第二章 文獻回顧
第三節 影響微生物產氫的環境因子
一、基質
基質對於產氫菌的影響，多以純菌方式來培養，而且基質相同與否，
所馴養出來的產氫菌呈現多樣性，如表2-3。
鄭幸雄等指出（2001）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為9.0 mmole-H2/g-glucose，遠大於蛋白 質的0.68 mmole-H2/g-peptone或生物污泥的0.08 mmole-H2/g-sludge。由 陳文欽等（2001）的研究發現，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。而碳水化合物的濃度也會影響厭氧產氫反應的 產氫總量與代謝途徑（Mizuno , Ohara , Shiny ＆ Noike ,1999），林明 瑞、盧重興、賴欣宏、邱毓明（2000）的研究證明產氫效能也隨著基質濃 度的增加而增加。
而以peptone 為基質的厭氧醱酵產氫反應中，在分解的過程會有氨氮 的生成，因而產生了耗氫反應（鄭幸雄、張仕旻，2001），故以peptone為 基質的醱酵產氫反應，所回收的氫氣比以碳水化合物為基質者少，可見不 管是產氫量或產氫效率，易分解基質（如葡萄糖）最易達成生物產氫的目 標；但peptone因為有氨氮的生成及胺基酸的釋出，對系統穩定的操作有 不錯的效果。
二、污泥來源
污泥來源對於產氫菌的影響，由表 2-4 可以看出不同污泥來源，如 rumen 及 sewage sludge，所分離的產氫菌是不同的，分別是Clostridium lohheadii 及 Acetivibrio cellulolyticus。即使有類似的污泥來源 rumen，所分離出來的產氫菌也不相同，例如Butyrivibrio fibrisolvens、 Ruminococcus albus 及 R. flavefaciens 等，可見不同污泥來源可分離 產氫菌的多樣性。
表2-3 基質對於產氫菌種類的影響（黃俊霖，2001）
基質種類 菌種 演化分類 參考文獻
carbohydrates，alcohol and all methoxylated compounds only in the presence of yeast extract（0.1％）
Clostridium
methoxybenzovorans
Gram positive, low G+C Mechichi et al.,1999
galactomannan C. tertium Kt-5A Gram positive, low G+C Kataoka et al.,1998 glucose and polypeptone C. butyricum strain SC-E1 Gram positive, low G+C Kataoka et
al.,1997 C. butyricum Gram positive, low G+C
glucose
Rhodobacter sp. M-19 Proteobacteria α
Yokoi et al.,1998 glucose C. butyricum Gram positive, low G+C
glucose Bacillus licheniformis Gram positive, low G+C acetate，succinate and
mamate
Rhodospirillum rubrum Proteobacteria α
Nandi et al.,1998
C. butyricum Gram positive, low G+C starch
Enterobacter aerogenes Proteobacteria α
Yokoi et al.,1998 glucose
mannitol
C. pasteurianum Gram positive, low G+C Heyndrickx et al.,1991 30％ waste water，PHB Rhodobacter sphaeroides
Ou-001
Proteobacteria α Yigit et al.,1999 CO or CO2(in darkness) Rhodobacter sp. CBS Proteobacteria α Markov et
al.,1997 Starch accumulated in
the algal biomass
Rhodobacter sphaeroides RV
Proteobacteria α Ike et al.,1997 various carbohydrates，
glucose
Enterobacter aerogenes strain HO-39
Proteobacteria γ Yokoi et al.,1995
表2-4 污泥來源對於產氫菌種類的影響（黃俊霖，2001）
污泥來源 菌種 演化分類 醱酵產物
Rumen Butyrivibrio fibrisolvens
Gram positive low G＋C
Latate, butyrate, avetate, formate, CO2 Rumen Ruminococcus albus Gram positive
low G＋C
Succinate, acetate, formate
Rumen R.flavefaciens Gram positive low G＋C
Succinate, lactate, acetate, formate, ethanol, CO2 Soil, marine
mud, sewage waste
Clostridium thermocellum
Gram positive low G＋C
Succinate, lactate, acetate, formate, ethanol, CO2 Soil, rumen,
lake sediments
Clostridium cellobioparum
Gram positive low G＋C
Latate, ethanol, acetate, formate, CO2 Rumen Clostridium lohheadii Gram positive
low G＋C
Acetate, formate, butyrate, CO2 Sewage sludge Acetivibrio
cellulolyticus
Gram positive low G＋C
Acetate, ethanol, CO2
Rumen Megasphaera elsdenii Gram positive low G＋C
Acetate, propionate, butyrate, valerate, caproate, CO2
Rumen Lachnospira multiparus
Gram positive low G＋C
Latate, acetate, formate, CO2 Hot spring Caldicellulosiruptor
lactoaceticus
Gram positive low G＋C
Acetate, ethanol, lactic acid, CO2 Mesophilic
Gram positive low G＋C
Acetate, formate, ethanol, lactate, fatty acid, CO2
三、水力停留時間（HRT）
厭氧醱酵產氫反應所生成的氣體與產量都會受到水力停留時間
（HRT，Hydraulic retention time）的影響（林明正，1999）；林秋裕、
陳晉照（2001）的研究指出，CSTR 反應槽之水力停留時間越短，產氫的效 果越佳，當水力停留時間由 24 hrs.縮為 8.0 hrs.時，產氫率會由 0.6 L-H2/
L·day 增加至 14.9L-H2/L·day，若水力停留時間過短（低於兩小時），會 因為揮發酸的過度累積造成 pH 值的降低而抑制氫氣的生成。而 Majizat, Mitsunori, Michimasa ＆ Jun’ichiro（1997）同樣以 CSTR 進行不同水 力停留時間對產氫效率的影響，當水力停留時間介於 4.0 hrs 到 12.5 hrs 之間，發現在水力停留時間為 4.0 hrs 時有最佳產氫量，其餘依次為 6.0hrs.、8.0 hrs.。這是因為水力停留時間縮短會有助於淘汰 Archaea 菌種（黃俊霖、陳晉照、林秋裕及劉文佐，2001）使甲烷菌無充足時間將 酸化菌產生的酸轉化為甲烷。Cha ＆ Noike（1997）將反應槽的 HRT 控制 在 6-48 hrs.之間，微生物數量會隨著 HRT 的縮短而減少，但揮發酸的濃 度卻會隨著 HRT 增加而增加，此高濃度的揮發酸除了使反應槽 pH 值降低 外，同時也抑制甲烷菌生長，使甲烷形成菌沒有足夠的時間將有機酸及氫 氣轉化為甲烷及二氧化碳。
四、溫度
溫度在厭氧消化反應中是一個相當重要的控制條件，微生物依生長溫 度可以分為嗜中溫菌（30～35℃）、嗜高溫菌（50～55℃）兩種。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。而溫度與有機物負荷、產氣量的關係可用圖2-2來表示（趙 洪賓、金錐、劉馨遠，1989），可發現厭氧產氫系統中溫消化反應範圍，
最佳的消化溫度為30～35℃間（Henze ＆ Harremoes,1983）。在高溫消 化反應範圍內，以50～55℃之間的效果最好；若在40～45℃之間，會使甲 烷菌生長速率大幅減退，主要的原因是在此溫度範圍內，甲烷形成菌之衰 退速率（decay rate）相當快，導致生長速率降低。賴欣宏、楊聰宏（2001）
的研究指出，在不同形式的厭氧產氫反應槽（CSTR、無攪拌式及柱塞流式 等）都會隨著溫度的增加，其產氫效果也會增加。另外，厭氧高溫消化反 應產生之甲烷產氣量及承受之有機體積負荷量，是中溫消化反應速率（以
35℃為主）的1.2～1.5 倍。
圖2-2 中溫消化與高溫消化之關係圖（資料來源：趙洪賓、金錐、劉馨 遠，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，1998）；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）。但如此反而有利於產氫反應的進行。
雖然高溫的反應速率較快，可以獲得較多的產氫量與較高的產氫速率，縮 短消化槽的停留時間，但對有機污染物的去除效果卻無明顯的增加。
Kalia（1995）相關研究指出，Clostridium菌屬最佳的生長溫度為 25-37℃；Taguchi,Chang , Takiguchi ＆ Morimoto（1992）以連續流方 式培養Clostridium butyrium進行產氫試驗，發現將溫度控制在36℃時，
可以得到1.5～2.0 mole-H2/mole-glucose的氫氣轉換率。主要是因為缺乏 適應的緣故（Marki & Bryant,1981）及溶液中的氣體溶解度降低，溶氫 濃度也相對降低，有助於菌體的反應而獲得較高的產氫速率。Cha & Noike
（1997）以CSTR進行溫度對酸化菌的試驗，發現溫度下降時基質的去除率 也會快速下降。
五、pH值
絕大部分的生物反應都有其最佳的生長pH值，在厭氧處理系統中，pH 值須控制在某一個的範圍中，甲烷菌生長的最佳的pH值在6.6 到7.6 之 間，但酸產生菌的最佳生長pH 值則在5.0到6.0之間，且反應pH 值不可低 於4.0，會影響酸產生菌反應的進行（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，反應槽pH 值範圍應低於pH6.2 高於pH4.0。
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，而酸產生菌卻能持續產生有機酸及氫氣等中間產物。Yokoi et al.
（1995）研究指出，Enterobacter aerogenes菌種的最佳操作pH值條件在 6.0～7.0之間，Clostridium菌屬最適生長的pH值為6.5～7.0 之間；但 Clostridiumbutyrium其生長環境之pH 值在5.0～5.5 時，也可以獲得不 錯的產氫效果（Taguchi et al.,1992）。
Eva & Cao Z.Y.（1995 ）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
（Taguchi et al.,1992、Yokoi et al.,1995），但連續流實驗試程則會 因有機酸隨著廢液的排出，其操作最佳pH 值為4.5 至6.0 間。所以pH 值 主要是影響酵素（enzyme）的活性，而改變為生物對有機物的代謝能力，
尤其是在水解階段的胞外酵素。
六、營養源
為了要使厭氧產氫反應能持續進行，必須要有足夠的營養源，其主要 功能主要是提供微生物碳源及氮源來合成細胞物質及新陳代謝之所需（林 秋裕，1996）。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 ＆Gerhard （1992）關於Clostridium菌屬的培養研究中，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。Clostridium 利用厭氧消化反應處理高負荷有機 廢水（0.8-1.2 kg-COD/kg-VSS·day）時，COD/N 之比值最好在400附近（ven den Berg ＆Lentz,1977）；低負荷有機廢水（小於0.5 kg-COD/kg-VSS．
day）之COD/N比值可以減至1000/7 或更小（van den Berg ＆
Lentz,1980；Benjamin, Ferguson ＆ Buggins,1989）。在磷的營養需求 方面， N/P之比值則可維持在7左右（Speece ＆ McCarty,1964），這些 營養物質的添加濃度都有一定的最佳限值（陳國誠，1991）。相關研究指 出（賴奇厚、陳晉照、林秋裕、林屏杰和張嘉修，1991）有13種營養源會 影響產氫效率，營養源及最佳濃度如表2-5所列，產氫效率可從190 mL-H2/g sucrose consumed 提升至253mL-H2/g sucroseconsumed，效率提升34％。
表2-5 影響產氫效率的營養鹽及最佳濃度（賴奇厚等，2001）
營養鹽 濃度（mg/l）
MgCl2．H2O 40.0
NaCl 1000
ZnCl2 0.1
FeSO4．7H2O 0.2
KI 12.5
MnCl2．6H2O 2.5 CoCl2．6H2O 0.1
NH4Cl 50.0
Na2MoO4．2H2O 0.1 NiCl2．6H2O 2.5 MnSO4．4H2O 2.5 CaCl2．2H2O 10.0 CuSO4．5H2O 5.0
七、抑制物質
在整個反應抑制機制中，揮發性脂肪酸、硫化氫及氨氮是主要的抑制 物質，濃度低時會有助於微生物之分解速率；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。氨氮為一必須的營養物質，但當氨氮 濃度在50~200mg/l間被認為可促進微生物的成長，超過3000mg/l時卻有強 烈的抑制作用；Onodera, Miyahara＆Noike (1997) 研究指出，氨濃度越 高時厭氧產氫菌的產氫能力與基質分解率都會受到抑制，特別產氫能力受 到抑制的影響最大，如表2-6所示。
表2-6 氨濃度對厭氧菌分解作用之影響（McCarty,1964c）
影 響 氨濃度(mg/L)
有益 50～200
無不利影響 200～1,000 抑制分解 1,500～3,000
具毒性 3,000 以上
在厭氧處理過程中，原本不具毒性的硫酸鹽與亞硫酸鹽會被還原成具 有毒性的H2S、HS-和S2-，會對厭氧消化系統造成不同程度之影響，其中以
在厭氧處理過程中，原本不具毒性的硫酸鹽與亞硫酸鹽會被還原成具 有毒性的H2S、HS-和S2-，會對厭氧消化系統造成不同程度之影響，其中以