生質酒精之生產與利用
林昀輝、盧文章、李宏台 工業技術研究院能源環境研究所
前 言
運輸型車輛其主要動力燃料來源為汽柴油，而由於化石燃料使用對空 氣污染嚴重，如產生大量的顆粒粉塵，CO2排放量高及毒性致癌物質如多 環芳香烴 (PAHs) 等。據研究指出，運輸用燃料因燃燒產生的污染已成為 空氣污染的主要問題（IEA, 2003）。為解決汽柴油的排氣污染問題及日益 惡化的環境壓力，世界各國均積極研發其他能源替代現行運輸用燃料，目 前主要的替代運輸用燃料為生質柴油及生質酒精，歐盟訂定生質燃料於 2005 年達到 2%，2010 年達到 5.75% 而於 2020 年達到 8％ 的目標（以能 量為計算基準）（European Commission, 2003），主要就是以生質柴油取代 柴油，而以酒精取代汽油。現階段雖然生質柴油或生質酒精其製造成本高 於傳統化石燃料，然而世界各國利用不同政策手段如減稅或其他優惠推動 生質燃料的利用。酒精的生產製造是一個傳統而古老的行業，隨著燃料酒 精的推廣使用，使得酒精製造出現新的生機，本報告將介紹燃料酒精之應 用及其環保與能源效益，並針對澱粉作物轉化酒精之技術加以探討，分析 其生產程序及成本，此外也將介紹相關技術未來的發展趨勢。
國外生質酒精應用情形
2004 年之全球酒精生產量超過 400 億公升，最主要的酒精生產國家為 巴西和美國 (33%) 。在巴西所使用的原料為甘蔗，酒精年產量超過 150 億公升 (全球的 37%) ，在美國則以玉米為主要原料，酒精的年產量則超 過 133 億公升 (全球的 33%) 。酒精最大用途為替代燃料，全球所生產的 酒精中，約 70％ 做為燃料酒精（RFA, 2005）。燃料酒精的利用是與汽油 混合使用，例如 E10 即為以 10％ 的酒精與 90％ 的汽油混合，E85 則為 85％ 的酒精與 15％ 的汽油混合，目前在車輛的使用方面，以 E10 為燃 料，汽車幾乎不需要做任何修改，目前亦有汽車製造商已開發可變燃料汽 車 (flexible fuel vehicles)，其可利用無鉛汽油和任何比例的酒精做為燃料 (最高 85％ ，E85)，目前主要是在美國與巴西使用。目前世界各國有關燃 料酒精的計畫如表一（RFA, 2005） 。
巴西是目前發展生質酒精替代汽油最成功的國家，早在 1920 年代，
巴西就開始使用乙醇汽油。由於巴西石油资源缺乏，但盛產甘蔗，於是形 成了用甘蔗生產蔗糖與酒精的成套技術。目前，巴西是世界上唯一不賣純 汽油的國家，其汽油中酒精含量約20-25％ ，此外亦有純使用酒精之車輛。
美國是世界上另—個燃料酒精的主要消费國，根據統計，在 2004 年美國 約添加 34 億加侖 (128 億公升) 至汽油中，約佔汽油使用量的 2％ (v/v)
（Davis and Diegel, 2004），此外，美國部分州也開始禁用 MTBE，而酒精 即成為其最佳的替代品。欧洲使用生質酒精主要是將其轉化成乙基第三丁 基醚 （ETBE） ，少部分直接以酒精摻配。預計 10 年内，酒精的使用量 (ETBE 和直接摻配) 預計約達 3.79×106 m3/a 。此外，隨著東歐國家加入 歐盟，其亦將遵守歐盟的目標，因此整體酒精使用量將進一步增加。在亞 洲，各國也積極推動使用生質酒精，例如在中國有需多省分在汽油中添加 10％ 酒精、印度也在 9 個州及四個地區添加 5％酒精，而日本目前也允許 在汽油中添加 3％ 的酒精 (E3) 。
表一、 世界各國酒精相關計畫 國家 燃料酒精政策
巴西 汽油中需添加25％酒精
歐盟 生質燃料目標(以能量計算)：2005 年達 2％，2010 達 5.75％
Sakatchewan：2005 年汽油需添加 7.5％酒精 加拿大 Manitoba：2005 年汽油需添加 10％酒精
哥倫比亞 2005 年 10 月後在大都市汽油需添加 10％酒精 泰國 要求曼谷附近加油站販售添加10％酒精的汽油 中國 在部分省分要求摻配酒精
日本 2008 年汽油需添加 10％酒精，去年自巴西進口約 15 萬公秉之 酒精
生質酒精生產程序
酒精被具有潛力取代汽油的運輸燃料，主要的生產方式是利用微生物 以糖為基質醱酵生產(另外可以由乙烯進行水合反應生產)，目前商業化的 製程以甘蔗 (巴西) 和玉米 (美國) 為主，另外也有以甜菜或小麥等穀物做 為原料，木質纖維素雖然具有量大價廉的優勢，但是由於需要複雜的前處 理才能獲得微生物能利用的糖，因此目前仍無商業化製程，酒精生產的示 意流程圖如圖一所示。
生質酒精之生產與利用57-65（2006）
圖一、酒精生產流程示意圖
利用甘蔗做為原料時，可分為直接甘蔗汁醱酵與糖蜜醱酵，由於兩者 均是富含微生物可利用的糖，因此醱酵之技術已相當成熟。甘蔗汁含糖率 約13-15％ ，可直接做為酒精醱酵之原料，此外若添加 0.05-.01％ 的硫銨 與 0.01％ 的磷酸二鉀，則可以改善酒精醱酵效率，由甘蔗汁醱酵生產酒 精，每公噸甘蔗約可產 80 公升酒精，亦即每生產 1 公升酒精約需 12.5 公 斤的甘蔗。糖蜜為製糖工業的副產品，其中約含 35％ 蔗糖和 15％ 還原 糖，其他還含有胺基酸、蛋白質、維生素等，是一種優良的醱酵工業原料，
利用糖蜜做為原料的優點 (和甘蔗汁比) 在於糖蜜較耐儲存，新鮮甘蔗汁 很容易酸壞。台糖以往即以糖蜜為原料生產酒精，不過隨著新營副產品加 工廠的酒精工廠停工，目前國內已無酒精生產工廠。根據台糖的估算，以 甘蔗產製酒精，每公秉酒精所需甘蔗種植成本約18,000 元，營運成本 (包 括產製與銷售) 約 16,000 元，合計約 34,000 元/公秉。此價格遠高於國際 市場價格，若無法大幅改善，將無商業競爭力。
利用澱粉做為原料是另一項以成熟之技術，其中以美國利用玉米為最 大宗，其生產技術可分為乾磨法與濕磨法，兩者的差異如圖二所示，兩者 的差別在於乾磨法直接將穀物研磨後，經液化與糖化後進行醱酵，不能醱 酵的殘渣經分離後可做為飼料，濕磨法則事先經過處理，將胚芽、麩質與 油質分離，僅將澱粉部分進行液化與糖化後進行醱酵，其優點在於可將非 澱粉部分分離，附加價值較高，但是需要較高設備成本，因此，需較大經 濟規模方具有商業競爭力。圖三為此兩種程序生產酒精之生產成本比較，
可發現濕磨法約需 2 倍大的生產規模時，其酒精生產才與乾磨法相當。
圖二、穀物醱酵生產酒精流程示意圖
8 9 10 11
0 100000 200000 300000 400000 Plant Size (kL/y)
Production Cost ($NT/L)
Dry Mill Wet Mill
圖三、乾磨法與濕磨法生產酒精之生產成本比較（Whims, 2002）
甘薯具有適應性強且產量高的特點，國內也有大規模種植的經驗，是 國內未來產製酒精可行的原料之一，利用甘薯做為原料，生產1 公升酒精 約需8 公斤甘薯 (鮮重) ，依據 93 年農業統計年報作物生產第一種成本，
甘薯的生產成本為4 元/公斤，若依此計算光是原料成本即高達 32 元/公 升。根據農委會農試所的資料顯示，其育成數種高澱粉含量的甘薯品種 (可 高達75 ％以上) ，未來若配合大規模機械化栽種與採收，成本可降低至 2 元/公斤，若此目標可達成，則利用甘薯生產酒精的原料成本可降至 16 元/
公升。此外木薯也是一種可能之作物，利用木薯生產酒精的原料時，生產 1 公升酒精約需 5.6 公斤的木薯，若能將其生產成本控制在 2 元/公斤，則 其原料成本僅約需11.2 元/公升。美國農業部估算以玉米製造酒精的生產 成本，在年產40 萬加侖的酒精工廠其製造成本 (不包括原料成本，但是考 慮副產物收入) 約為每公升 4 元，若依此計算，則國內以甘薯和木薯製造 酒精的成本約15-20 元/公升，將具有一定的競爭力，但是必須注意上述的 成本是基於國內甘薯或木薯的生產成本為2 元/公斤，此一目標之達成有待 透過育種/選種、大規模及機械化種植與採收等的發展才能達成。
質纖維素是藏量最豐富的生質物，其由纖維素、半纖維素與木質素所 構成，纖維素雖然和澱粉一樣是由葡萄糖所構成，但是兩者的結構不同 (圖 四) ，因此纖維素無法如澱粉一般可以輕易水解成葡萄糖做為微生物代謝
生質酒精之生產與利用57-65（2006）
之基質，目前將纖維素主要的水解方式有兩種，一為酸水解另一為酵素水 解，兩者的比較如表二；稀酸水解雖然快速，但是會生成呋喃類的化合物，
其會抑制後續的醱酵，解決之道在於將此類毒性物質分離或者開發對此類 化合物耐受力較高的酒精醱酵菌﹔利用酵素水解雖然可以完全將纖維素 轉化成葡萄糖，也可避免酸水解產生抑制物的問題，但是纖維水解酵素較 為昂貴，而且其轉化速率較慢未來成功之關鍵在於大幅降低酵素生產成本 及增加生物反應效率。半纖維素為多種糖類的聚合物，其中以木糖的含量 較高，其分子量遠比比纖維素低，通常在利用酸或鹼對木質纖維素處理時 即會水解，但是木糖為五碳糖，無法有效做為酒精醱酵之基質，目前有利 用基因改良的方式，使得酒精醱酵菌能夠代謝木糖，但是目前仍屬實驗室 測試階段。
圖四、纖維素與澱粉結構之差異
表二、纖維素酸水解與酵素水解之特性比較 （Bungay, 2004）
特點 酸水解 酵素水解
最大產率 80% 99%
前處理 破碎 研磨或爆裂
觸媒 強酸 酵素
觸媒製備 無 醱酵技術 整體產率 80% 85%
糖的品質 可能會有醱酵抑制物 適合醱酵(五碳糖除外)
廢棄物 大量污泥 處理後廢棄物較少
設備成本 相對較低 很高
生質酒精之環境與能源效益
根據國際能源總署 (International Energy Agency, IEA) 的報告顯示
（IEA, 2004），相對於傳統汽油，添加 10％ 酒精 (E10) 可降低許多污染 物的排放，但也會造成部分污染物增加，其效應和添加MTBE 做為增氧劑 類似。其中最大效應在於降低一氧化碳的排放，E10 可減少 25％ 以上的 一氧化碳排放。而其對於揮發性有機物和氮氧化物 (NOx) 的影響尚不清 楚，這兩者在大氣中反應會生成臭氧，其中揮發性有機物逸出增加，乃是 因為酒精汽油的蒸汽壓 (雷氏蒸汽壓，Reid Vapor Pressure) 較高所導致，
對於NOx 的排放，在車輛引擎的排放中，在低濃度摻配酒精時， NOx 的
對於NOx 的排放，在車輛引擎的排放中，在低濃度摻配酒精時， NOx 的