張家銘 專案經理

逢甲大學綠能科技暨生技產業發展研究中心

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廚餘組成富含碳源與氮源，包含可溶性糖(soluble sugar)、澱粉(starch)、脂質(lipid)、纖維素(cellulose)、蛋白質(protein)及其他無機材料，以厭氧醱酵方式降低碳源可於產生甲烷之同時解決廚餘造成之環境問題。

 

圖1 酵素水解處理流程示意圖。

 

基質(substrate)水解速率是影響甲烷生成之水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)重要因素，而廚餘中不可溶物質降解為可溶態，亦即所為之水解步驟仍為速率限制步驟，導致廚餘厭氧降解需較長之時間。且因廚餘組成複雜且歧異度大，諸如澱粉、纖維素、蛋白質與脂質組成比例與廚餘來源有絕對之關係，使生物降解與水解速率不同，導致揮發性脂肪酸(volatile fatty acids, VFA)累積，pH值下降而降低厭氧醱酵效能。為了避免上述問題並提升水解速率，開始有研究針對前處理技術進行探討，包含蒸氣爆破(steam explosion)、熱化學液化(thermochemical liquidization)、以及酵素水解(enzymatic hydrolysis)。

 

圖2 酵素水解處理前後之短鏈有機酸濃度。

 

前處理被認為是提升廚餘甲烷或氫氣產率之最重要步驟，前處理之目的有五，分別為:

1. 增加表面特性，使微生物間有較佳之交互作用

2. 減少或去除對程序有影響之有毒物質

3. 增加蛋白質及脂質水解效率

4. 增加難以獲得之化合物的可及性

5. 減少進入厭氧醱酵程序前，有機碳因儲存貨運輸造成之損失

 

前處理方式可以彙整成四種，彙整如下:

1. 物理與機械前處理透過裁切、破碎、研磨等方式可增加廚餘物表面積，進而縮短醱酵時間，為一必要之處理方式。

2. 熱前處理
分為濕式與乾式二種，透過高溫(與高壓)過程，加速水解反應，同時達到滅菌效果，減少其他微生物對厭氧醱酵之影響。

3. 化學前處理
使用強鹼或強酸藥劑，改變廚餘物理與化學性質，酸處理對於碳水化合物有效，鹼處理則適用於蛋白質與木質素。

4. 生物前處理
過程相較前三者緩慢，但相較熱處理耗能低，相較於化學法則避免了酸鹼中和以及腐蝕之問題，以高濃度酵素處理是一有效方式。

 

以商業用酵素對於廚餘水解之影響有相關的研究， Moon與Song(2011)之研究使用糖分解酵素(carbohydrase)、蛋白分解酵素(protease)與脂質分解酵素(lipase)進行酵素水解，並探討單一酵素使用與三種酵素混合使用下，酵素添加劑量以及酵素混合比例對於揮發性懸浮固體(VSS)與溶解性化學需氧量(SCOD)濃度之影響，用以評估水解效能。結果顯示，單一酵素中，糖分解酵素與脂質分解酵素添加量達0.1%(w/w FW)時，揮發性懸浮固體降解率分別可達29%與11%，持續增加酵素量，降解率並無顯著增加；蛋白分解酵素則於0.2%(w/w FW)添加量下，揮發性懸浮固體降解率達39%。而當三種酵素混合使用時，其揮發性懸浮固體降解率較使用單一酵素時佳，且以糖分解酵素、蛋白分解酵素與脂質分解酵素之比例為1:2:1時有最高降解率。於酵素添加量上，混合酵素添加量達於0.2%(w/w FW)時有最佳之揮發性懸浮固體降解率(61%)與溶解性化學需氧量生成率(62%)，其水解反應所需時間為10小時。

圖3 兼氧水解處理流程示意圖。

 

逢甲大學團隊以校園廚餘為標的，分別探討酵素水解與兼氧水解二種前處理方式。酵素水解研究上，選用澱粉分解酵素、纖維分解酵素及脂質分解酵素進行水解前處理，分別於2-24小時內進行反應。結果顯示，酵素水解前處理後之廚餘，其還原醣濃度有增加趨勢，且依酵素種類與處理時間之差異可增加10-50%，尤以添加澱粉分解酶者最為顯著；而於前處理前後之短鏈有機酸濃度並無顯著變化，pH值亦相當穩定，顯示酵素法前處理確實可將大分子(如:澱粉、纖維素等)水解成可溶態小分子，且僅限於水解步驟進行，尚無顯著酸化反應發生。

兼氧水解則是以廚餘自身所富含之微生物菌欉於兼氧條件下進行水解反應，亦即透過堆肥反應進行生物水解，比照酵素水解前處理之反應時間進行探討與比較。結果顯示以廚餘兼氧水解進行前處理前後之pH值並無顯著差異；經前處理後之還原醣濃度則有略微減少之趨勢。短鏈有機酸濃度於前處理前後，以乳酸較有顯著之變化產生，但其變化趨勢與兼氧水解反應時間無顯著之關係。顯示以廚餘自身所含之菌欉透過堆肥反應進行兼氧水解之穩定性以及合宜之反應時間有待進一步商榷。

 

圖4 酵素水解處理於不同處理時間下之短鏈有機酸濃度。

 

將前處理後之廚餘與豬糞尿進行共醱酵，評估其甲烷產出效能與發電成本回收概估，若以500頭飼養規模之養豬場單純以豬糞尿進行厭氧醱酵，平均每日可產生60 m³之沼氣，投資沼氣發電設備之回收年限近12年；增加廚餘透過兼氧水解之堆肥前處理流程後，平均每日沼氣產量可提至108 m³，投資沼氣發電設備之回收年限降至5年半；選擇脂質分解酵素進行酵素水解前處理者，每日沼氣產量則可增至150 m³，同時配合低成本之酵素生產方式之開發，當脂質分解酵素生產成本達每噸10,000元時，其回收年限可進一步降至4年，顯示以生物方式進行廚餘前處理係具發展潛能，一為開發低成本之酵素生產方式，以降低使用酵素所需投入之成本，另一方面則為開發合宜使用於廚餘兼氧水解之菌欉，並探討其最適之操作條件，使兼氧水解能穩定進行。

參考資料

1. Kim J.K., Oh B.R., Chun Y.N. and S.W. Kim (2006). Effects of temperature and hydraulic retention time on anaerobic digestion of food waste. Journal of Bioscience and Bioengineering. Vol. 102. No. 4. pp.328-332

2. Moon H.C. and I.S. Song (2011). Enzymatic hydrolysis of food waste and methane production using UASB Bioreactor. International Journal of Green Energy. Vol. 8. No. 3. pp.361-371