以生技產製生物燃料
95/11/02
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王茹涵｜
財團法人工業技術研究院能源與環境研究所前瞻技術組
生物科技與生質能
未來50年，能源需求的增加與溫室效應會嚴重影響世界經濟。要解決這些問題，多樣化的科技選擇是必要的，其中生物科技被認為會在未來的能源世界中扮演重要角色。
歐盟在2005年發表的一份〈能源研究的指標與評價〉報告中也提到，生物技術被認為是未來能源研究的關鍵性共通科技。據估計，利用生物科技發展的生質能，到本世紀末會占能源消耗量的三分之一，重要性將不亞於化石燃料。利用生技製造生物燃料需要對不同化學成分、蛋白質的作用機制與細胞系統等進行全面的了解。生物科技更可與奈米科技結合，發展奈米生物結構，並開發新的生物燃料製造策略。
其中，藉由基因工程發展出來的生物體，更被認為是全球燃料的下一個來源。美國能源部也從2003年開始進行「由基因體了解生命」（genome to life, GTL）的計畫，以達到能源獨立、生物污染整治與固定二氧化碳的目的。
在學界與民間研究方面，2000年因完成人體基因定序而聲名大噪的科學家文特（J. Craig Venter），正進行一項「合成基因體」的計畫，打算合成新的有機體來製氫、分泌無污染的加熱燃料並分解溫室氣體。計畫的第一步著重於製造產生「氫」與「乙醇」的生物工廠。目前這項計畫所使用的基因來源主要是海洋微生物，另外也會試驗一些哺乳類基因。
史丹佛大學也有研究團隊正在進行利用土壤微生物吸收光能，來分解水製造氫的計畫。而麻州的「綠色燃料科技公司」則研究以海藻做為「生物反應器」，在吸收光能、水與含碳廢氣後，轉變為生質燃料。美國基因體研究所也在2005年11月底發表了一篇關於產氫菌的論文，他們發現這種細菌具有抗熱、抗壓、抗輻射等潛能。這些研究新資訊都顯示以基因工程發展生質能，是部分先進國家的研發風潮。
本文主要是根據歐盟能源研究發表的評估報告、美國能源部近年來發展的計畫，再輔以其他最新科技發展，討論未來生技發展生質乙醇與生質柴油的展望。以其他生物科技生產生質能的方法（如光合產氫法），則不在討論的範圍內。
以生技產製生質乙醇
美國能源部在GTL計畫的進程報告中特別指出，以纖維素生產乙醇會是未來重點研究項目。這裡所指的纖維素，還包括半纖維素與木質素，這些都是構成植物細胞壁的成分，存在於所有的植物中，因此數量多，原料取得容易。然而纖維素是多醣聚合物，又是細胞壁的主要成分，要分解它相對也較困難，這也是以纖維素產製乙醇的最大挑戰。在GTL計畫中有關乙醇的研究目標有兩項：短期希望改善纖維素瓷系統，長期則希望能整合產製乙醇的生物處理過程。
今日美國的生質乙醇主要從澱粉轉換而來，每年消耗量約40億加侖，替代了2％的化石燃料用量，每年約可減少1.8％的二氧化碳排放。發展由纖維素製造乙醇的短期目標，是希望能用廢纖維素為原料，乙醇的產能便能從澱粉原料的14％增加為37％，每年產量約200億加侖，將可替代10％的化石燃料，減少9％的二氧化碳排放。長期的目標則是發展纖維素作物，期望能讓產能超過37％，年生產300到2,000億加侖的乙醇，以替代15～100％的化石燃料使用量，並減少14～90％的二氧化碳排放。
目前由纖維素製造乙醇，仍需許多科學研究的配合，包括利用高效能的基因定序與運算尋找多樣的纖維素酶；利用先進顯影技術了解纖維素酶與纖維晶體之間的作用，以突破纖維素水解的障礙；大規模生產纖維素酶、醣類運送蛋白質與其他蛋白質的系統，改進目前的蛋白質生產與特性鑑定方法；發展穩定且有效的菌落培養方法；整合相關技術以決定哪種酵素在發酵時能有活性表現與作用，並決定哪種新陳代謝分子會影響酵素的表現；不同微生物對由纖維素製造乙醇有著不同的優勢，藉由基因工程進行整合以發揮最大的效能。
至於歐盟也和美國一樣，把利用生技生產乙醇列為未來的研究重點，並提出下列工作要點：發展利用大腸桿菌、產酸克雷伯氏菌、運動發酵單胞菌等基改生物體，進行木質纖維素的發酵，並訂定90～95％轉換率是產製乙醇的經濟門檻；整合纖維素水解過程，利用伊文氏植物病原桿菌大量生產，或者把纖維素基因植入大腸桿菌以生產乙醇。近程目標是希望研發出能去除副產品毒性的生物、物理或化學反應，遠程目標則是藉由基因工程研發容忍度高的菌種。
綜觀未來利用生技由纖維素製造酒精，面臨著下列的挑戰。首先，研究人員必須檢驗分析數以萬計的天然纖維素酶、其他酵素、代謝作用中的分子結構，以及上千種基改的變異酵素，以尋找最恰當的酵素與機制。此外，還要模擬纖維素水解、醣類運輸、以及發酵過程，這些都必須借重基礎的研究。最後，要把上百種分別模擬出來的機制整合至單一微生物或穩定的菌落中運作。
利用生技生產生質柴油
目前最先驅的生質柴油研究，是利用藻類（特別是微藻）來產製油脂質，因為以藻類生產生質能，可以有效解決需要大片能源作物耕地的問題，也有大幅減低生質柴油成本的潛力。以歐盟為例，到了2010年時，估計陸上交通的燃料會有6％是生質柴油，2020年的目標則是20％，單以歐洲本土的能源作物產量根本不足以供應。2005～2006年間，預估進口20萬噸供生產柴油的油菜籽油，歐盟目前雖然由加拿大大量進口基改油菜籽油，但還是供不應求。
藻類是光合作用利用率很高的植物，由於部分藻類含油量高（有些品種的含油量超過重量的一半），且生長快速，因此成為製造生質柴油的理想物種。美國國家再生能源實驗室曾嘗試以沙漠中的鹹水池，大量培養藻類來生產柴油。研究結果發現面積20萬公頃的沙漠所擁有的鹹水池，就足以產出2,830萬公噸的生質柴油。目前的技術已可讓藻類善用土地與水資源，而不致與糧食作物競爭耕作資源。藻類更可利用廢水、動物排泄物為營養來源，有助於改善水質並可製成肥料。
基因工程已被用來改善藻類品種，並利用藻類基因來改善作物植株。若要產生最適合產製生質柴油的藻類，必須考慮3項因素：生長速率、油脂質含量、以及對環境的忍受度。如何利用基因工程創造生長快速、含油量高又容易存活的物種，是產製生質柴油所面臨的挑戰。
以澳洲最近的一項發現為例，科學家發現一種稱為葡萄藻的綠藻，可做為碳水化合物的來源。這物種約有75％的乾重是天然碳水化合物，且適於存活在鹹水中。但是這物種每兩日分裂繁殖一次，雖不算過慢，但僅及其他許多藻類繁殖速率的10～15分之一而已。因此，若要進行符合經濟效益的量產，科學家必須篩選或用基因工程製造出繁殖快速且碳水化合物含量高的品種。
除了利用藻類以外，美國也計劃以密閉循環方式利用其他微生物來產油，包括酵母菌、黴菌、真菌與細菌。科學家計劃利用便宜的生物基質（如作物殘渣、木材剩餘物或都市廢棄物）與微生物來產油，生產後，原料中非油質的部分還可以回收再用來生產其他產品，這麼一來這就是一個密閉的循環過程。
與之前利用藻類的實驗比較，這類計畫可以完全在實驗室中進行，不需耗費土地或水資源，也比較不需顧慮這些基改微生物在自然環境中對生態的影響。這種計畫與傳統農業部開發作物來源的的計畫不同，較適合能源部發展。依美國能源部的規劃，類似的計畫將於2010～2015年展開，目前進行的是一些成本較低的分析工作，在近期內收集相關資訊，並尋找可進行封閉性生產的生化途徑。如果分析顯示這類技術有顯著的經濟效益，可考慮優先發展這類計畫。
未來展望
未來的乙醇產製研發著重在以纖維素製造乙醇，生質柴油則是藉由藻類或其他微生物來生產，兩者都可利用基因工程增加生產效能。由纖維素製造乙醇的研發重點，在於挑選或改造出適當的纖維素水解，並把它整合至乙醇生產系統中。生質柴油產製的研發重點，在於改造出優質的藻類品種，以達到生產生質柴油的最大效益。相關研發應由基礎科學著手，包括宏觀的生態學到微觀的細胞機制，以了解自然界中的機制為基礎，再發展電腦程式模擬，最後應用生物技術生產大量且符合成本效益的生質乙醇或生質柴油。
以纖維素生產乙醇已是美國與歐盟長期發展的共同目標。美國在能源部的基因體計畫中，明確把由纖維素製造乙醇與光合產氫，並列為未來短中長期利用生技發展的重點，時程延伸至2020年後。而在今年歐盟發表的〈科技研究指標與評價〉報告中，也把由纖維素製造乙醇列為生技發展的重點。荷蘭也把以纖維素製造乙醇列為2010年至2020年的發展技術，可見這技術確有長期發展的潛力。
歐洲多國對於生質柴油的使用與研發較美國普遍，例如法國早在1992年就規定所有柴油須含5％生質柴油，也因此歐洲較重視生質柴油的研發。以荷蘭為例，生質柴油發展與利用都已規劃出短中長期的目標，一直沿續到2020年。而美國較著重在生質乙醇的發展。但若仔細觀察歐洲與美國更長遠的規劃，會發現生質柴油並未被歐盟或美國能源部「單獨」地列為發展重點。這並非意味著生質柴油不重要，而是因為歐美長遠的計畫都是要發展「生物精煉」，而生質柴油的生產將被整合在生物精煉系統中。
著眼於未來對生物精煉的整合，美國對於生質能發展的基本架構，並不局限於由「最終產物」來分割（如單純發展生質乙醇或生質柴油），而是一套統整性的系統，依照生質能「轉換過程」來建構研究機制。這麼一來可以節省許多研究資源，共享各項基礎研究，提升研究效率，也不至於造成能源研發上不必要的競爭。
舉例而言，生質柴油也需要乙醇來進行轉酯化反應，雖然比率不高，但若提高乙醇生產效率，對生質柴油與生質乙醇的發展都有益處。又例如纖維素水解酵素的研究，不僅能提高生質乙醇的產能，對光合產氫的研究也有助益。
基因工程有其道德與生態上的顧慮，「合成基因體」計畫與史丹佛的研究團隊成員都意識到，基因工程可能帶來的道德與環境危機。因為一旦人造的生物體逃逸至自然環境中，便會改變原本的生態與棲地，可能造成生態浩劫。因此在進行相關研究時，前置性的評估工作與預防措施勢不可免。
