，環境及再生能源上的應用
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(2) 細菌繁殖的特色. 3. 細菌繁殖的特色 細菌在適宜生長的 條件下,十小時內可 從一個細胞成長為 一百萬個,十二小時 超過一千萬個,十四 小時則超過二億五 千萬個 4. 2.
(3) 微生物之大量培養 實驗室研究用. 工業大規模生產. 5. 發酵槽設計與原理. 6. 3.
(4) 微生物發酵生產之優點 生產成本較工業合成低廉 降低工業合成的複雜性與危險性 效率高 安全 污染性較低 7. vs.. 8. 4.
(5) 發酵槽培養方式 1. 批式培養 (batch culture) — 例如一些藥物與氨基酸的生產. 2. 饋料批式培養 (fed-batch culture) — 例如二次代謝物 (如抗生素、維生素) 如抗生素、維生素) 的生產. 3. 連續式培養 (continuous culture) — 例如酵母 、單細胞蛋白質、酒精、活性污泥法… 、單細胞蛋白質、酒精、活性污泥法…等 9. 發酵槽生產各種產品. 10. 5.
(6) 操作發酵槽培養之基本步驟 1. 發酵設備滅菌 2. 培養基的配製與滅菌 3. 種菌 (seed culture) 的準備 4. 接種 5. 發酵培養 6. 產品回收與純化 7. 廢棄物處理與發酵槽的清洗 11. 固態發酵 (Solid Substrate Fermentation) z z z z z z z z z z. ProteinProtein-enriched animal feed Bioremediation substances Biopesticides SingleSingle-cell protein from waste products Enzymes Surfactants Enthanol Biogas Microbial polysaccharides Secondary metabolites (eg (eg.. Antibiotics) 12. 6.
(7) 微生物在發酵食品業上的應用 乳酸菌產品 — 乳酪 (cheese) 、優格 (yogurt) 、發酵乳、酸泡菜、酸黃瓜、德國 豬腳….等 酵母菌產品 — 麵包、發麵麵製品 (包子饅 頭)、各式酒精發酵飲料 (酒、啤酒) 其他 — 醬油、醋、豆瓣、醬、味磳、納 豆、天貝、魚露….等 13. 乳酸菌製品舉例 乳 酸 桿 菌 乳 酸 球 菌. 各 種 發 酵 乳 品. 14. 7.
(8) Cheese Making. 15. 乳酸菌真的對健康有幫助嗎? 1. 降低乳品中的乳糖含量, 使乳糖不耐症的人也可 飲食乳製品 2. 降低膽固醇 3. 抑制腸道菌產生胺類化合物, 可降低罹患大腸癌 的風險 4. 改善便秘, 促進排便 5. 拮抗雜菌, 降低腸道疾病的發生 6. 激發免疫系統 16. 8.
(9) 酵母菌的應用 1. 直接食用 – 健素糖 2. 發酵 – 產製各種食品與飲料, 例如麵包、 包子、饅頭、啤酒、葡萄酒、米酒 3. 工業上生產酒精, 作為能源 4. 生技產業上, 作為生產各種藥物的菌種 5. 研究材料 6. 其他 17. 酵母菌的應用. 18. 9.
(10) Making Grape Wine. 19. 各式麴菌製品. 20. 10.
(11) 微生物代謝物產品 Metabolites 初級代謝物（Primary metabolites） z 次級代謝物（ Secondary metabolites ） z. 21. 微生物產品 Metabolites. 22. 11.
(12) 微生物產品 Enzymes. 23. 重要工業酵素應用舉例 1. 蛋白質水解酵素— 蛋白質水解酵素—清潔劑、洗衣粉、乳酪製造、皮革 清潔劑、洗衣粉、乳酪製造、皮革 軟化、食品成分轉化… 軟化、食品成分轉化….等 2. 澱粉水解酵素─生產葡萄糖、糖漿、麵粉品質改良 3. 纖維分解酵素─飼料與紙漿製造、紡織業 4. 同分異構酵素─將低價位或無活性的分子轉化為高價 位產品, 位產品, 例如果糖 5. 油脂分解酵素─洗衣業、皮革業、改善麵粉品質、增 進 cheese 風味 6. 氧化還原酵素─工業應用例子不多, 氧化還原酵素─工業應用例子不多, 可防止食品褐變、 去除殘餘雙氧水、染料呈色… 去除殘餘雙氧水、染料呈色….等 24. 12.
(13) 酵素的工業應用 1. 清潔劑業 2. 紡織業 3. 澱粉與糖業 4. 動物飼料 5. 酒精發酵與烘焙業 6. 食品機能改進 7. 紙漿與造紙 8. 皮革業 9. 油脂業 25. 酵素市場分析 用途: 用途: 工業酵素約佔 70%, 研究與醫療約佔30% 研究與醫療約佔30% 行業: 行業: 清潔劑 27% 食品與飲料 16% 紡織業 10% 澱粉與糖業 9% 其他. 成長率: 成長率: 過去數十年來, 過去數十年來, 每年成長率約為 10~15% 消費區域: 消費區域: 美國 (24.7%), 歐洲 (23%), 其他地區 26. 13.
(14) 微生物代謝物產品 抗生素 傳統菌種與醱酵技術 z 基因工程技術 z 新醱酵技術 z. 27. 微生物與塑料 z. 原料: 原料: 一般微生物培養基. z. 菌種: 菌種: 可產生 polyhydroxybutyrate (PHB) 顆粒或 polyhysrovalerate (PHV) 顆粒的細菌. z. 聚合塑膠可被生物分解. 28. 14.
(15) 生物可分解塑膠在環境中分解為 CO2 和 H2O. 29. 生物轉換法 (Bioconversion) 1. 利用微生物或酵素, 將某一化合物修飾轉 換為另一化合物的方法 2. 效率極高, 可同時進行多個生化反應步驟 3. 可採用固定化細胞與酵素方式來進行 4. 舉例—果糖的合成、維他命C的合成、類 固醇 prednisone 的生化合成….等 30. 15.
(16) 果糖的生產 (生化轉換法) Starch amylase. Glucose. Fructose 31. 微生物在農業上的應用 1. 抗凍菌的應用 — 預防作物霜害 2. 微生物殺蟲劑 — 細菌、病毒、黴菌 3. 線蟲的防治 — 4. 固氮菌的應用 — 增加土壤肥力 5. 水產養殖上的應用 — 疾病防治、水質控制 6. 其他 32. 16.
(17) 微生物在農業上的應用 抗凍菌 (Ice-Minus bacterium) z. Pseudomonas syringae 是植物的正常表生菌株. z. 一般植物在 0 ℃ ~ 2 ℃下結冰 一株基因改造的 Pseudomonas syringae 菌 以分子生物學法破壞其冰核蛋白基因功能 基因改造後的菌株無法產生冰核蛋白, 植物需達 到 -6 ℃ ~ -8 ℃方結冰 可應用於草莓及柑橘等作物. z z z z. 33. 微生物在農業上的應用 抗凍菌 (Ice-Minus bacterium) 美國AGS公司產品. 34. 17.
(18) 科學家進行抗凍菌田間實驗. 35. 微生物殺蟲劑(細菌製品) 蘇力菌 (Bt) z z z z z. 細胞產生毒晶蛋白毒，殺 鱗翅目昆蟲幼蟲 昆蟲幼蟲食後造成腸道麻 痺，無法進食而死亡 對人類、脊椎動物與非目 標昆蟲完全無害 施用安全, 施用安全, 無農藥殘留問題 已基因轉植到一株可高度 表現Bt 毒素的細菌中 表現Bt毒素的細菌中 Pseudomonas fluorescens 36. 18.
(19) 微生物殺蟲劑 (細菌製品) 蘇力菌 (Bt). 37. 共生性固氮菌 根瘤菌. 38. 19.
(20) 自生性固氮菌 (Free-Living) N2. NH3. amino acids. 39. 微生物在水產養殖上的應用 疾病防治 — 利用與病原菌相拮抗或相剋的原 理, 例如虱目魚紅斑病可用病毒來防治 養殖水質控制 — 利用各種生物製劑改良水質 仔稚種苗的餌料 — 各種微細藻類與浮游生物. 40. 20.
(21) 微生物在環保上的應用 有毒廢棄物的分解 — 例如PAHs, PCBs, PCP, Dioxin ….等 油污分解 有機堆肥 廢水處理 生物製劑 指標微生物 41. 微生物在環保上的應用 有毒廢棄物的分解. 42. 21.
(22) 微生物在環保上的應用 油污的分解. 43. 微生物在環保上的應用 油污的分解. 44. 22.
(23) 微生物在環保上的應用 化腐朽為神奇的有機堆肥. 45. 微生物在環保上的應用 廢水處理 1. 活性污泥 2. 滴濾槽 3. 生物旋轉膜盤 4. 厭氧分解槽. 46. 23.
(24) 微生物在環保上的應用 活性污泥. 47. 微生物在環保上的應用 滴濾槽. 48. 24.
(25) 微生物在環保上的應用 生物旋轉膜盤. 49. 微生物在環保上的應用 厭氧分解槽. 50. 25.
(26) 微生物在環保上的應用 簡易家庭化糞池 (Septic Tank). 51. 微生物在環保上的應用 生物製劑 1. 利用微生物配方添加到廢棄物、廚餘、或污 水處理系統, 加速處理效果 2. 亦可應用於污染現場的整治, 如土地、河 川、 湖泊、水庫、海岸、地下水, 也有人 應用於養殖池水的水質控制 52. 26.
(27) 微生物在環保上的應用 各種市售生物製劑. 53. 微生物在環保上的應用 生物製劑 . 一般分解性細菌 － 如 Bacillus sp. 光合菌 － 消除臭味（ H2S ）、維持 pH 硝化菌 － 轉化 NH4+ → NO2- → NO3+ 脫硝菌 － 轉化 NO3+ → N2. 54. 27.
(28) 微生物代謝產生的能源物質 酒精 丁醇－丙酮 甲烷 （沼氣） 氫氣 . 55. 碳循環. Contribution. Emitted (source). Burning fossil fuels. 6.3. Land use change. 1.6. Enhanced vegetation growth. Absorbed (sink). 3.0. Ocean-atmosphere exchange. 1.7. Total. 7.9. Balance. 3.2. 4.7. 56. 28.
(29) Million Barrels per Day. U.S. Crude Oil Imports ~ Automotive Fuel 14 (>200 billion gal in 2004; >$200 billion in 2005) 12 10 8 6 4 2. 19 50 19 55 19 60 19 65 19 70 19 75 19 80 19 85 19 90 19 95 20 00 20 05 20 10 20 15 20 20. 0. Source: U.S. Department of Energy, Energy Information Administration; modified. Yard Wastes 17.9% Food and wood 13 %. 57. Paper & Paperboard 37.5%. Plastics 8.3% Glass and Metals 14.4%. > 70% LIGNOCELLULOSE. 58. 29.
(30) 微生物與能源 — 酒精 . 原料: 1. 傳統原料 — 蔗糖、蔗糖汁、糖蜜、玉米澱粉 蔗糖、蔗糖汁、糖蜜、玉米澱粉 2. 近代開發 — 木薯粉、馬鈴薯、 草木纖維 木薯粉、馬鈴薯、草木纖維. . 菌種: 1. 轉化多醣為單糖 — 以黴菌為主 2. 酒精發酵菌株 — 酵母菌以及其他耐高溫菌種. 59. 酒精醱酵反應式. 60. 30.
(31) ETHANOL BIOMASS Acid Hydrolysis Fiber Residue (cellulose+lignin) E. coli SZ20 (cellulase). Recombinant cellulase. “Detox” Syrup. D i s. Recombinant co-products. t I l. Fungal cellulase. SSF. Hemicellulose Syrup. Nutrients. E.coli KO11 (cellulase) Nutrients. l a t I. Beer Residue to Boiler. o n. Lignocellulose to Ethanol 61. 汽油醇（Gasohol） . . 酒精 (乙醇) － 透過微生 物發酵醣類、澱粉、或 植物纖維產生 需經蒸餾濃縮方可成為 燃料 Gasohol （汽油醇） – 汽 油中添加乙醇 Gasohol 產生的動力比汽 油低，但是較清潔 巴西與美國實施最成功. 62. 31.
(32) BioDiesel (B20) 15% Ethanol Gasoline 10% Ethanol Gasoline Brazil currently burns E85 in many vehicles. There are no technology barriers to expanding the level of ethanol in automotive fuel.. DOE, 2005. 63. 64. 32.
(33) BRAZIL: ETHANOL PRODUCTION BEGINING. E 100. FALL: OIL PRICES. ??. 3. EXTERNAL FACTORS. 5. 2. 4. 1 HYDROUS TOTAL ANHYDROUS. *. 75 /7 6 77 /7 8 79 /8 0 81 /8 2 83 /8 4 85 /8 6 87 /8 8 89 /9 0 91 /9 2 93 /9 4 95 /9 6 97 /9 8 99 /0 0 01 /0 2. 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0. Note: (*) Projection 65. Alcohol Vehicles Sales in Brazil 25,000 22,986 20,000 18,335. Unity. 15,000 10,947 10,292. 10,000 7,647 5,000 1,120 1,224 0 1996. 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002 (Jan-July). Year. 66. 33.
(34) 67. 使用Gasohol對環境的好處 減少對石油的依賴 減少 CO 及 NOx 的排放 減少氧化性硫化物的排放（酸雨） 減緩 CO2 在大氣中的累積 降低溫室效應. 68. 34.
(35) 使用Gasohol對健康的好處 減少汽油中苯（Benzene）的釋放 降低罹癌風險. 69. Alternatives for Fuel Ethanol Usage POTENTIAL USAGE DIESOHOL blends from E3 to E15 – experimental stage. FUEL CELL – research stage DI Otto Engines (neat / blend) – research stage. 70. 35.
(36) 微生物與能源 —. butanol-acetone 丁醇－丙酮. z. 原料: 糖蜜、玉米 (澱粉與玉米軸、莖). z. 菌種: 細菌 Clostridium acetobutylicum （德國人 Chaim Azriel Weizmann 於1916年首先發現） 發酵與溶劑回收 (分液與蒸餾). z. 71. glucose. acetone butanol. 72. 36.
(37) 丁醇做為燃料的優點 丁醇產生之動力較汽油高 z 可100%使用於一般汽車引擎 z 不傷害引擎 z 燃燒完全，廢氣比汽油少 z 水溶性低，受氣候影響程度比酒精低 z 隨醱酵生產技術之改進，未來價格可更 具競爭性 z. 73. 微生物與能源 — 甲烷 . 厭氧細菌分解有機廢 物時可釋放出富含甲 烷氣體（Biogas）. . Biogas 可用來燃燒或 發電作為能源. Volta fire 74. 37.
(38) 微生物與能源 — 甲烷 Biogas 來源 . 沼澤. . 家畜糞便. . 家庭污水. . 垃圾掩埋場 75. 甲烷使用上的限制 引擎或發電機須特 別設計 直接燃燒加熱或烹 飪使用效果較佳 . 76. 38.
(39) 甲烷是如何產生的？. 77. 使用甲烷對環境的影響 . 清潔且無污染 生產甲烷需較小的規模，此過程有助於 改善環境衛生與臭味 減低溫室效應 (甲烷的溫室效應是二氧 化碳的21倍). 78. 39.
(40) 微生物與能源 — 氫氣 . . 原料: 光合作用 、或是直接供應糖類 菌種: 具有氫化酵素 (hydrogenase) 的微生物, 如細 菌 Clostridium butyricum, 藻類 Chlorella pyrenoidosa 等 為最清潔的燃料 目前仍在研發階段. 79. 氫化酵素產氫反應. 80. 40.
(41) 利用藻類產製氫氣. 81. 微生物在石油開採上的應用 Micorbe-Enhanced Oil Recovery (MEOR) . 將微生物製造的膠質注入油井四周, 改變石油黏 度, 促使石油由吸附的岩石上流入油井, 增加油 產量. 82. 41.
(42) 83. 微生物在石油開採上的應用 微生物採礦 (Microbial Mining). 1. 吸附與濃縮一些貴重金屬, 造成礦脈 2. 溶解、還原、析出 3. 亦可應用於金屬污染整治. 84. 42.
(43) 微生物在石油開採上的應用 微生物採礦 — 以銅的開採為例 1. 直接萃取法: 直接萃取法:. CuS + 2 O2. 2. 間接萃取法: 間接萃取法: 4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O. CuSO4 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4. CuS + Fe2(SO4)3 CuSO4 + 2 Fe(SO4) + S 3. 收集 CuSO4 , 再將銅元素沉澱出來. 85. Perlman’s Laws of Applied Microbiology z. The microorganism is always right, your friend, and a sensitive partner.. z. There are no stupid microorganisms.. z. Microorganisms can and will do anything.. z. Microorganisms are smarter, wiser, more energetic than chemist, engineers, and others.. z. If you take care of your microbial friends, they will take care of your future. ---- David Perlman, 1980 ----. 86. 43.
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