藻類生質(zhì)能源（五）燃料轉(zhuǎn)換方式

作者：郭致廷 / 編輯：歐陽(yáng)孚、楊卓儒

前一篇文章 介紹了幾種常見(jiàn)的微藻收穫方式，希望讀者們對(duì)於如何收集微藻已經(jīng)有了基本的概念。接下來(lái)我們要討論收集到微藻生物質(zhì)之後，可以生產(chǎn)哪些生質(zhì)燃料以及這些燃料的轉(zhuǎn)化方法。需要事先說(shuō)明的是：目前仍沒(méi)有所謂的“最佳”轉(zhuǎn)換法可以適用於所有生物質(zhì)，因?yàn)榧词苟际窃孱惿镔|(zhì)，藻種不同或是培養(yǎng)環(huán)境改變，生物質(zhì)的化學(xué)成份就會(huì)有大幅度改變。除此之外，產(chǎn)物的選擇也是一門學(xué)問(wèn)。一般而言液態(tài)燃料可作為交通運(yùn)輸燃料因此價(jià)值最高；固態(tài)燃料與氣態(tài)燃料主要用於發(fā)電，兩者價(jià)錢互有高低，固態(tài)燃料較易於運(yùn)輸、氣態(tài)燃料燃燒後較為乾淨(jìng)。因此選擇轉(zhuǎn)換方式時(shí)必須應(yīng)地制宜，依主要目的選擇適當(dāng)方法。

目前生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換方式主要可分為熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法以及化學(xué)/生物轉(zhuǎn)化法。熱化學(xué)法顧名思義，就是利用加熱的方式，輔以加壓或是無(wú)氧的環(huán)境促使生物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)變化生成不同燃料產(chǎn)品；而化學(xué)/生物法則是利用化學(xué)藥劑或是微生物將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料。熱化學(xué)法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以將所有生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，無(wú)需事先分離單一成份（如油脂），而且反應(yīng)時(shí)間很短，通常在1小時(shí)內(nèi)即可反應(yīng)完成，相對(duì)於熱化學(xué)法?；瘜W(xué)/生物轉(zhuǎn)化法則需數(shù)小時(shí)至數(shù)天才能完成，不過(guò)化學(xué)/生物轉(zhuǎn)化法能量消耗較低，並且轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，因此兩者實(shí)際上難分優(yōu)劣，需依照使用需求來(lái)作選擇。以下將個(gè)別介紹幾種轉(zhuǎn)化法的特點(diǎn)。

一、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法：

汽化 （Gasification）

汽化法是將生物質(zhì)在高溫(800-1000℃)、氧氣充分的環(huán)境下分解為類似瓦斯（甲烷）的氣體，可直接使用於蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電力。汽化法最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)生物質(zhì)的成份要求很低，即使不是高油脂含量的生物質(zhì)也能轉(zhuǎn)化成甲烷。然而汽化法需要事先將生物質(zhì)裡多餘的水份去除，以避免水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)所需的能量消耗。理想的汽化環(huán)境裡，生物質(zhì)的含水量大約在5-15%之間，然而在藻類生質(zhì)能源（四）裡提到收穫方式幾乎只能達(dá)到20%含固率（80%含水率），因此收集到的生物質(zhì)需要一道額外的乾燥手續(xù)才能進(jìn)行汽化。

熱裂解（Pyrolysis）

熱裂解以及熱水解後的粗油就如同圖片所示，顏色與成份都接近石油原油，經(jīng)過(guò)精煉的過(guò)程後可產(chǎn)出與柴油或石油相近的油品熱裂解是將生物質(zhì)在無(wú)氧的環(huán)境下加熱至350-700℃之間，即使有機(jī)物開(kāi)始分解為氣態(tài)、液態(tài)以及固態(tài)產(chǎn)物。氣態(tài)產(chǎn)物包含先前提過(guò)的甲烷，還會(huì)有氫氣、二氧化碳等氣體。液態(tài)產(chǎn)物則是類似石油原油的混合物，經(jīng)過(guò)提鍊可以取得近似於汽油的產(chǎn)品。而固態(tài)產(chǎn)物基本上是剩下來(lái)的殘?jiān)?，收集處理後可?dāng)成肥料使用。然而熱裂解也跟汽化相同，理想的含水量在5-15%左右，因此也需要經(jīng)過(guò)乾燥的步驟才能有比較好的能量產(chǎn)出。

熱水解（Hydrolysis Liquefaction）

熱水解是第三種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法，但是相較於其他兩種方法，熱水解反應(yīng)溫度較低(250-350℃)、需要在50到200大氣壓下進(jìn)行反應(yīng)，其主要產(chǎn)物為液態(tài)的粗油，與熱裂解的產(chǎn)物類似但熱值通常略高一些。熱水解的優(yōu)點(diǎn)為可使用含水量高（80%）的生物質(zhì)，因此避免了額外的乾燥步驟簡(jiǎn)化了製程。然而熱水解產(chǎn)生的粗油雖燃本身可以燃燒，但雜質(zhì)太多，需要經(jīng)過(guò)純化才能使用於交通工具上。

二、化學(xué)/生物轉(zhuǎn)化法：

轉(zhuǎn)脂化 （Transesterification）

因部份藻類含有極高比例的油脂，因此轉(zhuǎn)脂化是目前藻類生質(zhì)能源最主要發(fā)展的方向，在生質(zhì)能源概論 ( 七 ) ─ 生質(zhì)柴油裡面，我們介紹過(guò)了生質(zhì)柴油的製作方法，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是將藻油在鹼性環(huán)境裡與甲醇混合，過(guò)約一個(gè)小時(shí)就會(huì)產(chǎn)生生質(zhì)柴油與皂類。然而這種方法最大的瓶頸不是轉(zhuǎn)脂化自身，而是在轉(zhuǎn)脂化之後如何以便宜的方法將藻油萃取出來(lái)。目前藻油的萃取主要是利用化學(xué)藥劑（己烷）萃取，然而在有水的情況下，己烷的萃取效率很差，因此還是要事先將生物質(zhì)乾燥後才能進(jìn)行萃取，如此一來(lái)就消耗了大量的能源。針對(duì)這個(gè)瓶頸，有些科學(xué)家企圖研發(fā)能夠在潮濕生物質(zhì)中萃取油脂的化學(xué)藥劑（wet extraction），也有公司如OriginOil利用改變電場(chǎng)的方式破壞藻類細(xì)胞壁讓油脂成份浮於水面，我們可以期待這些新的科技可以幫助藻類生質(zhì)柴油發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)化的時(shí)間。

酒精發(fā)酵 （Fermentation）

酒精發(fā)酵在生質(zhì)能源概論 ( 六 ) ─ 生質(zhì)酒精中有介紹過(guò)它的原理，其實(shí)跟釀酒沒(méi)什麼兩樣，讓酵母菌在缺氧的環(huán)境中將生物質(zhì)中的醣類轉(zhuǎn)化為酒精，然後再經(jīng)過(guò)蒸餾塔純化酒精，即可得到能直接與汽油混合使用的高純度酒精。酒精發(fā)酵最大的優(yōu)點(diǎn)就是它能處理含水量很高的生物質(zhì)(95%)，因此在收穫的之後不需經(jīng)過(guò)太多的處理就能進(jìn)行發(fā)酵。然而後端蒸餾塔的能量消耗相當(dāng)可觀，這也造成了目前並沒(méi)有太多人使用藻類生物質(zhì)進(jìn)行酒精發(fā)酵。

厭氧發(fā)酵 （Anaerobic Digestion）

厭氧發(fā)酵的主要產(chǎn)品是以甲烷為主的沼氣，可直接燃燒用以發(fā)電。厭氧發(fā)酵的過(guò)程與酒精發(fā)酵很相像，在酵母菌將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酒精之後，其他微生物會(huì)繼續(xù)將酒精進(jìn)一步分解為甲烷跟二氧化碳。厭氧發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)有很多，例如對(duì)生物質(zhì)的成份要求低，生物質(zhì)不需含有很多油脂或是澱粉也能轉(zhuǎn)化出甲烷，還有厭氧發(fā)酵也能處理含水量高的生物質(zhì)。然而厭氧發(fā)酵最大的缺點(diǎn)為反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，一批次約需15至30天，因此需要的空間也大，使用上比較適合具有較大空地的工廠。

其他還有許多燃料的轉(zhuǎn)換方法，例如部份業(yè)界在研究如何使藻類“分泌酒精”，無(wú)須破壞微藻細(xì)胞即能取得燃料，就像畜牧業(yè)養(yǎng)牛擠牛奶一樣，只要維持微藻的生長(zhǎng)就能不斷獲得燃料。然而值得提醒的是，儘管國(guó)際原油價(jià)格一再突破新高，燃料目前仍是相對(duì)低價(jià)的產(chǎn)品，若要維持一家公司的營(yíng)運(yùn)，勢(shì)必需要結(jié)合生物精煉的概念，同時(shí)生產(chǎn)許多高價(jià)位產(chǎn)品，分散風(fēng)險(xiǎn)。例如藻類產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)公司Aurora Biofuel也在 2010年改名為Aurora Algae企圖生產(chǎn)藻類相關(guān)營(yíng)養(yǎng)品及蛋白質(zhì)產(chǎn)品。未來(lái)的藻類產(chǎn)業(yè)，應(yīng)該會(huì)像石化產(chǎn)業(yè)一樣，跨足許多不同領(lǐng)域的產(chǎn)品，以求利潤(rùn)最大化的目的。

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