2012/10/05
經濟部能源局
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▓撰文：林志生、張嘉修、陳俊達、林勳佑 ▓圖片提供：成功大學、交通大學、中鋼公司
常見的減碳技術包含了物理、化學及生物法，其中生物法是利用植物行光合作用來捕捉與固定二氧化碳，同時轉換成各種生物質。而在各種植物中，以微藻利用二氧化碳的效率最好，並且其生長速度快、所需土地面積小，再加上微藻可以利用海水進行養殖，因此進行二氧化碳減量，微藻的效率與自由度皆優於其他陸生植物。此外，微藻除了能產出糖、油脂等生質能原料之外，尚能生產葉黃素、藻藍素及omega-3脂肪酸等富含營養之物質，因此發展微藻減碳技術時，不僅具有二氧化碳減量之優勢，更可同時生產再生能源與高經濟價值之民生日用品。
微藻減碳與微藻生質轉化技術
由成功大學化工系與交通大學生科系組成的研究團隊，藉由執行國科會「能源國家型科技計畫」的機會，與中鋼公司合作，進行「微藻減碳」與「微藻生質利用技術」之開發。其技術範圍包含：「工廠煙道氣微藻養殖減碳」、「微藻生質能生產」及「高價微藻產品開發」等項目。
在以微藻養殖進行煙道氣減碳時，由於所生成之微藻體內會累積不同成分，如碳水化合物、油脂、色素或蛋白質等，因此可依據後續程序與產品之需求來決定適合的藻種。微藻生質能源包含：生質柴油、生質酒精及生質氫氣等，其中生質柴油與生質酒精可直接應用於現行的汽車引擎，而生質酒精中的乙醇與丁醇亦是化工製程中常用的化學品。生質氫能則是潔淨的再生能源，燃燒後不會產生溫室氣體。此外，微藻所含之蛋白質與其他營養物質（如色素、多元未飽和脂肪酸等），亦可用來製作營養保健品、化妝品及水產飼料等較高價值的產品。
相關技術的挑戰
由於國內外鮮少由微藻養殖至微藻生質能源製備之完整流程的研究案例，因此成大與交大團隊所開發的微藻減碳與生質能生產技術，其首要目標即為建立一套以工廠煙道氣為碳源養殖微藻、微藻收集，以及微藻生質柴油合成的完整生產流程。
欲進行微藻生質柴油之合成，需要生產與收集大量的高含油量之微藻。雖然目前已有許多大量培養微藻之商業化實例，但這些案例皆是生產高價保健食品用之微藻，而非生產能源用之油藻，因此前者之生產過程可採用較高成本的生產與收集程序（例如使用連續式離心機進行微藻收集、或是以噴霧乾燥法脫水等），導致這些商業化案例難以直接應用在生產低價微藻生質柴油之製程。此外，由於工業煙道氣中除了二氧化碳之外，尚有氮氧化物、硫氧化物、重金屬及其他物質，因此當以煙道氣進行微藻養殖時有極大的不確定性。在毫無前例可循的狀況下，以煙道氣進行微藻大量養殖無疑是微藻減碳與生質能轉化技術的第1項挑戰。
微藻減碳與生質能轉化技術的第2項挑戰為微藻生質柴油之合成。目前以微藻合成生質柴油之方法，需將收集的微藻脫水，萃取油脂，再進行轉酯化。但微藻由養殖系統中收集下來時通常含有大量水分，因此微藻脫水乾燥時須消耗大量能源，而油脂萃取亦需使用大量溶劑，除了油脂流失率高外，亦容易造成環境污染。因此，若欲沿用現有之微藻生質柴油製備方法，其生產成本勢必偏高，同時有違節能減碳與綠色製程之本意。
研究團隊在相關技術上的突破
成大與交大研究團隊經過近3年的努力，已突破以煙道氣培養微藻時所面臨之困境，藉由篩選與馴養本土藻種，培養出能耐高溫與耐受工廠煙道氣之產油微藻，並且該微藻在實驗室環境中培養時，其油脂含量高於50％（圖3），顯示已成功克服以煙道氣培養微藻，以及微藻不易生長、不易累積油脂等可能發生之問題。
此外，研究團隊進一步與中鋼公司進行產學合作，於中鋼公司廠區內建置一規模達1.2公噸之戶外高效率微藻煙道氣減碳光反應器模組（圖4），直接引入高爐煙道氣進行微藻大量養殖。此系統至今已成功於中鋼公司廠區中運作1年以上，並且微藻油脂穩定維持於25％以上。此外，此微藻減碳系統除了對煙道氣二氧化碳之利用率高達50％以上之外，亦同時對氮氧化物與硫氧化物有高達75～90％之去除率，儼然已從減碳技術晉升為全面性的空氣污染防制技術。
而在生質柴油合成技術方面，團隊亦成功地研發出一套可直接以含70～80％水分之濕藻體為原料，直接進行生質柴油合成之創新生產流程（詳圖5），並開發可在高含水量與室溫下進行轉酯化反應之高效率生物觸媒與異相觸媒。除了突破需要以乾藻體為原料製作生質柴油之困境外，同時亦可省略由微藻中萃取藻油之步驟，故能大幅降低微藻生質柴油之硬體設置與操作成本，使得微藻生質柴油之生產在經濟效益上更為可行。
展望未來
目前國內推廣B2生質柴油，每年所需之生質柴油量達10萬公秉，並且未來（預計2016年）將提升為B5生質柴油，屆時生質柴油需求量將達每年25萬公秉以上，國內必須為這些巨大的生質柴油原料需求做準備，而含油藻類被視為未來頗具潛力之生質柴油原料。
再者，國外市場如歐盟等已開始推行B10生質柴油，目前歐洲地區之生質柴油需求量已達每年1,015萬噸，因此建置成熟的微藻減碳與生質柴油生產技術，除了能協助產業界達成減除二氧化碳之目的外，更能滿足國內、外能源市場之需求。另一方面，以微藻為原料生產相關營養保健品、生醫產品、化粧品及水產飼料等，亦是高經濟效益的微藻生技產業，未來將是另一個廣大的市場（圖6）。因此，若結合高價值微藻養殖之煙道氣微藻減碳技術能夠發展成熟的話，可望為國內微藻生技產業開拓嶄新的契機。
結語
由於國內外之相關微藻生質能研究多為小規模與片段的製程，在技術上仍未臻成熟，且以微藻生產生質能之成本仍偏高，因此其發展至今仍停滯不前。目前本研究團隊已成功地發展出以煉鋼廠煙道氣大量養殖微藻之技術，同時亦發展出適合以微藻製備生質柴油之創新方法，待完成大規模且完整之流程建置與商業化應用後，國內之微藻生質能源技術將更具有國際競爭力，並有機會於該領域成為全世界之領先者。（作者分別任職於：交通大學生物科技學系、成功大學化學工程學系1、中鋼公司新材料研究發展處2）
關鍵字：微藻,光生物反應器,二氧化碳,溫室氣體,生質能源