專家專欄

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淺談微生物「厭氧產氫」技術

  在「再生能源」領域中,「氫」能源的製造及應用一直是備受關注的話題,生產氫氣的主要方式可分為化石燃料重組、水電解、熱化學及生物轉化等方式。其中利用微生物在常溫常壓下將生質物進行代謝轉化過程而產生氫氣的途徑,在世界上曾帶動幾波研究熱潮,且隨著時代與科技的進步,相關微生物產氫的機制與角色分工已越來越明確。

  利用微生物來產生氫氣的菌種一般可分為二大類微生物:光合菌及厭氧菌。在1970年代醱酵工業蓬勃發展的年代,許多微生物學者已分離鑑定出許多厭氧醱酵菌種,並實際應用在製造醇、酮等有機化合物的工法。但在有機化合物生產過程中-「產氫微生物菌種」的出現以及其生化反應路徑的發生是醱酵工業所避免的重點,因此當時雖有相當多關於厭氧微生物產氫的文獻,但因「氫能」並非其產業研究之重點故未受重視。

微生物的分工

  而在20世紀90年代以來,因應石油短缺的疑慮以及再生能源的需求,使得「氫能研究」再次受到國際間的重視,美國、日本、歐洲及中國等國家陸續啟動了一系列的研究項目,又以厭氧醱酵的微生物轉化產氫程序為最大宗。在將近十多年期間的研究顯示,「厭氧醱酵產氫系統」的開發主要是由一個複雜多樣性的厭氧醱酵環境,利用環境因子及工程化控制方式將其馴養成為一個「優勢厭氧產氫生態系」。並利用「分子生物技術」確認其中優勢微生物族群- Clostridium sp. 為主要的優勢產氫微生物族群,而在菌種分析篩選過程中,發現系統內同時擁有其它優勢微生物族群的存在-Bacillus sp.,此方向進一步確認了產氫生態系內的「微生物共生」現象。在分解複雜的生質物(麥粕、廢酵母及糖蜜等…)進行轉化以產生氫氣的過程中,並非單一菌種即可將有機物進行轉化而產生氫氣,藉由掌握微生物間的分工合作機制,可提高整個系統的產氫穩定性及效率。

厭氧產氫的發展進程

  利用厭氧醱酵程序所產生的氫氣為傳統厭氧醱酵過程中酸化及乙酸化階段的中間代謝產物。如何有效的將厭氧醱酵程序控制在中間代謝過程階段產生氫氣,而不至於反應進行至最終甲烷化階段生成甲烷,為初期研究人員努力的方向。中期研究發展目標則轉為尋求製程化控制以及環境因子之界定以提升產氫效率並達至最大化氫氣生產量,同期間其進料基質等級亦由早期的單純物質如葡萄糖、蔗糖等…,提升至富碳水化合物的實際廢棄生質物層級如廚餘、豆類廢棄物、廢酵母及醱酵麥粕等…,相關研究仍在密切進行中。時至今日,厭氧產氫技術已具備商業化運轉之基礎,如何有效降低營運成本並應用於能源產業中,則有待未來大環境的成熟及發展。