CN103173498B - 一种利用微藻制备氘气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微藻制备氘气的方法，包括步骤：（1）将微藻接种于以普通水为溶剂配制的生长培养基中，以CO₂或者含CO₂的混合气体作为碳源，光照培养微藻进入指数生长期，收集处于指数生长期的藻体细胞；（2）将处于指数生长期的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的生长培养基中，以CO₂或者含CO₂的混合气体作为碳源，光照培养微藻再次进入指数生长期，收集得到用重水培养的藻体细胞；（3）将用重水培养的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的产氘培养基中，除氧后在黑暗环境中诱导或者在光照度小于50lx的低照度环境中诱导，再光照培养，制得氘气。该方法具有成本低廉、运行安全、操作简便、环境友好等特点。

Description

一种利用微藻制备氘气的方法

技术领域

本发明涉及氘气制备领域，具体涉及一种利用微藻制备氘气的方法，以微藻细胞作为催化剂，根据其光合作用分解水的原理，进行生物法制取氘气，属核能和生物能源领域。

背景技术

氘是一种十分重要的战略资源，其应用领域非常广泛。例如，氘在核能上主要用于热核反应，被称为“未来的天然燃料”；在军事领域，氘气可用于制造中子弹和激光器等；在民用工业领域，氘气可用于制作氘灯，而氘灯则广泛应用于液相色谱仪的UV检测器和核磁共振仪等多种分析测试仪器中；在医药领域，许多氘代药物可以提高药物的疗效、安全性和耐受性；在农业领域，一些氘代农药具有颇好的活性，毒力提高数倍。但目前规划制取氘气仍旧存在成本和技术要求较高、危险性高、设备工艺复杂、污染严重等问题。

氘气的传统制取方法主要包括液氢精馏法、色谱柱法、钯膜或金属氢化物法、重水电解法等，这些方法中前三种由于面临所需装置运行复杂、成本高、危险性大、处理量小等许多不足之处，尚未实现商业化大规模开发应用；重水电解法是目前得到规模化应用的主要方法，不过重水电解法对技术设备要求较高，只有美国等少数发达国家掌握高纯氘气的电解制备技术，因此国内高纯氘气主要依赖进口，价格十分昂贵。

现有的以重水制备氘气的技术如下：

中国专利ZL200610047013.X中公开了一种以重水为原料制取特高纯氘气的方法，采用低温双减容方法制取氘气，将重水和氢氧化钾按1：0.01-0.03的重量比例混合，混合后的电解液在-20℃～-10℃的温度条件下在无隔膜电解槽里进行减容电解，重水浓度达到99.99%时终止电解，然后在隔膜电解槽内进行减容电解，电解液温度在-10℃～-5℃，当氘气浓度达到99.99%时进行特高纯氘气生产。该方法的特点:采用氢氧化钾作为电解质，无隔膜电解槽与隔膜电解槽两个电解阶段均能使用，并且可循环使用，省去了蒸馏除碱生产过程，大大缩短流程，节省投资，降低成本。

中国专利申请CN200510046053.8中公开了一种以重水为原料制取超高纯氘气的生产方法，包括五个步骤：低温浓缩重水、蒸馏除碱、氘气制取、回收、蒸馏。该方法的特点是：电解浓缩重水在低温条件下进行，减小电解槽内电阻，有利于电解液循环混合，显著提高分离系数，可获得超高浓度的重水；对设备及管线进行真空处理，避免残存在设备内的空气和附着的水汽薄膜对原料及产品的稀释，保证原料及产品的纯度；原料的配制在干燥手套箱内进行，防止被湿气稀释；对排除的废料进行回收处理再利用，降低了成本；通过该方法生产的氘气，其纯度为99.99%以上。

上述两种方法对设备的要求较高，且工业生产时危险性较高。

中国专利ZL200710089245.6中公开了一种利用氢同位素交换法制取重水及氘气的生产方法，包括下列步骤：1.双温交换提取氘阶段，将原料水送入提氘塔上塔，上塔水的温度为20～30℃，压力为1.2～1.25MPa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，形成富氘水，富氘水再与氢气在催化床中逆流交换，氘从水中转入氢气内。2.液氢蒸馏阶段，通过低温吸附去除富氘气体中的杂质；蒸馏将氢化氘浓度富集到90%（mol）以上；歧化反应使得氘气浓度达99.8%（mol）。该的特点是：氘的提取率高，原料水用量少，是现有方法的三分之一，分离系数大，设备容积小，能耗低，安全可靠。

中国专利申请CN200610047272.2中公开了一种以含氚轻水(重水)为原料提取纯氚的生产方法，包括下列工艺步骤：A.氢-水(液)交换阶段，采用两段六级级联式对氢气与含氚轻水进行液相催化交换反应；B.低温蒸馏阶段采用低温吸附、液氢(氘)蒸馏和回收三段级联方法。该方法的特点:氢-水(液)交换阶段采用二段六级氢-水(液)交换技术，工艺流程简单，易操作，生产安全，易于轻水(重水)脱氚，提取率达到95%以上，低温蒸馏采用了双制冷技术(即氦液化制冷与氮液化制冷)、OP转化技术、催化合成燃烧技术和歧化技术，降低了原料和能源的消耗，减少了气载放射性流出物的排放，大大减轻环境污染，提取氚纯度为99%，最高可达到99.9%。

上述两种方法对设备的要求较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用微藻制备氘气的方法，主要是利用微藻光解重水生产氘气的方法，将具有产氢能力的微藻细胞置于无氧环境中，于重水配制的无硫培养基中光解重水，生产氘气。该方法较现有方法，具有环境友好、操作简便、运行安全、对设备要求不高的特点。

鉴于氘是氢的稳定态同位素，其化学性质与氢基本相同，而一些微藻能够利用光能分解水产生氢气。本发明发现能够依据微藻光解普通水的基本原理，通过将重水替代普通水，利用微藻光解重水生产氘气。与氘气的传统制取方法相比，利用微藻光解重水制取氘气具有技术新颖、成本低廉、运行安全、操作简便、环境友好等诸多优点。

微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，微藻种类繁多，如能合理利用，将具有更广阔的前景。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用微藻制备氘气的方法，包括步骤：

（1）将微藻接种于以普通水为溶剂配制的生长培养基中，以CO₂或者含CO₂的混合气体作为碳源，光照培养微藻进入指数生长期，收集处于指数生长期的藻体细胞；

（2）将步骤（1）中处于指数生长期的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的生长培养基中，以CO₂或者含CO₂的混合气体作为碳源，光照培养微藻再次进入指数生长期，收集得到用重水培养的藻体细胞；

（3）将步骤（2）中用重水培养的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的产氘培养基中，除氧后在黑暗环境中诱导或者除氧后在光照度小于50lx的低照度环境中诱导，再光照培养，使微藻细胞光解重水，制得氘气。

所述的以重水为溶剂配制的产氘培养基为缺硫培养基，即不含硫的无硫培养基。

本发明微藻利用光合作用分解重水产氘气，包括直接利用氢化酶和还原力还原氘质子产生氘气，但不限于此。

所述的微藻的种类与生长培养基是相对应的，不同种类的微藻可根据常识选择适宜其生长的相应的生长培养基，所述的生长培养基可选用微藻相应的现有生长培养基，可直接采用市售产品也可按现有配方配制，一般含有硫元素。

所述的以普通水为溶剂配制的生长培养基与以重水为溶剂配制的生长培养基除了溶剂不同之外，营养元素相同。

所述的以重水为溶剂配制的产氘培养基为用氯化物替代以重水为溶剂配制的生长培养基中的含硫化合物而配制的微藻产氘培养基，简称：产氘培养基。

步骤（2）中将处于指数生长期的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的生长培养基中培养，是为了对微藻进行生理状态适应，使微藻适应以重水为溶剂的培养环境。

所述的微藻选用能够光解重水产氘气的微藻，包括纤维藻（Ankistrodesmus sp.）、衣藻（Chlamydomonas moewusii）、夜配衣藻（Chlamydomonas noctigama）、八月衣藻（Chlamydomonas augustae）、雪衣藻（Chlamydomonas nivalis）、小球藻（Chlorella fusca）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、海洋绿球藻（Chlorococcum littorale）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、亚海生绿球藻（Chlorococcum submarinum）、亚心形扁藻（Platymonassubcordiformis）、惰性叶衣藻（Lobochlamys segnis）、脐形紫菜（Porphyraumbilicalis）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）、空泡栅藻（Scenedesmusvacuolatus）、羊角月牙藻（Selenastrum capricormutum）等中的一种或者上述微藻的突变体、亚种或变种；优选纤维藻（Ankistrodesmus sp.）、衣藻（Chlamydomonas moewusii）、小球藻（Chlorella fusca）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、亚心形扁藻（Platymonas subcordiformis）、惰性叶衣藻（Lobochlamys segnis）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）、空泡栅藻（Scenedesmus vacuolatus）中的一种。

所述的碳源优选含CO₂的混合气体，所述的含CO₂的混合气体进一步优选为空气、氮气、氩气等中的一种与CO₂的混合气体。

所述的含CO₂的混合气体中CO₂的体积分数最好为0.03%-25%。

所述的光照培养的条件优选为：以人工光或太阳光作为光源，温度为15℃-35℃，光照度为100lx（勒克司，lux）-30000lx；进一步优选：以人工光或太阳光作为光源，温度为28℃±5℃，光照度为30000lx。进一步优选：所述的光照培养在搅拌状态下进行，如在50-250rpm（转/分钟）搅拌状态下进行。优选的条件培养效果更好。

优选地，步骤（1）中，光照培养微藻至生长培养基的OD_680nm吸收值在1.0-5.0，最好在生长培养基的OD_680nm吸收值在2.5，收集处于指数生长期的藻体细胞。该时期收集的藻体细胞更有利于氘气的制备。

优选地，步骤（2）中，光照培养微藻至生长培养基的OD_680nm吸收值在1.0-5.0，最好在生长培养基的OD_680nm吸收值在2.0，收集得到用重水培养的藻体细胞。该时期收集的藻体细胞更有利于氘气的制备。

所述的处于指数生长期的藻体细胞最好预先用以重水为溶剂配制的生长培养基洗涤后再接种于以重水为溶剂配制的生长培养基中。

步骤（3）中，所述的除氧的方法包括氮气或惰性气体吹扫法、超声法、真空法中的一种或两种以上的混合使用。

所述的诱导能够使培养体系中的氧气消耗殆尽，所述的诱导的条件优选为：在15℃-35℃诱导4h-36h。

所述的用重水培养的藻体细胞最好预先用以重水为溶剂配制的产氘培养基洗涤后再接种于以重水为溶剂配制的产氘培养基中。

本发明中，在680nm测定含微藻培养基的OD值即OD_680nm。OD是optical density（光密度）的缩写，表示被检测物吸收掉的光密度。

本发明与现有氘气生产技术相比具有如下优点：

本发明首先筛选获得优良的产氢微藻藻株，将微藻细胞先于最适宜其生长繁殖的以普通水为溶剂配制的生长培养基中培养至指数生长期，然后收集藻体细胞，于重水配制的适宜生长培养基中驯化后将其转移至微藻产氘培养基中，通过冲入氮气等惰性气体脱出产氘培养基中的氧气，立即密封，再在低光照或黑暗环境中培养藻体细胞，使其消耗掉产氘培养体系中可能未除净的剩余氧气，进而使藻体细胞处于无氧环境中，最后置于合适光照环境中诱导藻体细胞分解重水生产氘气。

1、技术新颖：该方法利用的基本原理是生物细胞的光合作用及氢化酶活性，与利用物理或化学原理传统氘气制取方法具有本质区别；

2、环境友好：过程无污染，微藻的光合作用及氢化酶光解重水所需的光能可利用太阳能，从而大量减少传统方法对化石能源的消耗，具有环境保护作用。

3、操作简便、成本低廉、运行安全：该方法对设备和技术的要求较低，简化了氘气传统制取方法中的电解、逐级分流、氢氧分离等工艺所需的繁琐设备和工艺流程，可提高氘气的生产效率，减少氘气制取工艺的构建及运行成本；同时该方法避免了氘气与大量氧气、电热等直接接触而发生爆炸的可能性。

总之，本发明是区别于基于物理、化学原理生产氘气的传统工艺方法，如液氢蒸馏法、色谱柱法、钯膜或金属氢化物法、电解重水法，利用微藻制取氘气，在实现氘气生产可持续发展模式的同时有利于简化氘气制取的设备工艺、降低氘气生产的危险性及化石能源消耗量，在核工业和能源领域具有巨大的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明利用微藻光解重水制备氘气的工艺流程图；

图2为本发明小球藻的生长曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法和结果予以说明。

实施例1

小球藻（Chlorella fusca）光解重水制备氘气

1）以普通水作为溶剂，按照如下生长培养基的配方配制小球藻的TAP培养液，所含营养元素种类及浓度如下：NH₄Cl 0.4g/L、K₂HPO₄ 0.108g/L、KH₂PO₄ 0.108g/L、MgSO₄·7H₂O 0.156g/L、CaCl₂·2H₂O 0.05g/L、H₃BO₃ 11.4mg/L、MnCl₂·4H₂O 5.06mg/L、ZnSO₄·7H₂O 0.22mg/L、FeSO₄·7H₂O 4.99mg/L、MoCl₂·6H₂O 1.61mg/L、(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 1.57mg/L。

将起始OD_680nm为2.0的300ml小球藻藻液接种于装有2700ml上述TAP培养液的光生物反应器中，通入空气和CO₂的混合气，混合气中CO₂的体积百分浓度为25%，控制混合气体的流速为1L/min，以太阳光为光源，在环境温度为28℃±5℃、光照度为30000lx和50rpm搅拌中培养微藻，每天测定藻液的OD_680nm吸收值，绘制藻体细胞的生长曲线，如图2所示。

2）当反应器中的藻体细胞进入指数生长期后，藻液OD_680nm吸收值达到2.5时，离心（5000g，10min）收集藻体细胞。将收集的藻体细胞用小球藻重水培养液（即以重水替代普通水作为溶剂配制的TAP培养液，所含营养元素种类及浓度不变）洗涤3次，然后转移至装有3000ml小球藻重水培养液的另一同样的光生物反应器中，通入空气和CO₂的混合气，混合气中CO₂的体积百分浓度为25%，控制混合气体的流速为1L/min，以太阳光为光源在环境温度为28±5℃、光照度为30000lx中培养微藻，显微镜下观察藻体细胞生长繁殖状况。

3）当反应器中的藻体细胞完全适应小球藻重水培养液后，即显微镜下观测到小球藻重水培养液中大量细胞开始分裂繁殖，并再次进入指数生长期后（藻液OD_680nm吸收值达到2.0时），离心（5000g，10min）收集藻体细胞。将收集的藻体细胞用小球藻产氘培养液（以下简称产氘培养液）洗涤3次后将藻体细胞转移至装有3000ml产氘培养液、工作体积为6000ml的产氘反应器中，向培养液中通入氮气10min，立即密封反应器，将产氘反应器置于黑暗环境中，28℃±5℃下暗诱导24小时。

产氘培养液的配制方法如下：以重水作为溶剂，参照上述TAP培养液的配方以氯化物替代TAP培养液中相应的含硫化合物配制小球藻的产氘培养液TAP-S，所含营养元素种类及浓度如下：NH₄Cl 0.4g/L、K₂HPO₄0.108g/L、KH₂PO₄ 0.108g/L、MgCl₂·6H₂O 0.129g/L、CaCl₂·2H₂O 0.05g/L、H₃BO₃ 11.4mg/L、MnCl₂·4H₂O 5.06mg/L、ZnCl₂ 10.43mg/L、FeCl₂·4H₂O 3.56mg/L、MoCl₂·6H₂O 1.61mg/L、(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O 1.57mg/L。

4）将经过暗诱导的培养体系重新置于以太阳光为光源、光照度为30000lx，温度为28℃±5℃，120rpm的磁力搅拌下，采用连续光照产氘。取产氘反应器顶部气样1ml，于气体同位素质谱仪MAT-271上分析气体样品的组分及各组分的含量，并绘制小球藻的氘气（D₂）产率表，如表1。

表1小球藻的产氘速率

如表1所示，经过24h后，产氘反应器顶部气样中氘气含量为0.23%，随着时间的延长，产氘反应器顶部气体中氘气含量不断在增加，到第4天时可以达到17.8%。表明，本发明方法可以得到氘气，且氘气的产率较高。

实施例2-18

除了微藻种类、光照培养条件采用表2中所列举的，培养基不同之外，其余操作同实施例1。

表2产氘微藻种类及产氘条件

表3  ES培养基和ES-S培养基组分及含量，M为mol/L

表4  BG11培养基和BG11-S培养基组分及含量

氘气产率表，如表5。

表5各藻种产氘速率

如表5所示，经过24h后，产氘反应器顶部气样中氘气含量随着时间的延长在不断的增加。表明本发明方法可以得到氘气，且氘气的产率较高。

Claims (7)

1.一种利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)将微藻接种于以普通水为溶剂配制的生长培养基中，以CO₂或者含CO₂的混合气体作为碳源，光照培养微藻进入指数生长期，收集处于指数生长期的藻体细胞；

所述的微藻包括纤维藻、衣藻、小球藻或莱茵衣藻；

(2)将步骤(1)中处于指数生长期的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的生长培养基中，以CO₂或者含CO₂的混合气体作为碳源，光照培养微藻再次进入指数生长期，收集得到用重水培养的藻体细胞；

(3)将步骤(2)中用重水培养的藻体细胞接种于以重水为溶剂配制的产氘培养基中，除氧后在黑暗环境中诱导或者除氧后在光照度小于50lx的低照度环境中诱导，再光照培养，制得氘气；

所述的以重水为溶剂配制的产氘培养基为缺硫培养基。

2.根据权利要求1所述的利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，所述的含CO₂的混合气体为空气、氮气、氩气中的一种与CO₂的混合气体。

3.根据权利要求1或2所述的利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，所述的含CO₂的混合气体中CO₂的体积分数为0.03％-25％。

4.根据权利要求1所述的利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，所述的光照培养的条件为：以人工光或太阳光作为光源，温度为15℃-35℃，光照度为100lx-30000lx。

5.根据权利要求1所述的利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，步骤(1)中，光照培养微藻至生长培养基的OD_680nm吸收值在1.0-5.0，收集处于指数生长期的藻体细胞。

6.根据权利要求1所述的利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，步骤(2)中，光照培养微藻至生长培养基的OD_680nm吸收值在1.0-5.0，收集得到用重水培养的藻体细胞。

7.根据权利要求1所述的利用微藻制备氘气的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的诱导的条件为：在15℃-35℃诱导4h-36h。