廢氣也能變燃料！？

作者： 鐵必制
(原發表於：http://foundation.nmns.edu.tw/writing/hotnews2_detail.php?gid=4&id=328)


真的嗎？廢氣也能變燃料？

　　是真的！不過不是所有的廢氣都可以，只有富含一氧化碳或氫氣的廢氣才能夠變成燃料。像是乙炔製造過程中殘餘的尾氣、鋼鐵工業的焦爐氣、高爐 氣、轉爐氣、或是石油提煉過程中殘餘的尾氣。其中，焦爐氣的氫氣含量可高達到58.5％！轉爐氣的一氧化碳則有54.6％！而石油提煉的尾氣，若經過精練 濃縮後，氫氣、一氧化碳與二氧化碳的含量可達到約45％左右。如果能把這些富含氫氣或一氧化碳的廢氣變成乙醇燃料，不但可以避免污染環境；還能減低碳排 放，省掉碳捕捉與碳儲存的麻煩：更能創造潔淨無硫無污染的燃料，減少石油的消耗。

　　要把廢氣變成乙醇，目前的方法有化學催化法與微生物厭氧發酵法這兩種。

　　「化學催化法」是在高溫高壓的環境條件下，經過特殊催化劑作用後，使氫氣與一氧化碳發生化學反應，生成乙醇與其它碳氫化合物。這個辦法之所以 能在高溫高壓下把氫氣與一氧化碳變成乙醇，必須依靠催化劑的功效，因此催化劑的效能影響重大，目前用於氣體催化生產乙醇的催化劑主要有「銠基催化劑」與 「非銠基催化劑」兩大類。銠（Rh）是一種貴金屬，所以銠基催化劑就是又貴又難生產。而且催化劑的生產與使用會產生重金屬污染。雖然現在有人努力在研究效 果足以取代銠基催化劑的非銠基催化劑，但是我們還得耐心等待…。

　 　用化學催化法生產乙醇燃料的效率，雖然比拿糧食發酵釀酒高，但是因為需要在高溫高壓下操作，相對的生產時所需要的能量消耗也高，是拿糧食發酵釀酒的四 倍。另外也因為在高溫高壓環境下的關係，機器設備的損耗也大，這就相對抵銷了初始投資較低的優點。另一個使用化學催化法生產乙醇燃料的問題是產出物的成份 很複雜很亂，從甲醇到六碳醇都有，另外還會有乙酸、乙醛、乙酸乙酯等等，光是要把產出物分離純化就很令人頭痛。

　　化學催化法對原料的氣體成份與組成比例要求高，氫氣與一氧化碳比例要正確才行。但是現實中原料的氣體成份怎麼可能那麼剛好，所以就要花功夫去 調整原料的氣體成份。更重要的是要除去會毒害催化劑的有害成份，例如焦油、酚類、苯、萘、不飽和烯烴……；特別是硫化物更是必須徹底脫除，否則微量的硫化 物就會讓那些貴死人的寶貝催化劑永久性中毒失效。另外一般在原料氣體中多少都會含有不定比例的甲烷，可惜的是化學催化法無法利用原料氣體中的甲烷。不但白 白浪費掉這些可用的甲烷燃汽；並且會因為這些無法參與反應的氣體存在而降低生產效率。

　　由於化學催化法還有著耗能、原料處理與產物分離純化等這些缺點，所以目前實際使用氣體經化學催化法生產出來的乙醇燃料還是很少數。

　　那麼微生物厭氧發酵法呢？在一九八零年代末，美國阿肯色州有位愛挖糞的怪博士，在雞糞中挖到了一種能利用一氧化碳與氫氣產生乙酸與乙醇的怪 胎。這些怪胎都是厭氧菌，是在缺乏氧氣的環境下，使用氫氣或一氧化碳作為能量來源，而將作為碳源的一氧化碳、二氧化碳與水轉化成乙醇或乙酸。另外視微生物 菌種的不同，可能還會有丁酸、丁醇的產生。

　　這些菌種都是厭氧菌，在細胞生長階段時，產物以乙酸為主；而在非生長階段時，產物則以乙醇為主。另外有些微生物菌種可能還會有丁酸、丁醇的產 生。氣體厭氧發酵是一種氣態、液態、固態三相傳遞過程。氣態的原料要經過液態的培養液才能被固態的細胞表面吸收後利用；而這也成了整個發酵過程中的限速步 驟。要如何突破這個瓶頸，提高氣體與液體間物質傳遞的速率，則成了發酵反應器設計的重點。

　　相較於化學催化法，微生物厭氧發酵法對於原料的氣體成份與比例不太挑剔，不像化學催化法一樣要求原料的氫氣與一氧化碳要符合正確比例。更重要 的是不會因為一丁點硫化物的存在，就發生像化學催化劑一樣被整個毒死的狀況。硫化物濃度在百分之二以下時，對於厭氧發酵的過程影響很小。

　　生命體的酶具有原料專一性，發酵的產物就只有特定的幾種產物，在適當的條件下甚至還可以做到只產生乙醇產物。這簡化了產物分離與純化的功夫，而不像化學催化法一樣，會面臨一堆很複雜的副產物。

　　微生物厭氧發酵法的微生物是活在常溫常壓下，就算是用所謂需要較高環境溫度的嗜熱菌，所需要的溫度也不過是55度C，可以減少生產過程中對設備的損耗與能量的消耗。微生物細胞還可以回收再使用，並且不會有重金屬污染的問題發生。

　　不過，微生物厭氧發酵法的生成速率較低，發酵產生的酸或醇還會反過來抑制發酵作用的進行。厭氧微生物的生長繁殖慢，原料的轉化率低，乙醇的產物濃度低，導致生產成本較高。另外，微生物是活的生命體，厭氧發酵想要維持長時間穩定操作也較為困難。

　　目前能夠被用來作厭氧發酵生產乙醇的微生物菌種很少，期望未來能夠發現更合適的微生物菌種，或是藉由基因工程的努力改造現有菌種。另外一個可以努力的方向是藉由改進厭氧發酵反應器的氣體溶解效率來提高轉化效率。

　　 以上這兩種方法除了能用於鋼鐵工業與煉油工業的廢氣以外，更常被用於廢棄生物質（例如廢木材、木屑、稻稈、稻殼、樹枝、樹皮等）、都市垃圾與廢棄輪胎的氣 化製取乙醇燃料。可以將原本佔用空間、污染環境、令人頭痛的廢棄物轉變成乙醇燃料，讓環保與燃料供應變得可以兩相兼顧。隨著持續不斷的研究努力，不管是化 學催化法或者是微生物厭氧發酵法都有可能會改變我們的未來，成為讓明日更美好的助力之一。