專利名稱：一種亞心形扁藻高密度培養(yǎng)與產(chǎn)氫一體化的制氫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)及一種利用海洋微藻產(chǎn)氫的新方法。即高密度培養(yǎng)和產(chǎn)氫一體化的新 工藝。
背景技術(shù)：
隨著近年來對(duì)綠藻制氫的深入研究，人們相繼發(fā)現(xiàn)了很多種具有明顯產(chǎn)氫 會(huì)g力的綠藻，如Scenedesmus obliquus， Chlamydomonas reinhardtii， Platymonas subcordiformis等。與此同時(shí)，產(chǎn)氫工藝的研究也取得了很多卓有成效的進(jìn)展。如Zhang 等發(fā)現(xiàn)淡水萊茵衣藻在缺硫連續(xù)光照條件下，由于硫元素的缺乏，使半胱氨酸合成受阻，進(jìn) 而導(dǎo)致PS II上的Dl蛋白無法及時(shí)修復(fù)，降低PS II的光化學(xué)活性及產(chǎn)氧量。當(dāng)體系中的 產(chǎn)氧速率和呼吸耗氧速率相等時(shí)，就造成了一個(gè)厭氧的環(huán)境，使衣藻的氫酶得以表達(dá)，實(shí)現(xiàn) 連續(xù)產(chǎn)氫。管英富等利用解偶聯(lián)劑CCCP對(duì)暗誘導(dǎo)后的海洋亞心形扁藻進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)CCCP 可以起到與淡水綠藻缺硫調(diào)控相同的效果，降低PS II的光化學(xué)活性及產(chǎn)氧量而不影響呼 吸耗氧速率，從而形成厭氧環(huán)境，使扁藻氫酶表達(dá)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)光照產(chǎn)氫。同時(shí)CCCP能夠打開 類囊體膜上的質(zhì)子通道，從而使質(zhì)子大量滲出，為氫酶提供充足的底物，進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)氫。 這些從機(jī)理水平上提出的產(chǎn)氫新工藝，為綠藻產(chǎn)氫的工業(yè)化應(yīng)用提供了可能。
目前的產(chǎn)氫工藝大都是將微藻培養(yǎng)于搖瓶中，然后于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期收集后，再用于 光照產(chǎn)氫。由于搖瓶培養(yǎng)所獲得的藻細(xì)胞密度低，無法達(dá)到產(chǎn)氫要求的最優(yōu)密度，因此在產(chǎn) 氫前需要離心濃縮來達(dá)到產(chǎn)氫要求的生物量。該產(chǎn)氫工藝流程復(fù)雜，離心濃縮需要消耗額 外能量，并且對(duì)微藻細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一定的破壞作用進(jìn)而降低產(chǎn)氫能力。而利用整合了燃料電 池的平板式光生物反應(yīng)器，進(jìn)行高密度培養(yǎng)和產(chǎn)氫過程相結(jié)合的工藝技術(shù)未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明研究了一種將微藻高密度培養(yǎng)階段和光照產(chǎn)氫階段有機(jī)結(jié)合的新型產(chǎn)氫 工藝。目的是簡(jiǎn)化現(xiàn)有產(chǎn)氫工藝，為規(guī)?；a(chǎn)氫提供技術(shù)支持。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 以 一 種具有光解海水產(chǎn)氫功能的海洋綠藻_亞心形扁藻 (Platymonassubcordiformis)為產(chǎn)氫對(duì)象，在整合了堿性燃料電池的平板式光生物反應(yīng)器 中，通過富加二氧化碳的方法，在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)扁藻生物量大量積累，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)氫所需的藻 密度，此階段為高密度培養(yǎng)階段。然后通過氣閥調(diào)節(jié)，使反應(yīng)器處于密閉狀態(tài)，并通入氮?dú)?使反應(yīng)器內(nèi)處于厭氧狀態(tài)。此狀態(tài)下的藻液經(jīng)過4小時(shí)的暗誘導(dǎo)后，即可進(jìn)行連續(xù)光照產(chǎn) 氫。此階段即為光照產(chǎn)氫階段。系統(tǒng)中產(chǎn)生的氫氣可被堿性燃料電池所利用轉(zhuǎn)化為電能， 同時(shí)，氫氣的消耗使反應(yīng)系統(tǒng)中的氫分壓較低，可減輕氫氣的反饋抑制作用。由于電路中電 子數(shù)量與氫原子數(shù)具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，通過測(cè)量電池外電路電流變化就可計(jì)算出 體系內(nèi)氫濃度的變化，進(jìn)而對(duì)整個(gè)產(chǎn)氫過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。本發(fā)明縮短了微藻培養(yǎng)時(shí)間，簡(jiǎn) 化了現(xiàn)有的產(chǎn)氫工藝，實(shí)現(xiàn)了微藻培養(yǎng)和光照產(chǎn)氫的一體化。
本實(shí)驗(yàn)所建立的一體化光生物反應(yīng)器系統(tǒng)如圖1所示，在微藻的培養(yǎng)階段，轉(zhuǎn)換
閥D為開放態(tài)，通過泵C向反應(yīng)器中泵入空氣、(A混合氣，為藻提供碳源的同時(shí)還能夠起到
攪動(dòng)藻液的作用；在制氫階段開放B，以^吹掃IO分鐘，除去反應(yīng)器中的氧，此時(shí)D仍為開
放態(tài)。接著，關(guān)閉B、D，使反應(yīng)器處于密閉狀態(tài)。并繼續(xù)由泵C進(jìn)行體系內(nèi)氣體的自循環(huán)。
系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣被燃料電池E所消耗，E的電流變化可由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)G進(jìn)行記錄。 —種亞心形扁藻高密度培養(yǎng)與產(chǎn)氫一體化的制氫方法，以具有光解海水產(chǎn)氫功能
的單細(xì)胞海洋綠藻_亞心形扁藻為產(chǎn)氫材料，在平板光生物反應(yīng)器上外接堿性氫氧燃料電
池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來維持體系內(nèi)較低氫分壓，通過燃料電池的持續(xù)耗氫以保持光反應(yīng)器體系
內(nèi)較低氫分壓，消除產(chǎn)物抑制，提高產(chǎn)氫量；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將海洋微藻高密度培養(yǎng)、光解水產(chǎn)氫
相結(jié)合的實(shí)用化的平板光生物反應(yīng)系統(tǒng)。 具體操作過程為， 1)扁藻接種于平板光生物反應(yīng)器中投加康維方培養(yǎng)基，接種處于指數(shù)生長(zhǎng)期的 扁藻，扁藻的接種密度為0. 5-1 X 106Cell/mL ; 2)扁藻培養(yǎng)接種后的扁藻先在培養(yǎng)溫度為22-3(TC，光強(qiáng)為80-150 iiE/m2. s—、 光暗比為12-14 : 10-12的培養(yǎng)條件下適應(yīng)一天，接著通入2-5% V/V濃度的二氧化碳和空 氣的混合氣，通氣量為0. 2-1 vvm ; 3)當(dāng)平板反應(yīng)器中的藻密度達(dá)到6-10Xl(fcell/mL時(shí)，即進(jìn)行產(chǎn)氫；產(chǎn)氫時(shí)，將 反應(yīng)器密封，再通入氮?dú)獯祾?0-20分鐘，以達(dá)到厭氧狀態(tài)；接著使反應(yīng)器避光4-12小時(shí)進(jìn) 行暗誘導(dǎo)，使扁藻氫酶充分表達(dá)； 4)暗誘導(dǎo)后，加入終濃度為7. 5 15 ii M解偶聯(lián)劑CCCP到藻液中，并利用NaOH和 HC1將藻液pH值調(diào)至7-8 ;注入解偶聯(lián)劑20-30分鐘后，再施加100-150 y E/m2. s—1的光照 于平板反應(yīng)器之上，進(jìn)行連續(xù)光照產(chǎn)氫； 產(chǎn)氫過程中，光反應(yīng)器內(nèi)藻液上方的氣體循環(huán)由一臺(tái)微型真空泵來完成，真空泵 將藻液上方的氣體鼓入藻液內(nèi)，以確保產(chǎn)氫時(shí)，系統(tǒng)的厭氧環(huán)境。 步驟2)培養(yǎng)階段和步驟4)產(chǎn)氫階段所需光強(qiáng)，由5-10只熒光燈提供，照光方式 為單側(cè)光照；光強(qiáng)的具體數(shù)值由輻照計(jì)測(cè)量；通過調(diào)整光源與反應(yīng)器的距離來達(dá)到所需的 光照強(qiáng)度。 5)光反應(yīng)器內(nèi)藻液產(chǎn)生的氫氣通過管路導(dǎo)入堿性氫氧燃料電池的氫電極，通過燃 料電池的持續(xù)耗氫以保持光反應(yīng)器體系內(nèi)較低氫分壓，消除產(chǎn)物抑制，提高產(chǎn)氫量；系統(tǒng)產(chǎn) 生的氫氣被燃料電池所消耗，電流變化可由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行記錄。6)體外氫酶活性的測(cè)定在厭氧環(huán)境中進(jìn)行。以50mmol磷酸緩沖液(pH6. 8)作為
緩沖液，以被連二亞硫酸鈉(Na2S204)還原的甲基紫精(Methylviologen， MV)作為電子供
體。反應(yīng)系統(tǒng)包括終濃度為10mM的MV和lOOmM的連二亞硫酸鈉及500 y 1藻液。在37°C
水浴中振蕩孵育20min后，用氣相色譜檢測(cè)氫氣組分含量。按下式計(jì)算體外氫酶活性
",..," n，，-i,-i， 9x40x(^腳/7/， 1
Zfy<irogewas￡<3cm^(v[〃wo//f2.wgC7// ] = ~t;^-^-^~二，'，…， 7)由光照反應(yīng)器中取10 iiL藻液，注入Water PAM葉綠素?zé)晒鈨x的測(cè)量杯中，再加 入3mL無菌海水培養(yǎng)基，混合后進(jìn)行測(cè)量。通過A F/Fm'及Yeild等葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變 化，反映藻細(xì)胞PS II的光化學(xué)活性變化。
8)由燃料電池監(jiān)測(cè)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)以時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，得到電流、氫酶活性和PS
n活性隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。由電流變化曲線依據(jù)電子數(shù)和消耗的氫原子數(shù)的一一對(duì)應(yīng) 關(guān)系積分計(jì)算產(chǎn)氫量，并參照氫酶活性和PS n活性隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線研究產(chǎn)氫機(jī)理。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的微藻產(chǎn)氫工藝，將高密度培養(yǎng)階段和光照產(chǎn)氫階段相結(jié)合， 省去了以往的制氫前離心濃縮步驟。節(jié)省了產(chǎn)氫運(yùn)行成本，降低產(chǎn)氫過程中人力的投入。
2.可真正實(shí)現(xiàn)循環(huán)產(chǎn)氫。在一次接種后，經(jīng)培養(yǎng)階段和產(chǎn)氫階段后，可將反應(yīng)器中 的藻液放出，只留少量的藻液作為接種物。然后添加新鮮培養(yǎng)基，進(jìn)入下一個(gè)培養(yǎng)階段，待 藻密度達(dá)到產(chǎn)氫要求后，即可進(jìn)行光照產(chǎn)氫。如此即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫過程的循環(huán)。
3.在每個(gè)產(chǎn)氫循環(huán)當(dāng)中放出的藻液，可被進(jìn)一步的深入利用。如提取油脂，發(fā)酵 生產(chǎn)乙醇等。如能規(guī)?；a(chǎn)，每個(gè)循環(huán)中會(huì)積累數(shù)量可觀的藻類生物質(zhì)。從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng) 藻類生物質(zhì)和生產(chǎn)氫氣的雙重目的。 4.由于培養(yǎng)、產(chǎn)氫一體化反應(yīng)器采用平板式設(shè)計(jì)，比起現(xiàn)有的圓柱形攪拌反應(yīng)器，
可大大提高光能利用效率。理論上講，可在更高的藻密度條件下，光照產(chǎn)氫。 5.采用氣體鼓泡式攪拌方式，在攪動(dòng)藻液的同時(shí)，還能促進(jìn)氣體的交換。省去了實(shí)
驗(yàn)室中常用的磁力攪拌方式。另外，在產(chǎn)氫階段通過衛(wèi)星循環(huán)泵，可實(shí)現(xiàn)密閉反應(yīng)器中氣體
的自循環(huán)，使產(chǎn)生的氫氣能夠迅速的實(shí)現(xiàn)液相到氣相的轉(zhuǎn)換，有利于燃料電池消耗氫氣產(chǎn)
生電流。并能夠進(jìn)一步減輕氫氣對(duì)產(chǎn)氫過程的反饋抑制作用。 總之，本發(fā)明大大簡(jiǎn)化了扁藻光解水產(chǎn)氫過程，減少產(chǎn)氫過程中的人力投入，為循 環(huán)式微藻產(chǎn)氫提供了技術(shù)支持。


圖1為本發(fā)明中使用的高密度培養(yǎng)和光照產(chǎn)氫一體化反應(yīng)器簡(jiǎn)圖； 其中A :二氧化碳?xì)馄?；B :氮?dú)馄?；C :微型真空循環(huán)泵；D :氣路轉(zhuǎn)換閥；E :堿性
燃料電池；F :輻照計(jì)；G :燃料電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；H :板式光生物反應(yīng)器；1 :氣體分散裝
置； 圖2為不同二氧化碳培養(yǎng)條件下扁藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線(藻密度變化)； 圖3為不同二氧化碳培養(yǎng)條件下扁藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線(干重變化)； 圖4不同二氧化碳培養(yǎng)條件下葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)率； 圖5不同二氧化碳培養(yǎng)條件下葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線； 圖6產(chǎn)氫階段葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線； 圖7產(chǎn)氫階段藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)率變化； 圖8產(chǎn)氫階段中偶聯(lián)燃料電池的產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)曲線； 圖9產(chǎn)氫階段中氫酶活性及氧濃度的變化。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明本發(fā)明使用解偶聯(lián)劑CCCP脅迫調(diào) 控扁藻產(chǎn)氫，使用堿性燃料電池外接30歐姆電阻持續(xù)耗氫發(fā)電，監(jiān)測(cè)并記錄電阻兩端電壓 計(jì)算得到電流，對(duì)電流曲線積分計(jì)算獲得通過電路的電量值，由電子數(shù)與耗氫原子的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算總產(chǎn)氫量，該方法已由申請(qǐng)人申報(bào)專利(申請(qǐng)?zhí)?00510136770. x，一種燃料 電池耗氫技術(shù)用于扁藻光解海水產(chǎn)氫的方法)。解偶聯(lián)劑CCCP脅迫產(chǎn)氫采用申請(qǐng)人已申報(bào) 的專利技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)?3110981. O，發(fā)明名稱一種海洋綠藻兩步法生物光解水制氫方法)， 所用燃料電池及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室自行組裝研制，其他試劑均為商業(yè)化試劑。
按照常規(guī)方法配制1000倍康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液NaN03 100g/L， NaH2P04 *H20 20g/L， EDTA-Na 45g/L， H3B03 33. 6g/L， FeCl3 6H20 1. 3g/L， MnCl2 4H20 0. 36g/L， ZnCl2 0. 021g/ L， CoCl2 6H20 0. 02g/L， CuS04 5H200. 02g/L， (NH4)6M07024 4H20 0. 009g/L ;
用經(jīng)砂濾的天然海水ll(TC高壓蒸汽滅菌15min，冷卻后添加1000倍康維方營(yíng)養(yǎng) 鹽母液，配制成康維方培養(yǎng)基(NaN03 100mg/L， NaH2P04 H2020mg/L， EDTA-Na 45mg/L， H3B03 33. 6mg/L， FeCl3 6H20 1. 3mg/L， MnCl2 4H20 0. 36mg/L， ZnCl2 0. 021mg/L， CoCl2 6H20 0. 02mg/L， CuS04 5H20 0. 02mg/L， (NH4)6M07024 4H20 0. 009mg/L);
實(shí)施例1 所用反應(yīng)器如圖l所示，采用3mm平板玻璃制作，規(guī)格為20cn^20ci^3cm，實(shí)際使用 體積為1. 5L。實(shí)驗(yàn)所需的亞心形扁藻(Platymonassubcordiformis)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室純化后，以康 維方營(yíng)養(yǎng)鹽為培養(yǎng)基，培養(yǎng)于2升三角瓶中，接種初始密度為5X10、ell/mL，藻液體積為1 升；培養(yǎng)溫度為25t:;光強(qiáng)為50i!E/m2.8—、光暗比為14 : 10。當(dāng)搖瓶中的藻處于指數(shù)生 長(zhǎng)期時(shí)，稀釋至106cell/mL，接種于平板反應(yīng)器中，藻液體積為1. 5L。培養(yǎng)過程中，采用不同 濃度的C02對(duì)藻液進(jìn)行通氣培養(yǎng)，以考察不同濃度的C02對(duì)扁藻生長(zhǎng)的影響，并找出適合高 密度培養(yǎng)扁藻的(A濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2，圖3所示。結(jié)果表明培養(yǎng)階段通入2%和5% 的(A，可明顯促進(jìn)藻的增殖，9天內(nèi)即可使藻密度達(dá)到8. 5X106cell/mL左右，近乎空氣處 理組的兩倍。同時(shí)，該兩組處理對(duì)扁藻干物質(zhì)的積累有明顯的促進(jìn)作用；而10%和15% C02 處理組對(duì)藻密度和干重的影響不很明顯，幾乎與空氣處理組相同；20% C(^處理組對(duì)藻的生 長(zhǎng)有著明顯的抑制作用，可能的原因是由于高濃度的(A使藻液pH值持續(xù)下降，進(jìn)而造成 酸堿脅迫所致。 圖4的結(jié)果顯示2% C02處理組的這兩項(xiàng)指標(biāo)均為最高，PS II活性最好，具有較強(qiáng) 的光合能力；而5%0)2處理雖有較強(qiáng)的潛在光合能力，但其實(shí)際光合量子產(chǎn)率并不高。另 外，通過快速光誘導(dǎo)曲線(圖5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，各處理組中，2%0)2處理組具有最強(qiáng)的電子傳 遞能力(電子傳遞能力是高效產(chǎn)氫的物質(zhì)保障)?？梢?%0)2處理組培養(yǎng)的扁藻具有最 高的光合能力及較強(qiáng)的光合電子傳遞能力?？梢允∪ツ壳爱a(chǎn)氫方法中的離心濃縮步驟。這 些結(jié)果說明，本發(fā)明在扁藻培養(yǎng)階段能夠促進(jìn)生物質(zhì)的快速積累，并能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到 產(chǎn)氫所需的生物量，可以省去目前產(chǎn)氫方法中的離心濃縮步驟。
實(shí)施例2 在圖1所示的反應(yīng)器中，當(dāng)扁藻密度達(dá)8 X 106cell/mL時(shí)，關(guān)閉C02氣瓶，并使反應(yīng) 器避光。然后將氣路轉(zhuǎn)化閥轉(zhuǎn)至^氣閥，并打開氮?dú)馄?，利用氮?dú)鈱⒎磻?yīng)器中的氧氣吹掃干 凈，10分鐘后反應(yīng)器內(nèi)即達(dá)厭氧狀態(tài)。最后將氣路轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉，使反應(yīng)器處于暗處進(jìn)行4小 時(shí)的暗誘導(dǎo)。此期間微型真空循環(huán)泵要始終處于開放狀態(tài)，以起到對(duì)藻液的攪拌作用。在 光照前，向反應(yīng)器內(nèi)注入15ii L的CCCP，20分鐘后進(jìn)行連續(xù)光照產(chǎn)氫，光照強(qiáng)度為100 ii E/ m2. s 、 圖6的結(jié)果表明，隨著產(chǎn)氫時(shí)間的推移，快速光誘導(dǎo)曲線不斷下降，說明光合電子
6傳遞的能力(相對(duì)電子傳遞速率rETR)隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱，進(jìn)而影響氫酶的電子 和質(zhì)子供給，使產(chǎn)氫能力下降。造成這一現(xiàn)象的可能原因是產(chǎn)氫時(shí)的高光強(qiáng)造成光抑制；儲(chǔ) 藏物質(zhì)的大量消耗，造成維系自身生存的能量供給不足；產(chǎn)氫過程中的副產(chǎn)物如甲酸、乙 酸等對(duì)藻體產(chǎn)生毒害作用。圖7顯示產(chǎn)氫體系中Fv/Fm和AF/Fm'都隨著時(shí)間的推移不斷 的下降，說明一旦光照產(chǎn)氫開始，PS II即處于一個(gè)逐漸失活的狀態(tài)。其原因可能是自身D1 蛋白無法得到及時(shí)修復(fù)，進(jìn)而造成還原側(cè)電子積累，使活性下降。Dl蛋白的修復(fù)較為緩慢， 而電子積累造成的活性下降相對(duì)較快，二者相互競(jìng)爭(zhēng)使得光照10小時(shí)內(nèi)PS II活性下降明 顯，此后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；產(chǎn)氫20小時(shí)后，PS II活性繼續(xù)下降，電子供給能力進(jìn) 一步減弱。 圖8為堿性燃料電池耗氫速率與扁藻產(chǎn)氫速率的關(guān)系比較。經(jīng)計(jì)算，產(chǎn)氫的總體 積為26. 77mL，燃料電池耗氫總體積為26. 35mL，最大產(chǎn)氫速率為1. 65mL/h，最大耗氫速率 為1. 23mL/h。該產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)過程大致分為三個(gè)階段第一階段，產(chǎn)氫速率迅速上升階段。這 一階段光合電子傳遞能力強(qiáng)，氫酶活性高，產(chǎn)氫速率大于耗氫速率，反應(yīng)器中氫氣濃度不斷 加大，產(chǎn)氫系統(tǒng)處于"供大于求"狀態(tài)；第二階段，產(chǎn)氫速率下降階段。此階段產(chǎn)氫速率持續(xù) 下降，至a點(diǎn)處與耗氫速率相等，此后便始終低于燃料電池的耗氫速率，并一直延續(xù)到光照 后的60小時(shí)左右，這一階段系統(tǒng)處于"供不應(yīng)求"的狀態(tài)；第三階段，產(chǎn)氫穩(wěn)定狀態(tài)。這一 階段，系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率基本恒定，但較低。扁藻所產(chǎn)氫氣全部被燃料電池消耗，反應(yīng)器中氫 氣濃度接近為零。圖9顯示了產(chǎn)氫過程中氫酶活性及反應(yīng)器中氧含量的變化情況。隨著時(shí) 間的推移氫酶活性越來越低，而隨著氧含量的進(jìn)一步升高，使氫酶的活性受很大抑制，進(jìn)而 使藻細(xì)胞的產(chǎn)氫能力持續(xù)下降。 動(dòng)力學(xué)曲線與前述PS II活性、光合電子傳遞能力(rETR)及氫酶活性在變化趨勢(shì) 上能夠很好的吻合，說明這些指標(biāo)是影響產(chǎn)氫的最關(guān)鍵因素。也印證了本發(fā)明可以作為研 究產(chǎn)氫機(jī)理的技術(shù)平臺(tái)。
權(quán)利要求
一種亞心形扁藻高密度培養(yǎng)與產(chǎn)氫一體化的制氫方法，其特征在于以具有光解海水產(chǎn)氫功能的單細(xì)胞海洋綠藻-亞心形扁藻為產(chǎn)氫材料，在平板光生物反應(yīng)器上外接堿性氫氧燃料電池持續(xù)耗氫系統(tǒng)來維持體系內(nèi)較低氫分壓，通過燃料電池的持續(xù)耗氫以保持光反應(yīng)器體系內(nèi)較低氫分壓，消除產(chǎn)物抑制，提高產(chǎn)氫量；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將海洋微藻高密度培養(yǎng)、光解水產(chǎn)氫相結(jié)合的實(shí)用化的平板光生物反應(yīng)系統(tǒng)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的的制氫方法，其特征在于具體操作過程為，1) 扁藻接種于平板光生物反應(yīng)器中投加康維方培養(yǎng)基，接種處于指數(shù)生長(zhǎng)期的扁 藻，扁藻的接種密度為0. 5-1 X 106Cell/mL ;2) 扁藻培養(yǎng)接種后的扁藻先在培養(yǎng)溫度為22-3(TC，光強(qiáng)為80-150 iiE/m2. s—、光暗 比為12-14 : 10-12的培養(yǎng)條件下適應(yīng)一天，接著通入2-5% V/V濃度的二氧化碳和空氣的 混合氣，通氣量為0. 2-1 vvm ;3) 當(dāng)平板反應(yīng)器中的藻密度達(dá)到6-10X106cell/mL時(shí)，即進(jìn)行產(chǎn)氫；產(chǎn)氫時(shí)，將反應(yīng) 器密封，再通入氮?dú)獯祾?0-20分鐘，以達(dá)到厭氧狀態(tài)；接著使反應(yīng)器避光4-12小時(shí)進(jìn)行暗 誘導(dǎo)，使扁藻氫酶充分表達(dá)；4) 暗誘導(dǎo)后，加入終濃度為7. 5 15 ii M解偶聯(lián)劑CCCP到藻液中，并利用NaOH和HC1 將藻液pH值調(diào)至7-8 ;注入解偶聯(lián)劑20-30分鐘后，再施加100-150 y E/m2. s—1的光照于平 板反應(yīng)器之上，進(jìn)行連續(xù)光照產(chǎn)氫；5) 光反應(yīng)器內(nèi)藻液產(chǎn)生的氫氣通過管路導(dǎo)入堿性氫氧燃料電池的氫電極，通過燃料電 池的持續(xù)耗氫以保持光反應(yīng)器體系內(nèi)較低氫分壓，消除產(chǎn)物抑制，提高產(chǎn)氫量；系統(tǒng)產(chǎn)生的 氫氣被燃料電池所消耗，電流變化可由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行記錄。
3. 按照權(quán)利要求2所述的的制氫方法，其特征在于在步驟4)產(chǎn)氫過程中，光反應(yīng)器 內(nèi)藻液上方的氣體循環(huán)由一臺(tái)微型真空泵來完成，真空泵將藻液上方的氣體鼓入藻液內(nèi)， 以確保產(chǎn)氫時(shí)，系統(tǒng)的厭氧環(huán)境。
4. 按照權(quán)利要求2所述的的制氫方法，其特征在于步驟2)培養(yǎng)階段和步驟4)產(chǎn)氫階 段所需光強(qiáng)，由5-10只熒光燈提供，照光方式為單側(cè)光照；光強(qiáng)的具體數(shù)值由輻照計(jì)測(cè)量；通過調(diào)整光源與反應(yīng)器的距離來達(dá)到所需的光照強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明利用整合了燃料電池的平板光生物反應(yīng)器，將微藻高密度培養(yǎng)和光照產(chǎn)氫進(jìn)行了整合，形成一體化產(chǎn)氫體系。通常微藻培養(yǎng)和光合產(chǎn)氫兩段工藝在時(shí)空上是分開的，培養(yǎng)的低密度藻細(xì)胞需經(jīng)濃縮再光照產(chǎn)氫，因此要分別在兩個(gè)光生物反應(yīng)器中進(jìn)行。本發(fā)明微藻產(chǎn)氫是將低密度微藻接種于反應(yīng)器中，利用富加二氧化碳的培養(yǎng)方式，經(jīng)短期培養(yǎng)即可達(dá)到產(chǎn)氫所需的生物量，然后再經(jīng)暗誘導(dǎo)，即可進(jìn)入連續(xù)光照產(chǎn)氫階段。所產(chǎn)生的氫氣可被整合于反應(yīng)器之上的燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，并可通過電流的變化，對(duì)產(chǎn)氫狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明首次將微藻培養(yǎng)和產(chǎn)氫兩段工藝相結(jié)合，并利用燃料電池將氫轉(zhuǎn)化為電能，為規(guī)模化微藻產(chǎn)氫提供了可靠的技術(shù)支持。
文檔編號(hào)C12R1/89GK101748154SQ20081022997
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者傅赟彬, 張衛(wèi), 彥飛, 鄭陽(yáng), 陸洪斌, 陳兆安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所