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研究生：	蕭茂修 Shiau, Mao-shiou
論文名稱：	以海洋微藻固定CO2並作為生質能源之研究 Bio-fixation of Carbon Dioxide and Bio-energy Production with Marine Microalgae
指導教授：	朱信 Chu, Hsin
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 環境工程學系 Department of Environmental Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	163
中文關鍵詞：	洋微藻、質能源、室效應、二氧化碳
外文關鍵詞：	Bio-energy, Global warming, Carbon dioxide, Seawater microalgae
相關次數：	點閱：139 下載：18
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溫室氣體造成全球暖化的問題日益嚴重，其中二氧化碳之貢獻度最大，因此針對二氧化碳排放之減量為減緩全球暖化的主要目標。本研究之目標有三：(1) 模擬吸收塔捕捉二氧化碳形成之無機碳溶液作為藻類光合作用的碳源；(2) 模擬未被吸收塔捕獲之二氧化碳氣體為藻類光合作用所需之碳源；(3) 討論各種培養條件下藻體內所含生質能源的組成。海洋微藻被認為是解決全球暖化問題的最主要角色，這是因為海洋微藻具有高光合效率。因此本研究篩選海洋微藻作為本研究主要材料。
本研究以自行篩選出來的MN41與ASN41為主要研究對象。以分子生物方法進行鑑定時，分別以16S12、CS12、CS34NS12及18S12五組引子，偵測限制片段長度。MN41僅有引子18S12可成功地測定出限制片段的長度，而經由18S12放大之序列，進行資料庫比對，可判定藻種MN41應屬Nanochlorum sp.之可能性最大。而ASN41尚無法成功鑑定。
將MN41及ASN41以管柱之光合反應器進行批次及半連續式培養，工作體積為1 L。而模擬之碳源吸收液中，以添加碳酸氫鈉為碳源；光照強度固定為 5,500 Lux，全天照光；針對不同pH值、不同起始無機碳源濃度、不同起始無機氮源及不同曝氣濃度為實驗參數，探討微藻之生長情形。
以不同pH值為操作變因之實驗中，藻種MN41於pH = 7時呈現出較佳之生長狀況；而ASN41則在pH = 8時生長情形表現較佳。藻類生長得越好，具優勢之生質能源含量也越高。
在氮源濃度不受限制之不同起始無機碳源濃度條件下，隨著所添加之碳源初始濃度越高，MN41中lipid含量越高，最大值為33%；而ASN41則是carbohydrate隨之增高，最大值為32%。在不同初始氮源濃度而碳源不受限制之實驗中，兩藻類生成的carbohydrate含量隨著氮源受限制而明顯增加，且均高於40％。由Monod equation分析可得到以下二式：
與 for MN41
與 for ASN41
由式子中可發現MN41相較於ASN41，其對於碳源之親和性亦較高，而對氮源之親和性差異不大。
以不同CO2曝氣濃度為變因之實驗，雖然10% CO2培養下，ASN41所生長的biomass最多，但15% CO2的培養條件下無法生長，較不利於直接曝以煙道氣培養。反觀MN41，能在一般煙道氣所排放之CO2濃度(10-20%)下生存。在生質能源之分析方面，carbohydrate含量以MN41在10% CO2培養下最大(36%)，lipid含量則以ASN41在10% CO2培養下最大(22%)。但此組實驗之氮源濃度皆未受限制。

It is necessary to eliminate CO2 emissions for the mitigation of global warming. This study can be divided into three parts as follows: (1) performance of algal photosynthesis with dissolved inorganic carbon (DIC) simulated for CO2 absorber, (2) performance of algal photosynthesis with CO2 from the effluent of item (1), and (3) assessment of the bio-energy potentials under various culture conditions. Microalgae isolated from seawater were taken as the candidates in this study due to their higher photosynthetic efficiencies than terrestrial plants.
Two species, MN41 and ASN41, were isolated from Hsin-Ta Port in southern Taiwan and identified with the molecular biological approach. The results of identification revealed that MN41was close to Nanochlorum sp. but ASN41 was not identifiable to date via this approach.
The parameters of MN41 and ASN41 under batch or semi-continuous culture in the photo-bioreactor (work volume was 1 L) were listed as follows: initial concentrations of carbon source by adding sodium bicarbonate or bubbling CO2; initial concentrations of nitrate; pHs; constant light intensity (5,500 Lx) with no night time.
Regarding to the effects of pHs, MN41 revealed the optimum growth rate and bio-energy potential at pH 7 and ASN41 at pH8.
Regarding the effects of DIC concentrations under no limitations of nitrogen, the contents of lipid of MN41 increased as DIC concentrations increased (Max., 33%) and the contents of carbohydrate of ASN41 increased as DIC concentrations increased (Max., 32%). Regarding to the effects of DIC concentrations under limitations of nitrogen, the contents of carbohydrate of both algal species increased in N-limition condition and both increase were all above 40%. Two multiplicative Monod equations of MN41 and ASN41 were listed below, respectively:
and for MN41
and for ASN41
According to these two equations, the affinity constant of DIC of MN41 were larger than ASN41. But the affinity constants of nitrate of these two species were similar.
Regarding to the effects of CO2 concentrations with bubbling, the results revealed that ASN41 was not good for eliminating CO2 from flue gas due to its death under 15% CO2 bubbling even though its productivity was the maximum under 10% CO2 bubbling. For the case of MN41, it can grow well ranging from 10 to 20% of CO2 bubbling and is suitable for elimination of CO2 form flue gas. Regarding to the bio-energy potential, 36% of carbohydrate of MN41 and 22% of lipid of ASN41 under 10% CO2 bubbling were the maxima under no limitations of nitrogen.

摘要	I
ABSTRACT	III
目錄	A
表目錄	E
圖目錄	G
第一章 前言	1
1-1 研究動機	1
1-2 研究目的	6
第二章 文獻回顧	8
2-1 全球暖化	8
2-1.1	溫室氣體	8
2-1.2	二氧化碳的減量及處理辦法	11
2-2 二氧化碳處理方式介紹	12
2-2.1	物理處理法	12
2-2.2	化學處理法	13
2-2.3	生物處理法	17
2-3 酸鹼平衡	20
2-3.1	酸鹼平衡計算法	20
2-3.2	酸鹼平衡圖解法	20
2-4 生質能	23
2-5 藻類	26
2-5.1	微藻	26
2-5.2	光合作用	27
2-5.3	影響藻類生長之環境因子	33
2-5.4	藻類的分類及鑑定方法	36
2-5.5	生長曲線及測定	39
2-5.6	生長模式簡介	40
2-6 培養環境探討	43
2-6.1	培養系統	43
2-6.2	生化反應器的介紹	44
第三章 實驗方法與實驗設備	48
3-1 實驗流程	48
3-2 反應器設計	49
3-3 實驗藥品、器材及分析設備	52
3-3.1	培養基藥品清單	52
3-3.2	其他藥品	52
3-3.3	鑑定實驗設備	52
3-3.4	曝氣實驗設備	52
3-3.5	周邊設備	53
3-3.6	樣品分析設備	54
3-3.7	其他實驗設備	55
3-4 實驗藻種來源	56
3-4.1	藻種純化及培養	57
3-5 藻種保存與增量	58
3-5.1	低溫保種	58
3-5.2 	一般保種	58
3-5.3	放大培養及藻體前處理	59
3-6 掃瞄式電子顯微鏡之觀察(SEM)	59
3-6.1	樣品前處理	59
3-6.2	樣品之觀察	59
3-7 萃取DNA及聚合酶連鎖反應(PCR)	60
3-7.1	DNA萃取及定量	60
3-7.2	聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction；PCR)	61
3-7.3	電泳分析	62
3-8 DN定序與分析方法	64
3-8.1	DNA定序	64
3-8.2	演化分析方法	64
3-9 預備工作及輔助實驗	65
3-9.1	微藻的藻密度	65
3-9.2	小量活性培養	66
3-9.3	批次培養	67
3-9.4	批次實驗的準備工作	72
3-9.5	曝氣實驗的準備工作	72
3-9.6	取樣	73
3-10 生質體組成分析	75
3-10.1	總脂質量（lipid）分析	75
3-10.2	碳氫化合物（carbohydrate）分析【Hellebust, 1978】	75
3-10.3	蛋白質（protein）分析【Hellebust, 1978】	75
第四章 結果與討論	78
4-1 藻體篩選	78
4-1.1	選擇性培養基篩選	78
4-1.2	篩選藻體型態鑑定	78
4-1.3	微藻的選擇	82
4-1.4	微藻的特性波長之選擇	82
4-3 在不同PH值下微藻的生長狀況及組成變化	84
4-3.1	MN41	84
4-3.2	ASN41	91
4-3.3 生質能源之萃取與組成探討	98
4-4 在不同碳源濃度下微藻的生長狀況	100
4-4.1	MN41	100
4-4.2	ASN41	106
4-4.3	生質能源之萃取與組成探討	112
4-5 在不同氮源濃度下微藻的生長狀況	114
4-5.1	MN41	114
4-5.2	ASN41	121
4-5.3	生質能源之萃取與組成探討	126
4-6 在不同CO2曝氣濃度下微藻的生長狀況	129
4-7 藻體分子鑑定	138
4-8 研究成果比較	146
 
第五章 結論與建議	150
5-1 結論	150
5-2 建議	153
參考文獻	154
                                    

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校內：2008-07-10公開
校外：2008-07-10公開

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