燃料電池之家電產品應用及其發展

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甲化廖
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1 投稿類別 : 生物類篇名 : 作者 : 吳翊平市立新莊高中高二 6 班指導老師 : 吳博文老師

2 壹前言一研究動機 NASA 前不久透過克卜勒望遠鏡在天鵝座星系發現一顆距地球 1400 光年的星球 (Kepler 452b), 與地球相似性高達 98%, 也許存在著生命, 接著又發現火星上有流動的液態水, 這也讓我想到地球的生命起源, 由於地球的原始大氣的組成不包含氧氣, 直到能行光合作用的細菌出現以後氧氣才大量的出現, 也就是說地球的第一個生物是在無氧環境下生存的, 那它們是怎麼做到的呢? 這個問題也引起了我的興趣二研究目的 ( 一 ) 析有氧呼吸無氧呼吸與發酵作用的異同, 一般大眾對於呼吸作用的認知, 往往停留在吸入空氣並攝取其中的氧氣, 以供細胞進行代謝作用而高中生物課本中對於呼吸作用的敘述, 則衍生到細胞呼吸的層次, 亦即細胞內一系列的氧化還原反應, 將葡萄糖解及氧化磷酸化作用釋出能量, 促使 ATP 合成酶將 ADP 轉變為 ATP 的過程 ( 註 1,5) 對於呼吸作用的介紹通常以有氧呼吸為代表, 而在缺乏氧氣的情況下進行之呼吸作用則屬於無氧呼吸 ( 二 ) 而現正是夏季炎熱的時節, 也是蚊子開始大量繁殖的時侯, 蚊子叮咬人是利用人呼吸所排出的 CO2 作為目標, 因此, 運用酵母菌的發酵作用製作了一項雙功能裝置, 除了夜間可以捕捉蚊子外, 日間可以養水草, 兼具趣味創意及環保三研究流程與架構研究不同查找資料類型的呼設計實驗記錄結果析探討吸作用貳正文一有氧呼吸所有生物都需要氧氣的觀念, 自古以來一直在人們的心中根深蒂固直到十九世紀科學開始興盛時, 大眾仍然相信所有的生物都需要氧氣才能存活直 1

3 到 1857 年, 巴斯德研究酵母菌釀製葡萄酒時發現酵母菌可進行無氧的代謝反應, 甚至在釀酒時如提供過量的氧氣, 反而會抑制酒精的產生, 這個現象還被後人稱為巴斯德效應 (Pasteur effect) 隨著微生物學的發展與進步, 科學家陸續發現了許多厭氧微生物有的稱為絕對厭氧菌, 只能生活在完全無氧的環境下, 氧氣反而會殺死或抑制這類生物 ; 有的稱為兼性厭氧菌, 有氧時固然可以生長良好, 無氧時亦無礙其生長所有的生物都需要 ATP 能量子來驅動其細胞內的許多生化反應, 因此生物必須具備製造 ATP 的能力, 通常呼吸作用是製造 ATP 子最有效率的機制以解葡萄糖產製 ATP 為例, 葡萄糖首先在細胞質中經由糖解作用轉化為丙酮酸, 然後丙酮酸進入粒線體基質中, 再經由檸檬酸循環 ( 克氏循環 ) 產製富含能量的還原性 NADH 和 FADH2 子, 最後這些能量子將電子釋出, 傳送到粒線體內膜上的電子傳遞鏈 ( 原核生物則是在其細胞膜上進行 ) 經由一系列電子傳遞的結果, 質子 ( 氫離子 ) 由粒線體基質中被唧出膜外, 進入粒線體膜間隙中, 造成橫跨內膜離子梯度的一種質子驅動力 (proton-motive force), 當質子經由內膜上的 ATP 合成酶回到基質內時, 便可製造出 ATP 子電子傳遞鏈的終端必須有一個氧化性的物質來接收電子, 如此電子傳遞鏈才能持續進行, 不斷地產生製造 ATP 的質子驅動力而依終端電子接受者的呼吸作用種類, 可成有氧呼吸和無氧呼吸兩類如果電子傳遞鏈終端的電子接受者是氧氣, 就稱為有氧呼吸如果不是氧氣而為其他氧化性物質 ( 如硫酸鹽硝酸鹽等 ) 的話, 就稱為無氧呼吸二無氧呼吸無氧呼吸在生物化學上指的就是可以進行電子傳遞鏈一系列的氧化還原反應, 並利用除了氧氣以外的氧化性化學物質作為電子接受者, 最終以氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 合成 ATP 子的過程可作為無氧呼吸的電子接受者通常為無機物, 包括硝酸鹽 (NO3 - ) 硫酸鹽(SO4 2- ) 碳酸鹽(CO3 2- ) 硫元素 (S), 以及許多氧化性金屬離子 ( 如 Fe 3+ Mn 4+ Co 3+ 等 ) 這些氧化性的化合物或離子接受電子之後, 則被還原成為氧化態較低的化合物與離子, 例如 : 硫酸鹽接受電子之後, 被還原成硫化氫 (H2S); 三價鐵離子 (Fe 3+ ) 接受電子之後, 被還原成二價鐵離子 (Fe 2+ ) 由於這些氧化性子或離子的還原電位通常低於氧氣, 因此釋放出的能量也比有氧呼吸低, 亦即其產生 ATP 的效率略低於有氧呼吸, 但是仍遠高於沒有電子傳遞系統的發酵作用許多自然界中的微生物必須適應瞬息萬變的環境, 因此在對氧氣的需求上也演化出許多對策以常見的大腸桿菌為例, 當其在氧氣充供應的情況下, 2

則進行一般的有氧呼吸 ; 當氧氣缺乏又有氧化性化學物質存在時, 則進行無氧呼吸 ; 而當這些氧化性化學物質用完之後, 還可進行發酵作用來獲取能量各種呼吸作用之間的關係, 如圖 1 圖 1 細胞呼吸及發酵之關係示意圖 ( 註 1) 三發酵作用當葡萄糖經由糖解作用轉化成丙酮酸之後, 如果因為缺氧而無法走電子傳遞鏈, 丙酮酸並不進入粒線體內進行呼吸作用, 而是在細胞質中由 NADH

4 則進行一般的有氧呼吸 ; 當氧氣缺乏又有氧化性化學物質存在時, 則進行無氧呼吸 ; 而當這些氧化性化學物質用完之後, 還可進行發酵作用來獲取能量各種呼吸作用之間的關係, 如圖 1 圖 1 細胞呼吸及發酵之關係示意圖 ( 註 1) 三發酵作用當葡萄糖經由糖解作用轉化成丙酮酸之後, 如果因為缺氧而無法走電子傳遞鏈, 丙酮酸並不進入粒線體內進行呼吸作用, 而是在細胞質中由 NADH 直接轉化成其他有機物質, 就稱為發酵作用, 此過程不需要氧氣的參與發酵作用具有以下幾點特色 : ( 一 ) 可將葡萄糖中的能量釋放出來, 主要是將糖解作用後產生的丙酮酸繼續轉化為其他有機子 ( 二 ) 過程中只產生微量的 ATP 子,1 子葡萄糖通常只能產生 2 子的 ATP, 遠較呼吸作用的個 ATP 子為低 ( 三 ) 能量大多仍蘊藏在終產物中, 例如 : 乙醇乳酸等 ( 四 ) 整個過程不需要氧氣的參與 ( 五 ) 直接在細胞質中進行發酵反應, 不參與檸檬酸循環, 也不需要電子傳遞系統許多微生物可進行發酵作用, 它們可依受質的種類以及所具有的酵素種類, 將醣類及各種受質轉化為多樣的有機終產物, 例如 : 我們熟悉的酒精發酵和乳酸發酵, 其終產物就別為酒精和乳酸這些終產物子中仍蘊藏了大量的能量, 並未完全釋出轉化成 ATP 子與呼吸作用相較, 發酵作用是一個效率 3

5 極差的產能反應但是在缺氧的環境下, 它能移除糖解作用產生的丙酮酸, 使之不會累積下來, 因此可使醣類持續進行糖解作用而產生 ATP 這是生物在缺乏氧氣與氧化性物質時所發展出的一種特殊能力, 使生物能適應多變的環境特別值得一提的是, 發酵作用不限於微生物, 一些高等生物細胞在缺氧時也會進行發酵作用, 例如 : 人類肌肉細胞在激烈運動時, 由於氧氣的供應不足, 會進行乳酸發酵, 將丙酮酸加以轉化成乳酸乳酸累積在肌肉細胞中, 肌肉會感覺到痠痛與疲乏, 如經充休息, 血液會將乳酸運送到肝臟, 於肝臟細胞內進行逆向反應, 而將乳酸還原回丙酮酸長久以來, 微生物的發酵作用已被人類利用到日常生活和食品工業上, 例如 : 乳酸發酵可以用來釀製起司酸奶優格泡菜及酸黃瓜等食品與飲料 ; 酒精發酵則可釀製出各種含酒精的飲料, 或是用來發麵製出各種可口的麵食近年來, 由於石化能源的逐漸短缺以及全球暖化等現象, 酒精發酵產製燃料酒精也成為重要的生物能源這一切都要感激大自然所賦予我們的寶貴禮物發酵作用有關這三種呼吸的化學反應比較表, 如表 1 表 1 有氧呼吸無氧呼吸發酵作用之比較表有氧呼吸無氧呼吸發酵作用氧氣需求 V X X 糖解作用 V V V 檸檬酸循環 V V X 電子傳遞鏈 V V X 電子傳遞鏈終端電子接受者與終產物 1 子葡萄糖反應後產生之能量 O2 H2O NO3 - NO2 - SO4 2- H2S CO3 2- CH4 CO3 2- CH3COOH S H2S Fe 3+ Fe 2+ Mn 4+ Mn 2+ Co 3+ Co 2+ 無電子傳遞鏈, 終產物為酒精乳酸等有機子 ATP 略低於有氧呼吸 2 ATP 4

6 四發酵作用的應用與實驗 ( 一 ) 實驗構想 1. 目前自製 CO2 主要為酵母 + 糖和醋酸 + 小蘇打 ( 雞蛋殼 ) 這兩種方式, 酵母 + 糖的方式, 主要的優點是產氣量均勻, 容易控制, 缺點是受環境溫度影響過大 ( 反應溫度需逹到 30 o C), 不能做到隨時起停, 酸 + 小蘇打 ( 雞蛋殼 ) 的方式, 主要優點是產氣快, 可以做到隨時起停, 缺點是反應速度快, 不容易控制本文為結合趣味及高中生物課程知識, 採用酵母 + 糖方式 2. 酵母 + 糖的反應原理, 主要是利用酵母菌對溶液中的糖進行解代謝生成 CO2, 發酵作用的反應化學式如下 : 將砂糖 ( 雙糖 ) 溶解於水中, 變成葡萄糖 ( 單糖 ): C12H22O11 + H2O 2C6H12O6 + H2O 酵母進行呼吸作用而產生 CO2: C6H12O6 + 酵母 (K2HPO4 nh2o) 2C2H5OH( 乙醇 ) + 2CO2 也就是說一子砂糖 ( 雙糖 ) 可以產出兩子酒精及兩子 CO2, 也就是說 100 克的糖將轉化為升的 CO2( 標準 1 大氣壓 ) ( 二 ) 實驗器材 ( 如圖 2 及表 2) 圖 2 發酵作用實驗器材圖 5

表 2 發酵作用實驗器材表材料量具容器乾燥酵母粉 1 盒量杯 (300mL) 1 個寶特瓶 2 個生理食鹽水 1 瓶漏斗 1 支大水壼 1 個貮號砂糖 1 包溫度計 1 隻橡膠軟管 2 條結晶冰糖 1 包電子秤 1 台 ( 三 ) 實驗步驟 1. 準備 2 個清洗乾淨且大小相同的寶特瓶橡膠軟管與大水壼 ( 如圖 3), 別標示砂糖與冰糖的字樣 2.

7 表 2 發酵作用實驗器材表材料量具容器乾燥酵母粉 1 盒量杯 (300mL) 1 個寶特瓶 2 個生理食鹽水 1 瓶漏斗 1 支大水壼 1 個貮號砂糖 1 包溫度計 1 隻橡膠軟管 2 條結晶冰糖 1 包電子秤 1 台 ( 三 ) 實驗步驟 1. 準備 2 個清洗乾淨且大小相同的寶特瓶橡膠軟管與大水壼 ( 如圖 3), 別標示砂糖與冰糖的字樣 2. 各秤取 12 g 酵母粉 ( 依酵母粉活性判斷添加量 ) 別放入上列裝有 200 ml 生理食鹽水的寶特瓶 3. 各秤取 100 g 砂糖與冰糖, 別加入上列相對應的寶特瓶 4. 將此酵母與糖類混合溶液別倒入相對應的寶特瓶中, 充攪拌均勻溶解, 並將瓶蓋旋緊密閉 5. 經 30 鐘後 ( 室溫需 30 以上的環境 ) 開始觀察記錄寶特瓶內生成氣體速率, 比較酵母菌對兩種糖類的發酵作用能力 ( 註 2) 圖 3 發酵作用實驗架構圖 ( 四 ) 實驗結果析兩種糖類發酵作用經過時間推移產生 CO2 速率紀錄, 如表 3 6

8 表 3 兩種糖類發酵作用產生 CO2 速率表 ( 氣泡數量 / 每鐘 ) 發酵時間糖類 CO 2 速率砂糖冰糖在室溫 32 的環境中發酵作用經 30 鐘後, 開始大量產生 CO2 氣泡, 初期砂糖反應速率較快, 約 60 鐘後冰糖反應加速且反應的速率變化也較大, 但平均氣泡數量仍然比砂糖多, 約 360 鐘後, 兩種糖類反應速率均趨平緩, 產氣量以冰糖相對較多, 但穩定以砂糖較優, 如圖反 120 應 100 速率 80 ( 氣 60 泡 40 數量 20 ) 反應時間 ( 鐘 ) 砂糖冰糖圖 4 兩種糖類發酵作用產生 CO2 速率圖五趣味發展應用 ( 一 ) 製作一個雙功能裝置系統由前述實驗結果得知砂糖產生 CO2 的數量相對較穩定且成本更低廉, 故此雙功能裝置採用砂糖, 其餘需運用的材料, 如表 4 表 4 雙功能裝置系統製作材料表裝置材料水草箱附屬用品 600cc 寶特瓶 2 個酵母粉一包水草缸 1 個 ( 生產 CO2 及捕蚊用各 1 個 ) 黑色紙一張砂糖一包氣泡石 1 個橡膠軟管 2 條肥皂一小塊 7

9 ( 二 ) 製作流程 1. 因 CO2 對於水草的生長起著至關重要的作用, 它是水草進行光合作用的主要原料, 根據研究顯示, 對於水草缸添加 CO2 後一個星期水草的生長量, 遠遠超過了沒添加 CO2 之前 1 個月的生長量總和, 添加 CO2 之前, 水草基本沒有產生氣體, 以 MOSS 矮珍珠為例, 添加 CO2 之後, 大量產生氣體和迅速生長, 外觀狀態明顯好轉, 因此, 對於水草來講,CO2 是一個非常重要的因素 ( 註 3) 2. 將瓶蓋中間挖孔, 孔的大小不要大過橡膠軟管的外徑, 再將橡膠軟管穿過瓶蓋, 只需要穿過一點點就可以, 接著用熱融膠將瓶蓋穿過矽膠軟管處補平空隙 3. 將寶特瓶裝 7 滿的水, 倒入砂糖填滿寶特瓶約 1:5, 並加入酵母粉 4. 鎖上瓶蓋, 將橡膠軟管接上氣泡石, 放入水中角落 5. 酵母菌活化後開始消化砂糖的養就會排出 CO2, 日間可將 CO2 導入水中後就可以讓水草吸收生長 6. 夜間可將 CO2 導入捕蚊瓶中進行捕蚊, 瓶內裝肥皂水除可捕蚊外亦可利用肥皂水的鹼性殺死蟲卵 ( 註 4) 7. 實驗裝置示意圖, 如圖 5 圖 5 雙功能裝置示意圖 ( 註 4) ( 三 ) 經濟評價及應用雙功能裝置經濟評價費用表, 如表 5 8

裝置 600cc 寶特瓶 2 個肥皂一小塊酵母粉氣泡石黑色紙一張砂糖一包 (500 克 ) 橡膠軟管合計 : 表 5 雙功能裝置經濟評價費用表 0 元 10 元 10 元 50 元 10 元 20 元 20 元 140 元費用總計 120 元, 可產生約 140 公升 CO2 氣體, 可使用 30 天左右, 1 年的費用可以控制在 500 元以內利用辦公室寢室的牆壁或轉角

10 裝置 600cc 寶特瓶 2 個肥皂一小塊酵母粉氣泡石黑色紙一張砂糖一包 (500 克 ) 橡膠軟管合計 : 表 5 雙功能裝置經濟評價費用表 0 元 10 元 10 元 50 元 10 元 20 元 20 元 140 元費用總計 120 元, 可產生約 140 公升 CO2 氣體, 可使用 30 天左右, 1 年的費用可以控制在 500 元以內利用辦公室寢室的牆壁或轉角光照良好且空間平時利用率低的位置, 放置此種雙功能裝置, 除了夜間可以捕捉蚊子外, 日間可以養水草, 兼具經濟實用及造景觀賞雙重效果, 如圖 6 圖 6 日間養水草夜間捕蚊的雙功能裝置參結論生物經過長期演化, 其代謝方式是非常多元的為了生存, 獲取 ATP 能量子的方式便隨著環境中氧氣與氧化性子的有無, 而逐漸發展出有氧呼吸無氧呼吸以及發酵作用等方式無論其產生 ATP 子效率的高低, 它們的目的都是能使生物能夠在不同環境下存活下去達爾文的適者生存, 一語道盡了生物界的奧祕 9

11 由於酵母菌亦是生物的一種, 因此, 會不日夜全天侯的進行呼吸作用而不斷的產生 CO2, 而本案在日夜間均能持續運用 CO2 執行不同功能, 而且本項裝置製作簡單方便且經濟實惠, 也可自行加入創意, 依實際環璄而改變造型或改變擺放方式, 亦可放幾條觀賞魚並增加一些彩繪裝飾等肆引註資料註 1 選修生物 ( 上 ) 第 2 章, 翰林版註 2 王月雲陳是瑩童武夫 (1994) 植物生理學實驗頁臺北市 : 藝軒圖畫出版社註 3 註 4 第四十五屆中小學科學展覽會環保滅蚊殺手, 取自註

一、

中華民國第四十五屆中小學科學展覽會作品說明書高中組生物 ( 生命科學 ) 科 040715 微在蛋隙探討蛋殼奈米孔隙的通透性質國立新竹女子高級中學作者姓名 : 高二鄭涵高二陳可萱高二朱婉君指導老師 : 張淳琤何家齊 H2OCO2O2 1 O2 CO2 DDT O2CO2 H2O SO2 CO2 NO2 () () H2O 1. H2O 2. H2O 3. H2O () CO2 1.