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生物精煉概述(三)—生物精煉的型態與實際例證(下)

LIBERTY專案首座商業運轉廠動土紀念照

圖片來源

系列專欄(二)我們介紹了Phase I及Phase II兩種生物精煉的型態,這篇文章將繼續為讀者介紹 Phase III biorefinery與實際例證。

Phase III Biorefinery
這類型的生物精煉與前兩者相比更加地複雜,Phase III biorefinery有以下兩種特性:
1. 原料來源眾多。
2. 應用多種反應加工程序。

Phase III biorefinery的優點可以分為以下幾個面向來討論。
首先,產品的多樣性可以因應不斷變化的市場需求。當市場的需求改變時,目前製程中生產的副產品有機會能夠轉變為主要的產品。這樣的彈性讓生產者能夠隨時改變生產策略來達到利潤的最大化。
另外,原料的多樣性除了讓這類型的生物精煉製程能夠有相對安全和穩定的原料供給,在成本的考量上,也讓生產者能夠選擇當下成本最低的原料組合進行生產。綜合以上兩點,Phase III biorefinery的高度靈活性最適合大規模應用在工業生產上。

Phase III Biorefinery的例證:
A. 木質素生物精煉(Lignocellulose Feedstock Biorefinery)
主要以”自然乾燥”(nature-dry)的木質纖維素生物質諸如木材、稻桿、或是乾草等作為原料進行反應來獲得產物,下圖是瑞典的Processum正在主導的計畫的示意圖。

圖片來源:James Clark and Fabien Deswarte. 2008. Introduction to Chemicals from Biomass. 10. John Wiley & Sons, Ltd

如圖所示,這個計畫從森林得到原物料之後,進行精煉得到乙醇、二氧化碳、紙漿、甲烷…等產物。這個計畫的特殊之處在於利用特定產業群的互相合作-他們利用合作夥伴製程中的廢棄物(waste)來生產自己公司的主產品,再將生產過程中的廢棄物提供給另外一個夥伴當作原料。

B. Whole Crop Biorefinery
所謂的whole crop biorefinery即是將整株作物都拿來作為精煉的原料。常見的原料包括小麥、玉米等穀類作物。下圖是whole crop biorefinery的簡化流程圖:

從上圖中,可以發現製程的第一步會先將種子和禾桿分開。其中種子會經過若干轉化過程得到酒精和生物塑料…等產品;另外禾桿則會透過上述的木質素生物精煉得到產物。雖然目標是「完全轉化」,但目前除了轉化方面有技術門檻外,收集原料也有困難,例如:美國的玉米農業,當前的聯合收穫機(combine)在收獲玉米粒後,是將斬斷的穗軸與禾桿直接灑在田裡等,因此要收集這些原料必須要建立新的後勤系統。因此生物精煉的發展除了轉化技術的突破,仍需要後勤系統的配合,必定是從便宜的原物料開始,絕非一蹴可幾。

Whole crop biorefinery的應用實例是LIBERTY專案(Project LIBERTY)。LIBERTY專案是POET(世界上最大的乙醇製造公司之一)與Royal DSM(全球前20大化學製品工業公司)共同合作的第一個專案。第一座商業運轉的酒精工廠已於今年3月正式動土,預計在2013年於美國愛荷華(Iowa)州啟用,預計年產量將達到2,000萬~2,500萬加侖。愛荷華州為美國玉米生產的大州,有較低的原物料取得門檻與後勤系統建立成本。該專案的網頁上有一個簡潔的流程介紹,推薦各位讀者進去觀看。(觀看LIBERTY專案的流程介紹請點這裡)。這裡也同時附上POET-DSM的官方網站供各位讀者參考。

C. 雙平台概念生物精煉(Two Platform Concept Biorefinery)
最後介紹另外一種類型的Phase III biorefinery-雙平台概念生物精煉。此種類型是由美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Lab, NREL )所定義。

這類型的生物精煉是將原料分成兩部分,一部分透過”糖平台”(sugar platform),另一部分透過”合成氣”平台(syngas platform)進行精煉作業,其中糖平台主要進行生化反應,著重於原料中萃取的醣質進行發酵反應;而合成氣平台主要進行熱化學反應,將原料中的生物質轉化為氣態或是液態的中間產物,再將這些中間產物精煉成為可用的燃料。

圖片來源

雙平台概念生物精煉的產物包括燃料、化工與材料原料與食品、飼料…等。值得一提的是,許多糖平台(或是許多其他反應)產生的廢料或是殘餘物都能夠作為熱化學轉化的能源來源。見下圖,糖平台的廢料或是殘餘物可以進入熱電共生系統,作為原料。熱電共生產生的能源,除了可以作為整個製程的能量來源之外,若有多餘產出也可以賣給當地的電力供應商。

至此,相信各位對於生物精煉的定義、型態以及實際應用已有基本的認識。下一篇文章將是生物精煉系列的最後一篇了,希望各位讀者繼續關注喔!

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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。