一種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法及其應(yīng)用，是指利用產(chǎn)氫微生物藍(lán)藻在太陽能的作用下產(chǎn)生氫氣，本發(fā)明通過加入光合作用抑制劑從而大幅度提高了柱胞魚腥藻產(chǎn)氫的能力，使得藻細(xì)胞利用太陽能產(chǎn)氫的效率也大幅提高，最后將得到的氫氣與燃料電池相耦合，產(chǎn)生電能。本發(fā)明是生物技術(shù)在新能源的研究和開發(fā)中的典型應(yīng)用，為生物能源的發(fā)展提供了新穎的研究思路和較好的開發(fā)前景。
【專利說明】一種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法及其應(yīng)用，屬于生物【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]固氮藍(lán)藻在固定氮的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣，但由于固氮酶對(duì)O2特別的敏感并且失活，所以降低O2的含量可以提高固氮酶的活性，可以使4的產(chǎn)量增加。我們可以利用這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行研究，來提高藍(lán)藻的產(chǎn)氫量。
[0003]高分子電解質(zhì)薄膜燃料電池是20世紀(jì)通用電氣公司發(fā)明的，最初是應(yīng)用磺化聚苯乙烯膜，不過在1966年更換為全氟磺酸離聚物薄膜，并且被應(yīng)用于美國(guó)宇航局雙子星空間飛船。但是燃料電池的高額材料費(fèi)和必需要高純的H2和O2并且還是需要較高的反應(yīng)溫度，可是由于氫氧燃料電池具有相對(duì)高的燃料利用率所以被廣泛研究與應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供了一種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法及其應(yīng)用。
[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法，其特征在于，利用產(chǎn)氫微生物藍(lán)藻在太陽能的作用下產(chǎn)生氫氣。
[0006]上述產(chǎn)氫微生物藍(lán)藻在二氯苯基二甲脲的誘導(dǎo)調(diào)控下，利用太陽能產(chǎn)生氫氣。
[0007]上述藍(lán)藻為柱胞魚腥藻中的絲狀藍(lán)藻柱胞魚腥藻。
[0008]本發(fā)明的步驟如下:
[0009]I)柱胞魚腥藻的培養(yǎng)，恒溫并持續(xù)光照，液體通氣培養(yǎng)，藻種保存在固體瓊脂BGII (+N)培養(yǎng)基平板上；
[0010]2)用BGII (-N)培養(yǎng)基培養(yǎng)使得藻細(xì)胞生長(zhǎng)到一定濃度，分裝到厭氧誘導(dǎo)容器中，加入二氯苯基二甲脲進(jìn)行誘導(dǎo)，然后保持厭氧環(huán)境，密閉試管；
[0011]3)收集步驟2)產(chǎn)生的氫氣。
[0012]更進(jìn)一步的，本發(fā)明的優(yōu)選步驟如下:
[0013]I)對(duì)柱胞魚腥藻的培養(yǎng)條件是:以BGII (-N)作為培養(yǎng)基進(jìn)行液體培養(yǎng)，藻液置于30°C的恒溫和30 μ mol photon IrT2S-1 (Model MQ-100)的持續(xù)24小時(shí)的光照強(qiáng)度下,并通以C02:Air=2:98(V:V)混合氣體；菌種絲狀藍(lán)藻柱胞魚腥藻采用持續(xù)繼代的方保存在瓊脂濃度為1.5%的固體BGII (+N)培養(yǎng)基平板上，保存條件為恒溫30°C，持續(xù)30 μ mol photonHT2iT1 (Model MQ-100)光照強(qiáng)度以及空氣環(huán)境中；
[0014]2)將BGII (+N)培養(yǎng)的藻液分裝到厭氧誘導(dǎo)試管中，加入I μ M濃度的二氯苯基二甲脲進(jìn)行誘導(dǎo)，然后持續(xù)向藻液中通以高純氬氣，達(dá)到厭氧環(huán)境，密閉試管，誘導(dǎo)藻細(xì)胞光合產(chǎn)氫過程；
[0015]3)收集氫氣:將處理好的樣品管置于30°C溫度和100 μ mol photon m_2s_1 (ModelMQ-100)光照強(qiáng)度下，靜置培養(yǎng)，樣品管內(nèi)是一個(gè)密封的環(huán)境，柱胞魚腥藻所產(chǎn)生的氫氣均被收集在管內(nèi)上部的空間。
[0016]上述方法得到的氫氣在燃料電池中的應(yīng)用。
[0017]氫氣與燃料電池耦合的步驟如下:
[0018]I)柱胞魚腥藻的培養(yǎng)，恒溫并持續(xù)光照，液體通氣培養(yǎng)，藻種保存在固體瓊脂BGII (+N)培養(yǎng)基平板上；
[0019]2)用BGII (-N)培養(yǎng)基培養(yǎng)使得藻細(xì)胞生長(zhǎng)到一定濃度，分裝到厭氧誘導(dǎo)容器中，加入二氯苯基二甲脲進(jìn)行誘導(dǎo)，然后保持厭氧環(huán)境，密閉試管；
[0020]3)收集步驟2)產(chǎn)生的氫氣，藍(lán)藻產(chǎn)氫與燃料電池耦合，通過硅膠軟管將藍(lán)藻光合產(chǎn)氫的容器與燃料電池正極聯(lián)通，同時(shí)使用空氣泵向電池負(fù)極提供空氣和氧氣，燃料電池產(chǎn)生電能。
[0021]上述燃料電池為氫質(zhì)子交換膜燃料電池的正極為H2，負(fù)極為空氣中的02。
[0022]本發(fā)明解決的問題是在提高藍(lán)藻光合產(chǎn)氫效率的基礎(chǔ)上，通過與燃料電池的耦合，將產(chǎn)生的氫氣轉(zhuǎn)化為電能并利用。加入二氯苯基二甲脲DCMU以簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方式大幅提高柱胞魚腥藻產(chǎn)氫的能力，使得藻細(xì)胞利用太陽能產(chǎn)氫的效率大幅提高。發(fā)明中提供的二氯苯基二甲脲DCMU是微溶于水，這種物質(zhì)在誘導(dǎo)產(chǎn)氫過程中起到了關(guān)鍵的作用，其作用機(jī)理仍在進(jìn)ー步的研究當(dāng)中。該物質(zhì)具有使用方便，成本低廉，效果顯著等特征。
[0023]本發(fā)明是使柱胞魚腥藻產(chǎn)生的H2通過高分子電解質(zhì)薄膜被催化，分解為2H+和2e_，電子會(huì)產(chǎn)生電，而H+會(huì)通過高分子電解質(zhì)薄膜與另ー側(cè)的O2生成H20。我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，利用I U M濃度的二氯苯基二甲脲(DCMU)誘導(dǎo)調(diào)控柱胞魚腥藻產(chǎn)生H2，靠自身產(chǎn)生的壓カ輸送至氫氧燃料電池產(chǎn)生電供給LED使之發(fā)光。在本發(fā)明中，二氯苯基二甲脲(DCMU)起到光合產(chǎn)氫的調(diào)控作·用，質(zhì)子交換膜燃料電池則是將氫氣分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并供LED燈工作。
[0024]本發(fā)明與具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0025]1、方法經(jīng)濟(jì)，成本低，易于推廣使用。本發(fā)明中使用的藍(lán)藻為光合自養(yǎng)生物，培養(yǎng)無需提供有機(jī)物，將海水通過簡(jiǎn)單處理便可培養(yǎng)；
[0026]2、見效快，效果顯著。一般在幾小時(shí)之內(nèi)就能起到促進(jìn)藍(lán)藻產(chǎn)氫的效果，并且能夠持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，提高氫氣的積累量；
[0027]3、步驟簡(jiǎn)單，效率高。發(fā)明中使用的提高產(chǎn)氫的方法步驟簡(jiǎn)易，可獲得較高的產(chǎn)氫效率，而與燃料電池的耦合則有助于獲得高效的太陽能到電能的轉(zhuǎn)化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1株胞魚腥藻光學(xué)顯微鏡照片。
[0029]圖2裝有BGII (+N)培養(yǎng)基的通氣試管。
[0030]圖3裝有BGII (-N)培養(yǎng)基的通氣試劑瓶。
[0031]圖4裝有氫氣的樣品管。
[0032]圖5裝有氫氣的裝置與燃料電池耦合。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)ー步闡述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
[0034]實(shí)施例1:柱胞魚腥藻的接種和培養(yǎng)
[0035]A).藻種的來源:藻種采購自中科院水生生物研究所藻種庫。如圖1所示。
[0036]B).柱胞魚腥藻藻種的保存:由于柱胞魚腥藻無法使用低溫凍存的方法進(jìn)行保存，因此在保種的過程中我們采用的是持續(xù)繼代的方式。本發(fā)明所選藻種為絲狀藍(lán)藻柱胞魚腥藻，藻種保存在瓊脂濃度為1.5%的固體BGII (+N)培養(yǎng)基平板上。保存條件為恒溫30°C，持續(xù)30iimol photon m_2s_1 (Model MQ-100)光照強(qiáng)度以及空氣環(huán)境中。
[0037]C).培養(yǎng)基的配置:所用培養(yǎng)基:BGII (-N)及BGII (+N)培養(yǎng)基，其成分如下:
[0038][A]BGII (-N):
[0039]Stock I (1000mL):NaCl_20.6g ；K2HP04 ? 3H20_0.8g ；Na2C03-0.4g ；
[0040]Stock II (IOOmL):檸檬酸 _0.3g ;檸檬酸鐵銨 _0.3g ；EDTA- 二鈉 _0.005g ；
[0041]Stock III (IOOmL):CaCl2_l.36g ;
[0042]Stock IV (IOOmL) =MgSO4 ? 7H20_3.75g
[0043]Stock V (1000mL):H3B03-2.86g ；MnCl2.4H20_1.81g ；
[0044]ZnSO4.7H20_3 .75g ；Na2Mo04.2H20-0.391g ；
[0045]CuSO4.H2O-0.0079g ；Co (NO3) 2.6H20_0.0494g。
[0046][B]BGII(+N):
[0047]Stock I (1000mL):NaCl_30.0g ；K2HP04 ? 3H20-0.8g ；Na2C03-0.4g ；
[0048]Stock II (IOOmL):檸檬酸 _0.3g ;檸檬酸鐵銨 _0.3g ；EDTA- 二鈉 _0.005g ；
[0049]Stock III (IOOmL):CaCl2_l.36g ;
[0050]Stock IV (IOOmL) =MgSO4 ? 7H20_3.75g ；
[0051]Stock V (1000mL):H3B03-2.86g ;MnCl2.4H20-1.81g ;
[0052]ZnSO4.7H20_3.75g ；Na2Mo04.2H20-0.391g ；
[0053]CuSO4.H2O-0.0079g ；Co (NO3) 2.6H20_0.0494g。
[0054]具體配置方法如下:在約800mL雙蒸水中一次加入50mL Stock 1、2mL Stock I1、2mL StockII1、2mL Stock IV、ImL Stock V 以及 0.61g Tris 喊，定容至 1000mL,調(diào) pH到 8.0，然后高溫高壓滅菌，冷卻后備用。
[0055]D).柱胞魚腥藻培養(yǎng):在如圖2所示的通氣試管中裝入一定體積的BGII (-N)培養(yǎng)基，接入一定量的藻種，過程中恒溫并采用24h持續(xù)光照，液體通氣培養(yǎng)。將新鮮藻液置于
30°C 溫度和 30 u mo I photon nT2s ベ(Model MQ-100)光照強(qiáng)度下，并通以 CO2: Air=2:98 (v: v)混合氣體進(jìn)行培養(yǎng)。
[0056]實(shí)施例2:柱胞魚腥藻產(chǎn)氫的誘導(dǎo)
[0057]用BGII (-N)培養(yǎng)基培養(yǎng)柱胞魚腥藻，使得藻細(xì)胞生長(zhǎng)到一定濃度。將生長(zhǎng)到一定濃度的藻液分裝到厭氧誘導(dǎo)試管中，加入I U M濃度的光合放氧抑制劑，然后持續(xù)向藻液中通以高純IS氣，達(dá)到厭氧環(huán)境，密閉試管。最后將試管至于100 Ii mol photon n^s—1持續(xù)光照下，誘導(dǎo)藻細(xì)胞光合產(chǎn)氫過程。具體步驟如下:
[0058]A).誘導(dǎo):取上述培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期的藻液，轉(zhuǎn)接如含有一定體積BGII (-N)培養(yǎng)基的通氣試劑瓶中，如圖3所示，將葉綠素定到0.15i!g/mL，然后將藻液置于30°C溫度和 30 u mol photon nT2sベ(Model MQ-100)光照強(qiáng)度下，并通以 CO2: Air=2:98 (v: v)混合氣體進(jìn)行培養(yǎng)；[0059]B).分裝:72h的連續(xù)誘導(dǎo)培養(yǎng)之后，將藻液分裝于60mL規(guī)格的玻璃樣品管中，每管按40mL藻液的量進(jìn)行分裝；
[0060]C).添加亞硫酸氫鈉:向裝有藻液的樣品管中加入一定量的DCMU，使得終濃度為
1.0 μ M，其中一管不加該物質(zhì)以作為對(duì)照組；
[0061]D).沖氬氣:用純度為(99.99%)的純氬氣將管內(nèi)剩余空間的空氣全部排盡，以確保管內(nèi)氣體環(huán)境為厭氧狀態(tài)。
[0062]實(shí)施例3:氫氣的收集
[0063]將處理好的樣品管置于30°C溫度和100 μ mol photon πΤΥ1 (Model MQ-100)光照強(qiáng)度下，靜置培養(yǎng)，由于樣品管內(nèi)是一個(gè)密封的環(huán)境，因此，柱胞魚腥藻所產(chǎn)生的氫氣均被收集在管內(nèi)上部的空間，以待檢測(cè)。如圖4所示。
[0064]實(shí)施例4:產(chǎn)氫速率的測(cè)定
[0065]用微量進(jìn)樣器從密閉試管頂空抽取一定量的氣體樣品，在高壓氣相色譜儀中進(jìn)行檢測(cè)和分析。在同等色譜條件下測(cè)定含不同濃度氫氣的標(biāo)準(zhǔn)氣體，做出標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)曲線，對(duì)測(cè)定樣品中的氫氣含量進(jìn)行定量。具體步驟如下:
[0066]A).氫氣含量的檢測(cè):以實(shí)例3中所描述的處理?xiàng)l件持續(xù)24h之后，用微量進(jìn)樣器從樣品管上部空間取500μ L的氣體樣品，在高壓氣相色譜儀中進(jìn)行檢測(cè)和分析；
[0067]B).產(chǎn)氫速率的確定:使用外標(biāo)法將所測(cè)得的峰面積數(shù)值換算為氫氣的物質(zhì)的量，然后在樣品葉綠素濃度以及產(chǎn)氫積累時(shí)間的基礎(chǔ)上最終得出柱胞魚腥藻的產(chǎn)氫速率。
[0068]實(shí)施例5:藍(lán)藻產(chǎn)氫與燃料電池耦合
[0069]如圖5所不,通過20cm長(zhǎng)的硅膠軟管將藍(lán)藻光合產(chǎn)氫的容器與燃料電池正極聯(lián)通，同時(shí)使用空氣泵向電池負(fù)極提供空氣和氧氣。用萬用表測(cè)定不同產(chǎn)氫階段，電池所產(chǎn)生的開路電壓值，并及時(shí)記錄。本發(fā)明使用藍(lán)電生產(chǎn)的電池測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)定和評(píng)價(jià)藍(lán)藻產(chǎn)氫驅(qū)動(dòng)的燃料電池的性能。
[0070]上述燃料電池為氫質(zhì)子交換膜燃料電池，其正極為H2，負(fù)極為空氣中的O2。，膜兩側(cè)裝載濃度為0.4mg/cm2的金屬鉬催化劑，催化活性的面積為25cm2。
[0071]該方法通過抑制柱胞魚腥藻光合放氧活性來提高其產(chǎn)氫效率，獲得了 3.6倍高的光合產(chǎn)氫能力。該過程獲得的太陽能轉(zhuǎn)化效率為2.05%，較目前的國(guó)內(nèi)外水平有顯著提高。通過與質(zhì)子膜交換燃料電池進(jìn)行耦合，藻細(xì)胞所產(chǎn)生的氫氣被成功轉(zhuǎn)化為電能。極化曲線的測(cè)定顯示了改系統(tǒng)能夠較好地將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。通過5天的持續(xù)產(chǎn)氫，系統(tǒng)能夠獲得最高843mV的電壓，并且能夠成功驅(qū)動(dòng)LED燈泡的長(zhǎng)時(shí)間工作。整個(gè)過程中，從光能到電能的轉(zhuǎn)化效率最高能夠達(dá)到1.13%，為目前國(guó)內(nèi)外最高水平。
【權(quán)利要求】
1.ー種新型高效利用藍(lán)藻太陽能產(chǎn)氫的方法，其特征在于，利用產(chǎn)氫微生物藍(lán)藻在太陽能的作用下產(chǎn)生氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述藍(lán)藻為柱胞魚腥藻中的絲狀藍(lán)藻柱胞魚腥藻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，產(chǎn)氫微生物藍(lán)藻在二氯苯基二甲脲的誘導(dǎo)調(diào)控下，利用太陽能產(chǎn)生氫氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟如下: 1)柱胞魚腥藻的培養(yǎng)，恒溫并持 續(xù)光照，液體通氣培養(yǎng)，藻種保存在固體瓊脂BGII(+N)培養(yǎng)基平板上； 2)用培養(yǎng)基培養(yǎng)使得藻細(xì)胞生長(zhǎng)到一定濃度，分裝到厭氧誘導(dǎo)容器中，加入二氯苯基二甲脲進(jìn)行誘導(dǎo)，然后保持厭氧環(huán)境，密閉試管； 3)收集步驟2)產(chǎn)生的氫氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟如下: 1)對(duì)柱胞魚腥藻的培養(yǎng)條件是:以BGII(-N)作為培養(yǎng)基進(jìn)行液體培養(yǎng)，藻液置于30°C的恒溫和30 u mo I photon m^V1的持續(xù)24小時(shí)的光照強(qiáng)度下，并通以C02:Air=2:98 (v: v)混合氣體；菌種絲狀藍(lán)藻柱胞魚腥藻采用持續(xù)繼代的方保存在瓊脂濃度為1.5%的固體BGII (+N)培養(yǎng)基平板上，保存條件為恒溫30°C，持續(xù)30iimol photon n^s—1光照強(qiáng)度以及空氣環(huán)境中； 2)將藻液分裝到厭氧誘導(dǎo)試管中，加入IU M濃度的二氯苯基二甲脲進(jìn)行誘導(dǎo)，然后持續(xù)向藻液中通以高純氬氣，達(dá)到厭氧環(huán)境，密閉試管，誘導(dǎo)藻細(xì)胞光合產(chǎn)氫過程； 3)收集氫氣:將處理好的樣品管置于30°C溫度和IOOiimolphoton HT2jT1光照強(qiáng)度下，靜置培養(yǎng)，樣品管內(nèi)是ー個(gè)密封的環(huán)境，柱胞魚腥藻所產(chǎn)生的氫氣均被收集在管內(nèi)上部的空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的BGII(-N)組成如下:
Stock I (1000mL):NaCl-20.6g ；K2HPO4 ? 3H20_0.8g ；Na2C03-0.4g ； Stock II (IOOmL):檸檬酸-0.3g ;檸檬酸鐵銨 _0.3g ；EDTA- 二鈉-0.005g ；
Stock III (IOOmL) =CaCl2-L 36g ；
Stock IV (IOOmL) =MgSO4 ? 7H20_3.75g
Stock V (1000mL):H3B03-2.86g ；MnCl2.4H20_1.81g ；ZnSO4.7H20-3.75g ；Na2MoO4.2H20-0.391g ；CuSO4.H2O-0.0079g ；Co (NO3)2.6H20_0.0494g。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述BGII(+N)組成如下:
Stock I (1000mL):NaCl-30.0g ；K2HPO4 ? 3H20-0.8g ；Na2C03-0.4g ； Stock II (IOOmL):檸檬酸-0.3g ;檸檬酸鐵銨 _0.3g ；EDTA- 二鈉-0.005g ；
Stock III (IOOmL) =CaCl2-L 36g ；
Stock IV (IOOmL) =MgSO4 ? 7H20_3.75g ；
Stock V (1000mL):H3B03-2.86g ；MnCl2.4H20_1.81g ； ZnSO4.7H20-3.75g ；Na2MoO4.2H20-0.391g ；CuSO4.H2O-0.0079g ；Co (NO3)2.6H20_0.0494g。
8.權(quán)利要求1所述的方法得到的氫氣在燃料電池中的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，步驟如下: 1)柱胞魚腥藻的培養(yǎng)，恒溫并持續(xù)光照，液體通氣培養(yǎng)，藻種保存在固體瓊脂BGII(+N)培養(yǎng)基平板上； 2)用BGII(-N)培養(yǎng)基培養(yǎng)使得藻細(xì)胞生長(zhǎng)到一定濃度，分裝到厭氧誘導(dǎo)容器中，加入二氯苯基二甲脲進(jìn)行誘導(dǎo)，然后保持厭氧環(huán)境，密閉試管； 3)收集步驟2)產(chǎn)生的氫氣，藍(lán)藻產(chǎn)氫與燃料電池耦合，通過硅膠軟管將藍(lán)藻光合產(chǎn)氫的容器與燃料電池正極聯(lián)通，同時(shí)使用空氣泵向電池負(fù)極提供空氣和氧氣，燃料電池產(chǎn)生電能。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料電池為氫質(zhì)子交換膜燃料電池，燃料電池的正極為H2，負(fù)極`為空氣中的O2。
【文檔編號(hào)】C12R1/89GK103571877SQ201310478463
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】李十中, 陳明, 張治宇, 仉磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)