由農業廢棄物轉變為生質能源

 
2018/07/18 賀端華 | 中央研究院院士暨植物暨微生物學研究所特聘研究員     366
 
活動(演講)時間: 2018/04/01
 

人類利用植物來生產食物,把可利用的部份收穫之後,其他(例如稻稈)就成為農業廢棄物。過去處理這些廢棄物的方法不外乎焚燒或掩埋,然而焚燒會造成空氣污染,也直接把二氧化碳釋放到大氣中,掩埋則會產生甲烷,而甲烷的溫室效應能力是二氧化碳的21倍。中央研究院院士、植物暨微生物學研究所特聘研究員賀端華開場就直接點破:「你不想要的東西,未必是肥有用的!」

 

賀端華指出,目前人類同時面臨兩方面的問題,使得開發再生能源的需求十分急迫:一方面是傳統能源如煤、石油、天然氣等的蘊藏量已經快要見底,估計再過50 ~ 100年,這些能源將使用殆盡。

 

另一方面,使用傳統能源正在為大氣注入更多的二氧化碳,而大氣中的二氧化碳濃度是全球暖化最大的因素。根據過去140年氣候記錄的預估,現在的年輕世代很可能在他們一生中就必須面臨全球均溫3~4度的增加,海平面的上升將淹沒島嶼、沿海城市。

 

生質能源與環境的關係

 

生質能源是指從生物質(biomass)轉換而來的能源。賀端華首先說明:生質能源在碳循環中扮演的角色,和傳統能源非常不同。而生質能源一個重要的材料來源,就是農業廢棄物。

 

如果把這些農業廢棄物轉變成可用的能源,則不僅開發了另一種能源選擇,同時也減少了空氣污染。雖然生質燃料在利用之後也會產生二氧化碳,但由於來源是原本就會回歸大氣的植物產物,整個過程達成「碳中和」(carbon neutral),並沒有增加大氣中的二氧化碳。再者,生質燃料的生產使用的是非食用的部份,並不會和糧食供應互相競爭。

 

賀端華根據其團隊的研究進一步說明,把農業廢棄物轉變為液態生質燃料的做法,是先把廢棄物中的纖維素透過酵素水解,成為可以發酵的醣類,這些醣類便可再透過酵母菌產生酒精,或透過不同方法轉變為其他物質或燃料。

 

纖維素是複雜的有機聚合物,如要分解成可進一步利用的葡萄糖,需要透過三種酵素協力作用。由於酵素是整個過程中最為昂貴的因子,找出更有效率、更穩定、更便宜的酵素,是發展生質燃料最主要的挑戰。

 

更有效率的酵素

 

賀端華特別介紹了兩個發掘新穎纖維素水解酶的實例。其一來自台南的稻稈堆肥中找到的細菌,鑑定出它用來分解纖維素的酵素後,找出這種酵素的基因,就可以利用大腸菌大量表現,立即加以運用。研究團隊還找出改進這種酵素的方法:利用基因工程把原本的基因序列做不同程度的切短,結果某些長度的效率提高、熱穩定度也佳,某些長度則效率和熱穩定度都變差,藉此可以得到更好的纖維素水解酶。

 

另一種酵素D2-BGL則來自黑白蟻(Chaetomella raphigera)腸道內的微生物。研究團隊與桃園龍潭的行政院原子能委員會核能研究所合作,比較這種新穎酵素與核研所已在使用的市售酵素產生酒精的效率。結果發現,相較於市售酵素的48小時,這種新酵素只要24小時就能達成酒精的最大生產量。也就是說,這種新酵素的效率比市售酵素高非常多,很有經濟潛力。

 

目前政府對生質能源的重視遠不及地熱、風力等再生能源,賀端華指出,由於目前台灣的能源99%仰賴進口,我們沒有選擇的空間,每一種替代能源都要重視。數據顯示,台灣的農業廢棄物如果能轉變為生質燃料,一年約有200億元的產值,或許不算太多,但可同時減低焚燒農業廢棄物的環境污染、也增加碳中和的可用燃料,甚至產出燃料後剩下的灰份仍可歸還農民作為肥料,何樂而不為呢?【整理∣科學人】

 

延伸閱讀

  1. 以草煉油,《科學人》2009年8月:http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=1424