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生物精煉概述(二)—生物精煉的型態與實際例證(上)

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在上一篇文章《生物精煉概述(一)—生物精煉與石油精煉》的最後,我們談及James Clark與Fabien Deswarte在他們著作《Introduction to Chemicals from Biomass》中提到,生物精煉可以依使用原料的種類多寡以及製程的複雜程度分成三種型態:Phase I、Phase II以及Phase III。那麼這三者是如何作詳細區分的呢?

三種生物精煉型態的定義
A. Phase I Biorefinery:其定義是使用單一原料,經過單一固定製程產生單一主產物。
B. Phase II Biorefinery:使用單一原料,經過多種的製程後得到多種主產物。
C. Phase III Biorefinery:最為複雜的生物精煉應用:其定義是使用多種原料,經過多種製程後得到多種主產物。

Phase I Biorefinery:
下圖是利用油菜籽經由轉酯化(transesterification)生成生質柴油的流程圖。

如圖所示,這個流程是利用單一原料(油菜籽)經過單一製程產生單一主產物(生質柴油),因此這類的生物精煉應用可以被歸類為Phase I Biorefinery。另外,《生質能源概論 ( 六 ) ─生質酒精》提到的利用蔗糖經過發酵處理來生產酒精的製程也屬於這種類型的生物精煉應用。

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由於Phase I Biorefinery具有製程單純的特色,這類型的生物精煉應用不論是在歐洲、美洲甚至亞洲都已經被廣泛地商業化。然而,製程單純是優點同時也是缺點。由於其原料與製程的單一性,這類型的生物精煉就成本的角度來看幾乎沒有彈性可言。舉例來說,當原料價格上漲甚至是短缺時,製造商會馬上受到波及,除了無法稀釋原料價格波動帶來的成本衝擊外,產量與交期也會受到影響。同理,當市場上的產品價格不好或是需求降低時,製造商也幾乎沒有閃躲的空間。

Phase II Biorefinery:

上圖是一家法國公司Roquette將穀類經由酶解(Enzymatic process)、發酵(Fermentation) 過程後得到包含維他命(Vitamin)、胺基酸(Amino acids)及各種聚合物的示意圖。由於從單一原料經由多種製程得到多種主產物,這樣的生物精煉應用屬於Phase II Bioefinery。另外一個例子,我們在《藻類生質能源》專欄中有提到,從微藻煉油的過程中可於產油的同時一併提煉DHA、EPA等ɷ-3不飽和脂肪酸作為副產品,這也可以視為Phase II Biorefinery的應用。

Phase II Biorefinery的應用相較Phase I具有幾個特色:成本效益較Phase I為高,生產者也較有營運彈性。理由是產品較具多樣性,生產者可以變更主要產品來迎合不斷變化的市場需求。在生質燃料產業也有這樣的例子—Aurora Algae Inc就曾經從著重於生質柴油的生產,改成著重於海藻(algae)的生產

理論上來說,所有的Phase I Biorefinery皆有成為Phase II Biorefinery的潛力,也都有動機積極尋求副產品以增加收益。以先前文中所舉的兩個Phase I的應用為例:首先,在油菜籽轉化成為生質柴油的製造過程中,各位可以發現甘油 (glycerin) 被當作是整個反應中的副產物,其主要的原因是目前甘油因市場有限而售價低廉。而在以蔗糖發酵生產酒精的例證中,製程中所產生的蔗渣也有機會作為生成其他製程的原料。在這兩個例子中,假若能夠將這些副產物轉變成為更有價值的能源或是化學產物,整個反應的主要產物將不只是生質柴油(Biodiesel)和生質酒精(Ethanol)。又或者是玉米酒精廠的產物並不是只有玉米酒精,還有可作為飼料的DDGS,以及能夠以乾冰形式販售的二氧化碳,然而這兩項副產品的利潤並不高,因此近年來有許多製造其他副產物的嘗試,例如可以做為食品添加物或原料的木寡糖(Xylo-oligosaccharides, XOS)。簡言之,在有兩個甚至多個主要產物的情形下,不只可以增加產品線與收入來源,更能夠稀釋市場價格波動帶來的衝擊,進而讓精煉廠的收入更有保障。

將Phase I 及Phase II 介紹完畢之後,下一篇文章將為各位介紹更為複雜的Phase III Biorefinery以及它在產業界的實際應用,請各位期待並繼續關注喔!

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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。