細胞固定化技術

近年來利用固定化技術進行廢水處理已趨盛行，因為利用固定化技術可 以提供單體做為反應槽之介質，提高懸浮固體物攔截之機會，並且擔體可提 供廣大表面積和孔隙體積做為微生物附著、增殖之空間，並可累積大量及特 定族群之生物膜微生物，有助於去除各種污染物的目的。而利用生物固定化 技術於污水處理上有以下幾項優點（林祺能，2002）。

（一）增加反應槽中污水處理微生物的濃度，可增加污水處理的效率及減少 反應槽體積。

（二）固、液分離容易，可減少沉澱池與污泥回流的設計與操作成本，提高 放流水之水質。

（三）避免生長速度較慢或特異性菌種，因其他菌種競爭而遭淘汰或流失。

（四）廢棄活性污泥量較少，約為懸浮性活性污泥法的20％~30％。

（五）選擇所需要之菌種加以固定化，減少馴養時間，達到快速啟動反應槽 的目的。

（六）擔體擴散阻力可發揮保護的的作用，增加抵抗毒性物質的能力，維持 反應器之正常操作。

二、細胞固定化方法

細胞固定化的方法種類繁多，依不同的擔體及不同的操作方法，固定化 主要分為四類：吸附固定化、包埋固定化、共價固定化、交聯固定化（沈萍，

2003）。

（一）吸附固定化：按照正、負電荷相吸的原理，酶或細胞吸附在擔體的表 面而被固定。

（二）包埋固定化：大分子的有機或無機聚合物，將酶或細胞包裹、固定在 其凝膠中。

（三）共價固定化：酶或細胞與擔體通過共價鍵而被固定。

（四）交聯固定化：酶分子或細胞上的化合物基團之間在雙功能基團交聯劑 作用下，與擔體上的化合基團相互交聯呈網狀結構而被固定。

而針對上述四種固定化技術其特性與優缺點如表2-5（陳文欽，1997）。

表2-5 各種固定化技術比較表

方法 吸附 包覆 共價鍵 交聯

特性

1.準備工作 簡單 中等 困難 中等

2.鍵結強度 弱 中等 強 強

3.菌體活性之維持 高 中等 低 低

4.擔體再生性 可再生 不可再生 稀有 不可再生

5.固定化成本 低 低 高 中等

6.穩定性 低 高 高 高

7.適用性 是 是 否 否

8.保護菌體強度 是 是 否 否

9.可行性 是 是 否 否

而利用固定化技術來進行厭氧產能最大的優點是可以增加生物污泥濃 度，避免主反應菌種被沖洗出(wash out)反應槽，但這種技術較適合用在純 種菌種之培養；而對於混合菌種之培養，較不適合，尤其在醱酵產氫反應中，

通常會以縮短水力停留時間、酸篩、熱篩等方式來篩除甲烷菌群，以提高產 氫效率，但在操作技術上是很困難，主要是因為甲烷菌會藉由固定化機制，

包藏於固定化顆粒內部而難以去除，而使得整個反應槽發生嚴重甲烷化的現 象。而利用固定化技術來進行厭氧產能的好處有（林明瑞，2003）。

1.利用萃取方法(extraction)、純化方法(purification)來分離出酵素。

2.固定化反應器，有較佳產氣效率。

3.操作穩定度高。

4.可同時進行多種酵素反應。

5.容易分離氫氣與甲烷氣。

6.適用低濃度進流水水質。

7.反應中增加污泥濃度可提高產氣速度。

Kumar (1995),Patrick (1983),Yokoi (1997)等人的研究則指出：以厭氧產氫 菌進行固定化與自由生長培養比較，自由生長培養的產氫效率（8.2 L-H2/mole -Glucose）遠低於固定化培養。再者固定化技術依材質不同、試驗方法，產能 效率也不同，以海藻(alginate)、紅磚灰（brick dust）作為固定化材質進行批次 與連續流試驗，在批次試驗中，產氫效率以brick dust者較佳；在連續反應試驗 中則以alginate有較佳的產氫效率。而Yokoi et al.（1997）以洋菜膠質和多孔玻 璃球作為固定化材料進行厭氧產氫效率之研究，結果顯示：多孔玻璃材質產 氫量比洋菜膠質佳。而固定化的技術及材質則有其不同適用條件及範圍。

而依葉明泰（2006）研究以不同擔體進行連續流產能試驗，由試驗結果 可得知，利用活性碳棉結合攪拌式反應槽，可以獲得最佳產能效率，因此本 研究將承續其研究結果，以二相式反應槽加上固定化技術（前段活性碳棉攪 拌式反應槽；後段活性碳顆粒流體化床）並以污泥與酒糟複合基質作為進流 基質來源進行連續流試驗操作。