一种提高微藻产氢效率的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高微藻产氢效率的方法，属于生物能源领域。该方法首先将产氢微藻细胞在培养基中培养至指数生长期；然后收集该藻体细胞，将其转入包含有机物的微藻产氢培养基中，除氧、密封，在黑暗环境中继续培养一定时间，所述的有机物包括葡萄糖、果糖、乙酸、丙酮酸、3-磷酸甘油酸、苹果酸、氨基酸中的至少一种，以及前述每种有机物的钠盐、钾盐中的至少一种；最后将该微藻细胞重新置于光照环境中诱导其分解水生产氢气。实验证实，本发明通过向微藻产氢培养基中添加有机物能够显著提高微藻的产氢效率，具有技术新颖、简便可靠、效果显著等特点，在新能源领域中具有重要的实际应用价值。
【专利说明】一种提高微藻产氢效率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物能源【技术领域】，特别涉及一种提高微藻产氢效率的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着煤、石油、天然气等化石能源的大量消耗，传统能源正加速枯竭，同时 由化石能源的大量消耗造成的酸雨、光化学烟雾、霾、温室效应等环境问题也日趋严重，开 发具有可持续发展性的新能源具有重要的战略意义。
[0003] 氢能因具有清洁、高效等优点被视为一种理想的未来能源。氢气的传统制取方法 主要有热分解法和电解法，这两种方法对化石能源的依赖程度较大，因此其发展的可持续 性受到质疑。除物理、化学制氢方法外，近年来微藻制氢技术受到越来越多的关注。
[0004] 微藻不仅可以利用太阳能通过光合作用进行生长繁殖，而且许多微藻在无氧状态 下培养一段时间后，其光合作用产生的氧气被自身的呼吸作用消耗，低氧环境导致叶绿体 基质中的产氢酶被诱导表达，产氢酶接受来自电子传递链的电子将水光解产生的氢离子还 原生成氢气，这类微藻被称为产氢微藻。这种氢气制取方式主要依赖太阳能和水，不需要消 耗大量化石能源，从能源的可持续发展方面来看是一种理想的制氢方法。但是，目前微藻制 氢与热分解法和电解法制氢相比，效率仍十分底下，因此研发提高微藻产氢效率的技术方 法对于推动其发展具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术目的是针对目前利用微藻产氢效率较低的问题，提供一种提高微藻 产氢效率的方法。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：一种提高微藻产氢效率的方法， 首先将产氢微藻细胞在培养基中培养至指数生长期；然后收集该微藻细胞，将其转入微藻 产氢培养基中，除氧、密封，在黑暗环境中继续培养，使其快速消耗环境中可能未除净的剩 余氧气后进入无氧环境；最后将该微藻细胞重新置于光照环境中诱导其分解水生产氢气， 其特征是：所述的微藻产氢培养基中包含有机物，所述的有机物包括但不限于葡萄糖、果 糖、乙酸、丙酮酸、3-磷酸甘油酸、苹果酸、氨基酸以及该葡萄糖、果糖、乙酸、丙酮酸、3-磷 酸甘油酸、苹果酸、氨基酸中每种的钠盐或钾盐等中的任意一种或两种以上的混合物。
[0007] 所述的产氢微藻包括纤维藻（Ankistrodesmus sp.)、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii)> 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)、亚海生绿球藻（Chlorococcum submarinum)、亚 心形扁藻（Platymonas subcordiformis)、惰性叶衣藻（Lobochlamys segnis)、胳形紫菜 (Porphyra umbilical is)、斜生栅藻（Scenedesmus obi iquus)、空泡栅藻（Scenedesmus vacuolatus)、细长聚球藻（Synechococcus elongates)和羊角月牙藻（Selenastrum capricormutum)等，但不限于上述微藻，包括上述微藻突变体、亚种和变种。
[0008] 所述的氨基酸包括但不限于甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等。
[0009] 所述的培养基包括但不限于TAP培养基、ES培养基或BG11培养基等。当培养基 为TAP培养基时，所述的微藻产氢培养基为TAP-S培养基；当培养基为ES培养基时，所述 的微藻产氢培养基为ES-S培养基；当培养基为BG11培养基时，所述的微藻产氢培养基为 BG11-S培养基。
[0010] 作为优选，所述的产氢微藻细胞在温度为201：?401：，光照为5(^111 〇1，111-2,8-1? 400 μ mol · m 2 · s 1的培养环境中培养。
[0011] 所述的产氢微藻细胞在培养基中是否已培养至指数生长期可以通过紫外分光光 度计测定，当培养基在680nm处的吸收值（以下简写为0D_)在1. 0?5. 0时，判定该微藻 细胞已培养至指数生长期。
[0012] 作为优选，所述的有机物占微藻产氢培养基溶液的浓度为O.Olg· Γ1? 10. 〇g · ΙΛ 进一步优选为 0· lg · Γ1 ?5. 0g · ΙΛ 更优选为 0· 3g · Γ1 ?3. 0g · L'
[0013] 所述的除氧方法不限，包括氮气等惰性气体吹扫、真空抽滤、超声脱气、膜分离等。 作为优选，除氧后微藻产氢培养基溶液中的氧气浓度低于4mg · L'
[0014] 所述的黑暗环境是指光照强度为0?5μ mol ·πΓ2 --Γ1直至完全黑暗。作为优选， 黑暗环境的温度控制在15?35°C，在黑暗环境中继续培养该微藻细胞0. lh?50h。
[0015] 所述的微藻细胞重新置于光照环境中，光强优选为50 μ mol · πΓ2 · f? 400μπιο1 · πΓ2 · s4,温度优选为15?35°C，优选在50?250rpm转速下，对微藻体细胞进 行连续光照、搅动培养。
[0016] 综上所述，本发明在现有微藻产氢培养基中添加适量有机物，实验证实，在相同处 理条件下，微藻细胞在包含有机物的微藻产氢培养基中能够高效光解水，从而提高微藻产 氢效率。与现有氢气生产技术相比，本发明具有如下优点：
[0017] 1、技术新颖：该方法通过向微藻产氢培养基中添加少量有机物进而使微藻细胞高 效光解水。
[0018] 2、简便可靠：该方法对设备和技术的要求较低，不需要在目前微藻产氢工艺的基 础上额外设计繁琐的新设备和工艺流程。
[0019] 3、效果显著：该方法较微藻产氢的传统方法相比，能够显著提高微藻的产氢效率。
[0020] 因此，本发明是一种简单、高效地提高微藻产氢效率的方法，在新能源领域具有较 好的实际应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明中使用的微藻光解水产氢气的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实 施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0023] 对比实施例1 :
[0024] 本实施例是以下实施例1的对比实施例。
[0025] 本实施例中，产氢微藻为莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii)，利用该莱茵衣 藻光解水产生氢气的过程如下：
[0026] 1)按照TAP培养基的配方配制莱茵衣藻的TAP培养基，所含营养元素种类及浓 度如下：NH 4C10. 4g · L' Κ2ΗΡ040· 108g · L' ΚΗ2Ρ040· 108g · L' MgS04 · 7Η200· 156g · L' CaCl2 · 2Η200· 05g · I/1、Tris (碱）2. 42g · I/1、盐酸 1. 0ml、Η3Β0311· 4mg · I/1、 MnCl2 · 4H205. 06mg · I/1、ZnS04 · 7H200. 22mg · I/1、FeS04 · 7H204. 99mg · I/1、 MoC12 ·6Η201· 61mg .L' (NH4)6M〇7024 ·4Η201· 57mg .171、冰乙酸 lml、CH3C00Na ·3Η202· Og .171 ;
[0027] 将300ml 0D68(I为2. 0的莱茵衣藻藻液接种于装有500ml TAP培养基的锥形瓶中， 控制环境温度为28±2°C、光强为lOOymol · πΓ2 · s'每天测定藻液的0D68Q。
[0028] 2)当锥形瓶中的藻体细胞进入指数生长期后，即藻液0D_达到2. 0以上时，以转 速为3000rpm离心培养基10min，收集藻体细胞。
[0029] 配制莱茵衣藻的TAP-S产氢培养基，该产氢培养基中不包含葡萄糖：以水作 为溶剂，参照TAP培养基的配方，以氯化物替代培养基中相应的硫酸盐，并添加有机 物，所含营养元素种类及浓度如下：NH 4C10. 4g/L、K2HP040. 108g/L、KH2P040. 108g/L、 MgCl2 ·6Η200· 129g/L、CaCl2 ·2Η200· 05g/L、Tris (碱）2. 42g .171、盐酸 1. 0ml、H3B03ll. 4mg/ L、MnCl2 · 4H205. 06mg/L、ZnCl210. 43mg/L、FeCl2 · 4H203. 56mg/L、MoC12 · 6H201. 61mg/L、 (NH4)6M〇7024 · 4H20L 57mg/L、冰乙酸 lml、CH3C00Na · 3H202. Og · L'
[0030] 将藻体细胞用上述TAP-S微藻产氢培养基洗漆3次后，将藻体细胞转入到该微 藻产氢培养基中，再向培养基中通入氮气6min，立即密封，然后将微藻置于黑暗环境中， 28±2°C下暗诱导24小时。
[0031] 3)将经过暗诱导的培养体系重新置于光强为100 μ mol · m 2 · s \温度为28±2°C 的环境，120rpm的磁力搅拌下，采用连续光照产氢，测定、收集产生的氢气。
[0032] 实施例1 :
[0033] 本实施例中，产氢微藻与比较实施例1中完全相同，也是莱茵衣藻 (Chlamydomonas reinhardtii)，利用该莱茵衣藻光解水产生氢气的过程如下：
[0034] 1)与对比实施例1中的步骤1)完全相同；
[0035] 2)与对比实施例1中的步骤2)基本相同，所不同的是莱茵衣藻的TAP-S产氢培养 基中包含0. 3g · Γ1的葡萄糖，具体配方如下：
[0036] 莱茵衣藻的包含0. 3g · Γ1葡萄糖的TAP-S产氢培养基的配方为：以水作为溶剂， 参照TAP培养基的配方，以氯化物替代培养基中相应的硫酸盐，并添加有机物，所含营养 元素种类及浓度如下：葡萄糖 3g · ΙΛ NH4C1(X 4g/L、Κ2ΗΡ04(λ 108g/L、ΚΗ2Ρ04(λ 108g/L、 MgCl2 ·6Η200· 129g/L、CaCl2 ·2Η200· 05g/L、Tris (碱）2. 42g .171、盐酸 1. 0ml、H3B03ll. 4mg/ L、MnCl2 · 4Η205· 06mg/L、ZnCl210. 43mg/L、FeCl2 · 4Η203· 56mg/L、MoC12 · 6Η201· 61mg/L、 (NH4)6M〇7024 · 4H20L 57mg/L、冰乙酸 lml、CH3C00Na · 3H202. Og · L'
[0037] 然后，将藻体细胞用上述包含葡萄糖的TAP-S微藻产氢培养基洗涤3次后，将藻体 细胞转入到该包含葡萄糖的微藻产氢培养基中，再向培养基中通入氮气6min，立即密封，然 后将微藻置于黑暗环境中，28±2°C下暗诱导24小时。
[0038] 3)与对比实施例1中的步骤3)完全相同；
[0039] 经过连续光照产氢，收集产氢系统顶部产生的氢气后，各取对比实施例1与实施 例1中所收集的气样0. lml，于气相色谱仪SP-6890上分析气体样品的组分及各组分的含 量，并绘制莱茵衣藻的氢气产率表(如表1)。
[0040] 如表1所不，经过24h后，对比实施例1中未添加葡萄糖的产氢系统顶部气样中对 照氢气产量为65. 3ml ?Ι/1培养基，而实施例1中添加葡萄糖的产氢系统顶部气样中对照氢 气产量可以达到127. 3ml · L 1培养基，是未添加葡萄糖的产氢系统的1. 95倍；产氢过程维 持96h后，对比实施例1中未添加葡萄糖的产氢系统顶部气体中对照的氢气201. 3ml · Γ1 培养基，而实施例1中添加葡萄糖的产氢系统的氢气产量可以达到373. 3ml *L 1培养基，是 未添加葡萄糖的产氢系统的1. 85倍。
[0041] 表1 :对比实施例1与实施例1中产氢系统氢气产量统计表
[0042]
【权利要求】
1. 一种提高微藻产氢效率的方法，首先将产氢微藻细胞在培养基中培养至指数生长 期；然后收集该微藻细胞，将其转入微藻产氢培养基中，除氧、密封，在黑暗环境中继续培 养，使其消耗环境中可能未除净的剩余氧气后进入无氧环境；最后将该微藻细胞重新置于 光照环境中诱导其分解水生产氢气，其特征是：所述的微藻产氢培养基中包含有机物，所述 的有机物包括葡萄糖、果糖、乙酸、丙酮酸、3-磷酸甘油酸、苹果酸、氨基酸以及前述每种有 机物的钠盐、钾盐中的一种或两种以上的混合物。
2. 如权利1要求所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的有机物在微藻产 氢培养基中的浓度为〇· Olg · L1?10. Og · I71，优选为0· lg · I71?5. Og · I71。
3. 如权利1要求所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：通过紫外分光光度计测 定培养基，当培养基在680nm处的吸收值在1. 0?5. 0时，判定该微藻细胞已培养至指数生 长期。
4. 如权利要求1所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的培养基为TAP培 养基，微藻产氢培养基为TAP-S培养基；或者，所述的培养基为ES培养基，微藻产氢培养基 为ES-S培养基；或者，所述的培养基为BG11培养基，微藻产氢培养基为BG11-S培养基。
5. 如权利要求1所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的产氢微藻细胞的 培养环境为：温度 20°C?40°C，光照 50 μ mol · m 2 · s 1 ?400 μ mol · m 2 · s L
6. 如权利要求1所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的除氧方法包括惰 性气体吹扫、真空抽滤、超声脱气、膜分离；除氧后微藻产氢培养基溶液中的氧气浓度低于 4mg · I71。
7. 如权利要求1所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的黑暗环境中光照 强度为〇?5 μ mol · m 2 · s、
8. 如权利要求1所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的黑暗环境中温度 控制在15?35°C，继续培养时间为0. lh?50h。
9. 如权利要求1所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征是：所述的微藻细胞重新置 于光照环境中，光强为50 μ mol · πΓ2 · s-1?400 μ mol · πΓ2 · s'温度为15?35°C。
10. 如权利要求1至9中任一权利要求所述的提高微藻产氢效率的方法，其特征 是：所述的产氢微藻包括纤维藻（Ankistrodesmus sp.)、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii)> Chlamydomonas moewusii、夜配衣藻（Chlamydomonas noctigama)、八月 衣藻（Chlamydomonas augustae)、雪衣藻（Chlamydomonas nivalis)、小球藻（Chlore 11a fusca)、普通小球藻（Chlorella vulgaris)、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa)、 海洋绿球藻（Chlorococcum littorale)、亚海生绿球藻（Chlorococcum submarinum)、亚 心形扁藻（Platymonas subcordiformis)、惰性叶衣藻（Lobochlamys segnis)、胳形紫菜 (Porphyra umbilical is)、斜生栅藻（Scenedesmus obi iquus)、空泡栅藻（Scenedesmus vacuolatus)、细长聚球藻（Synechococcus elongates)和羊角月牙藻（Selenastrum capricormutum)，以及前述每种微藻的突变体、亚种和变种。
【文档编号】C12R1/89GK104046651SQ201310084912
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】葛亚明, 张亚杰, 陆贻超, 吕学兰 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所