第一章 緒 論
第一節 研究背景與動機
第一節 研究背景與動機
隨著經濟的發展，能源需求也愈來愈龐大，溫室效應等相關環境議題抬頭，
讓全球更重視化石能源對於環境的衝擊，根據英國石油公司於2008 年預估世界 石油蘊藏量只能再開採40 年，天然氣可再採60 年，煤炭可再採133 年。除此之 外，受到全球能源供應吃緊的影響，再生能源的推動更為受到重視，因此先進國 家莫不積極投入大量的資金與建構完善的法制來推動的再生能源研究。再者使用 化石燃料對生態環境亦帶來相當大的衝擊，燃燒化石燃料大量排放廢氣，造成全 球暖化、酸雨與煙塵…等問題。為維護地球的永續發展，聯合國氣候變化綱要公 約締約國在1997 年擬定「京都議定書」主要是要求降低溫度效應氣體的排放量，
其中二氧化碳為其最主要的管制項目，而CO2 的排放與高度使用化石能源有密切 關聯，因此人類如何有效改進傳統化石能源的使用方式，成為人類能源使用能否 永續的重要發展方向。
由於過度使用化石燃料導致全球暖化，世界各國積極發展再生能源技術，以 解決日漸吃緊的能源及暖化問題，各國近年來極力開發生質能源，以厭氧醱酵產 氫技術最具有發展潛力，而生質能源技術之一以農業廢棄物作為產氫的基質，不 僅可以達到農業廢棄物再利用的目的也可以獲得有價值的氫氣能源，被視為最值 得發展的生質能源技術之一。而行政院於98 年7 月通過「再生能源發展條例」，
對再生能源定義為太陽能、風能、地熱、海洋能、水力能及生質能，或其他經中 央主管機關認定可永續利用之能源。在眾多再生能源技術中，生質能是最被廣泛 使用的能源，其中燃料酒精、生質柴油及生質氣體是最具有市場潛力々在燃料酒 精方面，目前農委會規劃以糖份或澱粉質高的農業作物作為主要來源，以澱粉酵 母或酵素將澱粉質轉化為酒精，再以純化分離技術生產燃料酒精々在生質柴油部 份，以高油份豆類（如大豆、油菜籽…等炸油）加以轉酯化為生質柴油々而第三
微生物進行厭氧醱酵產能極具發展潛力，因為不僅僅能產能且能去除有機廢棄物 達到資源化目的。目前主要可回收使用的生質氣體有氫氣及甲烷々在氫氣方面，
以厭氧醱酵產氫最具有發展潛力。目前多以使用有機污染物（如有機廢水、污泥、
稻稈、蔗渣等）再利用來產能的技術被視為最值得重視及發展潛力的生質能源技 術。就長期能源發展的展望而言，雖然現階段化石能源及核能還是必要的選擇，
當未來出現價格合理、可穩定供應、乾淨、低社會成本的新能源或再生能源時，
將建立「低碳」及「無碳」的無污染能源使用的環境為目標。
農業廢棄物作為能源再利用，如〆稻桿、米糠、廚餘等，可經由水解、醱酵 產氫反應過程產能回收能源，例如〆林建勝（2006）研究中使用廚餘當作基質最 高的產氫量有96.4±37.9 mL H2/g VSSin々曾智鉉（2006）研究所使用酒廠廢酒糟 及污水處理廠廢棄物污泥作為混合基質最佳的產能效率有811 cal/ g-COD々郭倍甄
（2007）研究中所使用米糠及污水處理廠廢棄物污泥作為混合基質最佳產能效率 有1,526 cal/g-COD々黃倩毓（2008）研究中所使用油菜籽粕及油菜為能源作物基 質，最高的油菜籽粕產氫率，達到1.14 mmole H2/g-CODin々謝孟宏（2010）研究 中使用農業廢棄物稻殼為基質，最佳產氫率達到1.01mmole H2/g-CODin。
以農作物之殘餘物作為能源作物也越來越普遍，將是未來產能的趨勢。而農 業廢棄物大多是固體或半固體物，因含大量的纖維素、半纖維素及木質素等成 分，相當難以分解，所以利用能夠分解纖維素的菌種將農業廢棄物中的纖維素以 及木質素等成分分解成為較小的分子，以利Clostridium產氫菌所利用產氫々可以 將纖維素、木質素分解菌種如〆Geobacillus、Bacillus及Clostridium 等菌屬的特 定菌株，在兼氣到厭氧環境下，有效的裂解纖維素及木質素。在而根據許景富、
賴俊卲、周嘉弘（2003）的文獻及最近的研究顯示，有些能力強的cellulose、木 質素分解菌種，如Geobacillus、Bacillus 及Clostridium 等菌屬特定菌株，可以在 兼氣到厭氧的環境下，採取不穩態的操作模式，可以有效的裂解cellulose及木質 素。厭氧狀態下，利用本研究室先前從台中市黎明污水處理廠終沉池底泥所馴養 的Clostridium 為產氫菌種搭配純種水解菌種（兼氣菌）組成反應菌液，以農業廢
棄物花生殼作為基質，於厭氧的環境下經水解菌的水解及Clostridium 醱酸反應過 程得以回收H2 能源。而根據黃介辰（2007）的研究指出水解菌與加醱酵產氫菌共 培養在微氧的環境狀態下，有很好的水解纖維素基質，並加以產氫特性。
本研究將利用農業廢棄物花生殼作為基質產能量之作物，由於台灣整年花生 之種植面積約2.25 萬公頃，年產量約5.50 萬噸，產生大量的農業廢棄物花生殼，
不僅能處理農業廢棄物也達到資源化目的，所以本研究將選定花生殼作為產能基 質 ， 並 從 新 竹 食 品 工 業 發 展 研 究 所 生 物 資 源 保 存 及 研 究 中 心 （ Bioresource Collection and Research Center，BCRC）所購買之3 株Bacillus 水解菌種，從3 株 水解菌種中找出能有效分解花生殼纖維素的菌種，作為本研究實驗中水解部分的 菌種，再搭配本研究室所馴養的Clostridium 醱酵產氫菌，先行水解基質成為較小 的分子，可以有效的被Clostridium 產氫菌所利用產氫。因為農業廢棄物含有大量 的纖維素質等，如果可以找到有效水解農業廢棄物的菌種及方法，可以提升能源 作物被醱酵產氫菌所利用而產生更多的能源。也可以解決農業廢棄物以及增加再 生能源產量。
故本研究主要目的先以批次詴驗來先期評估花生殼用於產氫的可行性及探 討最佳產能操作條件，包括〆最佳水解菌篩選、不同起始pH值、不同的基質濃度 批次詴驗，以瞭解最佳產氫操控條件。由於花生殼為固形物，相當難以分解，必 頇先使用水解菌加以水解，所以又以不穩態操作分離式（前段水解SBR ＋後段 醱酵產氫CSTR 反應槽）反應槽來進行厭氧產氫詴驗。並以批次詴驗結果為基 礎，之後將以好氧循序批次反應槽（Sequencing Batch Reactor, SBR）來進行連續 流詴驗，而SBR 主要運作的特性為反應槽中均以時間控制器以控制每一個循環 操作的廢水生物處理程序，為能有效截留菌體量，仍以懸掛式活性碳棉作為固定 化菌體之介質。而本研究選用SBR 來進行連續流詴驗來了解最佳水解菌種、最 佳操作條件、不同進流基質在好氧狀況對SBR 產氫之影響，瞭解花生殼為基質 之產氫的比較，作為產氫相關研究及後續研究者的參考依據。