生化工程期中報告

1. 生化工程期中報告 Evaluation(Ethanol from corn) 組長：郭哲瑋 49640011 組員：侯慶文 49640003 　　　邱思維 49640017 　　　溫竣驛 49640019 　　　鄭逸群 49640030 　　　蔡逸翔 49640038

2. 前言研究動機目的生質酒精簡介生質酒精的原料澱粉質原料基本組成澱粉製作生質酒精的流程前言研究動機目的生質酒精簡介生質酒精的原料澱粉質原料基本組成澱粉製作生質酒精的流程 前處理糖化主要酵素簡介菌種篩選發酵原理發酵製程連續發酵生產製程 蒸餾 如何提升產率及降低成本 成本的資訊表格 全球發展趨勢 參考文獻 內容

3. 前言 在全球對抗暖化的努力中，生質能源可扮演一個重要的角色。其除可減少溫室氣體排放，尚可解決廢棄物問題，並妥善使用有限的資源，增加生物多樣性及增加收益。但由於種植能源作物，與原生物種，甚至是糧食作物產生競合關係。在土地使用上，能源及糧食供應，必須找到平衡點。

4. 研究動機 生化工程是當前火熱的課題，在能源不足的現代，替代能源是最有效可以解決資源短缺的重要路徑，利用有限的物質創造出當前的最大值，得到最大的產量。現在我們選擇從澱粉利用生化的技術製造出酒精，再利用工程的方法更近一步的提升產量，得到最大值；先從中評估可行性並且設法提升到產值的最大量。

5. 目的 • 分析各種物質所含澱粉的量，評估澱粉取得的總量。 • 利用澱粉發酵製造酒精。 • 評估可行性、實用性，再提升產量。

6. 生質酒精簡介 　　何謂生質酒精？生質酒精，也可叫做生物乙醇，就是利用微生物發酵把生質（biomass）中的醣分轉化所得到的酒精。　　生質酒精其實就是乙醇，分子式是 C2H5OH，和由石化原料生產的乙醇相同，差別只在於原料的不同。 生質是指來自生物體的非石化有機物，一般所指的生質通常是植物藉由光合作用產生的含碳化合物。

7. 生質酒精的原料 2006年全球的生質酒精產量約 4千萬公秉，90％ 生產於巴西和美國。巴西以甘蔗為原料，美國則以玉米為主，生產生質酒精，甘蔗和玉米分別是糖質和澱粉質作物。除了這兩者之外，做為生質酒精原料的作物也包括大麥、小麥、燕麥、稻米等穀類，還有甜菜、甜高粱，以及木薯、甘藷等。

8. 生質酒精的原料 　　最近幾年的發展是以非糧食作物為原料來生產酒精，也就是以木質纖維素或纖維質做為生質酒精的原料，包括穀類農作物廢棄物如麥稈、稻稈、玉米稈等，以及農業、都市和建築廢棄物，如蔗渣、舊報紙、木屑、廢木材等，或者成長快速的纖維質作物，如芒草、狼尾草、柳枝稷等，甚至包括海藻類。

9. 澱粉質原料基本組成(%)

10. 為何要選擇玉米作為原料 • 價格便宜 (2010年6月9日台灣地區田野調查玉米一 斤8元新台幣，稻米一斤25元新台幣) • 非主要糧食 • 澱粉含量較其他澱粉作物高，僅次於稻米 • 歐美地區產量大 • 現今生質酒精大都以玉米做為原料

11. 澱粉質原料製作生質酒精的流程

12. 前處理流程圖 亞硫酸 膨脹軟化的玉米粒 浸 泡 粗 磨 淨化 胚芽 玉米粒 離 心 其他產品 殼 澱粉胚乳 其他產品 殼 玉米蛋白粉 澱粉乳漿 精磨分離 離 心 澱粉乳 糖化發酵

13. 我們的玉米澱粉使用濕磨方法生產。玉米粒先浸泡，使其軟化至可作進一步分離至不同成分。我們的玉米澱粉使用濕磨方法生產。玉米粒先浸泡，使其軟化至可作進一步分離至不同成分。 步驟1：淨化。原材料玉米粒首先進行淨化除雜，例如除去碎玉米骨頭、沙石、塵土、鐵器等雜質。 步驟2：浸泡。洗滌後的玉米粒浸泡在有溫度控制的水和亞硫酸的浸泡液中。這過程中，玉米粒會膨脹及軟化至可作進一步分離至不同成分。 步驟3：軟化的玉米粒進行粗磨程序，令殼鬆開及玉米胚芽離開澱粉胚乳。玉米胚芽通過離心分離作用提取。 步驟4：餘下的殼及胚乳成分再進行精磨及分離程序，把殼（纖維）從餘下的澱粉乳漿分離。 步驟5：澱粉乳漿再通過離心分離作用進行分離。含有麩質的漿經濃縮及脫水後成玉米蛋白粉。

14. 糖化 • 酵素的活性會影響澱粉之糖化反應；酵素活性大，反應速率快，糖化程度就高。 • 澱粉水解反應若已完全，則產量固定，糖化程度不再提高。 • 酵母菌本身不能直接利用澱粉來轉化成酒精，澱粉必需要經過液化、糖化的過程產生葡萄糖、果糖後才能為酵母菌所利用。

15. 糖化反應方程式 澱 粉 加入澱粉糖化酵素 葡 聚 物

16. 糖化 酒精H2OCO2 葡萄糖H2O2CO2 澱粉糖化酵素 酵母菌 澱粉 催化劑 低於39度

17. 主要酵素簡介 α-澱粉液化酵素(α-amylase) 　　簡稱液化酶，能水解澱粉分子，成為糊精和少量的低分子醣類。作用時，適宜之pH 值為6-7。中溫型之液化酶，適宜之溫度約在60-70℃之間；耐高溫型，適宜之溫度約在90-105℃之間。 澱粉糖化酵素(glucoamylase) 　　又稱為葡萄糖澱粉酶，簡稱糖化酶，它能將澱粉水解，產生葡萄糖，適宜的pH值為3.5-7、溫度為30-65℃。

18. 菌種篩選 篩選高酒精耐性的菌種 　　由於高酒精濃度產物會抑制菌體的生長與酒精的繼續生成，因此篩選高酒精耐性(大於40 g ethanol/L)的菌種也是不容忽視的。 篩選具抗細菌特性之酵母菌種 　　由於酒精發酵易受到乳酸菌的汙染，因此若能篩選到能產生抗菌因子如killer toxin 之酵母菌將能提高製程之穩定性，減少敗槽率。

20. 發酵原理 製酒的發酵原理是於反應過程中，先加入液化酵素，再加入糖化酵素，使澱粉水解為葡萄糖，最後發酵生成酒精。主要步驟為： 1.澱粉＋澱粉液化酵素＋澱粉糖化酵素 -----葡萄糖 2.葡萄糖 -----酒醮+ CO2(完全發酵後之溶液，含酒精濃度約12%) 3.酒精(12%)→第一次蒸餾(酒精度約30%~60%)　　　　　 →第二次蒸餾(酒精度約60%~80%)　　　　　→第三次蒸餾(酒精度約80%~91%)。 水解 發酵

21. 發酵原理 反應方程式 1.HO-(C6H10O5)n-H＋(n-1)H2O＋澱粉酵素------nC6H12O6 2.C6H12O6-----2C2H5OH＋2CO2 水解 發酵

22. 發酵製程 目前常用於生質酒精製備的發酵製程約有6 種 SHF發酵製程SSF發酵製程 SSFC發酵製程 細胞固定化製程 VHG製程 連續發酵生產製程

23. 為何要選用連續式發酵製程? 與分批發酵相比，連續發酵具有以下優點： 1.可以維持穩定的操作條件，有利於微生物的生長代謝，從而使產率和產品質量也相應保持穩定。2.能夠更有效地實現機械化和自動化，降低勞動強度，減少操作人員與病原微生物和毒性產物接觸的機會。3.減少設備清洗。準備和滅菌等非生產佔用時間，提高設備利用率，節省勞動力和工時。4.由於滅菌次數減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長。5.容易對過程進行優化，有效地提高發酵產率。

24. 連續發酵生產製程的缺點 1.由於是開放系統，加上發酵週期長，容易造成雜菌污染。 2.在長週期連續發酵中，微生物容易發生變異 。 3.對設備、儀器及控制元器件的技術要求較高；粘性絲狀菌菌 體容易附著在器壁上生長和在發酵液內結團，給連續發酵操 作帶來困難。

25. 連續發酵生產製程 所謂連續發酵，是指以一定的速度向發酵罐內添加新鮮培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持恆定，微生物在穩定狀態下生長。　　在穩定的狀態下，微生物所處的環境條件，如營養物濃度、產物濃度、pH值等都能保持恆定，微生物細胞的濃度及其比生長速率也可維持不變，甚至還可以根據需要來調節生長速度。

26. 連續發酵生產製程 　　在罐式反應器中，即使加入的物料中不含有菌體，只要反應器內含有一定量的菌體，在一定進料流量範圍內，就可實現穩態操作。 　　根據所用罐數，罐式連續發酵系統又可分單罐連續發酵和多罐連續發酵。 如果在反應器中進行充分的攪拌，則培養液中各處的組成相同，且與流出液的組成一樣，成為一個連續流動攪拌罐式反應器（CSTR）。

27. 連續發酵控制方式 連續發酵的控制方式有兩種：　　一種為恆濁器（turbidostat）法，即利用濁度來檢測細胞的濃度，通過自控儀表調節輸人料液的流量，以控制培養液中的菌體濃度達到恆定值。　　一種為恆化器（chemostat）它與前者的相似之處是維持一定的體積，不同之處是菌體濃度不是直接控制的，而是通過恆定輸入的養料中某一種生長限制基質的濃度來控制。

28. 反應器的構造（CSTR） 傳送至蒸餾塔

29. 蒸餾 分子篩吸附脫水: 分子篩吸附脫水的基本原理是利用分子篩具規則孔洞及高表面積特性，使分子直徑較小的水吸附至孔洞內而與分子直徑較大的酒精分離，達到脫水的目的。 分子篩吸附法酒精脫水流程圖如圖所示，以A,B兩塔交互進行吸附及脫附。發酵醪液經蒸餾純化後，由蒸餾塔頂蒸出之含水酒精經蒸汽過熱成約150℃及約50psia蒸汽，進入分子篩A塔進行絕熱吸附，酒精濃度大於99.5wt%之無水酒精由塔底產出。

30. 蒸餾 分子篩A塔吸附接近飽和時切換至分子篩B塔進行吸附。分子篩A塔則降壓並以部份無水酒精氣體或CO2進行沖吹(purge)，在真空下脫附再生，脫附液是酒精與水之混合液，經蒸餾塔分離脫水再回分子篩塔吸附脫水。

31. 酒精蒸氣 抽真空 含水酒精 分 子 篩 塔 A 分 子 篩 塔 B 水 無水酒精

32. 如何提升產量及降低成本 • 料源澱粉質成份的多寡。 • 高效率糖化劑的使用。 • 高產率酵母菌的篩選(例:耐酒精性、耐滲透壓、高轉化率等) 。 • 整體化規劃的生廠工廠。 • 副產物的利用價值(CO2的回收、酒槽的利用) 。

33. 玉米澱粉 玉米酒粕 酒精發酵 酒精 消費者

34. 成本

36. 台灣酒精發展現況 • 台糖公司預計在南靖糖廠建設生質酒精廠，初步料源以甘蔗為主，甜高粱為輔；味丹公司也準備在越南設立酒精廠，料源以甘蔗為主；味王公司已於泰國設酒精廠，預計今年投入量產，料源以澱粉為主 。 • 核能研究所已經設立稻桿轉製酒精實驗工廠，並達成百公斤稻桿轉酒精的研究成果；水產試驗所已著手使用龍鬚菜生產酒精，預計兩年內可完成實驗室規模。

37. 全球生質酒精發展趨勢 在產能與產量方面，近7年來，年平均成長率分別為21％ 與22％，產能利用率也維持在90％左右。在總產能方 面，根據RFA（Renewable Fuels Association）統計， 截至2008年2月，美國現有134座生質酒精製造廠正在運 轉，總產能約為每年274億公升，另有77座工廠正在興建 與擴充，若未來興建完成，總產能將可提升至每年509億 公升。整體而言，未來，美國生質酒精產業在政策利多 的因素下仍將持續成長，但生質酒精需求旺盛，接連帶 動玉米原料價格的上漲。不但引起農民搶種玉米，甚至 造成其他穀物的排擠效應，和一連串飼料、糧食價格上 漲的連動效應，迫使各國領導人重新思考發展的目標， 進而牽動整體產業的發展情勢。

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