基于振蕩-補光策略的新型光合生物制氫工藝的制作方法

專利名稱：基于振蕩-補光策略的新型光合生物制氫工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及能源領域，更具體地涉及一種基于振蕩-補光策略的新型光合生物制
S工藝。
背景技術：
隨著社會的不斷進步和工業化程度的不斷提高，人類對能源的需求日益增加，有 限的化石能源已經不能滿足世界各國對能源的需求。能源短缺，環境污染是人類未來面臨 的難題，尋找可再生的清潔能源已成為世界范圍內能源界及其相關領域關注的焦點問題。 目前全世界所需要的80%的能源都來自于化石燃料，但其儲量有限，且趨于枯竭。化石燃料 燃燒時生成C0X、SOx, NOx, CHx、煙霧、灰塵、焦油和其他有機化合物，造成了嚴重的環境污染 并使全球氣候發生變化[1]。氫是一種清潔的新型能源，不含碳、硫及其他的有害雜質，和氧燃燒時只生成水， 不會產生cox、SOx和致癌物質，大大地減輕了對環境的污染，可以實現真正的“零排放”，保 護了自然界的生態平衡，被認為是礦石燃料的最佳替代能源。氫除了具有化石燃料的各種 優點外，還有它獨特的優點，即可儲存性、可運輸性好；不僅是所有已知能源中能量密度 最大的燃料(122 α·Ρ)，還可作為其他初級能源(如核能、太陽能)的中間載能體使用； 轉換靈活，使用方便，清潔衛生[2]。因此，從20世紀70年代起，世界各國就對氫能的開發研 究十分重視。氫氣可以通過很多工藝制取，包括電解水、光解水、熱解水、熱化學分解水和熱催 化重整、熱解、氣化、汽化富氫有機化合物等[3_5]。當前，90%以上的氫氣來自于天然氣、輕油 餾分的氣化重整工藝，電解水、氣化煤和重整甲烷也是工業上常用的方法[6]。但這些方法大 都以化石燃料為能源，屬能量密集型產業，不利于環境保護與社會的持續發展。生物制氫作為一種符合可持續發展戰略的方向，已在世界上引起廣泛重視，迄今 為止，已有的生物制氫方法有藍細菌和綠藻產氫[7]~體外酶法生物制氫[8]、厭氧發酵產氫 [9_13]、光合細菌產氫[14_16]以及厭氧細菌與光合細菌耦合發酵產氫[17_19]等多種。光合細菌簡稱PSB (Photosynthetic Bacteria)，是一種能在厭氧光照或好氧光照 條件下利用有機物作供氫體兼碳源，進行光合作用的細菌_。光合細菌在光合磷酸化提供 能量和有機物降解提供還原力的情況下，由固氮酶催化，進行代謝產氫。在厭氧光照條件 下，光合菌的固氮產氫代謝過程是一個消耗大量ATP的吸能過程N2+6H++6e>12ATP — 2NH3+12ADP+12Pi (1)2H++4ATP+2e" — H2+4ADP+4Pi(2)方程式⑴和⑵中的ATP來自光合磷酸化，因此，光照是影響光合細菌產氫代謝 的重要因素，一定光強范圍內，光合細菌的產氫活性隨著光照強度的增加而增大，但當光強 超過極限值時，光合系統吸收了超過光合作用所需要的能量，會引起PSI系統的過量激發， 使光合作用效率下降，產生光抑制現象。光轉化效率是光合細菌產氫能力高低的主要決定
因素[21]。
與厭氧發酵產氫相比，光合細菌制氫具有底物轉化率高的優點，但產氫速率過 低是制約其產業化的瓶頸。光合細菌制氫過程中，影響光合產氫的因素很多，主要有光 照條件、菌株特性、接種濃度、培養時間、PH值、溫度、菌齡、氫供體、氮源以及與氫代謝 相關的三種酶的酶活等因素，其中最大的問題就是光的供給效率。光在光生物反應器 (Photobioreactor, PBR)內隨著光程的增加光強急劇下降，光強度分布很不均勻；同時，有 些底物在代謝過程中，往往會著色，更進一步妨礙光的透過。另一方面，隨著光合菌代謝生 長，生物量的增加，PBR內透光率隨之下降，因此賴以光能的產氫效率會顯著下降。這已成 為PBR光合菌制氫研究中亟待解決的技術難題[22_24]。因此，本領域迫切需要開發提高光合細菌制氫速度和效率的有效方法。
發明內容
本發明的目的就是提供一種提高光合細菌制氫速度和效率的有效方法。在本發明的第一方面，提供了一種利用光合細菌制造氫氣方法，包括步驟(a)在非靜置狀態和光照強度I1的初始入射光照射下，培養產氫的光合細菌，其中 所述的初始入射光的光照強度I1滿足以下條件(I)I1 > I0式中，I0是靜置培養所述光合細菌時初始入射光的最適光照強度；(ii)在所述光照強度I1下，在非靜置培養的光合細菌的培養體系中，至少70%區 域(或體積)所受到的實際光照強度I/大于或等于在靜置培養所述光合細菌時在最適光 照強度Itl的初始入射光照射下同一區域(或體積)所受到的實際光照強度Ic/ ；(b)從培養體系中分離出所述光合細菌所產生的氫氣。在另一類優選例中，I/與I/之比為1.2-2.0，更佳地為1.3-2.0。在另一類優選例中，在步驟(a)中，平均產氫速率比靜置培養時(在最適光照強度 I0下)的平均產氫速率高30% -80% ；更佳地為40-60%。在另一類優選例中，所述的初始入射光的光照強度I1滿足以下條件在所述光照強度I1下，在非靜置培養的光合細菌的培養體系中，至少80% (較佳 地至少90%，更佳地至少99%，最佳地100%)區域(或體積)所受到的實際光照強度大于 或等于在靜置培養所述光合細菌時在最適光照強度Io的初始入射光照射下同一區域(或 體積)所受到的實際光照強度。在另一類優選例中，所述的光合細菌選自類球紅細菌(Rhodobacter sphaeroides),莢膜紅細菌(Rhodobacter capsulatus),或沼澤紅假單胞菌 (Rhodopseudomonas palustris)、或其組合等。在另一類優選例中，所述的光合細菌是類球紅細菌ZX-5。在另一類優選例中，所述的光照強度I1為5000-8000LUX，更佳地為 6000-80001ux。在另一類優選例中，在步驟(a)中，每L培養體系每小時的最大產氫速率> 125ml 氫氣，較佳地> 140ml氫氣，更佳地> 150ml氫氣，最佳地> 160ml氫氣(例如每小時 125-166ml 氫氣 /1)。在另一類優選例中，所述的非靜置狀態包括振蕩培養、流動培養、或攪拌培養。
在本發明的第二方面，提供了一種提高光合細菌的產氫速率的方法，包括步驟 (a)測定在靜置培養光合細菌的條件下的最適初始入射光的光照強度，記為Itl,并 測定在初始入射光的光照強度為Itl且靜置培養光合細菌的條件下，所述靜置培養體系的OD 值，記為ODtl ；然后根據靜置培養的最適初始入射光的光照強度為^和所述靜置培養體系的 OD值，確定所述靜置培養體系中不同區域所受到的實際光照強度；(b)測定在非靜置培養光合細菌的條件下，所述非靜置培養體系的OD值，記為 OD1 ；(c)根據非靜置培養體系的OD值，確定非靜置培養時最適的初始入射光的光照強 度I1,其中所述的初始入射光的光照強度I1滿足以下條件⑴ I1 > I0式中，I0是靜置培養所述光合細菌時初始入射光的最適光照強度；(ii)在所述光照強度I1下，在非靜置培養的光合細菌的培養體系中，至少70%區 域(或體積)所受到的實際光照強度I/大于或等于在靜置培養所述光合細菌時在最適光 照強度Io的初始入射光照射下同一區域(或體積)所受到的實際光照強度Ic/ ；和(c)在非靜置狀態和所述的光照強度I1的初始入射光照射下，培養光合細菌。在另一類優選例中，所述的產氫速率包括平均產氫速率、或最大產氫速率。在另一類優選例中，I/與Ic/之比為1.2-2.0，更佳地為1.3-2.0。在另一類優選例中，所述的OD值是OD660nm。在另一類優選例中，在步驟(a)中，通過以下公式確定所述靜置培養體系中不同 區域所受到的實際光照強度I — I e-(0. 4762+0. 32660D660nm) . L(丄)其中Ici為初始入射光強度(Iux)，I為一定光程距離上的光強(Iux)，L為光程距 離(cm)，OD66tlnm為以消光度表示的菌體濃度。在另一類優選例中，所述的光合細菌是類球紅細菌，更佳地是類球紅細菌ZX-5。在本發明的第三方面，提供了一種確定制造氫氣的初始入射光的光照強度的方 法，包括步驟(a)測定在靜置培養光合細菌的條件下的最適初始入射光的光照強度，記為Itl,并 測定在初始入射光的光照強度為Itl且靜置培養光合細菌的條件下，所述靜置培養體系的OD 值，記為ODtl ；然后根據靜置培養的最適初始入射光的光照強度為^和所述靜置培養體系的 OD值，確定所述靜置培養體系中不同區域所受到的實際光照強度；(b)測定在非靜置培養光合細菌的條件下，所述非靜置培養體系的OD值，記為 OD1 ；(c)根據非靜置培養體系的OD值，確定非靜置培養時最適的初始入射光的光照強 度I1,其中所述的初始入射光的光照強度I1滿足以下條件⑴I1 > I0式中，I0是靜置培養所述光合細菌時初始入射光的最適光照強度；(ii)在所述光照強度I1下，在非靜置培養的光合細菌的培養體系中，至少70%區 域(或體積)所受到的實際光照強度I/大于或等于在靜置培養所述光合細菌時在最適光 照強度Io的初始入射光照射下同一區域(或體積)所受到的實際光照強度Ic/。
在另一類優選例中，所述的產氫速率包括平均產氫速率、或最大產氫速率。在另一類優選例中，I/與I。'之比為1.2-2.0，更佳地為1.3-2.0。在另一類優選例中，所述的OD值是0D66Qnm。在另一類優選例中，在步驟(a)中，通過以下公式確定所述靜置培養體系中不同 區域所受到的實際光照強度I — I . 4762+0 . 32660D660nm) . L(丄)其中Ici為初始入射光強度(Iux)，I為一定光程距離上的光強(Iux)，L為光程距 離(cm)，OD66tlnm為以消光度表示的菌體濃度。
在另一類優選例中，所述的光合細菌是類球紅細菌，更佳地是類球紅細菌ZX-5。應理解，在本發明范圍內中，本發明的上述各技術特征和在下文(如實施例)中具 體描述的各技術特征可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。以數值范圍為例，一 個范圍的下限(如30% -80%中的30% )可以與另一個優選范圍的上限(如40-60%中的 60% )構成一個新的范圍30-60% ；反之亦然(例如構成范圍40-80%)。限于篇幅，在此 不再--累述。


圖1顯示了光照強度對細胞生長(以OD66tlnm表示)和氫氣產量的影響。圖2顯示了光程和菌體濃度對光強衰減的影響，其中圖2a為平面圖，圖2b為曲面 圖。圖3顯示了發酵液內部不同深度處光強的真實值與計算值的比較。圖4顯示了靜置培養與振蕩培養的產氫過程曲線。圖5顯示了靜置培養與振蕩培養過程中，OD660nm^pH的變化曲線。圖6顯示了振蕩培養模式下，不同初始入射光強度對底物轉化率和菌體生長(以 ^■^ββΟηιιι 表示)的影響。圖7顯示了振蕩培養模式下，不同初始入射光強度對最大產氫速率和平均產氫速
率的影響。圖8顯示了不同培養模式及初始入射光強度下，氫氣產生速率的過程變化曲線。圖9顯示了接種量變化對靜置發酵和振蕩發酵的底物轉化率的影響。
具體實施例方式本發明人通過對影響光合產氫的諸多因素進行的廣泛而深入的研究，意外地發 現，通過非靜置培養(如振蕩培養)結合補光，可以非常有效地提高光合細菌制氫的效率， 縮短光合細菌的周期同時維持很高的底物轉化率。在此基礎上完成了本發明。具體而言，本發明人研究了不同培養模式下光照強度對光合細菌生長和產氫的 影響，得出靜置培養和振蕩培養模式下的光飽和點分別為40001UX和60001UX。考察了 Rhodobacter sphaeroides ZX-5培養體系中，光強隨菌體濃度及光程距離衰減的規律，得 到了描述光在菌液中衰減的數學關系式，并據此對培養過程中光強沿反應器徑向的動態分 布情況進行了測算。首次提出了振蕩-補光的新型光發酵制氫策略，使得最大產氫速率可 高達 165. 9ml H2/Ih ο
光照強度光照強度是光合生物生長和產氫的重要影響因子；發明人模擬了光在菌液中的傳 遞，量化了光強在菌液中的分布；并通過靜置培養和振蕩培養的比較，指出光合細菌光飽 和點不是固定不變的，而是隨著外部培養環境和生理條件的變化而改變的；同時確立了振 蕩_補光的培養模式，大大提高光合細菌的產氫速率。在本發明中，在非靜置培養狀態下，所采用的初始入射光的光照強度I1滿足以下 條件⑴I1 > I0式中，I0是靜置培養所述光合細菌時初始入射光的最適光照強度； (ii)在所述光照強度I1下，在非靜置培養的光合細菌的培養體系中，至少70% (較佳地至少80 %，更佳地至少90 %，更佳地至少99 %，最佳地100 % ))區域(或體積)所 受到的實際光照強度I/大于或等于在靜置培養所述光合細菌時在最適光照強度Io的初 始入射光照射下同一區域(或體積)所受到的實際光照強度Ic/ ；(b)從培養體系中分離出所述光合細菌所產生的氫氣。在優選例中，非靜置培養狀態下的實際光照強度I1'與靜置培養狀態下同一區域 (或體積)所受到的實際光照強度Ic/之比為1. 2-2. 0，更佳地為1. 3-2. 0。光合細菌可用于本發明的光合細菌沒有特別限制，可以是任何一種在厭氧光照或好氧光 照條件下利用有機物作供氫體兼碳源，進行光合作用的細菌[2°]。代表性的光合細菌包 括(但并不限于)類球紅細菌(Rhodobacter sphaeroides)，莢膜紅細菌(Rhodobacter capsulatus),(Rhodopseudomonas palustris)、$胃^E^f。一類優選的光合細菌是類球紅細菌(Rhodobacter sphaeroides)。一種特別優選的光合細菌菌株是
發明者儲炬, 莊英萍, 張嗣良, 張明, 張波, 李旭, 王永紅, 鮑杰 申請人:華東理工大學