RU2083481C1

RU2083481C1 - Method of producing molecular hydrogen from blue-green algae

Info

Publication number: RU2083481C1
Authority: RU
Inventors: Сергей Арленович Марков
Original assignee: Сергей Арленович Марков
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1997-07-10

Abstract

FIELD: biotechnology. SUBSTANCE: blue-green algae were placed on the hollow fibers into phytobioreactor filled with nutrient medium consisting of water, mineral salts, catalyst and gas - air under pressure 500 torrs. Then hydrogen produced and absorbed by algae is separated by heating to 80-90 C, not above. Hydrogen producing is based on sunlight energy. EFFECT: increased yield and duration of hydrogen production. 1 dwg

Description

Изобретение относится к биологическим способам получения молекулярного водорода за счет энергии солнечного света. Способ включает подбор питательной среды, которая индуцирует непрерывное выделение водорода иммобилизованными на полых волокнах синезелеными водорослями в фотобиореакторе. The invention relates to biological methods for producing molecular hydrogen due to the energy of sunlight. The method includes the selection of a nutrient medium that induces the continuous release of hydrogen by blue-green algae immobilized on hollow fibers in a photobioreactor.

Известен способ получения водорода в фотобиореакторе [1] из иммобилизованных на гидрофобных полых волокнах синезеленых водорослей после замены воздуха в питательной среде, состоящей из воды, минеральных солей (среда Алена-Арнона [2] и воздуха на атмосферу инертного газа аргона путем продувания. Клетки синезеленых водорослей помещали в атмосферу аргона для того, чтобы удалить молекулярный азот из питательной среды, в атмосфере которого, катализатор фермент нитрогеназа, ответственный за выделение водорода и фиксацию молекулярного азота катализирует только выделение водорода. Водород отделялся от питательной среды /воды/ путем самопроизвольной диффузии. A known method of producing hydrogen in a photobioreactor [1] from blue-green algae immobilized on hydrophobic hollow fibers after replacing air in a nutrient medium consisting of water, mineral salts (Alain-Arnon medium [2] and air with an inert argon gas atmosphere by blowing. Blue-green cells algae were placed in an argon atmosphere in order to remove molecular nitrogen from the nutrient medium, in the atmosphere of which the catalyst is a nitrogenase enzyme responsible for the evolution of hydrogen and the fixation of molecular nitrogen to only catalyzes the release of hydrogen. The hydrogen separated from the culture medium / water / by spontaneous diffusion.

Недостатком этого способа является то, что цианобактерии не выделяли водород продолжительное время /только 25-30 дней/ и скорость процесса была мала и постепенно снижалась, т.к. в питательной среде отсутствовал молекулярный азот, необходимый для жизнедеятельности клеток цианобактерий. Таким образом, указанный способ не нашел практического применения. The disadvantage of this method is that cyanobacteria did not produce hydrogen for a long time (only 25-30 days) and the process speed was small and gradually decreased, because in the nutrient medium, there was no molecular nitrogen necessary for the vital activity of cyanobacterial cells. Thus, this method has not found practical application.

В ходе проведенных патентных исследований по научно-технической и патентной литературе не было обнаружено решений, содержащих отличительные признаки предлагаемого способа получения водорода, что позволяет сделать вывод об их соответствии критериям "Новизна" и "Существенные отличия". In the course of patent research on scientific, technical and patent literature, no solutions were found containing the distinguishing features of the proposed method for producing hydrogen, which allows us to conclude that they meet the criteria of "Novelty" and "Significant differences".

Целью предлагаемого изобретения является увеличение количества и времени выделения водорода из иммобилизованных на полых гидрофильных волокнах синезеленых водорослей в фотобиореакторе, что ставит вопрос о промышленном получении этого газа. The aim of the invention is to increase the amount and time of hydrogen evolution from blue-green algae immobilized on hollow hydrophilic fibers in a photobioreactor, which raises the question of the industrial production of this gas.

Поставленная цель достигается отсасыванием воздуха из питательной среды, состоящей из воды, минеральных солей (среда Алена-Арнона [2]) и воздуха из фотобиореактора под давлением /500 торр/, т.е. содержание воздуха в питательной среде и соответственно его составных частей молекулярного азота, углекислого газа и кислорода ниже, чем в окружающей среде. Количество выделяемого водорода зависит от давления воздуха в фотобиореакторе, понижение давления ведет к повышению скорости выделения водорода. This goal is achieved by aspirating air from a nutrient medium consisting of water, mineral salts (Alain-Arnon medium [2]) and air from a photobioreactor under pressure / 500 torr /, i.e. the air content in the nutrient medium and, accordingly, its components of molecular nitrogen, carbon dioxide and oxygen is lower than in the environment. The amount of hydrogen released depends on the air pressure in the photobioreactor, lowering the pressure leads to an increase in the rate of hydrogen evolution.

В состав типового биореактора, изображенного на чертеже входят следующие составные части: термостатируемая стеклянная колонка с полыми волокнами, соединенными вместе так, что внутреннее пространство волокон имеет общий выход 1, емкость для питательной среды 2, насос для подачи питательной среды 3, термостат 4, соединительные шланги 5. The composition of a typical bioreactor shown in the drawing includes the following components: a thermostatic glass column with hollow fibers connected together so that the inner space of the fibers has a common outlet 1, a container for the nutrient medium 2, a pump for supplying the nutrient medium 3, thermostat 4, connecting hoses 5.

Из таких частей готовится биореактор необходимой производительности. The bioreactor of the required performance is prepared from such parts.

Получение водорода в фотобиореакторе осуществляется следующим образом:
Предварительно готовится питательная среда Алена-Арнона [2] 6 из минеральных солей и воды. Питательную среду в биореакторе эвакуируют с помощью вакуумного насоса под давлением 500 торр. Для лучшей эвакуации питательная среда нагревается до 50^oC до эвакуации. В фотобиореактор вносят суспензию синезеленых водорослей 7, которые иммобилизируются на внешней поверхности полых волокон 8. С помощью насоса 3 в фотобиореактор непрерывно перекачивается питательная среда 6. При освещении 9 в условиях сниженного содержания воздуха /молекулярного азота/ в питательной среде синезеленые водоросли выделяют водород. Существенно для фотобиореактора, что присутствие в среде молекулярного азота и углекислого газа позволяет синезеленым водорослям расти и осуществлять свою жизнедеятельность. Непрерывно выделяющийся водород синезелеными водорослями, растворяясь в питательной среде, просачивается со средой во внутреннюю часть полых волокон и далее через шланг 5 в газожидкостный сепаратор 10. В сеператоре под нагреванием до 90^oC водород отделяется от питательной среды.Hydrogen production in the photobioreactor is as follows:
Alain-Arnon [2] 6 nutrient medium from mineral salts and water is preliminarily prepared. The nutrient medium in the bioreactor is evacuated using a vacuum pump under a pressure of 500 torr. For better evacuation, the nutrient medium is heated to 50 ^o C before evacuation. A suspension of blue-green algae 7 is introduced into the photobioreactor, which are immobilized on the outer surface of the hollow fibers 8. Using a pump 3, the nutrient medium 6 is continuously pumped into the photobioreactor 6. Under illumination 9, under conditions of a reduced air / molecular nitrogen content / in the nutrient medium, the blue-green algae releases hydrogen. It is essential for the photobioreactor that the presence of molecular nitrogen and carbon dioxide in the medium allows blue-green algae to grow and carry out its vital activity. Continuously released hydrogen by blue-green algae, dissolving in the nutrient medium, seeps with the medium into the interior of the hollow fibers and then through the hose 5 into the gas-liquid separator 10. In the separator, when heated to 90 ^o C, hydrogen is separated from the nutrient medium.

Выделение водорода в фотобиореакторе в условиях сниженного количества воздуха продолжается непрерывно 5-6 месяцев со скоростью до 2 мл H₂ на мг сухого веса биомассы водорослей в час/приб. 40 кг H₂ на га в час/. Фотобиореактор полностью герметичен, что позволяет вести процесс с альгологически и бактериально чистой культурой.Hydrogen evolution in a photobioreactor under conditions of reduced air quantity continues continuously for 5-6 months at a rate of up to 2 ml of H ₂ per mg dry weight of algae biomass per hour / approx. 40 kg H ₂ per ha per hour. The photobioreactor is completely tight, which allows the process to be carried out with an algologically and bacterially pure culture.

Продолжительное по времени выделение водорода связано с тем, что необходимый для роста и жизнедеятельности синезеленых водорослей молекулярный азот содержится в уменьшенном количестве в питательной среде. The long-term evolution of hydrogen is due to the fact that molecular nitrogen, which is necessary for the growth and vital activity of blue-green algae, is contained in a reduced amount in the nutrient medium.

Существенно, что производство водорода в фотобиореакторах может размещаться на землях, непригодных для традиционного земледелия. It is significant that the production of hydrogen in photobioreactors can be located on lands unsuitable for traditional farming.

Claims

A method for producing molecular hydrogen from blue-green algae, including immobilizing blue-green algae on hollow fibers in a bioreactor, passing a nutrient medium containing water, mineral salts and gas through it, and subsequent hydrogen separation, characterized in that the nutrient medium is passed at a pressure of bioreactor 500 Torr, and the hydrogen is separated by heating to a temperature of not more than 90 ^o C.