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綠色化學-生物性催化

 (文: 東吳大學 化學系 仲文君)

 

中央研究院化學研究所俞聖法教授簡介

個人經歷:

1.助研究員(92年迄今)。

2.清華大學化學學士(76至80年)

3.清華大學化學博士(81至87年)

4.中央研究院化學研究所博士後研究(88至92年)

研究領域:

1.篩選並鑑定烷烴氧化蛋白之活性及反應機轉。

2.膜烷烴氧化蛋白的結構及功能性之研究。

3.發酵製程工程:設計全細胞催化製程以做為精緻化學品的大量合成之應用。

 

生物性催化

「生物性催化」其實和我們生活是息息相關的,像是最近油價不斷上漲,但是大家也很難有什麼抱怨或者選擇不使用,畢竟汽油是那麼重要的能源。全球原油消耗量不斷增加,地球上原油蘊藏量估計只能再維持四十年,然而資源是有限的,終有耗盡的時候,因此原油短缺的問題是挺嚴重且急迫的,尋找替代能源已成了一個相當重要的議題,我們必須找一種東西來代替石油。而當今最受矚目當屬「生物質能」,其中「酒精汽油」就是一種,從新聞報導中得知巴西利用甘蔗或玉米提煉酒精來取代石油,此在全球颳起一陣炫風,也算是找到新的燃料來代替短缺的汽油了。

 

生質能源

所謂生質(biomass),是指生質物(包括動、植物及微生物)來源的有機體,而生質能源泛指一切可以由生質轉換得到的能源。

生質物則泛指由生物產生的有機物質,例如木材與林業廢棄物如木屑等;農作物與農業廢棄物如黃豆莢、玉米穗軸、稻殼、蔗渣等;畜牧業廢棄物如動物屍體;廢水處理所產生的沼氣;都市垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣;工業有機廢棄物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、造紙黑液等。

生質能是利用生質物,經轉換產生電與熱等可用的能源,是一種兼顧環保並可永續經營的能量來源。當植物吸收陽光、二氧化碳(CO2)及水分之後,進行光合作用,產生氧氣,並促進了植物本身的成長,而後我們將植物轉換為燃料,產生能源加以利用,此過程所產生的二氧化碳回歸到大氣中,所以是一種潔淨的再生能源,稱之為生質能。過去在遠古蠻荒時期,人類鑽木取火,以摩擦木頭產生熱能,獲得火源,而其燃燒所產生的二氧化碳則再度回歸到大氣中,與陽光進行光合作用,促進樹木之生長,且不造成環境的負擔,是人類最早的生質能利用。

 

酒精汽油

酒精學名為乙醇,可作為替代汽油的一種生質燃料,又可稱為E3,當添加10%vol 酒精稱為E10,由於酒精主要利用甘蔗、甘藷等含糖或澱粉的作物經發酵而得(如圖一)。此外,雖然技術上可以利用稻或蔗渣等木質纖維製造酒精,但因為成本仍高,目前尚無實際商業化生產。酒精可與汽油混合使用,所得到的混合燃料可稱為酒精汽油,添加3%vol 酒精容易吸水而會與汽油形成相分離(如油水混合時會分成二層),因此需要使用無水酒精,使用過程也需防止水氣吸收,可當作汽油的燃料使用。

圖一

 

酒精屬於生質能源的一種,是利用糖質(如甘蔗、甜高樑等)、澱粉(如甘藷、玉米)與纖維素作物轉製成之酒精,也是一種再生能源。植物纖維轉化酒精的製程,是將纖維轉化成五碳糖或六碳糖,再將糖發酵成酒精。而「酒精汽油」就是開發生質能源,料源必須是糖類或澱粉類作物,利用土壤種植甘蔗甘藷含糖或澱粉的作物再經發酵而得乙醇,具有再生性,所以不虞匱乏,乙醇分子中包含氧原子,因此能幫助引擎更完全燃燒,減少廢氣排放,可以算是非常環保的能源,再加上乙醇結冰的凝固點在攝氏-114度,與汽油混合有降低汽油凝固點、冬天防凍的效果(油精原來便是作此用途),因此,乙醇汽油在汽車上的應用優勢很多。

 

酒精汽油的評估

酒精汽油的優勢:

1.酒精含氧量高、燃燒效率高,有助於降低一氧化碳、二氧化碳等毒性物質的排放。

2.酒精汽油具有高辛烷值,可以取代污染環境的含鉛添加劑來改善汽油防爆性能。

3.酒精閃火點與自燃點皆較汽油高,因此酒精汽油的儲存安全性比純汽油高。

 

酒精汽油的劣勢:

1.酒精對銅、鋅、鋁等金屬具腐蝕性,對彈性材料亦會造成膨脹、軟化及老化等影響。

2.酒精汽油會增加氮氧化物及乙醛之排放量,酒精也會造成汽油的蒸氣壓增加,影響駕駛性能,並有加速遲緩現象。

3.酒精的吸水特性易讓汽車油箱底部及儲油槽產生腐蝕,並因油路不順及辛烷值不足而產生燃燒不完全的現象。

 

推廣酒精汽油,為地球環保和節約能源的正面效益匪淺,是毋庸置疑的。但是,往後推動過程中諸多的阻力與困難,也是不容忽視的,需要政府、車輛業者與供油業者共同面對,努力克服。在油價上漲和油源即將耗盡的情況下,尋找替代能源已是必然趨勢,酒精燃料被視為可以代替石油的重要角色,巴西的成功經驗像是打了強心針,從甘蔗提煉出來的酒精,可以混合汽油做為「綠色」又「乾淨」的燃料能源,不但有助增加再生能源的取得,也對減緩地球溫暖化有正面意義,相當值得各國進一步加以推廣。

 

心得感想

現在汽、機車的數量大增,但是現有的時有資源卻是有限的,除了多搭乘交通工具或以步行、腳踏車來代步以外,尋找新的能源也是一個相當重要的課題。開發生質能源以酒精汽油來代替汽油,不但降低國內車輛之二氧化碳排放量,還可以減緩全球暖化所帶來的危害,更是未來能源的新趨勢,渴望有更多農民投入能源作物的種植,穩定農村經濟,並可促進產業投資自產生質酒精,落實本土技術開發,如此循序漸進地推展,則可以善盡永續發展的企業責任,並且創造環境、經濟、能源、農業等四贏局面。