一种光生物学制氢体系及其制备方法以及应用技术

本发明专利技术提供一种光生物学制氢体系及其制备方法以及应用，所述制备方法包括以下步骤：S1：将葡萄糖，葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶，以及一种无机绿藻絮凝剂混合，使得葡萄糖经酶级联反应产生的葡萄糖酸能够与无机绿藻絮凝剂自发反应，形成一种化学‑酶级联反应；以及S2：将所述化学‑酶级联反应引入到绿藻光照培养体系中，使绿藻絮凝形成绿藻聚集体并长期处于厌氧和近中性pH环境，获得一种光生物学制氢体系，所述光生物学制氢体系中氧气和氢气的含量通过气相色谱仪监测。根据本发明专利技术，提供了一种简单廉价且长期高效的光生物学制氢体系，解决了厌氧环境难以长期维持和绿藻易损伤的难题，有望推动光生物学制氢应用于大规模商业化氢气制备的发展。

A Photobiological Hydrogen Production System and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种光生物学制氢体系及其制备方法以及应用
本专利技术涉及光生物学制氢领域，更具体地涉及一种光生物学制氢体系及其制备方法以及应用。
技术介绍
随着石油等传统化石能源物质的逐步耗竭及其所带来的全球性的环境污染，亟需发展绿色，环境友好的新能源物质作为替代。近来，氢气作为一种可再生、清洁、高效的能源物质愈发受到关注，但是目前可用于商业化的氢气仍来源于天然气等传统能源物质，其因环境污染和效率低下等问题而备受争议。光生物学制氢由于其直接利用太阳能作为能量来源，和利用可再生的生物体或生物酶当作催化剂，是一种能够真正意义上实现纯绿色制备，零碳素排放的，最具有前景的氢气制备方法。然而，光生物学制氢中作为催化剂的生物体和生物酶都需要严格的厌氧环境，但目前用于产生厌氧环境的方案不是程序复杂，成本高昂就是作用时间短，生物相容性差，所以导致现有的光生物制氢体系很难大规模商业化应用。因此开发一种简单廉价且长期高效的光生物学制氢体系是实现其大规模商业化应用的关键。研究表明，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶组成的酶级联反应能够高效地消耗氧气，并且已经被广泛地应用于食品以及轻工业等商业化领域。绿藻是研究得最为详尽的用于光生物学制氢的全细胞生物催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光生物学制氢体系及其制备方法以及应用，从而解决现有技术中光生物学制氢体系中厌氧环境难以长期维持和绿藻易损伤的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：根据本专利技术的第一方面，提供一种光生物学制氢体系的制备方法，包括以下步骤：S1：将葡萄糖，葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶，以及一种无机绿藻絮凝剂混合，使得葡萄糖经酶级联反应产生的葡萄糖酸能够与无机绿藻絮凝剂自发反应，形成一种化学-酶级联反应；以及S2：将所述化学-酶级联反应引入到绿藻光照培养体系中，使绿藻絮凝形成绿藻聚集体并长期处于厌氧和近中性pH环境，获得一种光生物学制氢体系，所述光生物学制氢体系中氧气和氢气的含量通过气相色谱仪监测。应当理解的是，常规的绿藻光照培养体系均适用于本专利技术。优选地，所述无机绿藻絮凝剂包括氢氧化镁，氢氧化钙，氢氧化铁，氢氧化铝，氧化镁，或碳酸钙中的任意一种或至少两种的组合。但是应该理解的是，其它能够与酸反应的，难溶于水的，无机绿藻絮凝剂同样可以用在本专利技术中。根据本专利技术，步骤S1中，优选地，所述葡萄糖与所述无机绿藻絮凝剂摩尔比在1:0.1～1:10之间。实际上，无机绿藻絮凝剂的摩尔量可根据具体的绿藻氢酶的产氢最佳pH进行调整，只要能够确保体系实际pH维持在目标pH，即该产氢最佳pH附近即可。应当知晓的是，绿藻氢酶是指绿藻细胞中存在的一种氢酶，当氢酶被激活后，绿藻就能在进行光合作用的时候产生氢气。根据本专利技术，步骤S1中，优选地，所述葡萄糖氧化酶和所述过氧化氢酶的总活力比为1:100～1:10000之间。更优选地，所述葡萄糖氧化酶和所述过氧化氢酶的总活力比为1:500～1:1500之间。最优选地，所述葡萄糖氧化酶和所述过氧化氢酶的总活力比为1:1000。优选地，步骤S2中，所述绿藻光照培养体系中的绿藻包括：莱茵衣藻，普通小球藻或蛋白核小球藻中的任意一种或至少两种的组合。但是应该理解的是，其它在厌氧环境下可以产生氢气的微生物同样适用于本专利技术。优选地，近中性pH环境是指pH约为5～7。优选地，步骤S2中，所述绿藻光照培养体系中的绿藻培养于一种pH值为5～7的液体培养基中，所述液体培养基选自于以下培养基中的任意一种：TAP培养基，SE培养基或BG11培养基。通常，该培养基pH被调节在5～7的范围内并始终维持在pH5～7，以确保绿藻氢酶的催化活性。因为绿藻氢酶首先需要厌氧环境才能被激活，然后还需要适合的pH才能催化产氢。根据本专利技术，步骤S2中，所述绿藻光照培养体系无需任何预先除氧处理。例如，不需要对培养基以及培养试管进行通惰性气体除氧处理。因为根据本专利技术步骤S1提供的一种化学-酶级联反应是一个葡萄糖分子消耗1/2个氧气分子，因此总体是消耗氧气的，这对于大规模制氢体系具有显著的优越性，既减少了操作步骤，降低了生产要求，同时降低了生产成本。根据本专利技术，步骤S2中，优选地，所述绿藻光照培养体系培养温度为15～30℃，光照度为1000～10000Lux。根据本专利技术的第二方面，还提供一种根据上述制备方法制得的光生物学制氢体系。根据本专利技术的一个优选方案，所述光生物学制氢体系规模为1～10mL，所述无机绿藻絮凝剂优选为氢氧化镁，氧化镁或碳酸钙中的任意一种，所述绿藻优选为莱茵衣藻或蛋白核小球藻，所述葡萄糖使用量优选为50～200μmol，葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶总活力分别优选为10～100U和10～100KU。使用气相色谱仪监测所述光生物学制氢体系中氧气和氢气含量的变化情况。但是应当理解的是，根据本专利技术提供的光生物学制氢体系还适用于远远超过10mL的更大规模，只要原料足够，规模不受限制。其中，所使用的气相色谱仪是安捷伦7890A型气相色谱仪(美国安捷伦科技)，配备了TCD检测器能够同时分析氧气和氢气含量，载气为高纯氮气，流速为3～30mL/min。根据本专利技术的第三方面，还提供一种上述光生物学制氢体系在新能源开发中的应用。本专利技术的工作原理在于，基于葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶组成的酶级联除氧的优势，通过加入一种无机绿藻絮凝剂，使得葡萄糖经酶级联反应后的酸性产物-葡萄糖酸能够与无机绿藻絮凝剂自发反应，该自发反应具体是哪种反应需要根据具体的无机绿藻絮凝剂是哪种具体化学物质而定，例如氢氧化镁就是酸碱中和反应，而如果是碳酸钙就是复分解反应，此处自发反应是为了强调此反应不需要催化剂，在平常条件下就能发生，从而得到一种能够高效去除氧气并且同时能维持体系pH的化学-酶级联反应。其中，葡萄糖氧化酶的作用是催化葡萄糖与氧气反应生成葡萄糖酸和过氧化氢，过氧化氢酶的作用是催化过氧化氢分解成氧和水，级联后的总反应是一个葡萄糖分子消耗1/2个氧气分子，因此总反应是消耗氧气的，而维持pH是通过以下原理实现的：葡萄糖氧化酶催化葡萄糖与氧气反应生成的葡萄糖酸会解离出来H+，而体系中的无机绿藻絮凝剂恰好能够消耗这些葡萄糖酸解离出来的H+，因此不会导致pH降低，从而实现维持体系pH的目的，如图1所示；接着，再将所构建的化学-酶级联反应引入到绿藻光照培养体系中，获得一种光生物学制氢体系，使用气相色谱仪监测光生物学制氢体系中氧气和氢气的含量。本专利技术的创造性在于，通过首次提出这样一种能够高效去除氧气并且同时能维持体系pH的化学-酶级联反应，并将该化学-酶级联反应引入到绿藻光照培养体系获得一种光生物学制氢体系，实现了长期高效的光生物学制氢。通过本专利技术的实验结果证明，该光生物学制氢体系可在长达一个月的时间内始终处于厌氧环境，并且可一直维持于绿藻氢酶的最佳催化产氢pH，此外，绿藻始终具有良好的细胞活性以及线粒体活性，很好地解决了常见的光生物学制氢体系中绿藻易损伤的问题。综上所述，根据本专利技术提供的一种简单廉价且长期高效的光生物学制氢体系，解决了常见的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光生物学制氢体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将葡萄糖，葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶，以及一种无机绿藻絮凝剂混合，使得葡萄糖经酶级联反应产生的葡萄糖酸能够与无机绿藻絮凝剂自发反应，形成一种化学-酶级联反应；以及/nS2：将所述化学-酶级联反应引入到绿藻光照培养体系中，使绿藻絮凝形成绿藻聚集体并长期处于厌氧和近中性pH环境，获得一种光生物学制氢体系，所述光生物学制氢体系中氧气和氢气的含量通过气相色谱仪监测。/n

【技术特征摘要】
1.一种光生物学制氢体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将葡萄糖，葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶，以及一种无机绿藻絮凝剂混合，使得葡萄糖经酶级联反应产生的葡萄糖酸能够与无机绿藻絮凝剂自发反应，形成一种化学-酶级联反应；以及
S2：将所述化学-酶级联反应引入到绿藻光照培养体系中，使绿藻絮凝形成绿藻聚集体并长期处于厌氧和近中性pH环境，获得一种光生物学制氢体系，所述光生物学制氢体系中氧气和氢气的含量通过气相色谱仪监测。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机绿藻絮凝剂包括氢氧化镁，氢氧化钙，氢氧化铁，氢氧化铝，氧化镁，或碳酸钙中的任意一种或至少两种的组合。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述葡萄糖与所述无机绿藻絮凝剂摩尔比在1:0.1～1:10之间。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述葡萄糖氧化酶和所述过氧化氢酶的总活力比为1:100～1:1...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊春海，柳华杰，王丽华，陈杰，李茜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31