生体膜を利用した高効率・塩分濃度差直接発電に関する基礎研究

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ナトリウムイオンを選択的に透過する生体膜を用いて、高効率な塩分濃度差発電を実現するための基礎研究を行うことを目的として、直接発電の実験的フィジビリティスタディならびに数値シュミレーションによる出力・効率解析を行った。実験では、直径100μmの単孔に張った脂質二重層膜にナトリウムイオンチャネルとしてグラミシジンAを分散させ、その両側に淡水と塩水を配置して、電圧ならびに電流を計測した。その結果、開放起電力は約180mVであったほか、グラミシジン濃度の二乗に比例して電流量が増加することが示され、生体膜により塩分濃度差発電を行い得ることが確認された。ただし、その電流密度は0.04A/cm2程度であり、さらに充分な電流密度とするには高いグラミシジン濃度に対して安定な膜の作成が課題であることが示された。そこで、生体膜の安定性は膜を構成するリン脂質分子の並進拡散運動の度合いから評価することができるため、単一分子検出方の一つである蛍光相関分光法の準備し、その測定を開始できる状態とした。一方、生体膜利用濃淡電池の効率ならびに出力特性について、理論解析を試みた。その結果、等価電気回路モデルの提唱と、電池性能を支配する無次元パラメータを明らかにすることができた。また、今回の解析の範囲では、出力は理論最大値の約25%、効率はギブス自由エネルギーの約5%程度を利用したに留まっており、作動条件やシステム構成をさらに最適化して、これらの向上を図ることが重要であることが明らかとなった。