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系統識別號 U0026-0812200912005258
論文名稱(中文) 以高溫高鹼度環境培養微藻固定模擬吸收塔之吸收液中CO2之研究
論文名稱(英文) The carboxylation in the simulated absorbed solution from wet scrubber with photosynthesis of algae under alkaline and thermal conditions.
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 環境工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Environmental Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生(中文) 李文哲
研究生(英文) Wen-Jhe Li
學號 p5693119
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 113頁
口試委員 口試委員-黃良銘
口試委員-余世宗
指導教授-朱信
口試委員-張清俊
中文關鍵字 固定二氧化碳  溫泉藻  光合作用  高溫高鹼度 
英文關鍵字 thermal  alkaline  carbonxylation  CO2 fixation  spring algae  photosynthesis 
學科別分類
中文摘要 全球溫室效應對於氣候變遷的影響,已被全世界各國所重視,為了防止其繼續惡化,最重要的課題便是減少溫室氣體的排放。在上述的溫室氣體中,二氧化碳雖然不是造成溫升能力最強的一種,但因人類社會大量使用化石燃料,造成其排放量不斷上升,故在總升溫影響力中,二氧化碳一項便佔了一半以上,因此針對二氧化碳排放的減量,是溫室氣體減量的主要目標。本研究希望以模擬之鹼性吸收塔的二氧化碳吸收液為藻類的碳源,藉由藻類行光合作用,以自然的方法進行固定二氧化碳。又考慮將來在實務應用上的條件,因此選用高溫、高鹼度的環境,作為本研究主要探討之目標。

本研究以本實驗室自行篩選出來的溫泉藻為主要研究藻種、取自東港水產試驗所的擬球藻為比較藻種。此類微藻培養所使用之光生化反應器為本研究室自行設計,工作體積為1 L。而模擬之二氧化碳吸收液中,以碳酸鈉為碳源;光照強度固定為 10,000 Lux,全天照光;針對不同pH值、不同培養溫度、以曝氣提供碳源或以不同的起始碳源濃度為實驗參數,觀察微藻之生長狀況。

由自由培養實驗,可以知道溫泉藻在50℃的高溫下,可以耐受到pH接近12;而擬球藻則是在溫度25℃的環境下,耐受到pH 9.7左右。接著以固定不同pH值為培養參數:溫泉藻在50℃、pH=7、9.5的生長狀況差異不大,最大藻密度約642 mg/L,比生長速率約2.03 d-1;擬球藻則是在40℃、pH=7、8.5下生長狀況相似,最大藻密度值為425 mg/L,比生長速率則有2.09 d-1。

在以溫度為變因的實驗中,溫泉藻在40~55℃的範圍內,有良好生長狀況,且溫度越高,溫泉藻對碳的利用效率越好,比生長速率也越高,最大藻密度值為709 mg/L,比生長速率達3.56 d-1,其溫度對於基質消耗速率的影響,可用 = 2.31‧(1.024)T-40表示。擬球藻無法生長在50℃的環境,在室溫及40℃環境下培養,其藻密度值、比生長速率均差異不大,可知溫度的因子對擬球藻所造成之影響,不像溫泉藻那麼大。

以不同的碳源提供方式做為實驗因子,溫泉藻最高可以忍受曝入20% CO2的實驗條件;在20% CO2的條件下,溫泉藻需先經過100小時的遲滯期,以適應此一環境,最後的藻密度值可高達到達2,608 mg/L;又在10% CO2的條件下,溫泉藻則是可以直接開始生長,培養60小時後有最大藻密度1,437 mg/L,在上述的兩組實驗中,最後是氮源的耗盡造成限制其生長的主要原因。擬球藻則是只能忍受到8% CO2操作條件,其在曝氣濃度在8%以下時,擬球藻有良好之生長狀況,在8% CO2曝氣組,有觀察到30小時之遲滯期,之後則以相對較快之比生長速率生長。

針對給予不同碳源(碳酸鈉)濃度之實驗,溫泉藻的最大藻密度值會隨著給予的碳量增加而上升,在添加10 g碳酸鈉這一組,可生長到1,505 mg/L,且經過額外再添加10,000 Lux光照後,更可繼續上升到1,693 mg/L的濃度,可知在此條件下,光照的限制,將是影響藻密度值的因子之一。在比生長速率上,添加1 g碳酸鈉有最大之比生長速率,可知若以最大比生長速率為考量,添加1 g碳酸鈉將是最適合之選擇。將上述數據以Aquasim軟體作最佳化,可得相關之動力參數。

為降低鹽酸的添加,減少氯離子抑制作用的影響力,則使用碳酸鈉混合碳酸氫鈉調整起始的培養基pH值,且碳源濃度等同之前以碳酸鈉為碳源之實驗。各組的比生長速率隨著碳源添加量增加而上升,最大可達3.87 d-1,比基質利用速率亦增加,最大為0.087 h-1,可知氯離子濃度確實會對微藻生長產生一定之影響。




英文摘要 The global influence on climate changes of greenhouse effects, has already been paid attention to by the whole countries all over the world. In order to prevent our environment getting worse, the most important subject is to decrease the discharge of greenhouse gases. Though carbon dioxide does not contribute the most powerful greenhouse gas leading to greenhouse effect, it has the largest emission. Therefore, in all intensify parameter, cabon dioxide accounts for 55%. That is the reason why many researches focus on the decrease of carbon dioxide emission. In this study, we focus on the carboxylation for simulated absorbed solution from the alkaline wet scrubber with photosynthesis of algae under alkaline and thermal conditions.

The algae species was purified from hot springs and can thrive under alkaline and thermal conditions. To compare with spring algae, we take the sea algae, named Nannochloropsis oculata, from Fisheries Research Institute (Dung-gang Branch). The photo-bioreactor was designed by our laboratory, and it’s work volume is 1 liter. We use Na2CO3 to simulate carbon dioxide. The light intensity is 10,000 Lux, and always illuminate the reactor. We take different pH, temperature, concentration of carbon, and different carbon source as batch parameter in the experiment.

In “Free Culture” test, the growth of spring algae near to pH 12 is observed under 50℃ and sea algae goes to pH 9.7 under 25℃. As a result, we can understand the limitation of algae on alkaline condition. Then, the parameter of “Different pH Condition” test is set as pH=7、9.5、11 (spring algae) and pH=7、8.5、9.5 (sea algae). The growth of spring algae under steady pH=11 was unapparent. It had maximal cell density 642 mg/L and the maximal growth rate of spring algae was 2.03 d-1. On sea algae culture, pH=7 and pH=8.5 had similar growth curve. The maximal cell density, appeared on pH=7, had 425 mg/L, and maximal growth rate was 2.09 d-1.

In “Different Temperature Condition” test, spring algae cultured on 40, 55℃ and compared with 50℃. The max cell density has a little increase (709 mg/L), and the specific growth rate rise with temperature. The higher temperature we test, the larger specific growth rate (3.56 d-1), and higher utilization of carbon source can be observed. The relationship between temperature and substrate utilization can be expressed as =0.283(1.07)T-9.66. Sea algae can not surviv at 50℃, but it has similar maximal cell density and specific growth rate under 40℃. The maximal cell density is 394 mg/L and max growth rate is 1.97 d-1. It has the same situation on spring and sea algae, that is the higher temperature environment makes higher specific growth rate on algae.

In “Different Carbon Source” test, we bubble different concentration of CO2 gas as carbon source. The spring algae bubble 10%、20%、40% CO2 gas (v/v) for experiment, and it can survive till 20% CO2 after a 100 hours lag phase. The maximal cell density was observed more than 2,600 mg/L and the nitrate source become main limitation of algae growth. It has the same situation on sea algae. We bubbled air、5%、8%、10% CO2 gas as sea algae carbon source. The maximal specific growth rate was observed on the parameter of bubbling air and it had 2.60 d-1. The limit of CO2 concentration was 8%, and a 36 hours lag phase was observed.

In “Different Initial Carbon (Na2CO3) Concentration” test, we focused on spring algae and set five different carbon concentrations. It was 0.5、1、3、5、10 g Na2CO3 per liter. We found the higher carbon concentration we added, the more max cell density we observed. We can get 1,505 mg/L cell density on 10 g experiment, and after adding additional light (10,000 Lux), we can even measure 1,693 mg/L cell density. From the result, we know that the limitation of high concentration carbon source experiment is light intensity. The maximal growth rate in this experiment was 2.95 d-1 and it was observed on 1 g/L concentration. We use “Monod equation” to simulate the relation of carbon concentration and specific growth rate, and we can get μmax=1.666 d-1, Ks=-12.388 mg/L.




論文目次 總 目 錄

摘 要 I
Abstract III
總 目 錄 V
表 目 錄 IX
圖 目 錄 XI
第一章 前言 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 4
第二章 文獻回顧 5
2-1 溫室效應 5
2-1.1 溫室氣體 5
2-1.2 二氧化碳的減量及處理辦法 9
2-2 二氧化碳處理方式介紹 10
2-2.1 物理處理法 10
2-2.2 化學處理法 11
2-2.3 生物處理法 14
2-3 酸鹼平衡 16
2-3.1 酸鹼平衡計算法 16
2-3.2 酸鹼平衡圖解法 16
2-4 培養環境探討 19
2-4.1 培養系統 19
2-4.2 生化反應器的介紹 20
2-5 藻類 23
2-5.1 微藻的基本介紹 23
2-5.2 光合作用 23
2-5.3 生長因子探討 29
2-5.4 生長曲線及測定 32
2-5.5 生長模式簡介 33
第三章 研究方法 40
3-1 藻類培養流程 40
3-2 反應器設計 41
3-3 實驗藥品、器材及分析設備 44
3-3.1 培養基藥品清單 44
3-3.2 其他藥品 44
3-3.3 曝氣實驗設備 44
3-3.4 周邊設備 45
3-3.5 樣品分析設備 46
3-3.6 其他實驗設備 47
3-4 實驗藻種來源 48
3-5 預備工作及輔助實驗 49
3-5.1 低溫保種 49
3-5.2 一般保種 49
3-5.3 微藻的特性曲線及檢量線(吸光度V.S.藻密度)製作 49
3-5.4 批次實驗的準備工作 50
3-5.5 曝氣實驗的準備工作 51
3-5.6 微藻自由培養(未控制pH值) 52
3-6 實驗方法及步驟 53
3-6.1 小量活性培養 53
3-6.2 批次培養 54
3-7 取樣 58
第四章 結果與討論 59
4-1 預備實驗 59
4-1.1 微藻外觀及型態 59
4-1.2 微藻的特性波長之選擇 60
4-1.3 微藻吸光度與藻密度之檢量線 62
4-2 微藻之自由培養 64
4-2.1 溫泉藻 64
4-2.2 擬球藻 64
4-3 在不同pH值下的微藻生長狀況 67
4-3.1 溫泉藻 67
4-3.2 擬球藻 73
4-4 在不同溫度下的微藻生長狀況 74
4-4.1 溫泉藻 74
4-4.2 擬球藻 80
4-5 以不同碳源提供方式下培養微藻 82
4-5.1 溫泉藻 82
4-5.2 擬球藻 84
4-6 在不同起始碳源濃度下的溫泉藻生長狀況 89
4-6.1 以碳酸鈉為碳源 89
4-6.2 以碳酸鈉混合碳酸氫鈉為碳源 96
4-7 溫泉藻與擬球藻適合應用之範圍推估 102
4-8 研究成果比較 103
第五章 結論與建議 105
5-1 結論 105
5-2 建議 107
參考文獻 108
附錄一、培養微藻之培養基 A
附錄二、以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀測之照片 B
附錄三、以離子層析儀(IC)定量之檢量線 C
附錄四、氣體進流量之檢量線 D
自述 E

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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2007-07-27起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2008-07-27起公開。


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