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《科技與創新》工研院「這技術」讓廢棄果渣成黃金


2019-07-23 08:00

馬來西亞目前為世界第二大棕櫚油生產與出口國,擁有廣大的油棕田,榨完油的油棕果殘渣成為農業廢棄物,處理上是一大問題。(圖片由工研院提供)

東南亞的椰子樹怎麼矮了一截?這些與椰子樹相仿,有著寬大葉形的植物,可是生產全世界植物油約三分之一的油棕樹。棕櫚油是由油棕果實榨取而成,然而榨完油的果實殘渣處理不易,所幸有工研院研發的「木質纖維素解聚產醣技術」,不僅解決廢棄物可能所帶來的環境汙染問題,也為台商開拓了循環經濟新藍海商機。

時間倒轉至2012年,有鑒於石油資源漸趨枯竭、地球暖化問題嚴重,過去曾執行過從微藻中提煉生質柴油原料,以及垃圾經處理成為替代燃料等計畫的工研院生質能源團隊,開始嘗試尋找能夠替代石油能源的永續性綠色燃料與原料。

「當時我們就想到,自古以來,自然界最永續的天然有機物就是植物,產量又豐富,如果能透過我們生質能源團隊既有的化學與生物能量,發展將植物解聚成醣,再將醣透過醱酵轉換成乙醇(酒精),加入汽油中供車輛使用,或許就替代一部分的傳統汽油,對於提供永續綠色能源及減少碳排放,對人類生活將有所貢獻,」工研院綠能與環境研究所組長萬皓鵬說。

不只替代石油 民生應用更廣

研發團隊的想法並非天馬行空,任何植物都是由「木質纖維素」所組成,又可細分為纖維素、半纖維素以及木質素3種成分,各含量則因不同植物而有所差別,其中纖維素和半纖維素的占比最多。「解聚」則是將固體纖維素水解成葡萄糖,而半纖維素水解可生成木糖和其他稀有醣類,產生的醣類則成為生質燃料與化學品的重要原料,可再進一步透過化學或生物製程,生產我們生活所需的能源或生活用品。

全球有不少研究機構都在進行木質纖維素的解聚開發與應用研究,據統計,全世界木質纖維素產量一年約1,500億噸,若以1%使用量,也就是15億噸,木質纖維素中纖維素含量50%來計算,每年約可生產7.5億噸水解醣,進一步醱酵則可轉化為3.7億噸生質酒精,取代2.2億噸汽油,將可減少每年全球54%、超過一半以上的傳統汽油消耗量。

「木質纖維素所生產的水解醣,不僅可以再產製成燃料乙醇或丁醇,做為能源替代品,還能做成生質特用化學品以及生質基礎化學品,與人類生活息息相關,」萬皓鵬表示,生質特用化學品,像是味精、檸檬酸、乳酸、琥珀酸等,後續還可做成塑膠或橡膠;基礎化學品則是靠水解出木糖或葡萄糖,做成如食品添加劑、化妝品甘油等民生用材料,也可加值製成蛋白質,進行其他生物科技應用。目前上述民生與工業材料製程用到的糖蜜,均取自可供食用的甘蔗與甜菜,若木質纖維素解聚技術研發成功,可改善「與人爭糧」的現狀,更符合聯合國永續環境的發展方向。

熬過漫長研究路 薄膜分離成曙光

2013年在經濟部能源局專案計畫的支持下,工研院正式投入木質纖維素解聚技術的開發,並選擇採取「離子溶液水解」,即將植物在特定化學溶劑中,解聚轉化為水解醣。萬皓鵬表示,研發過程中遇到最大的挑戰,就是如何開發適當之化學溶劑配方及將水解後醣液由溶劑中有效純化、分離出來。為此,研發團隊前後嘗試多次實驗,經歷3代的技術改良才終於定案。

萬皓鵬回憶,最初2年團隊是利用「溶劑萃取」,雖然有效,卻陷入萃取劑回收困難、能源耗用大等困境,於是後來改成「模擬移動床」,但又面臨用水量大、系統容易堵塞等難題,甚至成品水解醣也容易遭稀釋,濃縮又得增加成本,只好另起爐灶。直到2016年採取「薄膜分離」法,也就是採用特定薄膜過濾純化程序,研究才開始展露曙光,不管是用水量、純化成本、醣濃度變化、系統操作順暢性等表現上,皆突破前幾項技術之缺點,而確實達到了商業化連續製程的需求。

運用「木質纖維素解聚產醣技術」產生的醣類能成為生質燃料與化學品的重要原料。圖為試量產線廠房。(圖片由工研院提供)

解聚效果佳 國外技術也失色

工研院的木質纖維素離子溶液水解技術,就算拿到國際上與人相比,也絲毫不遜色,甚至取得領先。例如以蔗渣解聚為例,使用工研院離子溶液解聚技術,1噸的蔗渣約可獲得590公斤的水解醣。相較於美國國家實驗室以玉米稈酵素水解程序需84小時的反應,工研院以獨門配方催化水解反應,產醣時間只需要5小時,效率高出許多,這項創舉也成功申請到多項專利。

「一項訴諸環境永續的新技術,若在製程中產生更多廢棄物或耗費更多能源,就不能說是很好的技術,」萬皓鵬表示,酵素水解每公斤產醣所需能源的二氧化碳排放約612克,而工研院的離子溶液水解的二氧化碳排放量則僅有334克,碳排放少了40%;此外,工研院團隊嘗試過包含稻稈在內的10餘種農林廢棄物,解聚程度均達9成以上,反觀酵素水解卻不是每種植物都可以分解。諸多優異之處,使得這項技術於2013年榮獲有科技界的奧斯卡獎之稱的全球百大科技研發獎(2013 R&D 100 Awards)。

農廢料源分散 成本難降

可惜的是,即便木質素解聚產醣技術領先國際,但在國內推動時反而陷入瓶頸,主要問題在於料源收集成本。萬皓鵬指出,台灣1年約有120萬噸稻稈,但是產地分散,從田裡收集稻稈集中到工廠,需大量使用人工,所需投入大量成本,即便最終製成生質酒精取代汽油,1公升售價可能達7、80元,比一般汽油高出甚多,當石油價格偏低時,勢必更乏人問津。研發團隊因此常被質疑在台灣實施的可能性,「所以,問題不是在於技術,而是成本與外部環境,」萬皓鵬指出。

既然料源分散、收集成本高,顯示該技術可能不適合在台灣發展,那為什麼還要投入研發?「為人類找尋後石油時代的永續能源,是我的夢想,也是使命。」萬皓鵬認為只要後天環境得宜,例如將技術應用到接近大量低價的料源產地,或日後因氣體變遷日趨嚴峻,石油使用必須減量或匱乏時,生質能源仍然有著永續替代性,夢想還是有機會實現。

全宇憑藉當地資源優勢以及經由技術加值,成堆的油棕果廢棄物搖身一變為木糖醇、胺基酸,或乙醇燃料等高價值產品。(圖片由工研院提供)

切入油棕產地 空果串解聚效率高

萬皓鵬的心聲,終於被聽到了。今年5月,工研院與來自馬來西亞的全宇生技簽署技術授權合約,為木質素解聚產醣技術發展找到新出路。

馬來西亞目前為世界第二大棕櫚油生產與出口國,擁有廣大的油棕田,榨完油的油棕果殘渣成為農業廢棄物,處理上是一大問題。過去當地較常採取的做法就是直接放火燃燒處理,但容易造成空汙霾害,當地政府已經下令禁止焚燒;而隨意棄置又會引發病蟲害,究竟該拿這些燙手山芋如何是好,一直困擾著當地油棕田業者。

全宇生技早在20多年前就到馬來西亞創業,從事研發生化複合肥料,主要供應給油棕田使用,市占率超過80%,當地大型油棕果園都是全宇的客戶,也因此掌握大量油棕廢棄物來源。與工研院從2年前開始合作,以長纖油棕空果串進行木質纖維素解聚產醣技術的產醣測試。把廢料變成更加高附加價值的產品,不僅成功解決當地廢棄物問題,產醣效率更達到1公斤長纖油棕空果串平均可生產0.5公斤木糖和葡萄糖的成效,較其他相似技術成本減少30%,具有相當大的優勢。

「非常感謝工研院能夠把這項前瞻技術授權給全宇,大幅縮短我們自行研發的時程!」全宇生技董事長彭士豪進一步表示,油棕產業占馬來西亞GDP達17%,當地每年約有2,600萬噸的長纖油棕空果串資材,可做為生質「醣」的來源,而「醣」正是全宇生技很重要的原料,藉由當地量大價廉的料源成本優勢,經由技術加值,可搖身一變為木糖醇、胺基酸,或乙醇燃料等高價值產品。

攜手台商 布局新南向市場

彭士豪指出,工研院將先在全宇設立噸級先導廠,預計明年正式運轉,估計產出的木糖1噸價格平均為3,500美元,葡萄糖約為350美元,達到真正的廢物變黃金,未來商業化後,全宇也將持續跟工研院合作,進行高附加價值的產品開發與利用,搶攻循環經濟商機。

彭士豪更透露,除了馬來西亞、全宇也朝印尼市場發展,在蘇門答臘設肥料廠。印尼是全球第一大油棕果產地,每年約有6,000萬噸的油棕果串廢棄物,有了工研院技術加持,可進一步處理大量農廢棄物,同時發展綠色農業、生物科技與循環經濟,後續市場可期。

農林廢棄物若善加利用,也能翻身高價值產品。全球可利用的木質纖維素原料每年至少40億噸,無論是應用於食品添加的醣類、能源替代品的生質燃料,到製作飼料的胺基酸,用途相當多元。透過工研院關鍵技術、整合系統與服務模式,與在地台商連結,以整廠輸出及技術授權的方式,布局全球農林資材豐沛區域,建立能源與化學品的永續原料供應鏈,將可創造更龐大的循環經濟藍海新商機。

(本文轉載自工業技術與資訊月刊)

全世界木質纖維素產量每年約可生產7.5億噸水解醣,可取代2.2億噸汽油。(圖片由工研院提供)

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