在現今社會物資和能源缺乏的情況下，如何把廢棄物有效的利用且轉換為能源變成了一個重要的話題。台灣每年出產多種世界知名的農產品，同時也產生大量的農業廢棄物，不僅無法有效的回收再利用，而且處理的過程中會造成環境汙染。因此如何將農業廢棄物有效的回收、重複使用且再製造成乾淨的能源氫氣為本研究的主要目標。全文將分為兩部份，第一部分為選用農業廢棄物蔗渣，因其含有高糖量及豐富的纖維素，可利用由台糖蔗渣堆肥中所發現的熱纖維分解菌T4來產生還原糖。實驗結果顯示，蔗渣加入T4菌後其還原糖率為13.77％，與初始值0.247 mg/ml相比增加了0.034 mg/ml的糖量。分解後的糖類因具有高度的利用價值，可用於產出生質能源，因此第二部分為利用分解後的糖類加入產氫菌株ATCC 824，並針對產氫菌株的自然頻率作超音波照射。研究過程中將同時考慮機械效應及生物效應對產氫菌生長的影響，選定頻率、聲強度、照射時間、溫度、pH值和菌液濃度來當作控制因子，且利用田口法做實驗規劃，並利用變異數分析來找出對產氫量、產氫速率和產氫效率有影響性的重要因子，以從中找出最佳的組合。實驗結果顯示，當頻率、聲強度、照射時間、溫度、pH值和菌液濃度依序為0.5 MHz、136 mW/cm2、10 s、37°C、7.5和20%時，與對照組相比其產氫量、產氫速率和產氫效率，依序增加了1.81倍、1.69倍和1.81倍。本研究成果可應用於生質能源的製造以及加速發酵性食材的熟成。

The resources on earth are limited; thus, the demand for energy, goods and materials is surging because of the growth of the advanced technology and population. The issues of using the resources effectively and changing them into a useful energy are then important. Taiwan creates a vast amount of agricultural waste every year. The traditional way of eliminating the agricultural waste would be burned and buried. However, it is not only the agricultural waste cannot be reused and recycled, but also the problem of air pollution occurred. The objectives of this thesis are thus to transfer the agricultural waste into a useful energy.
This study contents two parts. The first part changes the agricultural waste into sugar. The agricultural waste is full of wood fiber and can be transformed to sugar by a microorganism method. A cane which is a common agricultural waste is used; the wood fiber in cane will be added to the thermostable cellulolytic bacterial Geobacillus thermoleovorans T4 isolated from sugar refinery wastewater in southern Taiwan. T4 can convert wood fiber into sugar. Experimental results showed that the rate of reducing sugar is 13.77%. The second part studies the biological hydrogen production by Clostridium acetobutylicum ATCC 824, and the sugar will be added into the process. Also, this study uses ultrasonic treatment in the biological hydrogen production and calculates the natural frequency of ATCC 824. The experiment is designed using the Taguchi method for increasing hydrogen production, hydrogen production rate and hydrogen production efficiency by using an ultrasonic treatment to treat C. acetobutylicum ATCC 824. It is showed that the best combination is temperature 37°C, ultrasonic frequency 0.5 MHz, ultrasonic intensity 136 mW/cm2, exposure time 10 s, pH 7.5 and bacterial concentration 20%. This study can apply in bio-energy and fermentation food producing.

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
表目錄 viii
圖目錄 x
中英對照檢索 xii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法與目的 5
1.4 全文概述 5
第二章 基本理論 8
2.1 產氫方法與簡介 8
2.2 超音波簡介 9
2.3 超音波生物效應 9
2.3.1 熱效應 10
2.3.2 機械效應 10
2.3.3 空孔效應 10
2.3.4 空孔氣泡方程式 11
2.4 田口品質工程 11
2.4.1 直交表實驗設計法 12
2.4.2 品質損失函數 12
2.4.3 訊號雜訊比（S/N比） 13
2.4.4 因子反應表 15
2.4.5 變異數分析 15
第三章 產糖實驗方法與步驟 19
3.1 熱纖維分解菌株 19
3.2 農業廢棄物蔗渣 20
3.3 培養基 20
3.3.1 營養瓊脂培養基 20
3.3.1 蔗渣培養基 20
3.4 3,5-二硝基水楊酸試劑 21
3.5 還原糖標準曲線建立 21
3.5.1 還原糖標準曲線 21
3.5.2 樣品之還原糖定量 22
3.6 實驗設備 22
3.6.1 無菌操作檯 22
3.6.2 分光光度計 23
3.6.3 往復式震盪恆溫循環水槽 23
3.6.4 微量吸量管 23
3.6.5 充電攜帶式吸管輔助器及塑膠滅菌刻度吸管 24
3.6.6 多用途試管震盪器 24
3.6.7 錐形瓶、試管及血清瓶 24
3.6.8 高溫高壓高濕滅菌釜 25
3.6.9 pH 值檢測機 26
3.6.10 超高速離心機 26
3.7 實驗方法與步驟 26
3.7.1 T4菌株活化及培養 26
3.7.2 生物生長曲線測定 27
3.7.3 還原糖液製作 27
3.7.4 還原糖液的收集 27
3.7.5 還原糖之葡萄糖測定 28
3.7.6 還原糖濃縮 28
第四章 產氫實驗方法與步驟 37
4.1 產氫菌菌株 38
4.2 產氫菌種培養基 38
4.2.1 食工所指定產氫菌培養基 38
4.2.2 產氫菌培養基 39
4.2.3 厭氧醱酵配方 39
4.3 產氫裝置製作 39
4.3.1 製作超音波照射輔助產氫裝置 40
4.4 超音波照射實驗 41
4.4.1 頻率 41
4.4.1.1 自然頻率計算 41
4.4.2 超音波照射系統近場計算 42
4.4.3 聲強度 43
4.4.4 照射時間 44
4.4.5 超音波的照射 44
4.5 溫度 45
4.6 生物效應 45
4.6.1 菌液濃度 45
4.6.2 pH值 46
4.7 田口實驗規劃 46
4.7.1 因子水準建立 46
4.7.2 實驗設計方法 47
4.7.3 田口數據分析 47
4.8 實驗設備 48
4.8.1 厭氧操作台 48
4.8.2 超音波探頭 48
4.8.3 訊號產生器 48
4.8.4 功率放大器 49
4.8.5 數位示波器 49
4.9 產氫實驗方法與步驟 49
4.9.1 玻璃烘箱滅菌法 49
4.9.2 產氫菌株活化及培養 50
4.9.3 產氫菌株馴化 50
4.9.4 超音波照射產氫菌實驗架設 50
4.9.5 氫氣收集裝置架設 50
4.10 產氫實驗討論 51
4.10.1 延遲時間 51
4.10.2 產氫量 51
4.10.3 產氫速率 51
4.10.4 產氫效率 52
第五章 實驗結果與討論 65
5.1 T4菌生物生長曲線 65
5.2 還原糖產糖量分析 66
5.3 厭氧培養基測試 67
5.4 延遲時間測試 68
5.5 產氫量變異數分析 69
5.6 產氫速率變異數分析 70
5.7 產氫效率變異數分析 72
5.8 最佳實驗組合 73
第六章 結論與建議 88
6.1 結論 88
6.1.1 產糖實驗 88
6.1.2 產氫實驗 88
6.2 未來展望與建議 89
參考文獻 91
附錄A 94
附錄B 96
















表目錄
表2.1 直交表 L12 18
表3.1 CMC培養基 29
表4.1 OXOID CM149培養基 53
表4.2 Fluid Thioglycllate Medium培養基 53
表4.3厭氧醱酵配方 53
表4.4自然頻率計算 54
表4.5 探頭規格及近場距離 54
表4.6 超音波在水中的衰減 54
表4.7 超音波頻率、聲壓及聲能密度 55
表4.8 因子水準 55
表4.9 L12（21×35）直交表 56
表4.10產氫實驗因子水準田口直交表 56
表4.11理想產氫量換算 57
表5.1 產氫量數據及因子反應 75
表5.2 產氫量對S/N比的因子反應 75
表5.3 產氫量對S/N比的初步變異分析 75
表5.4 產氫量對S/N比的第二變異分析 76
表5.5 產氫量對S/N比的最後變異分析 76
表5.6 產氫量對品質特性的因子反應 76
表5.7 產氫量對品質特性的變異分析 77
表5.8 產氫速率數據及因子反應 77
表5.9 產氫速率對S/N比的因子反應 77
表5.10產氫速率對S/N比的初步變異分析 78
表5.11產氫速率對S/N比的第二變異分析 78
表5.12產氫速率對S/N比的第三變異分析 78
表5.13產氫速率對S/N比的最後變異分析 79
表5.14產氫速率對品質特性的因子反應 79
表5.15產氫速率對品質特性的變異分析 79
表5.16產氫效率數據及因子反應 80
表5.17產氫效率對S/N比的因子反應 80
表5.18產氫效率對S/N比的初步變異分析 80
表5.19產氫效率對S/N比的第二變異分析 81
表5.20產氫效率對S/N比的第三變異分析 81
表5.21產氫效率對S/N比的最後變異分析 81
表5.22產氫效率對品質特性的因子反應 82
表5.23產氫效率對品質特性的變異分析 82
表5.24產氫量、產氫速率及產氫效率最佳組合 82
表5.25對照組和最佳組比較 82






















圖目錄
圖1.1 論文架構 6
圖1.2 整體實驗流程 7
圖3.1 產糖實驗流程 30
圖3.2 熱穩定纖維分解細菌 30
圖3.3 未處理的甘蔗渣 30
圖3.4 均質機 31
圖3.5 處理且乾燥後的蔗渣 31
圖3.6 蔗渣培養基 31
圖3.7 DNS 指示劑 32
圖3.8 DNS指示劑經由水浴後變色 32
圖3.9 無菌操作檯 32
圖3.10 分光光度計 33
圖3.11 石英管 33
圖3.12 往復式震盪恆溫循環水槽 33
圖3.13 微量吸量管 34
圖3.14 充電攜帶式吸管輔助器、塑膠滅菌刻度吸管 34
圖3.15 多用途震盪器 34
圖3.16 高溫高壓高濕滅菌釜 35
圖3.17 pH值檢測機 35
圖3.18 超高速離心機 35
圖3.19 菌瓶開封及菌株活化流程 36
圖4.1 產氫實驗流程 58
圖4.2 產氫菌株 59
圖4.3 50 ml PP量杯 59
圖4.4 960 ml PE直桶玻璃樣本瓶 59
圖4.5 蓋身上部強化示意圖 60
圖4.6 瓶蓋強化側視圖 60
圖4.7 以O型環強化產氫裝置氣密性 60
圖4.8 超音波產氫輔助裝置爆炸圖 61
圖4.9 超音波聲場分布 61
圖4.10 10 kHz的方波加上1 MHz正弦波的調變波形 61
圖4.11超音波照射與聲場量測設備示意圖 62
圖4.12產氫實驗魚骨圖 62
圖4.13厭氧操作台 63
圖4.14訊號產生器 63
圖4.15功率放大器 63
圖4.16數位示波器 64
圖4.17超音波照射產氫菌實驗架設 64
圖4.18氫氣收集裝置 64
圖5.1 生物生長曲線 83
圖5.2 還原糖標準曲線 83
圖5.3 還原糖產糖量 84
圖5.4 不同比例菌液的還原糖產糖量 84
圖5.5 測試後的培養基 85
圖5.6 大量培養的產氫菌液 85
圖5.7 第一小時田口實驗組產氫量 85
圖5.8 產氫量S/N的因子反應 86
圖5.9 產氫量品質特性的因子反應 86
圖5.10產氫速率S/N的因子反應 86
圖5.11產氫速率品質特性的因子反應 87
圖5.12產氫效率S/N的因子反應 87
圖5.13產氫效率品質特性的因子反應 87

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