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生物精煉概述(一):生物精煉與石化精煉

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讀者在閱讀生質能源相關的資訊時,或許會注意到「生物精煉」(Biorefinery)這個名詞常常出現在這些文章當中。那麼,「生物精煉」具體的定義是什麼呢?所謂「生物精煉」是將生物質(biomass)轉化為其他各種產品或加工原料的轉換過程。根據美國NREL (National Renewable Energy Lab.) 的定義,生物精煉是以生物質(biomass)為原料,利用不同的製程技術生產燃料、電力及化工原料的過程。

如上圖所示,生物精煉的概念其實與石油精煉相當類似,其中最大的差異是生物精煉的原料是生物質,而石油精煉則是以石油或是天然氣作為原料。當然,除了得到燃料和化學原料之外,生物精煉的產物還包括了食物和飼料,這也是兩者的不同之處。此外,在部份生物精煉的過程中,還可以得到許多有高度價值的副產物。

舉例來說,以油麻菜籽做為原料提煉生物柴油時,同時可以生產副產物如菜籽多酚及菜籽蛋白等保健食物;從海藻提煉藻油的過程中也能夠得到豐富的Omega-3脂肪酸以及DHA等成份,這些成份皆可作為食品添加物而高價賣出。在上述某些案例中,副產品的價值可能更優於主產品,而驅使公司轉型並以原本的副產品做為主力產品,例如Solazyme和Aurora Algae。因此,生物精煉產業的產業鏈涵蓋範圍甚廣,從生物質的培育技術改良、製程中熱化學和生物化學的轉換技術研發、直至產物(燃料、化工原料及食品飼料)的加工製造都與生物精煉產業相關。

生物精煉與石油精煉的比較

接著我們將從原物料、製造程序以及產物等三個部份來比較生物精煉與石油精煉的差異。

A. 原物料:
參考表2.,相對於石油精煉的原料,生物質有下列幾種特性:分佈廣、密度低,且大多數的生物質含水量都相當高(以草來說,最高含水量可達90%)。問題在於水是生物精煉中較不需要、甚至是導致反應效率降低的成分,這使得每單位生物質的運輸成本往往高於石油精煉的原料。有鑑於以上特性,如何有效降低原物料的收集、運輸和儲存成本;或者換個角度想,如何提高原物料的密度,便是生物精煉產業進一步發展的關鍵課題。

表2. 兩者原物料特性比較

為了要提高原物料的密度,通常會對收割下來的原物料作前處理。前處理有兩種常見的方式:磨碎/切碎(grinding/chopping)與團塊化(pelletisation),兩者都可以提高材料密度。其中,團塊化是將切碎/磨碎的原物料(例如:稻稈)經由壓縮等物理方式進行前處理,將稻稈粉集合成為球狀或是塊狀物再作為生物精煉的原料。團塊化的好處除了有效提高原料密度之外,還提供在大小、形狀甚至含水量…等各方面更為統一的材料,有利後續的處理程序。在〈生質能源概論 ( 四 ) ─固態廢棄物衍生燃料RDF-5〉中提到的RDF-5(又稱dRDF,densified refuse derived fuel)便是一例。

無論是切碎/磨碎或是團塊化,理想的狀態都是在收割地甚至收割的當下可以進行加工,讓原物料在密度最高的狀態下被運送,有效地節省後續的運輸和儲存成本。這其中仍然有可以進一步改良的空間,舉例來說,不論是收割、切碎、團塊化,這些步驟都需要能量輸入,不同作物可能需要開發全然不同的裝置、所需能量多寡也相異,這也成為評估與選能源作物時的考量。

圖2. 顆粒狀木材(wood pellet),將生物質團塊化的實例。
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相對於石化資源(石油或者天然氣)可以連續地開採,生物質的供應是季節性的。因此為了確保整年都有原物料可以進行煉製,生物質原物料必須要能夠長期儲存。然而,由於生物質有腐爛或是枯萎的可能性,如何妥善保存生物質原物料也是另一個重要的課題。針對這個部份,有些公司會將原物料青貯以供非生產季節使用。

B. 製造程序部份:
相較於已經有100多年發展歷史的各式石油煉製的技術和製程,生物精煉目前所應用的製造程序(包含各種物理、化學、熱化學與生物化學程序)都尚待更進一步的最佳化,其中最大的課題是:如何降低成本。

其中,分離程序(separation)是目前最為昂貴而耗能的程序。在精煉製程當中最後得到的狀態常常是產物與副產物及其他原物料的混合物。分離程序即是將產物由混合物中分離出來的一道程序。即使是一個相對成熟的製造程序,分離程序所消耗的成本仍然佔了60%-80%的總成本。舉例來說,在透過發酵反應來獲得琥珀酸(Butanedioic acid)或是生質酒精時,獲得的產物是濃度低且成份複雜的水溶液。因此,尋找低耗能的方式來分離產物和其餘部份(包含未反應的原料、副產物或是水…等等)一直是改良各種生物精煉程序的重要目標。

C. 產物部份:
由於能源作物可以持續耕種收成,因此相較於石油與煤礦的有限性,生物精煉產業的產物最大的優勢在於其具有永續性、可再生的特性。另外一個相較於石油精煉產物的優勢在於生物精煉的產物對於環境較為友善。 然而即使擁有上述兩個優勢,生物精煉在產物的部份所面臨到的難題是單位生物質生成的產物量太少。因此,利用育種甚至是基因改良技術來提高既有作物的能源產出也是目前這個產業中相當受到重視的研究課題。

James Clark 及Fabien Deswarte 在其 2008年的著作 Introduction to Chemicals from Biomass中,將生物精煉依使用原料的種類多寡以及製程的複雜程度概略分成三種型態:Phase I、、Phase II以及Phase III。在對生物精煉的定義以及它與石化精煉的差異有初步的認識之後,下一篇文章我們將繼續介紹這三種型態的定義以及例證。

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關於作者

三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。