厭氧醱酵產氫之影響因子

第六節 厭氧醱酵產氫之影響因子

厭氧產氫過程中，產氫菌將大分子有機物分解成為小分子，除了產氫之 外，往往扮隨著揮發酸和醇類的產生，但產氫的代謝路徑往產酸或產醇的方 向是受到許多環境因素的影響，包含基質、營養源、溫度、pH值、抑制物 質、水力停留時間和食微比等（Chudoba, Capdeville & Chudoba, 1992々 Elefsiniotis & Oldham, 1994々Banerjee, Elefsiniotis & Tuhtar, 1998々Lay, 2000）。

一、基質(substrate)

微生物生長中的細胞必頇利用外來的基質及營養源進行生長並獲取能 量(謝哲松譯，1999)。而當微生物若無法得到充分基質及營養源會影響其體 內的生化反應，甚至會死亡。

生物厭氧產氫之進料基質供給主要以碳水化合物為主，而基質要有足夠 的濃度才可促使醱酵反應發生和產生大量的生質能源 (賴俊卲，2003)。碳水 化合物的濃度會影響產氫總量與代謝途徑(Mizuno et al., 2000)，林明瑞、盧 重興、邱毓明、賴欣宏（2000）的研究證明產氫效能也隨著基質濃度的增加 而增加。鄭昭暉（2005）指出，以木糖為基質的批次試驗中，於20g COD/L 有最佳的產氫率1.3 mol H2/mol xylose，低於或高於此濃度則有較差的產氫量

27

和產氫率，顯示適當的基質濃度有較佳的產氫效果。

而基質種類亦會影響優勢微生物的組成，以蔗糖為進流基質的生物產氫 反應槽，有76％與Clostridium之親緣相近之菌群々而以麥粕為基質的生物產 氫反應槽，只有0.7％與Clostridium之親緣相近，顯示生物產氫反應槽的微生 物社會結構會受到進流基質的影響 (簡青紅、曾怡禎，2003)。 鄭幸雄等（2001）

所進行厭氧生物產氫機制及程序控制之整合型研究，其研究發現，不同的基 質對產氫菌產氫效能有直接的影響，碳水化合物單位基質的產氫量約有9 mmole-H2/g-glucose，遠大於蛋白質的0.68 mmole-H2 /g-peptone及生物污泥的 0.08 mmole-H2/g-sludge。

在嵇本賢、陳文欽、曾治乾、陳志堅（2001）的研究中發現，以易水解 的glucose為基質，最易達成生物產氫的目標，相同單位的碳水化合物的產氫 量約為蛋白質的數倍，而脂肪與纖維質的產氫量最少。 利用農業廢棄物、

能源廢棄物當基質是未來的趨勢，因纖維質含量非常的高，所以在水解階段 可能難以分解利用，而可分解纖維素之生物在自然界中到處存在，包含單細 胞動物、真菌、細菌、好氧性微生物與厭氧性微生物以及嗜溫性細菌、嗜熱 性細菌等。而其生長環境包括土壤、沼澤濕地、河川湖泊、海水沈積物、腐 壞的葉子、枯木及污泥等。而在許多厭氧細菌中也具有分解纖維素的能力如 Clostridium、Bacillus等菌種，在厭氧狀態下，纖維素經水解菌分解反應後，

其分解產物有H2、乙酸、CO2及醇類。

二、營養源(Nutrients)

微生物生長的需求因子主要為水、碳源、氮源和一些無機鹽類，除此之 外，還包括許多厭氧菌無法合成的必需維他命及氨基酸，此為微生物的必需 品，以供其代謝生長所用。近年來國內外學者在探討厭氧產氫菌種之反應槽 形式之選擇及操作條件，馴養所使用之營養物質配方種類繁多，在混合基質 及混合微生物系統中，要建立特定必需的營養鹽資料，是相當不容易的一件

28

事，必頇針對各種情況加以決定，才能得到最適合的營養鹽配方。

營養源是可供細胞利用而合成細胞物質之化學元素，而為了使厭氧產氫 反應能夠持續進行，除了提供基質之外，還必頇要有足夠的營養源。對微生 物而言營養物質的主要功能有三個（林秋裕，1995）〆(一)供予碳及氮來源 來合成細胞物質和代謝產物々(二)產生生物合成和再生過程中所需的各種能 量々(三)調節細胞之新陳代謝。

為保持厭氧消化之進行，對厭氧菌而言，最佳之C〆N〆P比值為700〆5〆 1 (Sahm，1984)。而一般厭氧反應對N、P的需求較高，其中氮主要是被用來 合成蛋白質、酵素，磷則主要是用於合成儲存能量的化合物，如ATP 等，

所以細菌生長所需的N/P 比為5-7。厭氧消化反應除了一般大量的營養源如 氮、磷之基本需求外，由於厭氧菌大多無法合成一些必需維生素或胺基酸，

因此必需提供特定的胺基酸與營養源供細胞生長及代謝用。有關Clostridium 菌屬培養的研究中，發現Clostridium菌屬的培養，除了酸鹼度緩衝劑與基質 外，還需加入鎂、鈣、鈷、鉬等微量元素。相關研究指出有13種營養源會影 響產氫效率，最適合產氫之營養物質及濃度如表2-7，其產氫效率可從190 ml-H2/g sucrose consumed提升至253 ml-H2/g sucrose consumed，效率提升34

％(賴奇厚，2001)。

此外厭氧生物產氫反應中，hydrogenase 為其重要酵素之一，厭氧產氫 菌利用hydrogenase 和ferredoxin 等酵素系統，將體內氧化有機物多餘的電 子經由此酵素系統轉移給氫離子形成氫氣而排除體外（Chen & Mortenson，

1974々Adams、Mortenson & Chen，1980），減少體內多餘電子的壓力。鐵 離子為構成hydrogenase重要金屬元素之一，每分子的hydrogenase 中含有12 個原子的鐵離子。根據文獻的結果得知（Peguin & Soucaille,1995々Lee, 2001）， 不同的Clostridium種類對於鐵離子濃度的需求大不相同，但是鐵離子的存在 則是必頇的。

29

三、溫度（temperature）

微生物的生長過程與其體內生化反應有關，而此生化反應速率又受到溫 度所控制，根據凡得霍夫定律，在一定的溫度範圍內，每升高10℃反應其速 率增加一倍，因此溫度對微生物的生長會有直接的影響。

表 2-7 適合厭氧醱酵產氫之營養物質及濃度

營養鹽 濃度(mg/L)

MgCl2〃H2O 40

NaCl 1000

ZnCl2 0.1

FeSO4〃7H2O 0.2

KI 12.5

MnCl2〃6H2O 2.5 CoCl2〃6H2O 0.1 NH4Cl 50 Na2MoO4〃2H2O 0.1 NiCl2〃6H2O 2.5 MnSO4〃4H2O 2.5 CaCl2〃2H2O 10 CuSO4〃5H2O 0.5

資料來源〆賴奇厚（2001）

而微生物依生長溫度可以分為嗜低溫菌(15-20℃)嗜中溫菌(30-35℃)、嗜 高溫菌(50-55℃)三種。溫度不僅會影響微生物的代謝作用，也影響基質、氣 體的轉移速度及生物固體的沉降性能等。而以溫度與有機物負荷、產氣量的 關係圖可發現在厭氧產氫系統中，中溫消化反應範圍，最佳的消化溫度為 30-35℃間(Henze & Harremöes, 1983)々高溫消化反應範圍內，以50-55℃之間 的效果最好々而在40-45℃之間，甲烷菌生長速率會大幅減退，主要的原因 是在此溫度範圍內，甲烷形成菌之衰退速率(decayrate)相當快，導致生長速 率降低。所以在一般之生活污水處理廠在操作污泥厭氧消化時，若採用 25-40℃之中溫條件，則最佳操作條件為35℃(Koster, 1988)。

30

本研究以Clostridium sp.為菌種，25-45℃為Clostridium 較佳生長環境，

但對產氫速率而言，則以37-40℃為最佳產氫溫度。吳建忠（2005）在CSTR 連續流操作實驗中則發現以高溫50 ℃時的操作最佳，其產氫率、產氫速率 (HPR) 和比產氫速率(SHPR)分別可達1.3 molH2/ mol xylose、245.5 mmol H2/l/day 及104.9 mmol H2/g-VSS/day々另中溫操作具較佳的系統穩定性，對 於溫度之遽升遽降有較好的緩衝能力（李國興、陳惠莉、吳季芳、羅泳中、

羅泳勝、張益盛、林屏杰、張嘉修，2003），因此本研究將把溫度控制在 35±0.5℃內，以求得最佳試驗條件。

圖2-4 中溫消化與高溫消化之關係圖 (Koster，1988)

四、酸鹼值(pH)

多數的微生物均有其最適生長的pH值，在厭氧產氫的過程中如果沒有 適當調整pH值，則容易使系統失敗。通常揮發酸的累積會使系統酸化，而 過多的氨氮則會使系統的pH值升高，同樣會有抑制的情形發生。厭氧系統

31

在低pH值及過量揮發酸累積的情況下，將取代中性pH之碳酸根系統，對甲 烷菌及醱酵產氫菌產生一定的抑制作用々此外微生物在pH值較高的環境其 適應性較差，較不容易生長，因此pH控制對於厭氧產氫醱酵來說是非常重 要的，適當控制pH值將有助於厭氧產氫的正常操作。一般而言，依據pH 值 的需求可將微生物分為酸性菌（pH=1~5.5）、中性菌（pH=5.5~8.0）及鹼性 菌（pH=8.5~11.5），大部分的產氫微生物最適合生長的pH 值範圍在6.5~8.5，

屬於中性菌。

在厭氧生物產氫程序中，由於大量的酸生成將形成一個低pH的環境，

低pH的環境將造成hydrogenase的活性下降或微生物代謝途徑的改變，甚至 在極端的環境下，會直接毒害微生物。環境的酸化主要影響微生物的增殖，

對於有機物的裂解及攝取影響則較小，Clostridia相較與其他low-G+C革蘭氏 陽性厭氧菌(主要為乳酸菌，lactic acid bacteria)而言，一般被認為屬於生活於 偏中性的環境中。實際上，對於厭氧產氫微生物而言，最佳的生長pH值範 圍為pH=9 ~ 4。所以，當以混合菌群進行生物產氫時，由於每種微生物對於 環境的需求不同，如此，當環境有微小變化時，對於系統的穩定並不會有明 顯的影響（張仕旻，2001）。另外Yokoi et al.（1995）研究中指出，Clostridium 菌屬最適生長的pH值為6.5-8.5之間々但其生長環境在pH值為5.0-5.5之間時，

也可以獲得不錯的產氫效果（Taguchi et al

.，

研究發現，在批次實驗中，有機酸的過度累積會抑制氫氣的生成，所以批次 實驗試程最佳pH值為6.0至7.0間。在中性pH範圍進行厭氧產氫，因非常適合 後續的甲烷反應之進行，因此在中性負荷都會進行甲烷化反應々而本研究為 能有放抑制甲烷化反應之進行，長期在pH5.0－5.5馴養，亦培養出在此pH範 圍，可以直效應產H2的Clostridium菌種。

32

五、抑制物質

在整個厭氧反應抑制機制中，有機酸、硫化物 氨氮以及金屬離子濃度 是主要的抑制物質。當濃度低時，有助於微生物之分解速率々但當到達某一 濃度後，會造成生物反應速率的減退，以至終止。

（一）氨氮

厭氧生物處理系統中，氨氮主要以NH4+與NH3兩種形態存在，兩者存在 之比例受水中鹽類濃度、pH值及溫度等因素之影響。在厭氧系統中，高pH 值時氨氮以NH3形態存在，而低pH值時則較有利於NH4+之形成。高pH值時，

高濃度NH3對微生物有毒性 (張鎮南、曾四恭、鄭幸雄、趙家珍、謝永旭、

Zimpro lnc.，2001)々pH為中性時，氨的毒性非常低。氨氮為一必頇的營養 物質，當濃度在50-200mg/L時，被認為可促進微生物的成長。McCarty（1964）

研究中指出，總氨氮濃度1,500-3,000 mg/L之間且pH＞7.4時，氨就會對系統 產生抑制作用，但總氨氮濃度大於3,000mg/L時，無論pH值之高低，氨對系 統皆有毒性(表2-8)。Onodera, Miyahara & Noike (1997)的研究指出，氨濃度

研究中指出，總氨氮濃度1,500-3,000 mg/L之間且pH＞7.4時，氨就會對系統 產生抑制作用，但總氨氮濃度大於3,000mg/L時，無論pH值之高低，氨對系 統皆有毒性(表2-8)。Onodera, Miyahara & Noike (1997)的研究指出，氨濃度