Bach - Violin Concerto in D
minor BWV 1052R - Sato | Netherlands Bach Society
【摘要2019.7.23.自由】東南亞與椰子樹相仿，有著寬大葉形的植物，可是生產全世界植物油約三分之一的油棕樹。棕櫚油是由油棕果實榨取而成，然而榨完油的果實殘渣處理不易，所幸有工研院研發的「木質纖維素解聚產醣技術」，不僅解決廢棄物可能所帶來的環境汙染問題，也為台商開拓了循環經濟新藍海商機。
時間倒轉至2012年，有鑒於石油資源漸趨枯竭、地球暖化問題嚴重，過去曾執行過從微藻中提煉生質柴油原料，以及垃圾經處理成為替代燃料等計畫的工研院生質能源團隊，開始嘗試尋找能夠替代石油能源的永續性綠色燃料與原料。
「當時我們就想到，自古以來，自然界最永續的天然有機物就是植物，產量又豐富，如果能透過我們生質能源團隊既有的化學與生物能量，發展將植物解聚成醣，再將醣透過醱酵，轉換成乙醇（酒精），加入汽油中供車輛使用，或許就替代一部分的傳統汽油，對於提供永續綠色能源及減少碳排放，對人類生活將有所貢獻，」工研院綠能與環境研究所組長萬皓鵬說。
研發團隊的想法並非天馬行空，任何植物都是由「木質纖維素」所組成，又可細分為纖維素、半纖維素以及木質素3種成分，各含量則因不同植物而有所差別，其中纖維素和半纖維素的占比最多。「解聚」則是將固體纖維素水解成葡萄糖，而半纖維素水解可生成木糖和其他稀有醣類，產生的醣類則成為生質燃料與化學品的重要原料，可再進一步透過化學或生物製程，生產我們生活所需的能源或生活用品。
全球有不少研究機構都在進行木質纖維素的解聚開發與應用研究，據統計，全世界木質纖維素產量一年約1,500億噸，若以1%使用量，也就是15億噸，木質纖維素中纖維素含量50%來計算，每年約可生產7.5億噸水解醣，進一步醱酵則可轉化為3.7億噸生質酒精，取代2.2億噸汽油，將可減少每年全球54%、超過一半以上的傳統汽油消耗量。
「木質纖維素所生產的水解醣，不僅可以再產製成燃料乙醇或丁醇，做為能源替代品，還能做成生質特用化學品以及生質基礎化學品，與人類生活息息相關，」萬皓鵬表示，生質特用化學品，像是味精、檸檬酸、乳酸、琥珀酸等，後續還可做成塑膠或橡膠；
基礎化學品則是靠水解出木糖或葡萄糖，做成如食品添加劑、化妝品甘油等民生用材料，也可加值製成蛋白質，進行其他生物科技應用。目前上述民生與工業材料製程用到的糖蜜，均取自可供食用的甘蔗與甜菜，若木質纖維素解聚技術研發成功，可改善「與人爭糧」的現狀，更符合聯合國永續環境的發展方向。
2013年在經濟部能源局專案計畫的支持下，工研院正式投入木質纖維素解聚技術的開發，並選擇採取「離子溶液水解」，即將植物在特定化學溶劑中，解聚轉化為水解醣。萬皓鵬表示，研發過程中遇到最大的挑戰，就是如何開發適當之化學溶劑配方及將水解後醣液，由溶劑中有效純化、分離出來。為此，研發團隊前後嘗試多次實驗，經歷3代的技術改良才終於定案。
萬皓鵬回憶，最初2年團隊是利用「溶劑萃取」，雖然有效，卻陷入萃取劑回收困難、能源耗用大等困境，於是後來改成「模擬移動床」，但又面臨用水量大、系統容易堵塞等難題，甚至成品水解醣也容易遭稀釋，濃縮又得增加成本，只好另起爐灶。直到2016年採取「薄膜分離」法，也就是採用特定薄膜過濾純化程序，研究才開始展露曙光，不管是用水量、純化成本、醣濃度變化、系統操作順暢性等表現上，皆突破前幾項技術之缺點，而確實達到了商業化連續製程的需求。
工研院的木質纖維素離子溶液水解技術，就算拿到國際上與人相比，也絲毫不遜色，甚至取得領先。例如以蔗渣解聚為例，使用工研院離子溶液解聚技術，1噸的蔗渣約可獲得590公斤的水解醣。相較於美國國家實驗室以玉米稈酵素水解程序需84小時的反應，工研院以獨門配方催化水解反應，產醣時間只需要5小時，效率高出許多，這項創舉也成功申請到多項專利。
「一項訴諸環境永續的新技術，若在製程中產生更多廢棄物或耗費更多能源，就不能說是很好的技術，」萬皓鵬表示，酵素水解每公斤產醣所需能源的二氧化碳排放約612克，而工研院的離子溶液水解的二氧化碳排放量則僅有334克，碳排放少了40%；此外，工研院團隊嘗試過包含稻稈在內的10餘種農林廢棄物，解聚程度均達9成以上，反觀酵素水解卻不是每種植物都可以分解。諸多優異之處，使得這項技術於2013年榮獲有科技界的奧斯卡獎之稱的全球百大科技研發獎（2013
R&D 100 Awards）。
可惜的是，即便木質素解聚產醣技術領先國際，但在國內推動時反而陷入瓶頸，主要問題在於料源收集成本。萬皓鵬指出，台灣1年約有120萬噸稻稈，但是產地分散，從田裡收集稻稈集中到工廠，需大量使用人工，所需投入大量成本，即便最終製成生質酒精取代汽油，1公升售價可能達7、80元，比一般汽油高出甚多，當石油價格偏低時，勢必更乏人問津。研發團隊因此常被質疑在台灣實施的可能性，「所以，問題不是在於技術，而是成本與外部環境，」萬皓鵬指出。
既然料源分散、收集成本高，顯示該技術可能不適合在台灣發展，那為什麼還要投入研發？「為人類找尋後石油時代的永續能源，是我的夢想，也是使命。」萬皓鵬認為只要後天環境得宜，例如將技術應用到接近大量低價的料源產地，或日後因氣體變遷日趨嚴峻，石油使用必須減量或匱乏時，生質能源仍然有著永續替代性，夢想還是有機會實現。
萬皓鵬的心聲，終於被聽到了。今年5月，工研院與來自馬來西亞的全宇生技簽署技術授權合約，為木質素解聚產醣技術發展找到新出路。
馬來西亞目前為世界第二大棕櫚油生產與出口國，擁有廣大的油棕田，榨完油的油棕果殘渣成為農業廢棄物，處理上是一大問題。過去當地較常採取的做法就是直接放火燃燒處理，但容易造成空汙霾害，當地政府已經下令禁止焚燒；而隨意棄置又會引發病蟲害，究竟該拿這些燙手山芋如何是好，一直困擾著當地油棕田業者。
全宇生技早在20多年前就到馬來西亞創業，從事研發生化複合肥料，主要供應給油棕田使用，市占率超過80%，當地大型油棕果園都是全宇的客戶，也因此掌握大量油棕廢棄物來源。與工研院從2年前開始合作，以長纖油棕空果串進行木質纖維素解聚產醣技術的產醣測試。把廢料變成更加高附加價值的產品，不僅成功解決當地廢棄物問題，產醣效率更達到1公斤長纖油棕空果串平均可生產0.5公斤木糖和葡萄糖的成效，較其他相似技術成本減少30%，具有相當大的優勢。
「非常感謝工研院能夠把這項前瞻技術授權給全宇，大幅縮短我們自行研發的時程！」全宇生技董事長彭士豪進一步表示，油棕產業占馬來西亞GDP達17%，當地每年約有2,600萬噸的長纖油棕空果串資材，可做為生質「醣」的來源，而「醣」正是全宇生技很重要的原料，藉由當地量大價廉的料源成本優勢，經由技術加值，可搖身一變為木糖醇、胺基酸，或乙醇燃料等高價值產品。
彭士豪指出，工研院將先在全宇設立噸級先導廠，預計明年正式運轉，估計產出的木糖1噸價格平均為3,500美元，葡萄糖約為350美元，達到真正的廢物變黃金，未來商業化後，全宇也將持續跟工研院合作，進行高附加價值的產品開發與利用，搶攻循環經濟商機。
彭士豪更透露，除了馬來西亞、全宇也朝印尼市場發展，在蘇門答臘設肥料廠。印尼是全球第一大油棕果產地，每年約有6,000萬噸的油棕果串廢棄物，有了工研院技術加持，可進一步處理大量農廢棄物，同時發展綠色農業、生物科技與循環經濟，後續市場可期。
農林廢棄物若善加利用，也能翻身高價值產品。全球可利用的木質纖維素原料每年至少40億噸，無論是應用於食品添加的醣類、能源替代品的生質燃料，到製作飼料的胺基酸，用途相當多元。
透過工研院關鍵技術、整合系統與服務模式，與在地台商連結，以整廠輸出及技術授權的方式，布局全球農林資材豐沛區域，建立能源與化學品的永續原料供應鏈，將可創造更龐大的循環經濟藍海新商機。（本文轉載自工業技術與資訊月刊）
