直接加熱混合器在食品及生質(zhì)能源開發(fā)制程的應(yīng)用
【前言】
生質(zhì)能源是一種再生能源,主要是指生質(zhì)物（植物或是光合菌體、藻類等）藉由日光的能量轉(zhuǎn)換為生質(zhì)原料儲(chǔ)存于生質(zhì)物體內(nèi)，這些生質(zhì)原料經(jīng)由適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換方式可以獲得的電與熱等可用的能源。所謂生質(zhì)物則泛指由生物產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，例如木材與林業(yè)廢棄物（如木屑等）；農(nóng)作物與農(nóng)業(yè)廢棄物（如黃豆莢、玉米穗心、稻殼、蔗渣等）；畜牧業(yè)廢棄物（如動(dòng)物尸體）；廢水處理所產(chǎn)生的沼氣；都市垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產(chǎn)生的沼氣；工業(yè)有機(jī)廢棄物如有機(jī)污泥、廢塑橡膠、廢紙、造紙黑液等。生質(zhì)能是一種新能源，與風(fēng)能、太陽能一樣具有取之不盡、用之不竭的特性。與傳統(tǒng)由礦物提煉的能源如天然氣、石油、媒等已大量開采會(huì)消耗殆盡的能源相比，更多了份環(huán)保與綠色地球永續(xù)經(jīng)營的前瞻角色；因此各*國家均非常重視這項(xiàng)議題與研究開發(fā)。本文主要是由此點(diǎn)切入，介紹噴射加熱器在生產(chǎn)燃料酒精制程上的應(yīng)用。另外也對于直接加熱系統(tǒng)用于食品工業(yè)的應(yīng)用例做介紹。
Part1【食品加工之加熱殺菌方式】
在食品加工中的液狀流體的加熱以及殺菌等制作過程中，一般多是利用蒸氣等熱媒，將原料作加熱處理。加熱的方式大致上可以分為二大類：直接加熱與間接加熱。前者是使用蒸氣類的熱媒和被加熱的原料直接接觸而加熱提升原料的溫度；后者是用鍋?zhàn)?、附有夾套的雙重鍋或是熱交換器等，使原料介入傳熱面，利用熱源（熱媒）間接加熱。
【1-1】 間接加熱方式
間接加熱方式一般來說廣泛地被使用，有批次式（Batch Type）煮鍋法和連續(xù)式（Continual Type）熱交換器法兩種。
批次式（Batch Type）煮鍋法是在調(diào)和原料的大槽（鍋）外殼附設(shè)夾套，以做加熱煮沸或殺菌之用。設(shè)備單純處理又方便。但是，這種方式一般是用在100℃以下的加熱處理，有時(shí)不能使產(chǎn)品內(nèi)耐熱菌作*或適當(dāng)?shù)臏缇Ｈ粢訜岬?00℃以上，則必須使用壓力鍋，并且要受到壓力容器等法規(guī)的限制。這種方式，因?yàn)閭鳠崦嬷挥袏A套部，所以傳熱面積過于狹窄，產(chǎn)品和傳熱面接觸時(shí)間不均勻，效率不佳。
即使將調(diào)和原料的大槽（鍋）用攪拌機(jī)來攪拌鍋內(nèi)的流體（產(chǎn)品），由于壁面流體的速度慢，容易形成厚的境膜，所以不但境膜的傳熱系數(shù)非常小，鍋內(nèi)的壁部與中心部分之流體交換的速度也慢，而所得到的總傳熱系數(shù)不會(huì)很大。因此，像高黏性類的流體，熱交換效率不好，原料的加熱或冷卻需要很長的時(shí)間，有時(shí)會(huì)發(fā)生焦化或品質(zhì)劣化等等問題。
連續(xù)熱交換器法是使用二重管式、多管式、板式，以及刮板式等的熱交換器。二重管式與多管式熱交換器，如＜圖1＞、＜圖2>所示，構(gòu)造簡單，處理很容易，很早以來就廣泛被使用在加熱或冷卻的工程上。低黏性流體的情況，流體流勢如＜圖3>所示，因有速度分布的亂流，所以沒有問題。但高黏性流體，其流體的流勢如＜圖4>所示，是有速度分布的層流，因此，傳熱管壁面會(huì)形成境膜。而且，由于管壁與管中心部之間的流體移動(dòng)速度緩慢，管壁過熱，容易發(fā)生焦化的現(xiàn)象。再者，管內(nèi)境膜傳熱系數(shù)小，致使總傳熱系數(shù)變小，熱交換效率也顯著降低。另外，這種情況當(dāng)使用于多管式熱交換器來加熱時(shí)，傳熱管璧面焦化的附著物會(huì)堵塞傳熱管，造成此傳熱管內(nèi)管摩擦阻力增加；結(jié)果這根傳熱管內(nèi)阻力比其它的傳熱管來得高，造成流體往其它阻力小的傳熱管流動(dòng)，zui后形成這根阻力大的傳熱管內(nèi)原料流動(dòng)緩慢、甚至停滯不流動(dòng)。如此的情況不僅更易發(fā)生過熱（Over Heating）更造成熱交換器傳熱管內(nèi)的傳熱面積下降。
而使用在冷卻的處理時(shí)，流體未被均勻地冷卻，而管壁的部份先行冷卻，管中的大部分高溫原料則因未能冷卻而發(fā)生偏流的現(xiàn)象。為此，近幾年來，低黏性流體用的板式熱交換器與高黏性流體用的刮板式熱交換器也漸漸被使用。
<圖1：二重管式熱交換器>
<圖2：多管式熱交換器>
<圖3 & 4：流體于管內(nèi)速度分布>
板式熱交換器如＜圖5>所示，構(gòu)造小型又單純，境膜傳熱系數(shù)較大，傳熱面積也大，有熱交換率*等多項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳熱板之間的間隔狹窄，在處理比較有黏性的流體或包含固體成分的流體時(shí)，傳熱面容易因焦化問題（加熱狀態(tài)下）而導(dǎo)玫流路堵塞，又因冷卻偏流而發(fā)生冷卻不良等問題。
接著，刮板式熱交換器有如<圖6>所示的構(gòu)造，是利用回轉(zhuǎn)羽根（刮刀、刮板）不斷刮取傳熱面，將高黏性流體或是包含固體成分之流體加以煮沸或殺菌，也可以做冷卻處理。但是，這種方式必須在傳熱管內(nèi)部加上使回轉(zhuǎn)羽根（刮刀、刮板）回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置，且在軸受部使用機(jī)械軸封等，全部結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，整個(gè)裝置也太過龐大。由于傳熱面積沒有很大，為了提高熱交換率，需用壓力較高、溫度較高的蒸氣做為熱媒，而冷卻有時(shí)會(huì)用到使用如乙二醇不凍液等的冷媒設(shè)備。因此，有時(shí)，像藻類液、蛋白質(zhì)等之類對熱敏感的流體會(huì)產(chǎn)生焦化，或是流體的剪斷力會(huì)使品質(zhì)劣化。另外，因?yàn)閮?nèi)容積較大，改變制品種類時(shí)，原料損失多；另外由于軸受部使用復(fù)雜的軸封設(shè)計(jì)，因此在洗凈上需要花相當(dāng)久的時(shí)間也是個(gè)問題。
<圖5：板式熱交換器> <圖6：刮板式熱交換器>
【1-2】 直接加熱方式
直接加熱的裝置，一般有使用如＜圖7＞所示的文氏管型的Injector。由于構(gòu)造簡單，原料流體可以直接和蒸氣接觸、混合而被加熱，原料溫度很快會(huì)因?yàn)槲樟苏魵獾臒崮埽犰剩傻蜏靥嵘礁邷?。但是，混入的蒸氣?huì)凝結(jié)成水滴，比原料的比熱少了若干。例如，流量1000Kg/Hr的原料從常溫加熱到100℃的處理，原料中的水分約會(huì)增加10~15%左右。因此，采用直接加熱方式為了得到zui終制品水分的濃度，事先是否調(diào)整原枓的濃度，以及除去加熱處理之后濃縮所增加的水分是很必要的。
這種文氏管型的設(shè)計(jì)，由于不易在蒸氣注入部（steam hole 或 steam nozzle）讓蒸氣和被加熱液體能充分混合、于極短的時(shí)間內(nèi)將蒸氣凝縮于混合裝置內(nèi)，裝置出口的加熱流體之溫度容易造成不均，液體難以正確地控制，對于高黏性流體、熱敏感性高的流體或是加熱后粘性有變化的流體而言，壓力損失過大，負(fù)荷變動(dòng)上所適用的范圍也顯著變小，諸類的問題也是它需克服的缺點(diǎn)。
<圖7：文氏管型的Injector>
【1-3】 直接加熱方式的Noritake Cooker & Cooking System
Noritake Cooker是一種應(yīng)用靜態(tài)型混合器（Static Mixer） 優(yōu)良混合原理與特性所開發(fā)出來的*直接加熱設(shè)備。這種裝置在加熱制程的應(yīng)用上，無論是低粘性或是高粘性的液體與熱敏感性的流體，以及包含固由體成分的Slurry流體等等，皆可以在短時(shí)間內(nèi)加熱、殺菌或煮沸。若再搭配也是由靜態(tài)型混合器衍生出的SM熱交換器，可以達(dá)成連續(xù)直接加熱、間接冷卻的優(yōu)異制程設(shè)備。為了能多了解Noritake Cooker的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，首先說明Noritake靜態(tài)型混合器（Static Mixer）的構(gòu)造與混合原理。
Noritake靜態(tài)型混合器（Static Mixer）的構(gòu)造如＜圖8＞所示，管內(nèi)安裝有向右扭轉(zhuǎn)與向左扭轉(zhuǎn)的螺旋狀葉片（Element），其每一葉片的邊緣與另一片葉片的邊緣互成90度直角相接排列。這種右旋、左旋葉片的組合使通過靜態(tài)型混合器的流體，沿著葉片進(jìn)行下列三種混合作用：
<圖8：Noritake靜態(tài)型混合器（Static Mixer）的構(gòu)造>
【流體的分割（Division of Flow）】
流體通過靜態(tài)型混合器的管內(nèi)后，流體會(huì)碰到管內(nèi)安裝的扭轉(zhuǎn)螺旋狀葉片，因此被入口的葉片一分為二。此二股流體在通過*片葉片后會(huì)被下一片葉片再度分割為二。也就是說通過二個(gè)葉片后，流體被分割為四股。換句話說，流體每通過一次葉片就會(huì)被分為二股，一分為二、二分為四、四分為八、…………。其結(jié)果是流體每通過一葉片，流體會(huì)按造指數(shù)系數(shù)被分割。
若以數(shù)學(xué)公式表示，則分割數(shù)以S表示，葉片數(shù)以N表示的話，則可以倒出得到以下的分割數(shù)公式： S=2N 。此時(shí)以d表達(dá)分割條紋的厚度、D代表靜態(tài)型混合器的管內(nèi)徑的話，則d=D / 2N 。（參見＜圖9>）
【流體的反轉(zhuǎn)（Flow Reversal）】
由于靜態(tài)型混合器是由右扭轉(zhuǎn)與左扭轉(zhuǎn)的螺旋狀葉片交互排列的組合，因此每當(dāng)流體通過右旋葉片時(shí)，其慣性力向右旋轉(zhuǎn)；但當(dāng)通過下一個(gè)葉片時(shí)由于是左旋葉片，葉片的幾何形狀向左旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)迫流體依左旋葉片的扭轉(zhuǎn)方向?qū)T性力向左旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象，可想象如同在咖啡杯內(nèi)攪動(dòng)奶精，先順時(shí)鐘攪動(dòng)、接著反時(shí)鐘攪動(dòng)來加快奶精與咖啡的混合。（參見＜圖10>）
【流體的轉(zhuǎn)換（Radial Mixing）】
靜態(tài)型混合器的管內(nèi)剖面可被葉等分，在管中心部分的流體會(huì)沿著葉片的扭轉(zhuǎn)曲面流動(dòng)。再加上由中心朝向管璧面方向的速度向量，對流體整體而言，在這由葉片等分的半圓剖面中，流體正承受著回轉(zhuǎn)的力量。因此管中心部分的流體會(huì)向管璧移動(dòng)而管璧部分的流體會(huì)向管中心移動(dòng)。這種回轉(zhuǎn)方向與葉片的扭轉(zhuǎn)方向相反，在向右扭轉(zhuǎn)的葉片上流體在半圓形流路上向左回轉(zhuǎn)；反之，在向左扭轉(zhuǎn)的葉片上流體在半圓形流路上向右回轉(zhuǎn)。（參見＜圖11>）
利用以上三種混合的作用，流體在Noritake靜態(tài)型混合器（Static Mixer）內(nèi)混合，其結(jié)果在徑方向上混合流體的性狀得以均勻化，成為理想的活塞流場（Piston Flow） （參見＜圖12>）。在混合制程上，靜態(tài)型混合器被廣泛的應(yīng)用，在食品工業(yè)上添加物的線上比例調(diào)和、果肉粒與果汁或優(yōu)若乳的調(diào)和、微他命液與色拉油的混合….等均已被使用。＜圖13>是衛(wèi)生型的靜態(tài)型混合器，由于是將混合密閉于管線中與外環(huán)境隔絕，所以能確保混合環(huán)境的單純化；而混合器內(nèi)部沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，在分解、清洗上也很方便。
<圖13：衛(wèi)生型的靜態(tài)型混合器Static Mixer>
就是由于靜態(tài)型混合器優(yōu)異的混合機(jī)制，將攪拌葉片（Static Mixer Elements）與直接加熱器結(jié)合發(fā)展出*的Noritake Cooker＜圖14>。這種直接加熱的Cooker是由Steam Header、Nozzle、分散部組合成Steam Injector，在與靜態(tài)型混合器（Static Mixer）的混合葉片（Mixing Elements）所構(gòu)成。由蒸氣Header供給來的蒸氣透過Injector Nozzle均勻地噴射注入到被加熱的原料液體中，而后透過混合葉片（Mixing Elements）的部分將蒸氣與被加熱的原料液體強(qiáng)制混合吸收、凝縮?？梢杂趜ui短時(shí)間內(nèi)瞬間將流體加熱到所需要的溫度。因此無論是低粘性或是高粘性流體，幾乎都可以作加熱處理；而且加熱后的液體溫度均一、溫度正確的控制也能達(dá)成。另外由于是采用蒸氣直接接觸被加熱物，因此當(dāng)要改變加熱的目標(biāo)溫度時(shí)能在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來。這些都是間接加熱式熱交換器相對比較困難做到的。Noritake Cooker即使應(yīng)用在淀粉Slurry類的原料加熱制程上，淀粉Slurry的粘性受溫度提高也相對產(chǎn)生很大的變化的困難應(yīng)用，也能處理。而且由于升溫吸熱的混合時(shí)間極短，蒸氣與粘度變化的淀粉Slurry能快速的混合、凝縮吸收，因此不易產(chǎn)生熱交換器傳熱管加熱璧面Over Heating焦化的狀況。另外如同前面所提靜態(tài)混合器內(nèi)部沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，在分解、清洗上也很方便。
<圖14：Noritake Cooker>
利用Noritake Cooker 及SM熱交換器組成的連續(xù)直接加熱、間接冷卻優(yōu)異制程設(shè)備Noritake cooking system 的加工食品之處理與使用例子如下：
Noritake cooking 裝置之用途包括使用前述的「Noritake cooker」的直接加熱與使用「SM熱交換」的間接冷卻方式、以及使用降壓冷卻和利用真空抽氣冷卻等方式。
【Cooker直接加熱、SM熱交換器間接冷卻方式（C-HE方式）】
此種方式使用Cooker，以蒸氣直接加熱、殺菌或煮沸，然后用SM熱交換器進(jìn)行冷卻處理（參照<圖15>）這種的應(yīng)用使用例可在奶油（Cream）如Flower Paste 或 Custard Cream 等產(chǎn)品的加熱、煮沸、冷卻工程
<圖16>照片即為用在此工程的裝置之例。此類工程以往多使用刮板式熱交換器進(jìn)行加熱，由于加熱時(shí)所發(fā)生的燒焦或原料流體所需的剪斷力，使品質(zhì)劣化之類的問題發(fā)生了。采用Cooker直接加熱的系統(tǒng)就能避免這些問題，而且裝置也很簡單，更沒有驅(qū)動(dòng)部分，幾乎不需要維俢費(fèi)用，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
<圖15：直接加熱、間接冷卻C-HE 示意流程圖>
<圖16：直接加熱、間接冷卻C-HE System>
另一個(gè)使用例: 布丁以及果凍等熱敏感性流體的加熱、殺菌、冷卻工程。此一工程以往一直使用管式或板式熱交換器來加熱，隨著制品的品質(zhì)提升，必須以100℃以上的高溫來殺菌，因此會(huì)面臨含膠質(zhì)或蛋白質(zhì)原料因加熱不均一或滯留過長產(chǎn)生焦化的問題。而透過Cooker以瞬間加熱方式，原料被加以高溫的秒數(shù)非常短，品質(zhì)不會(huì)劣化，可以提高制品品質(zhì)。
【Cooker直接加熱、Flash 降壓冷卻方式（C-FC方式）】
此方式是利用Cooker以蒸氣直接升溫加熱并利用降壓冷卻（Flash Cooling）進(jìn)行蒸發(fā)濃縮的系統(tǒng)<圖17>這種的應(yīng)用使用例如蕃茄醬和果汁等的加熱、殺菌工程。此類工程以往有使用文氏管型的Injector，雖然已解決間接加熱的熱交換因滯留長或流動(dòng)不良造成過熱（Over Heating）、焦化等問題。但是由于被加熱的原料黏度較高，加熱溫度難以正確控制，加熱的不良會(huì)使原料的一部份未能殺菌。而使用Cooker可以正確控制原料之加熱溫度，不會(huì)因?yàn)榧訜釡囟炔环€(wěn)定而產(chǎn)生溫度的偏差，只要加熱一次即可充份殺菌。因此，沒有原料變色等因素使產(chǎn)生的品質(zhì)劣化。
另外一個(gè)使用例是對加熱后粘度會(huì)有變化的產(chǎn)品上所做的改善。在生產(chǎn)異性化糖、高果糖、葡萄糖等液體糖或醋的制作過程中必須有的淀粉液化工程（Starch Liquefaction Process）。此類工程使用原料濃度若一提高，則液化粘度也會(huì)顯著升高。而且，液化溫度的不安定也會(huì)成為液化不良的原因。因此，原料的淀粉濃度不能提高，而液化溫度也不容易控制。本設(shè)備利用Cooker控制液化溫度很容易，不太受到黏度的影響，所以即使提高濃度，液化溫度也很安定。另外，對于生產(chǎn)醋類的原料中包含顆粒狀之固體Slurry流體，也可以做安定液化的處理。這對目前為大家所矚目的生質(zhì)能源產(chǎn)品的生產(chǎn)制程上扮演不可少的有利工具。有關(guān)此部分的說明，將在后面深入說明。
由于加熱后可用降壓（Flash）配合真空抽氣（Vacuum）的方式來做冷卻工程，除了可以將高溫液體降溫下來，同時(shí)也能依靠真空抽氣排除部份由于加熱所凝縮于產(chǎn)品內(nèi)的水分。
<圖17：直接加熱、降壓冷卻C-FC 示意流程圖>
應(yīng)用靜態(tài)型混合器優(yōu)異的混合機(jī)制，將攪拌葉片（Static Mixer Elements）與直接加熱器結(jié)合發(fā)展出*的Noritake Cooker以外，對于產(chǎn)業(yè)界需要的熱水制造，Noritake也發(fā)展出專門針對加熱冷水制造熱水的Steam Mixer蒸氣混合器。蒸氣混合器的構(gòu)造如<圖18>所示，也同樣具有蒸氣噴嘴（孔）、蒸氣/冷水混合吸收的混合葉片（Mixing Elements）?？梢哉f是專門針對水加熱的直接加熱混合器。與利用熱交換器制造熱水的間接加熱型式比較，采用Steam Mixer的優(yōu)點(diǎn)馬上可以顯現(xiàn)出來。因?yàn)殚g接加熱方式的熱交換器，液體在加熱裝置內(nèi)部滯留的時(shí)間較長，從設(shè)定的溫度變更到加熱溫度安定化為止，常需要一段時(shí)間。而且采用蒸氣為間接加熱媒介時(shí)，會(huì)在加熱裝置內(nèi)部產(chǎn)生凝結(jié)水，這些凝結(jié)水若無妥善排出將會(huì)使傳熱管/板的熱效率減低。另外如果長時(shí)間運(yùn)行也會(huì)有結(jié)垢（Scaling）情形發(fā)生導(dǎo)致熱效率減低，這時(shí)就必須分解清洗去除這些污垢。
<圖18：蒸氣混合器Steam Mixer>
而采用內(nèi)藏有混合葉片的Steam Mixer，本身構(gòu)造簡單沒有滯留部，冷水與蒸氣在Steam Mixer內(nèi)瞬間混合、吸收凝縮?？梢匝杆俚囊浪O(shè)定的溫度得到熱水。而且由于蒸氣是*凝縮吸收于水中，因此也沒有冷凝水排放的問題，蒸氣的熱值可以的利用；隨著原油產(chǎn)量的減少，日后油價(jià)必然高居不下。使用蒸氣混合器直接加熱的方式可以節(jié)省能源，并且減少設(shè)備所占的體積、維修保養(yǎng)所帶來的成本和費(fèi)用。附表為Steam Mixer與間接加熱的熱交換器之比較表。
Steam Mixer直接加熱 vs. 一般熱交換器（間接加熱）
比較表
| | Steam Mixer直接加熱 | 熱交換器（間接加熱） |
| 滯留時(shí)間 | 1秒以下 | 數(shù)分鐘 |
| 定?；?/div> | 以蒸氣混合器直接加熱可以以極快的速度加熱到要求的溫度，而且溫度的控制上也較間接加熱的方式容易。 | 使用間接加熱式熱交換器加熱時(shí)水在交換器中有滯留時(shí)間，當(dāng)設(shè)定溫度變改要到達(dá)預(yù)期的溫度需要時(shí)間。 |
| 熱效率 | 100% 以蒸氣混合器將蒸氣直接加入水中混合，可以*將蒸氣凝縮入水中并發(fā)揮蒸氣的全熱。 | ~80% 間接加熱的方法會(huì)發(fā)生凝結(jié)冷凝水，就這個(gè)部份而言間接式加熱的熱效率是很差的。 |
| 保養(yǎng)維修 | 蒸氣混合器*沒有這種顧慮，無須做零件的更換或保養(yǎng)及維修的工作。 | 用間接加熱的方式熱交換器會(huì)產(chǎn)生Scaling的情況，造成熱交換器的熱效率降低，所以必須要定期清洗保養(yǎng)。如果使用板式熱交換器，橡皮seal的部份會(huì)因?yàn)楦邷囟踊斐烧魵庑孤┑奈ｋU(xiǎn)，所以經(jīng)過一段時(shí)間就必須更換維修，而且更換的工作過程繁復(fù)。 |
| 容許負(fù)荷范圍 | 蒸氣混合器的負(fù)荷變動(dòng)范圍很廣。 | 間接式熱交換器的熱傳面積是固定的，能容許的加熱溫度范圍狹窄。 |
Part2【直接加熱Cooker用于生質(zhì)能源開發(fā)制程的應(yīng)用】
在地球上人類可以利用的能源很多，總體上大致可以分為兩大類：即一次性能源和可再生能源。在過去的人類文明歷史中，工業(yè)革命后，大量的開始使用次性能源如天然氣、煤、石油。這些一次性的能源在地球的儲(chǔ)存量是固定有限的，是的。而且隨著人類歷史的發(fā)展，這類的能源已消耗了相當(dāng)?shù)谋壤⑶乙查_始有逐漸枯竭的趨勢。因此由20世紀(jì)開始，上便有些國家與學(xué)者、研究人員開始在研究、發(fā)展可再生能源，以zui終取代傳統(tǒng)的一次性能源。
酒精是重要的工業(yè)原料，同時(shí)也是一種含氧燃料。近年來由于世界各國經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，對于石油能源的需求也大幅度的增加。重整體態(tài)勢來說，石油資源的存量必將逐步減少，而后zui終將面臨枯竭。因此世界各國無不為長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略考慮、確保燃料能源供應(yīng)安全，無不積極尋找替代能源方案。各國政府或汽車制造廠對于交通運(yùn)輸?shù)钠嚹茉?/span>-汽油，也都朝此方向去努力。
替代汽油的能源方案有很多，可由更改引擎（發(fā)動(dòng)機(jī)）的燃料模式，例如改用太陽能電池或充電電池。但這些更改替代的計(jì)畫目前要達(dá)到普及化的經(jīng)濟(jì)規(guī)模還有一段路要走。因此在不大幅改變現(xiàn)有汽車引擎的燃燒方式下，在汽油里添加一定比例的酒精來降低汽油的消耗量，便成為馬上能實(shí)現(xiàn)取代一次性能源-汽油的可行方案。因此包括美國、巴西、中國、歐盟等國家都已有或極力推展這種替代汽油、降低汽油消耗的生質(zhì)能源-燃料酒精的產(chǎn)品。
由生質(zhì)能源的觀點(diǎn)來看，生產(chǎn)燃料酒精的原料必須是來自生物產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，例如淀粉（來源有玉米、樹薯、大米…等）、制糖工業(yè)的糖蜜、或木質(zhì)纖維素（如木材業(yè)的木屑，農(nóng)作物與農(nóng)業(yè)廢棄物如黃豆莢、玉米穗心、稻殼……）。目前已成熟并開始工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵方式主要原料為糖蜜及淀粉。而由生產(chǎn)制程的角度來看，凡是任何含有可發(fā)酵性糖或可以轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖的原料，都可以作為發(fā)酵法酒精生產(chǎn)的來源。
如同前面所提「可以轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖的原料」可作為發(fā)酵法酒精生產(chǎn)的來源，理論上，在酒精發(fā)酵上所用的微生物菌有直接水解淀粉進(jìn)而發(fā)酵生成酒精的菌株；但考量經(jīng)濟(jì)成本、大量工業(yè)生產(chǎn)等方面的因素，目前工業(yè)上采用的酒精發(fā)酵菌株主要的酵母（酵素、脢），并無法直接以淀粉作基質(zhì)。因此在酒精發(fā)酵之前必須把淀粉水解（液化、糖化）為酵母可利用的糖類，這個(gè)過程就是淀粉的液化與糖化。因此由食品工業(yè)-液態(tài)糖的生產(chǎn)制程上可以衍生發(fā)展出以淀粉質(zhì)原材料（來源可為樹藷、甘藷、玉米等）來生產(chǎn)發(fā)酵酒精的生產(chǎn)制程。
<圖19>是利用玉米淀粉生產(chǎn)發(fā)酵酒精的一個(gè)大概流程說明；對于采用樹藷或甘藷等地下淀粉原料的生產(chǎn)方式也大致相同。主要還是先將包覆于基材中的淀粉取出，而后經(jīng)由液化、糖化將其轉(zhuǎn)換為可發(fā)酵性糖，在來經(jīng)由酵母發(fā)酵產(chǎn)生發(fā)酵膠在經(jīng)由蒸餾（粗餾 & 精餾）產(chǎn)出發(fā)酵酒精。zui后在加上脫水技術(shù)將發(fā)酵酒精產(chǎn)出可做為汽車引擎添加的*。
<圖19：玉米生產(chǎn)燃料酒精示意流程>
因此可以看出在淀粉液化這段，可以利用優(yōu)異的直接加熱混合器Cooker來進(jìn)行淀粉Slurry的連續(xù)液化工程。根據(jù)不同的基質(zhì)原料，液化的溫度與液化后的保持時(shí)間也不同。<圖20>是以地下淀粉-樹藷為原料，每小時(shí)處理50M3淀粉Slurry的淀粉連續(xù)液化 & 糖化的流程。
<圖20：樹藷淀粉50M3/Hr,連續(xù)液化 & 糖化示意流程圖>
首先根據(jù)淀粉Slurry的物性與液化酵素的使用條件，將淀粉乳的PH值調(diào)整好，而后加入適當(dāng)?shù)囊夯退赜诘矸廴橹校?/span>Pump將其送入直接加熱的Noritake Cooker內(nèi)，透過蒸氣直接注入將淀粉Slurry加熱到所需的液化起始溫度，經(jīng)由適當(dāng)?shù)暮銣乇３謺r(shí)間（Holding Time）完成連續(xù)液化（Continual Liquefaction Process）的工程。此時(shí)淀粉由高粘性受熱膨脹糊化復(fù)雜的長鏈接構(gòu)、分解分裂為若干短鏈的糊精、再繼續(xù)被水解為低粘性水狀的液體。這種在加熱過程中，被加熱物會(huì)因受熱溫度提升而有很大粘度變化的生產(chǎn)制程，在過去很難有理想的加熱設(shè)備（Heater / Heat Exchanger）能來處理。而且在加熱過程中，流體的粘性由加熱入口的中低粘度（35%wt濃度淀粉乳約數(shù)百cps）、到高溫加熱中間的淀粉糊、糊精（已達(dá)數(shù)十萬cps）、到zui終產(chǎn)出的水解液（近百cps）,這種低-高-低的粘性變動(dòng)對于采用間接加熱的夾套桶（Jacket Tank）或是熱交換器（Heat Exchanger）都是很難去對應(yīng)的，更何況還要能處理好準(zhǔn)確的加熱溫度。
透過內(nèi)藏有靜態(tài)攪拌葉片的Noritake Cooker，這些問題都能解決。噴射注入的蒸氣透過Nozzle注射與淀粉漿混合，再藉由Static Mixer葉片的混合機(jī)制「分割」、「反轉(zhuǎn)」、「轉(zhuǎn)換」，將蒸氣于通過溫度Sensor前均勻的混合、分散、吸收、凝縮。使得加熱溫度能夠正確的達(dá)到。自然液化的轉(zhuǎn)換達(dá)標(biāo)率也能如規(guī)劃設(shè)計(jì)的參數(shù)一般，順利完成。
另外對于這種內(nèi)藏有靜態(tài)攪拌葉片的Noritake Cooker還有一項(xiàng)特色那就是當(dāng)制程系統(tǒng)要放大產(chǎn)能時(shí),很容易規(guī)模放大（Scale Up）。其原因乃是因?yàn)樗辛黧w參數(shù)均是以連續(xù)化管線設(shè)計(jì)所得，因此只要掌握小型系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，很容易由Pilot System放大到連續(xù)生產(chǎn)制程。這對生產(chǎn)制程的放大開發(fā)提供了一條便捷的方法，同時(shí)也加速使用者導(dǎo)入新制程、放大產(chǎn)能。<圖21>為利用Noritake Cooker于大型淀粉液化制程的裝置照片
<圖21：利用Noritake Cooker于大型淀粉液化制程的裝置照片>
【結(jié)語】
隨著經(jīng)濟(jì)開發(fā)，在食品工業(yè)的分野上，消費(fèi)者對于食品的消費(fèi)意向漸趨多元化，今后會(huì)更朝向高品質(zhì)化以及自然食品化的方向邁進(jìn)。另一方面，其制造業(yè)界的工程連續(xù)化、自動(dòng)化以及合理化也更加重要。在這種情況下，本文所介紹的加熱殺菌冷卻系統(tǒng)（Noritake Cooking System）的應(yīng)用，充分地?fù)?dān)負(fù)其中一部份的任務(wù)，今后會(huì)越加擴(kuò)大其范圍。
另外一方面能源短缺是人類文明社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都將面臨的重大課題之一。過去埋藏于地底的天然能源-媒、石油等資源已經(jīng)逐漸趨于枯竭。因此研究、發(fā)展類似由『太陽能-植物-燃料酒精』等可再生的生質(zhì)能源的課題是世界各國努力發(fā)展的目標(biāo)。本文僅借由直接加熱的Cooker用于淀粉Slurry連續(xù)液化的應(yīng)用上切入此議題，盼能拋磚引玉將生質(zhì)能源的思維帶入，由各界賢達(dá)之士推動(dòng)各種生質(zhì)能源的研究、開發(fā)相關(guān)計(jì)畫。相信假以時(shí)日，生質(zhì)能源的利用在中國臺(tái)灣必會(huì)越來越受到重視
【參考資料】
※ S.J.Chen 『Static Mixing Hand Book』
※ 食品機(jī)械裝置 2002 Vol.18 1
※ Noritake Co.,Limited , Fluid Technology Dept. Static Mixer 應(yīng)用技術(shù)報(bào)告『Noritake Cooker于食品制造上的應(yīng)用』
※ Noritake Co.,Limited , Fluid Technology Dept. Static Mixer 應(yīng)用技術(shù)報(bào)告No20『Noritake Static Mixer 基礎(chǔ)技術(shù)』
※ Genencor International, Inc. Jay K. Shetty & O.,J.Lantero and W.Douglas Crabb 『Factors Affecting the Economics of Glucose Production』
※ Genencor International, Inc. W.D. Crabb , J.K.Shetty & O.,J. Lantero
『Novel Approaches to Improve Saccharification of Starch』
※ 劉鐵男 , 熊必琳 『燃料乙醇與中國』
※ 徐敬橫 『生質(zhì)酒精之能源開發(fā)』化工技術(shù)2005/6月號(hào)
【作者簡介】
林慕志
學(xué)歷：淡江大學(xué)機(jī)械工程研究所 碩士
現(xiàn)職：晨安企業(yè)股份有限公司 協(xié)理
專長：流體力學(xué)、熱傳工程、燃燒與噪音振動(dòng)、管內(nèi)（In Line）混合裝置
、熱交換系統(tǒng)工程
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