2010/01/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳 芃
單細胞的微藻是自然界中可行使光合作用的最低階植物，卻也是生質燃料的新希望，其具有高碳吸附量、高油脂含量、易於培養、生長時間短等優點，有成為替代性生質能源的潛力，也促使各國相繼投入發展這項備受矚目的第三代生質燃料。
自2008年起實施的B1生質柴油制度（市售柴油中添加1％生質柴油），將國內生質燃料導入一個新的發展階段，其立意甚佳並具有實質效益，但如希望符合全國能源會議結論，逐步往上調整摻混量，則有本土生質柴油取得困難的問題。台灣耕地面積狹少，水生植物是有限空間中發展生質燃料的良好選項，本文以生質燃料的發展歷程為起始，探討微藻（Micro Algae）產製生質燃料的過程與問題，提供各界參考。
生質燃料已衍生四代發展
原油儲量與氣候變遷的壓力，促使生質燃料成為最具話題性的能源，在政策的推波助瀾之下，短短不到十年內，生質燃料已歷經四代的演變。第一代生質燃料以糧食作物生產酒精、生質柴油，有糧食衝突與能源密度不足等問題；第二代生質燃料採非糧作物製造生質柴油，或以纖維素分離技術製造酒精，但仍有栽植面積與纖維素前處理成本過高等問題；第三代生質燃料以微藻為主，透過這類最低階的單細胞群體植物，可以產出生質柴油、酒精、甲烷、氫氣、合成氣等，是目前的研究方向。至於第四代生質燃料，係以基因重組的細菌捕捉空氣中的二氧化碳進而轉換成燃料，仍屬研究階段，尚無實際產出。
第一代生質能源技術雖然純熟，但是缺乏料源（Feedstock），如美國生質柴油在2008年時約有950萬公秉的產能，但整年卻只有265萬公秉的產量，開工率僅28％，在料源仍使用糧食作物的情況下，未來不被看好。第二代生質技術由於纖維素前處理成本仍然居高不下，故目前僅有示範工廠，商業化尚有困難，但若技術能有突破，未來仍有很大的發展空間，並可與第三代生質燃料在市場並行。
由微藻為主的第三代生質燃料廣受世界矚目，目前仍以美國為主要研究國家，其國家再生能源實驗室（NREL），早在1978年即提出水生物種計畫（Aquatic Species Program, ASP），至1996年計畫結束時，已篩選出300餘種具有發展生質柴油潛力之藻種，全球石油巨擘ExxonMobil則在2009年7月宣布投入6億美元發展藻類生質燃料，為生質能源的未來打開了新視界。
優勢的生質料源
藻類為水生植物，可粗分為微藻與巨藻（Macro Algae），在產製生質燃料方面以單細胞的微藻為主，亦有少部分對於巨藻的研究。微藻的數量繁多，已知的種類超過3,000種，分布在全球各地，顯見其對於環境的適應力。微藻最為人所注意的是其超高的油脂含量，是大豆的25～200倍，其與陸生植物的產油量比較如附表所示。同時，藻油的熱值平均為33MJ╱公斤，較木材熱裂解油之21MJ╱公斤更高，代表其含有更高的單位能量可供利用。
除含油量高之外，微藻的另一項優點就是易於培植，同時生長又相當迅速，只要2～6天即可採收，如以其產製燃料，生產週期是陸生植物無法達到的水準，相對產量也就更高。在培育上，藻類對於環境耐受度高，如不做為食用用途，甚至可以用都市與工業廢水培養，而在新式的培育方法下，所需的土地面積小，亦不受天候影響。
微藻整體含碳量超過50％，培育時則需要大量的二氧化碳，可望能解決部分溫室氣體排放問題，國外已有利用燃煤電廠排放之二氧化碳養殖微藻的研究。此外，微藻尚可多元化的利用，藻油可製成生質柴油、蛋白質可成為動物飼料、碳水化合物發酵成為酒精、氮與磷則可回歸土地成為肥料，整體經濟價值性極高。
各階段技術均待突破
使用微藻製造生質燃料，過程大致包括：藻種選取、養殖、採收、濃縮與萃取等步驟。藻種選取是微藻產油最重要的一步，選擇含油量高、易於養殖與採收、後端製程成本低的藻種，將決定終端產品的價格。透過基因工程技術，增加藻油代謝所需的酵素、提高環境耐受度與脂肪合成速率等，對於其後的生產成本將有決定性的影響。前述ExxonMobil的投資計畫，即以基因工程技術發展微藻油脂分泌至細胞外的技術，如此則不必經過打破細胞壁的製程，可大幅提升生產效率，並降低後端的處理成本。
在養殖方面，可區分為開放式與封閉式兩種模式。目前國內藻類養殖多採用開放式，成本與技術門檻均低，技術成熟，但是易受氣候、雜質、其他生物等外界因素影響，且光能與二氧化碳利用率低，對於產製生質柴油來說，能源密度太低。封閉式系統則是一個密閉的光合生物反應器，能純種培育，同時控制環境條件，光能與二氧化碳利用率高，培養密度高且容易採收，但是此類設備成本過高。目前國外已有採塑膠袋裝的培育系統，並加上光網（Light-matrix Design）設計，效能比開放式培養系統高出千倍以上，是未來產油的主流技術。
在採收方面，要將含水率極高、顆粒微小、密度與水相近的微藻從水中分離，困難度相當高，也必須耗費龐大的成本。一般來說，微藻可用重力沈降、離心分離等方式採收，然而產油用的微藻含油量高、比重輕，難以使用上述方式，如採過濾分離、氣浮採收等方式，成本高且效率不佳，此部分技術也待突破。
採收完畢後，必須快速的將微藻細胞濃縮，包括乾燥、脫水等，否則微藻會腐壞。將高含水量之微藻乾燥，所耗用的能源占整個生產製程的70％以上，是產油製程中最大的成本瓶頸。之後，必須使用溶劑將細胞壁破壞萃取藻油，再將藻油、溶劑、雜質分離處理，然目前能以低成本處理萃取藻油的技術仍待研發之中。
未來潛力看好
由上文可知，目前微藻產製生質柴油的困難點在於經濟性，而經濟性則取決於替代品價格及技術的演進。根據美國的ASP計畫研究，在藻油生產中培育成本占50％、採收成本占38％、萃取則占12％，且將藻類濃縮、脫水、乾燥時所使用的能源，將占藻類產生能源的60％，故微藻雖然為優良的生質料源，然而產油計畫至今仍無法商業化。
在全球藻類生產中，台灣占有極重要之地位，2007年綠藻產量達到1,050公噸，占全球總產量的52％，居世界第1位。綠藻主要做為營養食品、化粧品原料、飼料添加劑等用途，產品價值高，相對生產成本占比就低，然而藻油是否能商業化，取決於成本是否能和原油及其他替代燃料之價格競爭，故如國內想利用既有的優勢發展微藻產油，則必須掌握上述各階段技術，儘量壓低成本方有可能性。
從1940年代開始，藻類就是人類的研究標的；1970年代時，更因殖民太空的夢想，讓這個行使光合作用的基本單元被更深入的探索。今日，微藻帶來的是能源的前景，更有石化業原料替代品的潛在需求，雖然昔日曾因成本過高而使研究被束之高閣，但時空轉變之下，其高附加價值吸引了各國政府、企業的投入，相信微藻產油的技術在近年內將有重大突破。（作者任職於工研院材化所）