功能性高分子材料報告 利用棉花纖維素酸化降解糖為基質進行生物產氫

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1 功能性高分子材料報告 利用棉花纖維素酸化降解糖為基質進行生物產氫
Fermentative hydrogen production by the sugars from acid hydrolysis of cotton cellulose materials 班級:化材四乙 學號:4A040102 姓名:丁于真 逢甲大學化學工程系碩士論文 指 導教授：吳石乙 研 究 生：蔡俊宇

2 目錄 緒論 簡介 實驗步驟 結果討論 參考文獻

3 緒論 近年來，地球氣候的變遷越來越嚴重，夏季酷熱，冬季氣候更是 怪異，氣候嚴重變遷的主因是大量的二氧化碳產生造成的溫室效 應。 人類越來越依賴能源所帶來的便利，使得對能源的需求日益 劇增，以及人口的迅速增加，加速化石能源的消耗，造成化石能 源日益枯竭。 全世界研究學者都在積極尋找不會造成汙染且易取得的替代能源。 再生能源為地球上大自然的能量經轉換的能源，由於可再生利用 且不會造成汙染，因此再生能源為全球學者研究的重點。

4 介紹 生物氫氣被視為乾淨且能替代化石燃料的綠色能源。目前 氫氣可以利用纖維素經由生物技術製造出，其為再生能源 之一。本研究分三個部分：
1. 利用濃硫酸進行棉花纖維素水解 2. 以離子交換樹脂去除硫酸根離子 3. 利用棉花纖維素水解產物進行醱酵產氫實驗。 由本實驗發現，利用強酸水解棉花纖維素並以離子交換樹 脂去除硫酸根離子，其水解產物進行生物產氫是可行的。

5 實驗步驟 批次生物厭氧產氫實驗裝置如圖3-1 所示，棉花纖 維素水解基質放於錐形瓶中，並加入培養基質及無 機鹽，錐形瓶放置在恆溫振盪水槽中，恆溫控制在 37℃；產生之氣體經由排水集氣裝置收集並測量氣 體產量，並在錐形瓶口處之三通閥抽取氣體作氫氣 濃度檢測；實驗完成後，取出菌液作液相代謝物檢 測及菌重分析圖。

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7 棉花纖維素水解 酸水解反應器如圖3-2 所示，配製55 % 硫酸並加入脫脂 棉花置於應器內，放置磁石加熱攪拌器上並攪拌。利用 強酸打斷纖維素中葡萄糖分子組成的長鏈分子結構，進 而使纖維素由高分子水解成單糖或雙糖等小分子醱酵糖， 達到微生物可吸收利用的效果。 本實驗以硫酸為主要水解溶液進行探討。先配製55 % 硫酸，棉花濃度分別是30 g/L、40 g/L、50 g/L、60 g/L 以及70 g/L，反應溫度27℃、35℃、40℃、45℃、 50℃，反應體積為100 mL 進行水解反應，每20 mins 取樣一次，以DNS 法測出其降解還原糖濃度。

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9 離子交換 因本實驗水解方法是使用濃硫酸進行水解，破壞纖 維素結構使纖維素水解單糖或雙糖等小分子醱酵糖， 達到微生物吸收利用。由於本實驗利用強酸水解纖 維素，在水解完成後的產物中含有很多的硫酸根離 子，使本實驗水解完成的醱酵糖不能被微生物所利 用。因此本實驗利用離子交換樹脂去除硫酸根，離 子交換裝置如圖3-3 所示。

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11 減壓濃縮裝置 棉花纖維素經由濃硫酸水解，再稀釋通入離子交換 裝置，由於經過稀釋所得的水解產物濃度過低，無 法進行產氫醱酵實驗，因此必須再經過濃縮步驟， 將最終水解產物濃縮至產氫醱酵實驗所需之濃度。 本實驗所使用的濃縮裝置為減壓濃縮機，減壓濃縮 裝置如圖3-5 所示。

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13 分析方法 還原糖濃度之定量： 還原糖濃度測定最主要是利用 DNS法(Bernfeld, 1955)。含有醛基(CHO)的糖類具 有還原力，能將3,5-二硝基-水楊酸還原成3-氨基- 5-硝基-水楊酸。DNS 法最主要是利用DNS 試劑中 的3,5-二硝基-水楊酸與還原糖之間所起的呈色反應， 作為判斷還原糖多寡的標準。 STEP 1

14 氣體組成分析: 儀器：SHIMADZU GC-14B Gas Chromatograph with TCD
菌重分析：量取10 ml 的菌液，以濾紙過濾，之 後放入105℃的烘箱，經過24 小時後，取出後冷 卻秤重，然後再放入550℃烘箱，經過8 小後，取 出後冷卻秤重，在105℃所得到重量減掉550℃所 得到重量，即可求得菌重。 STEP 2 STEP 3 氣體組成分析: 儀器：SHIMADZU GC-14B Gas Chromatograph with TCD

15 高效能液相層析儀： 儀器：SHIMADZU LC-10AT Liquid Chromatograph with Refractive index (RI) detector
STEP 4 水中硫酸鹽檢測方法－濁度法(中華民國環檢所)：量 取 100 mL水樣或適量水樣稀釋至 100 mL，置於 250 mL 之三角燒瓶。加入 20 mL 緩衝溶液，以磁石 攪拌混合之。攪拌時加入一匙氯化鋇並立刻計時，於 定速率下攪拌 60±2 秒。攪拌終了，將溶液倒入分光 光度計樣品槽中，置於分光光度計內(波長485 nm)， 於 5 ±0.5 分鐘測定其濁度。 STEP 5

16 基質利用率與氫氣產率基質利用率(substrate conversion,%)：產氫醱酵反應器中基質利用之百 分比，利用率越高表示基質轉化率效果佳。
STEP 6

17 棉花纖維素水解產率流程圖

18 結果討論 本研究將棉花纖維素經濃酸水解，水解產物再以離子交 換樹脂除去過多的硫酸根離子，最後以得到之水解產物 進行生物暗醱酵產氫實驗。實驗發現棉花纖維素經濃酸 水解及水解產物進行產氫實驗都有不錯的成果。 本實驗所使用之纖維素材料為棉花，係因棉花含有極 高比例之纖維素成分；然而棉花為經濟作物，以其作 水解原料並不符合經濟效益，亦不切合環保概念。

19 現今的纖維素水解產氫技術已著手研究含較多木質 部之農作物的回收再利用，諸如稻稈、麥稈、玉米 梗之類的農作廢棄物，均可以前處理將其粉碎增加 其接觸面積再進行水解產氫。
此實驗可將原本只能做自然分解之農作廢棄物回收 再利用，不僅考慮到經濟及環保層面，更能有效的 將生質能做全面利用，此目標將是未來有效推動生 質能發展的重大環節。

20 利用微生物為生物觸媒進行生質產氫，以葡萄糖、蔗糖、 澱粉等作為基質碳源已經有很多年的實驗研究經驗，也 有不錯的成果。以這些基質轉換成能源，成本過高，因 此，現今研究已轉換為以纖維素水解產物為基質碳源， 進行生物產氫之研究。 本論文所進行實驗為利用棉花中所含纖維素進行水 解並進行生物產氫之研究，因此對纖維素水解產物 為基質之產氫文獻進行文獻探討及比較。水解的反 應時間相當重要，以減少副產物的生成，並有效的 完全去除硫酸根，可提高產氫表現。

21 結論 本研究將棉花纖維素經濃酸水解，水解產物再以 離子交換樹脂除去過多的硫酸根離子，最後以得 到之水解產物進行生物暗醱酵產氫實驗。實驗發 現棉花纖維素經濃酸水解及水解產物進行產氫實 驗都有不錯的成果。

22 棉花纖維素水解實驗 當硫酸濃度高於55 %，棉花纖維素可以完全溶於 硫酸溶液中。
棉花纖維素利用濃硫酸水解最佳溫度為40 ℃，產 物主要為葡萄醣及纖維二醣，水解轉化率約為 64~73 % 。 水解動力學由本實驗結果推得，棉花纖維素濃酸 水解反應為一級反應。

23 離子交換吸附實驗 由本實驗可發現本實驗所使用之離子交換樹脂可以 有效將水解產物中之硫酸根移除。
以管徑大小及流量為條件，發現本實驗所使用之離 子交換樹脂之吸附速度很快。

24 微生物暗醱酵產氫實驗 由實驗可知，棉花纖維素經濃酸水解之水解產物， 利用於生物暗醱酵產氫是可行的。
初始 pH 控制為5.5，遲滯期有明顯縮短，但由於生 物醱酵產氫液相會產生揮發性脂肪酸，由於脂肪酸 的累積，使得pH 降至4.05，此環境不適合生物生 長，造成產氫表現不佳。

25 參考文獻 thesys.lib.fcu.edu.tw/ETD-search/getfile%3FURN%3Detd %26filename%3Detd pdf+&cd=1&hl=zh- TW&ct=clnk&gl=tw -利用棉花纖維素酸化降解糖為基質進行生物產氫 (蔡俊宇)