厭氧發酵產氫-暗發酵與光發酵概述

                 眾多再生能源中,氫能為其中之一。氫的熱值為化石燃料的三倍之多,且氫氣燃燒僅會生成水蒸氣及熱能,不會造成溫室效應、臭氧消耗及酸雨等問題[1]。生物產氫法可於常溫常壓下進行,相較於傳統熱化學與電化學法,消耗能源較少且其亦可持續反應[2]。

                 生物產氫法包含水光解與厭氧發酵,水光解是藻類光解水而產生氫;厭氧發酵則為細菌於厭氧環境下利用有機物產氫,其又可進一步分為暗發酵(Dark-fermentation)與光發酵 (Photo-fermentation)。相較於化學法,厭氧發酵可以富含碳水化合物之物質 (如:農業、畜牧業之廢棄物)為原料,於常溫常壓下,經由微生物進行反應產生氫氣,因此微生物產氫被視為一可發展之新能源[3]。

暗發酵

                 暗發酵產氫是普遍存在於厭氧環境中之現象,當細菌生長於有機基質中,基質經由氧化降解以提供生長代謝所需之能量,氧化所產生之電子需被利用以維持電中性,於有氧或好氧環境中,氧被還原產生水;於缺氧或厭氧環境中其他物質需做為電子受體,如:質子被還原成氫氣[1]。

        暗發酵可將有機基質轉換成氫氣,並伴隨揮發性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)(如:乙酸、丁酸等)等可溶性代謝產物生成[4]。

                 當乙酸為唯一終端產物時,理論產率為 4 mol H2/mol hexose;若為產丁酸路徑,其理論產率則為 2 mol H2/mol hexose,上述反應式依序如下[5]:

C6H12O6 è 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2

C6H12O6 è C3H7COOH + 2H2 + 2CO2

光發酵

                 部分光合異營菌於厭氧且有光照之環境下,可將有機酸(如:乙酸、丁酸)作為電子供給者,透過光能提供能源(由於自由能為正值,表示光發酵反應非自發性反應,需要額外供給能源),將有機酸轉化生成氫氣和二氧化碳[6]。

                 光發酵最大優勢在於其理論轉化效率高,利用不同有機酸為碳源,其理論氫氣產率介於 4-10 mol H2/mol substrate[7]:

乙酸:CH3COOH + 2H2O è 4H2 + 2CO2

乳酸:C3H6O3 + 3H2O è 6H2 + 3CO2

蘋果酸:C4H6O5 + 3H2O è 6H2 +4CO2

丁酸:C4H8O2 + 6H2O è 10H2 + 4CO2

經濟可行性之挑戰

                 暗發酵最主要問題在於暗發酵菌種所產生之氫氣相對於化學計量(12mol H2/mol glucose)低,通常不到其 30%,除非其產率達 60-80%,否則並不具經濟可行性[8];低產氫速率、低操作穩定性與高操作成本等則為光發酵之主要問題[7]。

 

Reference:

[1]Xu, Z. (2007), Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources Shang-Tian Yang (Editor). Chapter 21. Biological Production of Hydrogen from Renewable Resources. Elsevier B.V. All rights reserved.

[2]Chen, C.Y., Lu, W.B., Liu, C.H. and J.S. Chang (2008a), Improved phototrophic H2 production with Rhodopseudomonas palustris WP3–5 using acetate and butyrate as dual carbon substrates. Bioresource Technol. 99, 3609–3616.

[3]Koku, H., Eroglu, I., Gündüz, U., Yücel, M. and L. Türker (2002), Aspects of the metabolism of hydrogen production by Rhodobacter sphaeroides. International Journal of Hydrogen Energy, 27 (11–12), 1315–1329.

[4]Fang, H.H.P., Liu, H. and T. Zhang (2005), Phototrophic hydrogen production from acetate and butyrate in wastewater. International Journal of Hydrogen Energy, 30, 785–793.

[5]Das, D. and TN. Verziroglu (2001), Hydrogen production by biological processes: a survey of literature. International Journal of Hydrogen Energy, 26(1), 13–28.

[6]Nath, K. and D. Das (2004), Improvement of fermentative hydrogen production – various approaches. Applied and Environmental Microbiology, 65, 520–529.

[7] Chen, C.Y., Liu , C.H., Lo, Y.C. and J.S. Chang (2011), Perspectives on cultivation strategies and photobioreactor designs for photo-fermentative hydrogen production, Bioresource Technology, 102, 8484–8492

[8] Benemann, JR. (1996), Hydrogen biotechnology: progress and prospects. Nat Biotechnol, 14, 1101–1103.

作者介紹

張家銘 逢甲大學綠色能源發展中心 助理
生質能源 厭氧發酵產氫 菌種固定化