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產業技術評析

生質建構化學品市場及技術發展近況
發表日期:2018-03-21
作者:劉致中(工研院IEK)
摘要:
生質建構化學品是以生物質(Biomass,例如:玉米澱粉、木薯澱粉、糖蜜等)作為原料所生產之化學用途的產品(不包含使用於燃料用途的生質酒精、生質柴油等產品)。

全文:

木質素與纖維素是目前地球上存在最多的生物質,國際上許多的技術開發機構莫不想盡辦法開發應用這些資源的技術,纖維素轉化為醣的應用技術已達到相對成熟的階段,目前在符合商業效益的情況下,即可進入商業應用階段。應用纖維素為原料製作的生質建構化學品,由於成分與內容物成分關係,以烯烴類產品為主,芳烴類較少,因此可以產出芳烴類建構化學品的木質素開始受到注目。近期,可以產出苯系列產物的木質素的應用技術,成為廠商發展的重點,這些技術目前多數仍處於發展階段,本文將對業界發展狀況進行介紹。
 

一、生質建構化學品的定義及範圍
 

生質建構化學品是以生物質(Biomass,例如:玉米澱粉、木薯澱粉、糖蜜等)作為原料所生產之化學用途的產品(不包含使用於燃料用途的生質酒精、生質柴油等產品)。這些產品具有可生產多種二階化學品(Secondary Chemical)的衍伸特性,可以衍伸發展出龐大的生質化學產業結構,因此也稱為建構化學品。圖一為美國能源局(DOE)於2004年發表的生質建構化學品項目、上游製造生質料源與下游可衍伸的化學品品項。
 

圖1 生質建構化學品(Building Block Chemical)概念與種類

資料來源:T. Werpy and G. Petersen, DOE, 2004;工研院IEK(2017/02)。
圖1 生質建構化學品(Building Block Chemical)概念與種類。
 

二、生質化學品市場遭遇的問題
 

(一)非糧料源的技術有待突破
 

生質化學品的蓬勃發展源自2006年至2008年間,以美國為首的生質能源發展國家,使用玉米、甘蔗等糧食作物來生產生質柴油與生質酒精。此舉帶動了擁有生質資源潛力的國家,如印尼、馬來西亞等,開始投入棕櫚樹的栽植與生質柴油的生產。最後,連不具生質資源潛力的國家看到這股發展風潮,也紛紛投入資源,唯恐錯失此波產業興起的參與機會。一連串的行動,帶起了這一波生質化學品的風潮。
 

此舉造成當時全球糧食價格的節節上漲,人類維持基本生存的糧食資源,在發展生質燃料產業時,發生了嚴重的排擠效應,造成了缺糧國家與救助機構需付出更高的代價取得糧食。同時為了種植玉米、甘蔗、棕櫚樹等生質作物,開始砍伐與開墾原有的天然雨林,造成了大規模雨林面積的消失與生存其中物種的消失。原先認為可以兼顧替代原油與永續發展雙重目的的生質化學品,卻在發展過程中,產生了極大的負面效應。
 

避免「與民爭糧」的負面效應,美國能源部修正了可利用生產生質化學品的生物質之定義,以任何可再生或可循環利用的有機物質為主,但不包括做為人類食品的農作物、眷養動物的糧食及與以商業應用為目的的木材。這些可再生或可循環利用的有機物質包括了「能源作物」、「能源林木」、「糧食作物與飼料作物的殘留物」、「樹木與木材的廢棄物與殘留物」、「各種水生植物、草、殘留物」、「纖維」、「動物廢棄物」與「城市垃圾」等,擴大了生物質的來源並排除了糧食的來源。
 

由於生物質來源的修正與轉變,造成原先由糖或澱粉為原料開始生產生質化學品的技術必須隨之有所調整,原先由作為糧食的澱粉生物質生產的技術,必須調整為利用「纖維素」或「木質素」作為原料進行生產。而「纖維素」或「木質素」必須先轉換為醣液,方可與目前的生產技術接軌,因此將纖維素或木質素快速且高轉換率的分解成為醣液的技術成為商業化必須突破的關建技術。
 

(二)低廉原油價格的挑戰
 

生質化學品克服了生質原料來源與生產技術等障礙後,市場是另一項嚴酷的考驗,目前由生物質原料製造的生質化學品大多數仍進入原有的石化化學品市場,除了價格必須與原有產品競爭外,是否可為使用的客戶帶來額外的效益,成為使用客戶是否更替原有產品改換為生質化學品的主要考量。這些額外的效益包括(1)降低企業對產品的回收與廢棄處理成本(2)企業對環保重視的程度與綠色形象(2)商品以低碳足跡的消費意象呈現,較易為消費者接受(3)低碳足跡的商品可以較簡易的進入已建立綠色貿易障礙的區域市場,這些額外的效益已經在市場逐漸產生影響力,但要成為消費者選購生質化學品製造之商品的主要決定因素,仍需各國或區域市場在法令面對高碳足跡商品管制的持續規範。
 

但近年(2015~2017年)國際原油均價(約落於45美金/桶),相較於生質化學品蓬勃發展的2006~2008年間之均價(約落於110美金/桶)呈現腰斬狀態,生質化學品為使用客戶帶來的額外效益已不足匹敵價格的龐大差距,也造成近年全球生質化學品投資項目減少與市場低迷的景況。
 

圖2 近年原油的價格與走勢

資料來源:經濟部能源局(2018/01)。
圖2 近年原油的價格與走勢。
 

三、近期受關注的技術─木質素生產芳烴技術
 

(一)美國的Anellotech公司完成試驗工廠
 

美國的Anellotech公司最近完成了應用木質素作為原料生產BTX的試驗工廠,此廠應用bedevil製程,採用流體化觸媒床反應器(Fluidised Catalytic Bed Reactor),以通入過量氧氣的方式進行反應,產生BTX、重質芳烴、CO、CO2與水;目前此試驗工廠已經可以運行數天生產BTX,並開始測試運行參數,用以達到最適生產製程。
 

(二)Virent聯手Johnson Matthey、Toray與Coca-Cola共同開發BioForming技術
 

Virent公司所發展的BioForming技術是在水相進行重整(APR, Aqueous Phase Reforming)反應的技術,為一項全新的技術,主要將醣轉化成對二甲苯與烯烴化合物,其中的烯烴化合物可drop-in添加於輕質汽油(Premium Quality Gasoline)、柴油與噴射用油中使用。
 

(三) Renmatix公司由木質素生產C5和C6糖
 

美國Renmatix公司使用在高溫與高壓下的超臨界水,從木質素生產C5和C6糖。德國BASF已和Renmatix簽署了聯合開發協議,以擴大後者的技術,提取從木質生物質糖。
 

(四)以往失敗案例
 

Rentech公司曾經嘗試將木質素採用Fischer-Tropsch製程,以氣化方式生成合成氣,該公司後來結束了這項試驗,同時出售技術與木屑顆粒壓縮的業務。KiOR公司則在美國密西西比州建置了一個採用流化催化裂化(FCC)技術的商業廠,後來項目失敗,KiOR公司破產。INEOS Bio公司已經建立將木質素經氣化製程產生CO發酵製造纖維素乙醇的工廠,但發生發酵製程中的厭氧菌產生氰化氫(HCN)造成CO流的污染問題,該饋送其厭氧細菌的的問題,INEOS Bio已經出售了該工廠。從以上三家公司失敗的例子,可以發現利用木質素作為原料,生產生質建構化學品的技術仍存在相當的技術困難度。
 

四、IEKView
 

木質素與纖維素是目前地球上存在最多的生物質,國際上許多的技術開發機構莫不想盡辦法開發可以應用這些資源的技術,纖維素應用相關技術的發展已達到相對成熟的階段,目前僅須符合商業效益,即可大量應用;而木質素應用技術,尤其是可以產出苯系列產物的技術,為廠商發展的重點,這些技術多數仍處於發展階段,未來要達到商業化應用仍有一段相當長的時間。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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