CN103993041B - 一种利用微藻提高氢气产量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微藻生物技术领域，具体的说是涉及一种利用微藻提高氢气产量的方法。在光生物反应室内，接种产氢微藻后进行人工培养，而后转入低氮和缺硫的特定培养基中诱导厌氧培养，进而降低微藻细胞光合放氧速率，维持厌氧状态，完成诱导产氢。本发明通过人工诱导单细胞微藻，构建降低微藻光合放氧并易于光合厌氧的环境，实现光合产氢并提高净洁能源氢气生产效率和产量。本发明方法简便、培养基所添加的成分少、产氢效率高。

Description

一种利用微藻提高氢气产量的方法

技术领域

本发明属于微藻生物技术领域，具体的说是涉及一种利用微藻提高氢气产量的方法。

背景技术

人类社会发展始终与能源息息相关。能源既是经济发展的命脉也是社会发展的推动力，决定着现代文明进步程度。伴随着全球经济高速增长和城市化进程加快，对能源需求日益增大，同时传统能源都具有不可再生性，终将枯竭，因此能源短缺问题不可避免并将日益突出。另一方面，社会与经济发展对能源过度依赖，引发不同经济体间为抢夺能源发生矛盾甚至冲突，导致世界局部地区动荡和市场巨大波动，直接或间接地影响到经济发展、社会稳定甚至国家安全。

我国面临十分严峻的能源紧张形势，传统化石能源短缺、储备严重不足，远远不能满足高速发展的经济社会需要，目前我国已经成为全球石油消耗大国，其消耗量仅次于美国位于全球第二。预计到2020年，我国对能源进口的依赖度将从现在40％增加到60％，2030年甚至可能达到80％。同时，传统燃料排放大量CO₂，导致温室效应日趋严重，因而引起气候变暖、季节变迁和灾害性天气频发，甚至引发严重的自然生态破坏等系列问题，由此导致每年数千亿美元损失。CO₂减排已成为亟待解决的全球性问题。因此寻求可再生能源，特别是不产生CO₂的可再生净洁能源将是社会关注的大问题。

氢气是一种清洁、高效的能源载体，燃烧时只生成水，不产生任何污染物，是最具有吸引力的可替代能源。但目前人类制取的氢气95％以上，仍然是从化石资源中的碳氢化合物水蒸气催化重整反应而来，不能实现氢能的可持续发展。

微藻接近植物种类的50％，在种质、生态分布、遗传信息、生化组成、代谢途径等方面具有出多样性、复杂性和特殊性，是人类社会持续发展的新资源库。某些微藻可光合制氢，即微藻细胞在特定条件下利用太阳能裂解水释放氢气，该代谢过程是由太阳光驱动的、以水为电子供体生产氢气，也是对环境友好的生物能量转化体系。由于微藻在自然界分布广，对生存环境适应性强，繁殖速度快，是固定太阳能的重要生物群体，微藻产氢途径又是以清洁、可再生、不含碳且来源极为丰富的水为底物，从理论上讲，微藻光合产氢比生成有机物效率更高，是实现能源可持续生产的最理想途径。

然而微藻裂解水不仅产生氢气，同时还产生氧气，由于绿藻产氢过程类对O₂非常敏感，因此细胞厌氧状态是诱导绿藻产氢的必要条件。近年来，成功开发出两步法光水解制氢工艺，第一步，利用微藻进行正常的光合作用，固定CO₂，释放O₂，积累有机物；第二步，在无硫状态下使PSⅡ活性受到抑制，使呼吸作用消耗的O₂超过光合作用所产生的O₂，细胞逐渐进入厌氧状态，消耗细胞内代谢物质产生氢气。上述光合制氢工艺技术也是目前微藻最经典和高效的。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用微藻提高氢气产量的方法。

为实现上述目的，本发明技术方案为：

一种利用微藻提高氢气产量的方法，在光生物反应室内，接种产氢微藻后进行人工培养，然后转入低氮和缺硫的特定培养基中诱导厌氧培养，进而降低微藻细胞光合放氧速率，维持厌氧状态，完成诱导产氢。

将微藻于培养基中置于光生物反应室内，在室温、光照强度25-35μE·m^2-·s^-1和光照周期14:10(光照:黑暗)条件下，培养至对数生长期，将生长至对数生长期的微藻转入低氮和缺硫等特定培养基中，培养至稳定期，而后以3000r/min离心收集藻细胞，再将藻细胞悬浮于低氮和缺硫的特定培养基中，于密封条件下以30-40μE·m^2-·s^-1持续光照下诱导光合厌氧产氢，收集产生的氢气。

所述淡水微藻接种于TAP培养基中，在生物反应室内培养至对数生长期；而后将生长至对数生长期的微藻转入低氮和缺硫的淡水改良的TAP培养基中。

所述海水微藻接种于L1培养基或ASW培养基中，在生物反应室内培养至至对数生长期；而后将生长至对数生长期的微藻转入低氮和缺硫的以天然海水改良的L1培养基，或以人工海水改良的ASW培养基中。

所述光生物反应室包括光反应室、气体收集装置和气体管道；所述光反应室通过气体管道与气体收集装置相连；气体收集装置设于排水收集容器内；

所述气体收集装置底部设有气体收集器入口和气体收集器排水口；所述气体管道一端与设于光反应室上部的反应器气体出口相连，另一端与气体收集装置的气体收集器入口相连。

所述光反应室内插设有温度控制装置，温度检测传感器，氧气检测传感器和pH检测传感器。所述光反应室为密闭透明材质构建的，其光源可设于光反应室内部或外部。

诱导微藻产氢的的培养基以TAP或L1为基础，采用其低氮和缺硫的改良培养基（表1）。其中，改良的TAP以蒸馏水为基础，用于培养淡水微藻，而改良的L1和ASW培养基分别以自然海水和人工海水为基础，用于培养海水微藻。在TAP或L1或ASW优化后的培养基中，都不添加硫元素，而氮含量远低于原培养基氮含量，其中氮浓度只有原浓度的1/10到1/20。

本发明所具有的优点：本发明通过人工诱导单细胞微藻，构建降低微藻光合放氧并逐渐形成厌氧环境，实现光合产氢且提高净洁能源氢气生产效率和产量。本发明方法简便、培养基所添加的成分少、产氢效率高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的微藻净洁产生氢气能源装置图。

具体实施方式

实施例1

参见图1所示，本实施例提供的产氢装置光生物反应室包括光反应室10、气体收集装置8和气体管道5；所述光反应室10通过气体管道5与气体收集装置8相连；气体收集装置8设于排水收集容器9内。气体收集装置8底部设有气体收集器入口6和气体收集器排水口7；所述气体管道5一端与设于光反应室10上部的反应器气体出口4相连，另一端与气体收集装置8的气体收集器入口6相连。所述光反应室10内插设有温度控制装置0、温度检测传感器1、氧气检测传感器2和pH检测传感器3。

所构建的封闭式光反应室可以由透明材质（如玻璃）或不透明材质（不锈钢材）等材料构建，由透明材质构建的光反应室可从内部或外部提供光照12，而不透明材质只能采用内置光源；光源包括自然光和人工光源12，如荧光灯管、碘钨灯和LED灯等，其光质可进一步分为全色光、红光和蓝光；反应器温度可通过加热和冷凝装置调节0；光照强度、光质、光照时间、温度等模式可通过计算机程序控制；氢气可通过管道5引导到气体收集装置8中，排水法收集；另外,培养液的温度、溶解氧气和pH值可分别通过温度传感器1、溶氧传感器2和pH电极传感器3检测，并进一步传输信号到计算机自动记录。（上述反应器可由现有反应器直接连接进行操作）

具体产氢过程为，将淡水小球藻接种于TAP培养基中在室温(24-26℃)，光照强度25-35μE·m^2-·s^-1，光照周期14:10(光照:黑暗)条件下培养7天，然后转入低氮(0.01875gNH₄Cl/L)的改进的TAP培养基（参见表1）中培养4天，培养至稳定期后以3000r/min离心收集藻细胞，以改进的TAP培养基洗涤两次收集的藻细胞，然后将充分洗涤的藻细胞重新悬浮于改进的TAP培养基中进行诱导培养，藻液置于光反应室（10）内培养，并置于30-40μE·m^2-·s^-1持续光照和24-26℃温度下继续培养和诱导产氢，排水集气收集所产生的气体（氢气）。

另将上述培养7天后的藻株分别转入单独缺硫、单独缺磷（其中单独缺硫TAP培养基即为在正常TAP培养基中不含有硫；单独缺磷TAP培养基即为在正常TAP培养基中不含有磷；单独缺氮的TAP培养基即为在正常TAP培养基中不含有氮）中培养4天，分别培养至稳定期后以3000r/min离心分别收集藻细胞，分别用单独缺硫、单独缺磷、单独缺氮的TAP培养基洗涤两次，收集从各自培养基分离得到的藻细胞，而后分别将洗涤过的收集藻细胞重新悬浮于各自对应的单独缺硫、单独缺磷、单独缺氮的培养基中，藻液置于光反应室（10）内培养诱导，培养温度条件为24-26℃，持续光照光照强度为30-40μE·m^2-·s^-1，诱导产生的氢气通过排水集气收集。

结果表明：在正常TAP培养基(0.375g NH₄Cl/l)中培养的淡水小球藻后，转入相应的单独缺硫、单独缺磷、单独缺氮的TAP培养基中，都不能有效地诱导产氢，只有在培养短暂的时间内（13-30小时）产生少量的氢气，一般在0.5ml/l左右；但是，该小球藻在转移到低氮缺硫改进的TAP培养基中时，能够持续放氢，从培养的12-120小时的时间内一直有氢气释放，最大产氢量达到233.7ml/l，即该淡水小球藻其产氢效率出现了大幅度上升，比目前国际上最传统的缺硫诱导产氢的技术高450-500倍左右，本实验的产氢速率提高量为：233.7/0.5=467.4倍。

表1

实施例2

选择海水微藻（绿藻）接种于ASW培养基，在室温(24-26℃)，光照强度25-35μE·m^2-·s^-1，光照周期14:10(光照:黑暗)条件下培养7天，然后转入人工海水改良的ASW培养基中培养12天（参见表2），至稳定期后以3000r/min离心收集藻细胞，用改良的ASW培养基洗涤两次收集的藻细胞，而后将洗涤过的收集藻细胞悬浮于改良的ASW培养基（参见表2）中进行诱导培养，藻液置于光反应室（10）内培养，并在30-40μE·m^2-·s^-1持续光照和24-26℃培养条件下诱导产氢，排水集气收集产生气体。

结果表明：在人工海水培养基中，尽可能地避免添加硫元素，但不完全排除存在痕量的硫存在，因此不是严格意义上的缺硫状态，但可保障硫的浓度是非常低的。数据显示，正常培养ASW，及其缺氮或低氮ASW培养（其中缺氮ASW培养基即为在正常ASW培养基中不含有氮；低氮ASW培养即为在正常ASW培养基中氮含量少如表2改良ASW-N），均能诱导海水微藻（绿藻）产生厌氧状态，导致其产氢，而缺氮处理产氢量最高为45.9ml/l，产氢时间也最长，达到132h；在缺氮处理诱导中，厌氧状态所需时间相对较长，约为48h，在ASW中诱导厌氧状态所需时间少于24h。

另上述ASW培养基由L1培养基替换，改良的ASW培养基由天然海水改良的L1培养基（参见表3）替换，进行培养海水微藻（绿藻）产氢，结果表明，在海水培养基中，由于海水中本身含有大量的硫元素，难以实现缺硫培养，正常L1培养基培养条件下不能耗尽体系内氧气，不能诱导氢酶产氢，海水微藻（绿藻）藻株没有产氢能力；而在缺氮或低氮（改良L1-N）状态下，都能诱导厌氧状态的建立，从而诱导产氢，产氢量达到30.9ml/l。

上述实施例分别证实，低氮对淡水小球藻缺硫产氢具有很强的提高能力，同样缺氮和低氮强化诱导在缺硫（低硫）状态不产氢的海水微藻（绿藻）具有产氢能力。

表2

表3

在上述实施例中，所采用的微藻种类主要限于绿藻，包括淡水绿藻和海水绿藻。其中淡水绿藻如淡水小球藻，包括但不限于中国海洋大学微藻种质库CF135藻株、中国科学院典型物种种质库藻株IOAC038F藻株；同样海水微藻中的绿藻包括但不限于以下中国海洋大学微藻种质库C65藻株、中国科学院典型物种种质库藻株IOAC707S藻株。上述微藻藻株按照上述方法进行诱导厌氧培养，均能够降低微藻细胞光合放氧速率，维持厌氧状态，完成诱导产氢；同时可采用现有渠道流通获得的淡水小球藻或海水微藻（绿藻）均能按照上述实施例的记载实现本发明。

Claims (4)

1.一种利用微藻提高氢气产量的方法，其特征在于：

选择海水微藻接种于L1培养基，在24-26℃，光照强度25-35μE·m^2-·s^-1，光照周期14光照:10黑暗的条件下培养7天，然后转入天然海水改良的L1培养基中培养12天，至稳定期后以3000r/min离心收集藻细胞，用改良的L1培养基洗涤两次收集的藻细胞，而后将洗涤过的收集藻细胞悬浮于改良的L1培养基中进行诱导培养，藻液置于光生物反应室内培养，并在30-40μE·m^2-·s^-1持续光照和24-26℃培养条件下诱导产氢，排水集气收集产生气体；

所述L1培养基为：NaNO₃ 0.075g/l、NaH₂PO₄·H₂O 0.005g/l、FeCl₃·6H₂O 3.6mg/l、ZnSO₄·7H₂O 0.023mg/l、CuSO₄·5H₂O 0.0025mg/l、MnCl₂·4H₂O 0.18mg/l、CoCl₂·6H₂O0.012mg/l、Na₂MoO₄·2H₂O 0.199mg/l、H₂SeO₃ 0.0013mg/l、NiSO₄·6H₂O 0.0027mg/l、Na₂VO₄ 0.0018mg/l、K₂CrO₄ 0.0019mg/l、HAc 1ml/l、Tris 2.42g/l，余量为天然海水；

所述天然海水改良的L1培养基为：所述L1培养基不含NaNO₃；

所述光生物反应室包括光反应室(10)、气体收集装置(8)和气体管道(5)；所述光反应室(10)通过气体管道(5)与气体收集装置(8)相连；气体收集装置(8)设于排水收集容器(9)内。

2.按权利要求1所述的利用微藻提高氢气产量的方法，其特征在于：所述气体收集装置(8)底部设有气体收集器入口(6)和气体收集器排水口(7)；所述气体管道(5)一端与设于光反应室(10)上部的反应器气体出口(4)相连，另一端与气体收集装置(8)的气体收集器入口(6)相连。

3.按权利要求1所述的利用微藻提高氢气产量的方法，其特征在于：所述光反应室(10)内插设有温度控制装置(0)，温度检测传感器(1)，氧气检测传感器(2)和pH检测传感器(3)。

4.按权利要求1所述的利用微藻提高氢气产量的方法，其特征在于：所述光反应室(10)为密闭透明材质构建的，其光源(12)设于光反应室(10)内部或外部。