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研究生:江晃榮
研究生(外文):Jiang, Huang-Rong
論文名稱:由纖維質碳水化合物的生物轉化生產液態燃料之研究
指導教授:蘇遠志蘇遠志引用關係
指導教授(外文):Su, Yuan-Zhi
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:農業化學研究所
學門:農業科學學門
學類:農業化學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1983
畢業學年度:71
語文別:中文
論文頁數:349
中文關鍵詞:纖維碳水化合物料料液態燃料生物轉化農業化學
外文關鍵詞:AGRICULTURECHEMISTRY
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本論文主要探討利用纖維質碳水化合物生產液態燃料之仃行性,實驗內容分為三部份

第一部份:直接醱酵法:
本實驗係以纖維質原料,利用高溫嫌氣性纖維素分解菌 Clostridium thermocellum
及 Cl. thermohydrosul furicum 探討以宜接醱酵法生產酒精(乙醇)之可行性。
利用化學變異誘導劑NTG與EMS處理及紫外線照射對 Cl. thermocellum S-7 及
Cl. thremohydrosul furicum ATTC 27450 兩株加以誘導變異,結果獲得 105
株纖維素分解力較強之變異株,經再次篩選得乙醇量高、有機酸產量低之變異株 Cl.
thermocellum NTU-019 。此菌株以 Solka floc 做為碳源,經培養 90 小時後
在每一公升含有 26.7 g 之 Solka floc 培養液中,可得 5.75 g 之乙醇。進一步由
變異株中篩選出 Cl. thermocellum NTU-051 ,此菌株可產生較多量之醋酸及少
量乙醇,在每一公升含有 30 g 之 Solka floc 培養液中可得 13.5 g 醋酸及 2.2
g 乙醇。
以電子顯微鏡可觀察在酵酵期間 Cl. thermocellum NTU-019 於纖維質原料上分
裂、生長之性形,但細胞形態上並無特殊變化。
探討 Cl. thermocellum NTU-019 代謝利用纖維質碳水化合物之結果,發現與糖
化有關之酵素有細胞外酵素(包括β1.4-endo 與 β- glucosidase)。此菌株
利用葡萄糖時,與醣解作用有關戈久酵素均可測出其活性,可見其代謝係經由 Embde
- Meyerhof pathway 。其 pentose phosphate pathway 因缺乏 transketolase 及
transaldolase 二種酵素,所以無法利用五碳糖。
將 Cl. thermocellum NTU-019 之粗酵素液利用氯化鋅進行鹽析,再經限外過濾
可得部份精製之酵素,並以此部份精製酵素探討酵素之一些理化學性質。
利用海藻酸將五碳糖利用菌Cl.thermohydrosulfuricum 之菌體加以固定,並以三
段式錐形反應器之連續操作探討利用五碳糖醱酵生產乙醇之可行性,結果發現在12
小時之滯留時間下可由3%之木糖生成4.15g/l 乙醇。
第二部份:二段式醱酵法
纖維質原料糖化之兩大關鍵技術為纖維素分解酵素之大量生產以及纖維素基質之前處
理。
纖維素分解酵素生產成本占糖化成本之最大部分,為求減低成本必須篩選強力之酵素
生產變異株。本實驗首先以電子顯微鏡觀察 Trichoderma reesei QM 9414 細胞之微
細構造,並探討纖維素分解酵素之生成與存在部位。研究結果顯示,在細胞生長期間
,纖維素分解酵素是結合在細胞下,而在醱酵初期利用結合在細胞表層上之酵素,藉
與纖維素之直接接觸而將之分解。
本實驗以T. reesei QM 9414 為母桂,以人工誘變方法獲得 T. reesei NTU -388
及 NTU-212兩變異株,再經第二次誘導處理獲得 T. reesei NTU-388-51 在最佳培養
條件下,其濾紙活性可達 3.0 FPU/ml ,為母株之2.3倍,而C酵素活性為25 I
U/ml,為母株之3.5倍。
蔗髓和稻瞉為臺灣纖維質廢棄物之最大宗原料,若能將其生物分解製造液庀燃料,將
可紓解部分能源短之壓力。本實驗中探討兩者之前處理方法,以求提高酵素用力。結
果蔗髓以13.7%NaSO,稻瞉以5%NaOcl處理最佳。
T. reesei 系纖維素分解酵素之成份複雜,其純化不易本研究中對純化方法作初步探
討,經硫銨鹽析,Sephadex C-75 膠質過濾,限外過濾,Avicel 親和性柱層及DEAE-
Sephadex A -50 離子交換柱層之處理後,大致可將 exoglucanase 和 endogluacana
se 作一區分,並建立一初步純化程序。
第三部份:固定化菌體之利用
甜高梁由莖壓榨所得汁液,其糖度依天候、土壞、栽培方式及收穫期而異,主含蔗糖
,另有葡萄糖及果糖。此汁液可供 Zymomonas mobilis B-906 與 Saccharomyes for
mos ensis 進行連續醱酵,在裝液量1.2l,30℃,初 pH 值 5.0 ,攪拌速率 300 rp
m ,不通氣,稀釋率為5.3g/l/hr之條件下,其乙醇產率為5.3g/l/hr,對基質之山醇
收率為 99% ,乙醇濃度為 2.4% (W/V)。
將 Z.mobilis B-906 及 S. formosensis 行菌體固定化並以固定化菌體使用纖維質
原料之糖化液與葡萄糖進行乙醇,醱酵之研究。
Z.mobilis B-906 之基質消耗速率與乙醇生產速率比 S. formosensis 較高但細胞濃
度卻較低。對此兩菌株之培養基可使用硫銨及尿素作為氮源。兩菌株分別以洋菜、鹿
角菜、丙烯胺及海藻酸固定菌體,結果以鹿角菜及海藻酸之效果較佳,其製備方法則
以增殖菌體固定法所得之乙醇收率較。高為了探求醱酵工程之最佳參數,將固定化菌
體於不同溫度、 pH 值與膠體濃度下進行分批式乙醇醱酵,並與未加以固定之菌體相
比較,結果乙醇產率以固定化者較佳。
以 T.reeser NTU-388 分泌之酵素糖化纖維質原料,並測定糖化過程中纖維素結晶性
之變化。將微粒狀纖維素與蔗髓(已去除木糖)之糖化液及葡萄糖分別使用 z.mobil
is B-906 之固定化菌體行乙醇醱酵可得相似結果。利用 Z.mobilis B-906 之固定化
菌體進行乙醇醱酵,其操作穩定性超過四個用。將固定化菌體裝於反應器中進行乙醇
之連續醱酵,其醱酵率高達 95% ,乙醇生產率為 48g/l/hr。
以掃瞄式電子顥微鏡觀察固定化菌體在膠體內之分佈情形,若以生活細胞方式加以固
定,則菌體會均勻散佈於膠體內若以增殖細胞方式固定,則菌體會分佈於近膠體表面
處。
目次
第一章 緒言
第一節 生質能源
第二節 生質之轉化技術
第三節 纖維素資源之利用
第四節 纖維質碳水化合物之生物轉化(直接醱酵法)
第五節 纖維質碳水化合物之生物轉化(二段式醱酵法)
第二章 實驗材料與方法
第一節 使用菌株及培養方法
第二節 變異株誘導分離與篩選
第三節 細胞形態之利用
第四節 菌體之固定化
第五節 Clostridium屬菌種利用纖維質碳水化合物之代謝途徑
第六節 纖維素基質之前處理與糖化
第七節 酵素之純化
第八節 分析方法
第三章 結果與討論
第一節 利用直接醱酵法以纖維質碳水化合物為原料生產乙醇
第二節 利用直接醱酵法以纖法以纖維質碳水化合物為原料生產醋酸
第三節 C1.thermocellum培養過程中細胞形態之觀察
第四節 以半纖維素為原料利用直接醱酵法生產乙醇
第五節 C1.thermocellum NTU-019細胞外纖維素分解酵素之純化
第六節 T.reesei之形態變化與酵素分泌之關係
第七節 T.reesei之菌種改良
第八節 T.reesei NTU 388-51之酵素生產與純化
第九節 纖維質碳水化合物之前處理與糖化
第十節 糖質原料之酒精醱酵
第十一節 利用固定化菌體之乙醇生產
第四章 結論
中文摘要
英文摘要
第五章 參考文獻
謝誌
研究生個人資料
口試合格證明
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