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循環經濟中之生質精煉產業分析

一、產業背景分析

  根據美國NREL (National Renewable Energy Lab.) 的定義,生質精煉是以生物質(biomass)為原料,利用不同的製程技術生產燃料、電力及化工原料的過程。國際能源總署The International Energy Agency,IEA, 於2007年發起了Bioenergy Task 42,定義以Biorefinery生物質精煉作為能源與產品的永續生產技術。利用無害、環境友善之生質精煉技術(Biorefinery),將生物質(Biomass) 轉化,以替代石化原料(Fossil)所提煉之產品,從而降低對石化原料之依賴,改善地球環境,並充分利用、發揮再生物質之經濟價值,而生質精煉可以有廣大之應用領域與範疇。

 (一) 生質精煉技術及其應用領域

  生質精煉除了得到燃料和化學原料之外,生質精煉的產物還包括了食物和飼料,這也是兩者最大的不同之處。此外,在部份生質精煉的過程中,還可以得到許多有高度價值的副產物。舉例來說,以油麻菜籽做為原料提煉生物柴油時,可同時獲得副產物如菜籽多酚及菜籽蛋白等保健食物;從海藻提煉藻油的過程中,也能夠得到豐富的Omega-3脂肪酸以及DHA等成份,這些成份皆可作為食品添加物,且可高價賣出。

(二)生質精煉產品市場潛力

  生質燃料與生質塑膠為近期生質精煉產業的主要發展方向;生質精煉產品市場2010年為1,480億美金,2025年預估將增加1.4兆美金,年平均成長率16%;2010年生質產品佔化學品與燃料市場佔有率之比例約3%,至2025年預測將可上升到17%。

二、生質精煉與石化精煉之比較

  簡而言之,石化精煉=石油化工;生質精煉=農業化工。石油化工亦即從石油中提煉出來許許多多化工原料,過去數百年來從民生用品、工業產品到科技與軍需用品,石油化工主導龐大市場需求,石化產品也在各種領域的確造福無數;然而也因其原料特性,以石化精煉所製成之塑化製品,無法為大自然微生物所分解,成為千年不壞之石化垃圾,非旦破壞地球生態環境,還不時產生諸如塑化劑、三氯氰胺等等有害人體之毒物,令人聞之色變。因此,全球許多科學家,正發費無比的精力,投入此種意在取代石油化工,取之不盡、用之不竭,由天然植物,例如從蔗渣、稻梗、樹葉等等所精煉出來,可以產生汽體如蒸餾纖維酒精、液體如液態肥、固體如燃料棒,所有物質三態(氣態、液態及固態)都可再生利用。茲就生物精煉與石化精煉進行更為詳細之比較如下:

(一)原物料比較

  其中生物精煉所使用之農業廢棄物種類繁多,包括穀類、蔬果、特用作物、菇類栽培介質、牧草、樹皮等等。

(二)製造程序比較

  一般處理廢棄稻草之作法,包括(1)就地燃燒:此種作法可在短時間處理大量廢棄稻草,但會造成空氣汙染,危及健康並可能影響行車安全(2)就地切割掩埋:此一方法至少要耗時一個月以上才能讓稻草腐化,若掩埋不夠深,農地供水灌溉會造成不良影響。因此,造就生質技術水解法的無限空間。以酵素水解技術,可適用於所有植物纖維,生產設備可鄰近農作物園區如稻田、樹林等生態所在,因此可以節省原料運輸成本;更有甚者,根據行政院環保署之調查指出:台灣每年之農業廢棄物約達259萬公噸,由此可見,以農作物廢棄物再回收之生質技術,其總體成本較諸石油提煉之衍生商品,將會少很多,這就是循環經濟所創造的經濟價值所在,令人嚮往。茲將生質精煉之製

程加以圖示如下:

(三)產物

1.生質產品應用舉例- 合成 Bio-PET(生質寶特瓶)

  Bio-PET可以製成寶特瓶,也可以做為紡織原料,是應用最廣泛的塑化原料之一。目前台灣 PET年產能約434萬噸,居全世界第三位,是台灣塑化業最具競爭力的品項之一。PET當中有30%來自於EG (乙二醇),70%來自於PTA (對苯二甲酸),其中EG若以生質酒精為原料製造,則可製作成含有30%再生原料的Bio-PET。根據京都議定書的現階段規範,再生原料部分可不列入碳排放量的計算,由Bio-EG 所製成的 Bio-PET 可降低30%CO2排放量。

2.生質產品應用舉例- 新一代的寶特瓶 PEF

  2,5-呋喃二甲酸(FDCA)可轉換為PTA,亦可直接取代PTA製造比PET更具優勢的PEF生質材料,此將可能影響未來生質塑膠的產能分佈。

3.生質產品應用舉例- 聚乳酸生質塑膠(PLA)

4.生質產品應用舉例- 木寡糖

  木寡糖可從玉米穗軸、甘蔗渣、秸梗、棉花殼皮、稻草等富含半纖維素的物質中提取

  (1)木寡糖主要特性

   •不會被人體消化酶分解轉化成葡萄糖,無法轉化成能量來源

   •產生熱量極低

   •體內腸道有益菌滋長繁殖的養料,卻不會被其他壞菌利用

   •酸、熱穩定性均佳,不易被分解

5.生質產品應用舉例- 木糖醇

  (1)食品工業

   •口香糖- 代替蔗糖、防齲齒

   •巧克力-糖尿病患食用

   •飲料- 改善甜味及賦予清涼感、控制熱量及穩定維生素的功效

   •食用軟糖-甜味劑

   •烘焙糕點- 不褐變、 色澤自然

  (2)醫藥工業

   •糖尿病患的甜味劑

   •為人體提供能量,熱量低,具減肥效果

   •防止肺炎

   •防止骨質疏鬆

   •改善腸胃功能

   •保護肝臟然

  (3)化學工業

   •增塑劑-可用於鞋底、農用薄膜、人造皮革和電 線電纜

   •製造聚醚樹脂

   •油漆塗料業-醇酸樹脂

   •表面活性劑

   •保濕乳化劑

三、物質三態之應用

  以均質化木質纖維素生產環保器皿原料,有機肥基材及輔助燃料棒。著眼於三個取向,即環保取向:減少農業廢棄物焚燒;減碳取向:製造潔淨之生質能源,降低碳排放量;健康取向:生產植物性纖維器皿取代塑膠製品。一次性餐碗,多次性餐碗,多次性餐盤,兒童餐具套組。可適用於洗碗機、微波爐,其天然成分可耐熱、耐摔、抗油並防水。而生質原料包含陸基作物/森林及海基作物,而其轉換技術則有物理方法、熱化學方法及生物方法。物理方法包括分選/破碎/壓縮/乾燥等手法;熱化學方法則有氣化ischer-Tropsch/電漿氣化+複循環系統等法;生物方法韓菌株基改/纖維素轉化酒精/海藻生質物轉化燃料等等。茲將轉化技術方法圖示如下:

  從上述圖示,可以看出將含有豐富植物纖維之農作廢棄物如蔗渣、稻梗、牧草加以回收,再以獨特之酵母水解工法,可以產出具較高經濟價值之再生物質三態,此即可以分解提煉出纖維酒精(氣態冷卻後形成)、液態肥(液態)及燃料棒或可經射出成形成環保纖維器皿(固態)。此一循環經濟作為,因收購農民上述廢棄物,避免農民就地焚燒,可以減少二氧化碳排放量;在酵母水解過程中,殘渣廢水不含毒素,且可回收再利用;利用植物纖維裂解成的木質素,所製成的環保器皿可避免如塑化製品(如美耐皿)含有塑化劑、雙酚A等有毒物質,有助於社會大眾身體之健康。而這種特殊酵母(菌)及植物廢棄物研磨技術,使纖維粉末細到100目以上,能有效擴大發酵之接觸面,因此只要2天即可完成糖化,再加2天發酵過程即可產製上述物質三態,其技術創新程度令人驚嘆!

四、21世紀-生質能源的新希望

  雖然以生質技術可以生產出諸如纖維酒精等生質能源,但因其提煉轉化率根據不同農作廢棄物而有所不同,像蔗渣,稻梗,都在百分之二十以內,還不太能符合經濟價值,必須再積極改善提煉工法,才具商業價值。台灣中部高等園區一家具有此一生質技術的廠商,在其一連串的生產實驗中,獲致如下的數據:使用竹葉為原料,1公斤可提煉約254克之酒精,留有約492公克之殘渣;使用麥梗為原料,1公斤可提煉約241克之酒精,留有約518公克之殘渣;使用竹葉為原料,1公斤可提煉約254克之酒精,留有約492公克之殘渣可;使用水草為原料,1公斤可提煉約163克之酒精,留有約674公克之殘渣;使用竹葉為原料,1公斤可提煉約254克之酒精,留有約492公克之殘渣;使用稻梗為原料,1公斤可提煉約134公克之酒精,留有約732公克之殘渣;使用紅皮甘蔗渣為原料,1公斤可提煉約236克之乙醇,及木質纖維素約528公克;另根據美國RFS2可再生燃料標準法案統計資料顯示,美國於2010年玉米乙醇約生產14億加侖;2015年生產約40億加侖纖維乙醇;預估2020年生產12億加侖之纖維乙醇。可見由生植技術所生產之纖維乙醇占比有愈來愈高的趨勢。又根據National Geographic(2016)之資料來源,每使用1公升酒精替代汽油,約可減少2.2公斤碳排放;每減少使用1公斤化學肥料,約可減少3.02公斤碳排放。

  儘管以上述之農業化工,提煉生質能源之技術,這些年來大有斬獲,但世界上許多新能源公司都面臨經營危機,甚或倒閉的命運,例如Aurora Algae公司在2015年就關閉公司並拍賣資產,他們的核心技術是利用海水在開放池裡培養高含油量的藻種進而提煉生質柴油,該公司憑著這樣的技術募得3百萬美元的資本後,在澳洲西部的卡拉薩建立了第一座示範工廠;另有一家藻類生質能源公司Solazyme,專注於微藻衍生產品諸如生質柴油、營養品/食品、化學原料的研發與生產,該公司2016年的第一個月,股價創下1.18USD的歷史新低,不得不宣布裁員20%;此外,美國太陽能廠 SunEdison 曾是全球最龐大的清潔能源資產公司,SunEdison 在展開急速擴張之後不到一年,於美國時間2016年4月21日正式聲請破產保護;再者,2014年11月初,已依據美國《破產法》第十一章向政府申請破產保護(bankruptcy protection)的KiOR公司,該公司從2007年成立以來,七年總共賠了6億3千萬美金,主要生產纖維素燃料。                        

  因此,要深入了解生質精煉產業,也要對其市場面投以較大的關注,茲引用工研院IEK在此一領域之市場可行性分析,舉例說明如下:

五、台灣市場分析(暫不考慮能源燃料市場)  

(一)酒精(乙醇)市場

  1.既有業者:台灣目前無任何纖維酒精廠

  2.需求量:一年進口酒精 9萬公噸

  3.市場價格:台糖95%酒精500ml,售價50~65NT;民間40%自釀酒精,每台斤售價40~50 元

  4.目標客戶:

   (1)工業市場:電子工廠、化工廠、半導體廠等

   (2)醫療市場:醫院、養護中心等

   (3)民生市場:酒廠、消毒、殺菌用品。

 (二)木寡糖、木糖醇市場

  1.既有業者:台灣目前無任何木寡糖、木糖醇生產工廠,全部進口。

  2.需求量:全球 20~30萬噸

  3.市場價格:日本山多利售價2500 NT/kg;大陸龍力零售95P,500元/90g(信欣生技)

  4.主要市場:

   (1)民生市場:保健食品業、飲料業、糕餅業

   (2)工業用戶: 化工廠

(三)產品行銷

  1.生產纖維酒精以供應台灣島內之工業、醫療、民生市場

  2.生產木寡糖、木糖醇以供應台灣及國際市場

(四)市場發展預期(可依時程分三階段)

(五)應有之策略作為

  1.立足台灣建立產業鏈

  2.配合政府南向政策建立東南亞生產基地

  3.進軍全球市場

(六)主要關鍵技術為製程設計與菌種,其特色如下:

  1.實際量產規模驗證

  2.自行培養菌種

  3.纖維酒精製程生產時間5天(自進料到產品產出)

  4.轉化率90%以上,1公秉纖維酒精需15噸鮮料(4公噸乾料)

(七)纖維酒精及生質化學品發展歷程:歷經「技術發展」、「技術工程驗證」、「技術服務」及「技術授權」等階段。

(八)測試:噸級測試廠設置之研發設施包括:

  1稻梗切割系統(含貯存、粗切、粉碎及輸送設施)

  2.連續式/批次稀酸前處理及附屬設施(100 kg/h)

  3.酵素水解槽(9000L)

  4.發酵槽(7000L, 9000L) (99年增設酵素生產發酵槽)

  5.酒精蒸餾脫水(1000L/h)

  6.水及廢水處理與回收系統

  7.蒸汽/電力/廠用水公用設施                                                                              

(九)市場規模:根據行政院環保署之「一次用產品源頭減量推動計畫」的調查指出:再生環保餐飲器皿一年可替代一次性飲料杯約15億個,其中一年可替代紙杯約9億個;一年可替代PP杯約3億個;一年可替代PS杯約2億個;一年可替代PLA杯約1億個。

(十)經營風險與對策分析

六、存在你我之間的食安風險

  根據中國時報2016年2月23日之報導指出,食品塑化容器會產生塑化劑、雙酚A等有毒物質,台北市自2015年5月起禁止北市府員工使用免洗及美耐皿餐具,並在檢討成效後擴及夜市;同時也將禁止小學生使用美耐皿餐具在學童營養午餐上;預期

  2017世界大學世運會期間,選手餐廳也要選用玻璃、瓷器或環保餐具,其他如7-11也在微波食品一次性外包材上改用纖維環保材質之議題上進行可行性評估。

七、結語

  根據行政院環保署的推估,若不採取積極環保作為,台灣10年後CO2之排放量將達4.67億噸;而2005年只有2.57億噸,該署規劃,要使台灣到2020年碳排放量減少到2005年之總量。

  雖然政府有明確之環保目標,若要能如願達成,當然需要你我從本身戮力奉行始能致之,我們應該以北歐瑞典這個國家為師,該國國民,從小就被灌輸環保及垃圾分類的概念,他們在幼兒園時就會被老師安排上山坡上,親自動手在土讓內種植一棵蘋果樹,同時也在旁邊埋下一個塑膠瓶,等到一年後再到山坡上查看,發現蘋果樹已吐露新芽欣欣向榮,而塑膠瓶依然如故,不被分解,藉親身體驗,造就環保意識。


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