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台灣發展生質柴油的技術創新

2007/01/05 經濟部能源局 點閱人次: 332

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■撰文:盧文章、林昀輝、李宏台 ■圖片提供:台灣新日化公司

生質柴油兼具環境友善、潔淨能源與分散能源供應等優點,是柴油的最佳替代燃料,然而在台灣受限於土地面積,為了獲得足夠之原料,台灣勢必利用各種料源,包括回收之廢食用油與高酸油等,此外利用台灣四面環海之優勢,藻類養殖未來可能扮演重要角色。本文介紹二階段轉酯化程序、生物轉酯化技術及藻類培養與篩選等技術,提供讀者參考。

隨著國際上開發中國家經濟成長所需之大量能源需求、衍生因能源供需失衡導致的國際原油價格高漲、以及京都議定書生效後全球溫室氣體減量的發展趨勢,促使各國政府積極開發生質能等再生替代性能源。生質柴油(Bio-diesel)是生質能的一種,為「利用動植物油脂或廢食用油之長鏈脂肪酸,於觸媒存在下,與烷基醇類反應產生烷基酯類燃料」,兼具環境友善、潔淨能源與分散能源供應等優點,其性質和傳統化石柴油相近,是柴油的最佳替代燃料。

目前最常用的生質柴油商業化技術為鹼觸媒轉酯化法,雖可於很短的反應時間(1小時)下得到高的生質柴油轉化率(98%),然而此程序所需之油脂料源品質較高,台灣地狹人稠,欲效法歐美大面積栽種油脂農作物(如黃豆、油菜)以做為高品質原料之困難度較高,成本也高。因此,回收廢食用油或其他廢棄油脂替代植物油產製生質柴油不僅是技術發展的議題,也是有效減少原料成本的方法。此外,台灣四面環海,如何利用海洋資源做為生質柴油原料,亦為發展上的重要課題。目前台灣在生質柴油的技術發展重點主要可分為:多元油脂利用與藻類資源開發兩方面,茲說明如下。

台灣生質柴油生產技術發展

一、二階段轉酯化程序
食用油經高溫煮炸過後,游離脂肪酸會增加,因此廢食用油之游離脂肪酸含量較新鮮油脂更高,若仍採用傳統鹼製程轉酯化反應時易產生皂化物,影響生質柴油之產率。此外,在油脂廠的製程中,常伴隨有大量皂角產生,其轉化生成之高酸油通常含高達40%之游離脂肪酸,經濟價值不高,若能有效將其轉化成生質柴油,將有助於提高自產生質柴油之產能。因此,發展一套結合酸催化與鹼催化之二階段轉酯化系統,為有效利用回收廢食用油等低品質油脂的關鍵。二階段轉酯化流程為,油脂中所含的脂肪酸可藉由第1階段之酸催化酯化反應生成甲基酯(生質柴油),而剩餘之油脂則可在第2階段之鹼催化反應中轉化成甲基酯。目前國內已成功開發出二階段製造技術,預計將建立1座先導系統,可做為多元料源進料生質柴油產製系統。

二、生物轉酯化技術
利用脂肪分解酵素(Lipase)進行酯化或轉酯化是一項廣為人知的技術,然而利用酵素需經繁複的純化與固定化步驟,程序複雜且經過處理的酵素通常較不穩定且昂貴,如能直接使用固定化菌體內的脂解酵素,將使此生化程序更具競爭力。利用生物轉酯化程序不會有皂化反應進行,此外產物甲基酯和甘油中也不會有鹼或酸觸媒殘存的問題,可以節省後續水洗與甘油純化之成本,也可解決游離脂肪酸需前處理、甘油分離純化、生質柴油純化等問題。

目前國內已有多個研究單位正在進行相關研究,由固定化在過濾生化棉(剪裁成1立方公分)之Rhizopus oryzae(ATCC24563)的催化反應結果可知,由於甲醇對於酵素有抑制作用,因此甲醇需分3次添加,結果顯示經過約72小時的反應,甲基酯的含量約達70%,固定化菌體之活性與懸浮菌體相當。而其無法再進一步提高轉化率可能是因為副產物甘油吸附之緣故。目前生物轉酯化受限於反應速率慢且限制較多,加以轉化率較低,因此雖然有許多優點,未來需要在反應速率與轉化率有明顯提升,才有商業化之可能。

三、藻類資源開發 台灣土地資源有限,難以像其他國家一樣大量栽培能源作物,然而台灣四面環海,海洋資源豐富,為利用此一優勢並擴大生質柴油之料源開發,針對適合台灣地區生長的藻類進行篩選,並建立資料庫其中包含有藻類分類、物理性、培養條件及油脂含量等相關特性,其結果可做為未來發展之參考。目前已在台灣海域篩選出超過30株以上之渦鞭毛藻類(Dinflagellates)、等邊金藻類的含油脂藻種,並針對其生長速率及增殖時間與粗脂含量進行相關探討,其中已篩選出具有高生長率(μ=0.30)及高油脂含量(37.38%)的藻種,仍待進一步相關成長及培養之研究,以做為未來衍生生質柴油之料源,提高國內自主原料來源。

利用豐富的海洋資源 推動生質燃料做為替代之車用燃料已是全球發展之趨勢,不僅可減緩化石燃料之消費並降低溫室效應氣體排放。然而在台灣受限於土地面積,無法如其他國家大規模種植能源作物,因此,在台灣推動生質柴油,開發能利用本土多元料源之技術與利用豐富之海洋資源應為最重要之研究課題。目前使用二階段之反應方式可利用含有不同游離脂肪酸的油脂,充分利用食品或工業上的廢油脂,有助於提升自產能源之比例,也可降低廢棄物排放之污染,可謂一舉數得。此外,利用台灣四面環海之優勢,亦正嘗試篩選高油脂含量之藻種,希望能篩選出生長快速、油脂含量高的藻種,預期未來藻類可能扮演重要原料供應之角色。(作者任職於工研院能源與環境研究所)


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