簡宣裕 張明暉 劉禎祺 行政院農業委員會農業試驗所
摘 要
再生能源種類甚多，利用作物產出能源是可行的方法之一種。玉米、大 豆、大麥、小麥、稻米等大宗穀物雖可用於醱酵或加工產出能源，但會嚴重 排擠供應人類與畜牧業的需要量。而作物之廢棄有機物含有豐富的木質纖維 素，經醣化後可以供醱酵產製酒精與酵素等高經濟價值產物。自然界中木質 纖維素 (lingocellulose) 主要是由纖維素、半纖維素及木質素依不同比例組 合而成，互相之間糾纏而形成高度結晶性且複雜之結構，纖維素的成份是葡 萄糖，而半纖維素的成份為木糖、甘露糖、阿拉伯糖及半乳糖。
木質纖維素可以用高濃度酸低溫或是低濃度酸高溫水解為單醣，然後 供微生物進行醱酵產出酒精；但是缺點為， 1. 酸性會對容器造成腐蝕， 2.
使用高濃度酸水解需要用大量石膏等鹼性物質來調整酸鹼值， 3. 僅能釋出 50-60% 理論值之單醣量， 4. 酸水解所產生的 furaldehydes 、 furfural 、 5-hydroxymethyl-furfural 、 有 機 酸 及 酚 類 化 合 物 等 會 抑 制 酵 母 ( 如 S.
cerevisiae) 生長。另一方法是前處理破壞木質纖維素結構，方式有 1. 蒸氣 爆破 （steam explosion） 、 2. 氨冷凍爆破 （ammonia free explosion） 、 3. 鹼處理 （alkaline treatment） 及 4. 生物處理 （biological treatment） 等，
經過前處理之木質纖維素以酵素或微生物醣化後，供酵母菌等微生物進行酒 精醱酵 (separate hydrolysis and fermentation, SHF) ，或者是醣化作用與酒精 醱酵兩者同時進行 (simultaneous saccharification and fermentation, SSF) 。從 生產成本的角度來看，利用木質纖維素生產酒精是可行的，但還有幾點有待 加強： 1.具高活性纖維素酶菌株之選用， 2.纖維素酶與 laccase （用於去 除酚類化合物對酵母菌的抑制） 之價格不能太高， 3.開發多功能纖維素酶 (chimeric enzyme) ， 4.一種菌就能醱酵木質纖維素經醣化後產出的所有單 醣， 5.增強酒精生產菌耐受木質纖維素水解物中有毒物質之能力。
前 言
目前石油與煤為人類之主要能源提供者，尤其石油在我們的日常生活及 經濟發展上扮演重要的角色。石油之蘊藏量是有限的，且隨著需求的增加，
故原油的價格不斷上漲，對個人生活品質與國家經濟發展影響頗巨。此外，
燃燒石油與煤會釋出大量二氧化碳，而加速地球暖化，對全球氣候造成極大 之影響。因此，世界各國均在尋找最佳之替代能源。生質能源所需的原料是 可以再生的，因此是最具發展潛力的替代能源之一。在各種生質能源中又以 酒精 (乙醇) 最受重視，若在燃油中添加酒精將可有效的延長現有石油之使 用年限，在一代的汽車引擎中已有些可以燃燒含高達 85% 乙醇之汽油 (E85) ，根據統計，美國在 2004 年已有約五百萬輛汽車可以燃燒 E85 型 燃料，所欠缺的就是足夠的價廉酒精。除了可以減緩石油之消耗速率外，燃 燒酒精所釋出之二氧化碳極少，可減緩溫室效應之發展。
再生能源種類甚多，利用作物產出能源是可行的方法之一種。玉米、大 豆、大麥、小麥、稻米等大宗穀物雖可用於醱酵或加工產出能源，但會嚴重 排擠供應人類與畜牧業的需要量。地球上之陸生植物每年可生產乾重 1.3x1010 公噸之木柴 （碳水化合物占 70%） ，纖維物質是其主要成份，
含許多木質纖維素（由纖維素、半纖維素及木質素所組成)，可作為生產酒 精之基質；除了木柴外，農業作物也會產生許多富含木質纖維素的纖維物質 廢棄物。故木質纖維素 (lingo-cellulose) 是地球上蘊藏量最豐富之再生性天 然資源。在臺灣每年據估計約產生稻草 1,433,611 公噸 (40% 纖維素、 18%
半纖維素) 、稻殼 （粗糠） 286,722 公噸 (26% 纖維素、 13.5% 半纖維 素) 、廢棄菇類木屑 87,800 公噸 （鄭宏德等人， 2005） 及玉米穗軸約 200,000 公噸、甘蔗渣 1,055,581 公噸 (40% 纖維素、21% 半纖維素；周 楚洋， 1998） 、香蕉植株 2,000,000 公噸 (27% 澱粉、 24% 纖維素)。
我們若能有效的將上述農業固體廢棄物轉化成乙醇，不僅可以解決目前處理 這些廢棄物所遭遇的問題，還可將這些無用的廢棄物變成高價值之產品。配 合良好的規劃與栽培適當種類作物，我們應可發展出一套適合我國特性之技 術，有效的將含木質纖維素的纖維物質轉化為乙醇，以減緩我國對進口能源 之依賴。
木質纖維素物質比糖質與澱粉質物質較不容易產出乙醇原因
使用木質纖維素來生產乙醇要較使用玉米澱粉更為困難，主要原因是將 木質纖維素分解為簡單醣類之過程較為複雜。木質纖維素中僅纖維素與半纖 維素可被水解成簡單醣供酵母菌利用。木質纖維素不易被水解的三個原因：
1. 其纖維素與半纖維素結合在一起， 2. 纖維素被木質素包圍並與半纖維素 形成共價結合， 3. 許多纖維素為結晶型構造。因此在進行纖維素分解之 前，必須先經適當之前處理。植物性纖維物質主要成分為纖維素、半纖維素 及木質素，亦可合稱為木質纖維素 (lignocellulose) (Wang, 1980) ，於自然界 中存在之纖維物質皆由上述三種主要成分依不同比例組合而成，一般而言纖 維素的百分率最高其次為半纖維素 (Kadam et al, 2000) ，三種主要成分會單 一或互相之間糾纏而形成具有高度結晶性且複雜之結構。故植物性纖維物質 須先將其纖維素、半纖維素及木質素之結構改變及醣化後，才較容易供微生 物進一步醱酵產出乙醇。
利用含豐富木質纖維素物質產出乙醇
利用含豐富木質纖維素之纖維物質產出乙醇之方式可歸納為三種。第一 種方式為用稀酸高溫先行水解半纖維素與纖維素為木糖與葡萄醣等單糖 後，供微生物進行醱酵產出乙醇；第二種方式為用濃酸低溫先行水解半纖維 素與纖維素為木糖與葡萄醣等單糖後，供微生物進行醱酵產出乙醇；第三種 方式則是木質纖維素先經前處理後，利用酵素水解半纖維素與纖維素為簡單 糖類後，供微生物醱酵產出乙醇 （圖一） 。茲分述如下：
一、用稀酸配合高溫先行水解木質纖維素中之半纖維素與纖維素為木糖與葡 萄醣等單糖後，供微生物進行醱酵產出乙醇
用稀酸水解木質纖為素時，是先以較低溫度配合短時間水解，將半纖維 素分解為木糖及其它簡單糖類。首先木質纖維素與稀硫酸混合，加熱至 50
℃，移至第一階段的水解容器內，加熱使溫度升至 190℃，然後將稍為降低 溫度經 2 小時，將水解液中的寡糖完全水解為木糖等單糖，然後將水解液 與固體分離。固體則移至第二階段的水解容器內，以相同濃度的酸配合較高 的溫度 （230℃） 將固體水解為葡萄糖。通常稀酸水解所用的硫酸濃度是 低於 1% ，溫度設定範圍為 120-220℃ （Nigam, 2002; Sun and Cheng, 2002;
Dien et al.） 。第一階段水解容器內含木糖等單糖水解液與第二階段水解 容器內含葡萄糖水解液分別接種合適微生物，進行醱酵以產出乙醇 （圖 二） 。
圖一、木質纖維素經酸水解或酵素水解後進行醱酵產出乙醇之示意圖
二、用濃酸配合低溫先行水解木質纖維素中之半纖維素與纖維素為木糖與葡 萄醣等單糖後，供微生物進行醱酵產出乙醇
第一階段水解是以 70-82% 硫酸與木質纖維素混合，置於 40-50 ℃ 溫 度條件下作用 2 小時至 4 小時，此階段可以將木質纖維素中的半纖維素水 解為木糖等單糖。將第一階段水解後之水解液與固體分離，固體則進行第二 階段的水解。由第一階段水解所產出的固體與 30-40% 硫酸混合，於 100
℃溫度條件下經作用 50 分鐘，將含有葡萄糖的水解液與不能水解的木質素 分離 （圖三） 。由兩階段水解所獲得的水解液則分別可供合適的微生物進 行醱酵以產出乙醇 （Anuj et al., 2007） 。
圖二、用稀酸水解木質纖維素中之半纖維素與纖維素為木糖與 葡萄醣等單糖後，供微生物進行醱酵產出乙醇之流程。
Lignocellulosic feed stock
Dilute acid hydrolysis (First stage)
Dilute acid hydrolysate
（Liquid） Residual solid biomass fraction
Second stage dilute acid hydrolysis at higher temperature
Second stage hydrolysate Detoxification
Recovery of ethanol
Ethanol fermentation
以酸水解木質纖維素生成單糖，則有幾個缺點： 1. 酸會對容器造成腐 蝕、 2. 纖維物質以濃酸水解後需要使用大量石膏等鹼性物質來調整酸鹼 值、 3. 水解後之纖維物質僅能釋出 50-60% 理論值之單醣量、 4. 纖維物 質 經 酸 水 解 後 會 產 生 呋 喃 醛 (furfural) 、 5- 羥 基 甲 基 呋 喃 醛 (5-hydroxymethyl-furfural) 、有機酸與酚類化合物，會抑制釀酒微生物之生 長。而此些醱酵抑制物可以用加入大量石灰 （碳酸鈣） 中和、以酵素 （如 漆酶， laccase） 分解、用活性碳與離子交換吸附去除 （Martinez et al., 2000;
Martin et al., 2002; Nilvebrant, 2001） 。
Lignocellulosic feed stock
Hydrolyzed with 70-82% sulfuric acid at 50℃
Acid hydrolysate (liquid) containing C5 sugars
Residual solid biomass fraction
Hydrolyzed with 30-40% sulfuric acid at 100℃
Using ion exchange resin to separate C5 sugars and acid solution
C5 sugars solution adjusted pH and
detoxified.
Fermented by microorganisms to
produce ethanol
Acid solution concentrated with
evaporators
Concentrated acid reused
Recovery of ethanol
Using ion exchange resin to separate C6 sugars and acid solution
C6 sugars solution adjusted pH and
detoxified.
Acid solution
concentrated with evaporators
Fermented by microorganisms to
produce ethanol
Concentrated acid reused
Recovery of ethanol
圖三、用濃酸水解木質纖維素中之半纖維素與纖維素為木糖與葡萄醣等單 糖後，供微生物進行醱酵產出乙醇之流程。
三、木質纖維素先經前處理再以酵素水解半纖維素與纖維素為木糖與葡萄糖 等單糖，供微生物進行醱酵產出乙醇
前處理目的是要改變木質纖維物質的大小與結構 （structure） ，讓碳 水 化 合 物 聚 合 物 成 份 比 較 快 速 水 解 為 單 糖 以 及 獲 得 較 高 的 單 糖 產 率
（Moiser et al., 2005 ） 。 前 處 理 可 以 讓 半 纖 維 素 溶 解 （ solubilizing hemicellulose） 、減低木質纖維素的結晶性及增加有效的表面積與孔洞體 積。酵素很難水解天然的木質纖維素，經若前處理先將木質素與半纖維素由 木質纖維素移除，則纖維素會變為較容易被水解。前處理的方法有以機械粉 碎、以氨氣爆破 （Kim et al., 2003）、用蒸氣爆破 （Gregg and Saddler, 1996） 、酸或鹼前處理 （Kuhad et al., 1997 與 Damaso et al., 2004）及生 物處理 （Keller et al., 2003） 。
（Moiser et al., 2005 ） 。 前 處 理 可 以 讓 半 纖 維 素 溶 解 （ solubilizing hemicellulose） 、減低木質纖維素的結晶性及增加有效的表面積與孔洞體 積。酵素很難水解天然的木質纖維素，經若前處理先將木質素與半纖維素由 木質纖維素移除，則纖維素會變為較容易被水解。前處理的方法有以機械粉 碎、以氨氣爆破 （Kim et al., 2003）、用蒸氣爆破 （Gregg and Saddler, 1996） 、酸或鹼前處理 （Kuhad et al., 1997 與 Damaso et al., 2004）及生 物處理 （Keller et al., 2003） 。