發展操作策略以提昇利用clostridium acetobutylicum 產氫製程之產量

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1、秦咸隆周志雄發展操作策略以提昇利用Clostridiumacetobutylicum產氫製程之產量發展操作策略以提昇利用Clostridiumacetobutylicum產氫製程之產量秦咸隆周志雄＊逢甲大學化學工程研究所摘要氫氣被認為是乾淨的替代能源之一，利用微生物產氫亦是一項嶄新的技術，一般在微生物產氫的系統中代謝酸的累積影響產氫量的多寡。本研究乃利用厭氧菌種Clostridiumacetobutylicum生產氫氣，探討細胞密度提昇對於產率及產量的關係。由實驗結果發現，經由營養基質的改善及適當的饋料策略能有效提高槽內細胞密度，產率不但可

2、維持在原有的1.9mole氫氣/mole葡萄糖以上，對總產氫量亦可被有效提升。關鍵字：Clostridiumacetobutylicum代謝酸饋料策略_______________________________________周志雄逢甲大學化學工程研究所教授Tel:(04)2451-7250ext3678E-mail:cpchou@fcu.edu.tw秦咸隆逢甲大學化學工程研究所研究生jazzchin@pchome.com.tw第七屆生化工程研討會論文集秦咸隆周志雄發展操作策略以提昇利用Clostridiumacetobutylicum產

3、氫製程之產量1.簡介由於化石燃料(Fossilefuel)的大量開採，近年來這些含碳燃料包括燃煤、石油經燃燒後所產生的衍生物已對環境造成極大的衝擊，例如二氧化碳與硫氧化物這類物質所造成環境的破壞正困擾著每一個國家，為了在使用能源上可將地球生態的衝擊減到最低，無碳的能源的開發與應用已受到世界各國的重視，氫氣由於其燃燒熱高，氧化燃燒的唯一產物水亦為一乾淨的物質，因此被視為清淨能源的最佳代表，一般在產氫氣的製程上除了使用工業的生產技術外，由於生化法產氫主要乃藉由特定微生物的發酵培養所伴隨產生，可簡化複雜培養系統的設計與操作生產製程上的麻煩，一方面

4、在微生物細胞生長所須的營養成分亦為單純的醣類亦無原料污染的問題，因此近年來這項產氫新技術獲得極大的重視。一般在生化法產氫微生物主要可分為兩大類，第一類是厭氧菌種(Anaerobicbacteria)，如Clostridiumacetobutylicum(Kataokaetal.,1997)，第二類是光合菌種(Photosyntheticbacteria)(AsadaandMiyake,1999;Benemann,1997)，如Rhodobactersphaeroides(Erogluetal.,1999;Yigitetal.,1999)，在

5、厭養產氫菌方面，由於其可代謝環境中的碳源，進行多種代謝反應，這些反應通常都伴隨著NADH/NAD+的能量轉移，因此在代謝過程中同時可釋放出氫氣，目前這方面產率範圍多在0.5~1.5mole氫氣/mole葡萄糖左右(Kataokaetal.,1997)；而光合菌產氫模式中，利用光照可將有機酸進一部分解後可再釋放出氫氣產率亦達到3~4.5mole-氫氣/mole-VFA(Sasakietal.,1996)，然而在這兩不同的產氫系統中產率皆不到理論值的50%極為偏低，主要原因除了細胞在接受基質後並不完全朝向產氫途徑進行，再加上厭氧菌的培養上亦有能

6、受到其他代謝物的抑制，導致產量降低。本研究利用厭養菌株Clostridiumacetobutylicum做為厭氧產氫菌種，首先針對CGM(Clostridiumgrowthmedium)培養條件下所產生的瓶頸問題作初步假設，並利用分析的結果進一步地研究細胞生長與代謝環境之相關性，並藉由配方與操作模式的修正以提高此厭氧製程的產氫量。2.實驗方法2.1菌種活化與培養關於菌株細胞C.acetobutylicum的各種處理和操作過程都是在厭氧箱(Anaerobicchamber)中進行完成，厭氧箱中必須持續添加包含一定比例之氮氣、氫氣與二氧化碳等混

7、合氣體，並且具有適當的隔絕設備與恆溫培養箱。實驗前，先將儲存於4°C營養基質CMM(Roosetal.,1985)及欲活化之菌種取出，以滅菌過之竹籤沾取儲存菌液，在固態CGM培養基上，快速畫線，於37°C下靜置培養約20小時以上，待多株單一菌落形成後，再以滅菌過之竹籤沾取單一菌落細胞轉養至包含50mLCGM培養液(NH4)2SO4,2.0;K2HPO4,1.0;KH2PO4,0.5;yeastextract,1.0;tryptone,2.0;MgSO4,0.1;CaCl2,0.01;MnSO4«H2O,0.01;FeSO4«7H2O,0.0

8、15;CoCl2,0.002;ZnSO4,0.02g/L)培養瓶中。在活化程序之前，除了使用滅菌鍋消毒培養基外，菌種必須於厭氧箱內恆溫37°C培養18小時以上即可順利活化並且有大