2008/05/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳芃
生質燃料源自於土地生成，可替代燃油，使用時不會額外釋放二氧化碳；另一方面，生質燃料無須特殊科技輔助，即可符合現行燃油運輸儲存配送的作業型態，亦不需大幅更動引擎系統，影響汽車等重要工業的發展與消費者既有的使用習慣。綜合以上優勢，生質燃料被視為替代汽柴油等燃料的最佳途徑。在原油價格上漲與減碳議題勢在必行的情況下，生質燃料很快的透過各主要國家的立法（如：美國酒精汽油、德國生質柴油等政策）導入市場，加速了生質能的使用。
第一代生質燃料的省思
第一代生質燃料指以油脂類作物（大豆、種子等）轉換成生質柴油，以及糖類、澱粉作物（甘蔗、玉米等）轉換成酒精。其需廣大面積栽種能源作物，連帶造成缺糧與物價上漲等問題。此外，因化學肥料被大量施用，肥料中的氮會轉成氧化亞氮（N2O）排放，其全球增溫潛勢（GWP）是二氧化碳的296倍，為生質能發展帶來新的挑戰。
二氧化碳排放增加的第三大原因為森林被砍伐。為供應美國的酒精市場，巴西預計剷平1.5億公頃的雨林來種甘蔗，面積相當於41個台灣大小；其他有類似本錢的國家，也正有相同的盤算，這將造成另一場生態平衡破壞的問題。
綜合上述，現行生質燃料需要解決能源密度低、原料不足所引發的後續問題，以纖維素製造生質燃料成為新一代的技術重點。
第二代技術上場
使用木質纖維素（Lignocellulose）為原料製作生質燃料，被稱為第二代生質燃料技術。與糖類、澱粉類作物不同的是，木質纖維素大量存在於地球上的草本與木本植物間，以及各式農業、木材與其他廢棄物之中，使得生質能發展不需要大量使用現有的糧食作物，且因其來源多且廣，將可減緩糧食與能源間的衝突，並使過度開墾問題也得以減緩。
以甘蔗生產酒精來說，必須先將甘蔗榨汁後，以糖蜜發酵後得到粗酒精，再經純化與脫水後製成可用的酒精，發展生質酒精最為成功的巴西，其蔗渣等廢料尚可應用於汽電共生，以提供製程的電力。第二代生質燃料則更具效率，在傳統的製造程序之外，還可以將不要的蔗葉、榨汁過的蔗渣再次使用，將其中的木質纖維素水解成為糖類，透過發酵轉換成為酒精等燃料。
事實上，利用木質纖維素生產酒精，原料將具有更大的彈性，蔗葉、玉米梗、稻稈等農業廢棄物將是首選，這些廢棄物通常透過燃燒再次利用，但能源轉換效率很低，如能使用木質纖維素轉換技術，則可成為能源效率更高的生質燃料，等於是將原本的廢料變成油箱裡的動力，而根本不必使用糧食作物。如果廢棄物不足以使用，牧草、海藻等各式非食用植物，也能用於生質燃料的轉換。
關鍵一：前處理
聽起來第二代生質燃料技術非常吸引人，但卻有著一個大問題需要解決，也就是木質纖維素的水解問題。所謂木質纖維素，是由纖維素（Cellulose，占比30～50％）、半纖維素（Hemicellulose，占比20～35％）、木質素（Lignin，占比12～20％）三者所組成；在生質燃料轉換的使用中，主要使用纖維素與半纖維素。纖維素和澱粉一樣，是由葡萄糖所構成的高分子，但兩者結構不同；半纖維素是由多種糖類單體組成，沒有定型的結構；木質素則是堅固的立體網狀結構，支撐植物並固定纖維素與半纖維素。
由於纖維素的結構緊密不易被打散，原本即不易水解，且其被半纖維素、木質素所環繞保護，使得水解工作更為困難，故須透過「前處理」工作，利用物理或化學方式打散木質纖維素的結構，此部分是澱粉類水解所沒有的步驟，相對也增加了許多成本。經過前處理之後，則需要利用更高效率的酵素（Enzyme）讓纖維素水解糖化轉換效率提升，此兩部分為纖維素製造生質能的關鍵。
木質纖維素的前處理技術發源甚早，以往應用在紙漿工業，但多採用高溫的物理方式，以及強酸、強鹼的化學處理方式，對於能源與環境影響很大，其效率與後續的處理亦不符合未來生質燃料的期待。目前美國對於纖維素前處理工作投入最多，由國家實驗室支持的「生質精煉基礎技術應用與創新聯盟（CAFI）」已投入前處理技術數年，目的即在於儘速使生質燃料進入商業化。
關鍵二：水解酵素
在前處理後，纖維素將進入水解階段。纖維素水解如利用化學方式，必須使用酸與高溫，同時生成一些會抑制發酵的副產物，故利用酵素水解是最友善環境的發展方向。酵素的優點在於副產物少、糖產率高、常溫反應等，是環保節能的生產方式。由M.I.T Technology Review發表的「10 Emerging Technologies 2008」中，清楚標示出「Cellulolytic Enzymes」是未來最具潛力的技術，也是第二代生質燃料的核心之一。
目前酵素因為反應效率低、成本高等問題，仍無法滿足生質燃料大規模生產的需求。顯而易見的，經濟效益是生質燃料的重點，在前處理已增加許多成本之後，酵素更須達到高效率、低花費的目標。美國在這方面也是投入最多心力的國家，在能源部（DOE）的支持下，陸續投入近10億美元從事相關研究，其中包括：前處理技術、開發新酵素，以及建立纖維素製造酒精的工廠等項目。
在酵素技術的研發上，DOE與4家公司合作開發纖維素水解酵素，其中Novozymes公司預估，每加侖酒精使用的酵素成本將由5美元降至0.3美元，Genencor公司則估計為0.1～0.2美元，酵素技術的突破由此已可見端倪。
由基礎做起
第二代生質燃料對於耕地稀少的台灣來說，是相當具有吸引力的技術，除可使用大量農業廢棄物外，各種草、木本生植物也是可能的原料。而台灣四面環海的地形，更是養殖藻類的最佳環境；藻類細胞壁亦可以成為木質纖維素的來源之一。
鑑於第二代生質燃料的優勢，相關研究在國際發展已有一段時日，甚至已出現研究基因改造低木質素植物，以降低水解成本等更前進的思維。相對於國內對於木質纖維素的研究仍在起步階段，能量大多投注在酵素研發方面，前處理則較為缺乏。展望未來，一步步踏實建立國內前處理技術與研發低成本的酵素，或導入國外成功技術，將會是第二代生質燃料站穩腳步的首要工作。（作者任職於工研院材化所）