〈工业技术资讯月刊〉木质纤维素解聚产醣成金

东南亚的椰子树怎么矮了一截？这些与椰子树相仿，有着宽大叶形的植物，可是生产全世界植物油约三分之一的油棕树。棕櫚油是由油棕果实榨取而成，然而榨完油的果实残渣处理不易，所幸有工研院研发的“木质纤维素解聚产醣技术”，不...

东南亚的椰子树怎么矮了一截？这些与椰子树相仿，有着宽大叶形的植物，可是生产全世界植物油约三分之一的油棕树。棕櫚油是由油棕果实榨取而成，然而榨完油的果实残渣处理不易，所幸有工研院研发的“木质纤维素解聚产醣技术”，不仅解决废弃物可能所带来的环境污染问题，也为台商开拓了循环经济新蓝海商机。

马来西亚目前为世界第二大棕櫚油生产与出口国，拥有广大的油棕田，榨完油的油棕果残渣成为农业废弃物，处理上是一大问题。（图／123RF 图库）时间倒转至 2012 年，有鉴于石油资源渐趋枯竭、地球暖化问题严重，过去曾执行过从微藻中提炼生质柴油原料，以及垃圾经处理成为替代燃料等计划的工研院生质能源团队，开始尝试寻找能够替代石油能源的永续性绿色燃料与原料。

“当时我们就想到，自古以来，自然界最永续的天然有机物就是植物，产量又丰富，如果能通过我们生质能源团队既有的化学与生物能量，发展将植物解聚成醣，再将醣通过醱酵转换成乙醇（酒精），加入汽油中供车辆使用，或许就替代一部分的传统汽油，对于提供永续绿色能源及减少碳排放，对人类生活将有所贡献，”工研院绿能与环境研究所组长万皓鹏说。

不只替代石油 民生应用更广研发团队的想法并非天马行空，任何植物都是由“木质纤维素”所组成，又可细分为纤维素、半纤维素以及木质素 3 种成分，各含量则因不同植物而有所差别，其中纤维素和半纤维素的占比最多。“解聚”则是将固体纤维素水解成葡萄糖，而半纤维素水解可生成木糖和其他稀有醣类，产生的醣类则成为生质燃料与化学品的重要原料，可再进一步通过化学或生物制程，生产我们生活所需的能源或生活用品。

全球有不少研究机构都在进行木质纤维素的解聚开发与应用研究，据统计，全世界木质纤维素产量一年约 1,500 亿吨，若以 1% 使用量，也就是 15 亿吨，木质纤维素中纤维素含量 50% 来计算，每年约可生产 7.5 亿吨水解醣，进一步醱酵则可转化为 3.7 亿吨生质酒精，取代 2.2 亿吨汽油，将可减少每年全球 54%、超过一半以上的传统汽油消耗量。

“木质纤维素所生产的水解醣，不仅可以再产制成燃料乙醇或丁醇，做为能源替代品，还能做成生质特用化学品以及生质基础化学品，与人类生活息息相关，”万皓鹏表示，生质特用化学品，像是味精、柠檬酸、乳酸、琥珀酸等，后续还可做成塑胶或橡胶；基础化学品则是靠水解出木糖或葡萄糖，做成如食品添加剂、化妆品甘油等民生用材料，也可加值制成蛋白质，进行其他生物科技应用。目前上述民生与工业材料制程用到的糖蜜，均取自可供食用的甘蔗与甜菜，若木质纤维素解聚技术研发成功，可改善“与人争粮”的现状，更符合联合国永续环境的发展方向。

熬过漫长研究路 薄膜分离成曙光2013 年在经济部能源局专案计划的支持下，工研院正式投入木质纤维素解聚技术的开发，并选择采取“离子溶液水解”，即将植物在特定化学溶剂中，解聚转化为水解醣。万皓鹏表示，研发过程中遇到最大的挑战，就是如何开发适当之化学溶剂配方及将水解后醣液由溶剂中有效纯化、分离出来。为此，研发团队前后尝试多次实验，经历 3 代的技术改良才终于定案。

万皓鹏回忆，最初 2 年团队是利用“溶剂萃取”，虽然有效，却陷入萃取剂回收困难、能源耗用大等困境，于是后来改成“模拟移动床”，但又面临用水量大、系统容易堵塞等难题，甚至成品水解醣也容易遭稀释，浓缩又得增加成本，只好另起炉灶。直到 2016 年采取“薄膜分离”法，也就是采用特定薄膜过滤纯化程序，研究才开始展露曙光，不管是用水量、纯化成本、醣浓度变化、系统操作顺畅性等表现上，皆突破前几项技术之缺点，而确实达到了商业化连续制程的需求。

运用“木质纤维素解聚产醣技术”产生的醣类能成为生质燃料与化学品的重要原料。图为试量产线厂房。解聚效果佳 国外技术也失色工研院的木质纤维素离子溶液水解技术，就算拿到国际上与人相比，也丝毫不逊色，甚至取得领先。例如以蔗渣解聚为例，使用工研院离子溶液解聚技术，1 吨的蔗渣约可获得 590 公斤的水解醣。相较于美国国家实验室以玉米稈酵素水解程序需 84 小时的反应，工研院以独门配方催化水解反应，产醣时间只需要 5 小时，效率高出许多，这项创举也成功申请到多项专利。

“一项诉诸环境永续的新技术，若在制程中产生更多废弃物或耗费更多能源，就不能说是很好的技术，”万皓鹏表示，酵素水解每公斤产醣所需能源的二氧化碳排放约 612 克，而工研院的离子溶液水解的二氧化碳排放量则仅有 334 克，碳排放少了 40%；此外，工研院团队尝试过包含稻稈在内的 10 余种农林废弃物，解聚程度均达 9 成以上，反观酵素水解却不是每种植物都可以分解。诸多优异之处，使得这项技术于 2013 年荣获有科技界的奥斯卡奖之称的全球百大科技研发奖（2013 R&D 100 Awards）。

农废料源分散 成本难降可惜的是，即便木质素解聚产醣技术领先国际，但在国内推动时反而陷入瓶颈，主要问题在于料源收集成本。万皓鹏指出，台湾 1 年约有 120 万吨稻稈，但是产地分散，从田里收集稻稈集中到工厂，需大量使用人工，所需投入大量成本，即便最终制成生质酒精取代汽油，1 公升售价可能达 7、80 元，比一般汽油高出甚多，当石油价格偏低时，势必更乏人问津。研发团队因此常被质疑在台湾实施的可能性，“所以，问题不是在于技术，而是成本与外部环境，”万皓鹏指出。

既然料源分散、收集成本高，显示该技术可能不适合在台湾发展，那为什么还要投入研发？“为人类找寻后石油时代的永续能源，是我的梦想，也是使命。”万皓鹏认为只要后天环境得宜，例如将技术应用到接近大量低价的料源产地，或日后因气体变迁日趋严峻，石油使用必须减量或匱乏时，生质能源仍然有着永续替代性，梦想还是有机会实现。

全宇凭借当地资源优势以及经由技术加值，成堆的油棕果废弃物摇身一变为木糖醇、胺基酸，或乙醇燃料等高价值产品。（图／123RF 图库）切入油棕产地 空果串解聚效率高万皓鹏的心声，终于被听到了。今年 5 月，工研院与来自马来西亚的全宇生技签署技术授权合约，为木质素解聚产醣技术发展找到新出路。

马来西亚目前为世界第二大棕櫚油生产与出口国，拥有广大的油棕田，榨完油的油棕果残渣成为农业废弃物，处理上是一大问题。过去当地较常采取的做法就是直接放火燃烧处理，但容易造成空气污染雾霾，当地政府已经下令禁止焚烧；而随意弃置又会引发病虫害，究竟该拿这些烫手山芋如何是好，一直困扰着当地油棕田业者。

全宇生技早在 20 多年前就到马来西亚创业，从事研发生化复合肥料，主要供应给油棕田使用，市占率超过 80%，当地大型油棕果园都是全宇的客户，也因此掌握大量油棕废弃物来源。与工研院从 2 年前开始合作，以长纤油棕空果串进行木质纤维素解聚产醣技术的产醣测试。把废料变成更加高附加价值的产品，不仅成功解决当地废弃物问题，产醣效率更达到 1 公斤长纤油棕空果串平均可生产 0.5 公斤木糖和葡萄糖的成效，较其他相似技术成本减少 30%，具有非常大的优势。

“非常感谢工研院能够把这项前瞻技术授权给全宇，大幅缩短我们自行研发的时程！”全宇生技董事长彭士豪进一步表示，油棕产业占马来西亚 GDP 达 17%，当地每年约有 2,600 万吨的长纤油棕空果串资材，可做为生质“醣”的来源，而“醣”正是全宇生技很重要的原料，借由当地量大价廉的料源成本优势，经由技术加值，可摇身一变为木糖醇、胺基酸，或乙醇燃料等高价值产品。

携手台商 布局新南向市场彭士豪指出，工研院将先在全宇设立吨级先导厂，预计明年正式运转，估计产出的木糖 1 吨价格平均为 3,500 美元，葡萄糖约为 350 美元，达到真正的废物变黄金，未来商业化后，全宇也将持续跟工研院合作，进行高附加价值的产品开发与利用，抢攻循环经济商机。

彭士豪更透露，除了马来西亚、全宇也朝印尼市场发展，在苏门答腊设肥料厂。印尼是全球第一大油棕果产地，每年约有 6,000 万吨的油棕果串废弃物，有了工研院技术加持，可进一步处理大量农废弃物，同时发展绿色农业、生物科技与循环经济，后续市场可期。

农林废弃物若善加利用，也能翻身高价值产品。全球可利用的木质纤维素原料每年至少 40 亿吨，无论是应用于食品添加的醣类、能源替代品的生质燃料，到制作饲料的胺基酸，用途非常多元。通过工研院关键技术、整合系统与服务模式，与在地台商连结，以整厂输出及技术授权的方式，布局全球农林资材丰沛区域，建立能源与化学品的永续原料供应链，将可创造更庞大的循环经济蓝海新商机。

全世界木质纤维素产量每年约可生产 7.5 亿吨水解醣，可取代 2.2 亿吨汽油。

转载自《工业技术与资讯》月刊第 331期 2019 年 07月号，未经授权不得转载。