特許 7242102 バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-10

(45)【発行日】2023-03-20

(54)【発明の名称】バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20230313BHJP

   C12M 1/42 20060101ALI20230313BHJP

   C12P 3/00 20060101ALI20230313BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 D

C12M1/42

C12P3/00 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022009311

(22)【出願日】2022-01-25

【審査請求日】2022-01-25

(31)【優先権主張番号】202111534526.4

(32)【優先日】2021-12-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】520504404

【氏名又は名称】河南農業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100130111

【弁理士】

【氏名又は名称】新保 斉

(72)【発明者】

【氏名】蒋 丹萍

(72)【発明者】

【氏名】水 雪楠

(72)【発明者】

【氏名】楊 佳斌

(72)【発明者】

【氏名】陳 州

(72)【発明者】

【氏名】荊 艶艶

(72)【発明者】

【氏名】張 志萍

(72)【発明者】

【氏名】路 朝陽

(72)【発明者】

【氏名】張 寰

(72)【発明者】

【氏名】李 亜猛

(72)【発明者】

【氏名】張 洋

(72)【発明者】

【氏名】張 全国

【審査官】幸田 俊希

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１１０１５７６１２（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０１４４２９３（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９６０９３５２（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０５６１６８５７（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｃ１２Ｐ ３／００

ＣＡｐｌｕｓ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＥＭＢＡＳＥ／ＢＩＯＳＩＳ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器であって、反応器本体と、上蓋と、底板とを備え；
前記反応器本体の左側壁に供給管が設けられ、前記反応器本体の右側壁に払出管が設けられ；
前記反応器本体の頂端及び底端が両方とも開放され、前記上蓋は前記反応器本体の前記頂端と着脱可能に連結し、前記底板は前記反応器本体の前記底端と着脱可能に連結し；
前記上蓋に排気管が設けられ；
前記上蓋及び前記底板は、両方とも透明な素材からできて、前記上蓋及び前記底板に両方とも光源が設けられ；
前記反応器本体の前側壁及び後側壁に凹溝が設けられ、前記前側壁及び前記後側壁の前記凹溝に磁石ブロックが設けられ、２つの前記磁石ブロックは、一定の安定した静磁場を形成でき、異なる厚さの前記磁石ブロックを設置することにより、静磁場強度を変更する、
ことを特徴とする、バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器。

【請求項2】

前記供給管の開放端に供給蓋板が設けられ、前記払出管の開放端に払出蓋板が設けられ；前記排気管の出口端に排気蓋板が設けられることを特徴とする、請求項１に記載のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器。

【請求項3】

さらに前記反応器本体の内部に第１バッフル及び第２バッフルが設けられ、前記第１バッフル及び前記第２バッフルは、両方とも透明な素材からでき；
前記上蓋に第１係着部及び第２係着部が設けられ、前記第１係着部及び前記第２係着部は両方とも前後方向に沿って延びる細長状で、前記第１係着部のサイズが前記第１バッフルの横断面サイズと同じで、前記第２係着部のサイズが前記第２バッフルの横断面サイズと同じであり；前記第１バッフルは前記第１係着部から挿入されて前記反応器本体の底部に挿入され得、前記第２バッフルは前記第２係着部から挿入されて前記反応器本体の底部に挿入され得る、
ことを特徴とする、請求項１に記載のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器。

【請求項4】

前記上蓋上の第１係着部の位置は前記反応器本体の前記後側壁に近く、前記上蓋上の第２係着部の位置が前記反応器本体の前記前側壁に近く；
第１バッフルの前側に第１乱流バーが設けられ、第２バッフルの後側に第２乱流バーが設けられ、前記第１乱流バー、前記第２乱流バーが両方とも垂直方向に沿って上下に延び；前記第１乱流バー、前記第２乱流バーは、両方とも後方に傾斜している、
ことを特徴とする、請求項１に記載のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器。

【請求項5】

前記上蓋上の前記第１係着部の左右両側に第１係着具がさらに設けられ、前記上蓋上の第２係着部の左右両側に第２係着具がさらに設けられ、前記第１係着具は、第１バッフルの位置を規制でき、前記第２係着具は第２バッフルの位置を規制できることを特徴とする、請求項１に記載のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を使用し、次のステップ１）～３）を含むことを特徴とする、光発酵水素製造工程。
１）まず光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１を生育用培地で発酵・培養させた後、前記光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液を得て用意しておくステップ、
２）固液比１ｇ：（２０～３０）ｍＬで、水素製造バイオマス原料及びクエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液を前記供給管から反応器本体内に添加してから水素生成培地を加えて初期発酵液を得るステップ、
３）前記初期発酵液のｐＨを７に調整し、１０～３０％の接種体積比で、前記初期発酵液内に前記光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液を加えてから液体セルラーゼを加え；バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を温度３０～３２℃に置き、照度１０００～３０００Ｌｕｘｍの条件下で光発酵生物学的水素製造反応を行い、水素製造過程中に異なる厚さの磁石ブロックを設置することにより、中心静磁場強度を変更し、水素生成が完了した後、ガスを収集すると共に水素生成量を測定するステップ。

【請求項7】

前記ステップ１）内の水素製造時に用いられる前記光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１は、主にロドスピリラム・ルブルム、ロドシュードモナスカプシュラータ、ロドシュードモナスパルストリス、ロドバクタースフェロイデス、ロドバクターカプスラータスで構成されることを特徴とする、請求項６に記載の工程。

【請求項8】

前記ステップ１）内の前記光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の発酵培養条件は、照度が２０００～３０００Ｌｕｘ、培養温度が３０～３２℃、培養時間が４８～７２時間であり；前記ステップ１）内の前記光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１と前記生育用培地の体積比は、１：（１－１．５）であり；前記ステップ１）内の前記生育用培地は、ＮＨ_４Ｃｌ ０．５ｇ／Ｌ、ＮａＨＣＯ_３ １ｇ／Ｌ、酵母エキス０．５ｇ／Ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４ ０．１ｇ／Ｌ、ＣＨ_３ＣＯＯＮａ ２ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ_４ ０．１ｇ／Ｌ、ＮａＣｌ １ｇ／Ｌであることを特徴とする、請求項６に記載の工程。

【請求項9】

前記ステップ２）内の前記水素生成培地は、ＮＨ_４Ｃｌ ０．４ｇ／Ｌ、ＭｇＣｌ_２ ０．２ｇ／Ｌ、酵母エキス０．１ｇ／Ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４ ０．５ｇ／Ｌ、ＮａＣｌ ２ｇ／Ｌ、グルタミン酸ナトリウム３．５６ｇ／Ｌであることを特徴とする、請求項６に記載の工程。

【請求項10】

前記ステップ３）内の磁場強度範囲は、０～５０ｍＴに設定されることを特徴とする、請求項６に記載の工程。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光発酵生物学的水素製造技術分野に関し、特に、バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程に関する。

【背景技術】

【0002】

化石燃料の大量の使用により地球温暖化などの環境問題が引き起こされ、潜在的なエネルギー危機も招いている。水素エネルギーは、高発熱量（単位発熱量が１２２ｋＪ／ｋｇに達することができる）、汚染ゼロのクリーンな燃料としてエネルギー分野及び工学分野から広く注目を集めている。生物学的水素製造は、大気圧下という穏やかな条件でも実施でき、かつ化石燃料を消費しない特徴があるため、さまざまな水素製造方法の中で最も有望な水素製造方法であると考えられている。光発酵水素製造は、生物学的水素製造技術として広いスペクトル範囲（４００～９５０ｎｍ）の太陽光を利用し、短鎖有機酸を電子供与として分解することによりＨ_２の生成を実現し、高い水素製造効率、高い有機物分解率及び高いＣＯＤ還元効率等の利点を備え、再生可能エネルギー分野でも幅広く研究されている。

【0003】

光発酵水素製造技術において反応器設計の最適化は、バイオ水素の大規模生産にとって決定的な役割を果たしている。フォトバイオリアクターの構造設計において均一な照射、適切な混合方法及び高いバイオマス保持率を実現できるかどうかが、考慮すべき重要な要素である。一般的なフォトバイオリアクターとしてバッフル式フォトバイオリアクター、管状フォトバイオリアクター及び平板型フォトバイオリアクターが挙げられる。バッフル式フォトバイオリアクターは、細菌活性の破壊を避けることができ、反応器内の発酵媒体の混合を実現し、非常に幅広い応用の見通しがあるが、従来技術における関連の研究が比較的少なかった。

【0004】

磁場が生物の成長、発育、遺伝的、生理的及び生化学的特性等の面に影響を与える現象は、生体磁場効果と呼ばれ、研究によると生体内にさまざまな生体組織が存在するため、生体内に複雑で多様な電磁特性があることを示している。近年生体磁場効果が広く注目を集め、多くの研究で微弱又は中程度の磁場が微生物の生育や代謝を促進できることが実証され、生体に対する磁場の影響は閾値である臨界磁場強度範囲が存在する可能性があり、一定の磁場強度を超えると異なる生体効果が示され、同時に異なる種類の微生物及び異なる磁場強度も生体磁場効果の程度の違いが生じる。

【0005】

光発酵水素製造における水素生成微生物は、主に光合成細菌で、光エネルギーを利用して有機分子を細胞バイオマスに変換させる能力を持っている。しかし現在の光生物学的水素製造反応器では、一般的に使用される水素製造酵素（ニトロゲナーゼ）の触媒活性が低く、細菌密度が高い条件において光制限現象が発生しやすいため、水素生成速度及び累積水素生成量が低くなり、光発酵水素生産の経済的実行可能性が限られている。

【0006】

このため本発明者らは、光生物学的水素製造反応器を改良することにより水素生成遅延期間を短縮させ、生体磁場効果を利用し、微生物の光発酵水素生産過程における代謝の程度を高めることで、水素発生効率を向上させる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】韓濱旭、光合水素生成菌叢の分離と同定及びこれらの水素生成特性の分析［Ｄ］、河南農業大学，２０１１

【文献】Ｉｎｓｉｇｈｔｓ ｉｎｔｏ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｙｉｅｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｇｌｙｃｅｒｏｌ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｐｈｏｔｏ－ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｕｎｄｏ ｄｏｎａｘ Ｌ．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、光生物学的水素製造反応器を改良することにより反応器の採光面積を増し、生体磁場効果を利用して、微生物の光発酵水素生成過程における代謝の程度を高めることで、水素製造効率を最大化し、光発酵生物学的水素製造過程中の水素生成量を著しく増大し、水素生成遅延期間を短縮させることとから水素発生効率を向上するバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため本発明は、次のような技術的手段を講じる。

【0010】

バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器であって、反応器本体と、上蓋と、底板とを備え；
反応器本体の左側壁に供給管が設けられ、反応器本体の右側壁に払出管が設けられ；
反応器本体の頂端及び底端が両方とも開放され、上蓋は反応器本体の頂端と着脱可能に連結し、底板は反応器本体の底端と着脱可能に連結し；
上蓋に排気管が設けられ；
上蓋及び底板は、両方とも透明な素材からできて、上蓋及び底板に両方とも光源が設けられ；
反応器本体の前側壁及び後側壁に凹溝が設けられ、前側壁及び後側壁の凹溝に磁石ブロックが設けられ、２つの磁石ブロックは、一定の安定した静磁場を形成でき、異なる厚さの磁石ブロックを設置することにより、静磁場強度を変更する。

【0011】

さらに前記反応器本体は、透明な素材からでき、直方体形を呈する。

【0012】

さらに供給管の開放端に供給蓋板が設けられ、払出管の開放端に払出蓋板が設けられる。

【0013】

さらに上蓋、底板及び反応器本体の側壁にねじ穴が穿設され、ねじ穴にボルトを挿入し、従来のねじ込み結合方法で、上蓋、底板及び反応器本体の着脱可能な連結を実現する。

【0014】

さらに排気管の出口端に排気蓋板が設けられる。

【0015】

具体的には、上蓋の底端及び底板の頂端に両方とも光源が設けられる。

【0016】

より好ましくは、照射効果を高めるため、反応器本体の左側壁及び反応器本体の右側壁内に両方とも光源が設けられる。

【0017】

具体的には、前記光源はＬＥＤテープライトで、光源を調整することにより照度の調整を実現する。

【0018】

さらに反応器本体の内部に第１バッフル及び第２バッフルが設けられ、第１バッフル及び第２バッフルは、両方とも透明な素材からでき；
上蓋に第１係着部及び第２係着部が設けられ、第１係着部及び第２係着部は両方とも前後方向に沿って延びる細長状で、第１係着部のサイズが第１バッフルの横断面サイズと同じで、第２係着部のサイズが第２バッフルの横断面サイズと同じである。

【0019】

具体的には、第１バッフルは第１係着部から挿入されて反応器本体の底部に挿入され得、第２バッフルは第２係着部から挿入されて反応器本体の底部に挿入され得る。

【0020】

さらに光生物学的水素製造反応過程で、反応器本体内に反応液が格納され、光生物学的水素製造過程中に気体が発生するため、第１バッフル及び第２バッフルを設置することにより、反応器本体内の気体及び液体の流動に合わせて乱流を発生させることで、十分な攪拌混合を実現し、反応の程度を高め；反応液に対する第１バッフル及び第２バッフルの乱流効果を向上するため、上蓋上の第１係着部の位置は反応器本体の後側壁に近く、上蓋上の第２係着部の位置が反応器本体の前側壁に近い。

【0021】

さらに前記第１バッフルの前側に第１乱流バーが設けられ、第２バッフルの後側に第２乱流バーが設けられ、第１バッフルの前後の長さは、第２バッフルの前後の長さと同じで、第１乱流バー、第２乱流バーが両方とも垂直方向に沿って上下に延び、第１乱流バーの前後の長さが第１バッフルの前後の長さの１／５で、第２乱流バーの前後の長さが第２バッフルの前後の長さの１／５である。

【0022】

さらに第１乱流バー、第２乱流バーは、両方とも後方に傾斜している。

【0023】

具体的には、第１乱流バーと第１バッフルとの間の鋭角、及び第２乱流バーと第２バッフルとの間の鋭角は、両方とも４５°である。

【0024】

また乱流効果をさらに高めるため、第１バッフルの左側と右側、及び第２バッフルの左側と右側に複数の半円形の突起が設けられ、前記複数の半円形の突起は上から下に順番に並べられる。

【0025】

さらに反応器本体内の反応液が反応する際に第１バッフル及び第２バッフルの揺動を防止するため、上蓋上の第１係着部の左右両側に第１係着具がさらに設けられ、上蓋上の第２係着部の左右両側に第２係着具がさらに設けられ、第１係着具は、第１バッフルの位置を規制でき、第２係着具は第２バッフルの位置を規制できる。

【0026】

さらに凹溝の開口部は、上向きで、凹溝の開口部に凹溝を密封できる蓋板がさらに設けられる。

【0027】

前記バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を使用した光発酵水素製造工程は、次のステップ１）～３）を含む。すなわち、
１）まず光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１を生育用培地で発酵・培養させた後、光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液を得て用意しておくステップ、
２）固液比１ｇ：（２０～３０）ｍＬで、水素製造バイオマス原料及びクエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液を供給管から反応器本体内に添加してから水素生成培地を加えて初期発酵液を得るステップ、
３）初期発酵液のｐＨを７に調整し、１０～３０％（ｖ／ｖ）の接種体積比で、初期発酵液内に光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液を加えてから液体セルラーゼを加え；前記バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を恒温インキュベーター内に入れ、温度を３０～３２℃に設定し、照度を１０００～３０００Ｌｕｘｍに設定し、異なる厚さの磁石ブロックを設置することにより、中心静磁場強度を変更し、光発酵生物学的水素製造反応を行い、水素生成が完了した後、排気管出口端の排気蓋板を開いてガスを収集すると共に水素生成量を測定するステップ。

【0028】

具体的には、ステップ１）内の水素製造時に用いられる菌種は、光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１で、主にロドスピリラム・ルブルム（Ｒ．ｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｒｕｂｒｕｍ）、ロドシュードモナスカプシュラータ（Ｒ．ｃａｐｓｕｌａｔａ）、ロドシュードモナスパルストリス（Ｒ．ｐｕｌａｓｔｒｉｓ）、ロドバクタースフェロイデス（Ｒ．ｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）、ロドバクターカプスラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）で構成される。

【0029】

具体的には、ステップ１）内の光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の発酵培養条件は、照度が２０００～３０００Ｌｕｘ、培養温度が３０～３２℃、培養時間が４８～７２時間である。

【0030】

具体的には、ステップ１）内の光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１と生育用培地の体積比は、１：（１－１．５）である。

【0031】

具体的には、ステップ２）内のバイオマス原料は、葦竹、とうもろこしの茎及び小麦の茎である。

【0032】

具体的には、ステップ２）内のバイオマス原料の全固形分（ＴＳ）の含有量は、５～８ｇで、クエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液の体積が８０～１００ｍＬである。

【0033】

具体的には、ステップ２）内で添加する水素生成培地の体積は、５～１０ｍＬである。

【0034】

具体的には、ステップ３）内で添加する液体セルラーゼは、１～２ｍＬである。

【0035】

具体的には、ステップ３）内の磁場強度範囲は、０～５０ｍＴに設定される。

【0036】

好ましくは、磁場強度は１０ｍＴ、２０ｍＴ、３０ｍＴ、４０ｍＴ、５０ｍＴに設定される。

【0037】

具体的には、水素製造過程で使用される培地及び試薬は、次の通りである。

【0038】

生育用培地：ＮＨ_４Ｃｌ ０．５ｇ／Ｌ、ＮａＨＣＯ_３ １ｇ／Ｌ、酵母エキス０．５ｇ／Ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４ ０．１ｇ／Ｌ、ＣＨ_３ＣＯＯＮａ ２ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ_４ ０．１ｇ／Ｌ、ＮａＣｌ １ｇ／Ｌである。

【0039】

水素生成培地：ＮＨ_４Ｃｌ ０．４ｇ／Ｌ、ＭｇＣｌ_２ ０．２ｇ／Ｌ、酵母エキス０．１ｇ／Ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４ ０．５ｇ／Ｌ、ＮａＣｌ ２ｇ／Ｌ、グルタミン酸ナトリウム３．５６ｇ／Ｌである。

【0040】

液体セルラーゼ：酵素活性５１ＦＰＵ／ｍＬ、仕様２０ｍＬである。

【0041】

クエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液のｐＨは、４．８である。

【発明の効果】

【0042】

従来技術と比較して、本出願の利点は次の通りである。すなわち、
１、本発明のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程を利用すると、反応時間がより短く、原材料の流動がよりスムーズになることを実現できる。

【0043】

２、本発明のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程を利用して、水素生成過程で磁場を印加することにより、発酵液反応時の分子間の運動、及び微生物の活性を向上させ、水素生成速度を上げるだけでなく、磁場形成条件を設定することにより、静磁場形成時間を短縮し、水素生成過程中の磁場効果を向上させることもできる。本出願は、微生物からの水素発生効率を高めるため新しい強化された手段を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】実施例１に係るバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器の内部構造を示す前面図である。

【図2】実施例１に係るバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器の内部構造を示す上面図である。

【図3】異なる磁場強度の光合成細菌によるバイオ水素製造の累積水素生成量に対する影響を示す図である。

【図4】異なる磁場強度の光合成細菌によるバイオ水素製造の酸化還元電位に対する影響を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

本発明の上記目的、特徴及び利点をより明白かつ理解可能にするために、以下に図面を参照しつつ、本発明の具体的実施形態を詳細に説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解するために具体的な詳細が示されている。ただし、本発明は、本明細書に記載されたものとは異なる他の多種多様な形態で実施することができ、当業者は本発明の趣旨から逸脱することなく、類似の改善が可能である。したがって、本発明は、以下に開示される具体的実施形態によって限定されない。

【0046】

（実施例１）
図１～２に示すように、バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器は、反応器本体１と、上蓋２と、底板３とを備え；
前記反応器本体１は、透明な素材からでき、直方体形を呈し；
反応器本体１の左側壁に供給管１１が設けられ、反応器本体１の右側壁に払出管１２が設けられ、供給管１１の開放端に供給蓋板が設けられ、払出管１２の開放端に払出蓋板が設けられ；
反応器本体１の頂端及び底端が両方とも開放され；
上蓋２は反応器本体１の頂端と着脱可能に連結し、底板３は反応器本体１の底端と着脱可能に連結し、具体的には上蓋２、底板３及び反応器本体１の側壁にねじ穴が穿設され、ねじ穴にボルトを挿入し、従来のねじ込み結合方法で、上蓋２、底板３及び反応器本体１の着脱可能な連結を実現し；
上蓋２に排気管２１が設けられ、排気管２１の出口端に排気蓋板が設けられ；
上蓋２及び底板３は、両方とも透明な素材からできて、上蓋２の底端及び底板３の頂端に両方とも光源７が設けられ；
さらに、照射効果を高めるため、反応器本体１の左側壁及び反応器本体１の右側壁内に両方とも光源７が設けられ、具体的には前記光源７はＬＥＤテープライトで、光源７を調整することにより照度の調整を実現し、同時に反応器本体１内の左右両側、及び上下両側に両方ともＬＥＤテープライトを設けることで、反応器本体１内の照度を３０００Ｌｕｘに安定させ；
反応器本体１の内部に第１バッフル４及び第２バッフル５が設けられ、第１バッフル４及び第２バッフル５は、両方とも透明な素材からでき；
上蓋２に第１係着部及び第２係着部が設けられ、第１係着部及び第２係着部は両方とも前後方向に沿って延びる細長状で、第１係着部のサイズが第１バッフル４の横断面サイズと同じで、第２係着部のサイズが第２バッフル５の横断面サイズと同じであり；具体的には、第１バッフル４は第１係着部から挿入されて反応器本体１の底部に挿入され得、第２バッフル５は第２係着部から挿入されて反応器本体１の底部に挿入され得；
光生物学的水素製造反応過程で、反応器本体１内に反応液が格納され、光生物学的水素製造過程中に気体が発生するため、第１バッフル４及び第２バッフル５を設置することにより、反応器本体１内の気体及び液体の流動に合わせて乱流を発生させることで、十分な攪拌混合を実現し、反応の程度を高める。

【0047】

さらに反応液に対する第１バッフル４及び第２バッフル５の乱流効果を向上するため、上蓋２上の第１係着部の位置は反応器本体１の後側壁に近く、上蓋２上の第２係着部の位置が反応器本体１の前側壁に近く；前記第１バッフル４の前側に第１乱流バー４２が設けられ、第２バッフル５の後側に第２乱流バー５２が設けられ、第１バッフル４の前後の長さは、第２バッフル５の前後の長さと同じで、第１乱流バー４２、第２乱流バー５２が両方とも垂直方向に沿って上下に延び、第１乱流バー４２の前後の長さが第１バッフル４の前後の長さの１／５で、第２乱流バー５２の前後の長さが第２バッフル５の前後の長さの１／５であり；
第１乱流バー４２、第２乱流バー５２は、両方とも後方に傾斜し、第１乱流バー４２と第１バッフル４との間の鋭角、及び第２乱流バー５２と第２バッフル５との間の鋭角は、両方とも４５°であり；
乱流効果をさらに高めるため、第１バッフル４の左側と右側、及び第２バッフル５の左側と右側に複数の半円形の突起８が設けられ、前記複数の半円形の突起８は上から下に順番に並べられ；
反応器本体１内の反応液が反応する際に第１バッフル４及び第２バッフル５の揺動を防止するため、上蓋２上の第１係着部の左右両側に第１係着具４１がさらに設けられ、上蓋２上の第２係着部の左右両側に第２係着具５１がさらに設けられ、第１係着具４１は、第１バッフル４の位置を規制でき、第２係着具５１は第２バッフル５の位置を規制できる。

【0048】

反応器本体１の前側壁及び後側壁に両方とも凹溝が設けられ、凹溝の開口部は、上向きで、前側壁及び後側壁の凹溝内に両方とも磁石ブロック６が設けられ、２つの磁石ブロック６のＮ極とＳ極が対向する場合、一定の安定した静磁場を形成でき；
凹溝の開口部に凹溝を密封できる蓋板がさらに設けられ、使用する時、異なる厚さの磁石ブロック６を設置することにより、中心静磁場強度を変更する。

【0049】

使用する時、払出管１２の開放端の払出蓋板を覆い、供給管１１の供給蓋板を開き、バイオマス原料、緩衝液、酵素、菌液を供給管１１から反応器本体１内に加え、供給蓋板及び排気蓋板を覆い、上蓋２と底板３上の光源７、及び前側壁と後側壁内の磁石ブロック６で光発酵水素製造を行うと共に磁場を印加する。

【0050】

（実施例２）
実施例１のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を使用した光発酵水素製造工程の具体的ステップは、次の通りである。すなわち、
１）先に光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１を生育用培地内に置き、照度３０００Ｌｕｘ、温度３０℃にて７２時間発酵・培養した後、光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液を得て用意しておくステップ（ここで、光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１と生育用培地の体積比が１：１）、
２）固液比１ｇ：３０ｍＬで、水素製造バイオマス原料（葦竹）及びとｐＨ４．８のクエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液（ここで葦竹の全固形分（ＴＳ）含有量が５ｇで、クエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液の体積が１００ｍＬである）を供給管１１から反応器本体１内に添加してから５ｍＬ水素生成培地を加えて初期発酵液を得るステップ、
３）供給管１１からＫＯＨ溶液（又は塩酸溶液）を加え、ＫＯＨ溶液（又は塩酸溶液）で初期発酵液のｐＨを７に調整し、３０％（ｖ／ｖ）の接種体積比で、初期発酵液内に光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液を加え、具体的に加える光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１の初期培養液の体積が４５ｍＬで、次に１．９６ｍＬセルラーゼ（液体酵素調製物）を加え；前記バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を恒温インキュベーター内に入れ、温度を３０℃に設定し、照度を３０００Ｌｕｘｍに設定し、異なる厚さの磁石ブロック６を設置することにより、中心静磁場強度を変更し、中心磁場強度範囲を０～５０ｍＴに設定し、光発酵生物学的水素製造反応を行い、水素生成が完了した後、排気管２１出口端の排気蓋板を開いてガスを収集すると共に水素生成量を測定するステップ。

【0051】

具体的には、磁場強度を０（対照群）は、１０ｍＴ、２０ｍＴ、３０ｍＴ、４０ｍＴ、５０ｍＴに設定した。

【0052】

具体的には、水素生成実験の合計時間は、９６時間で、１２時間ごとに水素生成のサンプリング・測定を実施した。

【0053】

水素製造時に用いられる菌種は、光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１で、前記ＨＡＵ－Ｍ１光合成菌叢が非特許文献１内の方法で得られ、照射条件下で有機物を分解して水素を生成でき、主にロドスピリラム・ルブルム（Ｒ．ｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｒｕｂｒｕｍ）、ロドシュードモナスカプシュラータ（Ｒ．ｃａｐｓｕｌａｔａ）、ロドシュードモナスパルストリス（Ｒ．ｐｕｌａｓｔｒｉｓ）、ロドバクタースフェロイデス（Ｒ．ｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）、ロドバクターカプスラータス（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ）で構成される。

【0054】

ＨＡＵ－Ｍ１光合菌叢の菌液内において、ロドスピリラム・ルブルムの菌液とロドシュードモナスカプシュラータの菌液とロドシュードモナスパルストリスの菌液とロドバクタースフェロイデスの菌液とロドバクターカプスラータスの菌液との体積比は、各々２７：２５：２８：９：１１であり；ロドスピリラム・ルブルムの菌液内の活菌数は、１２．０×１０^８個／ｍＬ、ロドシュードモナスカプシュラータは１１．０×１０^８個／ｍＬ、ロドシュードモナスパルストリスは１２．５×１０^８個／ｍＬ、ロドバクタースフェロイデスは４．０×１０^８個／ｍＬ、ロドバクターカプスラータスは５．０×１０^８個／ｍＬであった。

【0055】

前記光合成細菌ＨＡＵ－Ｍ１は、河南農業大学農業農村部の再生可能エネルギーの新材料と設備の主要実験室から入手した。

【0056】

水素製造過程で使用される培地及び試薬は、次の通りである。

【0057】

生育用培地：ＮＨ_４Ｃｌ ０．５ｇ／Ｌ、ＮａＨＣＯ_３ １ｇ／Ｌ、酵母エキス０．５ｇ／Ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４ ０．１ｇ／Ｌ、ＣＨ_３ＣＯＯＮａ ２ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ_４ ０．１ｇ／Ｌ、ＮａＣｌ １ｇ／Ｌ。

【0058】

水素生成培地：ＮＨ_４Ｃｌ ０．４ｇ／Ｌ、ＭｇＣｌ_２ ０．２ｇ／Ｌ、酵母エキス０．１ｇ／Ｌ、Ｋ_２ＨＰＯ_４ ０．５ｇ／Ｌ、ＮａＣｌ ２ｇ／Ｌ、グルタミン酸ナトリウム３．５６ｇ／Ｌ。

【0059】

セルラーゼ：デンマークノボザイムズ（Ｎｏｖｏｚｙｍｅｓ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ）社のセルラーゼＣｔｅｃ２で、前記セルラーゼは、液体酵素調製物で、酵素活性が５１ＦＰＵ／ｍＬで、仕様が２０ｍＬである。

【0060】

反応試薬は、ｐＨ４．８クエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液、ｐＨ調整剤（５ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ溶液、５ｍｏｌ／Ｌの塩酸溶液）を含む。

【0061】

クエン酸－クエン酸ナトリウム緩衝液の調製方法は、次の通りであり、すなわち、
Ａ液：Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７．Ｈ_２Ｏ ２１．０１４ｇを５００ｍＬビーカーに正確に量り取り、少量の脱イオン水に溶かして１０００ｍＬ に定容して０．１ｍｏｌ／Ｌクエン酸溶液を得た。Ｂ液：Ｎａ_３Ｃ_６Ｈ_５Ｏ_７．２Ｈ_２Ｏ ２９．４１２ｇを５００ｍＬビーカーに正確に量り取り、少量の脱イオン水に溶かして１０００ｍＬ に定容して０．１ｍｏｌ／Ｌクエン酸ナトリウム溶液を得た。Ａ液２３０ｍＬ、Ｂ液２７０ｍＬを取り、よく混ぜ合わせた後１０００ｍＬメスフラスコに移し、脱イオン水で１０００ｍＬに定容し、よく混ぜ合わせ、４℃の冷蔵庫に保存する。

【0062】

具体的な水素生成のテスト方法：７２１分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司製）で光合成細菌の菌液のＯＤ_{６６０ｎｍ}値を測定し、光合成細菌を５０ｍＬ遠心分離管に入れ、６０００ｒ／ｍｉｎで遠心分離し、その後上澄み液を注ぎ出し、沈殿物を温度６５℃で一定重量まで乾燥させた後秤量し、次に光合成細菌の乾燥重量対ＯＤ_{６６０ｎｍ}値の標準曲線を描いた。光合成細菌の生育過程中のＯＤ_{６６０ｎｍ}値を測定することで、光合成細菌の乾燥重量の変化を計算した。

【0063】

ガスは、ガス収集バッグで収集し、水素濃度を７８９０Ｂ型ガスクロマトグラフで測定した。実験データは、１２時間ごとに１回測定した。

【0064】

実験結果
１、本発明は、光合生物学的水素製造基質として葦竹を使用し、異なる磁場強度（１０ｍＴ、２０ｍＴ、３０ｍＴ、４０ｍＴ、５０ｍＴ）を調整することにより、磁場印加バイオリアクターの水素生成性能を研究し、累積水素生成量を評価指標とし、実験過程中の酸化還元電位（ＯＲＰ）をモニタリングし、上海三信儀表廠製の型番ＳＸ７１２のＯＲＰ測定器で測定したところ、以下の結論を得た。

【0065】

図３、図４から分かるように、磁場強度が２０ｍＴの最適な光発酵工程において、酸化還元電位が低レベルに保たれ、累積水素生成量は１１３ｍＬ／（ｇ ＴＳ）（ＴＳが全固形分含有量を意味する）で、静磁場を印加しない時の累積水素生成量８９ｍＬ／（ｇ ＴＳ）より２７％上がり、最大水素気濃度が６６％であった。

【0066】

２、修正されたＧｏｍｐｅｒｔｚモデル（参考文献：非特許文献２）で累積水素生成量について水素生成動力学のフィッティング分析を実施し、動力学フィッティング分析を通じて、実験過程全体の水素生成遅延期間、最高水素生成速度及び実験結果とフィッティング結果のマッチ程度Ｒ^２を得、結果を表１に示す。表１では、Ｇｏｍｐｅｒｔｚモデルを介して累積水素生成量をフィッティングして対応する水素生成遅延期間λを得た。結果は、２０ｍＴの静磁場を印加した場合の水素生成遅延期間が１．７７時間で、磁場を印加しない場合（９．４４時間）より７．６７時間短縮した。

【0067】

【表1】

【0068】

本発明のバッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程を利用して、水素生成過程で磁場を印加することにより、発酵液反応時の分子間の運動、及び微生物の活性を向上させ、水素生成速度を上げるだけでなく、磁場形成条件を設定することにより、静磁場形成時間を短縮し、水素生成過程中の磁場効果を向上させることもできる。本出願は、微生物からの水素発生効率を高めるため新しい強化された手段を提供する

【0069】

本発明は、具体的な実施例で上記のとおりに開示したが、開示した具体的な実施例が本発明として限定的に用いることではなく、当業者であれば、本発明の技術的思想を逸脱することなく各種の変形及び改良を行うことができ、かかる変形及び改良も全て本発明の保護範囲に含めることを指摘しておかなければならない。従って本発明の保護範囲は、添付する特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

【符号の説明】

【0070】

１ 反応器本体
２ 上蓋
３ 底板
４ 第１バッフル
５ 第２バッフル
６ 磁石ブロック
７ 光源
８ 半円形の突起
１１ 供給管
１２ 払出管
２１ 排気管
４１ 第１係着具
４２ 第１乱流バー
５１ 第２係着具
５２ 第２乱流バー

【要約】

【課題】 バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程を提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明は、光発酵生物学的水素製造技術分野に関し、特に、バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器及び光発酵水素製造工程に関する。前記バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器は、反応器本体と、上蓋と、底板とを備え；反応器本体の左側壁に供給管が設けられ、反応器本体の右側壁に払出管が設けられ；反応器本体の頂端及び底端が両方とも開放され、上蓋は、反応器本体の頂端と着脱可能に連結し、底板は反応器本体の底端と着脱可能に連結する。本発明は、前記バッフル式磁場印加光生物学的水素製造反応器を使用した光発酵水素製造工程も提供する。本発明は、光生物学的水素製造反応器を改良することにより反応器の採光面積を増し、生体磁場効果を利用して、微生物の光発酵水素生成過程における代謝の程度を高めることで、水素製造効率を最大化し、光発酵生物学的水素製造過程中の水素発生効率を著しく向上する。
【選択図】 なし

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】