結合厭氧菌和紫色不含硫光合細菌產氫之研究

1. 結合厭氧菌和紫色不含硫光合細菌產氫之研究 班級：四環四A 學號：4960N010 姓名：李奕賢

2. 目錄 一、前言二、研究方法1.菌種來源2.厭氧暗醱酵出流水直接進行光合產氫試驗 3.厭氧暗醱酵出流水經UV 滅菌燈處理後進行光合產氫試驗 4.厭氧暗醱酵出流水經固液分離系統處理後進行光合產氫試驗 5.分析方法三、結果與討論 1.厭氧暗醱酵出流水直接進行光合產氫試驗 2.厭氧暗醱酵出流水經UV 滅菌燈處理後進行光合產氫試驗 3.厭氧暗醱酵出流水經固液分離系統處理後進行光合產氫試驗四、結論五、參考文獻

3. 一、前言 由於全球經濟的快速發展，造成能源的使用量大幅度的增加，尤其是化石燃料的消耗量更是驚人，可是化石燃料是有限的，不可能取之不盡，此外，使用化石能源還會造成煤煙、飛灰、焦油液滴和其他有機化合物等空氣污染物，更重要的是還會產生二氧化碳和其他溫室氣體，造成全球暖化及氣候變遷等負面影響。 「氫氣」在燃料發展的過程中最具潛力，在經濟和環境上都是有益的，相較於已知的其他燃料，每單位重能產生最大的能量（122 KJ/g），且可以傳統的方法運輸供給家庭或工業使用，但是地球上並沒有天然的氫氣型態燃料，而是存在於化合物中，像是水或是碳氫化合物，必需經由化學轉換才能獲得氫氣。雖然目前產生氫氣的方法有很多種，但相較於利用熱化學和電化學等方法來產氫，生物產氫的過程對環境更為友善，且耗的能量也較小。

4. 生物產氫乃是利用微生物的代謝作用轉換有機物或水來產生氫氣。現今發現具有產氫能力的微生物有：綠藻、藍綠細菌、（紫色不含硫）光合細菌和厭氧醱酵菌等。其中藍綠細菌和光合細菌能以太陽光作為能源，以有機物作電子供給者，利用固氮酵素－氫酵素系統產生氫氣，而厭氧菌能利用醱酵作用將有機物分解代謝，在酸化的過程中同時產生氫氣。 目前生物產氫醱酵技術多以醣類和澱粉為主要的碳源，但醣類和澱粉的成本較高，且會與糧食作物相互競爭，不符合永續經營的理念。根據林氏的研究指出廚餘是暗醱酵產氫很好的基質，不但量多且容易取得。因此本研究選擇廚餘作為暗醱酵產氫時的基質，不但可以達到有機固體廢棄物的減量，且同時可回收能源再利用。此外，暗醱酵產氫的液態產物中含有豐富的有機酸，恰巧可作為紫色不含硫光合菌產氫時的電子供給者，若串聯此兩階段反應，不但可以有效的處理廢水（廢棄物），同時可回收能源，使得資源更效的利用。

5. 二、研究方法 1.菌種來源 厭氧菌是取自台中某都市污水場氧化渠底泥，經過高溫100℃煮沸20分鐘的熱篩處理，直接當作植種源使用。紫色不含硫光合菌Rhodopseudomonas palustrisWP3-5則是自某養豬廠廢水中所分離篩選而來。2、厭氧暗醱酵出流水直接進行光合產氫試驗本試驗廚餘取自某國民小學營養午餐之廚餘，其主要成分為米飯類，屬於含高碳水化合物的廚餘，本實驗以其作為基質來源，以厭氧醱酵細菌來產生氫氣。篩選過的廚餘以一定比例與水混合後，以果汁機打碎成漿體並放置於冰箱的基質桶中（20升），基質會以攪拌機攪拌以確保基質的均質性，在植種源方面，為能更接近實場上之應用，本實驗的植種源不經增殖培養，經過熱篩處理後直接使用。暗醱酵反應槽的有效體積為2公升，以磁石攪拌（200 rpm），控制廚餘基質之sCOD≒20000 mg/L並以蠕動幫浦進流，在找出較合適的暗醱酵產氫的條件後，其沉澱槽的上澄液（暗醱酵出流上澄液）會直接串聯光合反應槽使用。

6. 光合反應槽是一個高69 cm，直徑8 cm，有效體積為2.5 L，以磁石攪拌的CSTR圓柱光合反應槽，HRT控制在4天，提供四盞100W的鎢絲燈炮（Philips AS100）作為光合菌之能量來源，平均照度為6000 lux。在反應槽架設前，槽體與管線皆需滅菌，槽體是以180℃乾熱滅菌3小時，管線及其他附件則以121℃溼熱滅菌45分鐘，待其冷卻後於無菌操作台中完成組裝。 光合反應槽所使用的菌株為紫色不含硫光合細菌Rhodopseudomonas palustris WP3-5，在進流暗醱酵出流上澄液前，需先進行槽體中菌體的預培養，將已增殖過的菌液250 mL接種至反應槽中，反應槽中已裝有2 L的Rhodospirillaceae培養液（含醋酸鈉1000 mg/L）（倒培養液和接種皆於無菌操作台中完成），在平均光照約6000 lux，溫度範圍控制在28~35℃下培養，在培養5日後開始進流暗醱酵出流上澄液。待穩定操作後，生物氣體（biogas）以鳥型瓶排水集氣收集，並採取反應槽瓶頂空間之氣體樣品作氣體組成分析，且在採取氣體樣品的同時採取水樣作分析。

7. 3、厭氧暗醱酵出流水經UV 滅菌燈處理後進行光合產氫試驗由於光合反應槽是純菌的系統，若是直接串聯暗醱酵反應槽勢必會受到其他厭氧菌的污染，進而影響光合菌的生長及產氫。王氏（2005）利用人工的合成基質供厭氧醱酵菌使用產氫，其出流水若是經過一個UV 滅菌燈滅菌後再供給光合菌使用產氫，光合反應槽的操作試程可由120 hr 提升至336 hr。因此本實驗將加入UV 滅菌燈於暗醱酵反應槽和光合反應槽之間，暗醱酵出流上澄液會先經過一市售的UV 滅菌燈（Water QualityⓇ AQUA PRO Ultraviolet Water Sterilizer）再進入光合反應槽，觀察是否對於光合產氫有助益。4、厭氧暗醱酵出流水經固液分離系統處理後進行光合產氫試驗 本研究架設了一固液分離系統於暗醱酵反應槽和光合反應槽之間，固液分離系統中所使用的固液分離膜是由25 片孔徑大小為0.03μm 圓盤式的膜片所組成，膜的材質為polyvinylidene fluoride（PVDF），每片的表面積為0.014 ㎡，膜片的間距為7 mm。膜組沉浸於有效體積為15.5 升的反應槽中，膜組會串聯一脈衝式幫浦抽取。抽取出的產液會以一反應槽承接再供給光合反應槽使用，觀察光合產氫的情形。

8. 5、分析方法 試驗中監測的項目包括MLSS、pH、有機酸濃度和氣體組成分析。以下是各 監測項目的分析方法與所使用的儀器及方法。 (1) MLSS（mixed liquor suspended solid） MLSS 的測定方法是根據standard method 修正後而得。方法如下： (a) 將實驗用之A與B蒸發皿先置入103~105℃之烘箱中至少烘乾一小時，之後放入 乾燥箱中冷卻，使溼度及重量平衡後，稱得a及b重。 (b) 取10 mL之水樣置入蒸發皿A中。 (c) 在取20 mL之水樣以0.2μm之Nylon濾膜過濾，取濾液10 mL至入蒸發皿B中。 (d) 將A與B置入103~105℃之烘箱中烘乾，放入乾燥箱冷卻，稱重得a’和b’。 (e) MLSS＝[(a’-a)-(b’-b)] ×1000/10（g /L） (2) pH 值 pH 則是在採得樣本後，以pH meter（WTW inoLab pH/ION LEVEL2）量測。

9. (3)有機酸濃度 有機酸濃度是以氣相層析儀(GC-FID, HP6890, USA)進行分析。操作條件如下：注射溫度為250℃，烘箱之初始條件為60℃，5 分鐘，之後每分鐘升溫15℃，持續8 分鐘，最終以180℃持續3 分鐘。偵測器溫度為250℃。使用之層析管柱為Agilent, DB-WAXERT, 30 m, 1.0 μm, 0.35 mm ID, USA。(4)產氫量 氫氣濃度是以氣相層析儀(GC-TCD, HP6890, USA)進行分析。操作如下：注射溫度為60℃，烘箱之初始條件為40℃ 1 分鐘，之後每分鐘升溫15℃，持續1分鐘，最終以60℃持續4 分鐘。偵測器溫度為150℃。使用之層析管柱為不鏽鋼材質，型號為Carbooxen-100。

10. 三、結果與討論 1、厭氧暗醱酵出流水直接進行光合產氫試驗在直接串聯光合反應槽試程操作之前，為了要知道若進流人工合成廢水，在相同的HRT 操作之下，能夠獲取多少的氫氣，並以此作為後續光合產氫的對照組。人工合成廢水是參照光合菌培養基，並以林氏（2002）研究出之最佳產氫混合酸比例（乙酸=280 mg/L，丙酸=99 mg/L，丁酸=1200 mg/L）作其碳源，以200mg/L 的glutamate 作其氮源，配製好後以滅菌釜溼熱滅菌，操作在HRT=4 天的情況下連續進流。平均產氣率為10.4 mL/L-hr，平均氫氣百分比為73.4%，以此數據作為後續利用不滅菌的出流水作為光合產氫基質產氫情形的對照組。在以暗醱酵出流水直接進行產氫的試程中，溫度和 pH 變動不大，溫度介於30~31℃， pH 介於7.2~8.0 之間。圖1 為其產氣率、氫氣百分比和MLSS 隨時間變化的情形，在產氫方面，產氣率和氫氣百分比在24 hr 後皆持續下降，在45 hr後即不再產氣，累積產氣量為218 mL/L，最高的氫氣百分比為61.0%。造成產氫無法持續的原因可能為光合反應槽已受到暗醱酵出流水中的雜菌污染，所以即使試程後期不再產氣，MLSS 仍持續上升。若觀察光合反應槽所呈現出來的顏色，可看出若受到污染的光合反應槽，其顏色會從鮮紅色變成黑紫色。

11. 圖1 直接供給暗醱酵出流水之光合反應槽MLSS、產氣率和氫氣百分比隨時間變化圖

12. 暗醱酵出流水進入反應槽內後， pH從平均6.1升到平均7.5，若觀察有機酸的濃度變化，皆有減少的情形，若以乙酸和丁酸為例，其去除率分別為73.4%和66.7%。在暗醱酵出流水中的氨氮濃度很低，平均為4.4 mg/L，不會造成光合菌產氫上的抑制，此結果與呂氏的結果相同。2、厭氧暗醱酵出流水經UV 滅菌燈處理後進行光合產氫試驗在直接將暗醱酵出流水供給光合反應槽的試驗中發現，造成後期不產氣的原因可能是受到出流水中雜菌的污染，使得光合菌無法在光合反應槽中成為優勢種，因此裝置一UV滅菌燈於暗醱酵反應槽和光合反應槽之間。此試程將其沉澱槽上澄液（暗醱酵出流水）經UV滅菌燈處理後再供給光合反應槽使用，HRT=4天，採連續流方式進流，整個試程溫度介於27.5~31℃之間（平均為28.9℃）， pH介於5.3~7.0之間（平均為6.1）。圖2為其產氣率、氫氣百分比和MLSS隨時間變化的情形，在產氫方面，產氣率和氫氣百分比在92 hr後皆持續下降，在142 hr後即不再產氣，累積產氣量為1651.2 mL/L，最高的氫氣百分比為52.5%。

13. 若觀察累積氣量的變化（圖未顯示）可以發現有67 hr左右的遲滯期，造成此遲滯的原因可能為 pH，圖3和圖4分別為經UV滅菌燈暗醱酵出流水和光合反應槽內 pH和有機酸濃度變化的情形，在67 hr之前經UV滅菌燈的暗醱酵出流水pH很低（平均為5.2），進而影響到光合反應槽的 pH，從開始的7.0掉到5.3，造成光合菌產氫的遲滯，在67 hr之後，隨著經UV滅菌燈的暗醱酵出流水 pH的上升，再加上光合菌已慢慢適應此 pH值，在92 hr時有產氣率的高峰值，而後似乎暗醱酵出流水中的固體物慢慢累積在UV滅菌裝置之中，使得UV穿透力降低，造成雜菌在光合反應槽累積（MLSS有上升的趨勢）（圖2），進而抑制產氫。經UV滅菌燈之暗醱酵出流水和光合反應槽內的各項水質參數，暗醱酵出流水進入反應槽內後， pH從平均5.6升到平均6.1，若觀察有機酸的濃度變化，皆有減少的情形，若以乙酸和丁酸為例，其去除率分別為75.8%和68.5%。

14. 圖2 裝置一UV滅菌燈之光合反應槽MLSS、產氣率和氫氣百分比隨時間變化圖

15. 圖3 經UV滅菌燈的暗醱酵出流水pH、乙醇和有機酸濃度隨時間變化圖

16. 圖4裝置一UV滅菌燈之光合反應槽 pH、乙醇和有機酸濃度隨時間變化圖

17. 3、厭氧暗醱酵出流水經固液分離系統處理後進行光合產氫試驗在利用UV滅菌燈處理暗醱酵出流水並供給光合反應槽使用的試驗中，發現暗醱酵出流水的懸浮固體物對於UV滅菌燈的影響很大，降低滅菌燈的效力，為了去除掉懸浮固體物的影響，將以一固液分離系統取代UV滅菌燈和沉澱槽，將其產液供給光合反應槽使用進行光合產氫。整個試程溫度介於30℃~35℃之間（平均值為32.2℃），從表中可以觀察到固液分離的產液進入光合反應槽後 pH有上升的現象，有機酸濃度也同樣有減少的情形，但相較於前幾次的試程，有機酸的去除率有較差的情況，以乙酸和丁酸為例，其去除率分別為9.7%和13.4%，造成此現象的原因可能是固分離槽產液的有機酸濃度過高，再加上水力停留時間過短使得有機酸不斷累積 pH也持續下降（圖5），抑制了光合菌的生長（圖6）。

18. 由於供給光合反應槽的固液分離產液有機酸濃度過高，使得在整個試程中MLSS皆偏低，平均只有0.38 g/L，若以人工合成廢水供給光合反應槽使用，在相同的水力停留時間下，平均的MLSS為0.66 g/L，顯示的確有酸抑制的問題。在產氫方面，產氣率在操作穩定進出流後的23小時達到最高（8.0 mL/L-hr），隨後快速下降，而氫氣百分比也是在第23 hr時達最高（43.6%），之後便隨時間持續的下降，造成此原因可能也來自於有機酸濃度過高所導致，Argun（2008）也指出當有機酸濃度高於2350 mg/L時，會造成光合菌產氫的抑制。

19. 圖5 第一次利用固液分離槽產液之光合反應槽 pH、乙醇濃度和有機酸濃度隨時間變化圖

20. 圖6 第一次利用固液分離槽產液之光合反應槽MLSS、產氣率和氫氣百分比隨時間變化圖

21. 為了解決酸抑制的問題，將連續進流基質改變成間歇性進流基質，以26.0mL/hr的流量進流15分鐘停止30分鐘的方式操作以降低基質負荷率，在固液分離產液的濃定穩定的狀態下，基質負荷率應會降為第一次試程的三分之一。圖7為降低基質負荷率後MLSS、產氣率和氫氣百分比隨時間變化的情形。在降低基質負荷率後產氣率和氫氣百分比皆有明顯提升的現象，產氣率於操作196 hr後才降至10 mL/L-hr以下，整個試程平均氫氣百分比為73%，相較於第一次操作（產氣率皆低於10 mL/L-hr且氫氣百分比皆低於47%），第二次操作能獲取更多的氫氣。此試程平均的MLSS為0.83 g/L，這可能與產氣率持續下降有關，在以人工合成廢水供給光合反應槽產氫的試驗中發現MLSS大約在0.56~0.63 g/L時有較佳的產氫率，而MLSS大於0.63 g/L產氫率有下降的情形。呂氏（2009）同樣以人工合成廢水供光合反應槽產氫，在MLSS約0.6 g/L時有最大的產氫率。此試程MLSS大多高於0.63 g/L，可能造成光遮蔽的問題，使得產氫量持續下降。除此之外，由於本試驗所使用的光源為鎢絲燈炮，光的強度也有可能成為限制因子之一。

22. 圖7 第二次利用固液分離槽產液之光合反應槽MLSS、產氣率和氫氣百分比隨時間變化圖

23. 在水質參數方面，表4為第二次運作固液分離槽產液與光合反應槽之各項平均水質參數，整個試程溫度介於29.5℃~31.5℃之間（平均值為30.8℃），產液進入光合反應槽後 pH一樣有上升的情形，有機酸皆有被利用，在去除率方面，以乙酸和丁酸為例，去除率分別為57.3%和55.4%，比第一次運作時的去除率高。有機酸的濃度變化在整個試程中有緩緩下降的趨勢（圖8），且就單一酸而言，整個試程皆無超過1000 mg/L，對於光合細菌不會有抑制產氫的情形。

24. 圖8 第二次利用固液分離槽產液之光合反應槽pH、乙醇濃度和有機酸濃度隨時間變化圖

25. 本實驗的目的在於評估不同程序對於光合產氫的影響，進而連續產氫。為以人工合成廢水或以暗醱酵出流水作基質串聯不同程序之光合反應槽產氫的情形，最大產氣率之最佳結果是串聯UV滅菌燈，可達164.6 mL/hr-L，但若觀察產氣率的變化、氫氣百分比和MLSS的變化，產氣率的高峰值是發生在 pH劇變之後，隨後快速的下降，且氫氣百分比大約為50%，再加上MLSS持續上升，推測造成此高峰值應該是厭氧產氫菌與光合細菌同時作用造成短時間產氣率大增。在平均產氣率方面，扣除掉串聯UV滅菌燈的結果，以直接串聯為最高，但若比較平均氫氣百分比，直接串聯的結果並非最好，相較於其他試程，第二次串聯固液分離系統能有較佳的產氫結果，不管在產氣率和氫氣百分比皆接近以人工合成廢水進行光合產氫的結果，甚至有較佳的情形，能達到此結果的原因為固液分離系統能夠攔阻雜菌進入光合反應槽內，且藉由控制基質負荷率避免酸抑制的問題，再加上暗醱酵出流水中可能含有能幫助光合產氫的基質存在，使得產氫情形較佳。

26. 四、結論 在結合厭氧菌和紫色不含硫光合細菌產氫的實驗中，評估不同程序對於光合產氫的影響，比較直接供給暗醱酵出流水、串聯UV滅菌燈和串聯固液分離系統對於光合反應槽的影響，結果顯示UV滅菌燈因暗醱酵出流水中懸浮固體物的濃度過高，無法達到預期減菌的效果。相較於其他程序，固液分離系統能明顯攔阻雜菌進入光合反應槽，若控制合適的質基負荷率，最大產氣率可達19.0 mL/L-hr，最大氫氣百分比為81.0%，平均產氫率為8.4 mL-H2/L-hr。

27. 五、參考文獻 1. Das, D., “Advances in Biohydrogen Production Processes : An Approach Towards Commercialization,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 7349-7357 (2009).2. Uyar, B., I. Eroglu, M. Yucel, and U. Gunduz, “Photofermentative Hydrogen Production from Volatile Fatty Acids Present in Dark Fermentation Effluents,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 4517-4523 (2008).3. Li, C., and, H.H.P. Fang, “Fermentative Hydrogen Production from Wastewater and Solid Wastes by Mixed Culture,” Critical Reviews in Environmental Science andTechnology, Vol. 37, pp. 1-39 (2007).4. 林建勝， “以生質能源程序探討廚餘厭氧氫發酵之研究”，碩士論文，國立成功大學環 境工程研究所，台南市（2007）。5. 行政院環保署網站，http://www.epa.gov.tw/。

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