第一章 緒 論
第一節 研究背景與動機
第一章 緒 論
蔗渣為原料甘蔗製糖、製燃料酒精時所產生的副產品，經常被視為一種 農業廢棄物。每年約生產70~80餘萬公噸的甘蔗產量，相對的也產出10餘噸 可觀的蔗渣量。近年來，除大部份用作鍋爐燃料外，其餘幾乎全部用於作紙 漿。但蔗渣的成分中含大量的微生物代謝與生長的基質來原－纖維素及半纖 維素，若利用以微生物進行厭氧醱酵產氫，從中獲得可用的能源。本研究先 以批次試驗來先期評估蔗渣用於產氫的可行性，之後將以好氧循序批次反應 槽( Sequencing Batch Reactor，SBR)來進行連續流試驗，以作為產氫相關研 究及後續研究者的參考依據。本章共分三節，第一節首先說明研究背景與動 機々第二節再敘述研究目的々第三節則是本研究的重要名詞釋義。
第一節 研究背景與動機
能源是推動國家經濟發展的原動力，而全世界化石能源蘊藏量已逐漸匱 乏，依據現有資料顯示，預估石油可開採41年、天然氣67年、煤192年（曲 新生，2005）。近年來隨著經濟的發展，全球能源需求快速增加，導致化石 燃料的價格上漲，特別是石油價格飆漲々雖然目前化石燃料的開採量有逐年 下降的趨勢，卻仍佔總能源供應量的大部分，且燃燒化石燃料更會造成酸雨、
空氣污染及溫室效應等現象（王啟川，2007）。美國能源部能源署（Energy Information Administration, EIA）在2007年發表的「國際能源概觀」中也指 出，在未來的油價已無回跌的可能性。台灣自產能源有限，能源進口依存度 高達99.1%，因此基於上述原因，有必要發展一種乾淨、無污染且具有自主 性的再生能源。
行政院於91年8月所通過的「再生能源發展條例（草案）」，對再生能源 定義為太陽能、生質能、地熱、海洋能、風力、水力（不含抽蓄水力）或其
2
他經中央主管機關認定可永續利用之能源。而在眾多再生能源技術中，生質 能是國際公認最被廣泛使用的能源，約占世界所有再生能源應用的三分之二，
因為其最大的優點除了可產生能源外，並且可利用及去除有機污染物（曾智 鉉，2007）。依據美國能源部能源署於2006年所做之全球初級能源消費
（Primary energy consumption）統計〆屬於太陽能、生質能、風力、地熱與 水力等再生能源者，共計37.245×1015BTU，佔全球初級能源消費472.274×
1015BTU之7.88％，略高於核能之6.49％，至於台灣再生能源則僅為1.56％，
遠低於石油、煤炭、核能與天然氣之使用，顯示台灣在再生能源之發展還有 很大之成長空間。生質能源轉化及生產技術方面主要有〆燃料酒精、生質柴 油以及生質氣體等三部份，在燃料酒精方面，目前農委會規劃以糖份或澱粉 質高的農業作物作為主要物料來源，以澱粉酵母或酵素將澱粉質轉化為酒精，
再以純化分離技術生產燃料酒精々在生質柴油部分，以高油份豆類(如大豆、
油菜籽…等炸油)加以轉酯化為生質柴油々而第三部份則是生質氣體（蘇忠 振，2006）。就生質能源開發技術中，以生質氣體－利用微生物進行厭氧醱 酵產能極具發展潛力，因為不僅能產能且能去除有機廢棄物達到資源化目的。
目前主要可回收使用的生質氣體有氫氣及甲烷々在產氫方面，以厭氧醱酵產 氫技術最具有發展潛力。目前多以使用有機污染物（如有機廢水、污泥、稻 桿、蔗渣等）再利用來產能的技術被視為最值得重視及發展潛力的生質能源 技術。
根據2005年6月20日全國能源會議之決議，政府的能源政策必頇從能源 自主性、農業、環保、經濟及水資源等層面做通盤考慮，會議中擬定以汽油 年耗量1,000萬公秉估算，計畫在2010年推動E5酒精汽油（即添加5％酒精）
所需之生質酒精量至少達50萬公秉以上。在台灣，生質酒精的原料主要是以 甘蔗為主，台糖公司則預估未來帄均單位甘蔗產量為80噸/公頃，屆時甘蔗 產量可達150萬噸之多（鄭作林、蕭耀基，2006），相對到時也將有百萬多
3
噸的蔗渣產生。蔗渣為甘蔗於製糖、製燃料酒精過程中經壓榨機壓榨後所得 的農業廢棄物，通常作為鍋爐燃料使用，少部份可做成養雞、養猪飼料。在 工業上亦有多種用途，如製造隔音絕熱板、家畜床墊、用紙之製造纖維版及 圕合板等，由此顯示蔗渣的利用非常廣泛。蔗渣的成分中含大量的纖維素及 半纖維素，還有少部分的木質素、糖分、碳水化合物等等，這些都是微生物 生長與代謝的重要基質來源，若能再利用以微生物進行厭氧醱酵產能，本研 究推估將有利於厭氧醱酵反應進行提高回收生質氣體的產量。
能源作物再利用的殘餘物如果可仿效其他農業廢棄物如稻桿、米糠、廚 餘等，可經由水解、醱酵產氫反應過程產能回收能源，例如曾智鉉（2006）
研究所使用酒廠廢酒糟及污水處理廠廢棄物污泥作為混合基質最佳的產能 效率有811 cal/ g-COD々郭倍甄(2007)研究中所使用米糠及污水處理廠廢棄物 污泥作為混合基質最佳產能效率有1,526 cal/g-COD々黃倩毓（2008）的研究 中，在最佳pH控制條件下，油菜籽粕為基質有最佳產氫率為1.13 mmole H2/g-CODin，以油菜為基質其最佳產氫率為0.432 mmole H2/g-CODin。而能源 作物利用後的全株及殘餘物再利用也是越來越普遍，因含大量的纖維素
（cellulose）、半纖維素（hemicellulose）及木質素（lignocellulose）等成分，
相當難以分解，所以利用能夠分解纖維素的菌種如: Clostridium、Bacillus及 Geobacillus等菌屬的特定菌株々在厭氧狀態下，利用Clostridium為產氫菌種 搭配純種水解菌種(兼氣菌)組成反應菌液，以能源作物為基質，於兼氣的環 境下經水解菌及Clostridium的水解、醱酵酸化反應過程得以回收H2能源（黃 倩毓，2008）。
黃介辰（2007）的研究指出 Bacillus 與 Clostridium 共培養下，氫氣為分 解纖維素反應中一項重要的生物性指標，因纖維素經由生物方式的水解轉化，
可變成氫氣和其他有機物如醣類、有機酸及醇類。而由共培養實驗結果發現，
Bacillus 的存在可使產氫遲滯期明顯縮短，遲滯期最多可自 3~4 天縮短至 1~2
4
天，且可促進之後 Clostridium 將纖維素轉變成氫氣的作用。藉由實驗反應 後的溶解性COD 發現，纖維素分解率最高約可達 23%，且共培養下此外能 自分解纖維素的反應中提升氫氣的產生量。甘蔗渣為固形物，相當難以分解，
必頇以不穩態水解反應來處理，所以採用水解 SBR 反應槽來進行水解分解 以進行厭氧產氫試驗。另外葉明泰（2006）的研究中發現，在反應槽中，氣 密馬達攪拌支架上若密集懸掛活性碳棉作為固定化生物菌體之介質，則可以 有效蓄留菌體於反應槽中，提升水解、醱酵產氫之效果。故本試驗將先以批 次試驗的方式，評估產氫試驗中之可行性以及何種最佳操作條件。再以批次 試驗的結果，利用固定化技術以不穩態操作分離式反應槽（前段水解 SBR
＋後段醱酵產氫CSTR 反應槽）進行連續流試驗，求得最佳的操作條件，並 進行厭氧生物產能反應之動力學模擬以研究推估至工程上的可行性。