固定化生物反應器

固定化技術應用於工業早已行之有年，舉凡食品、醫藥、廢水處理等工 業皆早已廣泛應用由來已久，由於製程成本及經濟效益之考量，遲至 1990 年初期才有被應用於廢水處理之實廠應用案例。固定化技術最早始於 1970 年代，由日本科學家千畑(Dr. Chibata)博士定義為「利用物理或化學方法將 酵素/微生物細胞封閉或限制在某特定空間區域內，而仍能保留其生化活 性，且可反覆連續使用的技術。」，然而固定化技術經過多年的應用後發展 出幾種典型之應用類型可區分如下圖2.7 所示：

圖2.7 固定化技術一般分類法(引自陳國誠等著”生物固定化技術與應用”，

2000)

目前工業應用之固定化方法大致可分成六大類，分別為物理吸附(Chen et al., 2007)、共價鍵結(Derwinska et al., 2008, Shriver-Lake et al., 2002)、離 子鍵結、交聯(Zhang et al., 2008)、包埋(Chen et al., 2005)、微膠囊包覆法共 六種。

物理吸附法(physical adsorption method)即是使用物理作用力(van der 固定化酵素或完整菌體細胞

擔體鍵結法 交聯法

物理吸附法 離子鍵結法 共價鍵結法

包埋法

格 子 型 微 膠 囊

walls force)及其他作用力(如 hydrogen bridges, ionic bond)將細胞固定於擔體 上，此方法由於操作簡便，因此常被廣泛使用，但吸附法之最大缺點為吸 附結合力很弱，被吸附固定之細胞易受溫度、離子及基質濃度等變化而脫 落。如澱粉(starch)、活性碳(activated carbon)、矽膠(silica gel)等材料均為常 用之擔體材料(陳，2000)，由於物理性吸附法之製備程序簡便，且菌體具代 謝能力可長期被重複使用，因此較利於應用至工業廢水處理，而將微生物 以物理性吸附附著於擔體上，處理工業廢水較其他物理化學方法更為便宜 而且效率高，且不易造成二次污染等問題。

共價鍵結法(covalent binding method)係指生物觸媒之間的結合或是生物 觸媒與擔體之直接結合，此方法鍵結結合堅固，固定化後酵素及菌體細胞 不易從擔體上脫落，且可提升基質與酵素或菌體細胞、產物的接觸性及移 動性等優點。但在進行固定化程序時，易造成酵素結構改變而導致活性喪 失及擔體通常無法再生使用等缺點 (陳，2000)。

離子鍵結法(Ionic binding)則是藉由擔體與生物觸媒間因相反電荷所形 成之靜電吸引力(electrostatic attraction)來達固定化之目的，離子鍵結法之固 定化程序與物理性吸附法同樣操作簡易，但較物理性吸附更為牢固，且擔 體也可連續再生利用且固定化前不需修飾酵素，為良好之固定化方式之 一。雖然離子鍵結較物理吸附牢固，但仍具部分缺點，為防止菌體細胞或 酵素自載體上脫落，因此必須維持系統之離子強度(ionic strength)、pH 值、

溫度及適當之緩衝液等操作條件，以維持良好的操作成效 (陳，2000)。

交 聯 法(Cross-linking) 主 要 是 利 用 多 官 能 基 反 應 劑 (multi-functional regents)與酵素或菌體細胞相互交聯結合，形成不溶性巨大分子凝聚物 (insoluble aggregates)，交聯法之固定化程序相當簡易，若需以膠體聚合物作 為擔體則需注意，由於膠體聚合物並非十分堅固，並不太適合將其應用於 填充床(packed beds)反應器。而且由於擴散阻力，將使基質無法進入聚合物 內部，而對生物觸媒活性造成影響，且交聯劑與菌體細胞之比例與反應溶 液之pH 值等操作條件將對固定化之生化活性會造成影響 (陳，2000)。

包埋法(Entrapment)亦為另一常用之固定化方法，包埋法係將細胞包埋於 天然或合成之高分子載體基材(matrix)格子內部，為了確定被包埋的細胞之 正常生化功能，必須確保基質與產物能自由進出通過載體，但載體之空隙 又不可過大以防止細胞流失。利用此方法進行固定化時，可避免細胞從擔 體內部漏失之缺點，可說是目前最有效之細胞固定化方法之一。但細胞固 定於膠體中，因此不具有新陳代謝能力造成細胞活性降低，因而無法再次 循環使用，且所需之製備時間較長而實際操作時間較短，基於經濟可行性 考量不利大量使用在廢水工業 (陳，2000)。如陳(Chen et al., 2005)則以褐藻 膠(calcium alginate, CA)與聚丙烯醯胺(polyacrylamide, PAA)作為載體(matrix) 包埋固定偶氮染料脫色菌株(Pseudomonas luteola)，並將載體填充於管柱中 以固定化連續流方式探討於不同管柱長度、進料流速以及不同染料濃度模

擬應用於實廠整治時對處理效果之影響。

微 膠 囊 包 覆 法(Microencapsulation) 又 可 分 為 界 面 聚 合 法 (Interfacial polymerization)及液體乾燥法(liquid drying method)兩種類型 (陳，2000)。

而一般應用於廢水處理之微生物系統通常可分為懸浮式生長系統及固 定化生長系統兩大類，懸浮式系統為一般最常見的廢水生物處理系統，利 用懸浮式之微生物菌群以不同的操作方式進行廢水處理。而將固定化系統 應用於廢水處理中，亦是將工業固定化之六大類方法(圖 2.7)衍伸應用之例 子；延續工業固定化之觀念，將微生物限制在固定的空間內使微生物附著 於擔體表面形成生物膜(biofilm)形式(類似於物理性吸附)，或將微生物包埋 於擔體內形成生化觸媒(biocatalysts)之形式(類似於格子型包埋法)，而固定 化之過程又可分為自然發生之自然固定化及人為產生之人工固定化兩類，

自然固定化是指在人為提供的適當環境下(如本研究所使用之珊瑚擔體及 LB 基質)，微生物自然附著(attachment)或凝集(aggregation)於擔體表面或多 孔性擔體內部成長而形成生物膜，這類生物膜可應用於好氧系統(如旋轉生 物圓盤法、流體化床等)中，亦常見於厭氧系統中(如上流式厭氧污泥床等)。

人工固定化系統是指利用人工方式將具活性之微生物固定於擔體表面或內 部而形成的生化觸媒，如前述之包埋法(圖 2.7)即為人工固定化系統中最常 使用之方法。

而綜合上述各項固定化方式，可歸納出下列幾項優點：

─ 顯著提高生物質量濃度，亦即於有限空間內具良好之處理效果

─ 增加程序穩定性，可減少環境些微擾動(如：溫度)所造成之效能差異

─ 對抗環境衝擊之容忍力，有利於工業處理效能之穩定性(如：抵抗 shock loading 之容忍力)

─ 承受較高處理能力，可歸因於良好之程序穩定性以促成較高處理能力

─ 可再次利用，可持續循環進料，免去工業處理之洗槽清理不便

─ 利於低生長相關性之產程

而本研究主要為模擬實廠應用之可能性，因此使用之固定化方式為自然 固定化系統(近似於物理性吸附法)，將以天然基材─珊瑚石(Porites corals) 作為載體，利用珊瑚石天然形成之高密度孔洞提高微生物自然附著或凝集 效果，以提高固定化床之穩定度。若將陳(Chen et al., 2005)所使用之固定化 包埋法與本研究所使用之自然固定化系統相比較優缺點(表 2.2)，則可發現 由於包埋法不具新陳代謝之能力，因此菌體活性及再次使用之可能性較 低，但包埋法之製備時間較短，因此菌體受污染之可能性較低，且菌體固 定效果較佳，但亦由於包埋法不具新陳代謝能力，因此導致操作時間減少，

而自然固定化系統雖製備時間較長且菌體固定效果較不穩定，因此未來應 用在於河塘工程或工廠現地或現場廢水生物處理上之可能性則較高。

表2.2 自然固定化系統及格子型包埋法應用於廢水處理之可行性 經濟

效益

菌體 活性

製備 時間

污染 風險

河塘 工程

再次 使用

固定 效果

操作 時間 自然固

定化 優 高 長 普 可 可 普 較長 格子型

包埋 優 普 短 較低 否 否 優 較短