專利名稱：一種利用CO₂使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物制氫，具體說是一種利用氣體中的二氧化碳(包括大氣中的C02及工廠排放氣中的co2)使藻類快速增殖，短期內(nèi)達(dá)到最佳產(chǎn)氫藻密度，并直接用于藻類生物制氫的方法，其可在減少二氧化碳污染、藻 類培養(yǎng)及生物制氫等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
技術(shù)背景隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，人類社會(huì)排放到大氣中的C02不斷增加，最突出的是溫室效應(yīng)。氫是一種高效、潔凈的可再生能源，氫能的研究和利用日益受到重視。生物制氫具有常溫常壓操作、低能耗以 及環(huán)境友好等特點(diǎn)，是符合氫能經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)的理想制氫技術(shù)。藻類可利用氣體中的二氧化碳進(jìn)行光自養(yǎng)，具有繁殖快、環(huán)境適應(yīng)性 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。某些藻類還可利用體內(nèi)的可逆氫酶進(jìn)行生物制氫，包括淡水藻斜概藻ws)、 萊茵衣藻(C7z/a，ciomcwas re/w/2ani"7)、 小球藻(C/;/ore〃" ykyca)、海洋藻綠球藻(C/z/oracoccwm //"ora/e)禾口亞心 形扁藻(尸/鄉(xiāng)附o"o )等。通常實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)藻類的方法采用搖瓶靜置培養(yǎng)，接種密度為0.3xl06 cells/mL，培養(yǎng)30天后細(xì)胞密度才能達(dá)2xl06 cells/mL。在產(chǎn)氫過程中藻液 還需經(jīng)過離心濃縮洗滌等處理步驟，才到最佳產(chǎn)氫藻密度6X 106cdlS/mL， 方可進(jìn)行藻類生物制氫。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種利用co2使藻類快速增殖直接用于生物制氫的 方法，其把氣體中的二氧化碳通入到藻培養(yǎng)的反應(yīng)器中，使藻類快速增殖， 短期內(nèi)達(dá)到最佳產(chǎn)氫藻密度，并可直接用于藻類生物制氫的新技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為本發(fā)明以亞心形扁藻 (戶/G0woMas sw&o^:/bm/s)為實(shí)驗(yàn)材料，在光生物反應(yīng)器中，利用氣體 中的二氧化碳及流加營(yíng)養(yǎng)鹽的培養(yǎng)方式，藻細(xì)胞從接種密度(0.6x106 cdls/mL) 10天內(nèi)達(dá)到最佳產(chǎn)氫密度(6xl06cells/mL)，不必經(jīng)過離心濃縮， 洗滌等步驟直接用于生物制氫。具體為l)以亞心形扁藻為產(chǎn)氫藻類，將微藻細(xì)胞接種于光生物反應(yīng)器中，采用氣體中的二氧化碳(如大氣中的C02及工廠排放氣中的C02。)作為碳源， 流加康維方營(yíng)養(yǎng)鹽快速培養(yǎng)藻類氣體中二氧化碳體積濃度0.03 30%，氣體流速為50~500 ml/min;每1~10天流加加入原培養(yǎng)體系中所添加康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液體積0~10倍的營(yíng)養(yǎng)鹽母液，最好每2 5天流加0.5-2倍體積的康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液；亞^、形扁 藻接種密度為0.1xl06~lxl06cells/mL，平均光強(qiáng)為4000 6000 lx，采用左 右兩個(gè)方向采光，溫度控制在15 3(TC，光暗時(shí)間比為10 24h:14 0h; 所述光生物反應(yīng)器由氣源經(jīng)主管路與培養(yǎng)單元相連接構(gòu)成；其中培養(yǎng)單元可為1個(gè)或1個(gè)以上的多個(gè)并聯(lián)；培養(yǎng)單元由透明材質(zhì) 制成，培養(yǎng)單元的左右兩側(cè)均設(shè)置有光源；培養(yǎng)單元的底部設(shè)置有由多孔 材料構(gòu)成的布?xì)馄鳎細(xì)馄飨露嗽O(shè)置有與外管路相通的進(jìn)氣口；所述多孔 材料為玻璃泡、篩板、珊瑚礁或氣石；最好為篩板；所述氣源為相互并聯(lián)的氣瓶與壓縮泵，它們分別通過氣體控制閥和氣 體流量計(jì)與主管路相連通；2)直接將藻液裝入產(chǎn)氫反應(yīng)器中，密封，置于暗處，通氮?dú)? 30min， 流速為30 100mL/min，排出體系內(nèi)的氧氣，整套反應(yīng)體系置于光照培養(yǎng)箱 內(nèi)；暗誘導(dǎo)4-24 h后加入解偶聯(lián)劑CCCP，使其終濃度達(dá)5 25 jiM， 10 30min 后開始光照；50 200rpm/min的磁力攪拌，溫度控制在20 35 °C，光照強(qiáng)度 為3000 80001x的日光燈下連續(xù)光照產(chǎn)氫。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、 環(huán)境友好過程無污染，可利用氣體中的產(chǎn)生溫室效應(yīng)的C02氣體 作為碳源，轉(zhuǎn)化為自身有機(jī)質(zhì)。2、 高效、快速提高藻密度藻細(xì)胞短期內(nèi)達(dá)到最佳產(chǎn)氫密度。3、 高密度培養(yǎng)的藻可直接用于生物制氫克服離心濃縮，洗滌并更換新鮮培養(yǎng)基等冗長(zhǎng)的步驟，簡(jiǎn)化藻類光水解制氫工藝，提高效率，減少制 氫工藝成本。總之，本發(fā)明方法可實(shí)現(xiàn)藻類利用氣體中的二氧化碳快速增殖，短期內(nèi) 達(dá)到最佳產(chǎn)氫藻密度，并可直接用于生物制氫，在減輕空氣污染、藻類培 養(yǎng)及太陽(yáng)能光解水生物制氫領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；注l.氣瓶；2.壓縮泵；3.氣 體控制閥；4.氣體流量計(jì)；5.光生物反應(yīng)器；6.光源；7為布?xì)馄鳎?箭頭表示氣流方向)圖2為本發(fā)明光照產(chǎn)氫裝置示意圖；注8.磁力攪拌器；9.產(chǎn)氫裝置的 光源；IO.光反應(yīng)器；ll.排氣口 (取液體樣口)； 12.取氣體樣口； 13.導(dǎo)氣管； 14.氣體收集管；15.液封用量桶；圖3為本發(fā)明不同培養(yǎng)方式扁藻細(xì)胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線； 圖4為本發(fā)明不同培養(yǎng)方式第10天扁藻光照產(chǎn)氫情況曲線。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法與結(jié)果進(jìn)行說明，本發(fā)明利用細(xì)胞 培養(yǎng)基和厭氧誘導(dǎo)采用申請(qǐng)人已申報(bào)的專利制備(申請(qǐng)?zhí)?3110981.0，發(fā)明名稱 一種海洋綠藻兩步法生物光解水制氫方法)進(jìn)行，其他試劑均為 商業(yè)化的試劑。 — 實(shí)施例1亞心形扁藻(P/a(ymo打^ s"6con^/o/7m;y)由遼寧省大連水產(chǎn)研究所提 供，并經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)室平板純化。按照常規(guī)方法配制1000倍康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液NaN03 100 g/L， NaH2P04'H20 20 g/L， EDTA—Na 45g/L， H3B03 33.6 g/L， FeCl36H20 1.3 g/L， MnCl2.4H20 0.36 g/L ， ZnCl2 0.021 g/L ， CoCl2-6H20 0.02 g/L ， CuS04.5H20 0.02 g/L， (NH4)6M07024.4H20 0.009 g/L用經(jīng)砂濾的天然海水ll(TC高壓蒸汽滅菌15 min，冷卻后添加1000倍 康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液，配制成康維方培養(yǎng)基(NaN03 100mg/L， NaH2P(VH20 20 mg/L， EDTA—Na 45 mg/L， H3B03 33.6 mg/L， FeCl3.6H20 1.3 mg/L， MnCl2'4H20 0.36 mg/L ， ZnCl2 0.021 mg/L ， CoCl2'6H20 0.02 mg/L ， CuS04-5H20 0.02 mg/L， (NH4)6M07024.4H20 0.009 mg/L);1) 從瓊脂平板挑取的單細(xì)胞藻落，經(jīng)逐級(jí)放大培養(yǎng)，獲得種子細(xì)胞。 細(xì)胞接種密度為0.6xlO、ells/mL，溫度控制在25 °C，光暗時(shí)間比為14h:10 h;將藻液分為兩組， 一組進(jìn)行搖瓶靜置培養(yǎng)，平均光強(qiáng)為3000 k，采用 上下兩個(gè)方向采光，每天定時(shí)搖4 6次；另一組放入光生物反應(yīng)器中，通入，瓶中二氧化碳(3%， V/V)，流速 為100ml/min;平均光強(qiáng)為5000 lx，采用左右兩個(gè)方向采光，每2天流加 1/2倍1000倍的康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液；如圖1所示，所述光生物反應(yīng)器由氣源經(jīng)主管路與培養(yǎng)單元5相連接 構(gòu)成；所述培養(yǎng)單元5為多個(gè)并聯(lián)；培養(yǎng)單元5由透明材質(zhì)制成，培養(yǎng)單元 的左右兩側(cè)均設(shè)置有光源6;培養(yǎng)單元5的底部設(shè)置有由篩板制成的布?xì)馄?7，布?xì)馄飨露嗽O(shè)置有與外管路相通的進(jìn)氣口；所述氣源為相互并聯(lián)的氣瓶 1與壓縮泵2，它們分別通過氣體控制闊3和氣體流量計(jì)4與主管路相連通。從圖3可以看出，培養(yǎng)到第10天，采用搖瓶靜置培養(yǎng)的方式，細(xì)胞密 度達(dá)2X106cells/mL，而采用光生物反應(yīng)器通二氧化碳(3%, V/V)并流 加營(yíng)養(yǎng)鹽的培養(yǎng)方式，細(xì)胞密度達(dá)6X 106cdlS/mL。利用特殊光生物反應(yīng)器， 光自屏蔽現(xiàn)象得到改善，對(duì)光能的利用率提高，氣體交換通暢。通入二氧 化碳流加營(yíng)養(yǎng)鹽的培養(yǎng)方式，綠藻將二氧化碳作為碳源，轉(zhuǎn)化為自身的有 機(jī)質(zhì)貯存，短期內(nèi)快速達(dá)到最佳產(chǎn)氫藻密度(6X106cellS/mL)，縮短生產(chǎn) 周期，降低生產(chǎn)成本。2) 取培養(yǎng)第10天藻細(xì)胞，將搖瓶靜置培養(yǎng)的藻細(xì)胞通過離心濃縮，使 細(xì)胞密度達(dá)6X10^ells/mL;不洗滌，分別將濃縮后的藻液和光生物反應(yīng)器 培養(yǎng)的藻液裝入500mL產(chǎn)氫反應(yīng)器中(參見圖2所示)，連接并密封好彎管，置于暗處，通氮?dú)?0min，流速為50mL/min，排出體系內(nèi)的氧氣，整套反 應(yīng)體系置于HPG—400光照培養(yǎng)箱內(nèi)。暗誘導(dǎo)12h后加入解偶聯(lián)劑CCCP，使 其終濃度達(dá)15(iM， 20min后開始光照。150 rpm/min的磁力攪拌，溫度控制 在25士1'C，光照強(qiáng)度為80001x的日光燈下連續(xù)光照產(chǎn)氫。取氣樣0.5mL， 海欣GC—960T氣相色譜檢測(cè)連續(xù)光照過程中氣體中氫氣濃度。從圖4中可以看出，搖瓶靜置培養(yǎng)的藻經(jīng)過離心濃縮到細(xì)胞密度6X 106 cells/mL，經(jīng)暗誘導(dǎo)12 h后，加入15 (iM CCCP后，光照24 h產(chǎn)氫達(dá)20 ml; 而采用光生物反應(yīng)器通入二氧化碳并流加營(yíng)養(yǎng)鹽的培養(yǎng)的藻不必經(jīng)過離心 洗滌等步驟，直接倒入500 mL反應(yīng)器中，經(jīng)暗誘導(dǎo)12h后，加入15pM CCCP后，光照24h產(chǎn)氫達(dá)30ml。采用光生物反應(yīng)器通入二氧化碳并流加 營(yíng)養(yǎng)鹽的培養(yǎng)方式，可簡(jiǎn)化藻類光水解制氫工藝，提高效率，減少制氫工 藝成本。
權(quán)利要求
1. 一種利用CO2使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方法，其特征在于1)以亞心形扁藻為產(chǎn)氫藻類，將微藻細(xì)胞接種于光生物反應(yīng)器中，采用氣體中的二氧化碳作為碳源，流加康維方營(yíng)養(yǎng)鹽快速培養(yǎng)藻類，氣體中二氧化碳體積濃度為0.03～30％，氣體流速為50～500ml/min；每1～10天流加加入原培養(yǎng)體系中所添加康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液體積0～10倍的營(yíng)養(yǎng)鹽母液；亞心形扁藻接種密度為0.1×106～1×106cells/mL，平均光強(qiáng)為4000～6000lx，采用左右兩個(gè)方向采光，溫度控制在15～30℃，光暗時(shí)間比為10-24h∶14-0h；所述光生物反應(yīng)器由氣源經(jīng)主管路與培養(yǎng)單元(5)相連接構(gòu)成；其中培養(yǎng)單元(5)可為1個(gè)或1個(gè)以上的多個(gè)并聯(lián)；培養(yǎng)單元(5)由透明材質(zhì)制成，培養(yǎng)單元的左右兩側(cè)均設(shè)置有光源(6)；培養(yǎng)單元(5)的底部設(shè)置有由多孔材料構(gòu)成的布?xì)馄?7)，布?xì)馄飨露嗽O(shè)置有與外管路相通的進(jìn)氣口；所述氣源為相互并聯(lián)的氣瓶(1)與壓縮泵(2)，它們分別通過氣體控制閥(3)和氣體流量計(jì)(4)與主管路相連通；2)直接將藻液裝入產(chǎn)氫反應(yīng)器中，密封，置于暗處，通氮?dú)?～30min，流速為30～100mL/min，排出體系內(nèi)的氧氣，整套反應(yīng)體系置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)；暗誘導(dǎo)4-24h后加入解偶聯(lián)劑CCCP，使其終濃度達(dá)5～25μM，10～30min后開始光照；50～200rpm/min的磁力攪拌，溫度控制在20～35℃，光照強(qiáng)度為3000～8000lx的日光燈下連續(xù)光照產(chǎn)氫。
2. 按照權(quán)利要求1所述利用C02使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方 法，其特征在于所述碳源大氣中的C02及工廠排放氣中的C02。
3. 按照權(quán)利要求1所述利用C02使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方 法，其特征在于每2 5天流加0.5-2倍體積的康維方營(yíng)養(yǎng)鹽母液。
4. 按照權(quán)利要求1所述利用C02使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方 法，其特征在于所述培養(yǎng)單元中的多孔材料為玻璃泡、篩板、珊瑚礁或 氣石。
5. 按照權(quán)利要求1所述利用C02使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方法，其特征在于所述培養(yǎng)單元中的多孔材料為篩板。
全文摘要
本發(fā)明涉及生物制氫，具體說是一種利用CO₂使藻類快速增殖直接用于生物制氫的方法，以亞心形扁藻為產(chǎn)氫藻類，在光生物反應(yīng)器中，利用氣體中的二氧化碳及流加營(yíng)養(yǎng)鹽的培養(yǎng)方式，藻細(xì)胞從接種密度(0.6×10⁶cells/mL)10天內(nèi)達(dá)到最佳產(chǎn)氫密度(6×10⁶cells/mL)，不必經(jīng)過離心濃縮，洗滌等步驟直接用于生物制氫。本發(fā)明克服了以往藻細(xì)胞培養(yǎng)與制氫過程中工藝復(fù)雜冗長(zhǎng)、成本高、效率低等缺點(diǎn)，該方法簡(jiǎn)便可行，除簡(jiǎn)化了培養(yǎng)與制氫過程工藝，縮短時(shí)間提高效率并降低成本，還可凈化CO₂氣體污染與減輕大氣溫室效應(yīng)外；具有廣泛應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C12R1/89GK101275117SQ20071001080
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者衛(wèi) 張, 虞星炬, 禎 郭, 金美芳, 陸洪斌, 陳兆安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所