第二章 文獻回顧
第五節 厭氧醱酵產氫反應機制
控制厭氧微生物生化反應在適合產氫的途徑，以獲得較大的產氫量，是 重要的關鍵之一。一般厭氧醱酵指在厭氧環境下，利用厭氧微生物之代謝作 用將高分子有機物分解轉換為甲烷和二氧化碳等最終產物的過程々此程序可 分為水解(Hydrolysis)、酸化(Acidogenesis)及甲烷化(Methanogenesis)三個階 段（劉安琪，1996），流程如圖2-2所示，各階段的主要微生物都有其特定 的產物，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々而這些中間代謝 產物再轉化為甲烷及二氧化碳等最終穩定產物。在反應過程中，氫氣產生後 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)，但又依黃國豪、黃耀輝、陳致君、梁德明（1990）的研究顯示，該 反應無法單獨作為系統控制的依據。
厭氧產氫的機制依控制環境的不同，參與的微生物不同而有差異々即使 參與反應的微生物相同，不同的控制環境，也會產生不同的生化反應，造成 產氫效率上的不同。以圖2-3說明Clostridium acetobutylicum醱酵分解葡萄糖 之代謝路徑，不同的反應路徑所生成的代謝產物就有所不同，包括〆乳酸 (lactate)、乙酸(acetate)、丁酸 (butyrate)、乙醇 (ethanol)、丙酮 (acetone)、
丁醇 (butanol)等，而最佳的代謝路徑就是產乙酸的路徑。從圖中可看出在轉 換到丙酮酸(pyruvate)的過程中可產生NADH，NADH在氫化(Hydrogenase) 及鐵氧化還原蛋白(Ferredoxin)的作用下轉換回NAD+並釋出H2々pyruvate 再 往下轉換，在產乙酸路徑不會消耗NADH，也就是說分解葡萄糖所產生的 NADH不會被消耗，而全部經由Hydrogenase及Ferredoxin的作用釋放出H2。
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但由於Hydrogenase及Ferredoxin的反應速率不夠，造成NADH的累積，促使 代謝路徑移向消耗NADH 的產丁酸或產醇的路徑，造成氫氣產率的降低々 另外，大量的乙酸將使這種情形更加嚴重，若反應移往產丁醇的路徑將停止 產氫々就最大理論產氫量而言，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而當醱酵的副產物為丁酸時，產氫量則僅為產乙酸時的 一半而已（Dabrock, Bahl & Gottschalk, 1992々Girbal, Crox, Vasconcelos &
Soucaille, 1995々白明德，1999）。
複合性聚合體
(纖維素、多醣體、蛋白質)
單體(Oligomers) (醣、胺基酸)
醋酸 丙酸、丁酸
Ｈ2+CO2
水解 纖維素或其他水解性細菌
醱酵 醱酵性細菌
醋酸
產醋酸作用
產醋酸菌 產氧脂肪 醱酵
酸氧化菌
醋酸 Ｈ2+CO2
CH4
產甲烷菌 產甲烷菌
產甲烷作用
圖2-2 傳統厭氧消化反應過程（謝哲松譯，1995）
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(1)hydrogenase (2)ferredoxin-NAD reductase (3)NADH-ferredoxin reductase (4)phosphotransacetylase
(5)acetate kinase (6)phosphotransbutrylase (7)butyrate kinase
圖2-3 厭氧醱酵路徑圖 (Girbal et al., 1995)
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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)。而其中最主要的反應為 貯能化合物為腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine Triphosphate, ATP)水解成腺嘌 呤核苷二磷酸(Adenosine Diphosphate, ADP)而釋放出能量。
由上述可知，一般傳統厭氧消化反應可分三階段，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酶(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)，
因為能源作物大多屬於半固體基質物，所以需要經過水解階段，加以分解成 氨基酸、單糖類、長鏈脂肪酸即甘油等可溶性的小分子物質，以便能被微生 物利用，加強後需的產氫效率。而水解的效率受到 pH 值、水力停留時間 (HRT)及基質種類（Henze & Harremöes, 1983）等因素影響。而進流基質為
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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）。
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。因此本研究將以批次實驗選出水解菌最佳水 解效果，再利用蔗渣基質在連續流試驗中，前段水解 SBR 反應槽把纖維素 分解後，後段醱酵產氫CSTR 反應槽來升產氫量。(二)產酸階段
厭氧發酵產氫過程中，除了主要產物氫氣的產生之外，也會伴隨著其他 副產物的生成。當開始生長時，細胞內需大量的能量以供生長，所以會偏向 於生成乙酸的路徑，以利於能量的累積。而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, Chang, Takiguchi &
Morimoto（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………(式1) C6H12O6 + 2H2O → 4H2 + acetate + CO2………(式2)
反應過程（式1）的產氫效率為33%，反應過程（式2）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
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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）pＨ值控制於較酸的環境々（2）加大有機負荷或縮短 水力停留時間々（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）々（4）完全混合反應培養々
（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。