應用電發酵技術於農業廢棄物能資源化： 回顧與展望

1. 前　　言

隨著都市發展與科技進步，人們享受高 生活品質的同時，也增加能資源使用需求，並 造成許多廢棄物排放、石油燃料過度使用、

生物資源濫伐等環境衝擊。以農業廢棄物為 例，我國每年產生逾4百萬公噸，例如一般農 業性廢棄物(如稻穀)及畜牧廢棄物(如豬糞尿) 等。近年來，「化廢為寶」觀念大力提倡，

宗旨係從廢棄物中提煉出具有利用價值之產 物，而厭氧消化(Anaerobic Digestion)技術常 被用來從農業廢棄物中提煉具經濟價值之產 物，如甲烷、氫氣、琥珀酸、檸檬酸及酵素等 (Pan et al., 2015)。除了厭氧消化技術，近年更

結合程序強化概念，而發展出「電發酵技術」

(Electrofermentation)。根據國際上數個研究團 隊之初步研究，發現電發酵技術比傳統厭氧消 化之甲烷產量多出兩倍，且微生物合成作用可 有效產生具價值之有機產物(Qu et al., 2020；

Ren et al., 2018)。以下針對厭氧消化與電發酵 技術之原理進行初步介紹。

1.1 傳統厭氧消化

厭氧消化可分四個階段，包括水解、酸 化、乙酸化及甲烷化階段(Pan et al., 2020)，各 階段之反應由不同類型厭氧菌進行，最後產氣 體成分以甲烷、氫氣與二氧化碳為主。厭氧消 化過程中，反應之微生物菌種所適應之溫度環

Volume 7, No. 4, December 2020, pp. 311-324

應用電發酵技術於農業廢棄物能資源化：

回顧與展望

林鴻政

　潘述元

　王柏翔

摘　要

針對農業廢棄物(例如豬糞尿)處置方式，國內多是採用三段式或分批式廢水處理，產生之污泥 再透過生物處理技術合成有機質肥料，或直接經物理性處理製成工程填料再利用。事實上，農業廢 棄物可透過「厭氧消化」原理產生生質能源(例如沼氣)，其中，「電發酵」技術近年被提出且引起 廣泛討論。電發酵技術概念係透過電化學原理，驅使微生物進行發酵反應，且已在實驗室中被證實 可有效產生生物沼氣，沼氣產量更優於傳統厭氧消化系統。電發酵技術除可有效降低農業廢棄物中 之有機質含量外，更可將其轉換成具附加價值之生質產物(例如有機酸)，兼顧環境保護與循環經濟 理念之實現。有鑑於此，本文系統性地回顧電發酵技術之原理與績效，包括反應器設計、產物種類 及實際應用等，並提出未來電發酵技術應用之機會與展望。

關鍵詞：循環生物經濟，電化學，生物精煉，厭氧消化，微生物轉化

收到日期: 2020年08月31日 修正日期: 2020年11月04日 接受日期: 2020年11月10日

1 國立臺灣大學生物環境系統工程學系 碩士研究生

2 國立臺灣大學生物環境系統工程學系 助理教授

3 國立中央大學環境工程研究所 助理教授

4 東京工業大學地球生命研究所 外部隸屬科學家

*通訊作者電話: (02)3366-3453, E-mail: [email protected]

境不一，其大致可分為中溫菌(攝氏30~40度)與 嗜熱菌(攝氏50~60度)。許多研究發現在高溫環 境下進行厭氧消化，可具有較高之氣體產量。

除溫度影響外，仍有許多其他因素會影響產氣 量，例如：不同有機物質對於厭氧菌之反應狀 況、反應環境pH值、停留時間、生化需氧量 等。除透過上述因子改善厭氧消化績效外，許 多團隊亦試圖培養新菌種或改善其生物反應途 徑，以提升產量及產生更具價值之產物，例如 Snyder et al. (2015)曾透過選擇菌株種類相近之 微生物進行培養，使用微生物生產特定高經濟 價值之產物，例如檸檬酸、丁酸、生物酶及生 物絮凝劑等。

1.2 電發酵技術

電發酵技術之概念最早可追朔至發現葡 萄糖發酵時，通入電流會增加麩胺酸生成，因 此，科學家發現施加一外加電流通過，會刺激 微生物反應；而後並應用此發現，於釀酒工業 上增加葡萄糖發酵程序之乙醇產量，後來才證 明出其反應機制係利用電場，影響酵母菌之生 長狀態(Araújo et al., 2004；Hongo & Iwahara, 1979；Suzuki et al., 1986)。直至最近，此類透 過電化學機制來控制或提升微生物之生長速

率，並能有效利用微生物反應提煉物質(Agler et al., 2011)，才被科學家歸類為「電發酵」技 術。利用電發酵技術進行農業廢棄物處理(如 圖1所示)，不僅可減少資源浪費與環境污染，

更可將廢棄物提煉成有價值之生質產物，例如 化學物之構建組元(Building Blocks)、生物聚合 物(Biopolymers)及生物溶劑(Biosolvents)等，

應能加速我國轉型成為循環經濟體系(Circular Economy System)之關鍵技術之一。

國際上許多研究團隊已證實電發酵能有效 率地透過電極傳遞電子，造成微生物體內與體 外之電子濃度不同，形成電子梯度，以促使微 生物於無氧狀態下進行發酵反應(Chandrasekhar

& Mohan, 2012；Velvizhi & Mohan, 2017)。電 發酵系統內反應物通常為有機質，並在兩極各 有不同之生物反應：(1)陰極發生還原反應，

接受電子，如有機酸分子可被還原為醇類；

(2)陽極發生氧化反應，放出電子，電極上具電 活性之細菌氧化有機酸產生乙酸或二氧化碳。

Rabaey et al. (2011)更利用生物膜將陽極與陰極 分開，或透過增加陰/陽兩極之距離，以利氧化 還原反應進行。

表1彙整文獻中使用電發酵與傳統厭氧消 化之績效評估，以豬糞尿為原料，比較其操作

圖1　電發酵技術發展概念圖(Schievano et al., 2016；本研究繪製)

表1　彙整近年文獻中使用電發酵技術與厭氧消化技術之產氣績效比較(本研究整理) 程序種類原料/成分操作條件績效評估 參考文獻 模式電壓(V)pH溫度(o C)HRT (日)產氣日數產氫量產甲烷量 電發酵豬糞尿批次0.87.0207146.8 mL/g-VS0.5 mL/g-VS Jia et al. (2020)電發酵污水廠厭氧 程序污泥批次0.87.0207144.2 mL/g-VS0.1 mL/g-VS 厭氧消化雞糞批次--35824-8.4 mL/g-VS Qu et al. (2020)電發酵雞糞批次0.8-35824-146.9 mL/g-VS 電發酵/磁場雞糞批次0.5-35824-151.0 mL/g-VS 電發酵葡萄糖液批次-0.26.235393-4.0 mL Jiang et al. (2018)電發酵葡萄糖液批次-0.66.235393-7.4 mL 電發酵葡萄糖液批次-1.06.235393-12.0 mL 電發酵酸化放流水批次0.67.028229.9 mL/g-VFA-Modestra et al. (2015)電發酵酸化放流水批次0.27.028226.0 mL/g-VFA- 電發酵消化污泥半批次0.87.2553185-199.0 mL/L-VFASasaki et al. (2013)厭氧消化消化污泥半批次-7.2556125-75.7 mL/L-VFA 電發酵消化污泥批次-0.6-37±2-18-75.0 mLRen et al. (2018)厭氧消化消化污泥批次--37±2-18-46.4 mL * VS (Volatile Solids)為揮發性固體；VFA (Volatile Fatty Acids)為揮發性脂肪酸。

參數與產氣量之關係。結果發現：於生物沼氣 (氫氣與甲烷)產量上，電發酵技術比傳統厭氧 消化具有更多產氣量，且產生濃度相對較高。

於電發酵技術之電壓設定上，發現若提供較高 之電壓，則產氣量亦相對上升；同樣地，不 同溫度會顯著影響電活性微生物之活性，影 響電發酵之產率與產量。於電發酵技術實際應 用案例上，過去已有使用希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)將甘油轉化成乙醇之工程案例(Flynn et al., 2010)。因此，只要能於電極和微生物 間，建立輸送電子之良好通道，應可成功傳遞 電子以提供生物進行發酵反應。

1.3 本文目的

本文回顧近年發表之電發酵技術研究，綜 合評估電發酵技術之應用潛力及經濟效益，並 分析以電發酵技術取代傳統厭氧消化技術之可 行性。本文首先以電發酵技術之原理與應用進 行回顧，並列舉數個透過電發酵技術產製之生 物精煉產品，例如：生質沼氣、丙二醇、聚羥 基烷酸酯及羧酸等；最後研擬三點未來優先研 究方向，以供國內相關領域專家學者與決策者 參考。

2. 電發酵技術原理與設計

本章扼要說明電發酵技術原理與設計，包 括電極反應機制、微生物培養及槽體設計與關

鍵績效指標。

2.1 電極反應機制

於電發酵系統中，電子可透過三種機制 進 行 傳 遞 ， 詳 如 圖2所示，分別為直接傳遞 (Direct Conversion，圖2A)、微生物之發酵反應 (Oxidation–Reduction Potential Control，圖2B) 及透過非本身電活性微生物生物作用媒介傳遞 電子(Syntrophic Interaction，圖2C)。許多生物 電化學研究證明，電子提供/接受可透過具有 電活性之微生物作為中間媒介，例如生物膜，

抑或直接透過胞外電子轉移(Direct Interspecies Electron Transfer) (Khosravanipour Mostafazadeh et al., 2017)。另外，添加可溶性之還原介質可 形成電極表面與微生物間之電子通道，例如中 性紅、紫精、硫蛋白、核黃素及腐質酸等，抑 或透過細胞質擴散作用，影響菸鹼醯胺腺嘌呤 二核苷酸對(NADH/NAD⁺, Nicotinamide Adenine Dinucleotide Hydride, NADH；Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NAD⁺)之平衡，而進行 發酵反應 (Khosravanipour Mostafazadeh et al., 2017；Kracke & Krömer, 2014)。

影響電發酵技術效率之關鍵有三點：穩 定持續之電子流動、維持缺氧環境(有氧環境 下，氧氣會先被還原)、及加強生物膜附著程 度(影響電子傳遞效率)。圖3顯示電發酵系統 中陰/陽極之反應機制，陽極接受來自有機物 釋放之電子，並通過中間電活性微生物作用，

圖2　電發酵技術於陽極反應進行接機制與電子傳遞情形(Moscoviz et al., 2016；本研究繪製)

加速NADH消耗，以達到足以生產能量之質 子濃度梯度；於陰極上，微生物細胞接收電 子，取代NADH與質子結合之反應並產生氫 氣，且在發酵過程中，獲得額外三磷酸腺苷 (ATP, Adenosine Triphosphate)(Kracke & Krömer, 2014)。在電發酵反應中，透過調整電壓與電 流大小，可刺激微生物之反應，改變細胞內外 之電位平衡，並利用低密度電流來平衡NADH/

NAD⁺，有利於微生物反應之進行，以提升發酵 反應效率。因此，電發酵技術開發重點之一，

即為新穎電極材料之製備。

2.2 微生物培養

常見微生物培養方式分成「純微生物培 養」或「共培養(群落培養)」，以純微生物培 養為例，其利用單一種類微生物，以便容易控 制其環境與生長情況，雖為單一相微生物，胞 內仍有不同發酵反應進行，因此可進行不同有 機質分解，且所需環境控制相對穩定。共培養 係透過兩種以上微生物進行代謝反應，除可增 加有機物產量，亦可產生輔助性物質，以催 化其他種微生物進行反應；然而，共培養在

操作上較困難，因需找到可適當搭配之微生物 群落並成功培養(Thrash & Coates, 2008)。事實 上，不同電發酵技術設計關鍵之一，在於發酵 槽內微生物種之選擇與培養，以透過特定微生 物之生物作用，達到技術所需求之目標。因 此，電發酵系統開發應結合分子生物技術，例 如次世代微生物核醣體DNA(去氧核糖核酸，

Deoxyribonucleic Acid)定序(16S rDNA Amplicon Sequencing)，優選微生物菌相。

2.3 槽體設計與關鍵績效指標

電發酵系統於槽體內部設計上，可分成 單槽、雙槽、管流、堆疊、擴散或上升流等 (Mohan et al., 2016)；依據不同處理目標，例 如工業廢水、生質物、無機物或酸性礦物水等 (Chandrasekhar & Ahn, 2017)，亦有不同之技 術設計。於應用層面上，可分為生物電化學處 理系統、微生物脫鹽系統或微生物電解池等 (Kumar et al., 2018a)。圖4說明各種不同微生 物反應器之發展歷程，從最初之微生物電池到 近期不同微生物反應器之應用。以微生物電池 為例，其利用兩端電位差作為驅動力，驅使微 圖3　電發酵內部陽極與陰極的可能機制(Schievano et al., 2016；本研究繪製)

生物還原並分解物質(Budihardjo et al., 2020)，

而生物電解池甚至可於陽極回收具經濟價值之 產物(Luo et al., 2020)。以微生物整治池為例，

當分離階段針對之目標反應物為污染物，則 可視作一生物整治反應(Borello et al., 2020)。

微生物反應器亦可與逆電透析結合(Microbial Reverse Electrodialysis Cells)，於陽極以電子 之濃度梯度為驅動力，產生氫氣，並析出水 中原有電解質(Watson et al., 2015)。近年更有 研究團隊開發固態生物發酵技術(Solid-State Electrofermentation)，利用自身之感應電動勢，

同步生產氫氣、乙醇及電力(Chandrasekhar et al., 2015)。綜合以上各反應槽條件，技術改 良、設計調整或操作(電壓/電流供給)變化，皆 可使微生物反應進行適當之改變。

一般而言，電發酵技術效率主要取決於三 者：(1)微生物群落間反應、(2)中間介質中溶 解之氧化還原對、及(3)透過細胞的胞外電子轉 移機制，在電極表面與微生物之間反應。當電 發酵細菌不具活性時，可添加適當之氧化還原

媒介，例如中性紅(Yang et al., 2020)或紫精類物 質(Bahari et al., 2020)等，這類化學物質可被電 極回收，此種電子交換方式被稱作「介質性電 子傳遞」(Mediated Electron Transfer)。發酵效 率為評估電發酵反應之重要關鍵績效指標，式 (1)為常見電發酵效率(nEF )之計算公式。若nEF <

1，表示產物進行氧化還原之電子回收率，比陰 /陽極提供之電子還多；若nEF >1，表示陽極與 陰極各自之發酵反應類似於「微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cells, MFCs)」及「微生物電合 成(Microbial Electrosynthesis, MES)」。

nEF = Qproduct (1)

其中，Qe−為電循環中實際通過之電子數目，通 常可利用電流計時法來求得；Qproduct 為產物中 氧化還原所利用之電子數目。當nEF 越小甚至趨 近於0時，代表流經之電子遠比反應物與產物之 氧化還原反應需求電子少，亦說明電發酵技術 可透過微小電流來改善生物反應情形。

圖4　各種微生物電化學反應程序之關聯性(Kumar et al., 2018a)。

3. 應用電發酵技術於農業廢 棄物能資源化

電發酵技術在農業廢棄物之處理上，提供 了更有效率之方式。除可減少過去使用化學藥 劑控制pH值、氧化還原反應平衡與發泡等情況 外，更可透過電化學刺激加速不同菌種之發酵 反應，改善生物代謝途徑，加速處理農業廢棄 物中較不易分解之有機質，並多元化後端具價 值產物之種類，例如乙醇、有機酸等(Cok et al., 2014；Mathew et al., 2015)。本章扼要說明應用 電發酵技術於農業廢棄物能資源化之方式，並 列舉數種可製造之生質產品種類，實現生物精 煉理念。

3.1 從程序整合概念串聯電發酵與 分離萃取

近年來，程序整合(Process Integration)概 念被大力提倡，於各種反應過程中強調前端與 後端之整合，並考慮不同單元操作之間的互相 作用。厭氧消化通常會產生乙醇與揮發性脂肪 酸(Volatile Fatty Acids)，乙醇具揮發性，可利 用蒸溜方式濃縮。揮發性脂肪酸則可透過數種 方式分離萃取，例如蒸餾法、脫水濃縮法(屬於 疏水性類)或電動力法。揮發性脂肪酸常以離 子形式存在於發酵環境中或附著於生物膜上，

電動力法可藉由具離子選擇性薄膜進行分離，

例如琥珀酸；於膜分離過程中，反應物濃度越 高具有較高之分離效率，然濃度過高往往會導 致生物毒性，不利微生物發酵，因此揮發性脂 肪酸必須控制在一定濃度時進行發酵與分離萃 取(Gildemyn et al., 2015)。生物發酵可結合微 生物電解池，詳如圖5所示，以小麥桿為例，

於第一階段生物發酵反應槽，可產生半纖維 素、乙醇、揮發性有機酸及酚類等物質，隨後 再經由第二階段微生物電解池，去除中間有毒 產物(糠醛)，同時將糖分轉為氫氣(Kumar et al., 2018a)。另一方面，電透析可用來分離暗發酵 中之有機酸產物，發酵過程中常因酸性物質產 生，導致pH改變或有機酸聚集於生物膜上，不 利微生物持續進行反應，但若電透析分離可適 當配合，可將有機酸作為光發酵之原物料並產 生氧氣(Redwood et al., 2012)。

3.2 製造能源類生質產品

電發酵技術可產生許多有價值產物，其中 包含有許多生質能源類產物，其可應用於發電 燃料或是交通能源。本節列舉說明三種生質燃 料，包括生質甲烷、生質氫氣及生質乙醇。

(1) 生質甲烷(Biomethane)

甲烷(CH4)主要由兩種微生物反應途徑所產 生，第一種係直接由「乙酸產甲烷菌」將乙酸

圖5　發酵技術與微生物電合成技術示意圖(Kumar et al., 2018a；本研究繪製)

轉化而成，如式(2)所描述；第二種係利用「氫 營養型甲烷菌」將氫氣與二氧化碳轉化而成，

如式(3)所描述。此兩類途徑皆易受pH值、水 力停留時間、溫度、碳氮比及BOD(生化需氧 量，Biochemical Oxygen Demand)等因素所影響 (Mézes et al., 2017)。

Acetoclastic Methanogenesis：

C2H4O2 → CH4 +CO2 (2) Hydrogenotrophic Methanogenesis：

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (3) 除上述生物途徑外，於電發酵程序中，

甲烷亦可由二氧化碳還原生成，如式(4)所描 述。比較傳統厭氧消化，發現電發酵於二氧化 碳轉化甲烷之效率高出86%，且適當之碳氮比 更扮演提升甲烷產量之重要關鍵(Kumar et al., 2018b)。Tartakovsky et al. (2008)研究發現，當 操作電壓低於0.5V時，反應會利於甲烷之生 成；當電壓高於0.7V時，氫營養型甲烷菌反而 被抑制，因此氫氣濃度提升。另外，水溶性有 機酸濃度係控制電化學電解池反應之關鍵，若 發酵環境中，酸性物質濃度過高，則較有利於 甲烷生成；若有機酸濃度較低時，則較有利於 氫氣生成。

CO2 + 8H⁺ + 8e⁻ → CH4 + 2H2O (4) (2) 生質氫氣(Biohydrogen)

於產氫(H2)性能上，電發酵比傳統厭氧消 化高出數倍(Kumar et al., 2013)；於暗發酵反應 時，每莫耳葡萄糖除可生產2−4莫耳氫氣外，

同時可產生乙酸跟丁酸，分別詳如式(5)與式(6) 所描述：

C6H12O6 +2H2O→4H2 +2CO2+2C2H4O2 (5)

C6H12O6 →2H2 +2CO2 +C4H8O2 (6) 於電發酵中，有機酸(以乙酸為例)可在陽 極分解產生二氧化碳與氫離子，氫離子則在陰

極還原成氫氣(式(7)、式(8))，同理可以揮發性 脂肪酸為反應物生產氫氣。在一完整之電發酵 程序中，每莫耳葡萄糖之氫氣最大產率可達到 11莫耳(Mohan et al., 2016)。

Anode: C2H4O2+2H2O→8H⁺ +2CO2+8e⁻ (7)

Cathode: 8H⁺ +8e⁻ → 4H2 (8) (3) 生質乙醇(Bioethanol)

酒精(C2H5OH)為醣類發酵後產物，根據 Chandrasekhar et al. (2015)研究指出，改良式生 物電池中，酒精可由陰極處被還原生成，並在 後續進行分離與純化得到。Jeon et al. (2009)指 出透過Zymomonas mobilis菌株進行電發酵，可 提高乙醇之產量，並可取代特定微生物之發酵 途徑，例如鍾氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)，

將二氧化碳轉化成乙酸鹽之同時產生少量乙 醇，抑或使用甲基紫精介體，將乙酸還原為乙 醇，並抑制乙醇還原成甲烷。

3.3 製造資源類生質產品

電發酵可製造許多資源類生質產品，本節 列舉說明三種生質產品，包括丙二醇、聚羥基 烷酸酯及羧酸。

(1) 丙二醇(1,3-Propanedio, PDO)

丙二醇(C3H8O2)為工業上重要原料，可用 於化妝品、樹脂、溶劑及聚合物製造，常見工 業製程係以甘油為原料製作丙二醇。近年來利 用電發酵技術，透過選定適合電活性微生物，

可增加丙二醇之生產(Choi et al., 2014)；部分 研究建議，當陰極電壓為−1.14V時，可產生比 分批發酵多一倍之丙二醇產量(Xafenias et al., 2015；Zhou et al., 2013)。

(2)聚羥基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHA) 聚羥基烷酸酯是一生物性聚合樹脂，超 過150種不同之單體，其特點在於可取代石化 塑膠。通常係由醣類或酯類精細菌發酵後產 生，目前主要應用於合成塑料之原料。隨著電 發酵發展，聚羥基烷酸酯可作為末端電子受

體，吸收電子並促進微生物進行反應。除產能 提高外，也有利於廢水處理；多數研究發現，

聚羥基烷酸酯含量在發酵過程中勢必會提高 (Srikanth et al., 2012)，若要降低反應器中聚羥 基烷酸酯含量，反而會增加額外成本。

(3) 羧酸(Carboxylic Acid)

發酵環境酸化是影響生質沼氣產量下降之 關鍵(Kim et al., 2003)，其中，消化槽中揮發 性脂肪酸常係造成酸化之主要物質。透過電發 酵技術，可將揮發性脂肪酸分解並合成高附加 價值產品，例如：乳酸(Lactic Acid, C3H6O3)、

琥珀酸(Succinic Acid, C4H6O4)、離胺酸(Lysine, C6H14N2O2)等。以琥珀酸為例，Cok et al. (2014) 進行生命週期評估研究，發現傳統生產琥珀酸 所產生之溫室氣體與能耗，有一半係來自於原 物料(葡萄糖)之取得；透過電發酵技術產製琥 珀酸，可降低原物料取得所造成之環境衝擊。

4 . 優 先 研 究 方 向 ( P r i o r i t y Research Directions)

4.1 開發新穎電極材料與反應槽設計

為提升電發酵技術績效與應用，高效率 且低成本之電極材料扮演重要關鍵。目前已 有研究發現在使用碳刷作為電極時(Liu et al., 2019)，即使不增加電壓也有助於減少揮發性 脂肪酸含量，同時增加甲烷生成；若係外加電 壓，則更顯著地提升效果。除外加電壓或電 場等方式外，另有研究指出，添加磁場亦有助 於提升傳統厭氧消化之績效(Qu et al., 2020)。

除農業廢棄物外，發酵料源可擴大至廚餘、屠 宰廢棄物等(Liu et al., 2019)；於發酵程序設計 上，建議可使用至少兩階段反應器：第一階段 為傳統厭氧消化處理，進行生質沼氣生產；第 二階段為利用電發酵技術，提高生物沼氣之回 收，並生產具附加價值之生質產物。

4.2 結合分子生物技術優選微生物 菌相

電發酵技術主要仰賴電活性細菌之間的 交互反應，不論是純培養或是共培養之方式，

都需要考量如何提供適當條件微生物來進行微 生物的培養。於技術面，次世代微生物核醣體 DNA定序能隨時間及物化條件變化有效追蹤糞 便淤泥之菌相變化，透過此技術，工程師能操 縱不同組合之電發酵菌叢，進而達到特定目標 產物產量最大化之目的(Chang et al., 2020)；抑 或藉由此技術分析有機質或污泥中之原生主要 菌群，找出適合共培養之電活性菌種，或是介 質型微生物，幫助發酵反應之進行，進一步提 升原條件下之主要產物之產量。

4.3 由沼氣、沼液及沼渣精煉高值 化生物產品

從產品應用端角度，將電發酵產品(包括：

沼氣、沼液及沼渣)價值提升係加速生物精煉邁 向循環經濟之重要環節，未來優先研究方向應 至少包括三大方向，即沼氣純化再利用、多元 化沼液產品與沼渣轉製成生物炭。以沼氣純化 再利用為例，生物沼氣中，利用甲烷與氫氣為 原料進行發電。傳統上常以厭氧消化方式取得 甲烷，但如今電發酵技術被證實可以產生更高 產量的甲烷，而生物沼氣在汽電共生後，產生 許多二氧化碳，透過電發酵技術可有效利用二 氧化碳為反應物，並轉化為其他生質產品；然 而，電發酵技術雖具可行性與潛力，但亦有研 究指出，於工程實務面上，電發酵產能至少需 大於500 W/m³，才具有經濟效益(Kumar et al., 2018a)。以多元化沼液產品為例，沼液中含有 許多高附加價值產物，例如：琥珀酸、離氨 酸、丙二醇等，相較於傳統厭氧消化忽視這些 副產物的做法，電發酵技術存在著提煉高價值 產物的可能性。

透過膜分離等技術，可將電發酵中有價值 產物進行純化；而考慮到從電解液(沼液)中分

離出目標產物，電解液或是發酵槽中之液體pH 需保持在一定範圍內。揮發性脂肪酸濃度過高 會抑制微生物之活性，因此在提煉特殊有機酸 時，需要掌握反應環境之pH；此外，電發酵技 術整合電化學脫鹽系統，可結合水質淨化與有 機物提煉，近來被視為綠色創新技術(Kumar et al., 2018a)。以沼渣轉製成生物炭為例，生物沼 渣可利用熱解或是焙燒等方式，將沼渣中水份 含量降低，提高其中碳成分的比例，生物碳因 具有多孔隙、大表面積等特性，可作為微生物 的棲息場所(Zhou et al., 2019)。若使用於受污染 之土壤中，則可吸附污染物質，減低污染物衝 擊。雖說沼渣的電子傳遞效率低於沼液，但依 然還是可以利用電發酵技術，於沼渣中再提煉 出其他高價值產物的方式。

5. 結　　語

電發酵系統相較於其他電化學系統來說，

具有能量(電流)需求低之優勢，且與一般厭氧 消化技術相比，電發酵不論是在甲烷的產量，

還是氫氣之產量，都具有驚人之成效。電發酵 技術本身是透過大致三種方式來進行電子傳 遞，直接傳遞、電活性微生物與介質型電活性 微生物之作用，與過去厭氧消化之反應途徑相 比更為多元。電發酵技術本身也有很多影響因 素，如電極材質、反應物種類與濃度、環境之 溫度與pH值、還有電壓與電流大小等；雖說有 諸多需控制的因素，但其在未來發展性上，電 發酵技術之應用可產生生質能源與有附加價值 有機物，同時可減少農業廢棄物之污染問題，

具有非常高之研究價值。

致　　謝

由 衷 感 謝 科 技 部 計 畫 支 持( 計 畫 編 號 ： MOST 109-2636-M-002-013)，使本研究得以順 利進行。

參考文獻

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ABSTRACT

Agricultural wastes (e.g., swine manure) were mainly treated by the three-stage treatment or the sequencing batch reactor activated sludge processes, where the produced sludge could be used as a fertilizer and/or as a filler in construction. Anaerobic digestion (AD) is a feasible process of utilizing agricultural wastes to produce the bioenergy (e.g., biogas). Electrofermentation (EF) is a recently developed technology harnessing the electron chemistry system to drive the microbes’ fermentation. Compared to the traditional AD, the EF was found to be capable of enhancing the yield of biomass refinery via small current manipulation, along with a better performance. Particularly, the EF technology can reduce the concentrations of organic substances in the agricultural waste stream while generate value-added products (e.g., organic acids). This review article systematically summarizes the mechanisms and the performance of EF technologies for agricultural wastes in the literature. This article also proposed three priority research directions for the EF technology in the future.

Keywords:

Received Date: August 31, 2020 Revised Date: November 4, 2020 Accepted Date: November 10, 2020

1 Master Student, Department of Bioenvironmental Systems Engineering, National Taiwan University.

2 Assistant Professor, Department of Bioenvironmental Systems Engineering, National Taiwan University.

3 Assistant Professor, Graduate Institute of Environmental Engineering, National Central University.

4 Affiliated Scientist, Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology.

* Corresponding Author, Phone: +886-2-33663453, E-mail: [email protected]