一种制氢方法及装置

1.本发明涉及生物制氢技术，尤其涉及一种制氢方法，以及一种制氢装置。


背景技术：

2.在全球能源革命进程中，氢能源因具有清洁无污染、燃烧值高、生产可持续等显著优势，受到广泛的关注，被认为是一种具有广阔发展前景的优质能源。然而，目前约95%的氢气仍需要通过消耗大量的化石燃料来生产，其生产过程中伴随着污染，且整体的经济效益较低。
3.生物光合制氢技术是近年来制氢领域的研究热点，可以直接利用微生物和太阳能对水进行光解，将质子还原产生氢气。该方法的底物来源丰富，生产过程中也不会形成副产物的污染。莱茵衣藻因其遗传背景清晰、培养容易、生长速率快和氢化酶活性高等优势，被视为生物制氢的模式生物。
4.然而，研究表明莱茵衣藻的氢化酶极容易受到氧气的抑制而失活，而氧气则是光合作用的必然产物。为了解决这一瓶颈问题，许多实验室探究了各种方法来降低细胞内的氧气含量，期望实现持续的产氢。目前主流的产氢方法包括脱硫两步制氢法、固定化法、菌藻共培养法、遗传工程改造法，其中，脱硫法是经济效益最高且最常见的方法。然而，由于脱硫过程会阻碍莱茵衣藻的光系统ⅱ（psⅱ）中的d1蛋白的修复，降低光合产氧活性并减少电子源的供应，从而抑制微藻生长，甚至最终导致细胞死亡，同时脱硫过程涉及离心、更换培养基等繁琐的操作步骤，并对设备要求较高，脱硫两步制氢法存在生产升本高且无法持续产氢的致命缺陷，因此无法投入大规模的工业生产。
5.为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种生物制氢技术，用于提升藻类物质的产氢效率、延长藻类物质的产氢时间，并降低生物制氢的生产成本，从而促进生物制氢技术投入大规模的工业生产。


技术实现要素：

6.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
7.为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种制氢方法，以及一种制氢装置，能够提升藻类物质的产氢效率、延长藻类物质的产氢时间，并降低生物制氢的生产成本，从而促进生物制氢技术投入大规模的工业生产。
8.具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述制氢方法包括以下步骤：向隔绝外界光源的反应器中添加藻类物质；向所述反应器中添加目标浓度以下的亚硫酸钠溶液；以及向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照，以供所述藻类物质进行间隔的光合作用。
9.进一步地，在本发明的一些实施例中，在向所述反应器中添加目标浓度以下的亚硫酸钠溶液之前，所述制氢方法还包括以下步骤：使用不同浓度的亚硫酸钠溶液，对所述藻类物质进行毒性测试；以及根据所述毒性测试的结果，确定所述亚硫酸钠溶液的目标浓度。
10.进一步地，在本发明的一些实施例中，在确定所述亚硫酸钠溶液的目标浓度之后，以及向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照之前，所述制氢方法还包括以下步骤：向经过所述目标浓度的亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供不同光强峰值、频率和/或占空比的脉冲光照，以进行制氢实验；以及根据所述制氢实验的结果，确定所述脉冲光照的光强峰值、频率和/或占空比。
11.进一步地，在本发明的一些实施例中，在向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照之前，所述制氢方法还包括以下步骤：向所述反应器通入稳定气体，以排出所述反应器上部残留的氧气；和/或对经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质进行暗适应处理，以消耗所述藻类物质内部的溶氧，并建立氢化酶的表达。
12.进一步地，在本发明的一些实施例中，在向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照的过程中，所述制氢方法还包括以下步骤：根据预设的间隔时间向所述反应器通入稳定气体，以排出所述反应器上部生成的氢气。
13.进一步地，在本发明的一些实施例中，在向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照的过程中，所述制氢方法还包括以下步骤：监测所述反应器中的亚硫酸钠溶液的剩余浓度；以及响应于所述剩余浓度低于预设的浓度阈值的判断结果，向所述反应器中补充亚硫酸钠，以将所述亚硫酸钠溶液的剩余浓度提升到所述目标浓度。
14.进一步地，在本发明的一些实施例中，所述目标浓度在10mm以下，所述浓度阈值在2 mm以上。
15.此外，根据本发明的第二方面提供的上述制氢装置包括反应器、遮光结构以及脉冲光源。所述反应器中盛放藻类物质以及目标浓度以下的亚硫酸钠溶液。所述遮光结构用于阻止外界光接触所述藻类物质。所述脉冲光源向所述藻类物质提供脉冲光照，以供所述藻类物质进行间隔的光合作用。
16.进一步地，在本发明的一些实施例中，所述反应器具有气密性结构，并包括进气口及出气口。所述进气口连接气源。在向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照之前，所述气源经由所述进气口向所述反应器通入稳定气体，以经由所述出气口排出所述反应器上部残留的氧气。此外，在一些实施例中，在向经过所述亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照的过程中，所述气源根据预设的间隔时间，经由所述进气口向所述反应器通入稳定气体，以经由所述出气口排出所述反应器上部生成的氢气。
17.进一步地，在本发明的一些实施例中，所述制氢装置还包括处理器及浓度监测器。所述反应器还包括补料口。所述处理器被配置为：经由所述浓度监测器监测所述反应器中的亚硫酸钠溶液的剩余浓度；以及响应于所述剩余浓度低于预设的浓度阈值的判断结果，经由所述补料口向所述反应器中补充亚硫酸钠，以将所述亚硫酸钠溶液的剩余浓度提升到所述目标浓度。
附图说明
18.在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的
上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
19.图1示出了根据本发明的一些实施例提供的制氢装置的侧视示意图。
20.图2示出了根据本发明的一些实施例提供的反应器的俯视示意图。
21.图3示出了根据本发明的一些实施例提供的制氢方法的流程示意图。
22.图4示出了根据本发明的一些实施例提供的确定制氢参数的流程示意图。
23.图5a及图5b示出了根据本发明的一些实施例提供的毒性测试结果的示意图。
24.图6示出了根据本发明的一些实施例提供的直流照与脉冲光照的氢气产量及产氢时间的对比示意图。
25.图7a~图7d示出了根据本发明的一些实施例提供的制氢实验结果的示意图。
26.图8示出了根据本发明的一些实施例提供的氢气产量与亚硫酸钠浓度的对应关系图。
27.图9a示出了根据本发明的一些实施例提供的屏蔽盒盒盖的结构示意图。
28.图9b示出了根据本发明的一些实施例提供的屏蔽盒盒体的结构示意图。
具体实施方式
29.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
32.能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
33.如上所述，莱茵衣藻的氢化酶极容易受到氧气的抑制而失活，而氧气则是光合作用的必然产物。为了解决这一瓶颈问题，许多实验室探究了各种方法来降低细胞内的氧气含量，期望实现持续的产氢。目前主流的产氢方法包括脱硫两步制氢法、固定化法、菌藻共培养法、遗传工程改造法，其中，脱硫法是经济效益最高且最常见的方法。然而，由于脱硫过
程会阻碍莱茵衣藻的光系统ⅱ（psⅱ）中的d1蛋白的修复，降低光合产氧活性并减少电子源的供应，从而抑制微藻生长，甚至最终导致细胞死亡，同时脱硫过程涉及离心、更换培养基等繁琐的操作步骤，并对设备要求较高，脱硫两步制氢法存在生产升本高且无法持续产氢的致命缺陷，因此无法投入大规模的工业生产。
34.为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种制氢方法，以及一种制氢装置，能够提升藻类物质的产氢效率、延长藻类物质的产氢时间，并降低生物制氢的生产成本，从而促进生物制氢技术投入大规模的工业生产。
35.在一些非限制性的实施例中，本发明的第一方面提供的上述制氢方法可以经由本发明的第二方面提供的上述制氢装置来实施。请结合参考图1及图2。图1示出了根据本发明的一些实施例提供的制氢装置的侧视示意图。图2示出了根据本发明的一些实施例提供的反应器的俯视示意图。
36.如图1及图2所示，在本发明的一些实施例中，制氢装置可以由反应器11、遮光结构12以及脉冲光源13组成。该反应器11可以选用扁平结构的瓶体111，用于盛放莱茵衣藻、小球藻等藻类物质21，以及目标浓度以下的亚硫酸钠（na2so3）溶液，从而提升脉冲光源13对藻类物质21的光照面积。该遮光结构12可以选用密闭的培养箱，用于阻止外界光与反应器11内部的藻类物质21的接触，从而为藻类物质21提供一个光隔离的黑暗环境。该密闭培养箱12的内壁可以安装有一个或多个led脉冲光源13，用于向反应器11内部的藻类物质21提供脉冲光照，以供其根据脉冲峰值的发生时刻及持续时长进行间隔的光合作用。
37.进一步地，在一些实施例中，上述反应器11的瓶体111顶部可以优选为气密性结构，其瓶口位置收束，并经由丁基胶塞112密封。一根进气管道114经由该丁基胶塞112通入该瓶体111的远端，而一根出气管道113经由该丁基胶塞112通入该瓶体111的近端。如此，操作人员即可使用气泵、高压气罐等气源向进气管道114提供载气，以驱动瓶体111内部的原有气体经由出气管道113离开感应器11，从而实现反应器11内部的气体循环。
38.更进一步地，在一些实施例中，反应器11的瓶体111顶部可以优选地设有补料口。该补料口可以经由丁基胶塞115密封。如此，操作人员即可通过拔出该丁基胶塞115来向反应器11内部添加亚硫酸钠粉末，或使用注射器穿透该丁基胶塞115来向反应器11内部注射较高浓度的亚硫酸钠溶液，从而调节该反应器11内部的亚硫酸钠溶液的浓度。
39.此外，在一些实施例中，上述培养箱12可以优选为恒温培养箱。如此，操作人员可以经由该恒温培养箱12，将生物制氢过程的环境温度始终维持在25℃左右，以促进藻类物质21的光合作用和生长。
40.以下将结合一些制氢方法的实施例来描述上述制氢装置的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些制氢方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该制氢装置的全部功能或全部工作方式。同样地，该制氢装置也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些制氢方法中的各步骤的执行主体和执行位置构成限制。
41.请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的制氢方法的流程示意图。
42.如图3所示，在生产氢气的过程中，操作人员可以首先向反应器11的瓶体111中添加适量莱茵衣藻藻液21，并用微量进样器或者移液枪向藻液中加入目标浓度以下的亚硫酸钠溶液。此处，该莱茵衣藻可以选用莱茵衣藻137 c，其培养基可以选用tap培养基。该目标
浓度可以根据亚硫酸钠溶液对莱茵衣藻的毒性测试结果来确定，优选为10mm以下。
43.通过在莱茵衣藻藻液21中添加亚硫酸钠溶液，本发明可以利用亚硫酸钠与藻液21中溶氧的光氧化反应降低藻液21中的氧气含量，从而提升藻类物质的产氢效率。进一步地，通过配置目标浓度以下的亚硫酸钠溶液来抑制藻液21中的溶氧，本发明一方面能够降低亚硫酸钠溶液的原料成本，另一方面能够防止高浓度亚硫酸钠对莱茵衣藻psⅱ活性的抑制作用，从而促进莱茵衣藻21的光合作用和生长，以延长其产氢时间。
44.然而，据研究表明，虽然10mm以下的低浓度亚硫酸钠溶液能够避免对莱茵衣藻psⅱ活性产生抑制作用，但在实际的制氢过程中，由于溶液中亚硫酸钠含量较低，会被光合作用产生的氧气快速耗尽，仅凭降低亚硫酸钠溶液的浓度也难以实际达到延长藻类物质产氢时间的效果。
45.相比于使用直流光照对不同浓度的亚硫酸钠溶液进行多次实验，并取其中产氢时间最长、产氢量最高的最优数据的常规做法，本发明进一步采用了脉冲光照的照明方式，向经过亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照，以供藻类物质21进行间隔的光合作用。由于藻类在光照和黑暗的条件下都存在呼吸作用，需要消耗氧气，却仅在光照条件下发生光合作用来产生氢气和氧气，本发明采用的上述脉冲光照的照明方式一方面能够通过提供高强度的瞬时光照来提升光合作用的瞬时效率，另一方面能够通过调节脉冲光照的频率和占空比来协调藻类物质21的光合作用和呼吸作用的发生时机和时间占比，从而平衡藻液21中的psⅱ活性和氢酶活性，以获得更高的氢气产量。
46.进一步地，在一些实施例中，本发明采用的上述脉冲光照的光强峰值、频率、占空比等光照参数，可以经由藻类物质的制氢实验来确定。优选地，该制氢实验可以基于上述亚硫酸钠溶液对莱茵衣藻的毒性测试结果来实施。
47.具体请参考图4、图5a及图5b、图6，以及图7a~图7d。图4示出了根据本发明的一些实施例提供的确定制氢参数的流程示意图。图5a及图5b示出了根据本发明的一些实施例提供的毒性测试结果的示意图。图6示出了根据本发明的一些实施例提供的直流照与脉冲光照的氢气产量及产氢时间的对比示意图。图7a~图7d示出了根据本发明的一些实施例提供的制氢实验结果的示意图。
48.如图4所示，在开始制氢流程之前的准备阶段，操作人员可以首先使用不同浓度的亚硫酸钠溶液对藻类物质进行毒性测试，再根据毒性测试的结果确定亚硫酸钠溶液的目标浓度。
49.具体来说，由于传统脱硫方法会破坏莱茵衣藻的psⅱ活性并抑制其细胞生长，为了证明亚硫酸钠添加的安全性，操作人员可以首先选用多组初始叶绿素含量为17.5 μgml-1
、初始吸光度值od
750
=0.7~0.8的莱茵衣藻137 c实验样本，向其中分别添加0mm、4mm、5mm、10mm、15mm、25mm的亚硫酸钠溶液，并在培养处理144小时后重新测量各组莱茵衣藻样本的叶绿素含量及od值，以确定不同浓度的亚硫酸钠溶液对藻类物质光合作用及生长的影响情况。
50.如图5a及图5b所示，浓度10 mm以下的亚硫酸钠对藻类细胞生长和叶绿素含量影响有限，而在添加了15mm和25 mm的亚硫酸钠溶液的样本中，叶绿素含量分别下降了14%和24%，对应的od值也显著降低。以上结果表明，添加浓度大于10 mm的亚硫酸钠会促进藻类叶绿素的降解，显著抑制了藻细胞的生长，而添加浓度小于10 mm的亚硫酸钠对藻类生产和叶
绿素含量没有明显的抑制或提高作用。由此，操作人员可以根据毒性测试的结果，将亚硫酸钠溶液的目标浓度确定在10mm以下。
51.如图4所示，在确定亚硫酸钠溶液的目标浓度之后，操作人员可以使用目标浓度（例如：10mm）的亚硫酸钠溶液处理藻类物质，并向其提供不同光强峰值、频率和/或占空比的脉冲光照，以进行制氢实验，再根据制氢实验的结果确定脉冲光照的光强峰值、频率、占空比等光照参数。
52.具体来说，为了解脉冲光参数对亚硫酸钠处理的莱茵衣藻的产氢量和产氢过程的影响，并验证上述毒性测试结果的可靠性，操作人员可以按表1所示地设置led光源13的发光参数，并向上述多组初始叶绿素含量为17.5μgml-1
、初始吸光度值od
750
=0.7~0.8的莱茵衣藻137c实验样本提供直流和/或脉冲光照，以供各组莱茵衣藻137c样本进行持续和/或间隔的光合作用。
53.表1脉冲光的设置参数之后，操作人员可以每隔24小时用1ml进样针在反应器11的顶部空间取气，并将其注入气相色谱仪以检测其中氢气（h2）及氧气（o2）的含量。进一步地，为了保证亚硫酸钠添加浓度的安全性，操作人员还可以在反应终了时对各实验样本进行取样，以检测其中的叶绿素含量和od值。
54.如图6所示，在直流光源（第1组）和脉冲光源（第3组）的对比实验中，直流光源照射下的实验样本只能维持大约72小时的产氢时长，且其最高产量只达到约15mll-1
。这说明在直流光的照射条件下，10mm以下的低浓度亚硫酸钠溶液无法长期维持藻液21中的厌氧环境，不利于延长藻类物质的产氢时长，与本领域的现有结论一致。然而，脉冲光源照射下的实验样本能够维持至少144小时以上的产氢时长，并且最高产量达到约72mll-1
。产氢过程的延长说明在该过程中莱茵衣藻的氢化酶能够一直保持活性，而没有被氧气所抑制。这说明脉冲光的照射条件能够显著降低藻液21中亚硫酸钠抑制剂的消耗速度，从而使10mm以下的低浓度亚硫酸钠溶液具备长期维持藻液21中的厌氧环境的效果。
55.此外，在图7a~图7d所示的实施例中，操作人员还可以在开始光照之前，先用氩气等稳定气体以一定流速吹出反应器11内部原有的空气，以防止原有空气中的氧气成分造成藻类体外氢化酶的失活。之后，操作人员还可以在吹气完毕后，将反应器11放入25℃的恒温培养箱中、关闭培养箱内光源13，并用黑布包裹瓶身做完全遮光处理1小时，以进一步消耗藻液21内部的溶氧，并建立氢化酶的表达。此外，操作人员还可以每隔一段预设的间隔时间（例如：24小时）就向反应器11中通入一定体积的稳定气体（例如：氩气），以排出反应器11上部生成的氢气，从而解除反应器11顶部的氢气分压对产氢过程的抑制，以进一步提高氢气产量。
56.如图7a所示，在将平均光强固定为20 μmol m-2 s-1
的实验条件下，200 μmol m-2 s-1
的光照参数（第3组）所产生氢气的积累量最高，可达到130 ml l-1
的累计产量。100 μmol m-2 s-1
的光照参数（第2组）所产生氢气的积累量次之，且两者的制氢实验结果没有显著性差异。相比之下，400 μmol m-2 s-1
的光照参数（第4组）所产生氢气的积累量最低，与前两组相较具有显著差异。
57.此外，如图7b所示，在整个实验过程中，上述三种光照条件下的第2~4组实验样本的叶绿素含量均呈现出先增加、然后保持稳定、再下降的变化趋势，且反应终了时，各实验样本的叶绿素含量随峰值光强的降低而增加。此处，较高的叶绿素含量代表细胞中含有更多完整的psⅱ，能向体外氢酶提供更多的电子。虽然在400 μmol m-2 s-1
的强光对衣藻细胞的光抑制作用下，第4组叶绿素降解得更快，但其在120小时的实验过程后仍能保持10μgml-1
以上的较高含量水平。这表明选用10 mm以下的亚硫酸钠溶液作为溶氧抑制剂，能够显著降低脱硫过程对微藻生长的抑制作用，从而保证藻细胞维持正常、健康的生理状态。
58.此外，如图7c所示，在加入10 mm以下的亚硫酸钠溶液之后，各组实验样本中的溶氧（do）值均出现显著的下降趋势，使三种光强条件下的藻液都达到厌氧状态，并维持120小时以上的持续时间。进一步地，如图7d所示，在加入10 mm以下的亚硫酸钠溶液之后，各组实验样本中的体外氢酶活性都得到了显著的提升，并能维持120小时以上的持续时间。这表明上述三种脉冲光照参数都能配合10 mm以下的亚硫酸钠溶液进行长时间（例如：144小时以上）的制氢工艺，而不会因为低浓度亚硫酸钠溶液的耗尽而造成莱茵衣藻的氢化酶的失活。
59.进一步地，在一些实施例中，在确定脉冲光照的相关参数之后，操作人员还可以优选地采用制氢装置的脉冲光源13对经过不同浓度（尤其是10mm）的亚硫酸钠溶液处理的莱茵衣藻样本进行制氢实验，并根据制氢实验的结果确定最适合本发明的制氢装置的亚硫酸钠溶液浓度。
60.请参考图8，图8示出了根据本发明的一些实施例提供的氢气产量与亚硫酸钠浓度的对应关系图。如图8所示，在相同参数的脉冲光照下，不同浓度亚硫酸钠处理浓度与产氢量变化呈现出对数正态分布曲线，并在4 mm的添加浓度下，获得72 mll-1
的最高氢气产量。当亚硫酸钠浓度增加到10mm及35 mm，其氢气产量将分别降低12%及62%。当亚硫酸钠浓度减少到3 mm及0.5 mm，其氢气产量将分别降低4%及67%。由此，操作人员可以根据制氢实验的结果，将亚硫酸钠溶液的目标浓度进一步确定在4 mm，以开展后续的生物制氢流程。
61.根据上述毒性测试及制氢实验的结果可知，10 mm以下的低浓度亚硫酸钠溶液不仅能够抑制光合作用产生的氧气对莱茵衣藻的体外氢化酶的破坏，从而显著提升藻类物质的产氢效率，还能够显著降低脱硫过程对微藻生长的抑制作用，从而在不影响藻类光合活性和生长的前提下，延长藻类物质的产氢时间。此外，瞬时强度为100~200 μmol m-2 s-1
、占空比为10%~20%的脉冲光照能够有效调节藻类物质光合作用的强度，并调节藻类物质光合作用和呼吸作用的时间占比，从而降低生物制氢流程对亚硫酸钠的消耗，以克服低浓度亚硫酸钠溶液无法在相同瞬时光强的直流光下长期维持厌氧环境的问题，并有效延长藻类物质的产氢时间。
62.进一步地，通过描述图4所示的确定生物制氢参数的方法，本发明提供了一种先确定亚硫酸钠溶液浓度，再调节脉冲光参数的构思。相比于使用直流光照射对不同浓度的亚硫酸钠溶液进行多次实验，并取其中产氢时间最长、产氢量最高的最优数据的常规做法得
到的25 mm的最优浓度，本发明确定的10 mm以下的目标浓度能够有效克服脱硫过程对微藻生长的抑制作用，消除本领域的技术人员对上述常规做法及25 mm的最优浓度的技术偏见，从而进一步延长单批次藻类的产氢时长，并进一步提升其累计氢气产量。
63.以下将继续介绍向藻类物质提供脉冲光照，以供其进行间隔的光合作用的具体流程，请结合参考图1及图2。
64.如图1及图2所示，在一些实施例中，在向经过4mm的亚硫酸钠溶液处理的藻类物质提供脉冲光照之前，操作人员可以首先经由进气管道114向反应器11内部通10分钟稳定气体（例如：氩气），以一定流速将反应器11内部原有的空气吹出，从而防止原有空气中的氧气成分造成藻类体外氢化酶的失活。
65.进一步地，在吹气完毕之后，操作人员还可以将盛放亚硫酸钠溶液及藻液21的反应器11放入25℃的恒温培养箱12中，关闭培养箱12内的光源，并用黑布包裹反应器11，以进行1小时的暗适应处理。通过进行该暗适应处理，本发明可以进一步消耗藻液21内部的溶氧，并建立氢化酶的表达。
66.之后，操作人员可以经由驱动电路，驱动培养箱12内部的led光源13（例如：白光led）以峰值光强200 μmol m-2 s-1
、频率0.1 hz、占空比10%的方式运行，向经过亚硫酸钠溶液处理的藻类物质21提供脉冲光照，以供其进行间隔的光合作用，并产生氢气。进一步地，在向藻类物质21提供脉冲光照的过程中，操作人员还可以每隔一段预设的间隔时间（例如：24小时）就向反应器11中通入一定体积的稳定气体（例如：氩气），以排出反应器11上部生成的氢气，从而解除反应器11顶部的氢气分压对产氢过程的抑制，以进一步提高氢气产量。
67.如此，本发明即可如图7a所示地基于单批次藻液21维持至少144小时以上的产氢时长，并且达到约130 ml l-1
的累积氢气产量。相比于使用直流光照射25 mm的亚硫酸钠溶液处理的藻液的常规做法，本发明一方面将亚硫酸钠的用量降低了84%，极大地降低了原料成本，另一方面减轻了高浓度亚硫酸钠溶液对藻类细胞的抑制作用，促进了藻类的光合作用和生长，并显著地延长单批藻类的产氢时长。
68.进一步地，针对设置有补料口的反应器11，本发明提供的上述制氢装置还可以优选地配置有处理器及浓度监测器。处理器可以经由该浓度监测器监测反应器11中的亚硫酸钠溶液的剩余浓度。响应于剩余浓度低于预设的浓度阈值（例如：2~4mm）的判断结果，处理器可以提示操作人员经由补料口向反应器11中补充亚硫酸钠，以将亚硫酸钠溶液的剩余浓度提升到预设的目标浓度（例如：4~10mm），从而维持制氢流程的持续运行。
69.可选地，在另一些实施例中，上述浓度监测器还可以使用计时器来代替。具体来说，操作人员可以经由预先进行的制氢实验来标定亚硫酸钠抑制剂耗尽的时间（例如：144小时），并据此设置时间阈值。在实际的生物制氢过程中，处理器可以经由该计时器来统计藻液21的实际产氢时长。响应于实际产氢时长达到标定的时间阈值的判断结果，处理器即可判定反应器11中的亚硫酸钠溶液的剩余浓度低于预设的浓度阈值，并提示操作人员经由补料口向反应器11中补充亚硫酸钠，以同样达到维持制氢流程持续运行的效果。
70.本领域的技术人员可以理解，图1及图2所示的制氢装置只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。
71.优选地，在另一些实施例中，本发明还可以采用设计通光孔以间隔引入阳光的方
式，更节能地向藻类物质提供脉冲光照，从而降低能源消耗，并促进藻类物质更高效地进行光合作用。
72.请结合参考图9a及图9b。图9a示出了根据本发明的一些实施例提供的屏蔽盒盒盖的结构示意图。图9b示出了根据本发明的一些实施例提供的屏蔽盒盒体的结构示意图。
73.如图9a及图9b所示，在本发明的一些实施例中，遮光结构可以采用遮光材料制成的屏蔽盒来实现。具体来说，该屏蔽盒可以由盒盖91和盒体92两部分组成。该盒盖91的上表面设有转盘911，其上开设至少一个通光孔912。该盒体92的内部设有至少一块遮光板921。各遮光板921与屏蔽盒的外壁922共同构成至少一个屏蔽腔923，以用于容纳盛放亚硫酸钠溶液和藻液21的反应器，并阻止外界光接触反应器中的藻类物质。在向藻类物质提供脉冲光照的过程中，技术人员可以使用电机驱动转盘911按照指定的角速度在屏蔽盒的上表面旋转，带动该至少一个通光孔912依次经过各屏蔽腔923，以构成各屏蔽腔923的脉冲光源，并按指定的频率和/或占空比向藻类物质提供脉冲光照。
74.在一些实施例中，转盘911的直径可以设置在500mm以上（例如：1000mm），以容纳更多藻类物质进行同步制氢。进一步地，各屏蔽腔923的高度（即各通光孔912的离地高度）可以优选地设置在20mm以下，以防止太阳光经由该通光孔912产生的反射和/或小孔成像效应，在该脉冲光照的基础上进一步产生大于零的稳态分量。
75.此外，在一些实施例中，转盘911上开设的至少一个通光孔912可以为扇形孔，其顶角角度之和可以优选地根据需求的脉冲光照的占空比来确定。例如，对于25%的占空比需求，即可选用通光孔912的顶角角度之和为90
°
的转盘911。又例如，对于10%的占空比需求，即可选用通光孔912的顶角角度之和为36
°
的转盘911。
76.此外，在一些实施例中，转盘911上开设的通光孔912的数量，可以优选地根据需求的脉冲光照的频率来确定。例如，对于需求频率较低（例如：0.1hz）的脉冲光照，转盘911上可以根据需求的占空比，仅开设一个对应角度的通光孔912。又例如，对于需求频率较低（例如：10hz）的脉冲光照，转盘911上可以根据需求的占空比，开设对应角度之和的多个通光孔912，其中，需求的脉冲光照频率=转盘的旋转频率*开孔数量。
77.此外，在一些实施例中，驱动转盘911旋转的电机可以通过太阳能或直流电源供能。进一步地，为了保持转盘911的稳定旋转，该电机的供电回路上可以优选地设置储能电池。更进一步地，为了灵活、稳定地调节转盘911的旋转速度，该电机可以优选为pwm调速电机，通过pwm调速器来调节转盘911的旋转速度，即脉冲光照的频率。
78.尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
79.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。