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布袋蓮共醱酵能資源化程序開發

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布袋蓮共醱酵能資源化程序開發

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  1. 布袋蓮共醱酵能資源化程序開發 四環四A 4960N030 劉哲璿

  2. 摘要 布袋蓮為南美洲外來種水生植物,因沒有天敵且行無性生殖,因此繁衍相當 快速,布袋蓮吸收重金屬效率相當高,但布袋蓮本身含水率較高(90%以上), 若以焚化處理,將增加環境汙染暨成本,因此為達到布袋蓮減量化、資源化及回 收再利用,本研究將以「重金屬生物溶出技術」、「厭氧醱酵程序」和「乾式兼氣 醱酵程序」三大程序作開發;而布袋蓮含纖維素為較難分解之有機固體廢棄物且 有吸附重金屬的能力,本研究將破碎後布袋蓮以固液分離之固體物進行乾式兼氣 醱酵程序,布袋蓮過篩液以厭氧醱酵程序處置,實驗結果得知乾式兼氣醱酵程序 需要以輔助基質-豆渣及厭氧醱酵之出流液,促使帶動布袋蓮有效之分解,但布 袋蓮過篩液對產氫量並無加乘作用,推測因布袋蓮纖維素結構較難分解,因此將 布袋蓮破碎後烘乾為粒徑 0.5 mm(35 mesh)粉末狀以稀酸前處理(鹽酸 1%) 或生物性溶出程序進行前處理,以增加後續處理程序之基質利用率,以高雄第一 科技大學馴養污泥進行批次厭氧醱酵程序,本研究結果以「布袋蓮生物性溶出之 出流液」取 20~30 g 及「輔助基質糖蜜」加入 1 g 時,可得產能最佳之組合為 20 g:1 g:102 mL(布袋蓮經生物性溶出之出流物:基質糖蜜:累積產氫量);而 在此條件下可回收醱酵系統中的乙醇約為 600~800 mg/L,乙酸約為 300~600 mg/L 及正丁酸約為 1200~1500 mg/L。

  3. 一、前言 人類長久以來依賴化石燃料(煤、石油及天然氣)作為能源的來源,科技的 進步為人類帶來便利之產品,但隨著開發中國家的迅速發展,相對於能源的需求 也隨之提高,使得化石燃料被開採使用的速度遠大於產生的速度,而且化石燃料 的使用會排放大量的溫室氣體,引發全球性氣候變遷,造成的危害遠過人類所能 想像,根據永續能源國際網路機構所提出之全球未來能源趨勢。 生質能是指含有有機物的生物質(Biomass),經直接或間接轉換成能源使用, 目前生質能產生主要是以農業生質作物或廢棄物經由處理後獲得能源,因其原料 取自大自然,其成本較低、來源不匱乏、不與糧食資源競爭等優點,將成為最矚 目的替代能源,生質能源作物有大豆、油菜等油脂作物轉化生質柴油,及以玉米、 小麥、甘蔗轉化酒精,而廢棄物包含都市垃圾、一般性事業廢棄物、污泥、廢輪 胎、有機廢液、農業廢棄物等以碳氫化合物為主要的物質。

  4. 纖維素為地球上蘊藏量最豐富的有機物,植物透過光合作用,即可大量的產 生,而生質能技術發展已從第一代發展到現今第二代的生質燃料技術-纖維素, 生質能主要成分為纖維素、半纖維素和木質素,其中纖維素與半纖維素分解作有 效的利用。 前處理技術(pretreatment technology)是將澱粉或纖維素經物理、化學或酵 素(生物)水解處理。而纖維素不容易分解,需要以化學或生物方法水解成簡單 的醣類,這些分子較小的醣類即可供其他生物利用,故本研究採用自然界中自然 產生的農業廢棄物,將纖維素物質利用厭氧醱酵產生能源(如氫氣、酸醇等), 除了可降低處理成本,也可減少廢棄物的體積

  5. 二、研究材料與方法 • 2.1 研究架構 本研究主要以布袋蓮為基質,消化污泥以高雄第一科技大學能源中心馴養之。 消化槽污泥為植種來源進行厭氧醱酵程序,由於布袋蓮纖維素豐富,本研究消化 污泥經由中興大學黃介辰老師實驗室進行菌種鑑定,篩選出厭氧菌具有高產氫能力的梭狀芽孢桿菌(Clostridium sp.)以及兼氣菌(Bacillus thermoamylovorans),而此 菌為分解纖維素之優勢菌。 布袋蓮經過破碎處理後,可知布袋蓮不僅水份、纖維素含量較高,因此以不 同前處理(固液分離之固體、布袋蓮過篩液、稀酸法或以生物性溶出程序)的方 式,經處理後再進行後續厭氧醱酵程序,而固液分離之布袋蓮固體則以堆肥的方 式進行,來評估是否可行,達到多元資源化,整體規劃之實驗設計架構圖如圖 1 所示:

  6. 2.2 實驗設備 批次厭氧產氫實驗設備如下: 1. 血清瓶:總體積 100mL,操作體積 80 mL,附橡皮塞以及中孔鋁蓋。 2. 採樣工具:以 10 mL 、50 mL 和 100 mL 玻璃注射針筒測量血清瓶內產氣量, 以氣閉式注射針抽取瓶內氣體做氣體成份分析。 3. 恆溫培養室:本實驗方法採取中溫醱酵,培養之恆溫室由內部自動控制在溫 度 40±1℃。 4. 培養旋轉盤:置放於 40±1℃恆溫培養室中,將血清瓶置於轉盤上,轉速設 定在 30±1rpm 等速度旋轉。 5. 曝氣裝置:氮氣鋼瓶;主要用於實驗前將高氮氣體充滿於血清瓶頂空處,使 血清瓶瓶內呈現厭氧狀態。 6. 精密天平:DENG YNG(HR-200 型);主要為秤量藥品與樣品。 7. 定溫烘箱:DENG YNG(DS-45 型),溫度範圍為 40℃~210℃;主要為植 種材料前處理。 8. 高溫爐:DENG YNG(DF-404 型),溫度範圍為 100℃~1200℃;主要為 分析灰份用。 9. 電磁石攪拌機(與磁石):HOT STIRRER JS-H 型。 10.氣相層析儀:Shimadzu GC-8A 型。 11.有機酸與醇分析:氣相層析儀加上火焰離子偵測器(Shimadzu GC-8A 型: 測酸類和醇類用的)。

  7. 2.3 實驗方法 1. 乾式兼氣醱酵操作條件 (1) 反應設備:直立式攪拌反應槽 (2) 基質來源:破碎後固液分離之布袋蓮固體 (3) 添加比例:布袋蓮:副資材-( 2:1 )。 (4) 抽氣量:1.2L-air/kg dry-solid min (5) 攪拌頻率:轉 5min:停 5min (6) 水份控制:50~60%之間 2. 厭氧醱酵操作條件 (1) 植種來源:取自國立高雄第一科技大學之馴養污泥消化槽。 (2) 基質來源:破碎後經前處理後之布袋蓮(含營養鹽) (3) 控制溫度:40±1℃ (4) 操作體積: 80 mL (總體積 100mL )

  8. 2.4 全因子實驗設計法 為了解兩個操作變因(以不同前處理之布袋蓮為基質濃度輔助基質-糖蜜)對批次厭氧醱酵產氫情形,求得最佳操作策略之條件,本研究利用全因子實 驗設計法進行批次厭氧醱酵,其規劃如圖 2 所示。以不同布袋蓮基質濃度和輔 助基質-糖蜜濃度做搭配,基質前處理之布袋蓮加上輔助基質糖蜜及加入營養鹽(1:80=營養鹽:血清瓶操作體積)於血清瓶中,使反應體積或重量為 40 毫升 或 40 克,進行批次實驗,在反應期間監測產氣量和氫氣濃度,並分析在其各試 程條件之水樣,進行基本水質分析,探討對於整體的產氫之影響。

  9. 2.5 研究材料 (1) 基質前處理:布袋蓮以清水清洗,把殘留在布袋蓮本體之污泥或是河川中之污穢物去除 後,再以本實驗室研發之破碎機以濕基進行破碎處理,其處理過後布袋蓮樣品如 泥漿均質狀如圖 3 所示,利用篩網將布袋蓮濕基固液分離,固體物進行乾式兼 氣醱酵、液體為布袋蓮過篩液,或後續以乾基進行實驗,為將破碎後布袋蓮濕基, 用坩堝秤 100 克之均質狀布袋蓮濕基以 105℃烘箱經過ㄧ天水份烘乾後,再以破 碎機進行破碎,把烘乾後的布袋蓮再破碎為更小的粉末狀,為可通過 35 mesh(0.5mm)篩網,爾後皆採用粒徑約為 0.5mm(35mesh)布袋蓮乾基作為基質的 來源。

  10. (2) 植種來源: 國立高雄第一科技大學之污泥消化槽,以定期(1~2 個月)加入有機質(麥 粕、水果、奶粉等)於污泥消化槽中,馴養及保持污泥之活性。污泥消 化槽之污泥取自台南新化畜產試驗所之消化污泥。使用植種污泥前,先 於污泥消化槽取出污泥後,以 30 網目之濾網過濾掉雜質,再經過 85℃ 烘箱加熱 3 小時熱處理後作為研究之植種來源。

  11. 三、結果與討論 • 3.1 布袋蓮基本特性分析 布袋蓮為南美洲外來種無天敵,行無性生殖其繁殖能力相當快速,會造成河川阻塞淤積,過去通常把布袋蓮當成養鴨之飼料,但現今工商業發達,很多不肖 業者任意排放廢水,導致河川重金屬汙染嚴重,而布袋蓮對水中重金屬有明顯的 去除能力和淨化效果(譚彩云等,2009),而吸收水中有害物質(重金屬等)後 的布袋蓮現在已不適合做為飼料之使用,表 1 為高雄縣阿公店溪之布袋蓮乾基 不同部位之重金屬含量, 表 2 為布袋蓮之基本三成份分析、粗纖維、中洗纖維 以及酸洗纖維,水份大約是 92~94%,灰份約為 1%,可燃份約為 5~7%,在粗纖 維方面約為 10.8%,在中洗纖維約為 31.5%,酸洗纖維為 22.1%,碳水化合物為23.7%,而其有機成份為 70.6%,因此得知布袋蓮含豐富纖維素和有機成份,若 能將布袋蓮資源化程序開發,不僅河川污塞以及重金屬污染可以有效的解決,更 可以達到產能、資源化等附加的經濟效益。

  12. 3.2布袋蓮生物性溶出程序以厭氧醱酵產氫後之酸醇變化3.2布袋蓮生物性溶出程序以厭氧醱酵產氫後之酸醇變化 本研究共分析乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸等。

  13. 四、結論 1. 本研究以採用不同前處理(固液分離、稀酸前處理以及生物性溶出程序)之布袋蓮分別進行-乾式兼氣醱酵和厭氧醱酵產氫程序。 2. 固液分離之布袋蓮固體物-乾式兼氣醱酵方式進行,若只加入布袋蓮因 其布袋蓮纖維含量豐富,不易被生物降解,因此第 14 天加入輔助基質-豆渣,由溫度和 pH 皆可看出有明顯降解。 3. 固液分離後之布袋蓮過篩液和 10%輔助基質糖蜜分別進行厭氧產氫實 驗,因布袋蓮過篩液其固體物和有機質成分較少,雖加入輔助基質卻無 法帶動促使分解,布袋蓮過篩液添加越多,其累積產氫量會有抑制用。 4. 後續以布袋蓮破碎後烘乾為粒徑 0.5mm(35mesh)粉末狀之布袋蓮, 做為前處理之基質使用。布袋蓮乾基最佳操作基質濃度為100g/L。 5. 布袋蓮乾基(100 g/L)為基質最佳稀酸前處理濃度為 1%時,其厭氧產氫醱酵系統基質轉化率為 58.9 mL H2/g COD。 6. 以「布袋蓮生物性溶出之出流物」取 20~30g,且「輔助基質糖蜜」加 入 1g 時,可得產能最佳之組合為 20g:1g:102mL(布袋蓮經生物性 溶出之出流物:基質糖蜜:累積產氫量),且 TOC(總有機碳)降解率 較高。 7. 經生物性溶出程序之出流物進行厭氧醱酵,酸醇皆有產生,其乙酸濃度 範圍約為 200~600mg/L,正丁酸濃度範圍為 0~1600 mg/L。