第二章 文獻回顧
第七節 厭氧醱酵產氫反應機制
一、厭氧醱酵產氫反應
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）經過在傳統厭氧反應 分解有機物的過程中，厭氧及兼氣性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及二氧化碳。而厭氧醱酵就
產氫反應，則是傳統厭氧反應進行至醱酵階段中止反應之繼續進行，而達到醱酵 產氫之目的，這則需要一些特殊操控技術及能利用特殊微生來達成。
由Das and Vezirolu（2001）的研究中指出厭氧醱酵產氫反應有非常高的氫氣 轉換率、穩定的氫氣產生量及良好的微生物生長率等優點，因此在微生物共培養 狀況良好的系統中，電子、氫與能量在水解、酸化與甲烷化反應之間傳遞著，氫 氣很難被釋放至氣相之中，但是反應槽中微生物共共培養系統一旦失去帄衡，氫 氣未被甲烷化反應快速消耗，則將會被釋放至氣相中。在厭氧醱酵產氫機制方 面，由於能量是微生物存活所必頇的原動力，而微生物細胞內能量的來源，主要 來自可釋放能量的化學反應，故此能量為一種化學能。此種化學能貯存在許多的 化合物內，當分子分解時，可將貯存的能量釋出（楊美桂，2003）。
Girbal, Crox, Vasconcelos and Soucaille （ 1995 ） 的 研 究 提 出 Clostridium acetobutylicum 分解葡萄糖的厭氧醱酵路徑。不同路徑所生成的代謝產物也不一 樣，包括lactate、acetone、ethanol、butanol、butyrate、acetate等。而最佳的厭氧 產氫反應為產乙酸的反應途徑。醣類轉換到pyruvate 的過程可產生NADH，而 NADH 在hydrogenase 及ferredoxin 的作用下轉回NADH 並釋出H2。在電子傳遞 的 過 程 中 可 發 現 ， 在 產 acetate 的 路 徑 上 NADH 不 會 被 消 耗 ， 幾 乎 全 部 由 hydrogenase 及ferredoxin 的作用而釋放出H2。由電子的轉移、能量的轉換探討，
微生物分解葡萄糖是傾向產生氫氣與乙酸的途徑。所以葡萄糖及蔗糖是最常用來 進行產氫研究的基質。理論上每莫耳的葡萄糖可產生4莫耳的氫氣，此時乙酸是 醱酵的副產物々當醱酵的副產物為丁酸時，產氫量僅為產乙酸時的一半而已
（Girbal et al., 1995）。
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。
（一）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）及基質種類等因素影響。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 限制々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）。所以基質在水 解階段可以使用具有分解纖維素的能力厭氧細菌如Clostridium、Bacillus等，在厭 氧狀態下，纖維素經分解菌分解反應後，其分解產物可被加以利用達到好的產能 效果。
（二）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）而有所不同，醱酵產物若為乙酸根、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〆
C6H12O6→ 2H2+ butyrate + 2CO2 ………（2-5）
C6H12O6+ 2H2O → 4H2+ acetate + CO2 ………（2-6）
反應過程（2-5）的產氫效率為33 %，反應過程（2-6）的產氫效率為67 %，
其比值為1〆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詴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〆 1. 反應pH值控制於較酸的環境（pH5.0~5.5）。
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，如〆pH值、溫度、有機負荷、ORP值等，以對系統 造成突增負荷。
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。