行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
以活性污泥為原料生產生質柴油(II) 研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 100-2623-E-011-001-ET
執 行 期 間 ： 100 年 01 月 01 日至 101 年 03 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學化學工程系
計 畫 主 持 人 ： 朱義旭
計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理人員：Yeshitila 博士後研究：Novy Kasim
公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 101 年 04 月 02 日
中 文 摘 要 ： 台灣 2008 年柴油用量估計約 450 萬公噸，若以政府 2010 年 全面推廣使用 B2（即添加 2%生質柴油之柴油）估計，每年約 需 10 萬公噸生質柴油。目前世界各國主要生產生質柴油之原 料油為棕櫚油、大豆油及菜仔油。這些作物在台灣都非主要 農作物且生產成本遠高於國外，無法與國外競爭。台灣每年 估計產生 40 萬噸乾活性污泥，以含 15%中性油脂估計，台灣 之活性污泥有每年生產 6 萬噸生質柴油之潛力。因此活性污 泥為具潛力值得開發之生質柴油原料，以活性污泥為原料生 產之生質柴油在價格上可與石化柴油競爭甚至更便宜。文獻 上報導最佳轉化率僅約 6%，本計畫擬探討以活性污泥為原料 生產生質柴油。計畫第一年我們發現，透過次臨界水萃取，
從活性污泥所能得到之油脂量約為一般溶劑萃取所得之 3 倍。在本計畫中，將乾活性污泥與甲醇在以 4%硫酸為觸媒催 化下在 55oC 反應 24 小時，轉化率及產率分別為>99%及 60.76%。
中文關鍵詞： 生質柴油、活性污泥、次臨界水萃取
英 文 摘 要 ： In Taiwan, the consumption of diesel is 4,500,000 metric tons (MT) in 2006. If 2% of BD is added into petro-diesel, then 900,000 MT of BD is required annually in Taiwan. Currently in most biodiesel producing countries, the main feed vegetables are palm oil, soybean oil and rape-seed oil. All these oils are not main crop in Taiwan and the production cost will be too high in Taiwan if these oils are used for the production of biodiesel. It is estimated that the annual production of dried activated sludge is 400,000 tons. Based on an average neutral lipid content of 15%, there is a potential of generating 60,000 tons biodiesel per year from active sludge.
Thus active sludge is a potential source for producing biodiesel that may be competitive to
petrodiesel in cost. In the first year, we found that by using sub-critical water extraction, the amount of neutral lipids extracted from activated sludge is approximately 3 times that by solvent extraction. In this work, in-situ production of biodiesel was
carried out at 55 oC for 24 h with sulfuric acid as catalyst. The conversion and yield obtained was >99%
and 60.67%, respectively.
英文關鍵詞： Biodiesel, Activated sludge, Subcritical water
extraction
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ▓ 成 果 報 告
□期中進度報告
以活性污泥為原料生產生質柴油(II)
100-2623-E-011 -001 -ET
計畫類別：▓個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 100－2623－E－001－ET
執行期間：100 年 1 月 1 日至 101 年 3 月 31 日 執行機構及系所：台灣科技大學化工系
計畫主持人：朱義旭 共同主持人：
計畫參與人員：黃蓮香,Yeshitila Asteraye
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ▓完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
□出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查 詢
摘要
台灣2008年柴油用量估計約450萬公噸，若以政府2010年全面推廣使用B2（即添加2%
生質柴油之柴油）估計，每年約需10萬公噸生質柴油。目前世界各國主要生產生質柴油之 原料油為棕櫚油、大豆油及菜仔油。這些作物在台灣都非主要農作物且生產成本遠高於國 外，無法與國外競爭。台灣每年估計產生40萬噸乾活性污泥，以含15%中性油脂估計，台 灣之活性污泥有每年生產6萬噸生質柴油之潛力。因此活性污泥為具潛力值得開發之生質柴 油原料，以活性污泥為原料生產之生質柴油在價格上可與石化柴油競爭甚至更便宜。文獻 上報導最佳轉化率僅約6%，本計畫擬探討以活性污泥為原料生產生質柴油。計畫第一年我 們發現，透過次臨界水萃取，從活性污泥所能得到之油脂量約為一般溶劑萃取所得之3倍。
在本計畫中，將乾活性污泥與甲醇在以4%硫酸為觸媒催化下在55oC反應24小時，轉化率及 產率分別為>99%及60.76%。
關鍵詞：生質柴油、活性污泥、次臨界水萃取
Abstract
In Taiwan, the consumption of diesel is 4,500,000 metric tons (MT) in 2006. If 2% of BD is added into petro-diesel, then 900,000 MT of BD is required annually in Taiwan. Currently in most biodiesel producing countries, the main feed vegetables are palm oil, soybean oil and rape-seed oil. All these oils are not main crop in Taiwan and the production cost will be too high in Taiwan if these oils are used for the production of biodiesel. It is estimated that the annual production of dried activated sludge is 400,000 tons. Based on an average neutral lipid content of 15%, there is a potential of generating 60,000 tons biodiesel per year from active sludge. Thus active sludge is a potential source for producing biodiesel that may be competitive to petrodiesel in cost. In the first year, we found that by using sub-critical water extraction, the amount of neutral lipids extracted from activated sludge is approximately 3 times that by solvent extraction.
In this work, in-situ production of biodiesel was carried out at 55 oC for 24 h with sulfuric acid as catalyst. The conversion and yield obtained was >99% and 60.67%, respectively.
Keywords: Biodiesel, Activated sludge, Subcritical water extraction
目錄
中文摘要………I 英文摘要………II
1. 前言………1
1.1 計畫背景……… 1
1.2 重要性……… 1
2. 計畫目的……… 2
3. 文獻探討……… 2
4. 研究方法……… 5
4.1 材料……… 5
4.2 樣品製備……… 5
4.3 油脂與甲醇反應以生產生質柴油………5
4.4 將乾燥活性污泥直接與甲醇反應……… 5
4.5 反應產物之分析……… 6
5. 結果與討論……… 7
6. 結論……… 9
7. 參考文獻………10
圖目錄
圖一：次臨界反應裝置………6
圖二：典型污泥油脂之GC圖譜……… 8
圖三：典型污泥油脂之 TLC 圖譜……… 9
表目錄 表一：西澳大利亞活性污泥之分析………3
表二：從活性污泥生產生質柴油之成本分析………4
表三：統一麵包廠污泥油脂之組成………7
表四：統一麵包廠污泥中性脂質之脂肪酸組成………8
1、 前言
1.1 計畫背景
由於經濟發展，人類生活水準提升，環境保護意識亦隨之高漲。各國政府相繼成立專 責環保機構積極宣導並推動環境保護。人類的生活離不開石油，舉凡日常生活用品，如人 造纖維、人造橡膠、塑膠…..等，都以其為原料。石油為不可再生的能源，以目前石油之消 耗速率，若無法取得大量、價廉之替代能源，能源危機遲早會再度來臨。且石化燃料所造 成的環境及溫室效應，如不迅速尋求解決之道，將會對全球生物帶來無可彌補之災害。是 以近年來個各國都投入人力及資源尋求替代性能源，例如 CNG (壓縮天然氣)、LNG (液化 天然氣)、LPG (液化石油氣)、甲醇、乙醇。然而這些替代燃料大部份均為不可再生能源。
於是利用太陽能的產品－植物油脂－為原料製造的生質柴油，就極具潛力成為柴油的替代 燃料。從技術觀點而言，植物油脂肪酸甲酯(Methyl ester of vegetable oil fatty acids)確實係 最經濟有效的替代能源，同時它具有可再生，可生物分解( Knothe et al., 1996 )及可減緩空 氣品質與地球溫室效應再惡化的優點( Hass et al., 2003 )。
生質柴油是由動、植物油和醇類（最常見的為甲醇）反應而成的酯類（即脂肪酸甲基 或乙基酯），它常被摻在柴油中供做柴油引擎之燃料。根據美國能源部的估計，生質柴油的 生產成本約為一般柴油的二至於三倍。由於生質柴油生產成本 60~70%來自原料油酯，所以 尋求價廉之原料油酯就成為推廣生質柴油使用之重要關鍵。由於生質柴油目前價格依然偏 高，使其利用受到限制。台灣每年估計產生 40 萬噸乾活性污泥，以含 15%中性油脂估計，
台灣之活性污泥有每年生產 6 萬噸生質柴油之潛力。因為活性污泥為廢棄物，是以活性污 泥為具潛力值得開發之生質柴油原料。以活性污泥為原料預期可大幅降低生質柴油之成 本，使得生質柴油在價格上可與石化柴油競爭甚至更便宜。
1.2 重要性
世界各先進國家對於環境保護相當重視，提高生活環境及空氣品質為各國政府的重要 政策。由再生能源如大豆油所生產的生質柴油，是第一個通過 1990 年美國清潔空氣法案健 康測試的替代性能源。生質柴油為一無毒性、可生物分解的安全性燃料，只需經過些微修 改或可直接使用於傳統柴油引擎上，除不必添加其他成分(如潤滑油)，且比傳統柴油減少 90％的空氣污染。因此歐美先進國家自 1988 年相繼推出鼓勵消費者使用生質柴油的法案，
預計於石化柴油中添加一定含量的生質柴油將成為未來立法趨勢。台灣 2006 年柴油用量約 450 萬公噸，若以政府預定於 2010 年全面推廣使用 B2（即添加 2%生質柴油之柴油）估計，
每年約需 9 萬公噸生質柴油。目前世界各國主要生產生質柴油之原料油為棕櫚油、大豆油 及菜仔油。這些作物在台灣都非主要農作物且生產成本遠高於國外，無法與國外競爭。台 灣生質柴油料源來源多元化是必然之趨勢。目前主要來源之一之廢食用油，至多只能提供 10%之需求。主持人過去數年一直從事以米糠油為原料生產生質柴油之研究。米糠為台灣 低利用價值之農業副產物，幾乎被視為廢棄物，但是從米糠有生產 30,000 噸生質柴油之潛
力，為 2010 年全面推廣使用 B2 所需生質柴油之 1/3。台灣每年估計產生 40 萬噸乾活性污 泥，以含 15%中性油脂估計，台灣之活性污泥有每年生產 6 萬噸生質柴油之潛力。因此活 性污泥為具潛力值得開發之生質柴油原料。以活性污泥為原料生產之生質柴油在價格上可 與石化柴油競爭甚至更便宜。
2 計畫目的
以活性污泥為原料生產生質柴油之關鍵在於提昇產率至 10%以上，才具有價格競爭之 優勢。目前文獻報導之轉化率僅約 6%，因此仍有改善之空間。污泥含大量水份，污泥乾燥 之費用高達生質柴油生產成本之 40%。台灣天氣炎熱，乾燥費用應可適度降低。本計畫之 目的即在開發以活性污泥為原料生產生質柴油之製程，希望能達到 10%以上之轉化率，使 所生產之生質柴油具有市場競爭力。
3 文獻探討
自1990年生質柴油通過測試，公認將成為未來之有效替代性燃料後(Knothe et al., 1996 )，各國都投入經費探討如原料來源(棕櫚油、大豆油、油菜籽油及廢廚餘油等)及合 成方式(催化劑的選擇)之研究及開發。目前商業化生產生質柴油的方式是將動、植物油與 甲醇混合經強鹼(如 NaOH 或 KOH)催化而得脂肪酸甲基酯(即生質柴油)。利用鹼催化生 產生質柴油優點為反應速率快、鹼價格便宜，如此在短時間內即可達相當高的產率。Lang et al. (2001) 以KOH 及 CH3ONa 催化油菜籽油、葵花油等植物油，利用二階段(各階段反 應時間20分鐘)之批式反應，於25℃及甲醇/原料油莫耳比為6：1的條件下得到甲基酯 95-97%的高轉化率。Peterson et al. (1991)也在相同條件下，於一階段反應1小時得到甲基酯 98%的高轉化率。利用此方式生產生質柴油的缺點則是產物中所含鹼難移除、反應過程生 成的廢水增加處理成本、副產物甘油不易分離、由於鹼具腐蝕性使設備成本增加及若原料 油中含脂肪酸與水，則會與鹼生成脂肪酸鈉鹽或鉀鹽；由於脂肪酸鈉鹽或鉀鹽為界面活性 物質，其生成除了不利於酯化反應外，也增加產物分離純化之困難。因此若以鹼催化方式 進行反應，原料油中脂肪酸含量須低於0.5 wt%，水含量須低於0.006 wt% (Lang et al.
2001)。換言之，原料油須先精製，此將增加原料油之成本。
對於含高脂肪酸含量的原料油，大部分文獻都是利用酸(如 H2SO4 或 HCl)催化的方 式進行酯化反應。Haas et al. (2003) 以 H2SO4 催化脂肪酸含量 59.3%的大豆油，在 65℃、
脂肪酸/甲醇/H2SO4比為 1:15:1.5 的條件下反應 26 小時得到甲基酯 86%的轉化率；而當脂 肪酸含量 96.2%時，則以脂肪酸/甲醇/H2SO4為 1:1.8:0.17 及相同溫度 65℃下，在 14 小時 即達甲基酯 89%的轉化率。由上述結果可知脂肪酸含量越高的原料油越有利於利用酸進行 催化酯化反應得到脂肪酸甲基酯。以酸催化進行酯化反應的方式雖可解決原料油中脂肪酸 含量過高之問題，但比較以酸為觸媒及以鹼為觸媒製程之反應時間，要達到同樣高的轉化 率，酸催化所需時間遠較鹼催化所需時間為長。
利用酵素催化進行酯化反應，因其優點為反應條件溫和、產物組成單純、副產物甘油
容易分離等，為近幾年世界各國競相研究開發的方法。Shimada et al. (1999)分別以 5 種不 同酵素對植物油(混合大豆油及油菜籽油)進行催化反應，由其結果得知 Candida antartica 脂解酵素(Novozyme 435)酵素於相同的反應時間內可達較高的轉化率，而由於 Novozyme 435 在過量的甲醇/植物油比(1.5/1,莫耳/莫耳)濃度下容易導致失活，因此以分批加入甲醇 (每次加入的量為 1:1 的甲醇/植物油莫耳比)的方式進行反應，在 30℃、4%的酵素量（反 應物重）的條件下反應 48 小時，甲基酯的轉化率達 98.4%。Lee et al. (2002)也以 Candida antartica 脂解酵素對廚餘油進行催化反應，當廚餘油經過填充管柱吸附雜質後，在 30℃、
10%的酵素量（反應物重）的條件下，分批加入甲醇進行反應，於 72 小時達 74%的轉化率。
對於酵素容易因甲醇過量導致失活，有文獻以加入 10% silica gel (Lee et al.,2002)的方式解 決此問題。而 Chen et al. (2003)則利用特丁醇(tert-butanol)清洗因反應次數及時間過久導致 失活的酵素，使酵素能在連續式反應槽中連續反應 70 天以上。
由於目前生質柴油生產所用原料多為食用油，因此大量使用會造成排擠效用使食用油 價格上漲，影響深遠。未來生質柴油生產之趨勢傾向朝向以多元化原料為進料之生產模式 發展(Inform, Biorenewable Resources No.1/May 2006, p.7）。
台灣之人口估計到 2007 年 7 月約為二千三百萬(Wikipedia, 2007). 若以每人每天產生 50 克估算(Rulkens, 2008)，則台灣乾污泥之年產量約為 0.42 x 106 噸。文獻顯示污泥含約 20%可溶性脂肪或油脂(Dufreche et al., 2007)；此脂質可利用來生產生質柴油（即脂肪酸甲 基酯，FAME）。 污泥為固体廢棄物及廢水處理各階段所生成微生物之混合物。表一為典 型活性污泥之組成。
表一：西澳大利亞活性污泥之分析 (Shen and Zhang, 2003) Proximate analysis (%)
Moisture (as fed) 3.00 Ash (as fed) 22.60 Volatile matter (daf) 61.30 Fixed carbon (daf) 16.10 Ultimate analysis (wt % daf)
C 41.80 H 5.40 N 4.30 S 1.14 O, Cl (by diff.) 47.36
污泥因為富含有機物，是以可用作能源。根據使用方式之不同，從污泥中回收能源可 區分成(Rulkens, 2008)： (1)厭氧發酵；(2)生產生質柴油；(3)利用生物燃電池產生電；(4) 直接燃燒污泥回收熱能；(5)將污泥與煤一起做為發電廠燃料；(6)將污泥熱裂解(Sheng and Zhang, 2003; Demirbas, 2003; Bridle and Pritchard, 2004)；(7)用以生產水泥或建材；(8)污泥 之超臨界濕式氧化(supercritical wet oxidation)；及(9)水熱處理(hydrothermal treatment)。雖 然厭氧發酵處理污泥很有效，但過程緩慢需用大反應槽。另一選擇是將污泥所含之碳利用 好氧發酵將之轉變成脂質(lipid)，再將脂質用來生產生質柴油。例如有人在30oC 及pH5下 在好氧條件下，污泥中生長Lipomyces starkeyi DSM 70295，透過添加葡萄糖調整C/N比例至 100，可在酵母菌中累積35.6%之脂質(Angerbauer et al., 2007)。
Boocock et al. (1992)嘗試以各種方式及溶劑萃取活性污泥中之油脂，他們發現以甲苯 為溶劑時所得之油脂含量可達18%，以之生產生質柴油他們宣稱轉化率可答13%。Dufreche et al. (2007)利用有機溶劑及超臨界二氧化碳從活性污泥中萃取油脂再將油脂與甲醇反應以 生產生質柴油。他們發現在50oC下反應24小時，生質柴油之最大轉化率最多只達.6.23%。.
活性污泥含約 20%之油脂，理論上可利用酸催化或鹼催化將之轉換成生質柴油。目前 之研究大多使用溶劑將油脂萃取出來，在將油脂轉變成生質柴油；所得到之產率從 1%至 14%不等(Hernandez et al., 2006)。從活性污泥生產生質柴油因為原料污泥基本上不用錢，是以 用活性污泥為原料生產生質柴油有可能大幅降低生質柴油之生產成本。表二為 Dufreche et al. (2007)對從活性污泥生產生質柴油之成本分析。由表二可知若生質柴油之轉化率為 7.0%
（以污泥之乾重為準），則其生產成本為每加侖 US$3.11。若轉化效率提昇至 15.0%，則生 產成本可降低至每加侖 US$2.01。在轉化率為 10.0%時，生產成本為每加侖 US$2.50，此價 格足以與以大豆油為原料所生產之生質柴油競爭。
表二：從活性污泥生產生質柴油之成本分析a
Cost per gallon ($) Cost per gallon (%) Centrifuge O&M 0.43 13.83 Drying O&M b 1.29 41.48 Extraction O&M 0.34 10.93 Biodiesel processing O&M 0.6 19.29
Labor 0.1 3.22
Insurance 0.03 0.96
Tax 0.02 0.64
Depreciation 0.12 3.86
Capital P&Ic service 0.18 5.79
Total cost 3.11 100.00
a Assuming 7.0% overall transestrification yield
b O&M Operation and maintenance
c P&I Protection and indemnity
4. 研究方法
在第一年計畫中，我們利用次臨界水(subcritical water)萃取活性污泥中之油脂，
發現油脂之萃取量約有溶劑萃取量之 3 倍。結果已發表於 Huynh LH, NS Kasim and YH Ju*, 2010, Extraction and Analysis of Neutral Lipids from Activated Sludge with and without Subcritical Water Pre-treatment, Bioresource Technol 101, 8891-8896。本計畫之主要工作將是 將活性污泥中之油脂轉化成生質柴油。
4.1 材料
去水活性污泥(含水量約80%)取自台北市迪化污水處理廠及中壢統一麵包廠。脂肪酸甲 基酯(FAME)混合物標準品(47885-U,含37種FAME)購自(Bellefonte, PA, USA)。所有藥品及 溶劑皆為購供應商之HPLC級或反應級。薄層層析(TLC)鋁板(20cm x 20 cm x 250µm)購自 Merck KGaA (Darmstadt, Germany)。定性過濾紙(grade No. 2, 0.26 mm thickness, 80%
collection efficiency)則係由Advantec MFS, Inc. (Dublin, CA)所提供。
4.2 樣品製備
去水污泥在陽光下乾燥，然後以球磨將之磨成細粉(mesh No.60)。在以溶劑萃取油脂前，
污泥粉末先在 105°C 下加熱 24 h 以去除殘餘水份。污泥之含水量以 MB 200 Moisture Analyzer (Ohaus Corporation, New Jersey, US)測定之。經陽光乾燥及經加熱乾燥後污泥之含 水量分別為 9.22%及 2.60%。
4.3 油脂與甲醇反應以生產生質柴油
初步實驗結果顯示從污泥中萃取所得之油脂中含有大量游離脂肪酸（超過 60%），因此 本計畫先採用酸為觸媒，將游離脂肪酸轉變成脂肪酸甲基酯（即生質柴油）。若轉化率不 能達 90%以上，則將前述步驟之產物分離出之有機相進行第二階段以鹼為觸媒之反應，將 殘餘之甘油酯轉變成脂肪酸甲基酯。
4.4 將乾燥活性污泥直接與甲醇反應(in situ reaction)
若能直接將乾燥污泥與甲醇反應，省略從污泥中萃取油脂之步驟，則生產生質柴油之 成本必可相當程度之降低。因此本工作為 計畫工作之重點之一。目前文獻報導最高轉化 率（以汙泥乾重為基礎）約為 6%，若能將轉化率提昇至 10%以上，以污泥為原料生產生 質柴油即具有市場競爭力，這也是本計畫努力之目標。本研究計畫完整性地探討如何以活 性污泥為原料，生產生質柴油，使轉化率達到 10%。先嘗試以溶劑從活性污泥中萃取油，
再轉化成生質柴油。本研究之另一目的是進行直接(in situ)反應，即將活性污泥與甲醇直接 反應，免除溶劑萃油之步驟。文獻上報導直接反應有數種不同方式，包括超音波輔助、微 波輔助及次臨界甲醇反應等。最近，Liang et al. (2007)即探討利用甲醇與活性污泥直接反 應生產生質柴油之可行性。目前對以活性污泥為原料生產生質柴油之文獻報不多。本研究 計畫於第一年先進行簡單之直接反應，了解操作因素如溫度、活性污泥與甲醇莫耳比、攪 拌速率等對反應之影響，所得之結果將作為進行更困難之超臨界直接反應時之參考。圖一
3
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N2
為在次臨界甲醇條件下反應時，反應裝置之簡圖。
圖一 次臨界反應裝置: [1] N2 liquid cylinder, [2] low temperature circulator, [3] & [8] needle valve, [4] check valve, [5] filter, [6] reactor, [7] heater, [P] pressure gauge, and [T]
thermocouple.
4.5 反應產物之分析：
產物中各別成份之分析係利用標準品配合薄膜層析(TLC)及高溫氣相層析(HTGC)為 之，詳細方法參考Gunawan et al. (2008)。在分析碳氫化合物及脂肪酸甲基酯時(FAME)，TLC 板係以純己烷展開；若分析物質為醛(aldehyde)、酮(ketone)、單酸甘油酯(MAG)、二酸甘 油酯(DAG)、三酸甘油酯(TAG)、生育酚(tocopherol)、游離植物固醇(free phytosterol)及游離 脂肪酸(FFA)時，所用溶劑則為混合溶劑(hexane/ethyl acetate/acetic acid = 95/5/1 v/v)。TLC 板經空氣乾燥後，板上各點(spot)在利用碘蒸汽燻過後變成可見。FASE及游離植物固醇之 偵測步驟如下：先以溶液(50 mg ferric chloride in a mixture of 90 ml water, 5 ml acetic acid, and 5 ml sulfuric acid)噴灑，然後在100oC下加熱3-5 min，即呈現紅紫色(Fried, 1996)。鯊烯 (squalene)、FFA、游離植物固醇、生育酚及甘油酯則以HTGC分析。層析分析是以TLC板 及一配置火燄離子偵測器(FID)之Shimadzu GC-17A (Kyoto, Japan)氣相層析儀為之。所使用 之分析管柱為DB-5HT (5%-phenyl)-methylpolysiloxane nonpolar column (15 mx0.32 mm i.d.;
Agilent Technologies, Palo Alto, California). 注射器及偵測器之溫度都為370oC。管柱之溫度
行程如下：起始溫度為 80oC，然後以15oC/min之速率升溫至365oC並維持在此溫度8 min。
以氮氣為攜帶氣体，分流比為1:50，80oC時之線性速度為30 cm/s。將20 mL樣品溶於1 mL 乙酸乙酯中，取1 μL注入 HTGC中。.
5. 結果與討論
本計畫所採用之污泥取自中壢統一麵包廠。表三為經過次臨界水處理與不經過次臨界 水處理後污泥中可萃取油脂之組成。雖然未經次臨界水處理之污泥中可萃出66.64%之粗 油，但是粗油經去蠟去膠後只剩下28.31%油脂。相對經次臨界水處理之污泥中可萃出 57.67%之粗油，經去蠟去膠後得52%。因為只有去蠟去膠後油脂中之中性油脂(包括甘油酯 及游離脂肪酸)才能被利用以生產生質柴油，是以經次臨界水處理後。污泥所含可萃取之中 性脂質大幅增加。
表三：統一麵包廠污泥油脂之組成
表四為經次臨界水處理後，活性污泥所含可萃取中性脂質中脂肪酸之組成。由表四可 知游離脂肪酸及甘油酯中棕櫚酸(C16:0)、硬酯酸(C18:0)及油酸(C18:1)分別佔脂肪酸總組成 之 88.81% 及 78.97% 。 特 別 值 得 一 提 的 是 ， 此 污 泥 所 含 中 性 脂 質 中 多 不 飽 和 脂 肪 酸 (polyunsaturated fatty acid，即含兩個以上雙鍵)之比例非常小(應該是小於4%)。此脂肪酸組 成近似於一些飽和度較高之植物油，像是棕櫚油。是以從中壢統一麵包廠所取得之活性污 泥應該是生產生質柴油之理想原料。從表三可知，理論上從1克乾污泥可產生約0.5克之生 質柴油，轉化率高達50%，已經遠超過Dufreche et al. (2007)對從活性污泥生產生質柴油成 本分析所提及，若轉化效率達15.0%時，則生產成本足以與以大豆油為原料所生產之生質 柴油競爭。
圖二為DWDGSO(活性污泥之油脂經去膠去蠟)典型之GC圖譜。上圖為樣品1，取自迪 化污水處理廠；下圖為樣品二，取自中壢統一麵包廠。由GC圖譜可知，污泥油脂之組成十
分複雜；除中性脂質(單酸甘油酯、二酸甘油酯、三酸甘油酯及游離脂肪酸)外，尚含不可 皂化物如生育酚及游離植物固醇。此亦可由TLC之分析得到印證(如圖三所示)。
圖二：典型污泥油脂之GC圖譜
表四：統一麵包廠污泥中性脂質之脂肪酸組成
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 min
0.5 1.0 1.5 2.0
Chromat ogram DWDGSO Sample 2 without SCW treatment
0.0 2.5 5.0 7.5
10.0uV(x10,000)
Chromat ogram DWDGSO Sample 1 without SCW treatment
圖三：典型污泥油脂之TLC圖譜
本計畫將乾燥活性污泥直接與甲醇反應，在以4%硫酸為觸媒催化下在55oC 反應24小 時，轉化率及產率分別為>99%及60.76%。因此在酸催化下將活性污泥直接與甲醇反應，應該 是生產生質柴油經濟可行之方法。
6. 結論
本計畫用取自中壢統一麵包廠之活性污泥，利用次臨界水處理後，污泥中可用來生產 生質柴油之中性脂質大幅增加。若將乾燥活性污泥直接與甲醇反應，在以4%硫酸為觸媒催 化下在55oC 反應24 小時，轉化率及產率分別為>99%及60.76%。
c
DWDGSO
7. 參考文獻
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中 華 民 國 101 年 4 月 1 日
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
▓ 達成目標
□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：▓已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 □無 其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）
本計畫用取自中壢統一麵包廠之活性污泥，利用次臨界水處理後，污泥中可 用來生產生質柴油之中性脂質大幅增加。若將乾燥活性污泥直接與甲醇反 應，在以 4%硫酸為觸媒催化下在 55oC 反應 24 小時，轉化率及產率分別為
>99%及 60.76%。因此在酸催化下將活性污泥直接與甲醇反應，應該是生產 生質柴油經濟可行之方法。
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期：
年 月 日
國科會補助計畫
計畫名稱：以活性污泥為原料生產生質柴油(II) 計畫主持人：朱義旭
計畫編號：100-2623-E-011 -001 -ET 領域：
（中文）
研發成果名稱
（英文）
成果歸屬機構 發明人
(創作人)
（中文）
（200-500 字）
技術說明
（英文）
產業別
技術/產品應用範圍
技術移轉可行性及預期 效益
註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
附件三
國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告
日期：
年 月 日
一、參加會議經過 二、與會心得
三、考察參觀活動(無是項活動者略) 四、建議
五、攜回資料名稱及內容 六、其他
計畫編號 NSC － － － － － 計畫名稱
出國人員 姓名
服務機構 及職稱
會議時間
年 月 日 至
年 月 日
會議地點
會議名稱
(中文) (英文)
發表論文 題目
(中文) (英文) 附件四
國科會補助專題研究計畫項下赴國外(或大陸地區)出差或研習心 得報告
日期：
年 月 日
一、國外(大陸)研究過程 二、研究成果
三、建議 四、其他
計畫編 號
NSC － － － － －
計畫名 稱
出國人 員姓名
服務機 構及職 稱 出國時
間
年 月 日 至
年 月 日
出國地 點 附件五
國科會補助專題研究計畫項下國際合作研究計畫國外研究 報告
日期：
年 月 日
一、國際合作研究過程 二、研究成果
三、建議 四、其他
計畫編 號
NSC － － － － －
計畫名 稱
出國人 員姓名
服務機 構及職 稱 合作國
家
合作機 構 出國時
間
年 月 日 至
年 月 日
出國地 點 附件六
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2012/01/24
國科會補助計畫
計畫名稱: 以活性污泥為原料生產生質柴油(II) 計畫主持人: 朱義旭
計畫編號: 100-2623-E-011-001-ET 學門領域: 再生能源開發與利用
無研發成果推廣資料
100 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：朱義旭 計畫編號：100-2623-E-011-001-ET 計畫名稱：以活性污泥為原料生產生質柴油(II)
量化
成果項目 實際已達成
數（被接受 或已發表）
預期總達成 數(含實際已
達成數)
本計畫實 際貢獻百
分比
單位
備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...
等）
期刊論文 2 2 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 3 3 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100%
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 1 0 100%
博士後研究員 1 0 100%
國內
參與計畫人力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
研討會論文 0 0 100%
論文著作 篇
專書 0 0 100% 章/本
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國外
參與計畫人力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
其他成果 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)
無
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
測驗工具(含質性與量性) 0
課程/模組 0
電腦及網路系統或工具 0
教材 0
舉辦之活動/競賽 0
研討會/工作坊 0
電子報、網站 0
科 教 處 計 畫 加 填 項
目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■達成目標
□未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□實驗失敗
□因故實驗中斷
□其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）
相關成果已發表兩篇 SCI 期刊論文:(1) Huynh LH, NS Kasim and YH Ju*, 2010, Extraction and Analysis of Neutral Lipids from Activated Sludge with and without Subcritical Water Pre-treatment, Bioresource Technol 101:22, 8891-8896； (2) Huynh LH, QD Do, NS Kasim and YH Ju*, 2011, Isolation and Analysis of Wax Esters from Activated Sludge, Bioresource Technol 102, 20, 9518–9523
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）
台灣 2008 年柴油用量估計約 450 萬公噸，若以政府 2010 年全面推廣使用 B2（即添加 2%
生質柴油之柴油）估計，每年約需 10 萬公噸生質柴油。目前世界各國主要生產生質柴油 之原料油為棕櫚油、大豆油及菜仔油。這些作物在台灣都非主要農作物且生產成本遠高於 國外，無法與國外競爭。台灣每年估計產生 40 萬噸乾活性污泥，以含 15%中性油脂估計，
台灣之活性污泥有每年生產 6 萬噸生質柴油之潛力。因此活性污泥為具潛力值得開發之生 質柴油原料，以活性污泥為原料生產之生質柴油在價格上可與石化柴油競爭甚至更便宜。
文獻上報導最佳轉化率僅約 6%，本計畫擬探討以活性污泥為原料生產生質柴油。計畫第一 年我們發現，透過次臨界水萃取，從活性污泥所能得到之油脂量約為一般溶劑萃取所得之 3 倍。在本計畫中，將乾活性污泥與甲醇在以 4%硫酸為觸媒催化下在 55oC 反應 24 小時，
轉化率及產率分別為>99%及 60.76%。
