生质酒精的原理生质酒精的原理.doc

生質酒精的原理 含木質纖維素或多醣之生質廢棄物可作生質酒精之原料。它的來源包括農作物秸稈、林業加工廢料、甘蔗渣、藻類及城市垃圾中所含的廢棄生質等。 由於木質纖維主要是由單糖所聚合而成的高分子，生質酒精的原理即是將生質中的木質纖維降解為單糖，再將單糖發酵製成酒精。雖然原物料價格便宜，但生產成本卻很高。 1 . 木質纖維組成 木質纖維主要組成分包括三大部分,而在不同的生質中其比例含量不同。 纖維素 纖維素是由葡萄糖高度聚合而成的晶體架構，此種結構使得纖維素的性質非常穩定。只有在無機酸或是纖維素.的存在下，纖維素的降解反應才會顯著地進行。 半纖維素 而半纖維素是由不同的多聚醣以直鏈或是支鏈聚合而成的混合物，其降解產物包括2種五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和3種六碳糖(葡萄糖、半乳糖和甘露糖)，各種糖所占比例隨生質不同而有所變異。半纖維素的聚合度較低，也無晶體架構，較易水解。但因生質裡的半纖維素和纖維素互相纏繞在一起，故只有當纖維素被水解時，半纖維素才能水解完全。理論上每162kg 纖維素水解可得180kg 葡萄糖，每132kg 木聚醣水解可得150kg 木糖。 1.3木質素 木質纖維的另一個組成分為木質素，其是由苯基丙烷架構單元透過碳-碳鍵連接而成的三度空間高分子化合物，木質素無法被降解為單糖，且在纖維素周遭形成保護層，影響纖維素水解。但木質素中氧之含量低，熱值(27MJ/kg) 比纖維素(17MJ/kg) 高，因此，水解中留下之木質素殘渣常用作燃料。 2. 木質纖維之酸解 木質纖維或多醣的降解可分為酸解與酶解；酸解又可分為濃酸水解和稀酸水解，它們有不同的機制。濃酸水解在19 世紀即已提出，結晶纖維素在較低的溫度下可完全溶解於72% 的硫酸或42% 的鹽酸中，轉化成含幾個葡萄糖單元的低聚醣，把此溶液加水稀釋並加熱，經一定時間後就可把低聚醣水解為葡萄糖，並得到較高的收率。酸水解的特點是糖的回收率高(最高可達90% 以上)，但所需時間長，而且酸必須回收。 2.1 影響水解效率的主要因素包括： 2.1.1 原料粉碎程度： 原料顆粒越細，與酸液的接觸面積就越大，其水解效果就越好；但 過細之原料有耗工時之虞。 2.1.2 液固比： 一般液固比增加，單位原料的產糖量也增加，但水解成本上升，且所得糖液濃度下降，增加了後續發酵和精餾程序的費用，常用液固比在8~10之間。 反應溫度及時間： 一般認為溫度對水解的影響是溫度上升10 ℃水解速度可提升0.5~1倍，故當水解溫度高時，水解時間可以縮短。 酸種類及濃度： 理論上，酸濃度提升1倍而其它條件不變時，水解時間可縮短1/3~1/2。但酸濃度提高，設備抗腐蝕性也將提升，導致成本增加，一般常用酸濃度不超過3%。 3. 木質纖維之酶解 自然界中有一些細菌、霉菌和放射線菌都能利用纖維素作為碳源和能量的來源，因為這些微生物能產生將纖維素分解為單糖的纖維素酶。纖維素酶.主要包括內切葡萄糖酶.(endo-glucanase) 、外切葡萄糖酶.(exoglucanase)和β-葡萄糖酶(β-glucanase) ；其中內切葡萄糖酶的作用是隨機地切割β-1,4-葡萄糖酶鍵，使纖維素長鏈斷裂，斷裂的分子鏈具有一個還原端和一個非還原端。外切葡萄糖酶包含兩個組分，其作用是分別從纖維素長鏈的還原端切割下葡萄糖和纖維二醣(兩個葡萄糖的聚合物)，而β-葡萄糖酶的作用是把纖維二醣和短鏈低聚醣分解成葡萄糖。 與酸解相較，酶解的優點是: 它可在常溫下進行、微生物的培養與維持僅需較少的原料，能量消耗低。 酶的專一性高，可生成單一產物，故糖產率很高(95%) 。 酶解中的副產物很少，純化過程簡單，污染機會少。 酶解的缺點是: 酶解的最大缺點是所需時間長(一般要幾天) 酶的生產成本高，且原料需經前處理。 3.1 酶解過程包括原料前處理、.生產和纖維素水解等部分。 3.1.1. 酶解的前處理 由於生質中纖維素、半纖維素和木質素間互相纏繞，且纖維素本身存在晶體結構，會阻止酶接近纖維素表面，故生物質直接酶解時效率很低。透過前處理可除去大部分的木質素、同時溶解半纖維素或破壞纖維素的晶體結構，從而增大其可接觸表面積，提升酶解收率。 目前常用前處理方法大致上可分為物理法、物理-化學法和化學法： A 物理法： 主要是利用機械粉碎，使生質原料的顆粒變小，增加和酶的接觸表面積，更重要的是破壞纖維素的晶體結構，但是粉碎生質原料所需耗能較大。 B 物理-化學法： 主要包括蒸汽爆裂、氨纖維爆裂、CO2爆裂等。其原理為利用蒸汽或其它氣體將生質原料加熱後，並保持一定時間，利用高溫和高壓導致木質素的軟化，然後迅速開閥降壓，造成纖維素晶體的爆裂，達到木質素和纖維素分離的結果。 (1) 蒸汽爆裂法的優點是耗能低，可批式或連續式操作，主要適合於硬木原料