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應用固定化細胞材料的改質於生物產氫最佳化之探討
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吳坤哲 宋逸詩 陳文華 黃文俊 侯彥希 柯政男 黃郁智 郭曉婷 張嘉修
摘要
氫氣是乾淨且可回收的能源,傳統產氫方法以熱化學法與電解法為主,其皆需
消耗能源或容易造成污染,而以厭氧生物產氫則可在常溫常壓下進行,只需投入少
量能源,並可利用廢棄物回收再使用,其不僅不會造成資源的浪費,還可減輕環境
的負擔,為兼具環保與資源再生的功能,是相當具有發展潛力的技術。具產氫能力
之厭氧微生物以產酸菌(acidogenic bacteria)為主,這些微生物可代謝環境中的有機碳
源,並藉著氫化酵素(hydrogenase)催化電子與質子結合之反應而產生氫氣。本研究
即以經馴化之都市廢水污泥進行氫氣醱酵,並開發固定化細胞系統以利於產氫污泥
之程序化。本研究利用不同載體材料與製備方式進行細胞之固定化,並藉由重複批
次產氫操作,找出最適化的產氫固定化細胞製備方法。測試之固定化材質包括活性
炭、氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、纖維珠泡粒、氧化鈦/活性炭、藻酸鈣/活性炭、
氧化鋁/活性炭等載體,並應用離子交換法、附著和包埋的共固定化方法,將此不
同的表面積材質,進行各種固定化細胞材料之研發,期能將相關材質應用於連續式
生物氫氣量產操作,於實驗結果中發現藻酸鈉/幾丁聚醣/氧化鈦等多種共固定化細
胞材料確可有效的增進產氫效率。
關鍵字:固定化全細胞、生物產氫、氧化鋁載體、氧化鈦載體、活性炭載體
一、 前言 源,是最合乎環保概念 、經濟效益與資源回收的
能源產生方式。
人類因大量的開採與使用化石燃料(fossil 以生物方法生產氫氣,主要乃藉由特定微生物
fuel) ,除導致目前所賴之石油及天然氣等能源日 的醱酵培養所伴隨產生 ,這些微生物主要可分為
益短缺,更衍生出各種環境污染問題,對地球生 兩大類,第一是厭氧菌種 (Anaerobic bacteria)
態造成嚴重的衝擊[1] 。因此,開發一個乾淨、可 [5-7] ,如Clostridium acetobutylicum ,第二是光合
再生的新能源實為當務之急。近年來,氫氣能源 菌種 (Photosynthetic bacteria) [8-11] ,如
備受國際矚目 ,主要是因為氫氣具有潔淨無污 Rhodobacter sphaeroides 。這些菌種本身能利用環
染、永續供應及高熱能值等特點[2,3] 。目前工業 境中的碳源進行特定的代謝途徑而產生氫氣,而
上產氫主要採有機化學物質之熱裂解[4] ,但製程 這些代謝反應往往牽涉一連串的電子傳遞 ,如厭
中需消耗石油能源 ,對能源的開發並無助益。然 氧菌產氫時乃是利用有機物水解、酸化後所產生
以生物方法產氫乃藉由微生物(如厭氧菌、光合菌 的電子 經 NADH/NAD+ 的電 子轉 移 至
等) 之生物降解(biodegradation) 與生物轉換 ferrodoxin ,最後由hydrogenase 催化ferrodoxin 將
(biotransformation)作用 ,將環境中之有機廢棄物 電子傳送給水體中的H+而產生氫氣。
轉化為氫氣 ,可同時解決環境污染及產生氫氣能 本研究乃以活性炭(顆粒) 、氧化鋁、氧化矽、
幾丁聚醣和纖維珠泡粒為主要擔體材料(carrier
1、高苑技術學院化學工程系講師
material)來附著產氫污泥的方法[12] ,並將製作之
2 、國立成功大學化學工程系四年級學生
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