氫氣與丁醇兩階段醱酵整合

                 氫氣具有乾淨、高熱值及應用於燃料電池發電具高發電效率等特質,因此被全球寄予高度厚望;而醱酵產氫乃利用厭氧菌來降解廢棄物或廢水中有機質併同獲取氫氣,雖兼具污染防治及能源再生之功能,然其COD (chemical oxygen demand)去除率實際上卻有限(約僅10%左右),因此產氫槽出流液仍含有高濃度COD (主要為產氫伴隨產生之丁酸及乙酸)而需進一步處理。

                 丁醇被認為是繼生質柴油、生質乙醇後的新一代液體生物燃料,極具發展潛力;相對於乙醇,丁醇其單位質量的熱值較高、吸水性較差及閃燃點(flash point)較高(儲存及運輸較乙醇方便及安全),以及與現有車輛的相容性較高,因此被認為是比乙醇更優質的替代燃料。丁醇可藉由糖或甘油的醱酵來製取,其中甘油為生質柴油及肥皂生產的副產物,近年來全球生質柴油爆發性的成長已導致甘油過剩而價格暴跌(每產生100公斤的生質柴油約副產10公斤粗甘油),因此轉化甘油產製丁醇不僅能開發甘油的新用途亦同時能降低生質柴油的整體成本。

                 丁酸是丁醇生成的前趨物,能觸發微生物代謝路徑從酸化(acidogenesis)轉至溶劑化(solventogensis)而有利於丁醇生產。由於丁酸是醱酵產氫的主要液態產物,因此可構思將氫氣醱酵與丁醇醱酵兩程序做一整合,亦即將產氫槽之出流液(主要為丁酸)添加入甘油中以提升甘油之丁醇產率,同時並藉丁醇醱酵伴隨產生的氫氣來增加整體氫氣的回收量。成功大學化工系張嘉修教授實驗室曾以批次實驗進行添加丁酸對厭氧菌Clostridium pasteurianum轉化甘油產生丁醇之效應探討,結果顯示適量的添加丁酸確可明顯提升丁醇產率。筆者曾於實驗室中以連續流攪拌式反應器(continuous flow stirred tank reactor, CSTR)植種厭氧污泥分別進行丁酸及產氫槽出流液添加於甘油培養基中之丁醇醱酵試驗,結果顯示適當的添加丁酸其丁醇產量可提升42%,而添加產氫槽出流液則可使丁醇產量提升25%,顯示整合氫氣醱酵與丁醇醱酵兩程序兼以處理產氫槽出流液之COD併同提升丁醇產量乃具可行性。

                 我國在推廣生質柴油過程中因遊覽車業者抗議使用生質柴油會有油路堵塞的情形而於2014年5月宣告暫時取消B2生質柴油(石化柴油中添加2%生質柴油)政策,致使原本預計2015年全面實施B5生質柴油而估計生質柴油需求量30萬公秉霎時降為零,導致國內原有四家生質柴油生產業者被迫縮減為僅剩承德油脂一家苦撐,而其所生產之生質柴油亦迫而轉銷歐盟,雖然因此國內甘油過剩的問題趨緩,但國內業者生產生質柴油的主要原料為廢食用油,當生質柴油大量減產,每年數十萬公噸廢食用油的流向堪慮。今新政府主張非核家園與綠能執政,期盼能盡速尋求解決生質柴油的油路堵塞問題以盡快恢復生質柴油添加政策,進而提高再生能源使用比例,朝向非核家園的願景邁進。

作者介紹

中臺科技大學 李國興 副教授
生質能源、生物產氫、廢棄物能源化、丁醇醱酵