生物精煉概述(一)

作者：楊卓儒 / 編輯：郭致廷、歐陽孚

圖片來源: http://www.rhapsodyingreen.com/rhapsody_in_green/images/2007/09/07/poet_biorefining_portland_water_w_2.jpg

前言
在《淺談石化能源》的系列專欄中，BET利用四篇文章的篇幅介紹了目前三大石化燃料及石化能源的使用現況。接著我們將透過系列專欄 —《生物精煉概述》向各位介紹生物精煉(Bio-refinery)的概念。本系列將從生物精煉的定義以及石油精煉(Petro-refinery)和生物精煉的比較談起，緊接著介紹生物精煉的類型以及其運用實例。希望透過這系列的介紹，讓各位對於生物精煉這個名詞有基礎的認識。

生物精煉的定義
許多人或許都有注意到，在閱讀替代能源相關的報導或是文章時，「生物精煉」這個名詞常常出現在與生質能源相關的文章中。那個所謂的「生物精煉」具體而言是個甚麼樣的程序呢？

事實上，我們可以說「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。說得更精確一些，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而成為燃料或是電力及化工原料的過程。(原文連結請參照NREL的Biorefinery頁面)

生物精煉與原油精煉

圖 1. 原油精煉和生物精煉概念比較

圖片來源：James Clark and Fabien Deswarte. 2008. Introduction to Chemicals from Biomass. 6. John Wiley & Sons, Ltd

透過上述的定義和圖1的比較，我們可以發現生物精煉和原油精煉的概念非常相似。其中最大的差異是生物精煉的原料是生物質，而原油精煉則是以石油或是天然氣作為原料。同時和原油精煉相比，我們除了利用生物精煉的方式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。事實上，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，而這些成份皆可作為珍貴食品添加物而高價賣出。在某些案例中，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。 (相關資訊請參照Aurora Algae的全新經營方向)

因此，生物精煉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鏈相關。

生物精煉的種類

截至目前為止，研究文獻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。

Phase I 的生物精煉的定義是使用單一原料，經過單一製程產生單一主產物。

Phase II 的生物精煉使用單一原料，經過多種的製程後得到多種主產物。

至於最為複雜的Phase III則是使用多種原料，經過多種製程後得到多種主產物。

Phase I Bio-refinery：

以油菜籽經由轉酯化(transesterification)生成生質柴油為例：

圖 2. Phase I Bio-refinery example

圖片來源：James Clark and Fabien Deswarte. 2008. Introduction to Chemicals from Biomass. 7. John Wiley & Sons, Ltd

類似圖2中的Phase I Bio-refinery不論是在歐洲或是美國都已經被廣泛地應用。Phase I生物精煉雖然製程單純，但也因為原料與製程的單一性，這類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時，或是需求降低時，製造商也幾乎沒有閃躲的空間。

Phase II Bio-refinery：

圖 3. Phase II Bio-refinery example

圖片來源：James Clark and Fabien Deswarte. 2008. Introduction to Chemicals from Biomass. 8. John Wiley & Sons, Ltd

圖3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、胺基酸及各種聚合物的示意圖。由於從單一原料轉化得到多種主產物，這樣的生物精煉屬於Phase II bio-refinery。

理論上來說，所有的Phase I bio-refinery皆有機會成為Phase II bio-refinery，以本文中將油菜籽轉化成為生質柴油的反應為例，各位可以發現在圖2中，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。假若能夠將甘油也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)。同時，在有兩個主要產物的情況下，也可以增加產品品項的彈性並稀釋市場價格帶來的衝擊，讓精煉廠的收入更有保障。

小結

對生物精煉和Phase I、Phase II Bio-refinery的定義有了初步的認識之後，在後續的《生物精煉概述》系列專欄中，我們將接著為各位介紹Phase III Bio-refinery 以及目前較為普遍的生物精煉技術平台。


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