专利名称：一种绿藻光解水制氢的方法
技术领域：
本发明涉及污水处理和清洁能源开发领域，具体的说是一种低光强和复杂培养基条件下绿藻光解水制氢的方法。
背景技术：
氢气是一种清洁的能源载体，燃烧时只生成水，燃烧值很高，约为汽油的3倍且不产生任何污染物。如果将氢能转化为动力，热效率比常规石化能源高30%-60%。另外，太阳能、风能、水利、地热等都能转化为氢能。预计到21世纪末，氢能将供应全球多于75%的能源需求，成为能源消费市场的主流能源。然而目前面临的一个很大的问题是如何获得廉价的氢气。尽管在人类生存的地球氢是最丰富的元素，但是天然存在氢气却极少。在自然界中，最丰富的含氢物质是水(H2O),其次就是各种矿物燃料(煤、石油、天然气等)及各种生物质。所以如果要开发利用这种理想的清洁能源，必须首先开发氢源，即研究开发各种制氢方法。与传统制氢方式相比，绿藻可以光解水产生氢气近年来受到了广泛的关注。然而由于绿藻生物制氢成本偏高，迄今为止，国际上尚未在其制氢产业化生产和商业发展方面取得突破。若使绿藻生物制氢真正成为一种替代能源，降低绿藻生产及产氢成本至关重要。另外，绿藻直接光解水制氢技术在产生氢气的同时产生氧气，随着气相氧分压逐渐加大，氢化酶逐渐失活，产氢停止，不能实现连续大规模制氢。所以目前的绿藻产氢的研究大部分集中解决在产氢过程的氧抑制问题上。目前主要的产氢方法包括外加光系统II抑制剂和培养基缺硫的产氢方法。加入光系统II抑制剂虽然可以抑制绿藻释放氧气，但可能会导致细胞短时期内死亡，不适合大规模经济地制造氢气。另一种产氢方法是将培养成熟的绿藻收集后，悬浮于不含硫元素的培养基中，无硫培养导致绿藻放氧能力的降低，当绿藻光合放氧速率降低至其呼吸速率以下时，绿藻产氢体系就会自发达到厌氧，产氢就可以产生。然而这种产氢方法的弊端也较为明显绿藻需要收集，且当前并没有合适的方法，例如离心收集需要耗费电力，投入和设备成本都较高，并且将培养基中的硫元素去除同样会大幅提高绿藻制氢的成本。所以若使绿藻产氢大规模化必须开发正常条件下(有硫)产氢方法和非外加光系统II抑制剂的产氢方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种低光强和复杂培养基条件下绿藻光解水制氢的方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种绿藻光解水制氢的方法，绿藻在废水中辅以二氧化碳培养至对数生长期，然后添加乙酸钠，并在厌氧条件下经6-12小时的暗诱导后，再放置于低光强下产氢，即得到绿藻光解水产氢。具体为I)绿藻的培养将绿藻接种于废水中(接种终浓度为光密度值OD75tl = O. I)，在100-200 μ E/m2-s光照强度下驯化20_24h，驯化后通入二氧化碳和氮气的混合气体，(混合气体通入量为O. lL/min，二氧化碳和氮气的混合气体为2% (体积百分比)和98%氮气混合气)，培养至绿藻进入对数生长末期停止生长，此时藻液的光密度值OD750为I. 5-2. O ；其中，绿藻接种密度为光密度值OD75tl = O. I ；2)绿藻产氢向上述藻液中添加乙酸钠并在厌氧条件下暗诱导，暗诱导后将藻液置于30-40 μ E/m2 · s光照强度下产氢。其中，上述培养至绿藻进入对数生长末期藻液终浓度为OD75tl = I. 5-2. O时向藻液中添加终浓度为30-40mmol/L的乙酸钠。
所述废水可为厌氧发酵后的残余废液或生活污水。所述废水为沼液，应去除其中的固体颗粒后，每升沼液中添加10_15g的活性炭搅拌24-30h后经过滤，取上清液，而后将上清液用水稀释为上清液浓度的25% -100%，经灭菌处理后，待用。而所述废水为生活污水时由于其色度低，仅需简易离心去除固体颗粒，经灭菌处理后，待用。所述绿藻产氢时直接在培养至进入对数生长末期停止生长的藻液中加入乙酸钠，密封，然后对藻液上空抽真空并充氮气至气压平衡，重复操作使反应器达到厌氧，然后将藻细胞暗处放置诱导氢化酶活性，然后放置于30-40 μ E/m2 · s光照强度下产氢。所述绿藻为绿藻门的小球藻(Chlorella)、栅藻(Scenedesmus)或衣藻(Chlamydomonas)。在低光强的条件下产氢。低光强的标准在于在这种光强下绿藻释放的氧气不会对
产氢产生抑制。本发明的有益效果本发明将污水综合利用与绿藻培养偶联，并利用培养成熟的绿藻产氢，同时达到了污水处理、绿藻培养和二氧化碳减排的功能，并在低光强的条件下消除了产氢过程中氧抑制的问题，既在不需要离心、更换培养基等条件(区别于两步法需更换无硫培养基)获得清洁的可再生能源气体-氢气，而且添加的乙酸钠是可促进绿藻生长的碳源，对藻细胞无害。
图I为本发明实施例采用的光生物反应器示意图；图2为本发明实施例提供的绿藻生长情况示意图；图3为本发明实施例提供的绿藻累积产氢量示意图；图4为本发明实施例提供的绿藻培养过程的COD含量变化示意图；图5为本发明实施例提供的绿藻培养过程的氨氮含量变化示意图；图6为本发明实施例提供的绿藻培养过程的总磷含量变化示意图。
具体实施方案下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。实施例I(I)沼液的处理以沼液为培养基需预处理。沼液经沉降、离心和过滤去除其中的固体颗粒，添加活性炭吸附，以消除其色度对光透过率的影响，添加的活性炭浓度约为IOg/L，搅拌24h后经过滤保留上清液。以水稀释至上清液浓度的25%，经灭菌处理后作为培养緑藻的培养基；(2)绿藻的接种将处理后的沼液装入光生物反应器(參见图I)，接入新鲜的蛋白核小球藻，接种比例为处理后的沼液体积的O. 5% -I %，緑藻接种密度为光密度值OD75tl =
O.I。然后放置于单侧日光灯下在100 μ E/m2 · S的光照強度光照培养，以磁力搅拌器进行搅拌，驯化24h后从反应器底部培养液下部通入ニ氧化碳和氮气的混合气体，(混合气体通入量为O. lL/min, ニ氧化碳和氮气的混合气体为2% (体积百分比)和98%氮气混合气)，培养至藻细胞生物量不再增加，并停止光照通气，即绿藻进入对数生长末期停止生长，培养过程的緑藻细胞的光密度值(OD75tl)如图2所示；(3)绿藻产氢取适量藻液加入至厌氧产氢反应器中，并添加40mmol/Lこ酸钠，密封。然后对藻液上空抽真空并充氮气至气压平衡，重复三次使反应器达到厌氧，藻液上空或溶液内少量残余的氧气可由藻细胞自身的呼吸作用消除。将藻液在暗处放置12h进行氢化 酶诱导后，置于30 μ E/m2 · s光照強度的单侧日光灯光源下光照产氢，累积产氢量如图3所
/Jn ο以上实验步骤均在室温25°C下进行，3天的累积产氢量可达到约70mL/L。同时蛋白核小球藻生长过程中沼液的COD和氮磷含量变化如图4、5和6，绿藻对沼液的C0D、氨氮和总磷的去除率分别为64%、97%和98%，说明绿藻既可利用沼液中的营养元素进行生长又可对沼液的COD和氮、磷有较好的去除效率。由此采用本发明方案以绿藻光解水制氢，可进行沼液利用的同时获得清洁能源气体氢气，且氢气来源于光能分解水，属于可再生能源，既实现了沼液利用、緑藻培养，ニ氧化碳减排和清洁的可再生能源生产的四重效果。实施例2(I)生活污水的处理生活污水经沉降、离心和过滤去除其中的固体颗粒，经灭菌处理后作为培养緑藻的培养基；(2)緑藻的培养其步骤与实施例I相同，只是以生活污水代替沼液，以莱茵衣藻代替蛋白核小球藻；(3)緑藻产氢其步骤与实施例I相同，只是以生活污水代替沼液，以莱茵衣藻代替蛋白核小球藻，产氢光照强度改变为40μΕ/ηι2 · S。本发明采用富含营养物质的沼液等污水培养绿藻并采用ニ氧化碳辅助培养技木，可明显的降低緑藻培养成本；采用不更换培养基的方式制取氢气，改变了传统的緑藻无硫产氢エ艺路线，可大幅降低产氢成本；采用暗诱导加低光强结合的技术，有效的降低了光解水所产生的氧气对产氢的抑制作用。该项技术既能解决沼液等排放造成环境污染的问题又可同时提供清洁能源。本技术可以应用于污水治理、緑藻培养、ニ氧化碳减排及氢气生产エ业。
权利要求
1.一种绿藻光解水制氢的方法，其特征在于绿藻在废水中辅以二氧化碳培养至对数生长期，然后添加乙酸钠，并在厌氧条件下经6-12小时的暗诱导后，再放置于低光强下产氢，即得到绿藻光解水产氢。
2.按权利要求I所述的绿藻光解水制氢的方法，其特征在于 . 1)绿藻的培养将绿藻接种于废水中，在100-200μ E/m2 · s光照强度下驯化20_24h，驯化后通入二氧化碳和氮气的混合气体，培养至绿藻进入对数生长末期停止生长； .2)绿藻产氢向上述藻液中添加乙酸钠并在厌氧条件下暗诱导，暗诱导后将藻液置于.30-40 μ E/m2 · s光照强度下产氢。
3.按权利要求I或2所述的绿藻光解水制氢的方法，其特征在于所述废水可为厌氧发酵后的残余废液或生活污水。
4.按权利要求3所述的绿藻光解水制氢的方法，其特征在于所述废水为沼液，应去除其中的固体颗粒后，每升沼液中添加10-15g的活性炭搅拌24-30h后经过滤，取上清液，而后将上清液用水稀释为上清液浓度的25% -100%，经灭菌处理后，待用。
5.按权利要求I或2所述的绿藻光解水制氢的方法，其特征在于所述绿藻产氢时直接在培养至进入对数生长末期停止生长的藻液中加入乙酸钠，密封，然后对藻液上空抽真空并充氮气至气压平衡，重复操作使反应器达到厌氧，然后将藻细胞暗处放置诱导氢化酶活性，然后放置于30-40 μ E/m2 · s光照强度下产氢。
6.按权利要求I或2所述的绿藻光解水制氢的方法，其特征在于所述绿藻为绿藻门的小球藻(Chlorella)、棚藻(Scenedesmus)或衣藻(Chlamydomonas)。
全文摘要
本发明涉及污水处理和清洁能源开发领域，具体的说是一种低光强和复杂培养基条件下绿藻光解水制氢的方法。绿藻在废水中辅以二氧化碳培养至对数生长期，然后添加乙酸钠，并在厌氧条件下经6-12小时的暗诱导后，再放置于低光强下产氢，即得到绿藻光解水产氢。本发明将污水综合利用与绿藻培养偶联，并利用培养成熟的绿藻产氢，同时达到了污水处理、绿藻培养和二氧化碳减排的功能，并在低光强的条件下消除了产氢过程中氧抑制的问题，既在不需要离心、更换培养基等条件获得清洁的可再生能源气体-氢气，而且添加的乙酸钠是可促进绿藻生长的碳源，对藻细胞无害。
文档编号C12R1/89GK102676586SQ201210126020
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者张彦婷, 王环宇, 范晓蕾, 郭荣波 申请人:中国科学院青岛生物能源与过程研究所