湛蓝奇蹟:利用藻类生产生质能源

生质能源的发展

在全球暖化与能源危机的大环境下,海藻可以在海水中与海岸周边生长,不会和陆地上的粮食、饲料等农作物抢耕地、淡水、肥料等生产资源。此外,海藻的生长可以吸收大气与水中的二氧化碳,协助解决地球暖化与海水酸化的问题,未来随着碳税的开徵,还可以出售可观的二氧化碳配额。

就中国台湾地区而言,除了在陆地上可就已有的农业与发酵技术,发展如澱粉类作物中的甘藷做为国家特有的生质能源作物,以及利用厨余等生物性废弃物开发新型态的生质能源外,在海洋经济水域中养殖各种藻类,做为生质柴油、生质乙醇、生质氢气等的生质能源产业的原料,应是确保未来长远经济发展的可行策略。目前藻类可再生生质能源尚属发展的起始阶段,若政府与企业界能早日投入与支持已略有基础的研发工作,必可在藻类生质能源产业领域,建立具有领先全球生产技术的重要地位。

此外,开创绿色的可再生生质能源产业,除了国内自用能源与其他民生所需的供应外,也可以把这类生质能源技术以整厂输出方式,拓展到其他国家地区应用并取得回馈,最重要的是,可使能源需求不再完全掌握于他人之手。对于我国的独立自主发展与全体国民的民生福祉而言,海洋藻类再生生质能源产业的技术研发是值得及早投资的。

其他屡被论及的生质能源发展问题,包括粮食与国际贸易之间複杂的关係,有限的陆地农业土地资源被生质能源生产作物占用,以及受限制的水资源究竟应使用于工业粮食饲料作物,或生质能源生产作物栽种的问题。实际上,若能跳脱局限于陆地有限耕种土地的思考框架,愿意把视线转向中国台湾周边辽阔的海洋水域,就可立即出现崭新的开阔思考空间,与更多可供解决现有能源供给问题对策的选项,以及奠定海洋国家未来各类先进海洋生质能源科技产业的发展基础。

中研院院士徐遐生博士在 2008 年暑假的吴健雄科学营「全球暖化与能源危机」的演讲中,述及生质燃料、光电能、核融合与核分裂 4 种有发展潜力的能源,且经分析后认为是未来符合永续能源需求的 4 项选择。

但在后续的评估中,徐院士仅谈到由纤维素乙醇製成的生质燃料,以及未来可改种植经基因改良可产生玉米乙醇 4 倍能量的软化软枝草。然而,在评估软化软枝草产生生质燃料所需的广大土地面积,以及土壤有机物再需求等问题后,质疑以这类方法产生的生质能源是否较好,最后还是认为核能发电是解决全球暖化与能源危机的可行方案。徐院士也在演讲文稿后的附录中,提出数据化估算生质燃料生产限制说明,主要是以陆地植物产出乙醇的净效率和需要的种植土地面积,来评估其可行性。

徐博士对于生质能源的估算,似乎仍限制在陆地植物,忽略了国内外已蓬勃发展的藻类生质能源产研成果。海藻生质能源产业已被许多国内外的产研机构认同是最具开创性,也是可解决诸多全球暖化和能源危机的可行方案。

国际的研发概况

巴西 巴西适合甘蔗生长且劳动力便宜,有利于推动生质酒精产业发展,因此在政府产业政策方面保持长期的支持。然而持续研发提升酒精生产效率的新技术,以降低生产成本,才是巴西生质酒精产业成功的主要原因。

美国 美国以玉米做为生质酒精的原料,在诸多生物技术及酒精脱水技术的发展下,生质酒精产量迅速成长,2005 年产量近 1,500 万公秉。除了推广生质酒精之外,美国也重视生质柴油的发展与应用。美国的生质柴油以黄豆为主要原料,2006 年已达到一亿四千多万加侖,显示美国生质柴油的市场也处于快速成长阶段。

美国夏威夷大学的 M.E. Huntly 与 D.G. Raleigh 博士,发展自藻类生产生质柴油的先进技术,且于 2004 年创设 HR BioPetroleum 公司。它是一个以夏威夷为基地的可再生能源技术公司,利用最具生产力的藻类生产生质能源与其他高价值产品,同时开发降低工业界所释放二氧化碳的处理技术。

美国能源部于 1980 年代就已开始以藻类生产生质柴油的研究工作,并已获得丰富与完整的成果。惟当时石油价格低廉,主要以微藻类生产的生质燃料(柴油)较不具竞争力。但当原油价格飙涨至每桶 100 美元以上时,以微藻类生产的生质柴油就可能具有商业上的竞争能力。

德国 德国在生质能源的发展方面,由于地理环境、气候等因素,较适合种植油菜,而非玉米或甘蔗等醣类作物,因此引导其国内休耕或废耕的农地种植油菜,利用油菜籽榨油製造生质柴油。此外,德国优异的柴油引擎生产技术,也是其选择发展生质柴油的原因之一。

在 1998 年,德国政府订定随油徵收环境税的政策,以减缓地球的温室效应。但对生质柴油採取免徵燃料税的奖励措施,使得生质柴油的售价低于石化柴油,促使消费者改用生质柴油。惟自 2006 年 8 月起,德国政府基于财政因素,开始对生质柴油课税,已对生质柴油市场的发展造成影响。在生产技术尚无法把生产成本降低到市场乐于主动接受的状况下,生质能源产业必须依赖政府各种鼓励措施的支持,需要面对因政策变动所产生的机会风险。

许多外国的生质能源公司,如 HR Biopetroleum、Risoe-DTU、Danish National Environmental Research Institute-AU、DONG Energy 等,都以可快速生长的藻类所产的藻油或藻类多醣,做为生质柴油、生质乙醇等的发展选项。

但目前以公司型态进行研发与量产的海藻生质能源产业,多根基于以前多年的藻类油脂的生产研发成果,特别是许多高产油量的海洋微藻。因此对于以藻类多醣做为发酵基质,多思考先经多种多醣水解酵素降解为微生物可代谢利用的简单醣类,再用可以代谢利用这些简单醣类的酵母菌和细菌,生产乙醇、氢气等绿色生质能源。由于对于多种藻类多醣的降解技术目前尚在发展中,可能还需要一段时间的努力,才能观察到以藻类生质乙醇为主要生产目标的绿色生质能源公司的发展前

生产乙醇

先就日常生活中一般人了解的醣类与糖来做说明。醣类通常是指一类的醣,例如寡醣类、多醣类等,糖则意味着单一的糖,例如葡萄糖或蔗糖。食物中所含有的各种单一的糖,不一定都可以被我们的消化系统分解和代谢利用做为能量或营养物质。其中一些可以被代谢吸收的单一糖与醣类,大多需要酵素水解或转化后才能被吸收与代谢利用,例如牛乳中的乳糖,需要被乳糖分解酵素分解成半乳糖与葡萄糖。

同样地,如果要酵母菌吸收与代谢醣类生产乙醇,必须给予酵母菌可以代谢利用的简单醣类。例如用酵母菌发酵葡萄汁生产葡萄酒时,葡萄汁中的葡萄糖可以被酵母菌直接利用,经由厌氧发酵产生二氧化碳与乙醇。

与葡萄汁不一样,许多食用穀物如米、小麦、高粱、玉米等的多醣主要是澱粉。东方(例如米酒)与西方(例如啤酒)的酿酒方法,分别是利用製麴(注 1)和麦子发芽(注 2)的方式,取得多种可以降解澱粉多醣的澱粉分解酵素,然后多醣型态的澱粉才会被降解成为许多大小不等的寡醣(例如双糖中的麦芽糖)、单糖(例如葡萄糖)等。这些结构简单的单一醣类,才是酵母菌可以代谢利用与发酵产生乙醇的醣类基础物质。

不同来源的藻类多醣的单糖组成与相互间的键结多不一致,必须使用多种多醣水解酵素的特殊组合来降解不同的藻类多醣,经常综合使用洋菜多醣分解酵素、褐藻多醣分解酵素、纤维素分解酵素、聚木醣分解酵素等。藉由适当的反应,多醣被酵素降解为数种简单醣,例如葡萄糖、半乳糖、木糖等可供酵母菌与细菌代谢利用,产出生质乙醇、丁醇等生质能源。

生质乙醇产量

比较藻类与陆生植物生长速率时,就可展现前者做为未来生质能源基础材料的优势。例如每公顷土地每年可产 65 吨甘蔗,每公吨甘蔗可产生 80 公升乙醇,每年每公顷土地就可生产 5,200 公升生质乙醇。其他较常见植物的每年每公顷土地的生质乙醇生产效率,分别是甘藷 4,500 公升、甜菜 4,500 公升、甜高梁 6,000 公升、玉米 3,000 公升、木薯 6,000 公升、乾草(纤维素)3,100 公升,以及木材(纤维素)3,500 公升。

至于海藻主要组成中的纤维素与海藻多醣,理论上都可以利用多种不同的水解酵素,降解为微生物可以利用于发酵生产乙醇的基础物质。由于每公顷海洋面积每年可产 750 吨(乾重 50 吨)的海藻,每公吨乾燥海藻可产生 320 公升乙醇,因此每年每公顷海洋面积可生产 16,000 公升生质乙醇。

由此可知海藻的竞争优势在于生长快速,如做为我国未来生质能源发展规画中的主要发展目标,预估中国台湾本岛与澎湖等离岛海岸都向海洋扩展1公里形成大型海藻养殖区,则约有 1,000 平方公里,约相当于 100,000 公顷的海藻养殖平面区域。依上述生质乙醇的产量推估,每年可以生产 1.6 × 109 公升生质乙醇,相当于 1.6 × 106 公秉生质乙醇。

若再加计可出售的二氧化碳配额,则上述海藻养殖区域可以获得 7.5 × 107 吨海藻(溼重)。当每 1 吨海藻(溼重计)可以出售 2 吨的二氧化碳配额,且若每吨二氧化碳配额可售得新台币 800 元时,则每年约可产生新台币 1.2 × 1011 元收入的经济效益。

醣类组成与含量

大型海藻如龙鬚菜、马尾藻、石莼等藻体细胞中所产生的多醣类,是其细胞中除了水分以外最多的成分,在多数的大型藻中约占去除水分后乾重的 50% 以上。一般海藻的其余成分就含量而言,依序是蛋白质、脂肪、纤维素、矿物质等。

属于红藻的石花菜,乾重中有 12.6% 的纤维素与 64.4% 的海藻多醣,若都能被适当的水解酵素降解为酵母菌等微生物可代谢利用及发酵成乙醇的发酵基础物质,则理论上的乙醇生产量可达到乾重的 38.4%,即每 100 克乾重产生(12.6 g + 64.4 g)× 51.2% = 38.4 g 乙醇。

石花菜中主要的单醣,包括 3,6-anhydrogalactose(24.7%)与半乳糖(64.6%)。也属于红藻的龙鬚菜,乾重中有 7.0% 的纤维素与 63.0% 的海藻多醣,理论上的乙醇生产量可达到乾重的 35.8%。龙鬚菜中主要的单醣,包括 3,6-anhydrogalactose(36.1%)、半乳糖(63.9%)与葡萄糖(1.5%)。

属于绿藻的青海菜,乾重中有 8.9% 的纤维素与 65.3% 的海藻多醣,理论上的乙醇生产量可达到乾重的 38.0%,即每 100 克乾重产生(8.9 g + 65.3 g)× 51.2% = 38.0 g 乙醇。青海菜中主要的单醣,包括鼠李糖(rhamnose, 53.0%)、木糖(23.2%)、半乳糖(19.3%)及葡萄糖(4.6%)。

同属于绿藻的石莼,乾重中有 55.2% 的海藻多醣,理论上的乙醇生产量可达到乾重的 28.3%。由于未计入其纤维素含量,因此所得的乙醇产率略低。石莼中主要的单醣,包括鼠李糖(45.0%)、木糖(12.0%)与葡萄糖(6.4%)。

属于褐藻的马尾藻,乾重中有 6.0% 的纤维素与 57.4% 的海藻多醣,理论上的乙醇生产量可达到乾重的 32.5%。马尾藻中主要的单醣,包括清凉茶糖(sorbose, 5.1%)、木糖(11.9%)、异葡萄糖(idose, 11.0%)、甘露糖(mannose, 5.5%)与半乳糖(24.1%)。

至于属于微藻类的螺旋藻,乾重中所含的藻类多醣是 15.0 ~ 23.0%(平均值是 19%),经使用理论值换算的乙醇生产量可达到乾重的 9.7%。螺旋藻中主要的单醣,包括鼠李糖(25.5%)、甘露糖(9.2%)、果糖(1.4%)、半乳糖(46.4%)及葡萄糖(6.8%)。

就以上蒐集到的藻类多醣资讯,可以推估未来藻类多醣水解技术与微生物发酵水解所得简单醣类,产生生质乙醇的技术都成熟后,红藻、褐藻、绿藻等大型藻类约可生产其乾重的 30 ~ 38% 的生质乙醇。剩余的藻类残渣可以做为保健食品、美容化妆品、动物饲料补充物等。

国外发展案例

中国台湾水产试验研究所东港生技研究中心研究员苏惠美博士在《科学发展》第 433 期的报导中,述及北欧的丹麦採用近岸海水中快速生长的石莼(属于大型藻中的绿藻)做为海藻乙醇的生产原料,而且在 2007 至 2011 年的生质能源计画中,预定丹麦海域的年产量可以达到 10 万吨,未来应该有更大的生质乙醇发展机会。

苏博士在那篇报导中也提到,日本国内的「太阳神与海神计画」规划在日本海沿岸养殖 1 万平方公里(100 万公顷)的马尾藻,预计每年可以用所产马尾藻的海藻多醣产出 2,000 万公秉(每公秉相当于 1,000 公升)生质乙醇。另外也提到东京海洋大学的 Notoya 教授告知,已分别完成自石莼多醣产製乙醇,以及寻获可降解马尾藻所产岩藻聚醣的水解酵素。Notoya 教授还开发针对马尾藻所产的另一种藻类多醣褐藻酸的分解技术,这部分的未来研究方向,是以降解所得的简单醣类产物生产氢气。

技术待突破之处

在实验室中尝试以单一的洋菜分解酵素水解洋菜多醣 24 小时后,水解产物(简单醣类)的产率仅 0.6%。而在使用来自2株海洋细菌含有 16 个洋菜分解酵素的粗酵素液,水解洋菜多醣 24 小时后,就可得到大于 10% 的简单醣类水解产物。经以洋菜多醣诱导这2株海洋细菌生产特异性的分解酵素组合物,以及配合其他降解条件的运用,对于龙鬚菜热萃多醣可以达成约 55% 的简单醣类的水解效率。

依循上述藻类多醣生产生质乙醇技术的发展历程,笔者的实验室已可自 10 公斤的乾燥龙鬚菜生产得到约 0.96 公升乙醇(9.6% 产率)。现阶段的研发目标,是自 10 公斤的乾燥龙鬚菜生产约 1.5 公升乙醇(15% 产率),最终的研发目标,是自乾燥龙鬚菜生产 30% 的生质乙醇(30% 产率)。

期待中国台湾地区产官学研各界能合作,开发适于本土发展的大型藻类如龙鬚菜、马尾藻、石莼等的技术。例如採用不同来源的 6 ~ 16 个洋菜分解酵素或褐藻胶分解酵素,再搭配已研究多年的纤维素分解酵素,把纤维素降解成葡萄糖,以及用微生物生产生质乙醇等,应可大幅提升自海藻多醣生产生质乙醇的产率,并降低单位生产成本。

可行的策略是配合水试所与各地区渔会及政府机构,充分开发在海洋水域养殖各种有应用需求与经济价值的藻类繁养殖技术,以期未来所需的藻类生质能源的生产原料可以不虞匮乏。相信日后便可与世界先进的藻类生质能源发展国家如美国、日本、丹麦等较劲,产业的发展也指日可待。

注1製麴—把霉菌的孢子洒在蒸熟的米饭上,霉菌孢子在萌发的过程中为了吸收米饭中的营养成分,必须产生许多可以分解澱粉的多种澱粉分解酵素并释放到胞外,把环境中的澱粉等巨大营养物质降解成为可以吸收利用的简单小分子营养基质。

注2麦子发芽—把麦子置于适合发芽的环境中,在发芽的过程中为了吸收种籽里的澱粉等营养物质,必须产生与分泌多种澱粉分解酵素到细胞外,把环境中的澱粉等巨大营养物质降解成为可以吸收利用的简单小分子营养基质。

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简介:位于江原道束草市的雪岳水上乐园,是由韩华渡假村(Sorak Hanwha Resort)所经营。它除接近雪岳山等优渥地理条件之外,更因为拥有百分之百的温泉水质,
2013年8月1日,中国台湾师範大学海洋环境科技研究所所长吴朝荣讲座教授,带着一贯愉悦的心境,开始了研发长的工作。2001年自美学成归国后,他就一直在台师大地球科学系任教,