2010生質能源技術推廣研討會 - fcu.edu.t · 2010生質能源技術推廣研討會 「複合式生質能源整合技術」 逢大學 建設學院林秋裕院長 中 華 民

2010生質能源技術推廣研討會「複合式生質能源整合技術」

逢甲大學建設學院 林秋裕院長

中 華 民 國 9 9 年 0 4 月 2 4 日

大 綱

一、簡 介

二、複合式生質能源之程序整合技術

三、應用價值

四、未來展望

3

一、簡介國際能源趨勢改變，積極尋找替代能源

•國際能源趨勢已改變

–生物程序在常溫、常壓操作，額外能源需求甚低，可以減少環境的負擔，屬永續性製程(Das and Veziroglu, 2001) 。

•非糧料源(農業廢棄物、有機質廢水…等等)豐富–生質能源被稱為第四大能源僅次於石油、煤及天然氣。

煤碳經濟 石油經濟 氫能經濟

替代能源發展

為了解決能源短缺及環境惡化，氫能源已被視為未來重要能源。

國際生質能研發趨勢-低成本、高能源產出之生質能源技術

5

人工基質(第一代)

•五/六碳糖•澱粉•蔗糖•其它

非糧料源(第二代)

•有機質廢水(濃縮糖蜜醱酵液、

棉布漿料廢液)•農業廢棄物(稻稈)

•其它

複合式生質能源技術-低成本、高能源產出

逢甲大學生質能科技研究中心

-經濟部能源局經費支持•符合國際生質能研發趨勢

– 符合世界發展乾淨能源的3E 趨勢

– 開發前瞻之新技術，並維持我國在高速率生質醱酵技術的世界領先地位

•增加我國自主能源供應– 降低進口化石燃料需求，有助於國家經濟發展

–減少溫室氣體與污染物排放量，產生碳排放交易的經濟效益

•發展低成本高能源產出之生質能技術– 產出專利可技術轉移相關業界，創造出具國際競爭力之新興環保

能源產業

– 取得關鍵技術及專利權以確保在醱酵產氫、丁醇及甲烷的世界領先地位 6

低成本高能源產出之生質能技術重要科技關聯圖

2-1.料源前處理技術

1.驗證生質能模場技術

* 2-1B. 生物酵素水解技術

*1B. 高速率產氫

操作策略

*1A. 糖蜜醱酵

液啟動技術

* 2-1A. 物理化

學水解技術

*2-4A. 高CO2去除

率之本土藻種篩選

非糧料源之生質物轉化能源程序整合及模場展示

*2-4B. 高效率微藻培殖技術

*1C. 混合菌種之菌

群結構分析

2-2.生質產氫/丁醇技術

* 2-2A. 可分解棉布漿料

廢液之菌種篩選技術

> 2-2B. 棉布漿料廢液連續

培養之最佳化操作技術

3. 生質能技術推廣與國際交流

2-4. CO2減量再利用技術

* 3B. 參與IEA-HIA

Task21 活動

*3C. 技術成果發

表及其他活動

* 3A. 主辦「亞洲生

物氫能聯盟」活動

2-3.甲烷化技術

> 2-3A. 產氫/丁醇出

流液最佳化操作技術

> 2-3B. 連續式高效

率最佳化操作技術

(註) 科技成熟度之標註：＋：我國已有之產品或技術＊：我國正發展中之產品或技術＞：我國尚未發展中產品或技術

46

8

逢甲大學優勢技術--厭氧醱酵產氫

FeedstockFeedstock

FeedstockFeedstock

Vactate

Butyrate

Butanol

Lactate

Ethonal

AcetatePropinate

VFAs

Alcohol

H2

H2

H2

H2

H2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

批次式產氫醱酵

連續產氫醱酵

高速率連續產氫醱酵

高速率厭氧產氫模場

商業化生物產氫製程

研究初期試驗階段(150 mL)

連續量產技術研發階段(2 L)

連續量產技術提升階段(10 L)

商業化前基礎技術建立階段(400 L)

商業化實場技術研發階段(50 m3)

高速率生物產氫製程技術研發歷程

1998-2000 2000-2005 2005-2008 2008~

目前技術階段

高速率厭氧產氫模場

400L高速率厭氧醱酵產氫模場 模場實習課程

教育訓練課程 年興紡織公司蒞臨參觀

HRT

(h)

Substrate

Concentration

(g COD/L)

Cb

(g-VSS/L)

HPR

(L/L/d)

CH2

(%)

X

(%)

6

40.0 5.20±0.40 2.58±0.58 28.6±3.4 80.4±1.3

42.5 7.68±0.66 4.93±0.42 30.6±1.4 72.2±2.5

50.0 8.79±0.29 2.44±0.75 20.8±4.1 75.9±5.7

60.0 - 5.16±0.78 27.4±2.4 74.5±3.4

4 60.0 - 7.69±2.32 32.6±6.1 -

Hydrogen-producing performance on molasses

廉價的基質有助於提升生質氫能的競爭力。以 400 L 模場進行糖蜜醱酵液轉化產氫之試驗以基質濃度 60 g COD/L 及 HRT 4 h進行操作，產氫速率最高可達10.13 L/L/d，領先國際技術水帄，顯示該產氫系統極具發展潛力。

12

二、複合式生質能源之程序整合技術--理論基礎

Dark fermentations• 水解階段(Hydrolysis)

• 酸化階段(Acidogenesis)

• 甲烷生成(Methanogenesis)

水解與醱酵作用 酸化與去氫作用 甲烷形成作用第一階段 第二階段 第三階段

厭氧醱酵產氫以及甲烷化反應途徑

複雜有機物 較大分子之有機酸

氫氣

乙酸

甲烷

實施方法與步驟

料源前處理技術

生質產氫/

丁醇技術甲烷化技術

CO2減量再利用技術

CO2 CO2

Liquid Liquid

H2

CH4

丁醇

H2

丁醇 Solid products

CH4

13

農業廢棄物-稻稈

酵素法

整合評估

開發低環境衝擊之料源前處理技術

物理化學法

料源前處理技術

14

纖維素廢棄物

葡萄糖、木糖、纖維二糖 氫/丁醇前處理技術

化學前處理方式- 實驗條件

• 田口式實驗設計法

• 料源：稻稈 (0.5 g/100mL)

• 反應溫度：100-200 ℃

• 反應時間：10-120 min

•監測指標：還原糖 (DNS法)

稻稈纖維經化學前處理之糖化降解效率

種類 溫度(℃)

濃度(%)

時間(min)

降解率(%)

硫酸 160 3 80 73.3

磷酸 200 4 10 42.2

鹽酸 160 3 40 58.8

硝酸 160 3 60 57.8

馬來酸 180 3 60 32.1

酵素法- Clostridium sp.酵素生產之位置

0

50

100

150

200

250

300

350

Exoglucanase

Endoglucanase

Cellobiase

Xylanase

ExtracellularIntracellularCell-bound

Enzym

e a

ctivity (

U/m

l)

Enzy

me

Location

Total activitySpecific activity

Total activity或是Specific activity皆是以胞外為主要酵素生產位置做為水解酵素收集方法之依據利用本Clostridium sp.菌株進行生產酵素，並收集上清液進行酵素水解測試

0

500

1000

1500

2000

2500

Exoglucanase

Endoglucanase

Cellobiase

Xylanase

ExtracellularIntracellularCell-boundEnzym

e a

ctivity (

U/m

g p

rote

in)

Enzy

me

Location

Acetone volume/enzyme volume ratio

0.25 0.5 1 2 4 5

Pro

tein

re

co

very

(%

)

0

20

40

60

80

100

120

Purification

Crude enzyme

Crude enzyme

xylanase activity與protein為探討不同丙酮與酵素比例對活性之影響

Acetone volume/enzyme volume ratio

0.25 0.5 1 2 4 5

Xyla

na

se

activity r

eco

ve

ry (

%)

0

20

40

60

80

100

120

Purification

Crude enzyme

Crude enzyme

Acetone volume/enzyme volume ratio

0.25 0.5 1 2 4 5

Pro

tein

recove

ry (

%)

0

20

40

60

80

100

120

Purification

Crude enzyme

Crude enzyme

丙酮與酵素比例為2時，其丙酮與酵素量使用量最少此方法可以有效將蛋白質沉澱並將酵素進行濃縮

前處理方式與生成物組成

Time (h)

0 10 20 30 40 50

Re

du

cin

g s

ug

ar

pro

du

ctio

n (

g/l)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0None-pretreated

Pretreated at room temp

Pretreated at low temp

Pretreated at high temp

Different NaOH pretreated method

Mono-

and b

i-sugar

conte

nt

in r

educin

g s

ugar

(%)

0

20

40

60

80

100

Cello

bio

se c

onte

nt

in r

educin

g s

ugar

(%)

0

20

40

60

80

100

Mono- and bi-sugar content

Cellobiose content

None-pretreated

Pretreated at room temp

Pretreated at low temp

Pretreated at high temp

高溫處理之稻桿為最佳處理方法可獲得還原糖量約為2.4 g/L

轉化率為75.4%，其中還原糖中50%以上為纖維二糖

複合式生質能源之程序整合技術架構

料源前處理技術

生質產氫/

丁醇技術甲烷化技術

CO2減量再利用技術

CO2 CO2

Liquid Liquid

H2

CH4

丁醇

H2

丁醇 Solid products

CH4

20

產氫/丁醇技術-環境因子篩選

批次實驗條件

基質：棉布漿料廢液

植種汙泥：生活污水污泥消化槽 I、II、III、

竹林腐土、牛糞

營養鹽：Endo (1982)

基質濃度： 5-25 g COD/L

pH：4-8

溫度：35、55 ℃

批次實驗流程

氣體、液體成份分析

氣密針取樣

恆溫震盪箱培養

各菌種分解棉布廢水之累積產氣及產氫變化

Cum

ulat

ive

tota

l bio

gas

prod

uctio

n (m

L)

0

50

100

150

200

250

300

350

Sewage sludge I

Sewage sludge II

Baboo farm soil

Sewage sludge III

Cow dung

Time (h)

0 50 100 150 200 250

Cum

ulat

ive

H2

prod

uctio

n (m

L)

0

20

40

60

80

100

120

20 0

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

pH

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Co

nc

. (g

CO

D /L

)

pH與基質濃度對產氫速率之應答曲面分析圖

pH 7.0及基質濃度13 g

COD/L有最大HPR

溫度試驗累積產氣/氫之變化(35/55 ℃)

Time (h)

Cum

ulat

ive

tota

l bio

gas p

rodu

ctio

n (m

L)

0

20

40

60

80

100

120

140

35O

C

55O

C

0 20 40 60 80 100 120 140

Cum

ulat

ive

H2

prod

uctio

n (m

L)

0

5

10

15

20

25

30

複合式生質能源之程序整合技術架構

料源前處理技術

生質產氫/

丁醇技術甲烷化技術

CO2減量再利用技術

CO2 CO2

Liquid Liquid

H2

CH4

丁醇

H2

丁醇 Solid products

CH4

26

甲烷醱酵系統之操作條件

項目 條件

Seed Anaerobic granular sludge

(waste sludge from fructose factory)

Feedstock Hydrogen fermentation reactor effluent

(15±2 g COD/L)

pH 7.0

Temp 35℃

Reactor Up-flow reactor (10 L)

HRT 60、48、24、12 (h)

上流式甲烷醱酵反應器

Liquid Effluent

Water Tank

Gas & Liquid

separator

Gas & Liquid

separator

Gas

Liquid

Gas Meter

CH4

Gas Meter

H2

V-11

V-12

V-13

Fill vane

three phase

separator

P-1

P-2

Operation time(d)

0 20 40 60 80 100 120

MPR

(mm

ol-C

H4/

L-d)

50

100

150

200

250

300

350

SMPR

(mm

ol-C

H4/

g V

SS-d

)

20

30

40

50

60

HR

T(h)

10

20

30

40

50

60

MY

(mm

ol-C

H4/

g C

OD

)

50

100

150

200

250

300

350

比產甲烷速率(SMPR)、甲烷產率(MY)及產甲烷速率(MPR)變化

Operation time(d)

0 20 40 60 80 100 120

Ma

tha

ne

Pro

du

ctio

n(L

/L/d

)

2

4

6

8

HR

T(h

)

10

20

30

40

50

60

Ma

tha

ne

Per

cen

tag

e(%

)60

70

80

90

HR

T(h

)

10

20

30

40

50

60

甲烷濃度及產甲烷速率變化

複合式生質能源之程序整合技術架構

料源前處理技術

生質產氫/

丁醇技術甲烷化技術

CO2減量再利用技術

CO2 CO2

Liquid Liquid

H2

CH4

丁醇

H2

丁醇 Solid products

CH4

31

藻種純化流程

取樣：台灣各地的淡水與海水水域

培養：於BG-11液態培養基

光/暗循環時間：16h/8h (光強度約 60 μmol/m2/S)

培養溫度：25°C

轉殖：培養至一定細胞濃度後，將藻液轉至BG-11

的固態培養基

純化：待形成群落(colony)後分別用顯微鏡進行觀察，看出型態後再挑單株群落至固態培養基繼續培養，重複數次直至藻株完全純化為止。

微藻批次培養系統

已篩選到一株對二氧化碳具高耐受性的藻類鑑定確定為Scenedesmus sp

複合式生質能源整合技術

• 料源前處理技術：– 物理化學法： 3%硫酸(160℃、80min)降解稻桿可獲致73%的可降解之木

質纖維素的轉化率。

– 酵素法：以Clostridium sp.所生產之酵素降解稻稈纖維，可獲得還原糖量2.4 g/L，其轉化率75.4%，還原糖中50%以上皆為纖維二糖

• 生質產氫/丁醇技術：– 以牛糞菌群，在溫度55oC、pH 7及基質濃度13 g COD/L 培養有最大產氫

效率110 mmol H2/L/d。

• 甲烷化技術：– HRT 12小時有最高產甲烷速率330 mmol-CH4/L-d、甲烷產率300 mmol-

CH4/ g CODremoved及比產甲烷速率(52 mmol-CH4/g VSS-d。

– 相當於每天產生近3000 KJ之熱值。

• CO2減量再利用技術：– 已篩選到一株對二氧化碳具高耐受性的藻類，並經鑑定確定為

Scenedesmus sp.

複合式生質能源整合技術成果擴散圖

35

核心技術(2009)

· 生質料源前處理技術· 低成本非糧料源測試· 篩選高CO2去除率藻種技術

技術

進階

關鍵技術(2009-2010)

· 生質料源前處理技術提升· 低成本非糧料源模場測試· 生質醱酵副產物能(資)源化研究

國際合作教育宣導

提升

國際

地位

應用技術 (2010-2012)·驗證模場技術·複合式生質能源模場技術·生質能源程序整合技術

技術

進階

教育宣導

提升國際地位

· ABHL

· Asia BioH2

symposium

· IEA-HIA

Task 21

國際

組織

IEA-HIA 活動

國家政策

· 永續新能源· 生質燃料多樣性· 生質能穩定性

先期技轉

· 能源電機· 綠色能源· 生物科技· 環境工程· 財團法人

業界合作開發

· 生質能源模場· 反應槽設備· 偵測系統· 機電控制系統· 廢水資源化設備

技術

服務

· 舉辦技術推廣研討會

· 碩士學位學程· 種子教師訓練

· 歐美、芬蘭、法國、美國等

· 亞洲日、韓、泰、中國大陸等國

技術

服務

36

三、應用價值-應用策略(發展氫能城市朝氫能經濟邁進)

• 可直接使用於燃料電池– 藉由燃料電池可驅動車輛、家電等。

• 可應用於氫氣引擎、氫氣內燃機– 也廣泛應於於石化、食品加工、半導體等工業。

• 可應用於氫能燃燒爐或發電設備– 若大量發電，更可與市電並聯，成為氫能社區或城市。

• 可直接取代工廠的生物廢水處理設備– 產出之生物氫氣可回收使用於場區鍋爐，除了可降低二氧化碳的

排放，更可將減排的二氧化碳量轉換成國際碳交易量，可降低企業操作的成本。

37

應用價值-市場潛力(突破目前產業之水準具市場優越性)

• 增加農業附加價值– 對國內農業木質纖維廢棄物製造能源開創新機。

• 提供另一自主能源方式– 可降低依賴進口能源的國內現況。

• 產業晉級– 本技術將可使現今以液態為主的生質能源產業晉升到以氣態為主的

生質氫能源產業，其能源效益更佳，對環境汙染的衝擊更小。

• 創造新一代新興生質能源產業– 本技術將可使現今利用非糧食作物做為基質的生質能源

產業。

產氫應用—電能/熱能

資源廢棄物

儲氫設備

生物產氫設備

發電設備

市電並聯

熱源使用--氫燃燒爐

四、未來展望-氫能社會架構

能源短缺 空氣品質 氣候變遷 氫能安全

q 化石燃料重組產氫

q 生質氣化

q 風能產氫

q 太陽能產氫

q 地熱產氫

q 核能產氫

q 電力產氫

q 生物產氫

q 儲存

· 化石燃料

· 液氫

· 高壓儲氫

· 金屬儲氫合金

· 奈米碳管儲氫

q 輸送

· 管線輸送

· 低溫液態氫輸送

· 高壓液態氫輸送

· 燃料電池

· 氫內燃機

· 渦輪發電機

· 燃料精煉

· 交通用輸設備· 固定式分散電力系

統

· 移動式電力· 分散式合併熱電系

統

· 家電用品

氫氣來源

(產氫技術)

氫氣的儲存

與輸送氫能轉換系統 氫能應用

氫能教育

氫能社會的建立

我國進行氫能開發與利用的效益(2007年能源科技研究發展白皮書)

能源效益

產業效益

氫能源多樣化來源 不虞匱乏的能源來源

可由再生能源製備氫氣 使用時只排放水

減少溫室氣體及其他環境污染物質產生

氫氣透過燃料電池直接以化學能發電

提升能源使用效率20~30%

掌握氫能技術 減少能源對外依存度 提升國防安全

搭配國內現有再生能源產業來發展產氫

擴大台灣能源產業的版圖

結合台灣既有的3C與IT產業基礎

進行台灣製造業往高附加價值升級

回收與純化傳統石化與鋼鐵產業中排放的廢氫

將廢氫作為能源來源

打造國際級研發中心

• 「APEC先進生質氫能技術研究中心」

• 經濟部能源局-生質能科技研究中心

• 亞洲生物氫能聯盟(ABHL)秘書處

• IAHE(國際氫能協會) 「台灣分會」

「APEC先進生質氫能技術研究中心」第一階段 (2009/09/01~2010/12/31)

• 建立APEC先進生質氫能技術研究中心。

• 發展以非糧料源為主的生物產氫先進技術。

• 找出適合亞太地區生物產氫的非糧料源。

• 發展高速率生物產氫系統

• 提供研究中心之設備供APEC 會員體的學生做短期訓練

• 中心網頁之建立與研究成果的經驗交流

• 專家及研究人員互訪

• 舉辦生物氫技術國際研討會

「APEC先進生質氫能技術研究中心」第二階段 (2011/01/01~)

• 協助建立APEC會員體先進生質氫能技術研究中心

• 提供生物產氫先導工廠技術之課程分享生物產氫技術放大之經驗

• 擴散生物氫技術於應用領域並與APEC能源工作小組跨組密切合作

亞洲生物氫能聯盟(ABHL)• 本組織是亞洲地區唯一之生物氫能專業學術聯盟

• 本團隊是台灣代表，台灣是發起國之ㄧ

• 聯盟秘書處設在逢甲大學

• 聯盟網站(http://www.asia-biohylinks.org)由本團隊維護

• 定期舉辦國際研討會(Asia Biohydrogen symposium)

• 定期協助國際研討會文章發表於IJHE Special Issue

IAHE (國際氫能協會) 「台灣分會」• 提供國內跨組織的密切合作帄台，並協助產業與協會聯盟共

同積極推展活動

• 擔任國內氫能相關研究單位與國際氫能協會窗口，積極參與國際事務

• 成立學生組織國際氫能協會台灣學生分會，及爭取主辦2011

年第11屆潔淨能源國際研討會(11th International Conference

on Clean Energy)於台灣主辦

• 分會網站(http://www.iahe-taiwan.org)由本團隊維護

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