稀酸水解製程(Diluted-acid hydrolysis process) Facebook Plurk Twitter

        乙醇之稀酸水解製程起源於1898年,由德國所建立。第一次世界大戰期間,美國建立了兩座以所謂之American Process作為製程(即單一步驟之稀硫酸水解製程)之乙醇生產工廠,而後因木材產量下降,這兩座工廠在大戰後即關閉,僅剩下小規模之稀酸水解研究持續在美國農業部(U.S. Department of Agriculture,USDA)之Forest Products Laboratory進行。第二次世界大戰期間,因乙醇出現短缺,使得美國之War Production Board在鼓勵「木材轉換成乙醇」之研究外,也指揮Forest Products Laboratory改良德國在1932年所研發之Scholler Process,提出Madison Wood Sugar process。1980年代,因能源議題再起,稀酸水解製程之研究又重新受到重視,美國能源部(U.S. Department of Energy,DOE)與農業部也開始大量支持這方面之研究。

        目前採用稀酸水解製程之生質乙醇工廠有美國之BC International 公司(BCI)與Tembec and Georgia Pacific公司等。(U.S. DOE, 2006a)

        為了因應纖維素與半纖維素差異,稀酸水解製程分成兩個階段:第一階段(First stage)係於較溫和之條件下,將半纖維素解聚合(Depolymerize)或水解成單醣,並避免單醣發生降解(Degradation);第二階段(Second stage)則以最佳化之條件,將纖維素水解成葡萄糖,並避免葡萄糖發生降解。

        在稀酸水解製程中(Brink, 1993),如圖3所示,料源先研磨成粉末狀,並導入螺旋送料機(Screw conveyor),以蒸氣除去揮發性物質,然後進行第一階段水解,將半纖維素與第二階段水解後由水解液分離出來之寡合體(Oligomers),一起被水解成己醣(Hexose sugars)與戊醣(Pentose sugars)。

        第一階段水解後之含醣溶液被導入液體萃取器(Liquid extraction unit),而呈現泥漿狀(Slurry)之流出物(Effluent)則導入分離器(Separator)進行固液分離,分離後之液體導入液體萃取器,固體則導入粉碎機(Disintegrator)增加細度與接觸面積,而後再導入敏化器(Sensitization unit),透過敏化作用提高纖維素之水解速率,然後將敏化後之固體與液體一起進行第二階段水解。

         第二階段水解後之泥漿狀產物,則導入分離器進行固液分離,分離後之液體則導回第一階段,固體則利用濕式氧化法(Wet oxidation process)進行後續之殘渣處理,產製CO2、甲烷(Methane)、甲酸(Formic acid)、甲醇(Methanol)等副產品。

        經液體萃取器萃取剩餘之萃取物則併入殘留物(Residue)處理程序,而萃取所得之水解液(Hydrolyzate)則導入醱酵槽,將六碳醣與五碳醣轉換成Fermentation beer(乙醇、微生物與水之混合物)與CO2,前者先經分離回收微生物,再蒸餾取得乙醇,而殘留之木質素、未分解之纖維素、半纖維素、灰分與其他有機物則經收集再利用。

生質酒精稀酸水解製程

圖3 稀酸水解製程(Szengyel, 2000)


參考資料
Brink, D. L. 1993. Method of treating biomass material. U.S. Patent No. 5,221,357.
DOE. 2006a. U.S. Department of Energy: Energy Efficiency and Renewable Energy. Available at: www.eere.energy.gov/biomass/ dilute_acid.html. Accessed 10 April 2006.
Szebgyel, Z. 2000. Ethanol from wood cellulose enzyme production., Lund University, Sweden: Lund.

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