[发明专利]一种玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于微生物技术领域，尤其涉及一种玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢方法及装置。

背景技术

氢能是人类未来的新能源。微生物制氢是一条可行途径。其成本低廉，环境友好，能在生产氢气的同时净化环境，因而被认为是目前最具发展潜力的制氢方法之一。目前对生物制氢的分析主要集中在厌氧发酵产氢和光合生物产氢。其中光合生物产氢是一类主要的分析方向。光合细菌是一类具有原始光能合成体系的原核生物，光合细菌产氢是该类微生物利用太阳能分解有机物时维持质子和电子平衡的代谢过程。

固定化微生物技术是将特选的微生物固定在选证的载体上，限制或定位于限定的空间区域，使其高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速、大量增殖的现代生物技术。光合细菌的固定化产氢，也有许多报道，分析表明，固定化的光合细菌产氢能力普遍比悬浮态的菌体要高。

固定化光合细菌产氢是将特选的光合细菌固定在载体上，使细菌限制或定位于限定的空间区域，使其高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速、大量增殖来产氢。它浓度易控制、耐毒害能力强、菌种流失少、产物易分离、运行设备小型化等特点。光合细菌的固定需要依附于一定的载体材料，适用于光合细菌固定的载体材料很多，但是性能不一。根据所固定光合细菌种类的不同和固定化方法的不同，需要选用或制备不同的固定化载体材料。固定化载体材料主要有三大类：无机载体、有机高分子载体和复合载体。

用于制备固定化细胞的方法也种类繁多，常见的固定化方法有吸附法、包埋法、共价结合法、交联法。除以上固定化方法外，挂膜法也引起了人们的重视。张全国等利用大粒径陶粒吸附光合细菌，并以消化预处理后的猪粪为底物进行光合产氢，固定化培养后，细菌产氢量是对照组游离态细菌产氢量的2.16倍。廖强等在固定化填充床产氢实验中发现，增加培养基流量能够消除外扩散传质阻力，但是无法消除由固定化材料造成的内扩散传质阻力。

目前对生物制氢的分析主要集中在厌氧发酵产氢和光合生物产氢。其中光合生物产氢是一类主要的分析方向。

综上所述，虽然现普遍采用固定化细胞技术产氢，但仍然存在一些的问题：一是光合细菌固定化载体通常选用透光度不强或不透光的载体，致使部分光合细菌接受不到光能，影响产氢效率；二是平板式透光载体由于比表面积较小，使得细菌固定化生物量又不够，底物利用率低。三是固定化细胞与底物的接触面积较小，传质距离较远，传质阻力大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢方法及装置。结合光合细菌生长产氢需要光能的特点，本发明设计制作了玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢装置，成功使光合细菌在玻璃纤维上固定化生长并产气。分析了细菌的固定化生长过程中对碳源和氮源的利用情况及其产气特性。考察底物中葡萄糖浓度，流速以及光源对细菌代谢的影响，获得反应器最佳产气条件。本发明采用透光玻璃纤维作为固定化光合细菌载体，既能增大光能的吸收量，又能提高纤维床层的比表面积，增加光合细菌的生物量，扩大菌落与底物的接触面积，缩短传质距离，从而能增大底物和光能利用率，提高产氢效率。

本发明是这样实现的，一种玻璃纤维固定化光合细菌连续产氢方法，包括：

制作以玻璃纤维为细菌固定化载体的光合细菌制氢反应器及装置，开启光源，设定恒温箱温度及进料流速，通过循环挂膜法使光合细菌固定化生长在玻璃纤维上，之后反应器通入产氢培养基，进行连续产氢；

调节玻璃纤维固定化光合细菌产氢反应器中光合细菌的代谢过程以及代谢条件；

调节光合细菌固定化生长过程中对碳源和氮源的利用情况；并调节底物中葡萄糖浓度，进料流速以及对细菌代谢的影响不同光源；获得玻璃纤维固定化光合细菌产氢反应器最佳产气条件。

进一步，调节玻璃纤维固定化光合细菌产氢反应器中光合细菌的代谢过程以及代谢条件，具体包括：

调整光合细菌在玻璃纤维上吸附生长时，接种量至10％。

采用质量流量计配制不同浓度氢标准气体，建立产物氢气的气相色谱分析方法；同时建立底物中碳源和氮源的简易分析方法；利用总有机碳与总氮分析仪，采用催化氧化法，测定培养液中氮源和碳源的含量；

光合细菌沼泽红假单胞菌CGMCC1.2180(Rhodopeudomonas palustris)在玻璃纤维上吸附生长时，当接种量小于5％时，光合细菌在纤维上生长较慢，固定量低，颜色较浅；当增大接种量至10％时，光合细菌快速在玻璃纤维上固定生长，固定量大，颜色较深。