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化學的應用:生生不息的生質能源

將來如果您在一片綠油油的農作物旁,看到中油或臺塑所屬的大型貨車,正一車車地將收割後的作物往煉油廠搬時,請不要懷疑自己的眼睛,這些綠色植物正是生化柴油的來源。
 
 
 
何謂可再生能源

可再生能源顧名思義就是用完還可以再生的能源。

地球上所有的元素都是有限的,但從太陽而來的能量幾乎是無窮的。每小時太陽所照射到地球表面上的總能量,足夠全人類一年的消耗,問題在於如何有效地收集。

所有的能源,除了核能和地熱之外,幾乎都可說是廣義的太陽能,都是源自太陽照射的能量。

幸好后羿只射下了九個太陽

風力和水力是地球吸收能量後導致的位能和動能變化;太陽能電池直接將光能轉化成電能;化石燃料能源是數百萬年以前動、植物所固定下來的太陽能;生質能源,則是源源不斷地直接由植物所固定下來的太陽能,故生質能源又稱為液態的太陽能。

未來的能源形式應該是相當多元的,因為太陽能的總量雖高,但能源密度低,要有效地收集不太容易,目前尚不能找到一種通用的收集方法。

每個地區有其獨特的條件來生產合適的可再生能源,各種可再生的能源也各有其合適的應用方向。例如,在適合的地區設置風車,利用風力發電;生化柴油因單位熱值高、輸出能量大,特別適用於大型機具和重型車輛上;另一種生化燃料──酒精則適用於小型汽車。

不致使地球溫室效應惡化的可再生能源

可再生能源可以粗分成無碳能源和生質能源兩種。

無碳能源 像是透過風力、水力或太陽能發電,整個過程中沒有碳原子的參與,自然就沒有二氧化碳的排放。

生質能源 像是生化柴油和酒精等,植物在生長的過程中吸收二氧化碳轉化成生質能源,使用後所排放的二氧化碳不會超過植物生長時所吸收的二氧化碳。故使用生質能源的二氧化碳淨排放量為零。

不虞匱乏的能源

生質能源最大的優點是永不耗竭。以生化柴油為例,只要有種子、適合的氣候和土地,就可以不斷地種植油脂作物,不斷地有新的天然油脂生產,再轉化成新的生化柴油。除此之外,生質能源的另一個重要特性是碳的循環。

化石燃料總有用完的一天

目前人類所依賴的化石燃料,如石油、煤、天然氣等,由於工業革命後開始大量燃燒、使用,所以蘊藏量正迅速地減少。估計二○一○年時,中東以外的油田將開採完畢,到二○四○年時,全球大型油田將全數開採殆盡,而開發小型油田將大幅提高油品的成本。

未來,伴隨內燃機持續增加,石油消耗量必然會大幅提升,故燃油價格的飆漲是可以預期的,對於全球經濟所造成的衝擊亦在所難免。此外,平均每部內燃機每燃燒3.8公升汽油,便會排放10公斤二氧化碳。二氧化碳與甲烷等氣體使地球溫室效應愈來愈嚴重已是不爭的事實。加上熱帶雨林正以每小時一個足球場面積的速率快速消失,溫室效應對地球未來生態的影響是相當嚴重的。

一九九七年所達成的有關抑制地球暖化的聯合國「京都議定書」,協議今後各國的二氧化碳排放量要逐步縮減,使得新替代能源方案紛紛轉向核能與風力發電或其他低排放溫室氣體的能源。

兼具永續與環保的生化柴油

在化石燃料能源即將耗盡,二氧化碳排放量日益受到限制的情況下,生化柴油的構想遂受到重視。

相較於其他能源,生化柴油的原料來自植物,具有可再生的特色。植物在生長過程中,可以固定空氣中的二氧化碳作為碳源,兼有再生能源及減廢的優點。生化柴油除具備可再生特色之外,由於所含雜質少,且燃燒後所產生的微細固體顆粒量低,既可降低空氣污染,又能保護、延長內燃機的引擎壽命。

植物油脂的作用

植物油脂在人類生活中扮演相當重要的角色,不僅供給人類營養、改善膳食口感,更提供潤滑效果。

一般「油脂」的主要成分是脂肪酸與甘油。脂肪酸具有一長串的碳鏈,依碳數不同可將脂肪酸分為長、中與短鏈三種。一般碳數達12以上,即可稱為長鏈脂肪酸。依碳鏈飽和度又可區分為飽和與不飽和脂肪酸。不飽和脂肪酸若含有二個以上的不飽和雙鍵,則稱為多元不飽和脂肪酸。

黃豆、油棕櫚、油菜籽、向日葵籽、棉花籽與花生等六種作物的產油脂能力都很高,產量占全世界植物油脂的百分之八十四。植物所產油脂約有百分之九十是供人類食用,僅有約百分之十應用於非食用品。

雖然油脂作物含油脂量高,但由於可耕作土地及年收成次數有限,近年來紛紛改以微生物生產油脂。

小兵也可立大功

美國國家能源署在一九七八年開始進行一項由綠藻生產生化柴油的能源計畫,研發出由綠藻萃取油脂轉化成生化柴油的製程。藻類可累積油脂高達菌體乾重的百分之六十,且這些油脂大部分是三酸甘油脂,能夠藉由觸媒轉化成生化柴油。

藻類與細菌可說是地球上最古老的生物,早在距今三十一億年前即出現,靠其強韌的生命力不斷繁衍至今。藻類是生態系食物鏈的起始點,可以直接以太陽能作為能源,吸收環境中的碳源並釋出氧氣到水中。單細胞的藻類對太陽能的應用效率較其他榖類植物來得高,而且生長迅速,這些優點使得藻類細胞在固定二氧化碳與利用太陽能方面具有相當大的潛力。

除藍綠藻外,藻類多屬於真核細胞,擁有葉綠素及細胞壁。一般藻類大多是幾微米大小的單細胞生物,使用顯微鏡即可觀察到。綠藻的種類並不亞於細菌,目前已知全世界約有三萬多種藻類,然而尚未發現的應在已發現的十倍以上。依據藻類形態、生長方式、色素等的不同,可以分成藍綠藻、甲藻、綠藻、黃金藻、輪藻、褐藻、裸藻及紅藻等八個植物門。

藻類的油脂生產

綠藻具有使用太陽能及不與現有耕地競爭的優點,故有學者提出以綠藻生產三酸甘油脂,作為生化柴油原料來源的構想。增加細胞累積三酸甘油脂程度的方法可以分為二大類,分別是以環境營養源短缺,造成藻類累積大量三酸甘油脂,及以基因調控方式,使藻類大量生產合成三酸甘油脂的酵素,大量累積三酸甘油脂。未來除了開發新型的高效率培養系統外,將會同時朝這兩個方向研究。

有別於其他菌體培養,培養藻類的反應器需要能提供充足的光線,該類反應器稱為光反應器。於一九四○年起,便有光反應器的相關研究。

早期光反應器只是一個簡單的池子,稱為池狀反應器,水深大約十五至二十公分,底部通氣以促進循環及混合。此種反應器構造可謂最簡單,但是由於營養物混合不均,加上細胞沉降現象明顯,池狀反應器在一九五○年之後,漸漸被構造相似的渠道式反應器取代。

在渠道式反應器中,培養液是流動的,而流體與渠道壁間所產生的亂流可以提供培養液本身的混合及細胞懸浮的能力。故一般渠道反應器的細胞成長曲線會較池狀反應器來得好。

一九八○年代以後,光反應器的設計著重在單位面積光強度的提升。由於綠藻培養至一定濃度之後,細胞會遮蔽光線進入培養液,而使內部新分裂的綠藻細胞無法順利有效地利用光線。所以,增強光線強度與增加被光面積是目前光反應器設計的主要方向。

也有學者提出將發電廠產生的廢氣通入藻類培養池,藉由藻類行光合作用,把廢氣裡的二氧化碳固定下來變成油脂,然後再將藻類體內的油脂轉換成燃油來用。如此,便能達到減廢並循環再利用的目的。

除傳統的池狀與渠道反應器外,近來有學者提出螺旋管狀光反應器。做法是將管狀反應器彎曲連結成螺旋狀。螺旋管狀光反應器擁有與一般管狀反應器相同的優點。較長的反應器提供較多氣液的交換距離,有助於菌體充分利用進氣中的二氧化碳。此外,管狀反應器同時也具有較大的被光面積,可以更充分地利用光線。

為提高反應器的表面積對體積的比值,也有學者提出以光纖作為光源,並大幅改變反應器結構與光照方式。藉由將光纖插入反應器增加透光面積並均勻有效地分散光線,使更多細胞能接受到足夠的光線,提高光線的利用效率。

在現今能源及資源逐漸枯竭與生態環境保護考量之下,生質能源的重要性已不言可喻,生質能源的開發亦勢在必行。目前,國內對於生質能源的概念仍在起步的階段,希望往後能開拓這個領域,並發展生質能源的應用技術。

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