利用混合特定菌種生產氫氣之研究

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Title:	利用混合特定菌種生產氫氣之研究
Authors:	許淳鈞;Chun-Xin Xu
Contributors:	化學工程與材料工程研究所
Keywords:	光合菌;梭苞桿菌;混合培養;氫氣;Clostridium butyrate;mixed culture
Date:	2001-07-18
Issue Date:	2009-09-21 12:19:58 (UTC+8)
Publisher:	國立中央大學圖書館
Abstract:	氫氣是替代石化燃料的最好選擇。由於石化燃料主要來自石油本身，而其蘊藏量不斷地在減少中，並且使用石油後所造成的環保問題與防治成本也不斷地在惡化與增加中。相對地，氫氣燃燒後的產物是水，不會造成環境的負荷，可謂是最乾淨的燃料。因此，氫氣被科學家認為是取代石油世紀的主要能源。氫氣的使用，目前尚未普及化的主要瓶頸是缺乏重要相關科技之研發，如生產技術、儲存、運輸與應用科技。過去二十多年的研發，以開啟許多不同方式來生產氫氣。科學家在文獻中也強調生物法生產氫氣較物理法和化學法為優。並且又指出在所有已知之生物系統中，光合菌是最有效率之氫氣生產者。光合菌雖然是最有效率之氫氣生產者，但是若單獨應用仍然有其限制，如氫氣生產能力的穩定性、生產速率與經濟可行性等問題。為了使微生物產氫的技術得以落實，目前研究傾向配合減廢的目標而採用混合特定菌的培養。由於光合菌具有利用產酸發酵菌種代謝物的特色，因此近年研究顯示選擇特定菌種與其混合，可提高氫氣的產率。目前文獻報導中以厭氧菌梭狀孢子菌配合細胞固定化，可達到相當高的氫氣生產率。但是，光合菌的生理特性非常複雜的，當應用時發現一個普遍存在的問題，即氫氣生產能力的不穩定性。到目前為止，僅有少數理論對其氫氣生產力不穩定性提出解釋。因此，藉工程的角度來增加其穩定性是必要的。目前解決方法之一是藉細胞固定化來達到氫氣之穩定生產。但是文獻中主要採用之細胞固定化法是膠體包埋法，此法在產程放大(scale-up)時容易受到膠體本身之物性上的限制。此外，研究顯示梭狀孢子菌的生長機制及代謝途徑的控制對提高產氫能力有相當大的影響。到目前為止還沒有研究有系統地探討重要環境因子如基質種類、pH、溫度等對於混合特定菌生物產氫程序的影響，微生物產氫之發酵動力學研究也極為缺乏，自然地產氫最佳化條件也較缺乏。本實驗研究成果主要分下列三部份討論。第一部份是溫度、pH及代謝酸等環境因子的影響；第二部份是利用菌種混合模式並搭配溫度的控制來尋找較佳的操作方法；第三部份是利用細胞固定化的方法，來提高總產氫量並解決混合菌產氫穩定性的問題。實驗結果顯示，Clostridium在溫度37℃產氫量為1.76 mol H2/ mol glucose，在pH 6.5下，氫氣轉化率達46%；Rhodobacter sphaeroides(RSP)於25∼35℃約有25∼40％的轉化率，而在30℃產氫量為1.5 mol H2/mol glucose。而代謝酸濃度0.1%以上對於兩株菌皆有抑制產氫現象，丁酸0.1%以下有助於RSP產氫；醋酸則利於CB提高產氫量。混合菌在batch兩階段變溫下產氫量可達4.76 mol H2/mol glucose，採用Fed-batch恆溫狀態下，可獲得6.02 mol H2/mol glucose的產氫量，由此可見混合菌產氫加成的特性。
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