特許 6972038 アンモニア合成法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6972038

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】アンモニア合成法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   C01C 1/04 20060101AFI20211111BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20211111BHJP

   C12P 13/00 20060101ALI20211111BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20211111BHJP

   C12M 1/04 20060101ALI20211111BHJP

   C12N 1/20 20060101ALN20211111BHJP

   C12N 9/99 20060101ALN20211111BHJP

【ＦＩ】

   C01C1/04 C

   C25B1/04

   C12P13/00

   C12M1/00 Z

   C12M1/04

   !C12N1/20 Z

   !C12N9/99

【請求項の数】23

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-568227(P2018-568227)

(86)(22)【出願日】2017年6月14日

(65)【公表番号】特表2019-527180(P2019-527180A)

(43)【公表日】2019年9月26日

(86)【国際出願番号】US2017037447

(87)【国際公開番号】WO2018009315

(87)【国際公開日】20180111

【審査請求日】2020年6月11日

(31)【優先権主張番号】62/358,710

(32)【優先日】2016年7月6日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507044516

【氏名又は名称】プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】コロン，ブレンダン，クルス

(72)【発明者】

【氏名】リュー，チョン

(72)【発明者】

【氏名】ノセラ，ダニエル，ジー．

(72)【発明者】

【氏名】シルバー，パメラ，アン

【審査官】 小野 久子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２２５７５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３４６１０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１０６６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５０５４１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｃ １／０４

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ １１／０４

Ｃ１２Ｐ １３／００

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｃ１２Ｍ １／０４

Ｃ１２Ｎ １／２０

Ｃ１２Ｎ ９／９９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンモニアを生成するための方法であって：
溶液中に水素を溶解させること；
前記溶液中に二酸化炭素を溶解させること；
前記溶液中に窒素を溶解させること；
前記溶液中にグルタミンシンテターゼ阻害剤を入れること；及び
前記溶液中に独立栄養ジアゾトロフ細菌を入れること
を含む、方法。

【請求項2】

前記溶液中に水素を溶解させることが、前記溶液中の水を分解することであって水素及び酸素を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記溶液中の水を分解することが、コバルト−リン合金を含む陰極及びリン酸コバルトを含む陽極を使用して水を分解することをさらに含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記溶液がリン酸塩を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記溶液中に二酸化炭素及び窒素を溶解させることが、二酸化炭素及び窒素を前記溶液中にバブリングすることをさらに含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

０．５％から５％の間の酸素を含むガスを前記溶液中にバブリングすることをさらに含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記溶液中の前記独立栄養ジアゾトロフ細菌を用いてアンモニアを生成することをさらに含み、
前記独立栄養ジアゾトロフ細菌によって生成された前記アンモニアの少なくとも一部が、前記溶液中に排出される、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記溶解したガスの一又は複数の濃度をモニターすることをさらに含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記溶解したガスの一又は複数の濃度を制御することをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

アンモニアを生成するためのシステムであって：
その中に溶液が含有されている反応器チャンバーを備え、
前記溶液が、溶解された水素、溶解された二酸化炭素、溶解された窒素、グルタミンシンテターゼ阻害剤、及び独立栄養ジアゾトロフ細菌を含む、
システム。

【請求項11】

コバルトリン合金を含む第１の電極及びリン酸コバルトを含む第２の電極に接続された電源をさらに備え、
前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記反応器チャンバー内の溶液に少なくとも部分的に浸漬されている、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記溶液中にリン酸塩をさらに含む、請求項１０又は１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記反応器チャンバー内の前記溶液中にガスを泡立てるガス導入口をさらに備える、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項14】

窒素、水素、及び二酸化炭素の少なくとも１種を含むガス供給源が、前記ガス導入口に流動的に接続されている、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記ガス供給源が、０．５％から５％の間の酸素を含む、請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

前記リン酸塩が、９ｍＭから５０ｍＭの間の濃度を有する、請求項４に記載の方法。

【請求項17】

前記独立栄養ジアゾトロフ細菌が、キサントバクター・オートロフィカスを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項18】

前記独立栄養ジアゾトロフ細菌が、ブラディリゾビウム・ジャポニクムを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

前記グルタミンシンテターゼ阻害剤が、グルホシネート及び／又はメチオニンスルホキシイミンを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項20】

前記リン酸塩が、９ｍＭから５０ｍＭの間の濃度を有する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項21】

前記独立栄養ジアゾトロフ細菌が、キサントバクター・オートロフィカスを含む、請求項１０から１５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項22】

前記独立栄養ジアゾトロフ細菌が、ブラディリゾビウム・ジャポニクムを含む、請求項１０から１５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項23】

前記グルタミンシンテターゼ阻害剤が、グルホシネート及び／又はメチオニンスルホキシイミンを含む、請求項１０から１５のいずれか１項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

政府ライセンス権
[0001] 本発明は、海軍研究局学際的大学研究イニシアチブによって授与された助成金Ｎ０００１４−１１−１−０７２５、及び空軍科学研究局によって授与された助成金ＦＡ９５５０−０９−１−０６８９の下で政府の支援でなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。

【0002】

[0002] 開示された実施形態は、アンモニア合成に関する。

【背景技術】

【0003】

[0003] その使用及び大規模農業のために、Ｎ_２からＮＨ_３への還元は、世界的な地球科学的窒素サイクル及び人口の持続可能性を維持するのに不可欠である。工業規模の量のＮＨ_３を製造するための最も一般的な方法は、工業用ハーバー・ボッシュ法である。ハーバー・ボッシュ法は、効率的で拡張性がある。しかしながら、このプロセスは、供給原料として大量の天然ガスを消費し、高温高圧で作動し、且つ集中生産とそれに続くＮＨ_３分配のための輸送に依存している。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

[0004] 一実施形態では、アンモニアを生成するための方法は以下：溶液中に水素を溶解させること；溶液中に二酸化炭素を溶解させること；溶液中に窒素を溶解させること；溶液中にグルタミンシンテターゼ阻害剤を入れること；及び溶液中に独立栄養ジアゾトロフ細菌（autotrophic diazotoph bacteria）を入れることを含む。

【0005】

[0005] 別の実施形態では、アンモニアを生成するためのシステムは、その中に溶液が含有されている反応器チャンバーを含む。溶液は、溶解された水素、溶解された二酸化炭素、溶解された窒素、グルタミンシンテターゼ阻害剤、及び独立栄養ジアゾトロフ細菌を含む。

【0006】

[0006] 本開示はこの点に関して限定されていないので、前述の概念、及び以下で論じる追加の概念は、任意の適当な組合せで構成され得ることを理解されたい。さらに、本開示の他の利点及び新規な特徴は、添付の図面と併せて考慮すると、種々の非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【0007】

[0007] 添付図は、一定の縮小比で描かれているものではない。図中、種々の図に示している同一又はほぼ同一の構成要素はそれぞれ、同様の番号で表すことができる。明確にするため、すべての構成要素がすべての図面に明示されているとは限らない。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0008]反応器内の周囲条件での分散型アンモニア合成の概略図である。

【図2】[0009]ＯＤ_６００、通過した電荷量、全窒素含有量の濃度（Ｎ_{ｔｏｔａｌ}）、及び可溶性窒素含有量（Ｎ_{ｓｏｌｕｂｌｅ}）を時間に対してプロットした、ＣｏＰｉ｜Ｃｏ−Ｐ｜Ｘ．オートロフィカス（X. autotrophicus）触媒システムを使用したＮ_２還元のグラフである。

【図3】[0010]異なる条件下でのＮ_{ｔｏｔａｌ}及びＯＤ_６００の変化のグラフである。

【図4】[0011]ｉＲ補正された、Ｘ．オートロフィカス培地中のＣｏ−Ｐ ＨＥＲ陰極の線形走査ボルタンメトリー（線、１０ｍＶ／秒）及びクロノアンペロメトリー（丸、３０分平均）のグラフでである。

【図5】[0012]細胞外培地におけるＮＨ_３生成の概略図である。

【図6】[0013]ＯＤ_６００、通過した電荷量、全窒素含有量の濃度（Ｎ_{ｔｏｔａｌ}）及びＮＨ_３／ＮＨ^４＋細胞外含有量（ＮＨ_３）を時間に対してプロットしたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[0014] より伝統的な製造方法とは異なり、Ｎ_２からの触媒的ＮＨ_３合成は、遷移金属錯体、電気触媒、光触媒、ニトロゲナーゼ、及び従属栄養ジアゾトロフ（heterotrophic diazotroph）を用いて報告されている。しかしながら、これらの手法は、通常限られた出来高をもたらし、還元剤として犠牲化学物質を使用する。その結果、本発明者らは、周囲条件でＮ_２及びＨ_２Ｏからの選択的ＮＨ_３合成を可能にすることが望ましい可能性があることを認識した。これは、周囲条件でのＮＨ_３合成に向けた分散型手法を可能にするのに役立つ可能性があり、再生可能エネルギー源を含む様々な形態の電力と一体化することもできる。このような製造手法に関連して考えられる利点は、より伝統的な製造方法と比較して、ＣＯ_２排出も削減しながら、アンモニアの現場での製造及び配置を可能にすることを含み得る。

【0010】

[0015] 上記を考慮すると、本発明者らは、アンモニアの製造に有用な１種又は複数の酵素を含む１種又は複数のタイプの細菌を含む溶液を含む反応器ベースの構成を使用することに関連する利点を認識している。具体的には、一実施形態では、アンモニアを製造するためのシステムは、溶液を含有するチャンバーを有する反応器を含み得る。溶液は、溶液中に溶解された水素、二酸化炭素、及び窒素並びにグルタミンシンテターゼ阻害剤を含み得る。溶液はまた、溶液中に１種又は複数の形態の独立栄養ジアゾトロフ細菌を含み得る。使用中に、独立栄養ジアゾトロフ細菌は、溶液内の化合物を代謝してアンモニアを生成する。具体的には、細菌は、所望のアンモニアを形成するために、ＲｕＢｉｓＣＯなどのニトロゲナーゼと、窒素、二酸化炭素、及びヒドロゲナーゼを利用するヒドロゲナーゼ酵素を含み得る。適切な独立栄養ジアゾトロフ細菌には、キサントバクター・オートロフィカス（Xanthobacter autotrophicus）、ブラディリゾビウム・ジャポニクム（Bradyrhizobium japonicum）、又は指摘した化合物を代謝してアンモニアを生成できる任意の他の適切な細菌が含まれる。

【0011】

[0016] 実施形態に応じて、阻害剤は、細菌のバイオマスへのアンモニアの取り込みを少なくとも部分的に防止するために溶液中に含まれていてもよい。したがって、細菌によって生成されたアンモニアの少なくとも一部は、その後の回収のために溶液中に排出され得る。特定の一実施形態では、グルタミンシンテターゼ（ＧＳ）阻害剤、例えばグルホシネート（ＰＰＴ）、メチオニンスルホキシイミン（ＭＳＯ）、又は任意の他の適切な阻害剤を使用することができる。

【0012】

[0017] いくつかの実施形態では、反応器のチャンバー内に置かれた溶液は、１種若しくは複数の追加の溶媒、化合物、及び／又は添加剤を含む水を含んでいてよい。例えば、溶液は以下：リン酸ナトリウム及びリン酸カリウムを含むリン酸塩などの無機塩；鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛、銅、及びモリブデンなどの微量金属サプリメント；又は上記の溶解ガスに加えて任意の他の適切な成分を含んでいてよい。このような一実施形態では、リン酸塩は、濃度が９〜５０ｍＭの間であってもよい。

【0013】

[0018] 上記の溶解ガス濃度は、溶液に通してガスをバブリングすること、溶液内に溶解ガスを発生させること（例えば電気分解）、又は溶液内の溶解ガスの濃度を制御する任意の他の適切な方法を含む、任意の数のやり方で制御することができる。その上、濃度を制御する種々の方法は、一定の動作パラメーターを用いて定常状態モードで動作させてもよく、及び／又は１種若しくは複数の溶解ガスの濃度は、上記の所望の範囲内になるように溶解ガスの濃度を変えるために、フィードバックプロセスが濃度、生成速度、又は他の適切なパラメーターを積極的に変えることを可能にするためにモニターしてもよい。ガス濃度のモニタリングは、ｐＨモニタリング、溶存酸素計、ガスクロマトグラフィー、又は任意の他の適切な方法を含む任意の適切な様式で行なうことができる。

【0014】

[0019] いくつかの実施形態では、水素は、水の電気分解、すなわち水分解を用いて溶液に供給することができる。特定の実施形態に応じて、電源は、反応器チャンバー内の溶液に少なくとも部分的に浸漬されている第１の電極及び第２の電極に接続されていてもよい。電源は、電極に印加される任意の適切な電流の供給源に対応し得る。しかしながら、少なくとも一実施形態では、電源は、再生可能エネルギー源、例えば太陽電池、風力タービン、又は任意の他の適切な電流の供給源に対応し得るが、非再生可能エネルギー源が使用される実施形態も企図されている。どちらの場合にも、電源からの電流は、電極と溶液を通過して水素と酸素を放出する。電流は、所望の生成速度で所望量の水素及び／又は酸素の生成をもたらすように制御することができる。一実施形態では、電極は、水分解触媒でコーティングされ、又は形成されていて、水分解をさらに促進し、且つ／又は溶液に印加される電圧を低減させることができる。例えば、電極は、１種若しくは複数のコバルト−リン合金、リン酸コバルト、酸化コバルト、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト、又は任意の他の適切な物質から作製することができる。特定の一実施形態では、第１及び第２の電極は、コバルト−リン合金を含む陰極及びリン酸コバルトを含む陽極に対応し得る。しかしながら、本開示はそのように限定されないので、他のタイプの陽極及び／又は陰極が使用される実施形態も企図されている。

【0015】

[0020] コバルト−リン合金及び／又はリン酸コバルトなど、リンベースの陽極及び／又は陰極が使用される場合には、リン酸緩衝液が溶液に含まれていてもよい。適切なリン酸塩には、リン酸ナトリウム及びリン酸カリウムがあるが、それだけには限定されない。理論に拘泥するものではないが、水の電気分解中に、リン及び／又はコバルトが電極から抽出されると考えられている。浸出したコバルトの還元電位は、溶液中で利用可能なリン酸塩からのリン酸コバルトの形成がエネルギー的に好まれるようなものである。溶液中に形成されたリン酸コバルトは、次いで遊離リン酸コバルトに直線的に比例する速度で陽極上に析出し、電極に自己修復プロセスをもたらす。リン酸塩の濃度は、９〜５０ｍＭの間であってもよいが、本開示はそのように限定されていないので、他の濃度も使用してもよい。

【0016】

[0021] 水の電気分解を用いて水素を生成する実施形態では、溶液に浸漬された一対の電極に印加される電圧は、第１と第２の電圧閾値との間になるように制限されてもよい。このような一実施形態では、電極に印加される電圧は、約１．８Ｖ、２Ｖ、２．２Ｖ、２．４Ｖ以上、又は任意の他の適切な電圧であってもよい。その上、印加された電圧は、約３Ｖ、２．８Ｖ、２．６Ｖ、２．４Ｖ以下、又は任意の他の適切な電圧であってもよい。例えば、１．８Ｖ〜３Ｖの間の一対の電極に印加される電圧を含む上記の電圧範囲の組合せが企図されている。しかしながら、本開示はそのように限定されていないので、上記のものよりも大きい及び小さい電圧の両方、並びに上記範囲の異なる組合せも企図されていることを理解されたい。例えば、理想的な分解電圧１．２３Ｖにより近い水分解電圧を可能にする他の触媒も使用できることが想定される。

【0017】

[0022] 前に指摘したように、いくつかの実施形態では、反応器チャンバー内に含有されている溶液にガス流を導入して、溶液中に所望の割合のガスを溶解させることができる。例えば、一実施形態では、システムは、チャンバーに関連する１個若しくは複数のガス導入口に流動的に接続されている１個又は複数のガス供給源を含み得る。ガス導入口は、溶液中にガスを泡立たせるように構成されている。例えば、一方向弁は、チャンバー底部への導入口に流動的に接続されていてもよく、ガス供給源に接続されたチューブは、端部がチャンバー内の溶液中に浸漬されていてもよく、又はシステムは、ガスを溶液に導入するために任意の他の適切な構成を使用してもよい。したがって、ガス供給源が加圧型ガス流をチャンバーに供給する場合、ガスが溶液中に導入され、そこでそれが溶液中に泡立ち、ガスの少なくとも一部がその中に溶解する。

【0018】

[0023] ガス供給源は任意の適切なタイプのガスに対応し得るが、一実施形態では、ガス供給源は、１種又は複数の水素、窒素、二酸化炭素、及び酸素を供給することができる。その上、１つ又は複数のガス供給源によって反応器チャンバー内の溶液に供給される全ガス流は、任意の適切なガスの組成を有していてよい。しかしながら、一実施形態では、ガス流は、窒素を１０〜９９．４６％の間、二酸化炭素を０．０４〜９０％の間、及び／又は酸素を０．５％〜５％の間含有し得る。本開示はそのように限定されていないので、異なるガスの混合物を、両方とも上記のものよりも大きい及び小さい異なるガス及び／又は異なる濃度を含む溶液中にバブリングする実施形態も当然ながら企図されている。

【実施例】

【0019】

[0024] 実施例
[0025] 実験に使用した反応器は、水素発生反応（ＨＥＲ）のためのコバルト−リン（Ｃｏ−Ｐ）合金陰極及び酸素発生反応（ＯＥＲ）のためのリン酸コバルト（ＣｏＰ_ｉ）陽極を含む生体適合性水分解触媒システムを含んでいた。このシステムは、アンモニアを生成するのに使用する所望の水素を生成しながら、低駆動電圧（Ｅ_ａｐｐｌ）の使用を可能にした。具体的には、Ｎ_２及びＨ_２ＯからのＮＨ_３合成は、水分解システムを使用し、Ｈ_２酸化型独立栄養微生物内でＮ_２還元反応を促進することで達成された。この場合、キサントバクター・オートロフィカス（Ｘ．オートロフィカス）を使用した。Ｘ．オートロフィカスは、ジアゾトロフの小グループに属するグラム陰性菌であり、これは微好気性条件（Ｏ_２約５％未満）でＨ_２をそれらの唯一のエネルギー源として使用してＣＯ_２とＮ_２をバイオマスに固定することができる。したがって、この実験的設定では、電気化学的水分解は、生物学的エネルギー源としてＨ_２を生成し、同じ反応器内で、Ｘ．オートロフィカスは、室温のＮ_２還元反応触媒として作用して、Ｈ_２及びＮ_２をＮＨ_３に変換した。

【0020】

[0026] 図１は、水溶液中に浸漬した電極を収容する単一チャンバー反応器を含む実験装置の概略図を示す。電極は、水素発生反応のためのＣｏ−Ｐ陰極及び酸素発生反応のためのＣｏＰ_ｉ陽極を含んでいた。Ｏ_２を２％、ＣＯ_２を２０％、及びＮ_２を７８％含むガス混合物は、微好気的環境を維持するために５ｍＬ／分以上の流速で溶液中に泡立たせた。

【0021】

[0027] 実験中、水分解のために、ＯＥＲとＨＥＲ電極との間に定電圧（Ｅ_ａｐｐｌ）を印加した。Ｘ．オートロフィカスのヒドロゲナーゼ（Ｈ_２アーゼ）は、発生したＨ_２を酸化させ、カルビンサイクルにおけるＣＯ_２還元及びニトロゲナーゼ（Ｎ_２アーゼ）によるＮ_２固定化を促した。Ｎ_２還元の各ターンオーバーは、２個のＮＨ_３及び１個のＨ_２分子を生じ、その後者は、ヒドロゲナーゼによって再利用することができる。生成したＮＨ_３は通常バイオマスに組み込まれるが、前述のようにＮＨ_３同化の阻害からの蓄積（経路２）の結果として細胞外に拡散させることもできる。

【0022】

[0028] 各実験の始めに、Ｘ．オートロフィカスは、いかなる窒素も補充していない有機物を含まない最少培地にインキュベートした。一定の駆動電圧（Ｅ_ａｐｐｌ＝ ３．０Ｖ）をＣｏＰ_ｉ｜Ｃｏ−Ｐ触媒システムに印加し、バイオマスの定量化（６００ｎＭにおける光学密度、ＯＤ_６００）並びに固定窒素（比色アッセイ）のためにアリコートを定期的に採取した。

【0023】

[0029] ＣｏＰ_ｉ｜Ｃｏ−Ｐ｜Ｘ．オートロフィカスハイブリッドシステムは、犠牲試薬なしで電気を使用してバイオマス中にＮ_２並びにＣＯ_２を還元した。図２は、ＯＤ_６００、通過した電荷量、全窒素含有量の濃度（Ｎ_{ｔｏｔａｌ}）、及び可溶性窒素含有量（Ｎ_{ｓｏｌｕｂｌｅ}）を実験の継続期間に対してプロットしたグラフを表す。Ｈ_２発酵実験（「Ｈ_２ジャー」）におけるＯＤ_６００も比較としてプロットした。グラフ中のエラーバーは、ｎ≧３の平均の標準誤差（ＳＥＭ）を示す。図に示すとおり、水分解に通過した電荷量は、５日間の実験中のバイオマス蓄積（ＯＤ_６００）並びに培地中の全窒素含有量（Ｎ_{ｔｏｔａｌ}）に比例していた。

【0024】

[0030] 図３は、５日間の実験中における異なる実験条件下でのＮ_{ｔｏｔａｌ}及びＯＤ_６００の変化を表す。図に見られるように、細胞外可溶性窒素含有量（Ｎ_{ｓｏｌｕｂｌｅ}）に変化がなかったので、固定窒素はバイオマスに同化されていた。Ｎ_{ｔｏｔａｌ} ７２±５ｍｇ／Ｌ、並びに乾燥細胞重量 ５５３±５１ｍｇ／Ｌが、実験にわたって連続的に蓄積した（ｎ＝３、図３における項目１）。対照的に、設計において以下の要素のうちの１つを省略した対照では、Ｎ_{ｔｏｔａｌ}の蓄積は観察されなかった：水分解、Ｘ．オートロフィカス、単一チャンバー反応器、及び微好気性環境（図２ｂの項目２〜５）。特にデュアルチャンバー実験の場合（図３の項目４）、Ｎ_{ｔｏｔａｌ}蓄積がないことは、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）によって決定されるように、２４時間以内に０．９±０．２μＭから４０±６μＭへの培地中の可溶性Ｃｏ^２＋濃度の増加と同時に起こり、これはＸ．オートロフィカスの約５０μＭ半最大阻害濃度（ＩＣ_５０）に近い。理論に拘泥するものではないが、これは、アニオン交換膜（ＡＥＭ）の設置が、浸出したＣｏ^２＋のＣｏＰ_ｉ陽極への析出を妨げたことを示し、システムに使用される物質の生体適合性が望ましいシステム特性であり得ることを例示している。図にも示されているように、Ｎ_{ｔｏｔａｌ}の増加を大幅に超えるＯＤ_６００の増加（３の項目４及び５）は、ポリ（３−ヒドロキシブチレート）の蓄積からの光散乱による可能性が高く、それは炭素過剰と結びついた栄養素制約の条件で炭素貯蔵ポリマーとして製造される。

【0025】

[0031] 記載されたハイブリッドシステムのＮＲＲ活性も行なわれた全細胞アセチレン還元アッセイによって支持されている。具体的には、アリコートは、Ｏ_２／Ｈ_２／ＣＯ_２／Ａｒガス環境（２／１０／１０／７８）に曝露された操作装置から直接採取され、１２７±３３μＭ・ｈ^−１・ＯＤ_６００^−１の速度で注入したＣ_２Ｈ_２を独占的にＣ_２Ｈ_４に還元することができた（ｎ＝３）。ニトロゲナーゼによるＣ_２Ｈ_２還元の運動速度が反応化学量論に基づいてＮ_２還元の１／４である場合、この活性は、ＯＤ_６００＝１．０の培養について、１日当たり約１２ｍｇ／Ｌ Ｎ_{ｔｏｔａｌ}に相当する。このＮ_２固定速度は、５日間の実験中に測定されたＮ_{ｔｏｔａｌ}蓄積と一致し、他の対照と関連して他の仮定の窒素供給源の可能性を排除する（上記参照）。この測定は、細菌細胞当たり１．４×１０^４ｓ^−１のＮＲＲターンオーバー頻度（ＴＯＦ）に対応する。以前の文献に基づいて約５０００のニトロゲナーゼコピー数を仮定すると、このＮＲＲ ＴＯＦは、おおよそ酵素当たり約３ｓ^−１に相当し、それは以前の研究と一致している。同等のターンオーバー数（ＴＯＮ）は、おおよそ細菌細胞当たり８×１０^９、ニトロゲナーゼ当たり１×１０^６であり、以前に報告された合成及び生物学的触媒よりも少なくとも２桁高い。

【0026】

[0032] 図４は、ｉＲ補正された、Ｘ．オートロフィカス培地中のＣｏ−Ｐ ＨＥＲ陰極の線形走査ボルタンメトリー（線、１０ｍＶ／秒）及びクロノアンペロメトリー（丸、３０分平均）の結果を表す。ＨＥＲ及びＮＲＲ（Ｅ_ＨＥＲ、Ｅ_ＮＲＲ）の熱力学値が表示されている。印加されたＥ_ａｐｐｌ＝３．０Ｖからの電圧寄与は、Ｉ−Ｖ特徴付けの下に示されている。ＮＲＲ反応は、１６０ｍＶほど低い動的駆動力で動作する。Ｘ．オートロフィカス培地中のＣｏ−Ｐ ＨＥＲ陰極のＩ−Ｖ特徴付けは、約０．４３Ｖの見かけの過電圧を示す。理論に拘泥するものではないが、この値の大部分は電極の触媒特性に固有のものではないが、弱緩衝液（９．４ｍＭリン酸塩）中でのプロトン濃度勾配の強化から生じる。大量輸送の寄与を差し引くことにより、固有のＮＲＲ過電位は約０．１６Ｖであり、文献におけるこれまでの報告よりもはるかに低い。希釈培地の塩分はその後、以前に報告されたものよりも高いＥ_ａｐｐｌ＝３．０Ｖの駆動電圧が使用される。低いイオン伝導率は、Ｅ_ａｐｐｌの約２８％（約０．８５Ｖ）に寄与し、これは追加の最適化によって低減する可能性がある。それにもかかわらず、１１．６±１．９％の電気的ＣＯ_２還元効率（η_ｅｌｅｃ，_ＣＯ２、ｎ＝３）に加えて、実験におけるＮＲＲのエネルギー効率（η_ｅｌｅｃ，_ＮＲＲ）は、５日間の実験中１．８±０．３％（ｎ＝３）である。これは、１メートルトンＮＨ_３当たり約９００ＧＪに相当するが、熱力学的限界は、１メートルトンＮＨ_３当たり２０．９ＧＪである。ニトロゲナーゼの反応化学量論及び上流の生化学的経路に基づいて、１個のＮ_２分子を還元するのに必要とされるＨ_２分子の理論的数は、９．４〜１４．７の間の範囲であり、それは７．５〜１１．７％のη_ｅｌｅｃ，_ＮＲＲの上限を設定する。したがって、この実験で報告されている窒素還元量は、理論収率の１５〜２３％であり、周囲条件での他のシステムのファラデー効率又は量子収率よりもはるかに高い。

【0027】

[0033] 記載された実験及びシステムは、同様の条件でのガス発酵と比較してより速いＮ_２還元及び微生物増殖を示した。ハイブリッドシステムで観察された線形成長（図２）とは対照的に、約１０％のＨ_２を含有するヘッドスペースを補充した同じ条件でのガス発酵（図２の「Ｈ_２ジャー」実験）は、比較的ゆっくりとした非線形成長を示す。この差はＮ_２固定に依存し、アンモニアが培地に補充された場合、ガス発酵及び電気分解の下での増殖は、識別可能な差を実証しなかった。理論に拘泥するものではないが、これは、ニトロゲナーゼに対するＨ_２の競合的阻害の結果であると考えられており、阻害定数Ｋ_ｉｓ（Ｄ_２）は約１１ｋＰａである。ハイブリッド装置において電気分解が定常状態で低Ｈ_２分圧を維持する場合、ガス発酵中の高いＨ_２濃度は、Ｎ_２固定速度を遅くし、且つ／又はＮＲＲエネルギー効率を低減させる可能性がある。この仮説は、ガス発酵の場合により遅いバイオマス蓄積を示す数値シミュレーションによって支持されている。したがって、電流実験は、水分解から生成したＨ_２が下流の生化学的経路に影響を及ぼし得るので、記載されたハイブリッド装置がガス発酵槽と水分解電解槽との単純な組合せと比較してさらなる利点を提供し得ることを示す。

【0028】

[0034] ハイブリッド装置は、合成されたＮＨ_３を細胞外培地に排出することができる。この株に対する以前の生化学アッセイ及びゲノム配列決定は、ニトロゲナーゼから生成されたＮＨ_３が、グルタミンシンテターゼ（ＧＳ）及びグルタミン酸シンターゼ（ＧＯＧＡＴ）によって媒介される二段階プロセスを介してバイオマスに組み込まれることを示す（図１及び５）。このＮＨ_３同化経路の機能が破壊されると、細胞外ＮＨ_３肥料溶液の直接製造が実現する。ＧＳ阻害剤は、糖発酵性ジアゾトロフにおけるＮＨ_３分泌に使用できることが報告されている。原理の証明として、除草剤として市販されている特異的なＧＳ阻害剤であるグルホシネート（ＰＰＴ）は、ＮＨ_３同化経路を遮断し、合成されたＮＨ_３を細胞外培地に受動的に拡散させるために使用された（図１の経路２、及び図５）。ＰＰＴ添加後、Ｘ．オートロフィカスのバイオマスは停滞したが、溶液中のＮ_{ｔｏｔａｌ}及び遊離ＮＨ_３の濃度（Ｎ_ＮＨ３）は増加した（図６）。これは、ＰＰＴ添加後の窒素蓄積は、ほとんど細胞外ＮＨ_３の形態をとったことを示す。実験の終わりに、Ｎ_ＮＨ３の濃度は、１１±２ｍｇ／Ｌ（約０．８ｍＭ）であり、蓄積Ｎ_{ｔｏｔａｌ}は４７±３ｍｇ／Ｌに達した（ｎ＝３、表Ｓ１）。Ｎ_２固定速度は、実験の後期に減速する傾向があり、それは転写及び転写後レベルでの窒素調節に関連している可能性がある。合成生物学におけるさらなる操作は、この制限を緩和することが可能である。

【0029】

[0035] 上記実験は、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、及び電気からの代替ＮＨ_３合成手法の製造及び使用を実証する。水分解−生合成プロセスは、周囲条件で作動し、窒素肥料のオンデマンド供給のために分散させることができる。エネルギー効率１８％の光起電力デバイスなどの再生可能エネルギー供給と組み合わせた場合、太陽光発電によるＮＨ_３へのＮ_２固定は、最大０．３％の太陽からＮＨ_３への効率（solar-to-NH₃）と２．１％の太陽ＣＯ_２還元効率で達成することができる。通常の作付システムでは、毎年１平方メートル当たり約１１ｇの窒素が低減し、これは約４×１０^−５の太陽からＮＨ_３への効率に相当する（２０００ｋＷｈ／ｍ^２の年間日射量を想定）。したがって、この手法は、はるかに高い効率をもたらし、化石燃料を使用せずに肥料生産のための持続可能な経路を提供する。本開示として、化石燃料を使用して種々の供給原料（すなわちガス）を供給することができる例でも、所望のアンモニア生成をもたらすために、再生可能エネルギーを使用すること及び／又は反応器内で直接水を分解することだけに限定されない。

【0030】

[0036] 本教示を種々の実施形態及び実施例と併せて説明してきたが、本教示はそのような実施形態又は実施例に限定されることを意図するものではない。これに反して、本教示は、当業者には理解されるように、種々の代替形態、修正形態、及び等価物を包含する。したがって、前述の説明及び図面は、ほんの一例である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】