光合菌在光生物反應器產氫之研究

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姓名

張志強(Chih-Chiang Chaung) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

光合菌在光生物反應器產氫之研究
(Photosynthetic bacteria photobioreactor for H2 production)

相關論文

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★ 探討不同培養溫度Aspergillus niger 對丹參之機能性影響	★ 探討培養溫度對巴西蘑菇液態醱酵之影響
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摘要(中)

氫氣是替代石化燃料的最好選擇。由於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。目前使用氫氣的的主要瓶頸是缺乏重要相關科技之研發，如良好的生產技術、儲存、運輸與應用科技。在不同生產氫氣的方式以利用太陽能最吸引人且符合永續發展精神的方法。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。
光合菌中的紫色非硫菌，雖然有非常複雜的生理特性，但是有不少菌株具有氫氣之生產能力，並且產量高又穩定，具實用潛力。但是，當應用時發現一個普遍存在的問題，即氫氣生產力的不穩定性;光合菌之氫氣生產力無法在光反應器內持續存在。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。有鑑於此，本研究針對未來以生物法進行工業化生產氫氣時，可能面臨之問題，來改進現有光生物反應器之設計。即開發比膠體包埋法成本較低的細胞固定化法--吸附法。
本實驗研究成果主要分下列四部分來討論。第一部分是菌種採購與分離篩選; 第二部分是生物反應器之設計與製作; 第三部分是無固定化下，菌種生長特定之探討; 第四部分是在固定化生物反應器中觀察氫氣生產效果。實驗結果顯示，可知不同的照光強度和方式可提高Rhodobacter sphaeroide CCRC13100的生長速率(µ)單面照光為µ=0.019 hr-1，四面照光為µ=0.056 hr-1。對於提高產氫的能力單面照光為qH2=0.653 ml/hr/g cell，四面照光為qH2=1.785 ml/hr/g cell。在Fed-batch連續進料方面，能延長產氫時間和增加產氫量到456 hr並且增加產氫量到298ml/L H2。對於提高產氫的能力可提升到qH2=1.231 ml/hr/g cell。另外，在Fed-batch固定化連續進料方面，能延長產氫時間和增加產氫量以提高產氫能力到1239 hr並且增加產氫量到2690 ml/L H2。對於提高產氫的能力可提升到qH2=2.4 ml/hr/g cell。

摘要(英)

Hydrogen is considered to be one of the best alternative fuels to petroleum. Most of pollutants of our environment are resulted from widely using petroleum as fuels. Hydrogen is also the cleanest energy because its product is water after burning with oxygen. It is believed that hydrogen will replace the petroleum as the major fuel in the next era.
Scientists have found many different approaches in hydrogen production since the last two decades.Among these approaches, it is believed that utilizing the solar energy to hydrogen production is the most appealing concept.Three methods including chemical, physical, and biological approaches can utilize solar energy for hydrogen production. Biological approach is considered to be better than the other two methods. Among all known biological system, photosynthetic bacteria (PSB) is the most efficient hydrogen producer.
PSB can utilize the solar energy for carbon dioxide fixation and hydrogen production. Several purple non-sulfur PSB have been reported to be the best hydrogen producers.
One of the common problems using PSB for hydrogen production is the instability of hydrogen producing capability of PSB. There is limited understanding of the instability in the academia. Thus, one common solution to this instability is by gel immobilization. Although gel immobilization can solve the instability problems, it creates other problems such as substrate diffusion difficulty, shading effects from immobilized cells, and scale-up problems.
Thus, the major focus of this project is to study the feasibility of using alternative immobilization method – adsorption on cotton fiber for hydrogen production and carbon dioxide fixation. Adsorption immobilization as compared with gel immobilization is considered to be most suitable for large-scale production due to its less mass transfer difficulty and lower operational cost. Thus, higher hydrogen production is expected.
Experimental results of this project are presented in four sections: four PSB strains are collected and isolated, design and manufacture of photobioreactors, characterization of PSB by batch fermentation, and performance of immobilized photobioreactors.Experimental data indicated that both reactor design and environmental conditions such as medium composition and light intensity play important role in carbon dioxide fixation and hydrogen production.

關鍵字(中)

★ 紫色非硫菌
★ 照光式反應器
★ 氫氣
★ 光合細菌
★ 細胞固定化

關鍵字(英)

★ photobioreactor
★ hydrogen
★ Photosynthetic bacteria
★ purple non-sulfur PSB
★ cell immobilization

論文目次

目錄
中文摘要………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………Ⅲ
目錄……………………………………………………………………Ⅴ
表目錄…………………………………………………………………Ⅶ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅷ
第一章、緒論 ………………………………………………………..1
1.1 研究動機.………………………………………………1
1.2 研究目的……………………………………………………3
第二章、文獻回顧…………………………………………………….4
2.1 前言………………………………………………………….4
2.2 光合菌簡介與應用………………………………………….6
2.3 光合菌的培養……………………………………………….12
2.3.1 主要種類………………………………………………12
2.3.2 培養方式………………………………………………13
2.3.3 厭氣光合菌的培養……………………………………14
2.4 光合反應的供氫體和能量獲得的形式…………………….18
2.4.1光合反應的供氫體…………………………………….18
2.4.2 光合細菌的獲能形式…………………………………19
2.5 光合菌的營養需求………………………………………….20
2.5.1 光合菌的碳源…………………………………………20
2.5.2 光合菌的氮源…………………………………………22
2.6 影響氫氣生成的因素……………………………………….24
2.7 光合菌菌種分離和保存…………………………………….25
2.7.1 菌種分離………………………………………………25
2.7.1.1採樣…………………………………………….26
2.7.1.2 富集培養………………………………………26
2.7.1.3分離方法……………………………………….28
2.7.2菌種保存技術………………………………………….31
2.8氫氣生產之光生物反應器研發現況與問題………………..34
2.8.1照光反應器現況與問題……………………………….34
2.8.2 cotton cloth反應器……………………………….36
第三章、實驗材料與分析方法……………………………………….37
3.1實驗材料………………………………………………………37
3.1.1 微生物………………………………………………… 37
3.1.2培養基組成……………………………………………37
3.1.3實驗藥品………………………………………………37
3.1.4實驗儀器與設備………………………………………39
3.1.5分析方法………………………………………………41
3.1.5.1氣體分析(氫氣) …………………………….41
3.1.5.2酸液的分析……………………………………42
3.1.5.3 colth cotton 細胞固定化 ……………….43
3.2實驗方法…………………………………………………….45
3.2.1 光合菌之收集與鑑定……………………………….45
3.2.2 光生物反應器的設計與製作……………………….47
3.2.3 針對不同碳源對產氫的影響……………………….49
3.2.4針對不同醱酵方法對產氫的影響……………………50
3.2.4.1批式醱酵:free cell system……………….50
3.2.4.2 fed-batch醱酵: free cell system………53
3.2.4.3 fed-batch醱酵:immobilized system…….53
第四章、實驗流程…………………………………………………….55
第五章、結果和討論………………………………………………….57
5.1 光合菌之收集與鑑定……………………………………….57
5.2 光生物反應器的設計與製作……………………………….60
5.3 針對不同碳源對產氫的影響………………………………...63
5.4 針對不同醱酵方法對產氫的影響………………………….67
5.4.1批式醱酵:free cell system…………………………67
5.4.2 Fed-batch醱酵:free cell system…………………70
5.4.3 Fed-batch醱酵:immobilized system………………72
第六章、結論…………………………………………………………..76
第七章、參考文獻……………………………………………………..78
表目錄
表2-1 光合細菌菌體組成…………………………………………….7
表2-2 光合細菌B族維生素組成…………………………………….8
表2-3 具有氫氣之生產能力之厭氧光合菌………………………….10
表2-4 光合細菌的分類學特徵……………………………………….11
表2-5 紅螺菌科中幾種對碳源和電子供體的利用比較…………….13
表2-6 在各種培養條件下光合細菌的生長及其獲能形式………….20
表2-7 紅螺菌科三個屬的比較(自R.Y.斯塔尼爾等，1983)……..25
表3-1 紫色非硫菌的生長與氫氣生成的培養配方………………….37
表3-2 各種菌綠素的吸收波長……………………………………….45
表5-1 依據培養後之顏色比較來鑑定菌種………………………..,57
表5-2 針對不同碳源對產氫的影響………………………………….65
表5-3 針對不同碳源對產氫轉化率的影響………………………….66
圖目錄
圖2-1 太空梭發射圖(來源自美國NASA) …………………………….4
圖2-2 能源成本估算圖(源自美國能源部) ………………………….…5
圖2-3 厭氧培養裝製Gas Pak(取自厭氧培養手冊) …………………16
圖2-4 厭氧缸(anaerobic jar)和培養上皿籃(plate basket) ……………17
圖2-5 保存光合細菌的厭氣瓶………………………………………..32
圖2-6 照光反應器……………………………………………………..35
圖2-7 照光反應器…………………………………………………….35
圖2-8 cotton cloth 內層為綱狀不銹鋼……………………………36
圖2-9 為一循環批次生物反應器…………………………………….36
圖3-1 利用Porapak Q分析………………………………………….41
圖3-2 cotton cloth細胞固定化—吸附法………………………….43
圖3-3 氣舉式光生物反應器的規格圖……………………………….47
圖3-4 氣舉式光生物反應器操作圖………………………………….48
圖3-5 針對不同碳源對產氫操作圖………………………………….49
圖3-6 氣舉式單點照光2000lux反應器圖………………………….51
圖3-7 氣舉式四面照光5000lux反應器圖………………………….52
圖4-1 光合菌產氫實驗設計流程圖………………………………….56
圖5-1 Rhodobacter sphaeroide CCRC 13100的吸收光譜…………58
圖5-2 Rhodobacter sphaeroide CCRC 13100固態培養顏色………59
圖5-3 光合菌固態培養圖…………………………………………….60
圖5-4 光合菌液態培養收集氫氣圖………………………………….60
圖5-5 攪拌式照光反應器圖………………………………………….61
圖5-6 氣舉式照光反應器圖…………………………………….…..62
圖5-7 針對不同醋酸濃度對產氫的影響(固定glutamate 1mM濃度) ………………………………………………………………………63
圖5-8 針對不同蘋果酸濃度對產氫(固定glutamate 1mM濃度) ………………………………………………………………………64
圖5-9 針對不同琥珀酸濃度對產氫(固定glutamate 1mM濃度) ………………………………………………………………………64
圖5-10不同醋酸濃度對產氫的影響(固定glutamate 1mM濃度) ………………………………………………………………………65
圖5-11單面照光(2000lux)批次醱酵曲線………………………….67
圖5-12 四面照光(5000lux)批次醱酵曲線………………………….68
圖5-13 2000lux Specific H2 Productivity qH2………………….68
圖5-14 5000luxSpecific H2 Productivity qH2…………………….69
圖5-15 Fed-batch連續進料醱酵曲線圖…………………………….70
圖5-16 Specific H2 Productivity qH2…………………………….71
圖5-17 SEM(

參考文獻

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指導教授

徐敬衡(Chin-Hung Shu)

審核日期

2000-7-14

推文