特別企劃 纖維酒精製程簡介 與未來展望 - tscfa ·...
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目前世界各國對能源使用的問題皆非
常重視，能源供應會影響全球經濟發展，
同時溫室氣體增加導致全球氣候及環境惡
化。加上石化燃料等傳統能源未來可使用
量有限，再生能源的研究與發展受到全球
關注，再生能源的推廣已成為國際能源政
策的方向。
再生能源包括生質能源(生質酒精、
生質柴油等)、風力、太陽能、地熱、潮
汐能等，再生能源相對於石化燃料能源，
其能量密度顯著偏低，以目前的科技水準
仍無法達到充分經濟效益。若要紓解全球
氣候能源使用困境，在技術層面上尚有很
多要再積極研發及突破的。
生質能源是再生能源中極受到重視的
一項，因而伴隨著全球石油價格震盪而重
要性不斷攀升，以美國為例，生質燃料的
基材主要來自玉米，未來對玉米原料的供
應將會十分吃緊。巴西及歐盟也積極推動
生質酒精，造成糧食及飼料的取得面臨極
大的競爭，近年來再加上人口增加，氣候
暖化，導致全球食品及飼料相關的產銷供
應鏈受到影響，造成生質能源與糧食在爭
取有限的土地與水資源的假象。但仔細探
討生質能源並非都源自糧食作物，雖然目
前美國、巴西及歐盟等國的燃料酒精以糧
食作物為原料，利用微生物將富含澱粉與
醣類作物轉換成酒精(作物之酒精產率如
表1所示)。植物纖維也是一種極優良的生
質原料可以做為生產能源的基材，圖1顯
示各種能源作物淨能源產率，雖然目前的
酒精產率以甘蔗最高，但是非糧食作物仍
有很大的優勢。本文主要介紹應用纖維質
為原料的生質能，說明如何應用生物科技
加強五碳糖轉換酒精的製程效率及未來發
展。
纖維酒精製程簡介植物主成分中植物纖維(包括纖維素
、半纖維素、木質素)約佔植物質量的80%
，澱粉與醣類則佔20%，纖維中的纖維素
與半纖維素約佔50-60%。纖維素與半纖維
素可分解為六碳糖與五碳糖，都可做為酒
精生產原料。纖維素轉化為六碳糖，而六
碳糖又進一步轉化酒精，其機制類似澱粉
與醣類，五碳糖轉化為酒精的瓶頸多，但
纖維物料的含量大、取得成本低以及利用
率低的特點，因此目前科學家已將酒精生
產原料目光投向低利用率的纖維素與半纖
維素上，尤其加強五碳糖轉化酒精的技術
，藉以提高植物轉化酒精的產率，減少能
源作物與人類爭糧的爭議。
圖2表示纖維轉化酒精製程之流程圖
，可分為前處理、水解製程、醱酵製程
與酒精純化。以纖維生物質(cellulosic�
biomass)尤其是農業廢棄物(如：稻桿、
麥桿、蔗渣)，做為酒精生產原料，必須
對這些生物質先加以處理，以利後續生產
製程的進行。即為前處理(pretreatment)
流程，將生物質中的主要成分，包括：半
纖維素、纖維素、木質素及相關萃取物(
如：稻桿中的SiO2)加以溶解及分離的步驟
。目前市面上有關酒精生產的前處理方法
大致可區分為物理、化學及生物方法三大
類。
前處理製程物理前處理是指利用研磨或蒸汽方法
，從外觀上將原料破壞使其體積變小，以
增加原料與化學溶劑或酵素接觸的機率，
以利加快後續生物質水解速度。化學前處
理則是使用稀酸、鹼、有機溶劑、氨、二
氧化硫和二氧化碳等對生物質進行預處理
，使其更容易被酵素或微生物消化。至於
生物預處理方法，則常與化學處理結合，
將生物質中的纖維素加以溶解，使後續的
水解及醱酵製程更容易進行。
水解製程比較纖維質生產乙醇的各類製程，不
同處在於水解製程的使用方式，其在前處
理製程完成後進行。水解是指將纖維素
及半纖維素分解成六碳糖與五碳糖以供醱
酵，又可稱為糖化(saccharification)
，包括酸水解及酵素水解兩種製程。酸
水解可分為稀酸水解與濃酸水解兩種型
式。稀酸水解通常需在高溫高壓下進行，
反應時間大約由數秒鐘至數分鐘不等。優
點在於以兩階段的稀酸處理軟質植物纖維
，產出木糖、半乳糖、甘露糖及阿拉伯糖
，達到70∼98%的產率(Nguyen,et� al.,�
1999)。美國的BCI(BC� International�
Corporation)採用稀酸處理製程，以稀
酸水解蔗渣及稻殼再以專利的基因工程菌
及酵母分別醱酵五碳糖及六碳糖產出酒精
。濃酸水解則在較溫和的溫度及壓力下進
行，反應時間則通常較稀酸水解為長。離
子交換樹脂加以分離，濃酸可藉由多效蒸
纖維酒精製程簡介與未來展望
原料土地產量
(噸/公頃/年)
糖或澱
粉含量
(%)
酒精產率
(公升/噸原料)
土地酒精產
量(公斤/公頃
/年)
甘蔗 70 12.5 70 4900
玉米 5 69 410 2050
稻米 5 75 450 2250
小麥 4 66 390 560
甜菜 45 16 100 4300
木薯 40 25 150 6000
甜高果 35 14 80 2800
圖1�能源作物之淨能源產率(http://news.mo
ngabay.com/2007/0808-biofuels.html)
表1�各種能源作物單位面積產酒精(Rao,�1997)
圖2�表示纖維轉化酒精製程之流程圖
財團法人生物技術開發中心，汐止，台北
陳建孝，林畢修平
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前處理
水解製程
醱酵製程
酒精純化 蒸餾法
一階段醱酵
酵素水解
蒸氣爆裂法 生物與化學處理
濃酸水解 稀酸水解
滲透蒸發法
同步醱酵兩階段醱酵
（六碳糖、五碳糖個別醱酵）
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發罐再次加以濃縮。此外，反應條件較為
溫和，反應器的建構材質成本可降低；但
是設備酸蝕、廢酸回收(Jones,� et� al.,�
1984)及鹼中和(Keller,1996)所需要的
成本仍需要一起估算。生物方法相對於
化學方法在纖維素水解上有改善轉化率
及降低成本的潛力，大致可分為酵素水解
與直接微生物轉化兩種方式。兩者比較下
，以酵素水解在作商業化推行。直接微生
物轉化(Direct� Microbial� Conversion;�
DMC)是利用單一微生物生產所有需要的酵
素，同時將纖維生物質轉化成酒精(Lee,�
1997)。此法的主要潛在優點在於無須複
雜的酵素生產製程。然而目前沒有微生物
可產生高濃度的纖維素酵素、半纖維素酵
素及其他酵素，同時又可轉化五碳糖及六
碳糖為酒精，此法在應用性仍在研究中。
以酵素進行纖維素物質的水解起始於1960�
年代左右二次世界大戰的南太平洋，主要
是發現Trichoderma� reesei產生的纖維
素酵素可將棉化織物分解。以基因工程進
行真菌改質所生產的纖維素酵素已有許多
文獻發表，本文不在此贅述。
半纖維素酵素(Hemicellulase)存
在於自然的真菌與細菌之中，主要的生
產菌株有：Penicillium� brasilianum
、Trichoderma� reesei、Thermomyces�
lanuginosus、Aspergillus� niger、
Aspergillus� fumigatus、Bacillus�
subtilis。科學家利用醱酵技術與分子生
物技術將半纖維素酵素進行量產與改質。
目前對於半纖維素分解酵素的生產大多以
真菌類醱酵為主，然而主要生產菌群多為
高溫菌，因此為了維持最適生長溫度所使
用的能源消耗也增加了酵素的生產成本。
Singh等人(2002)利用30公升醱酵生產酵
素，T.lanuginosus �SSBP經過48小時可以
產生每毫升400,500U的半纖維素分解酵素
。然而由於T.lanuginosus是高溫菌，因
此在生長過程中必須維持50℃的溫度才能
促進微生物的生長。
Thygesen等人(2001)將半纖維素分
解酵素基因大量表現在B.subtilis 上
，最適生長溫度為30℃，總木聚糖酵素
(xylanase)活性可以達到每毫升酵素萃取
液100,000U，降低酵素生產成本。Kim等
人(2004)利用Aspergillus� niger � KK2以
固態醱酵反應器生產纖維素分解酵素與半
纖維素分解酵素，在28℃培養七天之後可
以得到每克酵素活性為5070U的半纖維素
分解酵素。
要提升酵素水解效率，除要用高活性
酵素外，尚須加強酵素與被水解物之間的
接觸，必須將其他雜質加以去除，同時破
壞纖維素物質的晶體結構，才能有效分解
纖維素及半纖維素分子，所以通常需要額
外前處理包括蒸汽處理(steam� explosion)�
(Tengborg,� et� al.,1998,Nguyen,� et�
al.,2000,Torget,et� al.,2004)及鹼處
理(alkaline� pretreatment)(Schell,�
et� al.,1997)。目前常見的酵素水解製
程有兩種設計，一種是水解和醱酵前後
分開進行SHF(Separate� Hydrolysis� and�
Fermentation)，另一種水解和醱酵同進行�
SSF(Simultaneous� Saccharification� and�
Fermentation)，圖3與圖4分別為SHF與SSF
的流程圖。
SHF使得水解酵素可在較高的溫度操作
，進而提升糖化程度，糖化和醱酵各自使
用最佳溫度而不須彼此遷就，醱酵菌株更
可以循環使用，而醱酵菌種則可在較溫和
的溫度下作用，提升酒精的轉化率。SSF在
同一個反應槽中使用纖維素酵素與醱酵菌
種，程序單純僅以單一步驟完成糖化與酒
精生成，水解產生的醣類會立即被醱酵菌
利用轉化，雖然生成的乙醇也會部份抑制
水解反應，但是醣濃度對於水解的影響更
大。此法的缺點在於纖維酵素與醱酵菌種
都在同一條件下進行，醣與酒精產率無法
同時最適化，醱酵副產物乳酸和菌株皆無
法循環再使用。但是可將菌株往共同反應
條件作進一步改良，而提升產率。
五碳糖醱酵菌株簡介無論是SHF或SSF，纖維質經過水解
程序之後，纖維質已經被分解成六碳糖
與五碳糖，此時可分成個別醱酵與同時
醱酵兩種方式進行。纖維素經水解後產生
六碳糖，半纖維素經水解產生之五碳糖，
也就是木糖(xylose)為主要成份，經微
生物醱酵轉化為酒精。一般微生物代謝木
糖(xylose)至木酮糖(xylulose)，經由
兩條路徑，如圖5，第一由木糖異構酵素
(Xylose� isomerase)催化路徑，此為典
圖3�SHF(sequential�hydrolysis�and�fermentation)流程
(DOE�web�site:�http://www1.eere.energy.gov/biomass/process_description.html)
圖4�SSF(Simultaneous�Saccharification�Fermentation)處理流程
(DOE�web�site:�http://www1.eere.energy.gov/biomass/process_description.html)
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型藉由細菌進行生化轉化(Lee,1997)；另
一路徑則由酵母菌進行包含木糖還原酵素
(xylose� reductase)及木糖醇脫氫酵素
(xylitol� dehydrogenase)兩階段轉化至
木酮糖；再由木酮糖酵素(xylulokinase)
反應進入五碳糖代謝路徑產生酒精。
，經由馴養或化學突變的菌株可增加菌種
對酸的抗性，例如經UV誘導Pachysolen�
tannophilus的突變株會提高木糖的轉化
率(Lee,1997)。
影響木糖轉化酒精製程的關鍵技術，
在於能否符合幾點重要需求，如：1.酒精
容忍度，2.水解時對抑制物忍受度，3.醱
酵條件，4.高產率，5.高產值。為了改善
野生株低的轉化效率，科學家採用生物技
術將微生物進行改殖，使其能應用於生化
製程。目前改殖成功生產酒精的格蘭氏陰
性菌，有Escherichia� coli,Klebsiella�
oxytoca,與Zymomonas� mobilis。表2顯
示細菌醱酵產值結果：酒精產率約84到
95%左右，酒精產量約0.32到0.92g/時/公
升(Dien,et�al.,2003)。
由於六碳糖與五碳糖的代謝路徑不同
，過去往往採用兩階段醱酵的方式進行
酒精生產。缺點是醱酵時間長，且純化
步驟複雜。未來國際趨勢多採用單槽多
株的醱酵製程，但仍有瓶頸須克服，如
Z.mobilis及S.cerevisiae的野生型菌
株雖可以高效率的將葡萄糖醱酵成酒精
，但是Z.mobilis無法同時進行五碳糖代
謝路徑；其他的細菌菌株可以利用混合
的醣類原料，但是各種副產物卻會伴隨產
生。為克服這些問題，多種基因工程的菌
株便陸續被開發出來。策略有二，一.是
改變菌株的代謝途徑，使酒精產率提昇，
例如Escherichia,Klebsiella及Erwina�
等基因工程菌株(Ingram,et� al.1987)
；另一種則是在傳統的六碳糖醱酵菌株
中建立五碳糖的酒精醱酵代謝系統，例
如Saccharomyces 和Zymomonas 的基因
改良(Ho,et� al.1998、Saha,2003)。最
早研發出可同時代謝五碳糖與六碳糖的
基因工程菌株是普渡大學Ho等人(1998)
研發團隊。以釀酒酵母(Saccharomyces�
c e r e v i s i a e ) 代謝途徑進行理性設計
(Rational� design)，以拓展這傳統酒精
生產菌的基質範圍，使其充分利用纖維
質水解物中的五碳糖與六碳糖。研究團
隊利用基因工程將五碳糖代謝路徑中基因
如木醣代謝基因(xylose-metabolizing�
g e n e s )、木糖還原酵素基因(xylo s e �
reductase� gene)、木醣醇脫氫酵素基因
(xylitol� dehydrogenase� gene)與木酮
糖酵素基因(xylulokinase� gene)轉殖到
S.cerevisiae。利用此改質菌株可同時
代謝培養基中的葡萄糖與木糖，酒精產
量可提昇40%以上(Ho,et� al.1998)。生
產酒精的酵母菌可以耗氧或厭氧醱酵，
Saccharomyces� cerevisiae的轉殖菌株
1400(pLNH32)。酒精產率高達0.46g/g
，產量約1.15g/小時/公升(Jeffries,et�
al.,2004)。
Zymomonas� mobilis 是惟一以ED�
(Enter-Doudoroff)途徑厭氧代謝葡萄糖
的微生物，此一代謝途徑所產生的ATP只
有EMP(Embden-Meyerhoff-Parnas)途徑
的一半，因此Z.mobilis的菌體數目累積
較慢，大部份的碳都轉化為酒精產出，酒
精耐受性可達120g/L。此一代謝途徑的酵
素持續表現，總量可以達細胞總蛋白質的
50%(Sprenger,1996)。Zhang等人(1995)
將 E . c o l i 的四個酵素基因–xy l o s e �
isomerase(xylA)、xylulose� kinase�
( x y l B )、tr a n s k e t o l a s e ( t k t A )和�
transaldolase(talB)轉殖到Z.mobilis�
CP4 ，以基因工程建構可以代謝木糖的
Z.mobilis菌株其對木糖的酒精產率為86%
。
K.oxtoca是一株腸內菌，但可以在紙
漿中生存，可耐受pH5的酸性環境，可利用
六碳糖、五碳糖、纖維二糖(cellobiose)
及纖維三糖(cellotriose)。對於酒精的
醱酵是以PFL(pyruvate� fomate� lyase)
途徑生產。Ohta等人利用PET表現質體
將酵素基因(pyruvate� decarboxylase與
alcohol� dehydrogenase)轉殖到K.oxtoca�
M5A1菌株，而獲得94∼98%的產率(Ohta,et�
al.,1991)。經過各種原料測試，包括回收
紙(Brooks,et� al.,1995)、蔗渣(Doran,et�
al.,1994)、玉米纖維(Moniruzzaman,�
et� al.,1996)、甜菜紙漿(Doran,et� al.,�
2000)，其中以蔗渣的結果最具代表。蔗渣
以稀酸於140℃水解後以纖維素分解酵素處
表2�以微生物醱酵生產酒精產率及產量比較�(Dien,et�al.,2003)�
圖5�微生物代謝xylose轉化為酒精的途徑
(Lee,1997)
在自然環境中的部分酵母菌可將
木糖( x y l o s e )轉化為酒精，其中以
Candida� tropicalis最具發展潛力，木
糖醇(xylitol)是轉化過程中的主要副產
物。由於製程中以稀酸水解半纖維素成
五碳糖(木糖)的過程會抑制微生物生長
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理24小時，之後進行7天的醱酵操作，產出
酒精38.6g/L，產率為70%(以初始的碳水化
合物計算)。
酒精回收純化除了主要的醣化槽與酒精醱酵槽之外
，酒精的回收純化製程也是影響酒精生產
的關鍵技術之一，通常以蒸餾法將酒精醱
酵液中分離回收。先將醱酵液經過初餾塔
可得到80%左右的酒精，若要取得95%左右
的酒精濃度則需經由精餾塔進一步蒸餾；
而無水酒精的生產則是利用分子篩脫水或
是再加入共沸劑如苯、乙醚、三氯乙烯及
環己烷，進行三元共沸蒸餾則可得99.5%
的無水酒精。以巴西酒精生產為例，目前
生產1升含水酒精和無水酒精所需水蒸汽
分別為2和2.8公斤。但利用蒸餾法生產無
水酒精的缺點為能源消耗大之外，還要考
慮共沸劑的毒性與後續處理成本。目前學
術界積極發展滲透蒸發(Pervaporation)
法以進行酒精/水溶液的分離。此法有利
於有機高分子或無機陶瓷材料製成薄膜，
利用蒸氣壓差或是氣體對於薄膜擴散度差
來分離有機蒸氣與水氣。此方法的優點在
於選擇性高、較低的能源消耗及設備簡單
，使用滲透蒸發法進行無水酒精生產將可
節省75%能源消耗(Dong,et�al.,2000)。
纖維酒精市場分析2005年美國的能源政策法案（The�
Energy� Policy� Act� of� 2005）原定於
2012年將可生產75億加侖(283億公升)的
再生能源與替代能源，布希總統則立下
2017年350億加侖(1324億公升)的新目標
。圖6顯示2012年美國對於酒精市場需求
情況，預估2012年之後，美國對於酒精的
需求將會超過75億加侖(283億公升)。根
據目前的酒精生產技術，要達到此一目標
必需利用廢棄的植物纖維質才能生產足量
的酒精。另一方面，以生產成本分析，使
用玉米桿或能源作物製造纖維素酒精所消
耗的能源將遠低於玉米製造酒精。2005年
巴西甘蔗酒精生產成本為0.2∼0.25美元
/公升。2007年美國(Iowa,USA)玉米酒精
生產成本為0.336美元/公升。而目前所開
發的纖維素酒精生產製程，藉由生物科技
與量產技術的持續改良，提升水解酵素與
醱酵菌株活性，評估至2010年每公升生產
成本約為0.187美元左右(蘇宗振，2006)
。相較於2006年時美國能源部對纖維素酒
精編列1.6億美元的投資額，美國能源部
在2007年度，更是擴大編列投資纖維素酒
精工廠的預算，在未來四年對於六項再生
能源計畫，將投資3.85億美元，給予纖維
素酒精工廠資金挹注。美國對於纖維素轉
製酒精的技術相當期待，且願意大力加碼
以加速研發與投資(DOE,2007)。另外，
關於美國整個纖維素酒精產業未來發展，
政府及民間廠商總投資金額，將會超過12
億美元。一般認為纖維素酒精商業化至少
在5∼6年後，但Diversa公司的執行副總
裁William� Baum表示他們可以能建造年
生產100∼200萬加侖的工廠，預計在3年
內達成商業運轉(CNET� News.com,2007)
。圖7顯示2000∼2010年全球各地對於生
質能源產量發展趨勢，預計在2010年全
球對於生質能源的需求將會比2007年的需
求提高30%以上(International� energy�
agency,2006)。
結論由於氣候變遷與人口持續成長，全球
耕地逐漸減少已經是必然的趨勢。由於生
質能源將是未來取代石化能源的選擇之
一，因此能源作物與糧食作物的比例分配
將是各國經濟發展的關鍵因素。目前生質
能源發展的阻力在於能源作物排擠糧食作
圖6�美國酒精市場供需趨勢(International�energy�agency,2007)
圖7�2000∼2010年全球生質能源產量發展趨勢
(International�energy�agency,2006)
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物的耕作面積，使得糧食價格逐漸高漲。
但如果能夠充分利用農業廢棄物及非食用
的纖維質使之轉換成酒精，則能源作物與
糧食作物可處於共存共榮的地位。舉例而
言，科學家可將無法食用且處理不易的稻
稈與玉米桿纖維部分，轉化成高利用價值
的酒精。透過生物科技，將酒精製程中的
所需的酵素與醱酵菌株持續改良，尤其是
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針對不受重視的半纖維素及提昇五碳糖醱
酵用菌株效率，開發出高效率纖維素轉化
酒精製程，利用廢棄的纖維質取代澱粉做
為酒精生產原料，不僅能夠提高基質轉化
效率增加生質能源產量，亦可避免糧食作
物不足的問題。
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