【專題探索】生質酒精技術發展現況與展望
邱太銘 (2012/12/10) 《台經月刊第35卷第12期》
近幾年原油波動與高價格引起全球對能源安全的關注，再加上全球人口成長、能源需求增加、化石燃料使用造成環境汙染與全球暖化、化石燃料日益枯竭及全球氣候變遷，各國紛紛積極尋求替代能源來源。生質燃料亦稱為碳中和燃料，此乃因自車輛排出的二氧化碳是植物原料生長期間利用光合作用所吸收，另外，生質燃料對能源安全與多樣性、減少車輛的有害廢氣排放及增加農民收入有所助益，因而許多國家積極推廣生質燃料(Oguma et al., 2012)。國際能源總署(IEA)邁向低碳未來的藍圖情節，是指透過二氧化碳價格及強力的政策支持，在2050年將能源相關CO2排放減半，其中運輸部門節省排放占23% (Brown, 2012)。
爭糧與爭地
到目前為止，商業化生產的生質酒精主要以玉米與甘蔗為原料，有「與民爭糧」與「與糧爭地」之虞。以木質纖維素為原料的生質酒精（或稱纖維酒精）雖無前數顧慮，但目前尚未商業化，但已有數座纖維酒精示範工廠在不同階段啟動，探討前處理／水解步驟各式各樣方案，第一座商業化纖維酒精生產工廠（採用PROESA技術）預訂2012年底開始運轉。生質物纖維素與半纖維素水解成可發酵的糖，是最具挑戰的步驟，其成本超過總轉化成本的50%，蒸餾與酒精脫水兩個步驟，與使用於目前已商業化的玉米酒精或甘蔗酒精非常類似(Leong, 2012；Shanks, 2012)。
生質酒精生產路徑依存於使用的原料，糖類與澱粉作物主要採用生物化學路徑，自纖維素或木質纖維素獲得酒精有三種不同的技術路徑，分別為生物化學路徑、熱化學路徑及混合路徑。混合路徑與熱化學路徑主要的差異為合成氣轉換成生質燃料方法，熱化學路徑是利用金屬基觸媒將合成氣轉化成生質燃料，一般稱為費托(Fischer-Tropsch, FT)程序，混合路徑是利用微生物觸媒將合成氣轉化成生質燃料，一般稱為合成氣發酵。比較酒精轉化技術路徑所示(Datta, 2011)，本文將針對這三種不同生質酒精生產路徑發展現況進行說明，並提出其應用性與未來展望（表1）。
表1 酒精轉化技術路徑比較表
生物化學路徑
觀察自不同的可再生物質，經由生物化學路徑生產生質酒精，一般程序流程中，所採用酵素水解的傳統生物化學平台，其中涉及前處理、酵素水解、發酵及產物回收等步驟（附圖）。
附圖 自不同原料來源生產生質酒精一般程序流程示意圖
（一）前處理
進行酵素水解前，生質物需經物理或化學前處理以減少纖維素結晶性、增加物質多孔性及移除木質素。前處理是生質物轉化成纖維酒精的第一個步驟，可大幅改善加工及減少下游單元操作成本。最適當的前處理程序可能隨原料不同而有差異，因為不同的原料其纖維素、半纖維素與木質素含量各異，尤其是木質素（如軟木與硬木）可能充分地不同化學組成與結構，需特定前處理程序，而前處理程序可區分為物理、化學、物理化學及生物等程序（表2，Ghosh and Hallenbeck, 2012；Hu, 2012）。
表2 前處理技術對生物資源性質影響表
（二）水解
水解是打破纖維素β-1,4糖苷鍵的相關程序，水解沒有副產物及側反應，主要產物是葡萄糖。傳統生質物水解的方法包括：稀酸水解、濃酸水解及酵素水解(Guo et al., 2012)。稀酸能改變纖維素空間方向與建構，稀酸溶液水合質子使得糖苷鍵氧原子被質子化及最終活化糖苷鍵，β-O-4解離是速率控制，半纖維素水解速率遠快於纖維素水解速率，因而稀酸水解採兩階段方式，一階段為半纖維素水解，另一階段為纖維素水解。濃酸能進入纖維素的結構，使得纖維速膨潤與糖苷鍵斷裂，在常壓與低溫（如50ºC）下當硫酸濃度高於50%纖維素膨潤，當硫酸濃度更進一步增加至62%時，纖維素由有限膨潤改變成可溶解狀態。濃酸水解操作期間具有低能量消耗，但濃酸水解程序對原料水含量有嚴格的要求，再者，濃酸前處理具有腐蝕及回收議題(Guo et al., 2012)。
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