厭氧微生物產能之機制

厭氧消化乃是指在厭氧條件下，藉著兼氧性及厭氧性微生物生化代謝 作用，將複雜之高分子有機物（如蛋白質、碳水化合物、脂質等）降解，

轉換成甲烷與二氧化碳等最終產物的程序。而就產氫反應機制而言，厭氧 醱酵能利用特殊微生物及酵素，在水環境中將複雜有機物水解酸化，分解 出中間產物氫氣；產甲烷反應機制則為甲烷菌利用其中間產物經甲烷化反 應而生成甲烷。本節主要分三個部分來探討厭氧微生物產能之機制：傳統 厭氧消化反應、厭氧醱酵產氫反應、厭氧甲烷化反應。

一、傳統厭氧消化反應

傳統厭氧消化反應是在無氧的環境下，首先，由兼氧性及厭氧性細菌 透過水解、產酸的反應 (即厭氧醱酵階段)，將廢水中有機物 (如不溶性有 機物質、碳水化合物、脂肪或蛋白質等)轉化成揮發酸、氫氣、醇類或醛類 等中間代謝產物後；而這些中間代謝產物再轉化為甲烷及二氧化碳等最終 穩定產物，其反應機制如圖2-1 (謝哲松，1995)所示。

由圖2-1可看出，傳統厭氧消化反應最終產物為CO2與CH4，因為一者 為碳的最大氧化態；另一者為碳的最大還原態。在反應過程中，氫氣產生

21

後很快被甲烷形成菌轉化成甲烷與二氧化碳，所以氫氣在傳統的厭氧反應 過程中殘留量非常少，可以當作傳統厭氧反應操作不良的重要指標 (林明 瑞，1989)，但無法單獨作為系統控制的依據 (黃國豪、黃耀輝、陳致君、

梁德明，1990)。而在整個厭氧消化過程中，所得到的產物與能源(CO2與 CH4)可提供生物作為生長代謝及增殖的來源。

圖2-1 傳統厭氧消化反應過程（謝哲松譯，1995）

22

二、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 & 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, 1964)，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

23

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-H

2/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……….（2-3）

C6H12O6+ 2H2O → 4H2+ acetate + CO2……….（2-4）

式（2-3）的產氫效率為33%，（2-4）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。

三、厭氧甲烷化反應

24

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，其 反應機制如是2-5、2-6所述，而其甲烷作用途徑如圖2-2。

（a）從CO²開始甲烷化途徑 （b）從醋酸開始甲烷化途徑 圖2-2 主要甲烷化作用途徑（謝哲松譯，1995）

CO2 ＋ 4H

2 → CH

4（甲烷） ＋ 2H

2O……….（2-5）

（嗜氫甲烷生成菌）

CH3COOH → CH

4（甲烷） ＋ CO

2………..（2-6）

25

（嗜乙酸甲烷生成菌）

第六節 環境因子對厭氧產能的影響

由於本實驗是以光合產氫反應與甲烷化反應進行，所以本節將分為兩 大方面來探討。

一、光合產氫反應

(一)影響光合作用細菌產氫的因子

紫色不含硫光合作用細菌並非在任何狀況下皆會產氫，是需要在光照 及缺乏氮源的情況下才會產氫，許多的環境因子（如：光照強度、溫度高 低等）均會對產氫造成影響。以下分別對這些環境因子加以探討：

1.酵素的 Cofactor

固氮酵素主要由含鐵（Fe）、鉬（Mo）元素或含鐵、硫的蛋白質所 組成（Woo,1985）。因此有研究指出對於產氫，鐵、鉬、鎂等離子是必 須的。

Fascetti, D’addario, Todini and Robertiello（1998）等學者利用 Rhodobacter sphaeroides RV 在含有機酸的都市固體廢棄物中產氫反應 中發現，不加入一些生長基質和微量元素時，氫氣的產量是很低的，而 且產氫的狀況會被Mo、Fe 和 PO42－

所影響，但是主要的差異是Mo 的 加入與否，因為Mo-nitrogenase 對於產氫作用，比只有 Fe-nitrogenase 存在時強。

2.光照強度

氫氣產量的多寡與光照強度有關，在光強度 540 lux 下，開始有明 顯的氫氣產生，而氫氣產量會一直隨著光照強度的增加呈正比關係，一 直到4000~6500 lux 後，達到一最大產氫量（Hillmer & Gest,1977）。

26

Fiβler 利用 Rhodopseudomonas palustris 分解芳香族有機物，發現光 照強度逐漸增加，總產氫量也一直增加，且固氮酵素活性也呈正比關係 逐漸增高，一直到光照強度達10000 lux 後呈現飽和，之後不管光照強 度如何增加，總產氫氣量並不會再增加（Fiβler ＆ Schirra,1995）。

在固氮酵素的生成反應中，需要的ATP 與低能還原劑（low-potential reducing agent）是由光反應所提供。一般紫色不含硫光合作用細菌的氧 化還原電位約為-50 ~ -150 mV，而固氮酵素的 E0=-400 mV，就

Rhodopseudomonas 來說，它可以藉由光能生成-500 ~ -600 mV 來供給固 氮酵素生成，因此光就是固氮酵素生成條件之一（Meyer,Kelley &

Vignais，1987）。

Sasikala, Ramana and Rao（1991）三位學者以 Rhodobacter

sphaeroides O.U.001*菌株做不同光照強度試驗，發現光照強度對菌株生 長速率影響比最後生物總質量影響大。當光照強度在3000 lux 以下，微 生物質量與光照強度成正比，但超過3000 lux 以上，微生物總質量呈定 值，也就是達到飽和生長。而光照強度對於總產氫氣量方面，光照強度 在5000 lux 左右，即已達到飽和的產氫總量，超過 5000 lux 以上，其總 產氫氣量方面並沒有太大的差異。由光照強度對菌株生長與產氫試驗可 知，即使光照強度高於最適合的條件，仍不會有抑制的情形發生。

由上述文獻中可以瞭解隨著菌株不同，產生氫氣所需要的光照強 度也略有不同，大致上光照強度至少要540 lux 以上才會有產氫的現 象，而光照強度在到達飽和光照之前，其總產氫氣量與光照強度呈正比 的關係。到達飽和之後，總產氫氣量的差異並不大，也不會有抑制的情 形發生，且利用來產氫的紫色不含硫光合作用細菌菌種不同，其最大光 照強度也就不同。

27

除了利用人為的光照之外，也有研究嘗試利用太陽光作為產氫的 光源，但需要在高強度的太陽光底下才能維持穩定產氫之情形，然而在 廢水處理若需要連續產氫，就必須使用人工光照以提供足夠光照。

Miyake and Kawamura（1987）研究發現 Rhodobacter sphaeroides 在轉 換太陽能效率方面最高可達6.2 ﹪。

3.溫度

部分紫色不含硫光合作用細菌在溫度低於20℃下時，其生長會受 到抑制，有些學者研究顯示，最佳產氫速率發生在30~ 34℃（Zürrer &

Bachhofen,1982；Ohta,Frank & Mitsui,1981）。

在溫度範圍20~ 35℃內，來探討溫度對菌株 Rhodopseudomonas capsu- lata 的影響，根據試驗結果獲知在這個溫度範圍內，產氫總量以 及轉換成氫氣效率並沒有太大差別，但產氫速率則隨著溫度降低而減 緩，低溫時的產生氫氣時間是高溫狀態下產生氫氣時間的兩倍

（Stevens,Vertoghen,Vos & Ley, 1984）。

Singh and Srivastava（1991）二位學者將紫色不含硫光合作用細菌 TR-22 -R-B 與絕對好氧菌 22TW-S 共同培養，發現就算溫度高達 45℃，

兩菌株仍生長良好，推測可能是有好氧性微生物存在，能快速移除氧 氣，使得兼氣性光合菌生長良好。

以不同溫度培養菌株Rhodobacter sphaeroides O.U.001*，來比較在 各溫度下其產氫量及生物質量產率（biomass yield），瞭解到溫度在30~

35℃時產生最大生物質量，而高於 45℃以上或是低於 20℃，菌種幾乎 不生長。最佳產氫總量發生在30~40℃範圍內，由此可知在熱帶地區進 行產氫試驗是可行的（Sasikala et al.,1991）。

綜合以上所述，紫色不含菌最佳產氫溫度約為30~35℃左右。

28

(二)營養需求對紫色不含硫光合作用細菌產氫之影響 1.電子供給者

紫色不含硫光合作用細菌可以利用不同的基質來產生氫氣，其氫氣

紫色不含硫光合作用細菌可以利用不同的基質來產生氫氣，其氫氣