利用超臨界CO2配搭超聲波及過氧化氫前處理狼尾草

Pretreatment of Napiergrass by Supercritical CO2 Combined with Ultrasound and Hydrogen Peroxide

吳美儀

指導教授 ： 談駿嵩

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2013年)

摘要

生質酒精為綠色能源發展的重點，利用纖維素作為生質酒精的原料來源是近年來的研究方向之一。由於生質物料的木質纖維素結構緻密、不易分解，間接阻礙了酵素對纖維素的水解效果及糖類發酵製程，利用有效的前處理方法可破壞生質物料結構並解決上述問題。本研究以狼尾草 (Napiergrass, Pennisetum purpureum)作為生質酒精製程的纖維素來源，以超臨界CO2前處理為主，另以超臨界CO2為介質配搭超聲波於高壓系統內進行物理性前處理，並嘗試利用超臨界CO2前處理再配搭過氧化氫進行化學性前處理。研究中首先利用美國國家再生能源實驗室 (National Renewable Energy Laboratory, NREL)標準方法水解未經處理之狼尾草，並將檢測值視為糖類總組成含量。經不同前處理後之狼尾草則透過酵素水解分析，將其值除以糖類總組成含量視為糖類糖化率，並利用糖類糖化率判定前處理效果。透過實驗設計可得狼尾草經超臨界CO2前處理之最佳操作條件，在溫度180 oC、壓力3500 psi、液固比為4以及處理時間為75分鐘時，可得葡聚糖糖化率為39%，並且可知溫度為最顯著影響因子。此外，研究中亦嘗試以超臨界CO2為介質配搭超聲波於高壓系統內進行物理性前處理，由於超聲波需要高密度之介質傳遞能量，因此實驗皆採低溫高壓之操作方式，然而其葡聚糖糖化率提升效果不明顯。另一方面，若以超臨界CO2前處理再配搭過氧化氫化學性前處理，其葡聚糖糖化率為未處理狼尾草原料的3倍，約46%。在表面結構分析方面，透過掃描式電子顯微鏡 (Scanning electron microscopy, SEM)可觀察出狼尾草表面經不同前處理後均有開放性破壞的現象。最後利用商業軟體Aspen Plus進行狼尾草經超臨界CO2前處理放大製程之穩態模擬，計算超臨界CO2前處理程序所需能源之消耗，可得總操作成本為26.4 $/tonne dry biomass及49.0 $/tonne dry biomass，與文獻中不同前處理總操作成本 (19~60 $/tonne dry biomass)相比較，超臨界CO2前處理程序是具競爭力。

關鍵字

超臨界CO2前處理 ； 超聲波 ； 過氧化氫 ； 實驗設計 ； 能耗模擬

參考文獻

林威廷，“利用超臨界二氧化碳與超音波前處理狼尾草與甘蔗渣”，碩士論文，國立清華大學化學工程研究所，2012

古森本，“生質能源作物之開發與潛力”，植物種苗生技，第13期，P.46-53，2008

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論文，國立成功大學環境工程學系，2009

陳怡傑，“以厭氧流體化床進行廚餘過篩液及狼尾草之氫發酵程序研究”，碩士