批式反應器中丙酮的生物降解.doc

陳俊延 許梅娟 批式反應器中丙酮的生物降解批式反應器中丙酮的生物降解陳俊延 許梅娟 成功大學化工系所Biodegradation of Acetone in Batch ReactorChun-Yen Chen Mei-Jywan SyuDepartment of Chemical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan 70101, R.O.C.摘要本研究主要是以生物降解 (biodegradation) 的方式探討微生物降解丙酮的能力。最初是篩選具丙酮處理能力的菌種，找尋最佳微生物培養條件，然後將微生物固定於載體上 (如柱狀活性碳、有機培養土)，來探討游離以及固定化菌種對丙酮行生物降解之影響。並以SEM觀察微生物經過固定化以及在游離狀態下的表面形態。截至目前已篩選到一株在丙酮濃度4000 ppm下仍可存活的菌種，並且將此菌種進行改良使其在低碳、低氮源下亦可存活。添加較高濃度之丙酮使菌體濃度較之未添加者提高2倍，並對丙酮具有降解現象，故證實了此菌種為丙酮降解菌。除此之外，亦以此菌種進行批式反應的試驗，其中以柱狀活性碳為載體的固定化微生物對丙酮之降解能力最佳，其次是以有機培養土為附著載體的微生物，效果最差的為沒有固定化的微生物，顯示選擇適當的載體不但可以提高菌體生長密度而且亦可加速生物降解丙酮的效率。關鍵詞：丙酮、生物降解、柱狀活性碳、有機培養土_許梅娟 成功大學化學工程所教授Tel: (06) 2757575轉62631E-mail:陳俊延 成功大學化學工程所博士班學生第七屆生化工程研討會論文集1. 前言近幾年來，台灣由於電子產業蓬勃發展，使得一些有機溶劑如：丙酮 (acetone)、丙醇 (propanol)、異丙醇 (isopropanol)、丁酮 (methyl ethyl ketone) 等高揮發性有機溶劑的用量逐年增加，然而針對這些有機廢棄物的處理，台灣的環保法規並沒有隨著晶圓科技的進步而有所改變，故造成環境上很大的衝擊，現今台灣電子產業處理揮發性有機污染物的方法有活性碳吸附床、生物處理法、沸石轉輪濃縮焚化爐、濕式洗滌塔、冷凝回收等方法 1-3。若高劑量的丙酮在自然界中存在，不小心經由口、嘴攝入，或經由皮膚、眼睛接觸，都會對人類的健康產生影響 4。電子產業處理丙酮的方法大多直接採用活性碳吸附。由於活性碳表面具有相當多的孔洞結構，且其比表面積在500 m2/g以上，表面僅附著少量化學鍵結性的氫與氧，故為疏水性的表面 5，以致於對苯環類以及丙酮而言是效果相當良好的吸附劑 6。雖然生物處理有機污染物的文獻報導至今不勝其數，但是截至目前為止，對丙酮處理之相關文獻報導相較於其他有機物質尚屬少數，而其中以生物處理法進行及探討其代謝機制者則更少 7。若以物理吸附法進行丙酮之處理，則成本相對上較高且其處理效果有限，因此本研究結合微生物分解與物理吸附兩種處理方式來提高對丙酮之去除效率。本研究已成功地篩選到一株可在4000 ppm丙酮環境下存活的微生物，並且找到最佳微生物培養條件，更進一步將此微生物固定化以探討對丙酮降解的影響。2. 材料與方法2.1菌種來源本研究所使用的菌種是自工業廢水中篩選而得到，廢水是來自台南縣永康工業區廢水處理廠，經過一系列微生物培養條件的改變，進而篩選到一株可以存活在丙酮濃度約4000 ppm的菌種。2.2 液體、固體培養基取100 mL去離子水加入2.0 g/L glucose，以及0.5 g/L yeast extract，待其溶解之後，進行滅菌，此即為液體培養基；固體培養基組成與液體培養基的組成相同，只是在固體平板培養基中多加入10 g/L agar洋菜粉，此即固體培養基的組成。2.3 丙酮濃度之測量丙酮的濃度主要藉由氣體層析儀來測定，以80/100 Carbopack B/3% SP-1500作為管柱充填材料，以FID為偵檢器，而column的初始溫度設為70，升溫速率為2/min，最終溫度設為150，injector 以及 detector的溫度皆設為200，carrier gas為氮氣，以C-R6A Chromatopac為積分器，每次打入氣體層析儀的樣品量為2.0 mL。2.4 菌體濃度的測定本實驗所篩選出的微生物，在經過五天的培養後，將菌體液做適當稀釋，以分光光度計進行吸光值測定，吸收波長設為450 nm。本文中之生長曲線皆是以生長曲線皆是以菌體濃度之吸光值代表，吸光值之直線範圍是在0.8以下。2.5 批式試驗 分別取5.0 g柱狀活性碳以及5.0 g有機培養土先進行前處理，置入錐形瓶中，加入含2.0 g/L glucose以及0.5 g/L yeast extract的液體培養基，滅菌後加入10 mL前培養之菌體液，將此錐形瓶置於30、100 rpm的恆溫振盪水槽中進行生物降解試驗，每24小時取樣一次，以氣體層析儀測量丙酮濃度變化情形，並且記錄初始以及最終的菌體濃度以及pH值。3. 結果與討論3.1 微生物生存環境的改變原本微生物只能生存在需添加10.0 g/L glucose，以及5.0 g/L yeast extract的培養基中，在經過一系列的改變培養環境，此菌種已能夠存活在低碳、低氮源的培養基中，也就是可存活在2.0 g/L glucose以及0.5 g/L yeast extract之培養液，此菌種的篩選與改良對往後實廠處理將有相當大的幫助。3.2 活性碳、有機培養土之表面結構鑑定將柱狀活性碳以及有機培養土進行表面性質之測定，如表1所示，柱狀活性碳的表面積約是有機培養土的1000倍，而有機培養土的平均孔徑是柱狀活性碳的兩倍，尤其有機培養土之總孔徑體積較活性碳小很多，因此可預見有機培養土必然無法達到良好之吸附效果。以電子顯微鏡放大1000倍觀察其表面結構，如圖1、圖2所示，由圖1可以觀察到柱狀活性碳的表面具有相當多孔洞結構以致於柱狀活性碳具有相當好的吸附效果。有機培養土雖然孔洞頗大，但是由於表面積與總孔徑體積皆甚小，因此吸附效果不佳。3-3 微生物表面形態將篩選所得之菌種經SEM放大1000倍所得的結果如圖3所示，菌種是培養在含有4000 ppm丙酮之溶液中。由圖相中可知此其生長狀態相當良好，單菌之直徑約為3 mm，此菌種呈現圓球狀，是為細菌。因此經由SEM之觀察，即使在4000 ppm丙酮濃度下，此菌種仍然顯現良好之生長狀態。3-4 丙酮對微生物的影響將此菌種植入錐形瓶內，經過6天的培養，其生長曲線如圖4所示，而本實驗主要是使用分光光度計來測定菌體濃度，吸收波長訂為450 nm，1 mL的丙酮是在24小時之後才加入，於24小時的培養之後對液體培養基進行還原糖濃度測定，結果葡萄糖含量降至0，對照圖4更可以發現，當加入丙酮在培養基中，菌體濃度比沒加丙酮的培養基中多了2倍左右，並且在顯微鏡下所觀察的微生物數量亦是沒添加丙酮者明顯大幅的減少，故更加證明此微生物需要丙酮的加入來提供所需的營養源。3-5 批式試驗批式實驗結果如表2所示，表2中說明了實驗初始、最終的pH以及菌體濃度，其中菌體濃度是以吸光值代表。分別是以游離菌體、添加活性碳載體以及添加有機培養土進行比較。載體皆是5.0 g，初始植菌量皆是10 mL前培養菌體液，實驗體積為100 mL。圖5圖7是分別將微生物附著於柱狀活性碳、有機培養土以及游離微生物放大1000倍所觀察之表面結構圖，與圖3微生物的形態圖相比較，可以發現其形態幾乎沒改變，但在圖7中之游離菌體較圖3的來得大。圖8顯示出在前24小時以柱狀活性碳的吸附效果最好，有機培養土以及游離菌種即使在前160小時亦未顯示去除效果，因此可知在初期操作，具有柱狀活性碳的丙酮溶液中，丙酮濃度之快速減少是來自物理吸附之效果，而之後較緩之減少則是生物降解之作用；而游離菌體與含有機培養土載體者之丙酮去除效果是在操作160小時後逐漸顯見，與完全不添加任何微生物之丙酮溶液對照下，可知只要加入微生物，丙酮即有降解效果，也因之有機培養土並未顯現物理吸附能力，同時，微生物對丙酮之降解能力是於160小時以後開始，亦即微生物至少須160小時以由原先之存活環境適應丙酮的環境。最後結果是有機培養土具100% 的丙酮降解能力，游離微生物具有64.5% 的生物降解能力，顯示有機培養土以及游離菌種的培養基中丙酮的降解完全藉由微生物作用。柱狀活性碳在前24小時主要藉由活性碳吸附之後再藉由附著於柱狀活性碳上的微生物進行生物降解，故降解能力最佳，由表2的最後菌體濃度以及柱狀活性碳SEM圖相都可以看出柱狀活性碳上微生物附著量最高，這正說明了柱狀活性碳對微生物以及丙酮而言確實為最佳的吸附載體以致於具有最佳、最快速的生物降解能力。4. 結論 本研究可以歸納出以下三點結論:1.在一系列改變微生物培養環境下，篩選到一株可以存活在低碳、低氮源而且不需添加其他營養源的微生物，此微生物在4000 ppm的丙酮濃度下可以存活。2.空白試驗中有機培養土對丙酮完全沒有吸附能力，使用有機培養土當載體固定菌體進行丙酮之降解，則可達到100% 的降解率，顯示此菌種確實對丙酮具有相當良好的降解能力。3.經批式實驗證明柱狀活性碳對丙酮以及微生物都具有非常良好的吸附能力，以致對丙酮具有最快速以及最佳的降解能力，因此柱狀活性碳對於丙酮具有相當高的負載能力。參考文獻1 楊萬發, “半導體製造業污染防制技術”,經濟部工業局, pp. 37-88, 1995.2T.D. Reynolds and P.A. Richards, Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, EWS Publishing Company, 1996.3N.D. Nevers, Air Pollution Control En- gineering, McGraw-Hill, 1995.4丙酮之物質安全資料表, 網址 /msds/a0446.5蔡文田, “含揮發性有機物廢氣之吸附處理技術”, 化工技術, 3(6), pp. 117-130, 1995.6R.J. Abumaizar, W. Kocher, and E.H. Smith “Biofiltration of BTEX contaminated air streams using compost-activated carbon filter media”, Journal of hazardous materials, 60, pp. 111-126, 1999.7D.G. Taylor, P.W. Trudgill, R.E. Cripps and P.R. Harris, “The microbial metabolism of acetone”, Journal of General Microbiology, 118, pp. 189-170, 1980.圖1 柱狀活性碳表面結構圖1000圖2 有機培養土表面結構圖1000圖3 微生物之表面形態1000圖5 柱狀活性碳(附著微生物)1000圖6 有機培養土(附著微生物)1000圖7 游離微生物圖1000表1 不同載體對丙酮生物降解其性質之探討OPSGACSurface area (m2/g)1.3291102.8Average pore diameter (A)45.821.8Total pore volume (cm3/g)0.0014980.601圖4 添加丙酮對微生物生長之影響圖9 不同載體之生物降解曲線表2 不同載體對丙酮生物降解其性質之探討Free cells OPS/cellsGAC/cellsInitial acetone concentration (ppm)90091