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生質能源:微藻–綠色生質能源

微藻可利用光合作用把空氣中的二氧化碳固定,轉化生成油脂。專家們認為利用微藻做為生質柴油的來源,是一可行的選擇。
 
 
 
能源耗竭的衝擊

自工業革命以來,人類大量使用煤、石油、天然氣等化石燃料,促使工業快速發展,世界經濟也因此大幅度成長。然而毫無節制地開發與使用化石能源卻逐漸引發各種問題,其中又以能源耗竭和溫室效應最為嚴重。

2008 年初,國際原油價格首度突破每桶 100 美元的關卡,油價上漲引發了石油耗竭的憂慮。專家估計到了 2040 年,全球大型油田將開採殆盡,而開發小型油田又會大幅提高油品的成本。此外,大量燃燒化石燃料所排放的二氧化碳會阻礙地面輻射熱的散逸,造成溫室效應,破壞全球生態的平衡。

溫室效應的衝擊

溫室效應已造成全球海平面上升、極地冰原融化、氣候變遷等深遠的影響。聯合國跨政府氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的評估報告指出,20 世紀全球地表平均溫度已增加攝氏 0.6 度,也造成海平面上升 0.1 至 0.2 公尺。人類若再不採取防患措施,到了 2100 年,全球地面平均氣溫將比 1990 年增加攝氏 1.4 至 5.8 度,海平面上升 0.09 至 0.88 公尺。其中海平面上升對於地勢不高的沿海地區及島嶼國家將造成嚴重威脅。

臺灣四面環海,海平面上升不只減少陸地使用面積,也會增加海水倒灌的危險,衝擊淺海養殖業。此外,國際能源總署於 2006 年統計指出,臺灣每人平均二氧化碳排放量居全世界第 19 名。因此,減低二氧化碳排放量是我們目前刻不容緩的工作。

永不耗竭的生質能源

為了讓人類在地球上能永續發展,尋求可行性的再生能源已成為重要且迫切的議題。目前專家們研究的範圍包括風能、水力能、太陽能、生質能源等。根據國際能源總署統計,生質能源是目前最被廣泛使用的再生能源,它是指由生物產生的有機物質,經由直接或轉化技術所產生的可利用能源。

生質能源是由植物利用太陽能把空氣中的二氧化碳及土地中某些元素固定後所合成,因此只要有太陽和土地,就可以持續地種植作物,源源不絕地生產有機物質,再轉化成永不耗竭的生質能源。由於植物在生長過程中會吸收二氧化碳再轉化成生質能源,而生質能源使用後所排放的二氧化碳的量不會超過植物生長所吸收的二氧化碳,因此可達到碳循環的平衡。永不耗竭和碳循環平衡就是使用生質能源的兩大優點。

微藻油脂的生產

目前生質柴油的原料大部分來自植物,如大豆油、油菜籽油、棕櫚油等。由於這類油脂多是食用油,在供應量上有其限制,因此尋求永續且滿足大量需求的穩定來源是必要的。專家們發現利用微藻做為生質柴油的來源,是一可行的選擇。

如同其他植物,微藻利用光合作用把空氣中的二氧化碳固定,轉化生成油脂。一般來說,微藻生產油脂的速率比植物快,在經濟與時間成本考量上是頗具競爭力的。微藻的含油量視不同屬種而有差異,事實上很多微藻是不產油的。一般產油微藻的含油量約為藻體重量的 20 到 50%,而某些特殊藻種甚至高達 80%。因產油速率的快慢取決於微藻的生長速率,所以選擇高產油速率的微藻是第一要務。

微藻培養系統

微藻培養系統可分成開放式和密閉式兩種,其選擇需要考慮許多因素,如微藻的生物特性、氣候狀況、目標產物種類與土地、人工、能源、用水、營養源等各項成本。

開放式微藻培養系統 開放式系統大致有 4 種型態,分別是大型池、開放式槽體、圓形培養池及跑道型培養池。每種類型各有其優缺點,必須依據相關條件做為選擇培養方式的依據,以獲得最大的經濟效益。

開放式系統是在戶外利用陽光進行培養。這種培養方式在規模放大上容易,成本也較低,因此是量產的主要方式。開放式培養的缺點在於培養環境易受外界,如溫度、天氣、光照強度及光照周期變化的影響,也容易遭受其他藻種、細菌及原生動物的污染。因為開放式培養的環境因子較不容易控制,所以培養操作上有其困難度。

密閉式微藻培養系統 密閉式系統可在發酵槽、培養袋,平板光生化反應器及管型光生化反應器內培養,應用不同,所需系統也不同。密閉式系統可用於自營、異營或混營培養,而且在戶內或戶外都可實施。其培養環境控制較容易,因此產率較高,品質較穩定,後續分離純化所花費的成本也可減少。與前述系統相較,密閉式系統較不易被雜菌污染,且幾乎各種微藻都可適用,但有設備成本過高,規模不易放大等缺點。

微藻培養技術

由於微藻生長必須進行光合作用,因此最主要的生長限制因子就是光。二氧化碳是進行光合作用時不可或缺的物質,也很重要。此外,氧含量控制、溫度控制、鹽度、養分,酸鹼值、混合效果等也都對微藻的生長有重大的影響。

 就自營生長的微藻來說,不論是培養於開放式系統或密閉式系統,光反應器設計的重點都在提高光的使用效率。目前在大規模培養藻類方面,開放式平面培養池仍是最普遍的系統。

一般在培養系統中,如果培養深度太深或微藻濃度太高,會造成光線分布不均,藻類無法有效吸收光能,致使培養效率降低。因此開發設備簡單、成本低廉、易放大且高光使用效率的新型光生化反應器,是微藻培養技術發展的重要方向。

二氧化碳 微藻體內含有 40 ~ 50% 的碳,生成 1 公斤的微藻細胞,需要 1.5 ~ 2.0 公斤的二氧化碳,碳對於微藻的重要性可見一斑。對自營微藻而言,本身能利用溶於水中的無機碳源,如 CO2、H2CO3、HCO3、CO3 等進行生長。這些無機碳源的利用會因藻種和環境條件而異,例如螺旋藻可利用 HCO3 當做碳源,CO2 則是微藻最普遍也是最通用的碳源。

CO2 占空氣中的 0.03%(ν/ν),而且不易溶解於水中。在高濃度培養微藻時,所需碳源也會增加,因此在培養系統中,常會通入 CO2 與空氣的混合氣體以提供藻類充足的碳源。

氧含量 當微藻行光合作用時,二氧化碳會被微藻吸收並轉化為碳水化合物,且生成氧氣,使得培養系統中的含氧量隨之增加。研究報告指出,當氧含量過高時會抑制微藻的生長,因此降低培養環境中的含氧量有其必要性。

溫度 由於溫度的高低對生物體內的酵素作用有極大的影響,會影響微藻生長的速率。一般而言,太高的培養溫度會降低微藻光合作用的效率,把溫度控制在最適宜的範圍,有利於微藻的生長。

鹽度、養分與酸鹼值 適宜的培養環境有助於微藻生長,因此供給足夠的營養源與最佳的培養鹽度及酸鹼值是極為重要的。因為鹽度、養分與酸鹼值的變化會影響微藻的生長代謝與生成物生成,控制這些變數也有其必要性。

混合效果 微藻培養系統中的混合擾動程度,在生產高濃度微藻的程序中扮演著重要的角色。因為微藻在光照下進行光合作用,在無光照時則進行呼吸作用,所以光照的亮暗周期會改變光合作用和呼吸作用的比例,而影響微藻的生長。若提升培養系統的混合擾動程度,增加光照的亮暗頻率,可使微藻細胞快速反覆地來回光區與暗區,而提升微藻的光合效率。

微藻產油的現況與挑戰

利用微藻產油做為生質柴油來源的構想,早在 1980 年就有相關學者提出,但並未受到重視。直到近年來因原油價格的攀升,開發再生能源的意識逐漸提高,以微藻生產生質柴油的想法遂受到各界關注。目前許多產官學單位都已意識到,利用微藻生產生質柴油以取代目前的化石柴油是有其發展性的。

相關研究指出,在 1 公頃的土地上培養微藻,油脂的年產量可高達 100 噸以上,遠高於種植其他植物的年產油量,可見以微藻生產油脂的優勢。雖然目前微藻生產的生質柴油每公升成本仍高於化石柴油,但若原油的價格持續上漲,且微藻的培養技術不斷改善,則微藻生產的生質柴油將有取代化石柴油的潛力。

總而言之,降低培養微藻生產生質油脂的成本,是發展生質能源的重要挑戰。未來需要努力的方向是透過製程的改進及基因工程的利用,提高光生化反應器的性能及微藻的產油速率,期望達到目標,並進而建立一永續性與環保的再生能源。
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