厌氧微生物用于污泥产氢程序之研究Word文档下载推荐.docx

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肆、預期結果

伍、參考文獻

有鑑於今日地球能源主要依賴化石燃料，隨著化石燃料的的大量開採及使用，人類即將面對的是化石燃料的耗盡，以及環境污染的問題。

為了解決能源短缺及環境惡化的問題，氫能源已經被視為未來的重要能源。

利用微生物產氫的方式已漸漸地受到重視，其中厭氧微生物在不需要光照之下，即可將廢棄的有機物分解產氫，並且具有低成本、減廢與資源回收的再利用的優點。

以不同進流基質之生物產氫反應槽的汙泥，來探討厭氧產氫菌的菌群結構。

利用分子生物技術-16SrRNA及變性梯度明膠法（DGGE）來分析：

厭氧產氫程序微生物菌群多樣性與動態在產氫菌的多樣性。

以及厭氧產氫程序除了對於微生物、一般影響因子的影響之外，對於產物的抑制也將扮演重要的角色。

一.研究的背景、動機

在工業革命後，人類對於能源的需求量大為增加，也因此無限制的使用煤與石油以提供大量的能源需求，身為人類的我們也即將面臨化石燃料耗盡的問題。

此外，燃燒化石燃料時，所排放大量的二氧化碳、一氧化碳、氮氣化合物及硫化物等汙染物，影響大氣組成而導致全球氣候的變遷。

目前的發展趨勢已把未來的能源型式鎖定於氫氣與天然氣，其中氫氣更是被視為具有潛力且乾淨的重要替代能源之ㄧ。

目前氫氣生成的方法可以分為生物性或非生物性的方式，非生物性的方式如：

電解、光解、熱裂解碳氫化合物來產氫等，均需要有能源的投入，所以也對環境有不良的影響。

相較之下厭氧發酵生物產氫則在溫和的環境中進行，且只需投入少量的能量，並且能應用於廢棄有機物的處理，符合再生的能量來源及永續能源的的意義，以此極具開發的價值。

1.由不同的植種來源，找出最適合的產氫微生物。

2.探討在不同的基質配比下，產氫反應的各項功能指標及反應過程中的元素流向，以瞭解厭氧產氫反應的機制。

2-1生物產氫的價值

氫氣是乾淨的替代性能源，其燃燒過程中，水是唯一的產物並不會生成二氧化碳或氮氧化合物，可減少對地球大氣的汙染及溫室效應，且氫氣具有相當高的能量，每克的氫氣含有122KJ，其熱值為甲烷的2.4倍（Mizunoetal,2000）。

隨著氫氣儲存技術的進步，未來氫氣將被更廣泛的運用。

當有機廢水進行資源化時，由於廢水中有機物混雜的成分太多且亂，無法直接被利用轉為能源，若經由生物處理程序，可實際達到資源回收再利用的目的。

氫氣除了可以直接燃燒生成大量熱能提供使用外，還可以將氫氣儲存於金屬之中變成氫電池的型式。

如此，不但可以減少儲存體積，也可以增加其安全性及實用性。

目前對於氫電池技術的開發瓶頸在於儲氫金屬在常溫、常壓下無法儲存大量的氫氣及成本問題（Mizunoetal,2000；

Das,andVeziroglu,2001）。

2-2生物產氫

生物產氫程序只需在常溫、常壓下進行，且氫通常不會以氣體形式存在自然界，而是以H2O、CH4、煤炭等化合物形式出現，甚至出現在所有活的生物體內，所以必須先設法將氫與其他分子分開才能得到氫氣（Mizunoetal,2000）。

生物產氫主要是利用藻類及細菌等微生物來進行產氫，Table2-1及Table2-2為生物產氫之微生物菌群與利用不同微生物進行產氫之優缺點。

不同種類的微生物其產氫所利用的酵素系統有所不同，所受的限制也不相同。

2-3厭氣發酵產氫

厭氧發酵的產氫方式與光合產氫相比較，其產氫的效能雖比光合產氫較為不及，但因為不需要在光照的條件下才能產氫，故成本上的耗費較為節省，且可利用廢棄的有機物做為碳源，發酵過後的產物中含大量可被利用的酸如，乙酸與丁酸等，因此具有減廢及物質在循環、再利用的效果（Das,andVeziroglu,2001）。

Table2-1Meritsanddemeritsofdifferentbiologicalprocessesforhydrogenproduction.（Das,andVeziroglu,2001）

Typeofmicroorganism

Merits

Demerits

Greenalgae

Canproducehydrogenformwater

Solarconversionenergyincreasedby10foldsascomparedtotreescrop

RequirelightforhydrogenproductionO2canbedangerousforthesystem

Cyanobacteria

NitrogenaseenzymemainlyproducestofixN2formtheatmosphere

UptakehydrogenaseenzymesaretoberemovedtostopthedegradationofH2

About30%O2presentinthegasmixturewithH2

O2hasinhibitoryeffectonnitrogenaseCO2presentinthegas

PhyotosyntheticBacteria

Canusedifferentwastematerialslike,whey,distilleryeffluents,etc.

Canusewidespectrumoflight.

Requirelightforhydrogenproduction

Fermentedbrothwillcausewaterpollutionproblem

CO2presentinthegas

Fermentationbacteria

Itcanproducehydrogenalldaylongwithoutlight

Itcanutilizedifferentcarbonsourceslike,starch,cellobiose,sucrose,etc.andsodifferenttypeofrawmaterialscanbeused

Itproducesvaluablemetabolitessuchasbutyricacid,lacticacid,aceticacid,etc.asbyproducts

Itisanaerobicprocess,sothereisnooxygenlimitationproblem

Thefermentedbrothisrequiredtoundergofurthertreatmentbeforedisposalotherwiseitwillcreatewaterpollutionproblem

Table2-2Microorganismsusedforhydrogengeneration.（Das,andVeziroglu,2001）

Broadclassification

Nameofthemicroorganism

Scenedesmusobliquus

Chlamydomonasreinhardii

C.moewusii

Cyanobacteria

Heterocystous

Anabaenaazollae

AnabaenaCA

A.variabilis

A.cylindrical

Nostocmuscorum

N.spongiaeforme

Westiellopsisprolifica

Nonheterocystous

Plectonemaboryamm

OscillotoriaMiamiBG7

O.limnetica

Synechococcussp.

Aphanothecelaminosus

Phormidiumvalderianum

Photosyntheticbacteria

Rhodobatersphaeroides

Rhodobatercapsulatus

Rhodobatersulidophilus

Rhodopseudomonassphaeroides

Rhodopseudomonaspalustris

Rhodopseudomonascapsulate

Rhodospirllumrubnum

Chromatiumsp.MiamiPSB1071

Chlorobiumlimicola

Chloroflexuaurantiacus

Thiocapsaroseopersicina

Halobacteriumhalobium

Fermentativebacteria

Enterobacteraerogenes

Enterobactercloacae

Clostridiumacetobutyricum

Clostridiumbutyricum

Clostridiumpasterianum

Desulfovibriovulgaris

Magasphaeraelsdenil

Citrobacterintermedius

Bacilluslicheniformis

Escherichiacoli

產氫程序控制之模擬與生物反應種類的比較，針對污泥回流式、完全混合式、無攪拌式和柱塞流式等四種厭氧反應槽行厭氧產氫效率上的比較。

以蔗糖或酵母粉為進流基質之生物產氫反應槽的汙泥，來探討厭氧產氫菌的菌群結構。

對於厭氧產氫程序微生物菌群多樣性與動態在產氫菌多樣性分析方面，利用分子生物技術-16SrRNA及變性梯度明膠法（DGGE）來做分析。

厭氧產氫程序除了對於微生物的影響，除了一般影響因子（如溫度、營養鹽、pH值…等）外，產物的抑制也將扮演重要的角色，主要為有機酸、醇類、氫氣及二氧化碳等物質的抑制。

針對汙泥厭氧微生物產氫反應槽建立更完整的微生物生態菌群結構，藉以有效調控以提高生物產氫反應槽的產氫潛能。

pH值得下降是會延長微生物適應環境的時間以及影響生物初期的生長，鉀離子相較於鈉離子對於高溫厭氧產氫菌之產氫行為有較高的抑制性。

不同基質的配比下，蛋白質基質及碳水化合物基質各有不同功用，可進行不同負荷下相同碳水化合物之配比實驗，來驗證其發酵情形。

且在不同基質培養條件之下，菌群結應該不盡相同。

白明德，1999，厭氧生物產氫機制與程序操作策略之研究，國立成功大學環境工程研究所碩士論文。

張仕旻，2002，利用薄膜反應器於高溫厭氧產氫生物程序之研究，國立成功大學環境工程研究所碩士論文。

趙禹杰，2004，澱粉級蛋白腖複合基質厭氧發酵產氫程序之功能評估，國立成功大學環境工程研究所碩士論文。

簡青紅，2003，利用傳統培養法和分子生物方法探討厭氧生物產氫反應槽的微生物社會結構，國立成功大學生物學研究所碩士論文。

Das,D.,andT.N.Veziroglu.2001.Hydrogenproductionbybiologicalprocesses:

asurveyofliterature.Int.J.HydrogenEnergy.26:

12-28.

Mizuno,O.,R.Dinsdale,F.R.Hawkes,D.L.Hawkes,andT.Noike.2000.

Enhancementofhydrogenproductionfromglucosebynitrogengassparging.BioresourTechnol.73:

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