生物精煉概述(三)

作者：楊卓儒 / 編輯：歐陽孚

在〈生物精煉概述(一)〉中有稍微提到，生物精煉與石油精煉的概念非常相似，且生物精煉過程產生的產物也可能面臨到石化產業的競爭，然而，這兩種類型的精煉仍然有相當明顯的差異。本文作為〈生物精煉概述〉系列專欄的最後一篇，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，並統整生物精煉產業未來將遭遇的挑戰和擁有的機會。


原物料部份

表1. 石油精煉與生物精煉原物料性質差異

表1. 列出了石油精煉與生物精煉兩者在原物料這個部份的差異，主要的比較項目為位置(Location)、密度(Density)與可用性(Availability)。


首先由上表我們可以得知生物精煉的原物料有下列幾種特性：分佈廣、密度低，且大多數的生物質含水量都相當高(以草為例，最高含水量為90%)，而水是生物精煉中較不需要的成分、甚至是降低反應效率的成分，因而使得每單位生物質的運輸成本往往高於石油精煉的原料(石油或是天然氣)。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。

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)。前者例如將麥桿切碎通常能夠提高10倍的緻密度(densification)，而團塊化更可以大大地提高材料密度。團塊化，舉例來說，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。

圖1. 顆粒狀木材
圖片來源：http://images.businessweek.com/ss/08/03/0308_lessoil/source/5.htm   

另外一個例子顆粒狀木材(wood pellet)，如圖1.，近年來在林業資源豐富的加拿大，這種顆粒狀木材已經發展成為可交易的商品。

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。其中仍然有可以進一步討論的部份，例如不論是收割、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。因此這也是評估與選能源作物時的考量之一。

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。沒有經過前處理或是不適當的儲存方式可能導致生物量的退化。以稻桿為例，在濕度不適當的環境儲存一段時間後，原料品質會下降。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。所謂的青貯，即是在生物質盛產期，將多餘的生物質保存供缺草期使用的一種手段，目前常見的青貯料多為無氧發酵反應的生成物。青貯有以下兩個特點：
1. 與新鮮原料的成分性質相近
2. 保存期間長而不致腐敗



製造程序部份 

自人們發現並開始使用石油以來已經過了100多年，相較於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)尚待更進一步的研究及最佳化，且其中最大的部份在於如何降低成本。

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，尋找乾淨且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)是生物精煉當前的重要課題之一。

           

另一個重要的課題是，人們必須思考如何在生物精煉程序中落實綠色化學原則、減少對環境的影響與確保程序的永續性。也正因為生物精煉產業需要考慮的層面很多，需要各個領域人才的整合，近年來陸續可以看到許多企業跨領域合作進行生物精煉技術的研究與開發，形成新的產業聯盟，例如油界大老Shell與農業產品公司Cargill的合作案。其中前者是super major(全球前五大非國營石油公司)之一，後者則是全球四大糧商之一(四大糧商基本上操縱了全球農產品價格與國際通路)。跨國化工企業Du Pont和能源公司Genera Energy共同興建的生質酒精示範廠也是一例，這類在不同領域首屈一指的企業紛紛為了進行生物精煉技術的開發，不難想像他們對於生物精煉產業的關注程度與這個產業本身的潛在商機。

產物部份 

生物精煉的產物特性絕大部分與其原料，也就是生物質息息相關。首先，能源作物是可以持續耕種收成的。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具有永續性、可再生。

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，例如：可以降低二氧化碳的排放量。許多人或許會質疑即使生質燃料（生質柴油或是生質酒精）燃燒後仍然會有二氧化碳的排放。這部份是肯定的，但是由於生質燃料的原料生物質（例如油菜籽、大豆、玉米…等等）在生長的過程中會消耗二氧化碳，因此生質燃料燃燒後排放的二氧化碳可視為大氣中二氧化碳的循環，也就是實際上燃燒生質燃料所得到的二氧化碳淨排放量為零。（補充說明：石化燃料的原料是數億年來埋藏在地底的藻類及微生物，因此燃燒石化燃料對於現在的大氣來說，等於是將數億年前那些藻類及微生物所消耗的二氧化碳釋放出來，造成二氧化碳排放量的增加）

即使擁有上述兩個優勢，生物精煉產業在產物的部份，目前面臨到的重大挑戰是單位生物質生成的產物量太少。因此，利用生物方面的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。

〈生物精煉概述系列〉結語 

本系列專欄利用三篇的篇幅從生物精煉產業的定義及類型開始談起，最後由原料、製程、產物三方面來討論生物精煉產業面臨與石化精煉產業的競爭時，所必須面對的競爭與挑戰。總結這系列，有以下三個核心的問題：

首先，什麼是生物精煉？生物精煉產業涵蓋了哪些部分？
其次，生物精煉產業與現在石化精煉產業相比，有什麼不同的地方？又有什麼相同的地方？
最後，生物精煉產業有什麼能夠和石化精煉產業競爭的優勢？面臨的挑戰又有哪些？

另外，在本篇中有提到不同產業之間大企業的結盟，除了文中所提到的例子之外，事實上近期也有許多類似的異業結盟的案例， 在CNET的Green Tech專欄常常會有這類的消息，有興趣的讀者可以留意，而我們BET的作者群也會摘錄重要的資訊在此分享。

接下來的系列專欄會介紹利用藻類製作生質燃料的資訊和技術，也希望各位能夠繼續給予我們關注與支持。

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