第四章 結果與討論
第十節 反應動力學之探討及模擬
本節將針對上述批次產氫試驗中各試程之每日累積產氫量與反應時間的關 係以 Gompertz equation 迴歸方程式進行模擬，並探討各試程之最大產氫速率 (Rm)、產氫潛勢(P)及遲滯期(λ)三者之間的關係。其模擬方式則是將各批次試 驗所得之每日累計產氫量代入 Gompertz equation 中進行迴歸計算，以便了解反 應時間與每日累積產氫量之間的函數關係，並藉此關係來預測產氫潛在的趨勢。
將各試程每日累積產氫量與反應時間代入修正式中，利用軟體 SigamaPlot V10 之 Statistics→Dynamic Fit Wizard 功能，即可得到最大產氫速率（Rm）、產氫 潛勢（P）及遲滯期（λ）。
微生物生長與代謝的過程中，首先會經過一段生長緩慢的遲滯期(λ)，讓 微生物慢慢適應，之後將進入成長的對數期，使微生物在此生長階段過程中能夠 產生最大的反應速率(Rm)，而後再進入穩定期，此時微生物的生長與代謝也達到 一定的平衡，其所對應之結果在本研究中則是以產氫潛勢(P)來表示之。一般來 說，當微生物生長與代謝的過程進入穩定期時，其平衡時之產能潛勢P 值(累積 產氫)愈大，則表示微生物利用基質的程度愈多，轉換形成的累積產氫也愈大；
當產氫速率Rm 值愈大時，則表示系統中的微生物活性愈佳，轉換形成能量的速 率也愈快；而在微生物生長與代謝反應的初期時，微生物消耗基質所產生的遲滯 期λ愈短，亦表示微生物利用基質而產生能量的反應可以立即進行，使產能反應 更容易驅動。由本研究中得知利用油菜籽粕基質產氫反應若要真正產氫量大，最 大反應速率(Rm)要0.66 mmole-H2以上，遲滯期(λ)在4.28天內，產氫潛勢就可達 到3.11 mmole-H2。
圖4-27為基質COD 濃度為20,000 mg/L、混合菌/基質配比為1/3之每日實際 產能與及經由之Gompertz equation 模擬產能之迴歸圖，微生物於生長代謝過程 之初期所發生的遲滯期λ約有3.21 天，並由Gompertz equation模式所模擬計算 求得最大反應速率Rm 值為0.455 mmole-H2 ，最後進入微生物之穩定階段而得到 最終之累積產能潛勢P 值為2.25 mmole-H2，而由此Gompertz equation 迴歸分析 計算最後可求得實際產氫(H)為2.27 mmole-H2。綜合此結果得知，產氫潛勢(P) 與實際產氫(H)之數值相近、誤差範圍不大，因此可推論，以Gompertz equation 來模擬基質厭氧批次試驗的產氫情況是相當適合的。
反應時間(days)
0 2 4 6 8 10 12
每日累積產氫量(mmole-H 2)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
產氫潛勢(P) 實際產氫(Y)
H(mmole-H2)
λ
Rm(mmole-H2)
r2=0.9998
圖 4-27 當油菜籽粕為，基質 COD 濃度為 20,000mg/L，不同混合菌/基質 配比為 1/3 時，實際產氫與產氫能潛勢累積產氫變化圖
微生物生長與代謝的過程中，首先會經過一段生長緩慢的遲滯期(λ)，讓 微生物慢慢適應，之後將進入成長的對數期，使微生物在此生長階段過程中能夠 產生最大的反應速率(Rm)，而後再進入穩定期，此時微生物的生長與代謝也達到 一定的平衡，其所對應之結果在本研究中則是以產氫潛勢(P)來表示之。
據此若要產氫效率好，Rm、P 要大；λ愈短，代表產氫反應起動愈快。
一、油菜及油菜籽粕不同起始 pH 值之批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸 分析
(一)油菜籽粕 Gompertz equation 迴歸分析
由表 4-32 不同起始 pH 批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸分析結果 顯示，模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＃3 組(pH=5.25)，0.468 mmole-H2
為最大；其次是＃2 組(pH=5.00)，最大產氫速率(Rm)為 0.384mmole-H2；最差為
＃1 組(pH=4.50)，最大產氫速率(Rm)為 0.00617 mmole-H2。模擬所得各組之遲 滯期最短的是＃6 組(pH=6.50)約為-1.36 天，遲滯期最長的為＃3(pH=5.25)約 為 4.27 天。模擬所得各組之產氫潛勢(P)最好為＃7 組(pH=7.00)有 2.39
mmole-H2，其次為＃2(pH=5.00)，產氫潛勢(P)有 2.27mmole-H2，最差為＃8(添加 醱酵產氫菌不加水解菌組)，產氫潛勢(P)有 0.501mmole-H2。
可看出實際產氫最好的＃2 組(pH=5.0)，微生物於生長代謝過程之初期所發 生的遲滯期λ約有 1.84 天比最短遲滯期長了一點，並由 Gompertz equation 迴 歸模式計算求得最大反應速率 Rm 值為 0.384 mmole-H2/day，這組試驗中看到產 氫最好的反應速率也是最佳，最後進入微生物之穩定階段而得到最終之累積產 氫潛勢 P 值為 2.27 mmole-H2/day 比產氫潛勢最好的＃7 組(pH=7.00)的 2.39 差了一些，可是以實際產氫來看還是以＃2(pH=5.00)為最好，且＃7 組(pH=7.00) 的 r2為 0.632，比＃2(pH=5.00)的 r2(0.995)還要低，而由此 Gompertz equation 迴歸分析計算最後可求得實際產氫(y)為 2.38mmole-H2/day，產氫潛勢(P)與實 際產氫(y)之模擬數值相近。
(二)油菜 Gompertz equation 迴歸分析
由表 4-32 不同起始 pH 批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸分析結果 顯示，模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＊2 組(pH=5.00)，0.0987
mmole-H2/day 為最大；其次是＊3 組(pH=5.025)，最大產氫速率(Rm)為 0.0613 mmole-H2/day；最差為＊4(pH=5.50)，最大產氫速率(Rm)為 0.00617
mmole-H2/day。模擬所得各組之遲滯期最短的是＊3 組(pH=5.25)約為-2.90 天，
遲滯期最長的為＊1(pH=4.75)約為 4.34 天。模擬所得各組之產氫潛勢(P)最好 為＊2 組(pH=5.00)有 1.177mmole-H2/day；其次為＊3 組(pH=5.25)，產氫潛勢 (P)有 0.807mmole-H2/day；最差為＊1 組(pH=4.75)，產氫潛勢(P)有
0.349mmole-H2/day。
可看出實際產氫最好的＊2 組(pH=5.0)，微生物於生長代謝過程之初期所發 生的遲滯期λ約有 1.59 天，並由 Gompertz equation 迴歸模式計算求得最大 反應速率 Rm 值為 0.0987 mmole-H2/day，最大反應速率 Rm 也是最佳的，最後進 入微生物之穩定階段而得到最終之累積產能潛勢 P 值為 1.177 mmole-H2/day，
產氫潛勢也是最佳的，而由此 Gompertz equation 迴歸分析計算最後可求得實 際產氫(y)為 0.911 mmole-H2/day，產氫潛勢(P)與實際產氫(y)之模擬數值相近。
表4-32 油菜及油菜籽粕不同起始pH批次產氫試驗Gompertz equation
＃1(4.50) 0.00617 0.011 0.0617 0.0731 0.999
＃2(5.00) 0.384 1.84 2.27 2.38 0.995
＃3(5.25) 0.468 4.27 1.98 1.88 0.999
＃4(5.50) 0.317 1.92 1.91 1.81 0.994
＃5(6.00) 0.207 0.893 1.901 1.48 0.946
＃6(6.50) 0.149 -1.36 1.74 1.37 0.979
＃7(7.00) 0.249 0.752 2.39 1.78 0.632
＃8(空白) 0.0526 0.841 0.501 0.351 0.897 油菜
＊1(4.75) 0.0554 4.34 0.349 0.518 0.894
＊2(5.00) 0.0987 1.59 1.177 0.911 0.815
＊3(5.25) 0.0613 -2.91 0.807 0.649 0.873
＊4(5.50) 0.0553 -2.21 0.692 0.547 0.878
二、油菜及油菜籽粕不同基質批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸分析 由表 4-33 不同基質批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸分析結果顯示，
模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＃1 組(油菜籽粕)，0.768mmole-H2為最大；
其次是＃3 組(豆粕)，最大產氫速率(Rm)為 0.278mmole-H2；最差為＃2 組(大豆)，
最大產氫速率(Rm)為 0.00595mmole-H2。模擬所得各組之遲滯期最短的是＃2 組 (大豆)約為-5.18 天，遲滯期最長的為＃1(油菜籽粕)約為 4.71 天。模擬所得各 組之產氫潛勢(P)最好為＃1 組(油菜籽粕)有 2.37mmole-H2，其次為＃3 組(豆粕)，
產氫潛勢(P)有 1.74mmole-H2，最差為＃2 組(大豆)，產氫潛勢(P)有 0.0927mmole-H2。 可看出實際產氫最好的＃1 組(油菜籽粕)，微生物於生長代謝過程之初期所 發生的遲滯期λ約有 4.71 天遲滯期也是最長的，由此可得知水解菌＋醱酵產氫 菌是需要較長的遲滯期才可以發揮微生物的功效。並由 Gompertz equation 迴歸 模式計算求得最大反應速率 Rm 值為 0.768 mmole-H2，最後進入微生物之穩定階 段而得到最終之累積產氫潛勢 P 值為 2.37 mmole-H2，產氫潛勢為最佳，而由此 Gompertz equation 迴歸分析計算最後可求得實際產氫(H)為 2.17 mmole-H2，產 氫潛勢(P)與實際產氫(H)之模擬數值相近。
表4-33不同基質批次產氫試驗Gompertz equation 迴歸分析結果 試驗三
＃1(油菜籽粕) 0.768 4.71 2.37 2.17 0.995
＃2(大豆) 0.00595 -5.18 0.0927 0.0724 0.999
＃3(豆粕) 0.278 4.35 1.74 1.041 0.996
＃4(甘蔗渣) 0.0379 -1.47 0.4425 0.362 0.997
＃5(葵花籽粕) 0.1621 4.10 1.29 0.484 0.881
三、油菜及油菜籽粕不同水解菌/醱酵產氫菌配比批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸分析
(一)油菜籽粕 Gompertz equation 迴歸分析
由表4-34不同水解菌/醱酵產氫菌配比批次產氫試驗之Gompertz equation 迴歸分析結果顯示，模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＃3組(水解菌/醱酵產 氫菌配比為1/4)，0.698 mmole-H2為最大；其次是＃4組(水解菌/醱酵產氫菌配 比為1/3)，最大產氫速率(Rm)為0.588 mmole-H2；最差為＃6組(水解菌/醱酵產 氫菌配比為0/6)，最大產氫速率(Rm)為0.213 mmole-H2。模擬所得各組之遲滯期 最短的是＃5組(水解菌/醱酵產氫菌配比為2/3)約為3.41天，遲滯期最長的為＃
3(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/4)約為4.47天。模擬所得各組之產氫潛勢(P)最好 為＃4組(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/3)有2.87mmole-H2，其次為＃3組(水解菌/
醱酵產氫菌配比為1/4)產氫潛勢(P)有2.56mmole-H2，最差為＃1組(水解菌/醱酵 產氫菌配比為0/6)產氫潛勢(P)有1.48mmole-H2。
可看出實際產氫最好的＃3組(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/4)，微生物於生 長代謝過程之初期所發生的遲滯期λ約有4.47天，並由Gompertz equation 迴 歸模式計算求得最大反應速率Rm 值為0.698 mmole-H2，最大反應速率Rm為最 佳，最後進入微生物之穩定階段而得到最終之累積產氫潛勢P 值為2.56
mmole-H2，而由此Gompertz equation 迴歸分析計算最後可求得實際產氫(H)為 2.42 mmole-H2。綜合上述結果可得知，產氫潛勢(P)與實際產氫(H)之模擬數值 相近。
(二)油菜 Gompertz equation 迴歸分析
由表4-34不同水解菌/醱酵產氫菌配比批次產氫試驗之Gompertz equation 迴歸分析結果顯示，模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＊2組(水解菌/醱酵產 氫菌配比為1/4)，0.102 mmole-H2為最大；其次是＊3組(水解菌/醱酵產氫菌配 比為1/3)，最大產氫速率(Rm)為0.0679mmole-H2；最差為＊1組(水解菌/醱酵產 氫菌配比1/5)，最大產氫速率(Rm)為0.0599 mmole-H2。模擬所得各組之遲滯期
最短的是＊1組(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/5)約為-2.02天，遲滯期最長的為
＊2(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/4)約為1.19天。模擬所得各組之產氫潛勢(P) 最好為＊2組(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/4)有0.919mmole-H2，其次為＊3組(水 解菌/醱酵產氫菌配比為1/3)產氫潛勢(P)有0.631mmole-H2，最差為＊1組(水解菌 /醱酵產氫菌配比為1/5)產氫潛勢(P)有0.582mmole-H2。
可看出實際產氫最好的＊2組(水解菌/醱酵產氫菌配比為1/4)，微生物於生 長代謝過程之初期所發生的遲滯期λ約有1.19 天，並由Gompertz equation 迴 歸模式計算求得最大反應速率Rm 值為0.102 mmole-H2，最後進入微生物之穩定 階段而得到最終之累積產氫潛勢P 值為0.919 mmole-H2，而由此Gompertz equation 迴歸分析計算最後可求得實際產氫(H)為1.17 mmole-H2。綜合上述結 果可得知，產氫潛勢(P)與實際產氫(H)之模擬數值相近。
表4-34 油菜及油菜籽粕不同水解菌/醱酵產氫菌配比批次產氫試驗 Gompertz equation 迴歸分析結果
試驗四
＃1(0/6) 0.213 3.65 1.48 0.906 0.994
＃2(1/5) 0.261 3.94 1.74 1.05 0.998
＃3(1/4) 0.698 4.47 2.56 2.42 0.999
＃4(1/3) 0.588 4.04 2.87 2.31 0.999
＃5(2/3) 0.451 3.41 2.25 2.21 0.990
＃6(2/2) 0.303 3.46 2.14 1.37 0.998 油菜
＊1(1/5) 0.0599 -2.02 0.582 0.738 0.885
＊2(1/4) 0.102 1.19 0.919 1.17 0.990
＊3(1/3) 0.0679 -1.63 0.631 0.812 0.855
四、油菜及油菜籽粕不同混合菌/基質配比批次產氫試驗之 Gompertz equation 迴歸分析
(一)油菜籽粕 Gompertz equation 迴歸分析
由表4-35不同混合菌/基質配比批次產氫試驗之Gompertz equation迴歸分 析結果顯示，模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＃4組(混合菌/基質配比為 1/3)，0.455 mmole-H2為最大；其次是＃5組(混合菌/基質配比為2/3)，最大產 氫速率(Rm)為0.344mmole-H2；最差為＃1組(混合菌/基質配比為0/6)，最大產氫 速率(Rm)為0.012 mmole-H2。模擬所得各組之遲滯期最短的是＃1組(混合菌/基 質配比為)約為-14.02天，遲滯期最長的為＃4(混合菌/基質配比為1/3)約為 3.21天。模擬所得各組之產氫潛勢(P)最好為＃4組(混合菌/基質配比為1/3)有 2.25mmole-H2，其次為＃3組(混合菌/基質配比為1/4)產氫潛勢(P)有
2.21mmole-H2，最差為＊1組(混合菌/基質配比為0/6)產氫潛勢(P)有 0.294mmole-H2。
可看出實際產氫最好的＃4組(混合菌/基質配比為1/3)，微生物於生長代謝 過程之初期所發生的遲滯期λ約有3.21天，並由Gompertz equation 迴歸模式 計算求得最大反應速率Rm 值為0.455 mmole-H2，最大反應速率Rm為最佳的，最 後進入微生物之穩定階段而得到最終之累積產氫潛勢P 值為2.25 mmole-H2，而 由此Gompertz equation 迴歸分析計算最後可求得實際產氫(H)為2.27
mmole-H2。綜合上述結果可得知，產氫潛勢(P)與實際產氫(H)之模擬數值相近。
(二)油菜 Gompertz equation 迴歸分析
由表4-35不不同混合菌/基質配比批次產氫試驗之Gompertz equation迴歸 分析結果顯示，模擬所得各組之最大產氫速率(Rm)以＊2組(混合菌/基質配比為 1/3)，0.116 mmole-H2為最大；其次是＊1組(混合菌/基質配比為1/4)，最大產 氫速率(Rm)為0.0751mmole-H2；最差為＊3組(混合菌/基質配比為1/4)，最大產 氫速率(Rm)為0.0751 mmole-H2。模擬所得各組之遲滯期最短的是＊1組(混合菌/
基質配比為1/4)約為-1.52天，遲滯期最長的為＊2(混合菌/基質配比為1/3)約
為0.62天。模擬所得各組之產氫潛勢(P)最好為＊2組(混合菌/基質配比為1/3)有 1.261mmole-H2，其次為＊1組(混合菌/基質配比為1/4)產氫潛勢(P)有
0.889mmole-H2，最差為＊3組(混合菌/基質配比為2/3)產氫潛勢(P)有
0.821mmole-H2。可看出實際產氫最好的＊2組(混合菌/基質配比為1/3)，微生物 於生長代謝過程之初期所發生的遲滯期λ約有0.62天，並由Gompertz equation 迴歸模式計算求得最大反應速率Rm 值為0.116 mmole-H2 ，最後進入微生物之穩
0.821mmole-H2。可看出實際產氫最好的＊2組(混合菌/基質配比為1/3)，微生物 於生長代謝過程之初期所發生的遲滯期λ約有0.62天，並由Gompertz equation 迴歸模式計算求得最大反應速率Rm 值為0.116 mmole-H2 ，最後進入微生物之穩