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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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綠色生質能源 微藻採收除水,量產生質油非夢事

文/葉芷嫻

隨著化石能源日趨短缺,以生質燃料做為替代能源,已是風力與太陽能源之外的重要選項。然而,無論是加在柴油裡使用的生質柴油,或是加在汽油裡使用的生質酒精,目前的生質燃料,主要的原料均來自於植物,以生質柴油來說,美國採用大豆油,歐洲是菜籽油,東南亞則是使用棕櫚油;而生質酒精類,則是有甘蔗、玉米、麥類等做為原料。

由於目前的生質燃料幾乎全以人類的糧食為製造的原料,自開發以來,始終難以擺脫生質燃料「與人爭糧」以及「與糧爭地」的爭議。為了解決上述問題,近幾年來,致力發展生質燃料的各國,無不積極尋找新原料以降低對人類活動的影響,而有綠色生質能源之稱的「微藻」,正是那顆備受生質燃料界期待的新星。

小藻類,大貢獻

微藻,其實是各種小型藻類的統稱,它們是平均直徑小於10微米的單細胞生物,肉眼難辨,需要透過顯微鏡才能觀察其形貌。自地球誕生便已存在的藻類,一直以來,默默地生長在各個角落,藉著行光合作用,吸收二氧化碳,釋出萬物賴以維生的氧氣,平衡了大氣中二氧化碳和氧的比例,是地球上最重要的生產者,也是所有生物鏈的起源。

20世紀中,國外便已累積不少以微藻做為生質能源的研究,但真正引發國際間競相發展此產油技術,卻是近三、四年才開始。工研院綠能所新能源技術組組長李宏台觀察,微藻被外界認為具有發展生質燃料的潛力,「主因是微藻土地利用效率好,且可大量吸收環境二氧化碳。」的確,從土地資源有限的角度來看,使用同樣單位面積的土地,微藻產油量可以是大豆的150至200倍,再加上培養微藻過程中需要的二氧化碳,正好可以協助二氧化碳減量,自然被視為值得開發的綠色能源。

「其實我們對於微藻的科技化應用並不陌生,富營養價值的微藻,已經成為現在常見的健康食品。」李宏台隨手拿起桌上一罐綠色的濕藻泥表示,若以健康食品的產值來比較,目前棕櫚油一年的全球產量約4,000萬噸,單價每公斤0.5歐元;而全球健康食品市場每年使用微藻約為5,000噸,單價卻是每公斤250歐元。事實上,藻油單位產量遠高於棕櫚油,但目前在價格與產量上,卻不及棕櫚油的市場競爭力,李宏台認為,這反應出未來微藻想達到生質能源量產的目標,如何提高生產規模,以及降低生產成本,是眼前的兩大課題,而其中的關鍵就在於如何突破現有技術。

提升養殖品質,精鍊採收萃取技術

檢視微藻產油的過程,主要可分成養殖、採收、萃取油脂等階段。以養殖階段來說,用來發展生質燃料的微藻,需要生長速度快,油脂含量高的品種,所以在養藻過程中,尤其需注意不能受到污染,避免養出不適用的藻類。李宏台形容,在地上種紅蘿蔔不會長出白蘿蔔,「但在水裡養藻,卻可能在採收時,發現需要的微藻一夕間消失,」一旦微藻養殖無法控制微藻生長與種類,連帶影響的是藻油的品質與產量的穩定。

因此,針對微藻養殖的部分,除了有工研院材料與化工研究所的參與外,綠能所也尋求與國外實驗室合作,進行微藻基因改殖的前瞻研究,同時也邀請國內的屏東水產試驗所共同參與,藉由水試所發展養殖漁業飼養餌藻的經驗,研究能穩定微藻生長的因素,篩選具有高油脂的藻種以及飼養藻類的配方,找出未來能協助產業養殖高油脂微藻的方式。

另外,在採收萃取的部分,如何以低成本、低耗能的方式,從藻液中萃取出藻油,則是另一個降低生產成本的關鍵。李宏台解釋,所謂採收微藻,其實就是撈起一桶一桶的藻液,「藻液本身很稀,就像我們在池塘看到長滿藻類的綠水一樣,要生產藻油,得先分離水與微藻後,才能從微藻中提煉出藻油。」而這樣看似簡單的過程,需要系統性的檢視微藻脫水與萃取的技術,針對既有或待開發的關鍵技術進行研究或突破,以達到適合量產的最佳效能。

創新濾材,快速過濾脫水

至於微藻採收除水技術部分,第一步是要去除微藻細胞外的水分。目前,工研院發展的微藻快速過濾技術,透過創新濾材結構設計,將大小不同的孔隙排列結合表面處理的方式,提供加速過濾的功能。目前這項技術已將藻泥從每公升1克提濃到每公升150克。李宏台也透露,在2010台北國際發明暨技術交易展展出的這項創新材質,是以三層結構的方式呈現,未來則會持續精進除水效能,並朝向「三層合而為一」的過濾方式,提高微藻採收除水技術產品的競爭力。

在去除微藻大部分的細胞外水分之後,第二步則是加強藻油萃取的效能。考量過去以有機溶劑分離油脂,對健康與環境會造成傷害,儘管現行採用超臨界流體萃取藻油的效率仍待提升,但工研院仍選擇二氧化碳超臨界流體為溶劑,利用高壓方式將二氧化碳液化後,用來萃取藻油。李宏台指出,工研院採用超臨界流體的方法萃取藻油,並以降低萃取每公克藻油所需超臨界二氧化碳的用量為研發目標,目的即是希望降低傳統微藻乾燥與油脂萃取過程中所消耗的能源。

未來,這項技術也要改善目前超臨界油脂分離,採取批次式的操作型態,改以連續式的操作方式,透過高壓狀態下仍能進出料的設計,以及增加藻液和二氧化碳的接觸效果,降低二氧化碳使用量,同時降低生產成本。

儘管各國均積極發展微藻生質能源,不過李宏台也強調,不論國內或國外,微藻產油在商業化用途上均仍處於測試階段,未來國内對於養殖成本估算與後端技術處理的支援,仍需建立更多、更完整的資料與技術能量,為微藻生質燃料產業奠定全球競爭基礎。



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