[发明专利]基于振荡-补光策略的新型光合生物制氢工艺

说明书

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氢工艺。

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CO_x、SO_x、NO_x、CH_x、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CO_x、SO_x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(122kJ·g^-1)，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^[20]。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(1)和(2)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，光强度分布很不均匀；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。