生质能源:生质酒精

何谓生质酒精

生质酒精,也可叫做生物乙醇,就是利用微生物发酵把生质(biomass)中的醣分转化所得到的酒精。生质酒精其实就是乙醇,分子式是 CH3CH2OH,和由石化原料生产的乙醇相同,差别只在于原料的不同。生质指来自生物体的非石化有机物,一般所指的生质通常是植物藉由光合作用产生的含碳化合物。

做为汽油的替代燃料,生质酒精通常以 5% ~ 15% 和汽油混合,可在不修改现有汽车引擎的情况下使用,也可以完全替代汽油做为汽车燃料。添加 5% 和 10% 酒精的汽油就分别称为 E5 和 E10,美国有 E85 汽油,也就是含酒精 85% 和汽油 15% 的混合燃料。使用生质酒精的汽油辛烷值高且较洁净。此外,汽车引擎燃烧的酒精是由二氧化碳(CO2)经植物光合作用转化的生质而来,形成封闭系统,在这个系统中循环利用 CO2,净排放量是零。

生质酒精的原料

早在 1970 年代石油危机时,巴西、美国就积极投入生质酒精工业的发展,近年来在 CO2 超量排放、全球气候暖化、国际原油供需不稳定和价格持续上涨等因素影响下,有越来越多的国家投入。2006 年全球的生质酒精产量约 4 千万公秉,90% 生产于巴西和美国。巴西以甘蔗为原料,美国则以玉米为主,生产生质酒精,甘蔗和玉米分别是糖质和澱粉质作物。

除了这两者之外,做为生质酒精原料的作物也包括大麦、小麦、燕麦、稻米等穀类,还有甜菜、甜高粱,以及木薯、甘藷等。最近几年的发展是以非粮食作物为原料来生产酒精,也就是以木质纤维素或纤维质做为生质酒精的原料,包括穀类农作物废弃物如麦秆、稻秆、玉米秆等,以及农业、都市和建筑废弃物,如蔗渣、旧报纸、木屑、废木材等,或者成长快速的纤维质作物,如芒草、狼尾草、柳枝稷等,甚至包括海藻类。

这几年因为玉米酒精工厂大量设厂开工,造成玉米价格飙涨,美国国内畜牧业受到波及,使得全球粮食短缺而引起恐慌。为了加速纤维酒精的发展,并配合布希总统未来 10 年内减少 20% 汽油用量的宣示,美国能源部在 2007 年 6 月底宣布,未来 5 年内将提供 3 个研究中心总共 3 亿 7 千 5 百万美元经费,进行生物燃料研究计画,目标是改进纤维素转化为生质酒精的製程,以降低成本。

国内发展的前

不久前,经济部才指示国营事业带头筹设生质酒精工厂。中油规划和味丹合作,利用味丹的发酵设施生产生质酒精。台糖则将在嘉义南靖投资设厂,以甘蔗、甜高粱等为原料生产生质酒精。

中国台湾现在休耕的农田已超过 24 万公顷,每年政府补助休耕转作的经费高达 118 亿元。根据京都议定书的规定,将来国际间有 CO2 排放量的配额,若利用休耕的土地种植能源作物来提炼酒精,都能算为 CO2 减少的配额。因此,因应 CO2 排放减量的需求和能源短缺的问题,可以利用休耕农地种植能源作物以生产生质酒精,同时提高土地使用率和增加农民收入。

农委会农试所的研究指出,最适合在国内栽种的生质酒精能源作物是甘蔗、甘藷和甜高粱。若有粮食短缺的考量,休耕的土地不宜全部用来种植能源作物,国内每年仍有数千万公吨的农林废弃物(稻草秆、蔗渣、蔬果废弃物、建筑林木废弃物等)可做为原料来生产生质酒精。

製造程序和技术

製造生质酒精的原料大致区分为 3 类,根据不同种类的原料,转化成酒精的方式也不同。

第1类是糖质原料,如甘蔗,甜高梁等富含简单的醣类。利用甘蔗和甜高粱的茎压榨成汁后,可直接经酵母菌发酵製成约 13 ~ 17% 的含水酒精,再经过蒸馏提高浓度到 95%,最后经过分子筛脱除水分成无水酒精。榨汁剩余的废弃物除可燃烧生产高温蒸气提供蒸馏时所需能源,甚至以汽电共生方式发电降低成本外,也可成为纤维酒精的原料。巴西或国内台糖公司未来的工厂,都是以这种方式运作的。

第2类是澱粉质原料,如小麦、玉米、木薯、甘藷等,澱粉含量分别约为 70 ~ 75%、60 ~ 70%、25 ~ 30% 和 15 ~ 20%。这些作物须先经前处理步骤使澱粉释放出来,而澱粉是一种聚合醣,须经液化、醣化步骤分解成可发酵的单醣(葡萄糖),随后的发酵、蒸馏製程则和糖质酒精一样,这类酒精称为澱粉质酒精。东南亚的国家大多以木薯为原料,美国和墨西哥则以玉米为原料。

第3类是纤维质原料,多半是农业废弃物,是由纤维素(约占 38 ~ 50%)、半纤维素(约占 23 ~ 32%)及木质素(约占 15 ~ 25%)三者所组成。其中纤维素是长链状的高分子结构,和澱粉一样,是由葡萄糖所构成,但两者结构不同。半纤维素则是短分子链的结构,是由多种糖类单体组成,以五碳糖居多。

不同农业废弃物的组成比例也不同,因此製程上须先经化学或物理方法处理,破坏植物的细胞壁并把半纤维素降解为五碳糖,再以适当的酵素水解把纤维素降解成六碳糖,最后经酒精发酵把五碳糖和六碳糖转化成酒精,这类酒精称为纤维酒精。酵素水解剩下的木质素则可燃烧以汽化发电方式产生能源,提供后段蒸馏所需的能源。

由糖和澱粉製造酒精的技术属于第1代的生质酒精,已商业化设厂,所用的生产设备和技术也非常成熟,但农作物来源和人类或动物的食物相互竞争,有造成粮食短缺的问题。第2代的纤维酒精可解决这个问题,但其主要原料来源-农业废弃物也是一种重要的有机肥料,若大量使用于製造纤维酒精也有环保上的疑虑。

纤维酒精

纤维酒精所用的原料是木质纤维素,存在于地球上的草本和木本植物中,并非人或动物的食物,因此没有排挤粮食的问题,对农地利用的影响也较小。例如蔗渣是製糖的废弃物,能转化为酒精是回收能源的好方法。此外,国内最大宗的农业废弃物--稻草秆,年产量约 200 万吨,除少部分用作堆肥、菇舍建材、草绳、饲料等之外,大部分是就地燃烧,造成空气污染,危害道路安全,引起车祸时有所闻,如能做为生质酒精的原料,将有环保、节约能源等多重效益。

虽然以农林废弃物做为原料生产第2代酒精,更符合经济效益和环保要求。但目前纤维酒精的发展仍有不少障碍,成本上仍无法和糖质或澱粉质为原料的匹敌。纤维酒精所遭遇到的最大问题,是如何降低纤维素水解反应的成本和提高分解的反应效率。

植物细胞壁的纤维素是由葡萄糖聚合而成的线性长链分子,和半纤维素、木质素、果胶质等互相缠绕在一起。除此之外,植物尚有表皮组织,上面含有保护的腊质。在利用纤维素分解瓷把纤维素水解为葡萄糖时,除有木质素和半纤维素的缠绕阻挠之外,由于纤维素本身晶体结构的问题,使得酵素不容易接近它的表面,造成分解效率缓慢。因此须透过前处理步骤去除木质素并溶解半纤维素,提高纤维素和酵素的接触面积,加快分解速率。以稻草秆为例,若直接使用未处理的稻草秆和酵素反应,水解率不到 10%。

前处理 前处理的方法大致可分为物理法、物理化学法、化学法、生物法等。

物理法主要是粉碎原料让颗粒变小,增加酵素的接触表面积,并破坏纤维素的晶体结构,耗能较大。

物理化学法包括高温热水或蒸气处理,后者包括蒸气爆裂法、氨爆裂法和 CO2 爆裂法,主要是利用蒸气让原料处于高温、高压一段时间后,可使木质素软化,再瞬间洩压,纤维素晶体便会爆裂。蒸气爆裂法耗能低,但会产生对发酵有害的物质,氨爆裂法虽不会产生有害物质,但是半纤维素并不会分解,因此须再投入半纤维素分解酵素进行水解,而 CO2 爆裂的效果较差。

化学法则包括:(1)硷处理法:利用硷溶液溶解木质素;(2)稀酸前处理法:稀酸可使半纤维素水解成为单糖,使得结构鬆散。

生物法通常是利用腐生真菌,如白腐真菌,把生质原料的木质素移除,这是利用真菌的木质素过氧化酶降解木质素。其他包括多酚氧化酶、漆酶等也能降解木质素。

综合而言,要把纤维素从细胞壁中释放出来需要有前处理步骤,传统上以高温高压或酸硷处理为主,不但耗能而且会产生大量的废水,因此生物处理法是发展的方向。最好是利用各种分解酵素除去木质素和其他成分,并使纤维素和半纤维素分解为单糖以利发酵。

纤维素分解 把生质中的聚合醣分解为可发酵的单糖,是生质酒精发酵的首要步骤。不若澱粉质作物的澱粉酵素分解,包括液化和醣化步骤的技术已相当成熟,纤维素的分解酵素是製造纤维酒精的主要成本所在。在 2004 年,克服这个障碍的研究终于有了突破性的进展,全球知名的两大酵素公司 Novozymes(总部位于丹麦)和 Genenco(美国加州),在美国能源部的经费补助和国家再生能源实验室(NREL)支援下,分别研发出遗传基因工程菌体,能大量生产有效分解纤维素的纤维素分解瓷。

乙醇发酵 工业上主要用来发酵产生酒精的微生物是啤酒酵母和革兰式阴性菌,但这两种酒精生产菌只能代谢葡萄糖、果糖和蔗糖,无法消化利用半纤维素的分解产物木糖、阿拉伯糖等五碳糖。

经过许多学者的努力,包括普渡大学的何南西(Nancy Ho)博士,已成功利用基因重组技术把能代谢木糖的基因转殖到上述两种微生物中,使它们能同时把五碳糖(木糖)和六碳糖(葡萄糖)转化为酒精。美国佛罗里达大学恩格伦(Ingram)教授则是把革兰式阴性菌代谢得到酒精的两个基因选殖到大肠桿菌,所构筑的 E. coli KO11 也可把葡萄糖和木糖转化为酒精。

另外,NREL 也宣称开发出全球第1株能同时代谢阿拉伯糖和葡萄糖的酵母菌,可代谢阿拉伯糖得到 83% 的酒精产率。除了代谢五碳糖的酒精生产菌研发之外,高耐受力(耐酒精、耐高温、耐有毒成分)的酒精生产菌的筛选和改良,也是学者持续研究的重点。尤其是纤维素的酵素分解要和酒精发酵一起进行,配合酵素分解时的高温需求,酒精生产菌必须能在高温发酵,因此耐高温的酵母菌开发是很重要的。

纤维酒精製程 国际上目前已开始有纤维酒精公司加入生质酒精的生产行列,加拿大的 Iogen 公司先利用蒸气爆裂法处理农业废弃物,然后以酵素分解得到五碳糖和六碳糖,再发酵为酒精。这种製程称为分开醣化(水解)和发酵程序(SHF),也就是先透过酵素水解法或酸水解法分解为单糖后再进入发酵製程。美国的 BC International 公司也是採用这种酵素水解和发酵分开的製程。

发展中的製造程序还有:同步水解和发酵程序,可克服发酵过程中糖浓度过高所造成的抑制现象;同步水解和共同发酵程序,利用可同时代谢五碳糖和六碳糖的酒精生产菌进行发酵;整合生质处理程序,利用能水解并能发酵的微生物,把木质纤维素前处理后的产物完全转化为酒精。

另外,单是在发酵部分,还有许多适合生质酒精的製造程序,例如:细胞固定化製程,可提高菌体浓度;非常高糖浓度发酵製程,增加进料的可溶性物质至 300 克/公升以上,可提升最终酒精浓度和降低操作成本;连续发酵製程,可降低操作成本和提高产率。

因应国际能源存量的减少和价格的攀升,发展生质酒精是势在必行的。根据国际能源总署的估计,全球生质酒精取代汽油做为汽车燃料的比率,在 2010 年会达到百分之四,在 2030 年会成长到百分之六。从生质酒精绝对使用量来看,则会成长 3 倍,也就是从目前每年全球生产量 3,800 万公秉,增加到 2030 年的每年 1.2 亿公秉。因此生质酒精,尤其是纤维酒精工厂的建立,将如雨后春笋般快速扩增,以因应越来越多的燃料酒精需求。

除非注明,其他来源均为石飞博客整理发布,转载请以链接形式标明本文地址

自民国90年以来,男性口腔癌有逐年上升之趋势。口腔癌在民国101年卫生署发布为国人十大癌症死亡率的第5名,及男性主要癌症死亡原因第4名。此趋势与男性饮酒、抽菸及嗜好嚼食槟榔的习惯密不可分。
简介:拥有全印度
生物有两种生殖模式:无性生殖与有性生殖。无性生殖是最古老的生殖模式。可是现在在生物界,有性生殖似乎是主流模式;即使细菌也会不时交换基因。有性生殖后来居上,学者相信是因为有性生殖能创造变异: