CN101275117A - 一种利用co2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物制氢，具体说是一种利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，以亚心形扁藻为产氢藻类，在光生物反应器中，利用气体中的二氧化碳及流加营养盐的培养方式，藻细胞从接种密度(0.6×106cells/mL)10天内达到最佳产氢密度(6×106cells/mL)，不必经过离心浓缩，洗涤等步骤直接用于生物制氢。本发明克服了以往藻细胞培养与制氢过程中工艺复杂冗长、成本高、效率低等缺点，该方法简便可行，除简化了培养与制氢过程工艺，缩短时间提高效率并降低成本，还可净化CO2气体污染与减轻大气温室效应外；具有广泛应用前景和社会经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及生物制氢，具体说是一种利用气体中的二氧化碳(包括大气中的CO2及工厂排放气中的CO2)使藻类快速增殖，短期内达到最佳产氢藻密度，并直接用于藻类生物制氢的方法，其可在减少二氧化碳污染、藻类培养及生物制氢等领域中的应用。
背景技术
随着能源危机与环境污染问题的日趋严重，人类社会排放到大气中的CO2不断增加，最突出的是温室效应。氢是一种高效、洁净的可再生能源，氢能的研究和利用日益受到重视。生物制氢具有常温常压操作、低能耗以及环境友好等特点，是符合氢能经济战略目标的理想制氢技术。
藻类可利用气体中的二氧化碳进行光自养，具有繁殖快、环境适应性强等优点。某些藻类还可利用体内的可逆氢酶进行生物制氢，包括淡水藻斜栅藻(Scenedesmus obliquus)、莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、小球藻(Chlorella fusca)、海洋藻绿球藻(Chlorococcum littorale)和亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)等。
通常实验室中培养藻类的方法采用摇瓶静置培养，接种密度为0.3×106cells/mL，培养30天后细胞密度才能达2×106cells/mL。在产氢过程中藻液还需经过离心浓缩洗涤等处理步骤，才到最佳产氢藻密度6×106cells/mL，方可进行藻类生物制氢。
发明内容
本发明目的是提供一种利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，其把气体中的二氧化碳通入到藻培养的反应器中，使藻类快速增殖，短期内达到最佳产氢藻密度，并可直接用于藻类生物制氢的新技术。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明以亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)为实验材料，在光生物反应器中，利用气体中的二氧化碳及流加营养盐的培养方式，藻细胞从接种密度(0.6×106cells/mL)10天内达到最佳产氢密度(6×106cells/mL)，不必经过离心浓缩，洗涤等步骤直接用于生物制氢。
具体为：
1)以亚心形扁藻为产氢藻类，将微藻细胞接种于光生物反应器中，采用气体中的二氧化碳(如：大气中的CO2及工厂排放气中的CO2。)作为碳源，流加康维方营养盐快速培养藻类：
气体中二氧化碳体积浓度0.03～30％，气体流速为50～500ml/min；每1～10天流加加入原培养体系中所添加康维方营养盐母液体积0～10倍的营养盐母液，最好每2～5天流加0.5-2倍体积的康维方营养盐母液；亚心形扁藻接种密度为0.1×106～1×106cells/mL，平均光强为4000～6000lx，采用左右两个方向采光，温度控制在15～30℃，光暗时间比为10～24h∶14～0h；
所述光生物反应器由气源经主管路与培养单元相连接构成；
其中培养单元可为1个或1个以上的多个并联；培养单元由透明材质制成，培养单元的左右两侧均设置有光源；培养单元的底部设置有由多孔材料构成的布气器，布气器下端设置有与外管路相通的进气口；所述多孔材料为玻璃泡、筛板、珊瑚礁或气石；最好为筛板；
所述气源为相互并联的气瓶与压缩泵，它们分别通过气体控制阀和气体流量计与主管路相连通；
2)直接将藻液装入产氢反应器中，密封，置于暗处，通氮气5～30min，流速为30～100mL/min，排出体系内的氧气，整套反应体系置于光照培养箱内；暗诱导4-24h后加入解偶联剂CCCP，使其终浓度达5～25μM，10～30min后开始光照；50～200rpm/min的磁力搅拌，温度控制在20～35℃，光照强度为3000～8000lx的日光灯下连续光照产氢。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、环境友好：过程无污染，可利用气体中的产生温室效应的CO2气体作为碳源，转化为自身有机质。
2、高效、快速提高藻密度：藻细胞短期内达到最佳产氢密度。
3、高密度培养的藻可直接用于生物制氢：克服离心浓缩，洗涤并更换新鲜培养基等冗长的步骤，简化藻类光水解制氢工艺，提高效率，减少制氢工艺成本。
总之，本发明方法可实现藻类利用气体中的二氧化碳快速增殖，短期内达到最佳产氢藻密度，并可直接用于生物制氢，在减轻空气污染、藻类培养及太阳能光解水生物制氢领域具有广泛应用价值。
附图说明
图1为本发明光生物反应器结构示意图；注：1.气瓶；2.压缩泵；3.气体控制阀；4.气体流量计；5.光生物反应器；6.光源；7为布气器；(箭头表示气流方向)
图2为本发明光照产氢装置示意图；注：8.磁力搅拌器；9.产氢装置的光源；10.光反应器；11.排气口(取液体样口)；12.取气体样口；13.导气管；14.气体收集管；15.液封用量桶；
图3为本发明不同培养方式扁藻细胞的生长动力学曲线；
图4为本发明不同培养方式第10天扁藻光照产氢情况曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法与结果进行说明，本发明利用细胞培养基和厌氧诱导采用申请人已申报的专利制备(申请号03110981.0，发明名称：一种海洋绿藻两步法生物光解水制氢方法)进行，其他试剂均为商业化的试剂。
实施例1
亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)由辽宁省大连水产研究所提供，并经过本实验室平板纯化。
按照常规方法配制1000倍康维方营养盐母液：NaNO3 100g/L，NaH2PO4·H2O 20g/L，EDTA-Na 45g/L，H3BO3 33.6g/L，FeCl3·6H2O 1.3g/L，MnCl2·4H2O 0.36g/L，ZnCl2 0.021g/L，CoCl2·6H2O 0.02g/L，CuSO4·5H2O 0.02g/L，(NH4)6MO7O24·4H2O 0.009g/L
用经砂滤的天然海水110℃高压蒸汽灭菌15min，冷却后添加1000倍康维方营养盐母液，配制成康维方培养基(NaNO3 100mg/L，NaH2PO4·H2O20mg/L，EDTA-Na 45mg/L，H3BO3 33.6mg/L，FeCl3·6H2O 1.3mg/L，MnCl2·4H2O 0.36mg/L，ZnCl2 0.021mg/L，CoCl2·6H2O 0.02mg/L，CuSO4·5H2O 0.02mg/L，(NH4)6MO7O24·4H2O 0.009mg/L)；
1)从琼脂平板挑取的单细胞藻落，经逐级放大培养，获得种子细胞。细胞接种密度为0.6×106cells/mL，温度控制在25℃，光暗时间比为14h∶10h；
将藻液分为两组，一组进行摇瓶静置培养，平均光强为3000lx，采用上下两个方向采光，每天定时摇4～6次；
另一组放入光生物反应器中，通入气瓶中二氧化碳(3％，V/V)，流速为100ml/min；平均光强为5000lx，采用左右两个方向采光，每2天流加1/2倍1000倍的康维方营养盐母液；
如图1所示，所述光生物反应器由气源经主管路与培养单元5相连接构成；
所述培养单元5为多个并联；培养单元5由透明材质制成，培养单元的左右两侧均设置有光源6；培养单元5的底部设置有由筛板制成的布气器7，布气器下端设置有与外管路相通的进气口；所述气源为相互并联的气瓶1与压缩泵2，它们分别通过气体控制阀3和气体流量计4与主管路相连通。
从图3可以看出，培养到第10天，采用摇瓶静置培养的方式，细胞密度达2×106cells/mL，而采用光生物反应器通二氧化碳(3％，V/V)并流加营养盐的培养方式，细胞密度达6×106cells/mL。利用特殊光生物反应器，光自屏蔽现象得到改善，对光能的利用率提高，气体交换通畅。通入二氧化碳流加营养盐的培养方式，绿藻将二氧化碳作为碳源，转化为自身的有机质贮存，短期内快速达到最佳产氢藻密度(6×106cells/mL)，缩短生产周期，降低生产成本。
2)取培养第10天藻细胞，将摇瓶静置培养的藻细胞通过离心浓缩，使细胞密度达6×106cells/mL；不洗涤，分别将浓缩后的藻液和光生物反应器培养的藻液装入500mL产氢反应器中(参见图2所示)，连接并密封好弯管，置于暗处，通氮气10min，流速为50mL/min，排出体系内的氧气，整套反应体系置于HPG-400光照培养箱内。暗诱导12h后加入解偶联剂CCCP，使其终浓度达15μM，20min后开始光照。150rpm/min的磁力搅拌，温度控制在25±1℃，光照强度为8000lx的日光灯下连续光照产氢。取气样0.5mL，海欣GC-960T气相色谱检测连续光照过程中气体中氢气浓度。
从图4中可以看出，摇瓶静置培养的藻经过离心浓缩到细胞密度6×106cells/mL，经暗诱导12h后，加入15μM CCCP后，光照24h产氢达20ml；而采用光生物反应器通入二氧化碳并流加营养盐的培养的藻不必经过离心洗涤等步骤，直接倒入500mL反应器中，经暗诱导12h后，加入15μMCCCP后，光照24h产氢达30ml。采用光生物反应器通入二氧化碳并流加营养盐的培养方式，可简化藻类光水解制氢工艺，提高效率，减少制氢工艺成本。
Claims (5)
1. 一种利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，其特征在于：
1)以亚心形扁藻为产氢藻类，将微藻细胞接种于光生物反应器中，采用气体中的二氧化碳作为碳源，流加康维方营养盐快速培养藻类，
气体中二氧化碳体积浓度为0.03～30％，气体流速为50～500ml/min；每1～10天流加加入原培养体系中所添加康维方营养盐母液体积0～10倍的营养盐母液；亚心形扁藻接种密度为0.1×106～1×106cells/mL，平均光强为4000～6000lx，采用左右两个方向采光，温度控制在15～30℃，光暗时间比为10-24h∶14-0h；
所述光生物反应器由气源经主管路与培养单元(5)相连接构成；
其中培养单元(5)可为1个或1个以上的多个并联；培养单元(5)由透明材质制成，培养单元的左右两侧均设置有光源(6)；培养单元(5)的底部设置有由多孔材料构成的布气器(7)，布气器下端设置有与外管路相通的进气口；
所述气源为相互并联的气瓶(1)与压缩泵(2)，它们分别通过气体控制阀(3)和气体流量计(4)与主管路相连通；
2)直接将藻液装入产氢反应器中，密封，置于暗处，通氮气5～30min，流速为30～100mL/min，排出体系内的氧气，整套反应体系置于光照培养箱内；暗诱导4-24h后加入解偶联剂CCCP，使其终浓度达5～25μM，10～30min后开始光照；50～200rpm/min的磁力搅拌，温度控制在20～35℃，光照强度为3000～8000lx的日光灯下连续光照产氢。
2. 按照权利要求1所述利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，其特征在于：所述碳源大气中的CO2及工厂排放气中的CO2。
3. 按照权利要求1所述利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，其特征在于：每2～5天流加0.5-2倍体积的康维方营养盐母液。
4. 按照权利要求1所述利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，其特征在于：所述培养单元中的多孔材料为玻璃泡、筛板、珊瑚礁或气石。
5. 按照权利要求1所述利用CO2使藻类快速增殖直接用于生物制氢的方法，其特征在于：所述培养单元中的多孔材料为筛板。
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