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。

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2-3 (謝哲松，1995)所示。

圖 2-3 傳統厭氧消化反應過程（謝哲松譯，1995）

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)

H₂＋CO2

產醋酸作用 產氧脂肪

酸氧化菌

產甲烷菌

產甲烷菌 醋酸

產甲烷作用 H2＋CO2 醋酸

醋酸

CH₄

產醋酸菌 醱酵

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。

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)。

(1)hydrogenase, (2)ferredoxin-NAD reductase,

(3)NADH- ferredoxin reductase, (4)phosphotransacetylase, (5)acetate kinase, (6)phosphotransbutrylase, (7)butyrate

kinase

圖 2-4 厭氧醱酵路徑圖(Girbal et al., 1995)

由上述結果可知，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。

(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) (Verstraete, deBaere

& Rozzi, 1981)及基質種類 (Henze & Harremoes, 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，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, 1964a)，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、氫氣及二氧化碳等可直接被醱酵產氫菌利用之化合 物。

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：

C6H

12O

6+H2O→ H

2+Aaceticacid +Butyricacid + 2CO

2……….（2-1）

C6H

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。 增負荷（shock loading）。

4.完全混合反應培養。