為因應全球能源需求提升與全球暖化日漸嚴重議題，擁有低碳足跡與永續特性之再生能源成為眾人研究目標；其中生質酒精可作為汽車之替代燃料，為現今人類龐大的汽油需求提供另一種管道。
    生質酒精因原料差異可區分成第一代與第二代，分別為糧食作物與農林業廢棄物，前者因與人類爭食議題而被後者取代；傳統上，農林業廢棄物最普遍的處理方式是將其燃燒，這導致溫室氣體之排放與造成空氣汙染，若應用於生產生質酒精，除了達成廢物再利用之外，亦可減少地球之負擔，可謂一舉兩得。
    本報告呈現一個第二代生質酒精前處理程序之基本設計、最佳化分析與成本/經濟效益分析。程序之進料為50噸/日之麥稈，經由乙醇溶劑前處理與纖維素酵素水解，生產葡萄糖，副產品為木質素，可作為化學品之添加劑。
    最佳設計將乙醇溶劑回收率由95%提高至98%，每年將可節省約6,400萬新台幣之物料成本；在酵素水解反應方面，將反應時間由72小時降低至24小時，因設備成本與蒸氣成本之降低，年總成本可節省14%；因麥稈為廢棄物，若可不計其成本，每年將可節省約2,900萬新台幣之原料成本；若於前處理步驟之後可開發酸移除程序，將可因設備材質等級下降，進而節省約2,900萬新台幣之設備成本。採用這些設計之程序的葡萄糖與木質素產量分別為5,099噸/年與2,416噸/年，年總成本約3.7億新台幣。

In response to the increasing global energy demand and the issues of global warming, renewable energy with low carbon footprint and sustainability has become an important research topic. Bioethanol can be generated from renewable energy and can be used as an alternative fuel.
The first-generation bioethanol is derived from food sources and the second-generation bioethanol utilizes non-food-based biomass sources such as agricultural and forestry wastes. The utilization of the agricultural and forestry wastes as bioethanol source can save also prevents the greenhouse gas emissions and air pollution from waste burning.
This report presents the basic design, optimization analysis and cost/economic analysis of a second-generation bioethanol pretreatment process. The raw material of the process is 50 tons/day of wheat straw, which is pretreated by ethanol solvent followed by enzyme hydrolysis of cellulose to produce glucose. The by-product is lignin, which can be used as chemical additives.
The optimal design of the process increases the ethanol solvent recovery rate from 95% to 98%, which will save raw material cost by NT$64 million per year. For enzyme hydrolysis, the reaction time is reduced from 72 hours to 24 hours to save equipment cost and steam cost, a reduction of 14% of total annual cost can be obtained. Since wheat straw is a waste, if it can be supplied with zero cost, the saving of raw material cost is NT$29 million per year. Suppose acid removal technology can be developed and applied following the pretreatment step, the equipment cost can be reduced by about NT$29 million due to cheaper materials of construction can be used. Employing the designed process can produce about 5,099 tons/year and 2,416 tons/year of glucose and lignin, respectively. The total annual cost was approximately NT$370 million per year.

目 錄

中文摘要	I
英文摘要	II
目 錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	IX
實習機構簡介	1
實習內容概述	2
實習心得及自我期許	3
一、緒論	4
1.1 生質能源發展與現況	4
1.2 技術回顧	5
1.2.1 物理式前處理	5
1.2.2 化學式前處理	6
1.2.3 物理化學式前處理	6
1.2.4 生物前處理	7
1.3 製程目的	8
1.4 製程目標	8
1.5 報告組織與架構	9
二、程序設計流程	10
2.1 設計依據	10
2.2 設計規範	15
2.3 方塊流程	16
2.4 單元設計	17
2.4.1 有機溶劑前處理	17
2.4.2 批次絕熱減壓	18
2.4.3 纖維素固液分離	20
2.4.4 纖維素酵素水解	21
2.4.5 溶劑回收	22
2.4.6 固渣固液分離	23
2.4.7 木質素固液分離	23
三、程序模擬	24
3.1 熱力學模式與純物質物性	24
3.1.1 熱力學模式	24
3.1.2 純成分物性	33
3.2 基本程序模擬	39
3.2.1 模擬設定	39
3.2.2 程序說明	41
四、成本與經濟效益分析	45
4.1 成本分析基本條件設定	45
4.2 勞工成本	45
4.3 原物料成本	46
4.4 設備成本	47
4.4.1 前處理反應器	47
4.4.2 批次絕熱減壓設備	47
4.4.3 FUNDABAC過濾器	48
4.4.4 酵素水解反應器	48
4.4.5 批次負壓蒸發設備	48
4.4.6 板框過濾器	49
4.4.7 熱交換器	49
4.4.8 泵浦	50
4.4.9 儲槽	51
4.4.10 麥稈粉碎機	51
4.4.11 設備成本彙整	52
4.5 公用物流成本	53
4.6 經濟效益	54
4.6.1 草根成本	54
4.6.2 總製造成本	54
4.6.3 年總成本	55
4.7 製程方案抉擇	55
五、程序最佳化	56
5.1 乙醇溶劑回收率分析	56
5.2 酵素水解最適反應時間分析	57
5.3 最佳程序與操作	58
5.3.1 最佳程序設計	58
5.3.2 經濟評估	59
5.3.3 最佳流程	61
5.3.4 操作排程	77
六、儀表與管線設計	81
6.1機械流程圖	81
6.2設備儀表管線清單	110
七、結論與建議	164
參考文獻	165
附錄 物性關聯式	168

圖目錄
圖1. 前處理前後生物質結構 (Kumar et al., 2009)	5
圖2. 纖維素可酵素水解消化率隨反應時間的變化 (Huijgen et al., 2013)	12
圖3. 麥稈溶劑前處理步驟之進出口(Input-output)流程示意圖	13
圖4. 程序方塊流程圖	16
圖5. 造紙業蒸解釜(經濟部工業局，2018)	17
圖6. 批次減壓程度對溶劑濃度與體積之影響/乙醇濃度對溶解300公斤木質素所需溶劑體積之影響	18
圖7. 方案A批次絕熱減壓條件之決定	19
圖8. 方案B批次絕熱減壓條件之決定	19
圖9. FUNDABAC設備示意圖	20
圖10. 纖維酵素水解機制 (Béguin et al., 1987)	21
圖11. 熱力學模式選擇	24
圖12. 水與乙醇於101320 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	26
圖13. 水與乙醇於101320 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	26
圖14. 水與乙醇於13332.2 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	27
圖15. 水與乙醇於13332.2 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	27
圖16. 水與乙醇於963198 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	28
圖17. 水與乙醇於963198 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	28
圖18. 水與糠醛於101000 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	29
圖19. 水與糠醛於101000 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	29
圖20. 水與糠醛於20000 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	30
圖21. 水與糠醛於20000 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	30
圖22. 水與糠醛於769822 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	31
圖23. 水與糠醛於769822 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	31
圖24. 乙醇與糠醛於101320 N/m2之氣液相平衡-使用資料庫參數	32
圖25. 乙醇與糠醛於101320 N/m2之氣液相平衡-使用迴歸參數	32
圖26. 麥稈木質素 (de Wild et al., 2012)	34
圖27. 模擬程序流程圖	42
圖28. 乙醇回收率對補充與操作成本之影響	56
圖29. 乙醇回收率對補充與操作成本加總之影響	56
圖30. 最佳程序設計	58
圖31. 最佳設計程序流程圖	62
圖32. 前處理排程	77
圖33. 批次絕熱減壓排程	77
圖34. 纖維素固液分離排程	78
圖35. 纖維素酵素水解排程	78
圖36. 批次負壓蒸發排程	79
圖37. 木質素固液分離排程	79
圖38. 固渣固液分離排程	80

表目錄
表1. 文獻提出之麥稈組成	10
表2. 基本麥稈組成 (Huijgen et al., 2011)	11
表3. 調整後之麥稈組成	11
表4. 乙醇溶劑前處理設計方案之操作條件	11
表5. 纖維素酵素水解操作條件	12
表6. 麥稈前處理效能與組成實驗結果	14
表7. 前處理與纖維酵素水解轉化率彙整	14
表8. 乙醇溶劑於23℃之木質素溶解量(Ni et al., 1995)	15
表9. 乙醇溶劑於190℃之木質素溶解量	15
表10. 批次蒸發與蒸餾能耗比較	22
表11. 批次負壓蒸發蒸氣年消耗量	23
表12. NRTL模式之Aspen Plus資料庫與迴歸參數值	25
表13. 固體成分表	33
表14. 物性參考文獻依據(一)	34
表15. 物性參考文獻依據(二)	34
表16. 液體成分表	35
表17. 剩餘成分表	35
表18. 葡萄糖(Glucose)與木糖(Xylose)物性 (NREL, 1996)	35
表19. 葡萄糖(Glucose)與木糖(Xylose)蒸氣壓參數 (NREL, 1996)	36
表20. 葡萄糖(Glucose)與木糖(Xylose)蒸發熱參數 (NREL, 1996)	36
表21. 葡萄糖(Glucose)與木糖(Xylose)理想氣體熱容參數 (NREL, 1996)	36
表22. 葡萄糖(Glucose)與木糖(Xylose)液體熱容參數 (NREL, 1996)	37
表23. 纖維素(Cellulose)、木聚糖(Xylan)、木質素(Lignin)	37
表24. 纖維素(Cellulose)及木聚糖(Xylan)固體莫耳體積參數 (NREL, 1996)	37
表25. 木質素(Lignin)及纖維酵素(Cellulase)固體莫耳體積參數 (NREL, 1996)	37
表26. 纖維素(Cellulose)及木聚糖(Xylan)固體熱容參數 (NREL, 1996)	38
表27. 木質素(Lignin)及纖維酵素(Cellulase)固體熱容參數 (NREL, 1996)	38
表28. 泵浦之模擬設定	39
表29. 熱交換器之模擬設定	39
表30. 反應器之模擬設定	39
表31. 減壓設備之模擬設定	39
表32. FUNDABAC固液分離器之模擬設定	40
表33. 板框過濾之模擬設定	40
表34. 負壓蒸發之模擬設定	40
表35. 物流資料表-方案A	43
表36. 物流資料表-方案B	44
表37. 方案A原物料成本	46
表38. 方案B原物料成本	46
表39. 泵浦材質	50
表40. 儲槽材質	51
表41. 設備數量彙整	52
表42. 設備成本彙整	52
表43. 方案A操作成本	53
表44. 方案B操作成本	53
表45. 總製造成本	54
表46. 不同水解反應時間下之設備成本	57
表47. 不同水解反應時間下之蒸氣成本	57
表48. 不同水解反應時間下之葡萄糖產量與年總成本	57
表49. 最終原物料成本	59
表50. 最終設備成本	59
表51. 最終公用物流成本	60
表52. 最佳設計物流資料	75

參考文獻
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