水試所電子報第68期
微藻生質研究現況與挑戰
圖1 擬球藻二階段養殖87小時之藻色  1978年,美國開始執行水生計畫(DOE-Aquatic Species Program),但由於生物產率及製造過程遭遇的種種問題未能獲得解決,執行18年後,在1996年中止。近幾年再度爆能源缺乏及溫室效應危機,美國第110屆國會乃於2007年12月通過110-140生質燃料國會議案政策,預期2022年要生產10億加侖柴油,其中生質比率預計佔50%以上,料源為含油果籽及微藻。微藻生質因此再起風潮,世界重要經濟體也紛紛跟進,學界、業界(如艾克森美浮、殼牌)投入大量的研發能量,希望開發微藻作為生質燃料。利用微藻產製生質能源的優勢包括;單位面積產量較陸上植物高出許多、可固定煙排的CO2、可利用排水來潔淨環境、可緩和糧食競爭的土地利用。

  今年8月在台北舉行之「2011微藻生質燃料技術國際討論會」,台灣工研院、成大、中研院等機構的研究人員報告了台灣在微藻生質燃油產製、煙道CO2固定及基改等研發成果,美國先進生質燃料與生物產品聯盟執行長Olivares博士介紹了微藻生質燃料新觀念、荷蘭Wageningen大學Wijffels教授報告微藻生質精煉全方位的問題與挑戰、日本筑波大學Watanabe教授報告生產碳氫化物微藻研究現況。隨後林良平教授又提供日本今年出版的「微細藻類生質燃料生產可能性面積及初期投資可能額觀點培養設施之檢討」及「耕作放棄地微細藻類培養技術確立暨事業化方案之檢討事業化可能性調查報告-藻源石油及omega 3」2份報告。日本學者私下告知,311地震對東北海域的漁業造成嚴重損害,因應措施即是在海域規劃微藻養殖區來生產生質燃油。

  美國Olivares博士指出,微藻生質燃料期望值為19,980 ~ 61,843 L /ha/yr,以溫度較高的南部州產量較高。微藻作為生質作物之三大挑戰為生物與養殖、收穫、轉質與利用。要提高油脂產率,需逐步克服微藻生物的限制,包括提高光合作用效率以增加生質產量、加速生長率、促進油脂合成、降低高光照下產生之光合抑制效應、加速CO2之同化作用以及增加對高溫、高鹽、除草劑之耐受性等。美國2010年投資近9.4億美元研發生質燃料,其中微藻佔1.8億美元以上。微藻研發中,投資於 R&A 3500萬美元、生質燃料與生物產品聯盟4900萬美元、企業產製系統(開放池 5000萬美元、光生物反應器 2500萬美元、異營發酵 2200萬美元)。聯盟成員包括3個國家研究室、15所大學及14家公司。為達產業永續發展,必須考慮產製微藻生質燃料所利用之資源,包括CO2、水、土地、營養鹽等之可用性。藻株篩選之目標設為生質乾重 >3 g/L、油脂含量>40%,Nanochloropsis salina 1776重點研究的藻種之一。生質產率目標訂為收穫時油脂>50%,生質產率開放養殖系統>20 g/m2/day,密閉養殖系統為乾重 5 g/L

  荷蘭Wijffels教授提出藻類生質商業生產之可能性,樂觀者認為2年內,悲觀者認為永不發生,該大學則預估10~15年內應可達成量產。Wijffels教授說明微藻生質的生產成本為400/1000 kg,價值以生質精煉估算1650/1000 kg,其中含食物蛋白質100 kg(500)、飼料蛋白質400 kg(300)、產出氧氣1600 kg(250)、化學品-飼料油脂100 kg(200)、生質燃料300kg(150)、氮移除70kg(140)以及醣類100 kg(100),並指出微藻的生質利用需全方位考量,日本石卷市計畫發展為海洋生質城,就是從種苗養殖、Omega 3、生質燃油市場來設定微細藻類事業化。

  工研院李組長報告臺灣再生能源法案98年6月通過,期望2025年達總能源取代率8%。目前實施添加2%生質柴油政策(B2),每年需供應100,000公秉,主要由用過之食用油再生。預計2016年實施B5,即以50%生質油取代台灣消費的柴油。以油脂產率估算所需土地:微藻151,515公頃(生質產率20g/m2/d、三甘酸油酯30%)、微藻36,364公頃(生質產率50 g/m2/d、三甘酸油酯50%),大豆6,666,667公頃(450 L/ha/yr),麻瘋樹1,578,947公頃(1,900 L/ha/yr),因此養殖微藻最具潛力。

  要達成微藻產製生質燃料所需努力的項目,包括合適藻種、耗能低操作容易的養殖系統、微藻濃縮去水方法、生質轉柴油工法、製程能量產出高於輸入的生命週期分析(LCA)等。水試所東港生技中心保存藻種中,經過成大、工研院與本中心等許多研究人員之試驗,均顯示擬球藻屬(Nannochloropsis)可達最大生質產率,並在氮營養鹽不足下可累積油脂。最近本中心在室內以1 L扁形瓶經 800 μmole/m2/sμE)連續照光,添加2% CO2,打氣量0.5 vvmWalne營養鹽,培養10天後,離心濃縮藻細胞作為種原,使初始藻濃度達乾重1 g/L;經第二段87小時之培養,結果如圖1,擬球藻I株及J株在高光照之增殖量高於低光照者,未再加營養鹽之油脂達34~44%;再加營養鹽者,其藻生質量再增加,蛋白質量高(46%)但油脂低(10%)。利用高光照之二階段養殖法,擬球藻之生質產率可高達620 mg/L/d、油含量44 %,已達美國目前對微藻之期望值。

  海水中添加20%養豬場放流水作為營養鹽來培養擬球藻,養殖8天藻細胞乾重由0.47 g/L增加為3.80 g /L,為以2F培養液養殖者(2.95 g/L)之129%。添加經由去除微粒、水份及揮發性有機物三道程序收集之汽車廢氣(以GC-TCD分析,COCO2分別含18.11%及8.06%)養殖擬球藻,藻體增殖量大於未添加CO2者。顯示擬球藻可用豬場放流水及汽車尾廢氣來培養,可降低生產成本並解決環境污染問題。

  室內連續強光並提供CO2,水溫維持27~30,養殖8天,擬球藻可達乾重2.6 g/L、生質產率245~319 mg/L/d;但4月在戶外密閉平板式養殖槽,有短暫時間水溫會高達不利擬球藻增殖之40以上(22.9~41.6),又僅在白天提供CO2,養殖7天藻乾重0.38~0.48 g/L、生質產率42~53 mg/L/d,為室內之17%。6月再試,水溫在39以下,藻類吸光值持續上升,可正常增殖;當最高水溫達42以上,其吸光值即下降,隨後藻色變淡並滋生原生動物(圖2 右)。養殖期間每日最低溫為27-31,出現在上午6-8點時,最高溫為36.3-44.8在下午2-4點時,顯示東港地區夜間無散熱效應,在清晨才達日最低溫後,又受日照影響,溫度再上升。10月養殖時,水溫都在40以下(圖3),擬球藻可正常增殖(圖2左),但產率遠低於室內27水溫、400μE連續照光培養者。這些試驗結果顯示要利用戶外自然光照養殖微藻,必需克服高水溫與夜間無照光的問題,這是微藻生質研究迄今最大之挑戰,亦即如何將實驗室控制條件下得到之良好結果,落實在戶外的放大培養。

圖2 密閉平板式養殖槽正常增殖(左)感染原生動物(右)

圖3 2011年10月13日至10月21日戶外板式槽之水溫及照度
圖3  2011年10月13日至10月21日戶外板式槽之水溫及照度

  日本生質技術研究中心(BTRC)及尖端產業科學暨技術國家研究所(AIST) 2011年3月發行的「微細藻類生質燃料生產可能性面積及初期可能投資額觀點檢討培養設施」文章,指出從初期投資額觀點討論培養設施,先設定生質燃料價格為60日圓/kg,扣除生質轉酯化費用,設定培養設施建造費為20日圓/kg。以粗油10日圓/kg計算,若單位面積產量為100 ton/ ha/ yr (28 mg/ m2/ d),使用期限若為1年,培養設施建造價為100日圓/m2,若使用10年則為1000日圓/m2。最便宜溫室10,000日圓/m2,故不可能用建築物。以塑膠200日圓/kg計算,塑膠材質管狀反應器及塑膠材質薄膜反應器,設施建造價均高過預設值,無法採用。結論為以水泥砌成之開放池,在人事費用便宜地區,以使用期10年計算也許是可行的。但以開放池來培養微藻,為避免生物汙染,必需尋找可在特殊養殖環境增殖的藻種,特殊養殖環境為高鹽分、高溫、高pH

  綜合國內外之研究,微藻事業化最大挑戰為造價不可過高,可降低水溫又能提高生質產率之養殖系統,以及能忍受其他生物汙染、耐高溫環境又有高生質產率之合適藻種的開發。

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