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1、 國立宜蘭高級中學 96 學年度數理自然科學專題研究 乳牛瘤胃液消化分解與發電效益探討 作者：21310 林繼宇 21311 張之醴 21302 何承儒 21329 陳思妤 指導老師：鄭雅玲老師、賴思學老師 - 239 -乳牛瘤胃液消化分解與發電效益探討 乳牛瘤胃液消化分解與發電效益探討 摘要摘要 此作品是以荷乳牛的瘤胃液作為微生物燃電池進一系探討，實驗主要包含四部 份：牛瘤胃液中的微生物觀察、牛瘤胃液在同受質下的產氣分析、牛瘤胃液發電實驗和 發電效益評估。產氣分析的實驗中，觀察到以百慕達草為受質的總產氣最高，然而澱粉 較可持久產氣。在產電實驗中，使用自設計的壓克反應槽進發電，實驗結果發現以過
2、 錳酸鉀當電解液、澱粉為受質及經過分層後的下層牛瘤胃液皆有較佳的發電效果。此外，使 用日常中容取得的稻桿亦有錯的發電效果。在個牛瘤胃液電池後，可點 LED 燈， 可顯出牛瘤胃液為一有潛的微生物燃電池能源。 壹、研究動機壹、研究動機 節節高升的物價和日益枯竭的石油資源，如何開發新的能源是急需解決的棘手問題。我 們從資中得知牛瘤胃液中的微生物在消化纖維素的過程中會釋出電子，也有國外實驗室引 出電、電壓，引起大家的好奇。原牛瘤胃中的微生物是這樣深具潛的能源，於 是我們進實驗，希望進牛瘤胃液發電的進一步探討，並對未的生質能源有進一步 的認。 貳、研究目的貳、研究目的 一、牛瘤胃液中的微生物分與原蟲對同
3、溫、pH 值反應的觀察，以解其最適當之 發酵產電環境。 二、模擬牛瘤胃液環境，分析微生物在同的受質與微生物密差下的產氣。 三、在同電解液、原蟲密、受質下進牛瘤胃液發電，試圖找出其最適之發電條件。 四、評估牛瘤胃微生物燃電池對未能源的實用性。 、研究設備及器材、研究設備及器材 一、操作器材：一、操作器材： 恆溫水浴槽 訂製反應槽 三用電錶 分液斗 微滴管 可加蓋試管 滴管 分注器 紗布 載玻片、蓋玻片 碳棒 石墨片 pH 計 試管架 各式燒杯 鱷魚夾 鑷子 質子交換膜 鋁箔紙 橡皮 磁石攪拌器 保鮮膜 燒瓶 顯微鏡 玻璃針筒 筒 1K電阻 橡皮管 電子秤 斗 矽膠 針頭 溫計 鋼瓶(儲氣用) 測
4、微器 - 240 -二、藥品和各氣體、受質：二、藥品和各氣體、受質： 蒸餾水 蔗 百慕達草 澱粉 奶粉 葡萄 生食鹽水 KMnO4 CO2 NaCl CaCl22H2O MgSO47H2O K3Fe(CN)6 Na2HPO4 KCl NH4HCO3 N2 NaHCO3 三、牛瘤胃液：三、牛瘤胃液： 牛瘤胃液取自鄰近大學乳牛，供採集之乳牛已接受過外科手術在身體左側安裝矽膠 開口以牛瘤胃液取得(相片 A)，每日上下午次定時餵食百慕達草和精的混合物。 實驗中所使用取自於上午餵食前的牛瘤胃液，以減少各次實驗牛瘤胃液的差性。乳牛 體內取出的牛瘤胃液經 8 層紗布過掉粗大的草(相片 B)，注入事先填充 C
5、O2的玻璃 瓶並放入恆溫水浴槽，再加入事先配置的緩衝溶液，全部過程保持在 3839下操作。 相片 A、瘤胃有矽膠開口的荷乳牛 相片 B、以八層紗布過草 四、人工唾液(緩衝溶液)： 四、人工唾液(緩衝溶液)： 配方(每公升)： 序號 藥品名 重(克) 序號藥品名 重(克) 1 NaHCO3 4.90 5 NaCl 0.47 2 NaH2PO412H2O 4.31 6 CaCl2 0.0377 3 KCl 0.57 7 NH4HCO3 0.2825 4 MgSO47H2O 0.12 (緩衝溶液為一次大配製，以減少實驗誤差。) 實驗前預將當次所需緩衝溶液(pH8.23)放入水浴槽預熱至與牛瘤胃液同溫
6、，並以 CO2 充氣調整至 pH 值7.0。 - 241 -肆、研究過程與方法肆、研究過程與方法 一、研究過程明： 一、研究過程明： 針對牛瘤胃液微生物發電效益探討，我們想先解牛瘤胃液中的有哪些微生 物？將這些牛瘤胃液微生物取出體外後，如何保持其最佳活性，以發電實驗進 ？故先進牛瘤胃液微生物初步的分析和觀察，接著想比較牛瘤胃液微生物對 對同受質的消化分解效，以找到最適合的發電的材。最後以自設計的反 應槽進發電實驗，改變同變因以提高發電效，並嘗試計算其最佳的電功。 (圖一)實驗程圖 - 242 -二、牛瘤胃液中微生物分析過程：二、牛瘤胃液中微生物分析過程： (一)用顯微鏡觀察牛瘤胃液中微生物的種
7、及其型態、特徵等。 (二)用革氏染色法將牛瘤胃液中的細菌染色。 (三)依原蟲的特徵(大小和纖毛型態等)做簡單分。 (四)觀察原蟲在各種環境變因(溫、pH 值)下的活動。 三、同變因影響發酵產氣實驗過程： 三、同變因影響發酵產氣實驗過程： (一)操作步驟 1.先將試管中置入實驗所需之受質，再充入氮氣，以維持厭氣微生物的活性。 2.以分注器在置有同受質的試管中，分別加入定牛瘤胃液(相片 C)。 3.以鋁蓋鉗在橡膠外加上鋁蓋，避免發酵過程氣體壓過大而使試管橡膠掉。 4.以橡膠軟管接針頭與玻璃針筒，將針頭插入橡皮引出管內氣體並測產氣 (相片 D)。 相片 C、以分注器加入定牛瘤胃液 相片 D、以玻璃針
8、筒測產氣 (二)實驗過程 1.受質種同對產氣的影響 為解牛瘤胃液對同受質的消化分解效，而將牛瘤胃液加入同種 受質，觀察其消化後的產氣並做比較。 2.牛瘤胃液分層對產氣的影響 為解牛瘤胃液中的原蟲是否對產氣有所助益，因此將牛瘤胃液做分層，方法 如下：將牛瘤胃液放入分液斗中並靜置約 40 分鐘，因原蟲的體型較大，靜置時沉 澱於下方，故下層的原蟲密會高於上層，最後將上、下層牛瘤胃液分，再分別加 入同受質觀察其產氣的差。 - 243 -1.5 葡萄3 丙酮酸 3 ADP,Pi 3 ATP 2 CO2 4 e 2 草醋酸 2 蘋果酸 2 延胡酸 2 琥珀酸 乙醯輔酶 A 乙酸 2 H2O 2 丙酸 Co
9、ASH 2 e ,CO2 ADP,Pi ATP CoASH 2 丙酮酸 1 丙酮酸 -4 e -6 e -四、牛瘤胃液燃電池發電實驗之原與內容： 四、牛瘤胃液燃電池發電實驗之原與內容： (一)原： 牛瘤胃液中之微生物在分解碳水化合物的過程中會釋出電子，最後會產生可揮發性 的脂肪酸(如：乙酸、丙酸、丁酸等)，供乳牛吸收用以合成養分(圖二)。微生物釋出的 電子經由電極及導線進入陰極(內置鐵氰化鉀或過錳酸鉀)，構成一迴產生電，此即 為微生物燃電池(圖三)。 (圖二)牛瘤胃微生物分解碳水化合物釋出電子過程 - 244 -(圖三)牛瘤胃液微生物燃電池發電原 (二)自設計反應槽 為進牛瘤胃液的發電實驗，我
10、們自設計方 pH 值測、具有進氣口 與出氣口以維持其厭氧環境、且可安裝質子交換膜與電極的反應槽。初期所設計的 反應槽 A 在經過一的實驗後發現其電壓有其極限，且因其為透明，受到光線 影響，以及我們想將電極由碳棒換為接觸面積廣且電阻小的石墨片，我們著手 設計反應槽 B(圖四)，因此，實驗主軸統一使用反應槽 B 進實驗。 1.反應槽 A(相片 D)： 單側(內)大小：10.5*14.5*3 cm3 2.反應槽 B(相片 E)： 單側(內)大小：15*13*6 cm3 - 245 -(圖四) 反應槽 B 裝置圖 (三)實驗過程 1.以反應槽 A、B 進發電實驗： 由於反應槽 A 容小、電極接觸面積小
11、，所以另設計使用石墨片且容較大 的反應槽 B，預期提高牛瘤胃液電池的電壓。 2.分別以鐵氰化鉀和過錳酸鉀為電解液進發電實驗： 因過錳酸鉀的電位較鐵氰化鉀高，為得高之電壓，提高其應用上的價值，嘗試 以過錳酸鉀代替鐵氰化鉀進發電實驗。 - 246 -3.牛瘤胃液分層發電實驗： 為驗證牛瘤胃液中原蟲是否也扮演幫助產電的重要角色，因此先將牛瘤胃液 分層，再分上、下層牛瘤胃液分別進發電實驗並比較其電壓大小。 4.加入同受質的牛瘤胃液發電實驗： 因先前實驗皆以百慕達草(纖維)作為受質供牛瘤胃液中的微生物分解產電，所以 此次實驗想測試是否其他受質能有高的發電效。因在產氣實驗中發現以澱粉作為 受質有產氣持久的
12、特徵，也想嘗試以稻桿為受質，故此次發電實驗分別以澱粉、草和 稻桿作為受質並比較其電壓大小。 相片 D、使用反應槽 A 進發電 相片 E、使用反應槽 B 進發電 伍、研究結果伍、研究結果 一、牛瘤胃液中微生物觀察與分析一、牛瘤胃液中微生物觀察與分析 (一)簡述：用顯微鏡觀察牛瘤胃液中微生物的種及型態與特徵等。 1.細菌：經革氏染色法染色，大多為呈現紫色之陽性菌 2.原蟲：以纖毛分布情形，可分為全纖毛蟲(較少)和多纖毛蟲(較多)大，觀察其形態 並以測微器測其大小，初步簡單分約 15 種原蟲 (相片於附中)。 3.其他：多次在牛瘤胃液中發現雙球物體，推測為真菌的孢子囊。 (二)活動觀察： 1.原蟲活
13、動與胃時間的關係： 吸取少許置於顯微鏡下觀察原蟲的活性，發現隨著開瘤胃的時間(提供受質) 長，原蟲活動會逐漸低。最先開始失去活動的為體型中小(長 40um100um 左右)的多纖毛的原蟲，後為大型的全纖毛。 - 247 -2.為何原蟲活動會漸低，我們推有以下原因： (1)取出的牛瘤胃液並未如牛胃環境完全相同(未停攪拌)。 (2)沒有新的牛瘤胃液補充，導致廢物積毒害原蟲。 (3)受質消化完畢，無持續的營養供給。 (三)原蟲對環境耐受的分析： (在此討項因素：溫與酸鹼值) 1.溫： (1)3739左右，原蟲的活動最為活躍。 (2)在 3240，皆可觀察到尚有活動的原蟲。 (3)溫下，受影響最大的是
14、體型中等的多纖毛原蟲。 2.pH 值： 以滴管吸取溶液提升或低 pH 值，測試酸鹼對原蟲活動的影響。 結果 pH6.46.8 左右為活動最佳態。 二、同受質和變因對牛瘤胃液消化產氣的影響二、同受質和變因對牛瘤胃液消化產氣的影響 (一一)受質種同對產氣的影響受質種同對產氣的影響 1.實驗據： 051015202530012345經過時間(小時)產氣總(ml)澱粉一克葡萄一克 百慕達草一克對照組(圖五) 短時間產氣總觀察(一小時記一次) - 248 -010203040506070800天3天6天9天經過時間(天)產氣總(ml)澱粉1g葡萄1g百慕達草1g對照組(圖)長時間產氣總觀察(三天記一次)
15、 2.實驗結果： (1)短時間觀察之下(五小時)，發現草的產氣速為受質中最高。 (2)長時間觀察之下(九天)，澱粉產氣比其他受質持久。 (二二)牛瘤胃液分層的對產氣的影響牛瘤胃液分層的對產氣的影響 1.實驗據： 百慕達草上層百慕達草下層葡萄上層葡萄下層澱粉上層澱粉下層奶粉上層 奶粉下層對照組 上層對照組 下層0510152025303540產氣總(ml)(圖七) 2.實驗結果： (1)發現下層牛瘤胃液產氣比上層牛瘤胃液明顯高出許多，證實產氣和原蟲密 有關。 經過 24 小時 - 249 -三、牛瘤胃液的發電實驗三、牛瘤胃液的發電實驗 (一一)同反應槽的發電實驗同反應槽的發電實驗 1.實驗器材： (1)反應槽 A： 電極：碳棒。 陽極：牛瘤胃液 150ml、緩衝溶液 150ml。 陰極：0.5M K3Fe(CN)6 300ml。 (2)反應槽 B： 電極：石墨片 陽極：牛瘤胃液 450ml、緩衝溶液 450ml。 陰極：0.5M K3Fe(CN)6
