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稻稈纖維酒精之發展潛力

2008/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 395

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▓撰文:蘇美惠、左峻德、王嘉寶、黃文松

根據美國再生燃料協會(Renewable Fuels Association)及國外專業研究機構Market Research Analyst的估計,全球生質酒精年產量有逐年增加的趨勢,2008到2012年全球生質酒精產量,預估將以複和成長率4.6%成長。目前生質酒精之生產主要以甘蔗及玉米為原料,也稱為第一代生質酒精,其推展之爭議為「與糧爭地、與人爭糧」之疑慮,因此,各國乃致力開發以自然界產量豐富之木質纖維為原料生產酒精,亦稱為第二代生質酒精,其生產原料包含:稻稈、玉米稈、小麥稈、蔗渣、木屑、廢木材等農林業殘留物及其他草本植物,由於料源主要取用於生質物之木質纖維,因此亦稱纖維酒精。

國外纖維酒精發展概況

纖維酒精自2006年逐漸受到重視,研發之建廠計畫迅速增加,建廠規模亦大幅提升,目前國際上已有8家纖維酒精示範工廠已開始運轉或開始試車,為極具市場潛力之產業。纖維酒精之生產程序比第一代生質酒精增加一道糖化步驟,即自木質纖維中取出可發酵之糖分,又由於發酵液之酒精濃度較低,因而使得生產程序成本也相對較高。

根據2007年美國能源部之研究評估,纖維酒精加工製造成本至2012年每加侖預估可達0.82美元;假設纖維原料成本不超過每公升新台幣3.3元以內,則纖維酒精生產成本將可達每公升新台幣10.3元。不過,現階段之規模仍在先導或示範廠之階段,並無法達到商業化量產經濟生產規模,原因在於量產技術尚未成熟,產量不穩定,成本無法降低,導致仍無法進入商業量產階段。

纖維酒精商業化最大挑戰除了將纖維素與半纖維素有效轉化成可發酵糖的前處理製程外,其他尚須克服技術議題,包括木質纖維素原料比重輕,收集運輸不便;原料結構複雜,需開發低成本與高效率的纖維素分解酵素及發展高效率五碳糖發酵的酵母菌株及共發酵菌株等;另外改善發酵菌株對發酵抑制物及酒精之耐受性,提高菌株工業應用之穩健性(Robustness)亦為重要的研究議題。次要技術議題則包括木質素利用及節能型酒精濃縮與脫水程序。

然而由於其原料不會衝擊糧食供應,且溫室氣體減量效益至少為第一代生質酒精之2.5倍等優勢,已成為未來最具潛力之車用燃料替代品。美國總統布希於2007年12月簽署「2007年能源自主及安全法」,修訂可再生燃料標準,要求可再生燃料使用量在2022年將達360億加侖,第一代生質燃料於2015年達到150億加侖後不再增加年產量目標,將逐年增加前瞻生質燃料年產量目標,其中纖維酒精2022年使用量目標將達160億加侖,占前瞻生質燃料年產量76%。

此外,美國能源部為發展纖維酒精,在2007年投資超過10億美元進行生質燃料研發,包括6個商業化規模生物精煉計畫、5個酒精生成菌研發計畫、3所生質能研究中心、4個改善水解酵素計畫、5個熱化學生質燃料計畫及9個小規模生物精煉計畫。從美國生質燃料政策及獎勵補助措施可以發現,美國已將纖維酒精列入最重要的前瞻生質燃料選項。

國內稻稈纖維酒精研發概況

國內纖維轉換酒精製程之技術開發與示範系統建置,係由行政院原子能委員會核能研究所(簡稱核研所)負責執行。核研所自2005年即以稻稈、蔗渣、芒草等纖維原料,研發纖維轉化酒精技術;為發展具競爭力的纖維酒精技術,並積極與國內產學研成立研究團隊,由核研所負責前處理作業、系統整合與工程化量產技術之開發,至於酵素與發酵菌株等生物資源,則與國內生物科技團隊合作開發,研發符合工程需求,且具備高效率生化程序所需之高活性酵素與發酵菌株,期能建立降低生產成本之關鍵技術。

2007年核研所完成建立每批次進料10公斤之纖維酒精程序研發設施,主要包含前處理系統、酵素水解及發酵系統、酒精蒸餾與脫水純化系統、公用系統等,為國內第1座纖維轉化酒精之程序研究系統,同時可做為國內生質原料改質、酵素效能提升及基改發酵菌株之測試平台。目前先以國內數量最豐之農業廢棄物稻稈為原料,展開量產技術之研發;稻稈經前處理、酵素水解、五六碳糖分別發酵、蒸餾脫水等程序後得到之酒精純度可達99.5%,並符合國家標準「CNS15109變性燃料乙醇」供汽油摻配做為汽車燃料之規範。

在技術開發方面,核研所除自行設計開發雙軸擠壓及溶洗系統、高壓蒸汽爆裂系統、連續螺旋輸送反應系統等纖維原料前處理系統外,並進行毋須添加酸劑之水熱法前處理技術之研發。至於纖維素水解酵素之研發則與國內學研單位共同合作,除開發本土高效率纖維素生產菌株,同時發展廠內(In-house)纖維素酵素量產技術,藉以降低酵素生產成本。在發酵技術研發方面,實驗室研發中之同步糖化及發酵技術(Simultaneous Saccharification and Fermentation)已達國際水準,即將與五、六碳糖發酵技術併同於小型測試平台進行驗證研究。另外,目前核研所亦利用基因工程技術,進行五、六碳糖共發酵菌之研發,以發展更具有競爭力之共發酵技術(Co-fermentation)。

藉由每批次進料10公斤設施之建置與運轉經驗,核研所計劃於2009年完成日進料1噸之纖維酒精測試廠,其以每噸稻稈生產200公升酒精為設計目標,此一測試廠將可成為未來國內建立商業化量產廠之重要技術基礎。此外,在纖維料源開發部分,中研院亦積極開發基因轉植水稻之研究,並已成功找到可降低水稻中無用的木質素的基因,也找出可以讓水稻長得快、長得高的基因,未來將可開發具備高纖維含量並可做為能源作物用途之水稻。

稻稈纖維酒精發展潛力

我國目前水稻種植面積1年兩期作約26萬公頃,每年約產生150萬噸稻稈,長久以來農民大都以焚燒或切碎就地掩埋方式處理,造成空氣污染、阻塞灌溉溝渠等問題。倘若將150萬噸稻稈做為纖維酒精料源,預估每年將可生產30萬公秉稻稈纖維酒精;國內尚有每年兩期作加總尚有22萬公頃耕地閒置,若進一步活化利用休耕地,採粗放方式種植能源作物用途之水稻,至少可再提供將近25萬公秉稻稈纖維酒精。55萬公秉稻稈纖維酒精將可替代5%汽油消費量,減少原油進口0.64%,並且每年可減少193萬噸二氧化碳排放量,在不與民爭糧之前提下,同時又可活化農村經濟活動,為值得我國積極發展之替代能源。(作者為台灣經濟研究院新能源小組組長及研究一所所長、核研所纖維酒精專案計畫主持人與副主持人)


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