(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211000216.9 (22)申请日 2022.08.19 (71)申请人 华南农业大 学 地址 510642 广东省广州市天河区五山路 483号 (72)发明人 雷炳富　潘晓琴　李唯　张浩然　 张学杰　刘应亮　 (74)专利代理 机构 北京易捷胜知识产权代理有 限公司 1 1613 专利代理师 齐胜杰 (51)Int.Cl. C12M 1/04(2006.01) C12M 1/107(2006.01) C12M 1/00(2006.01) C12N 1/20(2006.01)C03C 17/00(2006.01) C03C 17/23(2006.01) C05C 3/00(2006.01) C12R 1/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置和 方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于蓝藻生物固氮机制的 固氮装置， 其包括光电阳极室(2)、 光电阴极室 (3)、 光电阳极片(4)、 光电阴极片(5)和导线 (10)； 光电阳极室(2)内盛装中含有辅酶Q的阳极 电解液； 光电阳极片(4)浸没在阳极电解液(7) 中； 光电阴极室(3)内盛装阴极电解液(6)， 且其 中含有蓝藻、 无氮培养基和辅酶Q； 光电阴极片 (5)浸没在阴极电解液(6)中； 光电阳极片(4)上 设有半导体光电材料； 光电阳极片(4)用导线连 接光电阴极片(5)， 在光电阳极室(2)与光电阴极 室(3)之间设有质子交换膜(1)。 本发明利用光电 材料产生电子供应蓝藻， 蓝藻固氮酶利用电子还 原氮， 实现常温常压下以氮气为原料以光源为能 量进行半人工高效固氮。 权利要求书1页 说明书7页 附图4页 CN 115353954 A 2022.11.18 CN 115353954 A 1.一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 其包括： 光电阳极室(2)、 光电 阴极室(3)、 光电阳极片(4)、 光电阴极片(5)和导线(10)； 其中， 光电阳极室(2)内盛装阳极 电解液(7)， 阳极电解液(7)为含有辅酶Q的电解质溶液； 光电阳极片(4)浸没在阳极电解液 (7)中； 其中， 光电阴极室(3)内盛装阴极电解液(6)， 阴极电解液(6)中含有蓝藻、 适宜培养 蓝藻的无氮培养基和 辅酶Q； 光电阴极片(5)浸没在阴极电解液(6)中； 所述光电阳极片(4) 上设有能够发生 光电效应产生游离电子的半导体光电材 料； 其中光电阳极片(4)用导线连接光电阴极片(5)， 而在光电阳极室(2)与光电阴极室(3) 之间设有质子交换膜(1)， 该质子交换膜将阳极电解液(7)与阴极电解液(6)隔离开但允许 质子穿过。 2.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述光电阳 极室(2)和所述 光电阴极 室(3)为透光材质制成的槽体结构。 3.根据权利要求1或2所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述固 氮装置还包括外置光源(9)， 所述外置光源(9)照射所述阳极电解液(7)中的光电阳极片(4) 以产生光电效应， 在光电阳极片(4)产生电子和空穴， 电子沿着导线(10)移动到光电阴极片 (5)； 所述外 置光源(9)照射阴极电解液(6)提供蓝藻光 合作用所需的光能。 4.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述光电阴 极室(3)为封闭的槽体结构， 并设有氮气通入口， 所述氮气通入口与光电阴极室(3)内外连 通， 用于向光电阴极室(3)供应氮气； 氮气通入口还设有供氮气分散到阴极电解液(6)内部 的导气管， 导气管 下端连接分布器或管壁上设有 若干透气孔。 5.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述光电阳 极室(2)为封闭的槽体结构， 并设有气体交换孔， 所述气体交换孔用于将光电阳极室(2)产 生的氧气导出。 6.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述光电阴 极片(5)为 碳布、 铜片、 银片或铂片； 所述 导线(10)为金属铜丝或铂丝 。 7.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述蓝藻为 念珠藻、 鱼腥藻、 单岐藻、 简孢藻及项圈藻中的一种或几种。 8.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 所述阳极电 解液(7)为含有辅酶Q的磷酸缓冲液。 9.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其特征在于， 在所述阳极 电解液(7)和阴极电解液(6)中， 辅酶Q为辅酶Q0 ‑10中的任意一种或几种的组合； 辅酶Q的浓 度为0.02 ‑1mg/mL。 10.一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮方法， 其采用权利要求1 ‑9任一项所述的基于蓝 藻生物固氮机制的固氮装置进行固氮， 在固氮过程中， 向光电阳极室(2)和向光电阴极室 (3)提供人工光源或自然光光源， 向光电阴极室(3)通入游离氮气； 经过运行所述固氮装置 后， 在光电阳极 室(2)收集氧气； 在光电阴极 室(3)收集得到富含氨或铵盐的藻液。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115353954 A 2一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装 置和方法 技术领域 [0001]本发明涉及 生物固氮技术领域， 尤其涉及 一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置 和方法。 背景技术 [0002]人工固氮是一项极具挑战性的工作， 因为氮键 的裂解需要巨大的能量， 工业固氮 至今采用的仍是高温高压条件下 的高能耗手段。 光催化固氮被认为是一种 可行的方案。 然 而动力学限制， 使大多数未经修饰的光催化材料难以实现这一过程。 光催化材料 的表面自 由基被认为是激活氮分子的关键。 但是固氮理论极限仍然难以突破实现在常温常压下有效 激活氮气裂解并抑制副反应。 [0003]自然微生物(蓝藻)在室温和环境压力下可通过固氮酶将氮气还原为氨实现固氮 作用。 十几年来， 半人工光合系统通过整合微生物的代谢机制， 成功实现光催化定向合成 H2‑和CO2‑衍生有机物。 这些成功构建的半人工光合系统使半人工光催化固氮成为可能。 然 而， 光催化剂与生物组分之间的电子传递效率过低， 大大限制 了半人工光催化固氮技术的 发展。 发明内容 [0004](一)要解决的技 术问题 [0005]鉴于现有技术的上述缺点、 不足， 本发明提供一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮 装置和方法， 能够在常温常压条件下以氮气为原料以自然光源或人工光源为能量， 实现高 效半人工催化固氮， 固氮过程清洁无污染， 可输出氨氮肥料和氢气等产 物， 其解决了 现有技 术中光催化固氮产能低的技 术问题。 [0006](二)技术方案 [0007]为了达到上述目的， 本发明提供一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置， 其包括： 光电阳极 室(2)、 光电阴极 室(3)、 光电阳极片(4)、 光电阴极片(5)和导线(10)； [0008]其中， 光电阳极室(2)内盛装阳极电解液(7)， 阳极电解液(7)为含有辅酶Q的电解 质溶液； 光电阳极片(4)浸没在阳极电解液(7)中； 其中， 光电阴极室(3)内盛装阴极电解液 (6)， 阴极电解液(6)中含有蓝藻、 适宜培养蓝藻的无氮培养基和辅酶Q； 光电阴极片(5)浸没 在阴极电解液(6)中； 所述光电阳极片(4)上设有能够发生光电效应产生游离电子的半导体 光电材料； [0009]其中光电阳极片(4)用导线连接光电阴极片(5)， 而在光电阳极室(2)与光电阴极 室(3)之间设有质子交换膜(1)， 该质子交换膜将阳极电解液(7)与阴极电解液(6)隔离开但 允许质子穿过。 [0010]根据本发明的较佳实施例， 所述光电阳极室(2)和所述光电阴极室(3)为透光材质 制成的槽体结构。 [0011]根据本发明的较佳实施例， 所述固氮装置还包括外置光源(9)， 所述外置光源(9)说　明　书 1/7 页 3 CN 115353954 A 3