賴奇厚 / 逢甲大學綠能科技暨生技產業發展研究中心
【內文精選】
生物產氫程序發展
2. 整合型產氫程序
(1) 暗醱酵與光醱酵產氫程序
暗醱酵主要使用產酸菌將複雜的有機物料源產生H2，並伴隨揮發性脂肪酸和醇等液態副產物。這些揮發性脂肪酸(如乙酸、丁酸)可被光醱酵菌種(如紫色非硫細菌)進一步利用，而產生更多的H2。暗醱酵和光醱酵的結合理論上可以達到12 mol H2/mol Glucose的最大產量。利用各種含有乙酸和丁酸的工業和農業廢水進行光醱酵產氫的研究已被廣泛討論。因此可知，暗醱酵和光醱酵結合的兩階段產氫程序，是具有提高有機廢水能源回收率並降低化學需氧量(COD)的特點。
國立成功大學張嘉修教授團隊開發結合暗醱酵與光醱酵之產氫系統(圖四)，並成功提高整體氫氣產量。該團隊直接利用暗醱酵產氫系統的液態代謝產物(主要是乙酸和丁酸)作為光醱酵產氫系統料源。光醱酵反應槽使用內部光纖並添加多孔載體，找出乙酸與丁酸的最佳比例，成功提高光醱酵系統的氫氣效能。
圖四、國立成功大學張嘉修教授團隊所開發之暗醱酵與光醱酵結合的產氫系統
(2) 生物氫烷氣程序(Biohythane Process)
氫烷氣(Hythane)是氫氣和甲烷的混合氣體。這兩種氣體通常從天然氣和石油產業中生產而得；由有機質透過醱酵過程基本上生產的生物氫烷氣(Biohythane)將是一種理想且永續的氫烷氣生產方式。Schievano等人研究生物氫烷氣的能源回收率，與傳統的單階段厭氧消化程序相比較，生物氫烷氣程序可使能源回收增加8~43%。另一方面，生物氫和生物甲烷可以結合生產Biohythane，預期在燃燒過程中具有提高的燃燒效率，並可大幅降低溫室氣體排放。兩階段厭氧醱酵過程的整體醱酵時間為13到18天，並且依賴於兩組不同的微生物群。第一階段包括水解與酸形成菌，例如Thermotoga sp.、Enterobacter sp.、Caldicellulosiruptor sp.、Clostridium sp和Thermoanaerobacterium sp.等；第二階段主要為甲烷生成古菌，例如Methanosarcina sp.和Methanoculleus sp.。兩階段厭氧醱酵過程中，生物氫與生物甲烷的整合通過某些商業化的兩階段技術不斷產生Biohythane。第一階段包括水解和酸化反應。在水解過程中，厭氧菌產生酶，將複雜的碳水化合物、蛋白質和脂肪分解成單醣、氨基酸和長鏈揮發性脂肪酸及/或甘油。接下來酸化階段將這些有機物轉化成H2、CO2、揮發性脂肪酸(VFAs)和乳酸以及醇類；最後再將酸化階段所產生出來的產物轉化為CH4和CO2(圖五)。
圖五、兩階段厭氧產生生物氫烷氣程序
減碳效益與環境衝擊分析
生命週期評估(Life Cycle Assessment; LCA)是一種用來評估產品、服務或系統從原材料的獲取、生產、使用到最終處理過程中對環境影響的系統分析方法。這種評估考慮了產品全生命週期內的所有環境負荷，包括能源消耗、空氣和水污染、溫室氣體排放、資源耗用等方面。LCA研究分為四個主要階段：目標與範疇界定(Goal and Scope Definition)、盤查分析(Life Cycle Inventory; LCI)、衝擊評估(Life Cycle Impact Assessment; LCIA)以及闡釋(Interpretation)。在目標與範疇界定階段，明確LCA的目的、對象(產品、過程或服務)以及研究的範圍，包括時間範圍和地理範圍；此外，這一階段還需定義將要評估的環境影響類別(如氣候變化、資源耗用等)。盤查分析階段是在收集和計算產品全生命週期中的所有輸入(如原料、能源)和輸出(產品、副產品、廢物、排放物)數據，主要著重在數據的準確性和完整性。於衝擊分析階段，將清單分析階段收集到的數據轉化為環境影響的資訊，此階段包括選擇和應用合適的影響評估方法來量化數據對特定環境影響類別(例如全球暖化、臭氧層破壞等)的貢獻。
雖然「大門到大門(Gate-to-Gate)」廣泛被作為系統邊界，但也有「從搖籃到墳墓(Cradle-to-Grave)」或「從搖籃到大門(Cradle-to-Gate)」的研究。最常用的LCA軟體是繼OpenLCA之後，帶有ecoinvent資料庫的SimaPro、MiLCA軟體和經濟投入產出生命週期評估(EIO-LCA)。ReCiPe中點/終點和CML是最常用的影響評估方法。所有研究均評估全球暖化潛勢(GWP)，而評估生物氫生產對環境影響的研究不多，且多為實驗室規模的研究數據。Djomo et al. 使用SimaPro 7.0軟體和IMPACT 2002+ (ecoinvent)評估馬鈴薯皮作為料源的環境負荷，並使用1 kg氫氣為功能單元(Functional Unit)一起使用。料源每小時輸入800公斤，經過包括水解、高溫光異性醱酵、氣提、物理吸收和熱泵等生產程序。結果顯示，與直接利用動物飼料相比，使用馬鈴薯皮生產生物氫具有明顯的優勢，可減少溫室氣體排放(每公斤氫氣產生1,500 g CO2e)和對人類健康的影響 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期，更多資料請見下方附檔。