第三章 研究方法
第一節 試驗材料與設備
一、菌種來源 (一)水解菌種
本研究採用的水解菌種，是新竹食品工業發展研究所生物資源保存及 研究中心(BCRC)所購買 3 株 Bacillus 菌種(如表 3-1、3-2)，先進行培養基先 行培養，再轉入液體培養基進行大量培養，作為水解菌種，每隔一段時間將 作轉植及生物鑑定，以確定為原來之菌種。本研究所使用的三種菌種的來源 雖然是醱酵大豆與雞肥料堆肥，就文獻指出，許多具纖維素分解之微生物，
常被檢測到出現在各種不同纖維素分解之環境，像是啤酒廠廢棄物、稻桿堆 肥或是污水處理場等，厭氧菌種與好氧菌種多共同存在甚至一起做纖維素分 解之作用(Chang et al., 2006; Tamburini et al., 2003)，在此複雜系統可以觀察 到確實能夠有效分解纖維素，也就因為其存在菌種複雜，所產生之纖維素分 解酵素種類繁多，能夠表現酵素及菌種間之協同作用有效分解纖維素，例如 Bacillus 就是一株有強的水解效果的纖維素分解微生物 (Demain et al., 2005;
Beukes and Pletschke., 2006)
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Bacillus substilus(A) Tryptone 15.0 g/L Bacillus substilus(B) Soytone 5.0 g/L
NaCl 5.0 g/L Agar 15.0 g/L Bacillus substilus(C) Beef extract 3.0 g/L
Peptone 5.0 g/L
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二、基質來源
蔗渣係指甘蔗搾汁完畢後的殘留物。本研究紅蔗渣來源為台中市忠孝路 上一家正老牌甘蔗汁攤販所提供，白甘蔗則是由糖廠取得。搭配新竹食品工 業發展研究所生物資源保存及研究中心(BCRC)所購買 3 株 Bacillus 菌種，了 解最佳的水解菌種々再搭配最佳的水解菌種及本研究室 CSTR 所馴養的產氫 菌了解最好的產能基質。
三、試驗設備
(一)批次試驗(如圖 3-1)
1.三角錐瓶〆三角錐瓶體積 125 ml，實際反應體積為 100 ml。
2.橡皮瓶圔(Φ 24 mm)〆用於封瓶，以隔絕外界空氣。
3.束帶〆加強橡皮瓶圔之固定。
4.恆溫培養箱〆使本試驗能夠將溫度控制於 35±0.5℃恆溫下進行。
5.集氣設備〆
(1)針筒(2.5 ml)〆每日抽取量測三角錐瓶內之產氣量。
(2)針筒(5.0 ml)〆依實驗前、後期，抽取瓶內的基質作水質分析。
(3)氣密式注射針(100 µL)〆每日抽取三角錐瓶內氣體進行成份分析。
(二)連續流試驗
本研究以好氧循序批次反應槽SBR進行連續流試驗，其反應槽規格與操 作說明如下〆
1.好氧循序批次反應槽(Sequencing Batch Reactor，SBR)
本研究所採用之好氧循序批次反應槽(SBR)作為水解反應槽，其主體是 由壓克力所製成雙層圓筒狀，外層為循環控溫水層，反應槽有效體積為4 公升，直徑為10cm，高為50cm，攪拌器動力來源為氣密式馬達。此階段主 要是植入水解菌
Bacillus substilus
進行水解反應，為提升後段產氫的效 率，將活性碳棉剪2.5cm ×2.5cm ×0.5cm大小，固定於活性碳棉攪拌支架上50
(如圖3-2)，使活性碳棉擔體均勻分布在反應槽中，可以有效蓄留水解菌體 於反應槽中，提升水解效率。為維持反應槽適當攪拌效果，以轉速控調器 來控制攪拌器轉速。
2. 連續攪拌反應槽(Completely Flow Stirred Tank Reactor, CSTR)
此 槽 體 是 接 續 上 段 SBR 水 解 反 應 ， 此 槽 體 是 植 入 醱 酵 產 氫 菌 Clostridium 為主要菌種，利用氣體循環式泵浦抽取反應槽內氣體，再循環 打入反應內以擾動污泥使其完全基質混合並達到厭氧產氫的效果。反應槽 底端設有內徑 2.5 公分的圓形排水開口，以作為反應槽內甘蔗渣反應沈澱 後蔗渣的排出口。而在反應槽頂端有pH 及 ORP 的回饋控制器々在溫度控 制方面，以恆溫水槽來控制，並確保反應槽能夠在恆溫下(35℃)進行試驗。
在基質進出流方面，距反應槽頂端16 公分處，設有內徑 0.8 公分的基質進 料口々而距反應槽頂端12 公分處，設有內徑 0.8 公分的液氣排出口，並架 設 T 型管使氣體與出流水分流，排出之氣體與集氣設備相連，而出流水經 由U 型繞流管排出。SBR+CSTR 其操作示意圖如圖 3-3。
3.氣體收集裝置
在厭氧醱酵產能時以氣體收集裝置加以收集，本試驗採用排水集氣法 氣體收集裝置，此集氣收集裝置是由氣體收集管與吐氣瓶所組成。吐氣瓶 內填裝有含5％濃硫酸的飽和食鹽水溶液。每一個完全攪拌式反應槽，各有 一組氣體收集管，每支為1,000 mL。
四、其他設備
(一)進料及反應後廢液抽出定量馬達
用於抽取基質桶基質進入 SBR 反應槽，本研究試驗採用 Master-Flex Tubing Pumping(型號〆Cole Parmer Model 7518-00)，轉速範圍在 1 ~ 100 rpm 之間，搭配Tycon 17 號蠕動管，可將流量控制在 0.06~ 380 mL/min 之間。
而廢液抽出主要是以反應槽內時間控制器來控制，在整個循序反應過後加以
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把廢液直接排出 (二)恆溫水槽
主要是作為反應槽溫度控制之用，每組厭氧反應槽均有一部恆溫水槽 (型號〆Tungtec Instruments Co.,Ltd; Model SF-72)，容量約 20 公升，可循環 控制水溫，控溫範圍-20~90℃，溫度精度為±0.02℃，並採用 PID 溫度控制，
操作時溫度控制於35+1℃左右。
(三)酸鹼度與氧化還原控制器
為使試驗之 pH 及 ORP 值能穩定在欲控制之範圍內，本試驗以酸鹼度與 氧化還原控制器（Suntex Instruments Co., Ltd; model PC-330）加以控制，其 監控範圍為pH 0～14，氧化還原電位控制範圍為-1999～＋1999mV。
圖3-1 批次試驗儀器設備示意圖
圖3-2 SBR 反應槽中活性碳棉攪拌架與攪拌馬達
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M
P
P 恆溫水出口
恆溫水出口
進料 進料
恆溫水入口
恆溫水入口
出流水 氣體收集裝置
磁石攪拌
pH ORP
(a) SBR
(b) CSTR 曝氣
圖3-3 二段式 SBR 水解槽串聯 CSTR 醱酵產氫反應槽之示意圖
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