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第五節 厭氧微生物產能 厭氧微生物產能 厭氧微生物產能機制 厭氧微生物產能 機制 機制 機制
厭氧產氫的細菌種類很多，依前節所述，厭氧產氫可以分為厭氧醱酵產氫及 厭氧光合產氫兩種，其中厭氧醱酵產氫是利用微生物氧化有機物釋出大量電子，
產氫菌可利用H+為電子接受者，透過酵素來催化電子的轉移以達到產氫的目的
（Adams & Stiefel,1998; Peters et al.,1998）；光合產氫的方式除了酵素的催化途 徑外，也可藉由固氮酵素的作用來達到產氫的目的（Appel & Schulz,1998）。
一、厭氧醱酵產氫反應
在傳統厭氧反應分解有機物的過程中，厭氧微生物群先將有機物經水解產酸 反應，將大部分有機物轉化為揮發酸、醇、醛、氫氣等中間代謝產物，若生長條 件適當，這些中間代謝產物又會被甲烷生成菌分解或轉換成甲烷。而厭氧醱酵產 氫則是設法終止後面的甲烷化反應，使厭氧反應仍持續進行前面的水解產酸反應 而有利氫氣的產生。
由上述可知，一般傳統厭氧消化反應可分為三階段，即水解、酸化、及甲烷 化三階段。而厭氧醱酵產氫反應則發生在水解及酸化階段，以下就這二階段進行 討論。
1.水解階段
此階段是利用細胞外水解 (extracellular enzymes)將複雜的有機物 (如蛋白 質、脂肪、多醣類等)分解成簡單的化合物 (如胺基酸、甘油、單醣等)，而水解 的效率受到 pH 值、水力停留時間 (HRT) (Verstraete, deBaere & Rozzi, 1981)及基 質種類 (Henze & Harremöes, 1983)等因素影響。Gujer and Zehnder (1982)指出，若 進流基質為一般性有機廢水，在水解階段不易形成速率限制，但若進流基質含有 芳香族類有機化合物、纖維素等難水解物質時，在水解階段將成為限制反應速率 階段 (Kennedy & van den Berg, 1982)。
2. 產酸階段
在此階段主要是將水解後的小分子有機物轉化為氫氣、二氧化碳及揮發性脂 肪酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸及己酸等 (McCarty,
1964a)，產物之種類依細菌種類及反應條件 (如基質、溫度、pH、氧化還丙酸、
丁酸)及醇類轉化成乙酸根、氫氣及二氧化碳等可直接被甲烷生成菌利用之化合 物。因高氫氣分壓時會抑制乙酸根之生成，而使基質大部分轉化為丙酸、丁酸、
乙醇，因此傳統厭氧消化必需監控氫氣之濃度。
在厭氧生物產氫代謝機制方面，Taguchi（1992）以 Clostridium butyrium 為菌 種，反應槽溫度控制在 36℃、pH 值控制在 5.5 的條件下操作，理想的產氧效率 為 2.0～4.0 mole-H2/mole-Glucose，但實際產氫效率大約只有理想產氫效率的 60%。其產氫反應方程式如下所示：
C6H12O6 → 2H2 + butyrate + 2CO2……….（2-7）
C6H12O6 + 2H2O → 4H2 + acetate + CO2……….（2-8）
式（2-7）的產氫效率為 33%，（2-8）的產氫效率為 67%，其比值為 1：2，
這說明了 Clostridium butyricum 如果能進一步將葡萄糖分解到乙酸階段則其產氫 量約為分解到丁酸階段的 2 倍。
Lay et al. (1999)研究中指出，目前利用有機廢污水以連續式試驗進行醱酵產 氫其效果並不佳，原因是氫氣會被甲烷轉換及消耗。因此如能將反應槽控制在厭 氧產氫菌最佳生長條件的操作下，可大幅提昇反應槽的厭氧產氫效率，而目前常 使用的方法有：
(1)pＨ值控制於較酸的環境。
(2)加大有機負荷或縮短水力停留時間。
(3)經常變動操作狀況，如:pH 值、溫度、有機負荷、ORP 值等， 以對系統造成 突增負荷（shock loading）。
(4)完全混合反應培養。
(5)儘量將系統操作在醱酵產氫菌適合生長，而甲烷菌不適合生長的環境。
二、厭氧甲烷化反應
所謂厭氧甲烷化反應是指甲烷生成菌利用有機物在水解、酸化階段所產生之 乙酸、氫氣、二氧化碳及其他低碳化合物之中間產物，轉化成甲烷及二氧化碳等
氣體的過程。
甲烷生成菌主要可區分為嗜氫 (hydrogenotrophic)及嗜醋酸 (ace- totrophic) 甲烷生成菌二個次族群，而嗜氫甲烷生成菌可將氫及二氧化碳轉化成甲烷；嗜乙 酸甲烷生成菌可將乙酸根轉化成甲烷及二氧化碳。而其甲烷作用途徑如圖 2-1。
CO2 ＋ 4H2 → CH4（甲烷） ＋ 2H2O………（2-9）
（嗜氫甲烷生成菌）
CH3COOH → CH4（甲烷） ＋ CO2………..（2-10）
（嗜乙酸甲烷生成菌）
（a）從 CO2開始甲烷化途徑 （b）從醋酸開始甲烷化途徑
圖 2-1 主要甲烷化作用途徑（謝哲松譯，1995）