布袋蓮共醱酵能資源化程序開發.ppt

布袋蓮共醱酵能資源化程序開發 四環四A 4960N017 黃智勤 摘要 布袋蓮為南美洲外來種水生植物，因沒有天敵且行無性生殖，因此繁衍相當 快速，布袋蓮吸收重金屬效率相當高，但布袋蓮本身含水率較高（90%以上）， 若以焚化處理，將增加環境汙染暨成本，因此為達到布袋蓮減量化、資源化及回 收再利用，本研究將以「重金屬生物溶出技術」、「厭氧醱酵程序」和「乾式兼氣 醱酵程序」三大程序作開發；而布袋蓮含纖維素為較難分解之有機固體廢棄物且 有吸附重金屬的能力，本研究將破碎後布袋蓮以固液分離之固體物進行乾式兼氣 醱酵程序，布袋蓮過篩液以厭氧醱酵程序處置，實驗結果得知乾式兼氣醱酵程序 需要以輔助基質－豆渣及厭氧醱酵之出流液，促使帶動布袋蓮有效之分解，但布 袋蓮過篩液對產氫量並無加乘作用，推測因布袋蓮纖維素結構較難分解，因此將 布袋蓮破碎後烘乾為粒徑 0.5 mm（35 mesh）粉末狀以稀酸前處理（鹽酸 1%） 或生物性溶出程序進行前處理，以增加後續處理程序之基質利用率，以高雄第一 科技大學馴養污泥進行批次厭氧醱酵程序，本研究結果以「布袋蓮生物性溶出之 出流液」取 20~30 g 及「輔助基質糖蜜」加入 1 g 時，可得產能最佳之組合為 20 g：1 g：102 mL（布袋蓮經生物性溶出之出流物：基質糖蜜：累積產氫量）；而 在此條件下可回收醱酵系統中的乙醇約為 600~800 mg/L，乙酸約為 300~600 mg/L 及正丁酸約為 1200~1500 mg/L。 一、前言 人類長久以來依賴化石燃料（煤、石油及天然氣）作為能源的來源，科技的 進步為人類帶來便利之產品，但隨著開發中國家的迅速發展，相對於能源的需求 也隨之提高，使得化石燃料被開採使用的速度遠大於產生的速度，而且化石燃料 的使用會排放大量的溫室氣體，引發全球性氣候變遷，造成的危害遠過人類所能 想像，根據永續能源國際網路機構所提出之全球未來能源趨勢。 生質能是指含有有機物的生物質（Biomass），經直接或間接轉換成能源使用， 目前生質能產生主要是以農業生質作物或廢棄物經由處理後獲得能源，因其原料 取自大自然，其成本較低、來源不匱乏、不與糧食資源競爭等優點，將成為最矚 目的替代能源，生質能源作物有大豆、油菜等油脂作物轉化生質柴油，及以玉米、 小麥、甘蔗轉化酒精，而廢棄物包含都市垃圾、一般性事業廢棄物、污泥、廢輪 胎、有機廢液、農業廢棄物等以碳氫化合物為主要的物質。 纖維素為地球上蘊藏量最豐富的有機物，植物透過光合作用，即可大量的產 生，而生質能技術發展已從第一代發展到現今第二代的生質燃料技術－纖維素， 生質能主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，其中纖維素與半纖維素分解作有 效的利用。 前處理技術（pretreatment technology）是將澱粉或纖維素經物理、化學或酵 素（生物）水解處理。而纖維素不容易分解，需要以化學或生物方法水解成簡單 的醣類，這些分子較小的醣類即可供其他生物利用，故本研究採用自然界中自然 產生的農業廢棄物，將纖維素物質利用厭氧醱酵產生能源（如氫氣、酸醇等）， 除了可降低處理成本，也可減少廢棄物的體積 二、研究材料與方法 2.1 研究架構 本研究主要以布袋蓮為基質，消化污泥以高雄第一科技大學能源中心馴養之。 消化槽污泥為植種來源進行厭氧醱酵程序，由於布袋蓮纖維素豐富，本研究消化 污泥經由中興大學黃介辰老師實驗室進行菌種鑑定，篩選出厭氧菌具有高產氫能力的梭狀芽孢桿菌(Clostridium sp.)以及兼氣菌(Bacillus thermoamylovorans)，而此 菌為分解纖維素之優勢菌。 布袋蓮經過破碎處理後，可知布袋蓮不僅水份、纖維素含量較高，因此以不 同前處理（固液分離之固體、布袋蓮過篩液、稀酸法或以生物性溶出程序）的方 式，經處理後再進行後續厭氧醱酵程序，而固液分離之布袋蓮固體則以堆肥的方 式進行，來評估是否可行，達到多元資源化，整體規劃之實驗設計架構圖如圖 1 所示： 2.2 實驗設備 批次厭氧產氫實驗設備如下： 1. 血清瓶：總體積 100mL，操作體積 80 mL，附橡皮塞以及中孔鋁蓋。 2. 採樣工具：以 10 mL 、50 mL 和 100 mL 玻璃注射針筒測量血清瓶內產氣量， 以氣閉式注射針抽取瓶內氣體做氣體成份分析。 3. 恆溫培養室：本實驗方法採取中溫醱酵，培養之恆溫室由內部自動控制在溫 度 40±1℃。 4. 培養旋轉盤：置放於 40±1℃恆溫培養室中，將血清瓶置於轉盤上，轉速設 定在 30±1rpm 等速度旋轉。 5. 曝氣裝置：氮氣鋼瓶；主要用於實驗前將高氮氣體充滿於血清瓶頂空處，使 血清瓶瓶內呈現厭氧狀態