各種能源作物之最佳水解菌種批次試驗

第四章結果與討論

第一節各種能源作物之最佳水解菌種批次試驗

能源作物可經由水解、醱酵產氫等反應以回收H2能源，其中又以大豆、向日葵、油菜、甘蔗等較適合台灣氣候及土質，值得開發利用（經濟部能源局，2006）。能源作物基質因為含有豐富的纖維素，使得醱酵產氫菌難以利用，但纖維素若先經水解菌分解反應後，其分解產物如油菜籽粕、豆粕等能源作物基質可被加以利用達到好的產氫效果。

所以本試驗選出5種能源作物，分別為:油菜籽粕、大豆、豆粕、甘蔗渣、葵花耔粕做為本研究的能源作物基質，在以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4株35℃的水解菌為菌種，了解何種水解菌種能有效水解何種能源作物基質。

因產氫反應過程中，把水解菌加入反應血清瓶，水解菌將固體基質先轉成較 小的分子，此階段因水解反應使溶解性COD增加；緊接著醱酵產氫菌利用溶解性 COD經由產酸反應而產氫，此時溶解性COD在被利用過程中逐漸減少，同時會累積 產生揮發酸及H2。因此本研究中衡量水解反應效果好壞，主要是以溶解性COD的增 加量作為判斷的依據。而產氫反應效果好壞，除直接以產氫率的高低作判斷的依 據，也可以利用溶解性COD去除率及揮發酸增加量來作衡量的依據。本文以下，

就上述標準作為衡量的指標。

本試驗一是將 5 種能源作物油菜籽粕、大豆、豆粕、甘蔗渣、葵花籽粕搭配 4 種 35℃的水解菌種 Bacillus subtilis(A)、Bacillus subtilis(B)、Bacillus subtilis(C)、

Clostridium cellulolyticum，總共 20 組，每一組 2 重覆試驗，除甘蔗渣 COD 濃度為 10,000mg/L 因為甘蔗渣難溶於水外，其於能源作物基質之 COD 濃度配成

20,000mg/L，培養箱溫度控制在 35℃，以水解菌種/能源作物基質水溶液之配比為 1/3(總體積＝100 ml)作為基礎進行試驗，並每隔 3 天分析反應瓶中的總 COD、

溶解性 COD、揮發酸等濃度之變化，試驗結果以溶解性 COD 增加率及去除率、揮發酸增加率為篩選標準，了解各種的能源作物被水解的效果，加以篩選各種能源作物基質之最佳水解菌種。表 4-1 為各能源作物搭配水解菌的總 COD 去除率、溶解性 COD 增加率及去除率、揮發酸增加率等數據分析。

從圖 4-1 可以看出能源作物搭配水解菌種的總 COD 反應變化，試驗初期到第 10 天總 COD 殘存率(C/Co)快速下降，試驗第 11 天之後總 COD 變化趨於平緩下降速度變慢，第 32 天之後總 COD 漸趨穩定。圖 4-2 能源作物搭配水解菌種的溶解性 COD 反應變化，能源作物基質因為被水解菌分解成較小的分子所以初期的溶解性 COD 是增加的，而試驗初期到第 4 天溶解性 COD 一直往上增加到試驗第 5 天就

表4-1 能源作物為各種水解菌分解後總COD、溶解性COD、揮發酸濃度變化情

Clostridium (A) 41.1 45.4 76.3 1390

Bacillus (A) 47.9 55.7 86.6 2000

Bacillus (B) 19.8 54.3 80.1 1720

Bacillus (C) 1.81 20.5 57.0 1730 大豆

Clostridium (A) 36.6 3.44 87.9 960

Bacillus (A) 14.2 51.8 51.8 1020

Bacillus (B) 11.1 25.7 31.7 1890

Bacillus (C) 8.16 51.6 6.6 1540

豆粕

Clostridium (A) 25.4 24.1 70.9 560

Bacillus (A) 43.8 25.0 48.4 1210

Bacillus (B) 38.5 22.7 36.0 1710

Bacillus (C) 40.9 2.29 71.2 1580

甘蔗渣

Clostridium (A) 0.91 2.00 14.0 250

Bacillus (A) 1.94 6.66 51.6 2300

Bacillus (B) 1.01 10.4 5.81 1950

Bacillus (C) 3.81 42.8 4.28 3280

葵花籽粕

葵Clostridium (A) 13.2 27.7 68.8 450

葵 Bacillus (A) 11.2 7.05 82.3 850

葵 Bacillus (B) 18.1 1.08 64.0 2280

葵 Bacillus (C) 17.2 2.35 77.6 1450

油Clostridium (A) 油Bacillus (A) 油Bacillus (B) 油Bacillus (C) 大Clostridium (A) 大Bacillus (A) 大Bacillus (B) 大Bacillus (C) 豆Clostridium (A) 豆Bacillus (A) 豆Bacillus (B) 豆Bacillus (C) 甘Clostridium (A) 甘Bacillus (A) 甘Bacillus (B) 甘Bacillus (C) 葵Clostridium (A) 葵Bacillus (A) 葵Bacillus (B) 葵Bacillus (C)

圖 4-1 各種水解菌種分解各種能源作物之總 COD 濃度變化圖註:1.油:油菜；大:大豆；豆:豆粕；甘:甘蔗渣；葵:葵花籽粕

2.除甘蔗渣之 C0濃度為 10,000mg/L 外，各種能源作物之 C0濃度為 20,000mg/L，C 為每日隨反應變化之總 COD 濃度

圖 4-2 各種水解菌種分解各種能源作物之溶解性 COD 濃度變化圖註:1.油:油菜；大:大豆；豆:豆粕；甘:甘蔗渣；葵:葵花籽粕

2.各種能源作物溶解性 COD 起始濃度為 C⁰，C 為隨每日反應

停止無法再增加，試驗第 6-8 天溶解性 COD 濃度開始下降，第 15 天之後溶解性 COD 濃度減少趨勢漸趨平緩。從圖 4-3 能源作物為水解菌種分解後，所產出的揮發酸反應變化情形，試驗第 5-10 天揮發酸增加量最大，而溶解性 COD 的增加量是在試驗初期到第 5 天，所以增加到最高之後發現揮發酸在試驗第 5 天開始明顯大量增加到第 10 天，試驗第 30 天之後揮發酸微量增加漸漸平緩穩定。

以表 4-1 各個能源作物基質之 COD 濃度為 20,000mg/L、甘蔗渣 10,000mg/L 的時後，以何種水解菌種分解時，水解效果最佳的一組為，油菜籽粕以 Bacillus subtilis(A)分解時，總 COD 去除率為 47.9％、溶解性 COD 增加率為 55.7％、溶解性 COD 去除率為 86.6％、揮發酸濃度從 600mg/L 到試驗結束為 2600mg/L，濃度 增加量為 2000 mg/L 有最好的水解效果。大豆以 Bacillus subtilis(A)分解時，總 COD 去除率為 8.16％、溶解性 COD 增加率為 51.8％、溶解性 COD 去除率為 87.9％、

揮發酸濃度從 480mg/L 到試驗結束為 2200mg/L，濃度增加量為 960 mg/L 有最好 的水解效果。豆粕以 Bacillus subtilis(A)分解時，總 COD 去除率為 14.2％、溶解性 COD 增加率為 25.0％、溶解性 COD 去除率為 48.4％、揮發酸濃度從 1080mg/L 到試驗結束為 2290mg/L，濃度增加量為 1210 mg/L 有最好的水解效果。甘蔗渣以 Bacillus subtilis(C)分解時，總 COD 去除率為 3.81％、溶解性 COD 增加率為 42.8

％、溶解性 COD 去除率為 4.28％、揮發酸濃度從 900mg/L 到試驗結束為 4180mg/L，

濃度增加量是 3280 mg/L。葵花粕以Clostridium(A)分解時，總 COD 去除率為 13.2

％、溶解性 COD 增加率為 27.7％、溶解性 COD 去除率為 68.8％、揮發酸濃度從 1200mg/L 到試驗結束為 1650mg/L，濃度增加量為 450 mg/L 有最好的水解效果。

由試驗結果我們可以得知除了甘蔗渣搭配 Bacillus subtilis(C)及葵花籽粕搭配 Clostridium(A)有最好的水解效果，其他 3 種能源作物油菜籽粕、大豆、豆粕、

都是搭配 Bacillus subtilis(A)時有最好的水解效果。又以油菜籽以 Bacillus

subtilis(A)分解有最佳的水解效果，溶解性增加量最多可以利於醱酵產氫菌所利用

提高產氫效果，所以本研究將利用 Bacillus subtilis(A)作為後續研究的水解菌種。

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圖 4-3 各種水解菌種分解各種能源作物之揮發酸濃度變化圖註: 油:油菜；大:大豆；豆:豆粕；甘:甘蔗渣；葵:葵花籽粕

在文檔中油菜及油菜籽粕之厭氧產氫可行性研究 (頁 91-98)

第四章 結果與討論

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