第一節 研究背景與動機
從工業革命到現今科技發展的過程中，種種衝擊對地球環境產生極大影響，
其中包括工業廢棄物、環境污染（包括空氣、水、土壤、噪音等污染），使得環 保意識逐漸受到重視，人們對於環境保護觀念與態度亦日趨成熟，因此減少能源 消耗與開發低污染技術被視為科技發展的首要目標。所以，世界各地的科學家們 不斷積極地尋求各種產能方法，而當前最具潛力且新穎的產能方式，即為微生物 燃料電池（Microbial Fuel Cell, MFC）（Du et al., 2007）。
MFC為一電化學系統，藉由微生物於分解污染物過程中，將化學能轉換成電 能，不僅能去除污染物，更能產生電能此技術，不僅符合乾淨、有效率且安靜的 電力來源，更對於能源供應提供了一種新的產生方法，亦在環境保護的工作上給 未來新科技的誕生作了一個最佳的模範。
根據相關研究報告指出，MFC同時具有處理廢水及產生能源的潛力（Liu et al., 2004a）。因此，如果能充分利用廢水中微生物降解有機物質的特性，將其轉 換為可利用之能源，不僅可節省污水處理成本，甚至還可以提供做為其他之用途。
但一般而言廢水生物處理的過程中，微生物生化反應及廢水成份皆相當複雜，其 中包含微生物、有機物及無機物等，操作前都必需經過篩選或試驗才能達到良好 的處理效果。倘若，想要了解其中變化和對MFC產電效率的探討與預測，單純藉 由模式模擬預測將容易導致結果誤差，因此，進行模廠試驗不僅可以節省實廠試 驗所耗費的成本與時間，亦可降低數學模式模擬之誤差，甚至作為模式模擬之基 礎（Pai et al., 2003a; Pai, 2007a; Pai et al., 2007b; Pai et al., 2007c; Pai, 2008a; Pai et al., 2008b; Pai et al., 2009a; Pai et al., 2010a; Pai et al., 2010b; Pai et al., 2010c; Pai et al., 2011; Pai et al., 2013）
目前，MFC於新興能源之應用，其產電性能仍受限於開發成本過高與技術不 足等考量；其中，操作條件占其重要之因素，包含微生物菌種、基質碳源特性、
溫度、溶氧、酸鹼值、基質轉換率、有機負荷、水力停留時間以及污泥停留時間 等（Park and Zeikus, 2002; Rabaey et al., 2005; Mohan et al., 2008）。
此外，有鑑於當前的研發技術每秒僅能產生毫安培至微安培等級的電流，亦 無法正常供應每日所需之電力，因此瞭解微生物能量轉換過程中，電子傳遞的關 鍵，以增強電流之輸出，成為MFC研究所致力的方向之一，但當前對於MFC系統 微生物能量轉換的研究，仍舊相當缺乏（Liu et al., 2010）。
第二節 研究目的
本研究採用自行研發設計有效體積為 1L 之圓筒雙槽式 MFC 進行試驗，探討 添加不同醱酵產物對微生物產電之影響；以不銹鋼網作為陰、陽極材料，兩槽體 間以質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）區隔，菌種於固定條件（蔗 糖基質為濃度 20,000 mg COD/L、pH 6.8 ± 0.5，溫度 30 ± 1 ℃）中進行馴養，接 著進行未添加醱酵產物，以及添加濃度 4 g COD/L 葡萄糖和濃度 4 g COD/L 醋酸 等三項批次試驗，並觀察固定操作天數（6 天）下，MFC 產電效率之變化。
本研究主要研究目的如下：
1. 建立圓筒雙槽式 MFC 反應槽。
2. 了解相同濃度下，不同醱酵產物之化學需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）去除率。
3. 探討葡萄糖及醋酸對 MFC 產電效率之影響。
本研究之重要性及預期效益如下：
1. 國際間尚缺乏探討 MFC 系統中，微生物代謝途徑之電子釋出機制，後 續亦可藉由此研究結果調整基質操作參數，以提升 MFC 產電效率，具 有相當高的研究價值。
2. 透過 MFC 試驗，探討揮發性脂肪酸（以下簡稱揮發酸）變化之情形。
3. 提供未來對 MFC 能源開發之參考依據與評估重點。
第三節 名詞解釋
一、 微生物燃料電池 MFC（Microbial Fuel Cell, MFC）
MFC 是一種微生物電化學（bio-eletrochemical）發電的裝置。典型的 MFC 包 含陽極和陰極反應槽、質子或是陽離子交換膜以及外部電路。其產電理論由來已 久，但作為產電方式卻相當新穎，主要利用微生物作為催化劑進行能量轉換（例
如碳水化合物的代謝或光合作用等），再透過呼作用將電子傳遞至電極上，進而產
生電流。
此項技術不同於以往之廢水處理方法，不僅不需要耗費其他能源，甚至還可 利用廢水中的有機物質轉換能量，在處理廢水的同時，亦能產生電能，是一項合 乎環保的替代能源技術。
二、質子交換膜
由細菌的新陳代謝引起的電壓損失並不明顯，因為這些損失是由細菌氧化有 機物所引起的。在有機質磷酸化產生1 mole ATP 的循環中，質子為了穿過薄膜，
細菌必需擁有足夠的能量(Bruce E. Logan, 2008)。
質子交換膜在傳輸過程時，交換膜必須充滿水分子，質子則是經由中間通道 從陽極傳遞到陰極，中間通道的亞硫酸根離子-SO3- 固定不動地附著在主幹上的 側鏈，當陰極發生反應時，-SO3H 就會解離出H+ 反應成水，靠近陽極-SO3- 便會 因靜電吸引鄰近的H+，進而形成H+ 傳遞。