酶活性显著提高，能够实现优异电池特性。
〔实施例4～8〕
在本实施例中，作为5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物使用各种杂环式化合物，对于各化合物评价固定化酶的酶活性提高效果。
(1-1)固定化酶的制作
涂布于切成1cm2的纤维状基材，使其干燥。其中，使2.5％戊二醛、20％聚-L-赖氨酸、10mM Tris-HCl(pH8.0)、甲酸脱氢酶混和而得的液体浸入纤维状材料，使其干燥，制成固定化酶。
(1-2)杂环式化合物的固定化酶的活性提高效果的评价
在实施例4～8中，作为上述杂环式化合物，使用表3所示的化合物。此外，实施例7中使用的聚乙烯基咪唑的分子量为111500。
表3
 杂环式化合物实施例41M吡嗪实施例51M 2-咪唑烷酮实施例61M 1-乙烯基咪唑实施例71M聚乙烯基咪唑实施例80.2M组氨酸
在混合了表3所示的杂环式化合物的溶液中浸入固定化酶，在25℃搅拌30分钟使其反应，然后用WST1和mPMS使其显色，用分光光度计(TECAN社制、InfiniteM200)测定吸光度。另一方面，作为比较例2，除了使用1M磷酸钠缓冲液(pH7.0)代替杂环式化合物以外，同样地评价固定化酶。
(1-3)结果
实施例4～8和比较例2的结果示于表4和图5。
表4
 OD实施例41.2912实施例51.2841实施例60.9795实施例71.3948实施例81.1902比较例20.5909
如由表4和图5可判断的那样，弄清楚了固定化酶在吡嗪、2-咪唑烷酮、1-乙烯基咪唑、聚乙烯基咪唑和组氨酸这样的5或6元环的包含氮和 碳的杂环式化合物的存在下显示优异的酶活性。由以上结果可知，在具备固定化酶的生物反应器中，通过在5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物的存在下进行该由固定化酶催化的酶反应，能够显著提高酶活性。
特别是可知，在作为5或6元环的包含氮和碳的杂环式化合物使用吡嗪、2-咪唑烷酮或1-乙烯基咪唑的情况下，能够更大幅度地提高固定化酶的酶活性。
另外，本实施例中也显示，对于能够在生物燃料电池的阳极电极中使用的、固定化了氧化还原酶的固定化酶(固定化甲酸脱氢酶)能够显著提高酶活性。由以上结果显示，在具备氧化还原酶的固定化酶的生物燃料电池中，特别通过使阳极电极的酶活性显著提高，能够实现优异电池特性。
本说明书中所引用的全部出版物、专利和专利申请均直接作为参考而纳入本说明书中。