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2011 年 09 月 15 日 / ctkuo

藻類生質能源(五)燃料轉換方式

作者:郭致廷 / 編輯:歐陽孚、楊卓儒

微藻除了可萃取油脂製成生質柴油以外,還可以生產許多不同燃料

前一篇文章 介紹了幾種常見的微藻收穫方式,希望讀者們對於如何收集微藻已經有了基本的概念。接下來我們要討論收集到微藻生物質之後,可以生產哪些生質燃料以及這些燃料的轉化方法。需要事先說明的是:目前仍沒有所謂的“最佳”轉換法可以適用於所有生物質,因為即使都是藻類生物質,藻種不同或是培養環境改變,生物質的化學成份就會有大幅度改變。除此之外,產物的選擇也是一門學問。一般而言液態燃料可作為交通運輸燃料因此價值最高;固態燃料與氣態燃料主要用於發電,兩者價錢互有高低,固態燃料較易於運輸、氣態燃料燃燒後較為乾淨。因此選擇轉換方式時必須應地制宜,依主要目的選擇適當方法。

目前生物質的轉換方式主要可分為熱化學轉化法以及化學/生物轉化法。熱化學法顧名思義,就是利用加熱的方式,輔以加壓或是無氧的環境促使生物質產生化學變化生成不同燃料產品;而化學/生物法則是利用化學藥劑或是微生物將生物質轉化為燃料。熱化學法的主要優點是可以將所有生物質轉化,無需事先分離單一成份(如油脂),而且反應時間很短,通常在1小時內即可反應完成,相對於熱化學法。化學/生物轉化法則需數小時至數天才能完成,不過化學/生物轉化法能量消耗較低,並且轉化的產品經濟價值較高,因此兩者實際上難分優劣,需依照使用需求來作選擇。以下將個別介紹幾種轉化法的特點。

一、熱化學轉化法:

汽化 (Gasification)

汽化法是將生物質在高溫(800-1000℃)、氧氣充分的環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電機以產生電力。汽化法最大的優點就是對生物質的成份要求很低,即使不是高油脂含量的生物質也能轉化成甲烷。然而汽化法需要事先將生物質裡多餘的水份去除,以避免水由液態轉變為氣態所需的能量消耗。理想的汽化環境裡,生物質的含水量大約在5-15%之間,然而在藻類生質能源(四)裡提到收穫方式幾乎只能達到20%含固率(80%含水率),因此收集到的生物質需要一道額外的乾燥手續才能進行汽化。

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,經過精煉的過程後可產出與柴油或石油相近的油品熱裂解是將生物質在無氧的環境下加熱至350-700℃之間,即使有機物開始分解為氣態、液態以及固態產物。氣態產物包含先前提過的甲烷,還會有氫氣、二氧化碳等氣體。液態產物則是類似石油原油的混合物,經過提鍊可以取得近似於汽油的產品。而固態產物基本上是剩下來的殘渣,收集處理後可當成肥料使用。然而熱裂解也跟汽化相同,理想的含水量在5-15%左右,因此也需要經過乾燥的步驟才能有比較好的能量產出。

熱水解(Hydrolysis Liquefaction)

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

二、化學/生物轉化法:

轉脂化 (Transesterification)

OriginOil 利用電場變化破壞細胞壁讓油脂從細胞內釋出,
大幅降低了萃取藻油的能量損耗

因部份藻類含有極高比例的油脂,因此轉脂化是目前藻類生質能源最主要發展的方向,在生質能源概論 ( 七 ) ─ 生質柴油裡面,我們介紹過了生質柴油的製作方法,簡單地說,就是將藻油在鹼性環境裡與甲醇混合,過約一個小時就會產生生質柴油與皂類。然而這種方法最大的瓶頸不是轉脂化自身,而是在轉脂化之後如何以便宜的方法將藻油萃取出來。目前藻油的萃取主要是利用化學藥劑(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乾燥後才能進行萃取,如此一來就消耗了大量的能源。針對這個瓶頸,有些科學家企圖研發能夠在潮濕生物質中萃取油脂的化學藥劑(wet extraction),也有公司如OriginOil利用改變電場的方式破壞藻類細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柴油發展,加速產業化的時間。

酒精發酵 (Fermentation)

影片為世界最大的藻類燃料工廠之一,位於美國肯特基州,擁有265,000公升的發酵槽

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

厭氧發酵 (Anaerobic Digestion)

厭氧發酵的主要產品是以甲烷為主的沼氣,可直接燃燒用以發電。厭氧發酵的過程與酒精發酵很相像,在酵母菌將生物質轉化為酒精之後,其他微生物會繼續將酒精進一步分解為甲烷跟二氧化碳。厭氧發酵的優點有很多,例如對生物質的成份要求低,生物質不需含有很多油脂或是澱粉也能轉化出甲烷,還有厭氧發酵也能處理含水量高的生物質。然而厭氧發酵最大的缺點為反應時間相當長,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換方法,例如部份業界在研究如何使藻類“分泌酒精”,無須破壞微藻細胞即能取得燃料,就像畜牧業養牛擠牛奶一樣,只要維持微藻的生長就能不斷獲得燃料。然而值得提醒的是,儘管國際原油價格一再突破新高,燃料目前仍是相對低價的產品,若要維持一家公司的營運,勢必需要結合生物精煉的概念,同時生產許多高價位產品,分散風險。例如藻類產業領導公司Aurora Biofuel也在 2010年改名為Aurora Algae企圖生產藻類相關營養品及蛋白質產品。未來的藻類產業,應該會像石化產業一樣,跨足許多不同領域的產品,以求利潤最大化的目的。

相關閱讀
藻類生質能源(一)序論
藻類生質能源(二)常見藻種介紹
藻類生質能源(三)藻類培養
藻類生質能源(四)收集技術
藻類生質能源(六)結語

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