专利名称：基于振荡-补光策略的新型光合生物制氢工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及能源领域，更具体地涉及一种基于振荡-补光策略的新型光合生物制
S工艺。
背景技术：
随着社会的不断进步和工业化程度的不断提高，人类对能源的需求日益增加，有 限的化石能源已经不能满足世界各国对能源的需求。能源短缺，环境污染是人类未来面临 的难题，寻找可再生的清洁能源已成为世界范围内能源界及其相关领域关注的焦点问题。 目前全世界所需要的80%的能源都来自于化石燃料，但其储量有限，且趋于枯竭。化石燃料 燃烧时生成C0X、SOx, NOx, CHx、烟雾、灰尘、焦油和其他有机化合物，造成了严重的环境污染 并使全球气候发生变化[1]。氢是一种清洁的新型能源，不含碳、硫及其他的有害杂质，和氧燃烧时只生成水， 不会产生cox、SOx和致癌物质，大大地减轻了对环境的污染，可以实现真正的“零排放”，保 护了自然界的生态平衡，被认为是矿石燃料的最佳替代能源。氢除了具有化石燃料的各种 优点外，还有它独特的优点，即可储存性、可运输性好；不仅是所有已知能源中能量密度 最大的燃料(122 α·Ρ)，还可作为其他初级能源(如核能、太阳能)的中间载能体使用； 转换灵活，使用方便，清洁卫生[2]。因此，从20世纪70年代起，世界各国就对氢能的开发研 究十分重视。氢气可以通过很多工艺制取，包括电解水、光解水、热解水、热化学分解水和热催 化重整、热解、气化、汽化富氢有机化合物等[3_5]。当前，90%以上的氢气来自于天然气、轻油 馏分的气化重整工艺，电解水、气化煤和重整甲烷也是工业上常用的方法[6]。但这些方法大 都以化石燃料为能源，属能量密集型产业，不利于环境保护与社会的持续发展。生物制氢作为一种符合可持续发展战略的方向，已在世界上引起广泛重视，迄今 为止，已有的生物制氢方法有蓝细菌和绿藻产氢[7]~体外酶法生物制氢[8]、厌氧发酵产氢 [9_13]、光合细菌产氢[14_16]以及厌氧细菌与光合细菌耦合发酵产氢[17_19]等多种。光合细菌简称PSB (Photosynthetic Bacteria)，是一种能在厌氧光照或好氧光照 条件下利用有机物作供氢体兼碳源，进行光合作用的细菌_。光合细菌在光合磷酸化提供 能量和有机物降解提供还原力的情况下，由固氮酶催化，进行代谢产氢。在厌氧光照条件 下，光合菌的固氮产氢代谢过程是一个消耗大量ATP的吸能过程N2+6H++6e>12ATP — 2NH3+12ADP+12Pi (1)2H++4ATP+2e" — H2+4ADP+4Pi(2)方程式⑴和⑵中的ATP来自光合磷酸化，因此，光照是影响光合细菌产氢代谢 的重要因素，一定光强范围内，光合细菌的产氢活性随着光照强度的增加而增大，但当光强 超过极限值时，光合系统吸收了超过光合作用所需要的能量，会引起PSI系统的过量激发， 使光合作用效率下降，产生光抑制现象。光转化效率是光合细菌产氢能力高低的主要决定
因素[21]。
与厌氧发酵产氢相比，光合细菌制氢具有底物转化率高的优点，但产氢速率过 低是制约其产业化的瓶颈。光合细菌制氢过程中，影响光合产氢的因素很多，主要有光 照条件、菌株特性、接种浓度、培养时间、PH值、温度、菌龄、氢供体、氮源以及与氢代谢 相关的三种酶的酶活等因素，其中最大的问题就是光的供给效率。光在光生物反应器 (Photobioreactor, PBR)内随着光程的增加光强急剧下降，光强度分布很不均勻；同时，有 些底物在代谢过程中，往往会着色，更进一步妨碍光的透过。另一方面，随着光合菌代谢生 长，生物量的增加，PBR内透光率随之下降，因此赖以光能的产氢效率会显著下降。这已成 为PBR光合菌制氢研究中亟待解决的技术难题[22_24]。因此，本领域迫切需要开发提高光合细菌制氢速度和效率的有效方法。
发明内容
本发明的目的就是提供一种提高光合细菌制氢速度和效率的有效方法。在本发明的第一方面，提供了一种利用光合细菌制造氢气方法，包括步骤(a)在非静置状态和光照强度I1的初始入射光照射下，培养产氢的光合细菌，其中 所述的初始入射光的光照强度I1满足以下条件(I)I1 > I0式中，I0是静置培养所述光合细菌时初始入射光的最适光照强度；(ii)在所述光照强度I1下，在非静置培养的光合细菌的培养体系中，至少70%区 域(或体积)所受到的实际光照强度I/大于或等于在静置培养所述光合细菌时在最适光 照强度Itl的初始入射光照射下同一区域(或体积)所受到的实际光照强度Ic/ ；(b)从培养体系中分离出所述光合细菌所产生的氢气。在另一类优选例中，I/与I/之比为1.2-2.0，更佳地为1.3-2.0。在另一类优选例中，在步骤(a)中，平均产氢速率比静置培养时(在最适光照强度 I0下)的平均产氢速率高30% -80% ；更佳地为40-60%。在另一类优选例中，所述的初始入射光的光照强度I1满足以下条件在所述光照强度I1下，在非静置培养的光合细菌的培养体系中，至少80% (较佳 地至少90%，更佳地至少99%，最佳地100%)区域(或体积)所受到的实际光照强度大于 或等于在静置培养所述光合细菌时在最适光照强度Io的初始入射光照射下同一区域(或 体积)所受到的实际光照强度。在另一类优选例中，所述的光合细菌选自类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides),荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus),或沼泽红假单胞菌 (Rhodopseudomonas palustris)、或其组合等。在另一类优选例中，所述的光合细菌是类球红细菌ZX-5。在另一类优选例中，所述的光照强度I1为5000-8000LUX，更佳地为 6000-80001ux。在另一类优选例中，在步骤(a)中，每L培养体系每小时的最大产氢速率> 125ml 氢气，较佳地> 140ml氢气，更佳地> 150ml氢气，最佳地> 160ml氢气(例如每小时 125-166ml 氢气 /1)。在另一类优选例中，所述的非静置状态包括振荡培养、流动培养、或搅拌培养。
在本发明的第二方面，提供了一种提高光合细菌的产氢速率的方法，包括步骤 (a)测定在静置培养光合细菌的条件下的最适初始入射光的光照强度，记为Itl,并 测定在初始入射光的光照强度为Itl且静置培养光合细菌的条件下，所述静置培养体系的OD 值，记为ODtl ；然后根据静置培养的最适初始入射光的光照强度为^和所述静置培养体系的 OD值，确定所述静置培养体系中不同区域所受到的实际光照强度；(b)测定在非静置培养光合细菌的条件下，所述非静置培养体系的OD值，记为 OD1 ；(c)根据非静置培养体系的OD值，确定非静置培养时最适的初始入射光的光照强 度I1,其中所述的初始入射光的光照强度I1满足以下条件⑴ I1 > I0式中，I0是静置培养所述光合细菌时初始入射光的最适光照强度；(ii)在所述光照强度I1下，在非静置培养的光合细菌的培养体系中，至少70%区 域(或体积)所受到的实际光照强度I/大于或等于在静置培养所述光合细菌时在最适光 照强度Io的初始入射光照射下同一区域(或体积)所受到的实际光照强度Ic/ ；和(c)在非静置状态和所述的光照强度I1的初始入射光照射下，培养光合细菌。在另一类优选例中，所述的产氢速率包括平均产氢速率、或最大产氢速率。在另一类优选例中，I/与Ic/之比为1.2-2.0，更佳地为1.3-2.0。在另一类优选例中，所述的OD值是OD660nm。在另一类优选例中，在步骤(a)中，通过以下公式确定所述静置培养体系中不同 区域所受到的实际光照强度I — I e-(0. 4762+0. 32660D660nm) . L(丄)其中Ici为初始入射光强度(Iux)，I为一定光程距离上的光强(Iux)，L为光程距 离(cm)，OD66tlnm为以消光度表示的菌体浓度。在另一类优选例中，所述的光合细菌是类球红细菌，更佳地是类球红细菌ZX-5。在本发明的第三方面，提供了一种确定制造氢气的初始入射光的光照强度的方 法，包括步骤(a)测定在静置培养光合细菌的条件下的最适初始入射光的光照强度，记为Itl,并 测定在初始入射光的光照强度为Itl且静置培养光合细菌的条件下，所述静置培养体系的OD 值，记为ODtl ；然后根据静置培养的最适初始入射光的光照强度为^和所述静置培养体系的 OD值，确定所述静置培养体系中不同区域所受到的实际光照强度；(b)测定在非静置培养光合细菌的条件下，所述非静置培养体系的OD值，记为 OD1 ；(c)根据非静置培养体系的OD值，确定非静置培养时最适的初始入射光的光照强 度I1,其中所述的初始入射光的光照强度I1满足以下条件⑴I1 > I0式中，I0是静置培养所述光合细菌时初始入射光的最适光照强度；(ii)在所述光照强度I1下，在非静置培养的光合细菌的培养体系中，至少70%区 域(或体积)所受到的实际光照强度I/大于或等于在静置培养所述光合细菌时在最适光 照强度Io的初始入射光照射下同一区域(或体积)所受到的实际光照强度Ic/。
在另一类优选例中，所述的产氢速率包括平均产氢速率、或最大产氢速率。在另一类优选例中，I/与I。'之比为1.2-2.0，更佳地为1.3-2.0。在另一类优选例中，所述的OD值是0D66Qnm。在另一类优选例中，在步骤(a)中，通过以下公式确定所述静置培养体系中不同 区域所受到的实际光照强度I — I . 4762+0 . 32660D660nm) . L(丄)其中Ici为初始入射光强度(Iux)，I为一定光程距离上的光强(Iux)，L为光程距 离(cm)，OD66tlnm为以消光度表示的菌体浓度。
在另一类优选例中，所述的光合细菌是类球红细菌，更佳地是类球红细菌ZX-5。应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具 体描述的各技术特征可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。以数值范围为例，一 个范围的下限(如30% -80%中的30% )可以与另一个优选范围的上限(如40-60%中的 60% )构成一个新的范围30-60% ；反之亦然(例如构成范围40-80%)。限于篇幅，在此 不再--累述。
图1显示了光照强度对细胞生长(以OD66tlnm表示)和氢气产量的影响。图2显示了光程和菌体浓度对光强衰减的影响，其中图2a为平面图，图2b为曲面 图。图3显示了发酵液内部不同深度处光强的真实值与计算值的比较。图4显示了静置培养与振荡培养的产氢过程曲线。图5显示了静置培养与振荡培养过程中，OD660nm^pH的变化曲线。图6显示了振荡培养模式下，不同初始入射光强度对底物转化率和菌体生长(以 ^■^ββΟηιιι 表示)的影响。图7显示了振荡培养模式下，不同初始入射光强度对最大产氢速率和平均产氢速
率的影响。图8显示了不同培养模式及初始入射光强度下，氢气产生速率的过程变化曲线。图9显示了接种量变化对静置发酵和振荡发酵的底物转化率的影响。
具体实施例方式本发明人通过对影响光合产氢的诸多因素进行的广泛而深入的研究，意外地发 现，通过非静置培养(如振荡培养)结合补光，可以非常有效地提高光合细菌制氢的效率， 缩短光合细菌的周期同时维持很高的底物转化率。在此基础上完成了本发明。具体而言，本发明人研究了不同培养模式下光照强度对光合细菌生长和产氢的 影响，得出静置培养和振荡培养模式下的光饱和点分别为40001UX和60001UX。考察了 Rhodobacter sphaeroides ZX-5培养体系中，光强随菌体浓度及光程距离衰减的规律，得 到了描述光在菌液中衰减的数学关系式，并据此对培养过程中光强沿反应器径向的动态分 布情况进行了测算。首次提出了振荡-补光的新型光发酵制氢策略，使得最大产氢速率可 高达 165. 9ml H2/Ih ο
光照强度光照强度是光合生物生长和产氢的重要影响因子；发明人模拟了光在菌液中的传 递，量化了光强在菌液中的分布；并通过静置培养和振荡培养的比较，指出光合细菌光饱 和点不是固定不变的，而是随着外部培养环境和生理条件的变化而改变的；同时确立了振 荡_补光的培养模式，大大提高光合细菌的产氢速率。在本发明中，在非静置培养状态下，所采用的初始入射光的光照强度I1满足以下 条件⑴I1 > I0式中，I0是静置培养所述光合细菌时初始入射光的最适光照强度； (ii)在所述光照强度I1下，在非静置培养的光合细菌的培养体系中，至少70% (较佳地至少80 %，更佳地至少90 %，更佳地至少99 %，最佳地100 % ))区域(或体积)所 受到的实际光照强度I/大于或等于在静置培养所述光合细菌时在最适光照强度Io的初 始入射光照射下同一区域(或体积)所受到的实际光照强度Ic/ ；(b)从培养体系中分离出所述光合细菌所产生的氢气。在优选例中，非静置培养状态下的实际光照强度I1'与静置培养状态下同一区域 (或体积)所受到的实际光照强度Ic/之比为1. 2-2. 0，更佳地为1. 3-2. 0。光合细菌可用于本发明的光合细菌没有特别限制，可以是任何一种在厌氧光照或好氧光 照条件下利用有机物作供氢体兼碳源，进行光合作用的细菌[2°]。代表性的光合细菌包 括(但并不限于)类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)，荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus),(Rhodopseudomonas palustris)、$胃^E^f。一类优选的光合细菌是类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)。一种特别优选的光合细菌菌株是
发明者储炬, 庄英萍, 张嗣良, 张明, 张波, 李旭, 王永红, 鲍杰 申请人:华东理工大学