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生質能源:生質酒精

車子沒油了,用高粱酒取代汽油可能嗎?不要懷疑!利用路邊的雜草生產能源可能嗎?不要懷疑!這不是科幻場景,這是目前最熱門的科技和能源趨勢–生質酒精!
 
 
 
何謂生質酒精

生質酒精,也可叫做生物乙醇,就是利用微生物發酵把生質(biomass)中的醣分轉化所得到的酒精。生質酒精其實就是乙醇,分子式是 CH3CH2OH,和由石化原料生產的乙醇相同,差別只在於原料的不同。生質指來自生物體的非石化有機物,一般所指的生質通常是植物藉由光合作用產生的含碳化合物。

做為汽油的替代燃料,生質酒精通常以 5% ~ 15% 和汽油混合,可在不修改現有汽車引擎的情況下使用,也可以完全替代汽油做為汽車燃料。添加 5% 和 10% 酒精的汽油就分別稱為 E5 和 E10,美國有 E85 汽油,也就是含酒精 85% 和汽油 15% 的混合燃料。使用生質酒精的汽油辛烷值高且較潔淨。此外,汽車引擎燃燒的酒精是由二氧化碳(CO2)經植物光合作用轉化的生質而來,形成封閉系統,在這個系統中循環利用 CO2,淨排放量是零。

生質酒精的原料

早在 1970 年代石油危機時,巴西、美國就積極投入生質酒精工業的發展,近年來在 CO2 超量排放、全球氣候暖化、國際原油供需不穩定和價格持續上漲等因素影響下,有越來越多的國家投入。2006 年全球的生質酒精產量約 4 千萬公秉,90% 生產於巴西和美國。巴西以甘蔗為原料,美國則以玉米為主,生產生質酒精,甘蔗和玉米分別是糖質和澱粉質作物。

除了這兩者之外,做為生質酒精原料的作物也包括大麥、小麥、燕麥、稻米等穀類,還有甜菜、甜高粱,以及木薯、甘藷等。最近幾年的發展是以非糧食作物為原料來生產酒精,也就是以木質纖維素或纖維質做為生質酒精的原料,包括穀類農作物廢棄物如麥稈、稻稈、玉米稈等,以及農業、都市和建築廢棄物,如蔗渣、舊報紙、木屑、廢木材等,或者成長快速的纖維質作物,如芒草、狼尾草、柳枝稷等,甚至包括海藻類。

這幾年因為玉米酒精工廠大量設廠開工,造成玉米價格飆漲,美國國內畜牧業受到波及,使得全球糧食短缺而引起恐慌。為了加速纖維酒精的發展,並配合布希總統未來 10 年內減少 20% 汽油用量的宣示,美國能源部在 2007 年 6 月底宣布,未來 5 年內將提供 3 個研究中心總共 3 億 7 千 5 百萬美元經費,進行生物燃料研究計畫,目標是改進纖維素轉化為生質酒精的製程,以降低成本。

國內發展的前景

不久前,經濟部才指示國營事業帶頭籌設生質酒精工廠。中油規劃和味丹合作,利用味丹的發酵設施生產生質酒精。臺糖則將在嘉義南靖投資設廠,以甘蔗、甜高粱等為原料生產生質酒精。

臺灣現在休耕的農田已超過 24 萬公頃,每年政府補助休耕轉作的經費高達 118 億元。根據京都議定書的規定,將來國際間有 CO2 排放量的配額,若利用休耕的土地種植能源作物來提煉酒精,都能算為 CO2 減少的配額。因此,因應 CO2 排放減量的需求和能源短缺的問題,可以利用休耕農地種植能源作物以生產生質酒精,同時提高土地使用率和增加農民收入。

農委會農試所的研究指出,最適合在國內栽種的生質酒精能源作物是甘蔗、甘藷和甜高粱。若有糧食短缺的考量,休耕的土地不宜全部用來種植能源作物,國內每年仍有數千萬公噸的農林廢棄物(稻草稈、蔗渣、蔬果廢棄物、建築林木廢棄物等)可做為原料來生產生質酒精。

製造程序和技術

製造生質酒精的原料大致區分為 3 類,根據不同種類的原料,轉化成酒精的方式也不同。

第1類是糖質原料,如甘蔗,甜高梁等富含簡單的醣類。利用甘蔗和甜高粱的莖壓榨成汁後,可直接經酵母菌發酵製成約 13 ~ 17% 的含水酒精,再經過蒸餾提高濃度到 95%,最後經過分子篩脫除水分成無水酒精。榨汁剩餘的廢棄物除可燃燒生產高溫蒸氣提供蒸餾時所需能源,甚至以汽電共生方式發電降低成本外,也可成為纖維酒精的原料。巴西或國內臺糖公司未來的工廠,都是以這種方式運作的。

第2類是澱粉質原料,如小麥、玉米、木薯、甘藷等,澱粉含量分別約為 70 ~ 75%、60 ~ 70%、25 ~ 30% 和 15 ~ 20%。這些作物須先經前處理步驟使澱粉釋放出來,而澱粉是一種聚合醣,須經液化、醣化步驟分解成可發酵的單醣(葡萄糖),隨後的發酵、蒸餾製程則和糖質酒精一樣,這類酒精稱為澱粉質酒精。東南亞的國家大多以木薯為原料,美國和墨西哥則以玉米為原料。

第3類是纖維質原料,多半是農業廢棄物,是由纖維素(約占 38 ~ 50%)、半纖維素(約占 23 ~ 32%)及木質素(約占 15 ~ 25%)三者所組成。其中纖維素是長鏈狀的高分子結構,和澱粉一樣,是由葡萄糖所構成,但兩者結構不同。半纖維素則是短分子鏈的結構,是由多種糖類單體組成,以五碳糖居多。

不同農業廢棄物的組成比例也不同,因此製程上須先經化學或物理方法處理,破壞植物的細胞壁並把半纖維素降解為五碳糖,再以適當的酵素水解把纖維素降解成六碳糖,最後經酒精發酵把五碳糖和六碳糖轉化成酒精,這類酒精稱為纖維酒精。酵素水解剩下的木質素則可燃燒以汽化發電方式產生能源,提供後段蒸餾所需的能源。

由糖和澱粉製造酒精的技術屬於第1代的生質酒精,已商業化設廠,所用的生產設備和技術也非常成熟,但農作物來源和人類或動物的食物相互競爭,有造成糧食短缺的問題。第2代的纖維酒精可解決這個問題,但其主要原料來源-農業廢棄物也是一種重要的有機肥料,若大量使用於製造纖維酒精也有環保上的疑慮。

纖維酒精

纖維酒精所用的原料是木質纖維素,存在於地球上的草本和木本植物中,並非人或動物的食物,因此沒有排擠糧食的問題,對農地利用的影響也較小。例如蔗渣是製糖的廢棄物,能轉化為酒精是回收能源的好方法。此外,國內最大宗的農業廢棄物--稻草稈,年產量約 200 萬噸,除少部分用作堆肥、菇舍建材、草繩、飼料等之外,大部分是就地燃燒,造成空氣污染,危害道路安全,引起車禍時有所聞,如能做為生質酒精的原料,將有環保、節約能源等多重效益。

雖然以農林廢棄物做為原料生產第2代酒精,更符合經濟效益和環保要求。但目前纖維酒精的發展仍有不少障礙,成本上仍無法和糖質或澱粉質為原料的匹敵。纖維酒精所遭遇到的最大問題,是如何降低纖維素水解反應的成本和提高分解的反應效率。

植物細胞壁的纖維素是由葡萄糖聚合而成的線性長鏈分子,和半纖維素、木質素、果膠質等互相纏繞在一起。除此之外,植物尚有表皮組織,上面含有保護的腊質。在利用纖維素分解瓷把纖維素水解為葡萄糖時,除有木質素和半纖維素的纏繞阻撓之外,由於纖維素本身晶體結構的問題,使得酵素不容易接近它的表面,造成分解效率緩慢。因此須透過前處理步驟去除木質素並溶解半纖維素,提高纖維素和酵素的接觸面積,加快分解速率。以稻草稈為例,若直接使用未處理的稻草稈和酵素反應,水解率不到 10%。

前處理 前處理的方法大致可分為物理法、物理化學法、化學法、生物法等。

物理法主要是粉碎原料讓顆粒變小,增加酵素的接觸表面積,並破壞纖維素的晶體結構,耗能較大。

物理化學法包括高溫熱水或蒸氣處理,後者包括蒸氣爆裂法、氨爆裂法和 CO2 爆裂法,主要是利用蒸氣讓原料處於高溫、高壓一段時間後,可使木質素軟化,再瞬間洩壓,纖維素晶體便會爆裂。蒸氣爆裂法耗能低,但會產生對發酵有害的物質,氨爆裂法雖不會產生有害物質,但是半纖維素並不會分解,因此須再投入半纖維素分解酵素進行水解,而 CO2 爆裂的效果較差。

化學法則包括:(1)鹼處理法:利用鹼溶液溶解木質素;(2)稀酸前處理法:稀酸可使半纖維素水解成為單糖,使得結構鬆散。

生物法通常是利用腐生真菌,如白腐真菌,把生質原料的木質素移除,這是利用真菌的木質素過氧化酶降解木質素。其他包括多酚氧化酶、漆酶等也能降解木質素。

綜合而言,要把纖維素從細胞壁中釋放出來需要有前處理步驟,傳統上以高溫高壓或酸鹼處理為主,不但耗能而且會產生大量的廢水,因此生物處理法是發展的方向。最好是利用各種分解酵素除去木質素和其他成分,並使纖維素和半纖維素分解為單糖以利發酵。

纖維素分解 把生質中的聚合醣分解為可發酵的單糖,是生質酒精發酵的首要步驟。不若澱粉質作物的澱粉酵素分解,包括液化和醣化步驟的技術已相當成熟,纖維素的分解酵素是製造纖維酒精的主要成本所在。在 2004 年,克服這個障礙的研究終於有了突破性的進展,全球知名的兩大酵素公司 Novozymes(總部位於丹麥)和 Genenco(美國加州),在美國能源部的經費補助和國家再生能源實驗室(NREL)支援下,分別研發出遺傳基因工程菌體,能大量生產有效分解纖維素的纖維素分解瓷。

乙醇發酵 工業上主要用來發酵產生酒精的微生物是啤酒酵母和革蘭式陰性菌,但這兩種酒精生產菌只能代謝葡萄糖、果糖和蔗糖,無法消化利用半纖維素的分解產物木糖、阿拉伯糖等五碳糖。

經過許多學者的努力,包括普渡大學的何南西(Nancy Ho)博士,已成功利用基因重組技術把能代謝木糖的基因轉殖到上述兩種微生物中,使它們能同時把五碳糖(木糖)和六碳糖(葡萄糖)轉化為酒精。美國佛羅里達大學恩格倫(Ingram)教授則是把革蘭式陰性菌代謝得到酒精的兩個基因選殖到大腸桿菌,所構築的 E. coli KO11 也可把葡萄糖和木糖轉化為酒精。

另外,NREL 也宣稱開發出全球第1株能同時代謝阿拉伯糖和葡萄糖的酵母菌,可代謝阿拉伯糖得到 83% 的酒精產率。除了代謝五碳糖的酒精生產菌研發之外,高耐受力(耐酒精、耐高溫、耐有毒成分)的酒精生產菌的篩選和改良,也是學者持續研究的重點。尤其是纖維素的酵素分解要和酒精發酵一起進行,配合酵素分解時的高溫需求,酒精生產菌必須能在高溫發酵,因此耐高溫的酵母菌開發是很重要的。

纖維酒精製程 國際上目前已開始有纖維酒精公司加入生質酒精的生產行列,加拿大的 Iogen 公司先利用蒸氣爆裂法處理農業廢棄物,然後以酵素分解得到五碳糖和六碳糖,再發酵為酒精。這種製程稱為分開醣化(水解)和發酵程序(SHF),也就是先透過酵素水解法或酸水解法分解為單糖後再進入發酵製程。美國的 BC International 公司也是採用這種酵素水解和發酵分開的製程。

發展中的製造程序還有:同步水解和發酵程序,可克服發酵過程中糖濃度過高所造成的抑制現象;同步水解和共同發酵程序,利用可同時代謝五碳糖和六碳糖的酒精生產菌進行發酵;整合生質處理程序,利用能水解並能發酵的微生物,把木質纖維素前處理後的產物完全轉化為酒精。

另外,單是在發酵部分,還有許多適合生質酒精的製造程序,例如:細胞固定化製程,可提高菌體濃度;非常高糖濃度發酵製程,增加進料的可溶性物質至 300 克/公升以上,可提升最終酒精濃度和降低操作成本;連續發酵製程,可降低操作成本和提高產率。

因應國際能源存量的減少和價格的攀升,發展生質酒精是勢在必行的。根據國際能源總署的估計,全球生質酒精取代汽油做為汽車燃料的比率,在 2010 年會達到百分之四,在 2030 年會成長到百分之六。從生質酒精絕對使用量來看,則會成長 3 倍,也就是從目前每年全球生產量 3,800 萬公秉,增加到 2030 年的每年 1.2 億公秉。因此生質酒精,尤其是纖維酒精工廠的建立,將如雨後春筍般快速擴增,以因應越來越多的燃料酒精需求。
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