本發(fā)明屬于環(huán)境能源，具體涉及一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、化石燃料的過(guò)度消費(fèi)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，加速全球變暖和加劇氣候變化，影響著人類社會(huì)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。開(kāi)發(fā)綠色、清潔和可再生能源則是解決上述問(wèn)題的有效方法。生物燃料如生物乙醇、生物柴油、生物氫等被認(rèn)為是化石燃料的替代品，它們的使用能顯著減少二氧化碳排放，有望緩解乃至解決全球能源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

2、生物燃料中，生物氫被認(rèn)為是最有前途的替代能源之一，其燃燒產(chǎn)生熱量比碳?xì)浠衔锔咔胰紵蟛粫?huì)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)環(huán)境十分友好。早在20世紀(jì)，利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的可再生氫和生物氫就已經(jīng)引起了人們的注意。微藻在黑暗/光環(huán)境轉(zhuǎn)變后的短暫時(shí)間里，能夠快速產(chǎn)生氫氣。然而，光合作用產(chǎn)生的氧氣強(qiáng)烈且不可逆地抑制氫化酶活性，導(dǎo)致微藻光生物制氫的持續(xù)時(shí)間短，氫氣產(chǎn)量難以提高?；诤粑鰪?qiáng)、營(yíng)養(yǎng)剝奪和耐氧氫化酶基因工程等強(qiáng)化手段的提出，在一定程度上降低了氧氣對(duì)生物氫生產(chǎn)的負(fù)面影響，促進(jìn)了微藻制氫的效率。

3、盡管強(qiáng)化微藻制氫的技術(shù)手段經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，但微藻制氫的生產(chǎn)率相對(duì)較低、生產(chǎn)時(shí)間有限，這仍是微藻光生物氫生產(chǎn)未來(lái)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)和瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的就在于提供一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器及其制備方法，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單、可重復(fù)性高，制備得到的產(chǎn)氫微反應(yīng)器能維持長(zhǎng)期厭氧微環(huán)境和高氫酶活性，從而能有效提高微藻的氫氣產(chǎn)量。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，具體包括以下步驟：

4、(1)將產(chǎn)氫微藻和海藻酸鈉溶液混勻，得到微藻-海藻酸鈉溶液，然后填充到雙通道微流泵的一個(gè)注射器中，并將氯化鈣溶液填充到雙通道微流泵另一個(gè)注射器中；

5、(2)將雙通道微流泵與3d打印機(jī)的打印頭連接，按照預(yù)設(shè)產(chǎn)氫微藻內(nèi)核模型，從打印頭分別泵出微藻-海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液，打印得到產(chǎn)氫微反應(yīng)器的產(chǎn)氫微藻內(nèi)核；

6、(3)將電活性細(xì)菌與殼聚糖溶液混勻，得到細(xì)菌-殼聚糖溶液，將步驟(2)的產(chǎn)氫微藻內(nèi)核浸泡在細(xì)菌-殼聚糖溶液中攪拌25～30min，即得到所述產(chǎn)氫微反應(yīng)器。

7、進(jìn)一步地，所述產(chǎn)氫微藻為衣藻、集胞藻、柵藻和小球藻中的一種。

8、進(jìn)一步地，步驟(1)中，產(chǎn)氫微藻和海藻酸鈉溶液的體積比為：2.5～7.5:1。

9、進(jìn)一步地，產(chǎn)氫微藻的密度為5.0～15.0mg?chlorophyll/l；海藻酸鈉溶液的濃度為10～20％(w/v)；氯化鈣溶液的濃度為2.0～4.0％(w/v)。

10、進(jìn)一步地，預(yù)設(shè)產(chǎn)氫微藻內(nèi)核模型包括球體和均勻分布在球體表面的若干圓錐體鋸齒，所述球體的直徑為200～800μm，相鄰兩圓錐體鋸齒的球面距離為60～65μm。

11、進(jìn)一步地，所述球體的直徑為600μm，所述圓錐體鋸齒底部直徑為150μm，圓錐體鋸齒高度為100μm，圓錐體鋸齒錐角為74°，相鄰兩圓錐體鋸齒球心角為12°。

12、進(jìn)一步地，步驟(2)中，打印時(shí)，微藻-海藻酸鈉溶液通道的注射流速為28～30μl/s，氯化鈣溶液通道的注射流速為8～12μl/s，打印頭移速為45～55μm/s。

13、進(jìn)一步地，所述電活性細(xì)菌為希瓦氏菌、地桿菌和脫硫單胞菌中的一種，電活性細(xì)菌的密度為1.0～5.0×105cells/ml。

14、進(jìn)一步地，步驟(3)中電活性細(xì)菌和殼聚糖溶液的體積比為：1:2～10；殼聚糖溶液中殼聚糖濃度為1.0～2.0％(w/v)，且還含有乙酸，所述乙酸的濃度為0.5～1.0％(v/v)。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

16、1、本發(fā)明得到的產(chǎn)氫微反應(yīng)器為外層為電活性細(xì)菌、內(nèi)層為產(chǎn)氫微藻的藻菌共生微反應(yīng)器，外層電活性細(xì)菌可有效消耗外界和內(nèi)部產(chǎn)氫微藻產(chǎn)生的氧氣，為內(nèi)層產(chǎn)氫微藻提供有利于產(chǎn)氫的厭氧微環(huán)境和供給額外電子，內(nèi)層產(chǎn)氫微藻則為電活性細(xì)菌提供藻源有機(jī)代謝物，如此，外層電活性細(xì)菌、內(nèi)層產(chǎn)氫微藻的有機(jī)組合可大大提供氫氣的產(chǎn)量與持續(xù)性。

17、2、本發(fā)明的產(chǎn)氫微反應(yīng)器內(nèi)核為球體，并在球體表面均勻分布若干圓錐形鋸齒，使得產(chǎn)氫微反應(yīng)器具有較大的比表面積，且產(chǎn)氫微反應(yīng)器物質(zhì)擴(kuò)散路徑短，具有快速、高效的傳質(zhì)、傳熱等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的物質(zhì)轉(zhuǎn)化率和氫氣生產(chǎn)率。

18、3.本發(fā)明產(chǎn)氫微藻內(nèi)核模型的球體表面均勻分布圓錐體結(jié)構(gòu)，該鋸齒結(jié)構(gòu)可以極大增加外層電活性細(xì)菌和內(nèi)層產(chǎn)氫微藻的接觸面積，從而增加電子和有機(jī)代謝物傳輸能力；同時(shí)所述產(chǎn)氫微藻內(nèi)核模型采用圓錐體-鋸齒結(jié)構(gòu)，可以使外層電活性細(xì)菌和內(nèi)層產(chǎn)氫微藻形成互鎖結(jié)構(gòu)，從而使產(chǎn)氫微反應(yīng)器更加穩(wěn)定，不容易分解，最終有望產(chǎn)氫微反應(yīng)的使用壽命。

技術(shù)特征：

1.一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，所述產(chǎn)氫微藻為衣藻、集胞藻、柵藻和小球藻中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，產(chǎn)氫微藻和海藻酸鈉溶液的體積比為：2.5~7.5:1。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，產(chǎn)氫微藻的密度為5.0~15.0?mg?chlorophyll/l；海藻酸鈉溶液的濃度為10~20%（w/v）；氯化鈣溶液的濃度為2.0~4.0%（w/v）。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，預(yù)設(shè)產(chǎn)氫微藻內(nèi)核模型包括球體和均勻分布在球體表面的若干圓錐體鋸齒，所述球體的直徑為200~800μm，相鄰兩圓錐體鋸齒的球面距離為60~65μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，所述球體的直徑為600μm，所述圓錐體鋸齒底部直徑為150μm，圓錐體鋸齒高度為100μm，圓錐體鋸齒錐角為74°，相鄰兩圓錐體鋸齒球心角為12°。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，步驟（2）中，打印時(shí)，微藻-海藻酸鈉溶液通道的注射流速為28~30?μl/s，氯化鈣溶液通道的注射流速為8~12?μl/s，打印頭移速為45~55?μm/s。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，所述電活性細(xì)菌為希瓦氏菌、地桿菌和脫硫單胞菌中的一種，電活性細(xì)菌的密度為1.0~5.0×105?cells/ml。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法，其特征在于，步驟（3）中電活性細(xì)菌和殼聚糖溶液的體積比為：1:2~10；殼聚糖溶液中殼聚糖濃度為1.0~2.0%（w/v），且還含有乙酸，所述乙酸的濃度為0.5~1.0%（v?/v）。

10.一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器，其特征在于，采用權(quán)利要求1~9任一所述的一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種藻菌共生強(qiáng)化產(chǎn)氫微反應(yīng)器及其制備方法，其制備方法為：將產(chǎn)氫微藻和海藻酸鈉溶液混勻，得到微藻?海藻酸鈉溶液，然后填充到雙通道微流泵的一個(gè)注射器中，并將氯化鈣溶液填充到雙通道微流泵另一個(gè)注射器中；將雙通道微流泵與3D打印機(jī)的打印頭連接，按照預(yù)設(shè)產(chǎn)氫微藻內(nèi)核模型，從打印頭分別泵出微藻?海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液，打印得到產(chǎn)氫微反應(yīng)器的產(chǎn)氫微藻內(nèi)核；將電活性細(xì)菌與殼聚糖溶液混勻，得到細(xì)菌?殼聚糖溶液，將產(chǎn)氫微藻內(nèi)核浸泡在細(xì)菌?殼聚糖溶液中攪拌25~30?min，即得到所述產(chǎn)氫微反應(yīng)器。本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單、可重復(fù)性高，制備得到的產(chǎn)氫微反應(yīng)器能維持長(zhǎng)期厭氧微環(huán)境和高氫酶活性，從而能有效提高微藻的氫氣產(chǎn)量。

技術(shù)研發(fā)人員：晏鵬,汪檬,孫寶寶,晏卓立,陳猷鵬,王旭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2