厭氧醱酵產氫反應機制

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被轉化為甲烷及二氧化碳等最終穩定產物 ，其反應機 制如圖2-2所示(謝哲松，1995)。

傳統厭氧消化反應最終產物為 CO

2與CH

4，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 的產物與能源可提供微生物作為生長代謝及增殖的來源 。

圖 2-2傳統厭氧消化反應過程（謝哲松譯，1995）

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

單體 (糖、胺基酸)

丙酸、丁酸

纖維素或其他水解性細菌 水解

發酵性細菌 醱酵

複合性聚合體

(纖維素、多糖類、蛋白質)

醋酸 H2＋CO2

產醋酸作用

醋酸

產氧脂肪

酸氧化菌 醱酵

H2＋CO2 醋酸

產甲烷菌 產甲烷作用

CH4

產醋酸菌

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 ，因此在微生物共營狀況 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營系統一旦失去平衡 ，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須的原動力，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。又由圖2-3 可看出，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NAD＋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；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) (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)。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，

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 。

第六節 影響厭氧產氫反應之環境因子

一、基質(substrate)

微生物生長中的細胞必須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 (賴俊吉，2003)。林明瑞等人 (2000)的研究亦已證明產氫效能會隨著基質濃度的增加而增加 ，而不同的基質對 厭氧產能也會有影響。

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；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。

在陳文欽等 (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。

利用農業廢棄物當基質是未來的趨勢 ，而農業廢棄物的纖維質含量非常的 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(Ljungdahl ＆ Eriksson, 1985; Stutzenberger, 1990)。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)

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，還必須要有足夠的營養源。對微生物而言營 養物質的主要功能有三個（林秋裕，1997）：

1.供予碳及氮來源來合成細胞物質和代謝產物 2.產生生物合成和再生過程中所需的各種能量 3.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：N：P比值為700：5：1(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。

根據Hans, Jan and Gerhard(1992)的研究中，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2-6，其產氫效率可從190 ml-H2/g sucrose consumed提升至253 ml-H²/g sucroseconsumed，效率提升34％(賴奇厚，2002)。

表 2-6 適合產氫之營養物質及濃度（賴奇厚等，2002）

中溫消化反應範圍，最佳的消化溫度為30-35℃間(Henze & Harremöes, 1983) ；高 溫消化反應範圍內，以50-55℃之間的效果最好；而在40-45℃之間，甲烷菌生長

氫溫度。Kumar & Das(1999)指出以Enterbacter cloacae IIT-BT 08 純種菌株蔗糖為 基質，進行批次式實驗，發現在36℃時產氫效果最好(2.25 mole H2/mole-glucose)。

而在45℃為此菌種產氫的上限溫度，高於此溫度則不產氫。

圖 2-3中溫消化與高溫消化之關係圖 (趙金寶等，1989)

厭氧菌對溫度的變化非常的敏感，導致反應速率隨著溫度的增加而增加，最 高可達60℃左右(洪仁陽譯，1988)；而厭氧消化反應的溫度變動須在1.5-2.0℃

間，若發生5℃以上的急遽變化時，雖然對醱酵反應較無影響，但會造成甲烷化 反應的突然終止，造成揮發酸之累積，導致系統失敗的情形發生 (趙洪賓等，

1989)。

四、pH值

大多數微生物最適合生長的環境 ，其pH值大多為中性（6.5～7.5），pH值太 高或者太低往往影響細胞內酵素的活性 ，阻礙了微生物的生長。而在厭氧系統 中，pH值控制在7.0厭氧消化可得到最佳之效果。

另外，產酸菌的最佳生長pH值則介於5.0到6.0之間(Zehnder, Ingvorsen &Marti, 1981；Lin & Tseng, 1983)，且不可低於4.0，否則會影響產酸反應的進行 (Speece &

McGarty, 1964)；相關研究指出當pH值降至6.2以下，會抑制甲烷菌反應的進行 (McGarty, 1964；陳國誠，1991)。所以為了獲得最大量的氫氣產量 ，需抑制甲烷 化反應的進行，pH值範圍應低於pH 6.2，高於pH 4.0。

在厭氧消化系統初期，pH值會有下降現象，一般認為pH值降至6.0以下時，

會使過量酸產生及累積，造成反應槽酸敗現象而抑制甲烷菌的反應 ，而產酸菌卻

會使過量酸產生及累積，造成反應槽酸敗現象而抑制甲烷菌的反應 ，而產酸菌卻