賴奇厚 / 逢甲大學綠能科技暨生技產業發展研究中心
從經濟和永續性方面來看，使用微生物產氫比其他方法更具優勢。木質纖維素是地球上蘊藏量最豐富的天然資源，但需要進行前處理來破壞木質纖維素的結構，再轉化成微生物適合利用的醣類。透過生命週期評估方法，可以檢視各種生質能源生產程序對環境的衝擊。使用廢棄物作為料源的暗醱酵產氫程序(暗醱酵和光醱酵的兩階段產氫程序或暗醱酵產氫與產甲烷的兩階段產氫烷氣程序)，並整合其他技術之生物精煉程序，可實現循環經濟與達成零廢物之目標。
【內文精選】
料源前處理技術
木質纖維素(Lignocellulose)是地球上蘊藏量最豐富的再生天然資源。一般植物組成中，纖維素(Cellulose)占35~50%、半纖維素(Hemicelluloses)占20~30%、木質素(Lignin)占12~20%，另為少量的礦物質和其他物質。纖維素本身的結構會阻止酵素接近纖維素表面，所以未經處理的料源要直接使用細菌的纖維素水解酵素來分解，其效率都不高(低於20%)，因此均需經過前處理，其目標為①去除包圍在纖維素外圍的木質素、②去除半纖維素、③破壞纖維素的結晶構造成為非結晶構造，以及④增加纖維素表面積以利酵素進行水解反應。適當的前處理主要目的是分解木質纖維素材料中的纖維素、半纖維素和木質素組分，隨後是降低顆粒的大小。這一過程有效地增加了試劑或酶作用過程中的可用表面積，導致複雜多醣的有效轉化、降解或可消化性，這些多醣最終被轉化為簡單的單體，而這些單體容易代謝或轉化為可醱酵的醣，最終產生生物氫氣(Bio-H2)。
3. 物理化學前處理法
透過蒸汽爆破(Steam Explosion)、熱液法(Liquid Hot Water)、亞臨界水(Subcritical Water)和氨基(Ammonia-based)方法等物理化學預處理，有望打破木質纖維素料源的頑固結構。熱液和蒸汽爆破過程釋放出非常高濃度的糠醛、5-羥甲基糠醛、乙酸、甲酸和酚類等化合物，會抑制酵素和醱酵微生物。蒸汽爆破法是最常見且效率最高的方法，因為它對於環境影響較小，使用的化學品較少，能源效率較高，回收成本低，且糖的回收率高於其他預處理方法。蒸汽爆破法需要高飽和蒸汽壓力(0.69~4.83 MPa)和高溫(160~260˚C)，高溫能使水分子滲透到木質纖維素複雜結構中，並啟動化學水解反應(生物質中存在的一些有機酸可以被催化)，這有助於從其生物質結構中去除半纖維素和木質素。這個過程的主要問題是需要大量熱能來降解木質纖維素。
4. 生物法
生物法是利用分解木質素的微生物降解木質素，從而提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。木腐菌是能分解木質素的微生物，通常分為白腐菌、褐腐菌和軟腐菌三種。白腐菌是自然界中最主要的木質素降解菌，其分泌的胞外氧化酶主要包括木質素過氧化酶(LiP)、錳過氧化物酶(MnP)、漆酶(Laccase)，這些木質素降解酶能有效、徹底地將木質素降解成為H2O和CO2。除木質素酶外，白腐菌還具有纖維素酶、半纖維素酶活性。白腐菌在降解木材的過程中，在適宜的條件下，白腐菌菌絲會開始沿著細胞腔蔓延，主要集中在紋孔處。在菌絲下細胞壁被分解出一條溝槽，它可從細胞腔到複合胞間層，逐漸降解纖維素、半纖維素和木質素。
纖維素分解酵素為作用於纖維素之酵素總稱，其機制如圖二，主要分成三大類：內切型纖維素分解酵素(Endo-β-1,4-glucanase)、外切型纖維素分解酵素(Exo-β-1,4-glucanase)及β-葡萄糖苷酵素(β-1,4-glucosidase)。這三種纖維素水解酵素透過相互作用，達到分解纖維素之效果。
圖二、纖維素分解酵素作用於纖維素機制
生物產氫程序發展
1. 生物產氫技術
(2) 光醱酵產氫技術
光醱酵細菌(Photofermentation Bacteria)，如紫色不含硫細菌(Purple Nonsulfur Bacteria)在厭氧光照條件下，菌株會利用環境中的有機物生長或構成細胞內的物質。同時光合作用機構(Photosynthetic Membrane Apparatus)，會將光能轉換成質子與三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate; ATP)，這些ATP一部分供細胞生長所需，剩餘的ATP則會與細胞代謝所產生的質子(Proton)與電子供給固氮酶(Nitrogenase)合成氫氣。
(3) 暗醱酵產氫技術
暗醱酵(Dark Fermentation)產氫係指厭氧微生物在缺氧或無氧狀態下，將複雜有機質經一系列代謝反應，最後於氣相形成CH4及CO2。其過程可分為四個階段：水解(Hydrolysis)、酸化(Acidogenesis)、乙酸化(Acetogenesis)及甲烷化(Methanogenesis)等步驟，如圖三所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、厭氧醱酵反應路徑
★本文節錄自《工業材料雜誌》451期，更多資料請見下方附檔。