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跨領域生產丁醇─新技術生產新能源
 
 
以汽油做為車輛燃料會排放大量的二氧化碳,在減碳排放的呼籲聲中,努力尋找不增加碳排放量的新能源已成為全球議題。
▲以汽油做為車輛燃料會排放大量的二氧化碳,在減碳排放的呼籲聲中,努力尋找不增加碳排放量的新能源已成為全球議題。
 
在巴西,已經使用乙醇代替汽油做為車輛燃料;在美國,乙醇也擁有很大的燃料使用市場。然而乙醇會腐蝕車輛的儲油槽與汽油輸送管,而且生產時會耗用大量的糧食作物(註1),這些問題讓同屬醇類而無上述弊害的丁醇受到青睞。丁醇沒有腐蝕性,燃燒時釋放的熱量比乙醇高,因此科學界倡議以丁醇代替乙醇,並大力研發以再生原料生產丁醇的技術。
 
早在一百多年前,人們就已利用厭氧菌生產含有丙酮、乙醇與丁醇的混合物,後來因生產技術遇到瓶頸而停頓。今日基因工程技術已經成熟,逢甲大學化學工程系趙雲鵬教授應用基因工程技術,把大腸桿菌(註2)改質成為具有生產丁醇能力的細菌。再應用跨領域的代謝工程技術,以葡萄糖和木糖為原料,利用大腸桿菌的代謝合成反應生產出品質較單一的丁醇。這項技術已實驗成功並取得專利,相關內容也發表在2017年10月的《農業和食品化學期刊》(Journal of Agricultural and Food Chemistry)。
 
趙教授表示,丁醇的合成反應很複雜,加上大腸桿菌先天就有「先使用完葡萄糖,再使用木糖」的控制機制,因此必須花費許多時間做基因改殖。而其主要重點有二,一是移除大腸桿菌的先天控制機制;一是拆解與重組合成反應。後者被稱為「雙細菌生產系統」,主要是把兩株大腸桿菌放在同一個容器中培養,其中一株以葡萄糖為原料,負責合成丁酸;另外一株以木糖為原料,負責把丁酸轉化成丁醇。兩株細菌工作時,需同時調整葡萄糖和木糖的濃度比例,以及兩株細胞的密度比值。
 
這套技術可在不增加設備費用的情形下,讓丁醇在同時間內增加1倍以上的產量。又因為是以葡萄糖和木糖為原料,所以燃燒時不會增加二氧化碳的排放量,甚至使用後的原料也可以回收再利用。
 
在這裡,葡萄糖和木糖歸屬於生物質,是從植物細胞壁裡的纖維素和半纖維素分解得到,纖維素和半纖維素則由植物與空氣中的二氧化碳行光合作用所形成。從上述循環可知,燃燒丁醇只是把空氣中原本存在的二氧化碳送回空氣中,並未增加二氧化碳的排放量。但是燃燒汽油就不同了,汽油是從石油中提煉出來的,長期埋在地底的石油一旦挖掘出來並燃燒,等於是把地底儲存的碳放在空氣中燃燒,因此必然會增加二氧化碳的排放量。
 
比較遺憾的是,丁醇的生產成本至今仍比石油高,以其做為替代燃料的誘因依然不足。趙教授認為,這個問題的原因應該是使用原料的處理成本和丁醇的產量有關。若能針對這一點,改進相關技術,把生產成本降到一定程度以下,就有替代汽油的可能。此外,實驗室內孕育成功的技術必須走出實驗室,進行試量產才能驗證技術的實用性。因此尋找合作業者以提供試量產的設備與場域,也是未來努力的方向。
 
註1:巴西甘蔗和美國玉米的產量都很龐大,因此兩國使用甘蔗、玉米生產乙醇。只是人口愈來愈多而糧食愈來愈少時,兩種糧食作物的價格會上漲而讓乙醇的生產成本不穩定。
 
註2:大腸桿菌有致病菌和非致病菌之分。實驗室使用的是非致病型大腸桿菌,因此沒有致病疑慮。由於大腸桿菌很容易操作,生長速度很快,生物學家認為是對產業界最友善的細菌。
 
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