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微藻類生質能之發展可行性

2020-07-13

吳建一 副教授/主任

大葉大學食品暨應用生物科技學系副教授/生物科技發展中心、創新育成中心主任


利用微藻作為生質能之優勢

利用微藻來生產生質柴油比利用其他原料具有更多優勢,例如: (1)微藻具有全年皆能生產的特性,且具有高的油脂生產率(佔20-50% 的乾藻細胞重);(2)每單位面積可獲得的油脂產量微藻遠遠大於其他含油量高的種子作物;(3)雖然微藻是使用液態的方式進行培養,但卻比陸生作物所需的水量還來的少,因此能降低乾淨水的使用量;(4)微藻可以培養於未開墾的鹽湖/沿海海水/淡水/貧瘠的土地(如沙漠、乾旱和半乾旱的土地)中,並不會與傳統農業的可耕作土地競爭,因此不會改變土地的使用,也不會影響到農作物的食物、飼料與其他產物的生產;(5)微藻可以由不同的廢水中獲得氮和磷源供其生長,兼具廢水處理的效果;(6)微藻能吸收從發電廠燃燒化石燃料及其他排放煙管氣體中的CO2 (1 kg的藻類生物質(biomass)大約可以轉化1.83 kg的CO2);(7)可以利用各種生長條件來調整藻類生物質的生化組成,藉此提高油脂的產量;(8)培養微藻不需使用除草劑或殺蟲劑,因此不會造成環境上的破壞;(9)微藻還可以生產許多具有高附加價值的產物,例如,動物飼料、各種色素、蛋白質及一些多醣類等,而殘餘的生物質還可作為飼料或肥料使用,或是用來生產甲醇或乙醇;(10)微藻能利用光能來生產另一種乾淨的生質能源-氫氣。因此對替代石油的液體運輸燃料來說,利用微藻所生產的生質柴油絕對是一個具有潛力的可再生資源。

適合作為生質能源之微藻條件?

微藻可分為矽藻(diatoms)、綠藻(green algae)、黃色鞭毛藻(goldenbrown algae)和藍綠藻(blue-green algae)。全世界有超過200,000種的微藻,但只有某些種類可以用來生產生質柴油。根據Solar Energy Research Institute (SERI)報告指出最有希望用來生產燃料的為Botryococcus braunii,這是因為其含有大量的碳水化合物;Nannochloropsis salina則是可以生產大量的酯類燃料;Dunaliella salina則是含有大量的脂肪酸。美國National Renewable Energy Laboratory (NREL)則是指出Spirulina, Dunaliella, ScenedesmusChlorella為商業或大規模(> 0.1 ha)生產上最受歡迎的藻種。最近的報告則是指出Spirulina platensis, Dunaliella salinaChlorella為最適合的藻種。一般高油脂含量之微藻的油量約佔藻體乾重的6-75%,不同的微藻會產生不同的油脂種類與含量,而且也不是每種油脂都是可以作為理想的生質柴油,必須再從中萃取想要的油脂。有的產石油之異營微生物可生長在一個含有自然有機碳的環境中來生產生質柴油,但是卻不能像會進行光合作用的微藻一樣的擁有高效率的生產力,這通常是因為它無法將碳再做轉換的原因。因此,以微藻類為基礎的產油過程,其中最重要目標之ㄧ便是具有每單位最高的脂質合成率(結果包括生質體產率與脂質含量),因為其結果深深地影響生質柴油產品的價格。因為高脂質含量的微藻能夠改善生物質在萃取脂質過程的效率。通常藻類培養面積產率主要與氣候條件(溫度與日照)與培養技巧有關,適當的藻株種類更是根本的條件。所挑選的藻株必須能夠在戶外培養的條件下,亦具有高產率、高脂質含量,能夠在營養缺乏的狀況下累積脂質,選擇的藻株還必須要強壯地足以抵抗混合的剪切力,並且能讓自己適應戶外培養時各種物理與化學條件的改變。為達上述目的,可以使用自台灣本土所分離的藻株是相當有必要性的。

在2004年時世界消耗了相當於1.31 x 105 GW-h的電力(http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/excel/figure_11data.xlsAccessed01/22/2008);而大約有86%的能源來自於石化燃料的燃燒,釋放了2.9 x 1010 tons的CO2到大氣中。2008年由於使用大量的化石燃料而增加大氣中的CO2濃度到358-395 ppm (http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/Accessed)。發電廠燃燒化石燃料[Power stations burning fossil fuels (PSBFF)]放出344 kg到941 kg的CO2,是CO2最大的固定來源;PSBFF的範圍在400-1200 MW,最典型的就是550MW。在未來的30-40年之間,即使CO2排放量在使用某種技術下即刻減半,全球CO2濃度仍然爬升至540ppm (約工業以前兩倍的量)。根據預測,CO2含量超過 450 ppm時,大氣中CO2會產生嚴重海平面升高的影響,因而改變全球氣候模式和許多物種和生物的生存。由於微藻比高等植物(如樹木或甘蔗)具有更大的光合效率,因此,將微藻培養於光合生物反應器是目前全球削減CO2主要策略之ㄧ。然而,要能成功的使用微藻來減緩CO2含量和生產生質柴油需要根據微藻種類所具有的生長速率、脂質含量和具有能耐高濃度CO2的能力作進一步的選擇。另外,曝入較高濃度的CO2或持續的曝入CO2會使培養基的pH明顯下降,加上CO2是微溶的氣體,因此,若培養基pH屬於高鹼度,不但可以增加CO2溶解度,亦可以達到CO2使培養基的pH下降的緩衝效果。另外,一般CO2煙道出口溫度相當高,將來若要應用藻株實際應用煙道之CO2削減,篩選之微藻耐高溫是必要的。

 

微藻多元化之應用

微藻生物科技近年來備受矚目,除因為可做為能源作物並轉化成多元生質能之潛力外,更因為它有成為小型的生化工廠提供原料以轉化成高價值之生化產品,包括生物高分子(biopolymer)、生物塑膠(bioplastic)、保健食品(functional food)、保健藥品(pharmaceutical) 、精密化學品(fine chemicals)等領域。圖1所示為由微藻生物科技培養至開發多元產品型態之示意圖,整個技術包含從藻類篩選、培養優化、反應器製程設計、回收與濃縮、萃取與分離系統建立,到藻類生質能產物(柴油、酒精、氫氣與甲烷等)與非生質能產物(動物飼料、葉黃素、葉綠素等各種高單價色素)。因此若能充分利用藻類生質為原料生產多元生化產品,不但可解決環境問題,同時可生產高經濟價值之產品,對環境友善之綠色製程,值得開發。

 

 
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