中華民國第五十屆中小學科學展覽會 作品說明書
科 別：生活與應用科學 組 別：高中組
作品名稱：綠能「藻」就有
關 鍵 詞：溫泉藻、鹽度、生質能源
編 號：
綠能 綠能 綠能
綠能「 「 「藻 「 藻 藻」 藻 」 」就有 」 就有 就有 就有
摘要 摘要 摘要
摘要
今日全球石油存量趨近枯竭，善用綠色能源或許是在這時代中勝出的好方法。我們選擇 朝生質能源的方向進行研究，在其他綠色能源進入商業化生產前，生質能源將扮演承上啟下 的重要角色。
本實驗以溫泉藻(Thermosynechococcus sp. CL-1)作為培養目標，以水中鹽度作為變因，測 量溫泉藻在不同的鹽度下的含脂量以及碳水化合物的含量。脂質能作為生質柴油的原料，而 碳水化合物則能成為生質酒精的原料。我們共設計了五組不同鹽度的實驗，透過實驗，我們 推論在鹽度 0.74%的情況下，藻類在產生脂質與碳水化合物有著較好的效率，但顧及到大量 生產和節省水資源的條件下，認為在鹽度 1.7%下培養為大量生產的最佳條件。
壹 壹 壹
壹、 、 、研究 、 研究 研究動機 研究 動機 動機 動機
在石化能源日漸枯竭的時代，人類因過度仰賴石油而衍生出各種對全球環境的巨大衝 擊，諸如能源危機、氣候異常、天災加劇等讓我們付出相當的代價。1906 年至 2005 年間，全 球平均溫度升高了攝氏 0.74 度；預估 1980 年至 21 世紀末期，平均上升的氣溫，將介於攝氏 1.8 至 4 度之間。因此綠色能源漸漸受到注意，而能作為替代石油燃料的原物料也備受矚目，
尤其在天然資源稀少的台灣，更需要發展出更有效率、健全的替代能源計畫。
針對 CO2 的直接減量技術，首先應考慮使用低碳能源；若使用傳統高碳能源，則應以 較高效率的方式使用能源。例如京都議定書對產業發展的一個重要影響在於碳成本的出現，
未來產業將無法避免需加強低碳能源（潔淨能源）的使用比例。
儘管構想出來的解決方案很多，但多數都苦於無法突破成本、效率與大量生產的瓶頸，
所以還不能完全取代石化燃料。近幾年來由於許多替代能源諸如太陽能電池、風力發電及水 力發電的發電效率等都還未發展到可商業化的階段，所以，人類社會目前需要的，是一種在 過渡期間所使用的「非完全綠色能源」，這種能源雖不能降低環境中的二氧化碳濃度，但至少 可以不再將地底下原有的碳釋放至大氣中，而達到「碳中和」的狀態，使大氣裡的二氧化碳 濃度不致增加，在現階段不失為讓環境停止惡化的解決方案。
目前製造生質乙醇和生質柴油的原料，大多數需要消耗作物來提供，因而導致人類陷入 糧食供應不足的危機，近幾年開始，許多研究顯示藻類富含脂質，可以代替石化燃料，成為 新一代的燃料資源。像玉米酒精的能量密度只有汽油的百分之七十，穀物酒精僅占玉米發酵 液的百分之十，但萃取過程卻得投入大量能源。
所以我們決定尋求其他的方法來獲取生質能源。綜觀先前的實驗和論文，我們將實驗對 象訂在溫泉藻上，希望能從中找到發展生質能源的關鍵要素，而這也就成為了本實驗的核心 概念。
貳 貳 貳
貳、 、 、 研究目的 、 研究目的 研究目的 研究目的
我們採用溫泉藻((((Thermosynechococcus spThermosynechococcus spThermosynechococcus spThermosynechococcus sp. . . . CCCCLLLL----1111))))作為本次的實驗對象，其中，CL 取自 Chin-Lun 溫泉之縮寫，此命名法乃依照細菌學編號(Bacteriological Code 12c)所建議以取得樣本 之出處名之縮寫為命名準則。其原生長環境位於台東金崙溫泉內池(淡水鹼性碳酸泉，pH9.3，
泉溫攝氏 70~90 度)，是屬於能耐溫耐鹼的藻種，選用Thermosynechococcus spThermosynechococcus spThermosynechococcus spThermosynechococcus sp. CL. CL----1111 的主要原. CL. CL 因在於其在完成光合作用之後，能產生不同比例的碳水化合物、脂肪，此兩種資源都有其利 用價值，再者，此種藻類對環境耐受力較強，會適合於未來大規模的戶外培養環境。
我們的目的便是要分析此種藻類在不同鹽度的環境下其生質體內碳水化合物及脂肪的含 量比，可評估溫泉藻在不同鹽度的環境進行大規模培養生產生質能源(生質柴油、生質乙醇) 時的最佳條件。
參 參 參
參、 、 、研究設備及器材 、 研究設備及器材 研究設備及器材 研究設備及器材
一、配置培養基
(一)電子天平 (製造商：日本 AND 出產 型號：GR-202 型) (二)藥品
(三)無菌操作台 (製造商：三雄電熱工業公司)
二、架設培藻反應器
(一)無菌操作台 (製造商：三雄電熱工業公司)
(二)磁石攪拌台及轉子 (製造商：SIBATA 型號：MX-1 型) (三)pH 測定儀 (製造商：SUNTEX 型號：SP-2200 型)
(四)pH 自動滴定儀 (製造商：SUNTEX 型號：PC-3030A 型)
(五)定溫培養箱附旭光 FL40D/38 螢光燈管 8 隻 (製造商：HIPOINT 型號：FH-130)
圖一、藻培養箱 三、藻量測點
（一）UV-Visible 分光光度計 (製造商：Perkin Elmer 型號：Lambda 35 型)
圖二、分光光度計
四、藻體冷凍乾燥
（一）冷凍乾燥機 (製造商：EYELA 東京理化器械株式會社 型號：FDU-1200 型)
（二）離心機 (製造商：BOECO 型號：U-32R 型)
圖三、離心機 圖四、冷凍乾燥機
五、生質體分析
（一）超音波震盪器： (製造商：BRANSON 出產 型號：8510 型 代理商：今日儀器公司)
（二）鋁盤
（三）藥品
肆 肆 肆
肆、 、 、 研究 、 研究 研究過程或 研究 過程或 過程或方法 過程或 方法 方法 方法
圖五、研究流程圖
一、實驗設計：
本次實驗設置兩組反應器，在同一培養箱內分別進行培養。設計五種鹽度(0%、0.74%、
1.70%、2.18%、2.65%)，並採用「馴化」的方法培養，「馴化」是協助生物能順利適應條件變 動後的環境的實驗方法。可能此生物的基因裡原先便存在能適應某環境變因的基因，但在正 常狀況下是關閉的，若要進行馴化，就要先少量添加此變因，誘導其基因慢慢啟動，之後再 慢慢增加添加量，就能讓此生物在生長於此變因下時能比未馴化時有更好的環境適應力。
二、實驗步驟：
(一)、藻類低溫保種
1、將欲保種藻體放入甘油中。
2、再放入-80℃的冰箱中即完成保種。
(二)、配置培養基(無鹽)
1、將各種藥劑依指定克數配置完成。
2、藥劑皆準備完成後，倒入大燒杯並加入二段水質至一公升。
3、將培養基及反應器置入高溫高壓滅菌釜滅菌二十分鐘。
4、取出散熱後即配置完成。
(三)、架設培藻反應器
1、將高壓高溫消毒後的培養基取出。
2、校正 PH 值探測儀。
3、於無菌操作台上，將培養液全數倒入反應器中。
4、將反應器移至培養箱，並接上 PH 值探測儀。
5、反應器架設完成。
(四)、藻量定時測點
1、每隔 3 小時，自反應器中取出部分藻液，利用分光光度計，測量藻類的吸光度值（OD）， 藉此換算藻類的藻密度。
(五)、收取藻體、冷凍乾燥
1、 將反應器取下，並將藻液分次分裝於 4 瓶離心瓶進行離心，每次加入均須離心三次以 確保能將營養鹽洗淨。
2、離心後，裝上冷凍乾燥機乾燥。
(六)、脂質分析
1、將樣本瓶取出並置於乾燥箱。
2、計算鋁盤重量(g)，並取 0.01g 藻土。
3、將甲醇/氯仿 5ml 加入藻土內。
4、震盪 30 秒，再用超音波震盪五分鐘。
5、將溶液均分成四分，並離心 10 分鐘。
6、取出上層清液並收集之。
7、將底部剩餘的物質收集，並加入 3ml 甲醇/氯仿。
8、再重複一次上述步驟，將上清液倒入鋁盤即完成生質體萃取。
9、最後導入脂質百分比公式：(鋁盤重+萃取液-鋁盤重)/0.01(g)即可求得脂質占藻體的重 量百分比。
(七)、碳水化合物分析
1、秤取葡萄糖(標準品)25 mg，以二段水定量至 50 mL 之標準溶液。
2、取一系列不同體積(20-140 μL)加入試管中，分別以二段水定量至 2 mL，待後續步驟 經分光光度計(485 nm)測得之吸光值作出檢量線。
2、 將 5 mL 之 NaOH (1 N)加入萃取 lipid 後之菌體中，以 100°C 水浴 10 分鐘，再以去離子 水將其定量至 20 mL。
3、 取二至三個不同體積置於試管中，分別以二段水定量至 2 mL。各加入 50 Μl 酚，將 其充分混和。
4、 各管液面上方快速加入 5 mL 硫酸，並將其充分混和且待標準品及樣品溫度冷卻至室 溫。
5、將經上述一系列之標準溶液與樣品以分光光度計分析，利用測得之吸光值與濃度之關 係作出的檢量線，可換算菌體中碳氫化合物之含量。
伍 伍 伍
伍、 、 、研究結果 、 研究結果 研究結果 研究結果
圖六、不同鹽度環境下溫泉藻的生長曲線圖
說明：由此圖可得知，0.74%的生長情形最好
圖七、不同鹽度環境下其脂質含量百分比比較圖
說明：由本圖可得知，藻體在 0%NaCl 的環境下能有最高的脂質百分比。
表一、不同鹽度環境下脂質含量百分比比較表 鹽度環境 脂質含量平均百分比 12g/L, 0%NaCl 24.99%
12g/L, 0.74%NaCl 11.19%
12g/L, 1.7%NaCl 13.16%
12g/L, 2.18%NaCl 15.25%
12g/L, 2.65%NaCl 21.01%
圖八、不同鹽度環境下其碳水化合物含量百分比比較圖
說明：由此圖可得知在 1.70%時候，細胞內所佔有的碳水化合物為各 實驗組中最高的。
表二、不同鹽度環境下其碳水化合物含量百分比比較表 鹽度環境 碳水化合物含量均百分比 12g/L, 0%NaCl 5.76%
12g/L, 0.74%NaCl 12.89%
12g/L, 1.7%NaCl 18.69%
12g/L, 2.18%NaCl 8.37%
12g/L, 2.65%NaCl 6.55%
圖九、不同鹽度環境下其碳水化合物含量比及ＯＤ值的乘積比較表
圖十、不同鹽度下其脂質及其ＯＤ值的乘積比較圖
陸 陸 陸
陸、 、 、討論 、 討論 討論 討論
一一
一一、、、、藻類在各鹽度下的生長情形藻類在各鹽度下的生長情形藻類在各鹽度下的生長情形藻類在各鹽度下的生長情形
(一)在鹽度 0.74%的環境下，藻類有較好的生長狀況，其進入對數生長期時間也較早，從數 據裡我們認為，鹽度為 0.74%時最接近藻類的原始生長環境，所以生長狀況為最良好的。
(二)在鹽度 0%及 2.65%時，其生長狀況並不良好，我們認為在鹽度 2.65%時因為太鹹而導致 細胞萎縮，無法正常進行細胞代謝；在鹽度 0%時，因為原始生長環境並不為完全無鹽 環境，所以細胞會因滲透壓而脹大，但因為有細胞壁支撐，故細胞尚能進行細胞代謝。
(三)在鹽度 1.7%時，生長狀況僅次於在鹽度 0.74%的環境下，其進入對數期所需的時間較 長，我們推論是因為鹽度已離原始生長環境的鹽度較多，故需要多一點的時間適應環境。
二二
二二、、、、藻類在各鹽度下其組成比例藻類在各鹽度下其組成比例藻類在各鹽度下其組成比例藻類在各鹽度下其組成比例
(一)從數據裡我們認為，因為碳水化合物為細胞代謝時的主要來源，所以在藻類生長情況較 良好時，細胞內碳水化合物所占的比例會較高，故在鹽度 0.74%及 1.7%時碳水化合物所 含有的比例較高。
(二)從國科會網站上的文章，我們得知在環境較不好時，其脂質占藻重的比例會較高，所 以在鹽度 0%及 2.65%時有較高的脂質含量。
三三
三三、、、、藻類應用藻類應用藻類應用藻類應用
(一)最後我們將各鹽度下的藻量 OD 值乘上碳水化合物或是脂質所佔的比例，其原因為在進 行大量培養時，最終所要看到的結果為生產的總量，而不是單一藻體所含的量。
(二)綜合以上結果，在鹽度 0.74%時，溫泉藻在產生碳水化合物及脂質都有較好的效率；但 是考慮到大量培養以及節省淡水資源的問題，鹽度 1.7%的情況下，不僅為 海水鹽度 的一半，能在沿海地區引進海水並注入淡水進行大量培養，其產生碳水化合物及脂質的 效率也僅次於在鹽度 0.74%的情況下而已。所以我們認為鹽度 1.7%為最適合大量培養溫 泉藻的條件。
柒 柒 柒
柒、 、 、結論 、 結論 結論 結論
一、、、、鹽度鹽度鹽度鹽度 0.74%0.74%0.74%下時0.74%下時下時，下時，，溫泉藻在產生碳水化合物及脂質皆有較佳的效果，溫泉藻在產生碳水化合物及脂質皆有較佳的效果溫泉藻在產生碳水化合物及脂質皆有較佳的效果。溫泉藻在產生碳水化合物及脂質皆有較佳的效果。。。 二二
二二、、、、考慮到大量生產及節省淡水資源用量考慮到大量生產及節省淡水資源用量考慮到大量生產及節省淡水資源用量考慮到大量生產及節省淡水資源用量，，，我們認為鹽度，我們認為鹽度我們認為鹽度 1.7%我們認為鹽度1.7%1.7%1.7%為培養溫泉藻最佳條件為培養溫泉藻最佳條件為培養溫泉藻最佳條件。為培養溫泉藻最佳條件。。 。
捌 捌 捌
捌、 、 、未來展望 、 未來展望 未來展望 未來展望
溫泉藻細胞內的碳水化合物經糖化後能成為生質乙醇的原料，而藻體中的油脂經轉酯化 後也能生產出生質柴油，轉酯化反應是指油脂在酸或鹼性催化劑的存在下，與烷基醇類（通 常是甲醇或乙醇）作用產生直鏈酯類（生質柴油）與副產物甘油的反應。
在未來，可以透過在沿海地區架設大規模的培養場，並引用海水與河水來進行培養，在 引用海水培養的技術方面，對於台灣的養殖漁業來說已經是個成熟的技術，加以改良再應用 至培養溫泉藻，我們認為是可行的，而且對於海水鹼度，此溫泉藻也有高抗鹼的特性，因此
無須擔心直接引用海水會有不良影響。所以我們認為在台灣，於沿海地區培養溫泉藻將會是 一項新的綠色能源。
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