一、生質能的議題(一). 前言
近10年來，新興國家經濟發展，對能源的需求量快速擴增；而由於石化能源之天然蘊藏量有限、全球暖化效應、各國預期石化燃料價格逐漸高漲以及各國能源自主的政策下，尋求替代能源日益迫切。其中，生質能的開發應用，成為太陽能與風力之外，最受關注的焦點之一。
目前，各國所採用的生質能源原料，主要仍是集中於第一代的糧食作物（如玉米、大麥、裸麥、甘蔗、木薯等）發酵產生酒精與非糧食作物（如痲瘋樹子、棕梠樹）製作的生質柴油，與第二代非糧食原料（如農作物的莖-稻桿、玉米桿等農作廢棄物以及雜草等）或都市廢棄物（如廢棄食用油等）製造酒精或柴油。第一代原料由於與人或畜牧動物食用的作物爭地、造成國際糧食作物價格上揚；因此，人們紛紛將焦點轉向第二代非糧食原料/廢棄物，希望能將廢棄的植物纖維素，轉化為能源，而第二代原料仍是有栽植面積/原料不足、纖維素前處理成本過高的問題。
因此，除了持續開發可降低第一、二代生質能源生產成本的技術外，歐、美、日等國家均積極開發第三代生質能原料-藻類。藻類是低等的植物，通常呈單細胞、絲狀體或片狀體，構造簡單．整個生物體都能進行光合作用。具有光合效率高、生長週期短的特點。藻類按大小通常分為大藻(海帶、紫菜、裙帶菜等) 和微藻 (單細胞或絲狀體，直徑小於l 毫米)。其中，微藻是目前第三代生質能原料主要來源。
(二) 微藻生質能的發展現況
自1950年代起，國際上對以微藻作為生質能原料有陸續的研究。1970年代能源危機爆發時，美國曾嘗試以微細藻提煉生質柴油，於1978年時美國能源局推動一項以水生植物作為運輸替代能源原料的開發計畫 - Aquatic Species Program (ASP)，在1978-1996年間的研究歷程中，ASP將研究重心從產氫逐漸轉移至生質柴油開發，並從諸多水生植物中選擇微藻作為開發對象。該計畫篩選出近300種適合作為生質柴油原料的微藻（以綠藻和矽藻為主），其中並發現藉由適度控制微藻的生長環境，可使產油量達40-60%。
2000年後，由於研究的進展，使得微藻的研究逐漸由實驗室逐步走向先期量產研究。2007年，美國LiveFuels與Sandia國家實驗室、美國國家再生能源實驗室（NREL）合作，利用基因工程技術，開發出性能與大豆油相近且油脂豐富的海藻油，可作為生質能精煉原料。爾後，由於2007年石油價格高漲，美國能源局又重啟ASP - 這一個中斷11年的計畫。
美國GreenFuel公司開發的微藻生產技術，已於2008年開始商業化生產。美國Algenol公司2008年7月宣佈在美國馬里蘭州投資世界上最大的海藻養殖場，目標是在美國沿海地區建設海藻乙醇工廠。美國再生能源集團(REG)於2008年8月宣佈．該公司已擁有商業化煉製和生產大量高品質的海藻生物柴油技術，且品質可達到ASTM D6751和EN 14214M標準。而Sapphire Energy 也宣布在2011年前將達成年產一百萬加侖的藻類生質柴油與飛機燃油，2018年一億加侖，而在2025年前10億加侖。
此外，石油公司也紛紛以策略合作方式投入進行研發，例如2007年Royal Dutch Shell與HR Biopetroleum合資成立Cellena，於夏威夷設置海藻養殖場，將先以該公司技術於2.5公頃開放式池塘養殖非基因改造的當地微藻，進行先導工廠研究，預計後續將擴充至20,000公頃的生產工廠。另外，在2008年Chevron分別與美國國家再生能源實驗室（NREL）、Solazyme簽署研發合作協議，進行微藻生質能開發研究。而另一家石油巨擘ExxonMobil也與Synthetic Genomics合作開發微藻生質柴油，以合成生物學方式改進微藻產油方式。
二、養殖與萃取技術良好的微藻生長環境，需要控制的條件如下：光照時間長短與強度、培養溫度、培養時間、營養鹽濃度與低微生物量。因此，從在地的土生藻類中選取生長快速、產油量高的良好的藻種是成功的第一步。
(一)養殖：
目前微藻大規模養殖方式主要有兩種：
1.開放式戶外養殖：
以室外開放式攪拌池養殖，不僅簡便易行，也具有低成本的優勢。然而，開放式也易受污染，造成生產不穩定，且佔地面積大。
2.封閉式光生物反應器
是以光生物反應器與發酵槽的封閉模式養殖，其培養條件不論是光照強弱、長短，抑或是溫度、營養、外來污染物，均可受人為控制，降低影響產量品質的因素，因此，近年來頗受商業性與高密度大規模培養生產者的青睞。然而，此法相對成本較高，成本約略是戶外養殖的10倍以上。
(二)採收：
採收主要包含採集與去除水分，因為微藻是非常小的藻類，因此採集是一件困難的工作，有效的採集方式可針對品種的特性與大小選擇適合的方法。採收技術包含：沉澱/懸浮、離心以及過濾。這些步驟均藉著加入膠凝劑或藉由養殖時所自然產生膠凝作用，使得微藻聚集凝結成塊，加快去除水分採集的步驟。
(三)油脂萃取：
這個步驟是目前最耗成本的步驟，主要有兩種方式：
1.機械法：即利用機械方式打碎藻類細胞，將其內含油脂壓榨出來；或以超音波於微藻與溶劑混合議中中產生氣泡，藉由超音波產生氣泡於細胞壁旁崩破導致的震波與液體噴射現象，使得細胞壁破裂而釋放出油脂；之後，再以化學溶劑萃取油脂。
2.化學法：
(1)以正己烷搭配前述機械法萃取。
(2)索氏萃取法（Soxhlet Extraction）：1879年由德國人Franz von Soxhlet所發明於固狀物質中萃取脂質的方法。微藻利用有機溶劑（正己烷或乙醚）以索氏萃取法經由重複的沖提/滲出萃取出油脂。
(3)超臨界流體萃取法：因為有機溶劑對健康與環境的傷害，”綠色溶劑”的使用已是未來分離方法的主流。使用超臨界流體二氧化碳，即二氧化碳以高壓方式液化後再加熱致液相與氣相並存時，再將之用以萃取藻油。
(四)生質柴油製備：萃取出的藻油（即生質原油），需要再經由轉酯作用產生生質柴油與甘油（高價值的副產物），再將生質柴油分離出來。目前主要方法如下：
1.酸/鹼催化法：將藻油與過量甲醇或乙醇於酸或鹼催化劑於高溫下進行轉酯化。化學合成生物柴油方法複雜，酯化產物分離回收難，需要相應的醇回收裝置，耗能和成本高。反應過程有酸或鹼廢液排放。
2.超臨界法：油脂與處於超臨界狀態下的甲醇發生酯交換反應，生成脂肪酸甲酯的方法。超臨界法不需要催化劑、反應速率快、產物分離簡單，且脂肪酸甲酯收率高達98％。
3.?催化法：即以脂肪?處理生質原油，?法合成生物柴油具有條件溫和、轉化效率高、無污染物排放等優點。
三、重要議題與未來展望(一)重要議題
雖然微藻是最有希望的第三代生質能原料，且於處理過程中可產生多種高附加價值產物，但在生產成本與技術上仍有需要克服之處。目前所遭遇的議題如下：
1.大規模生產技術：由於光生物反應器的設置成本高，目前大規模的生產技術仍採戶外開放式養殖，但如此一來養殖的條件無法逐一控制，產油質量就無法做良好的控管。另一方面，開放式的養殖池，大量水的蒸發會是另外一個問題。
2.藻油分離技術：以目前多數採用的方式是採收後經乾燥、壓榨，再以有機溶劑萃取藻油。這整個製程除了還需再耗費能源作乾燥、壓榨。
3.轉酯化過程：化學反應方式的過程還是需面臨有機溶劑採用與酸、鹼廢液排放等問題，且酯化產物分離回收不易。而超臨界法因反應條件嚴苛，所需生產設備成本較高。?催化法對短鏈的脂肪醇的轉酯化僅達40-60%，且過程中甲醇與副產物甘油會讓?失去活性；?的成本較高，也需要能回收使用技術。
(二)未來展望
關於前述議題，許多國家無不加緊研發的腳步，期能盡快進入大量商業量產階段，解決能源需求、永續環境等等的問題。其中，美國因政府支持與大量廠商投入，發展最為迅速。
對於大規模生產技術議題，目前有許多進行藻類生質能源研究公司紛紛與石油、天然氣或化工巨擘合作以期能解決商業化量產的問題。例如前述Synthetic Genomics與ExxonMobil，還有Solazyme與Chevron以及Algenol Biofuels與Dow Chemical。
對於藻油產製的問題，目前已有一些前瞻的研究結果可以解決部分的問題，例如目前與ExxonMobil合作的Synthetic Genomics就利用合成生物學技術開發出一種能將合成好的藻油分泌到細胞外的微藻，如此一來，就免除微藻採收與藻油萃取步驟；該公司正思考運用相同技術，開發效率更高的生質能原料。其他運用合成生物學方式進行這類生質能原料研究的還有Amyris Biotechnology 與 LS9兩家公司。此外，轉酯化過程的改善，開發對環境友善、效率高、可重複使用的催化劑也是目前廠商開發的重點。
微藻，相較於其他生質能源原料，不論從生長速度、產油量到能源危機緩解、溫室效應改善來看，都有一定的優勢，加上目前廠商競爭的激烈態勢，藻類生質柴油商業化量產將指日可待。
來源：
作者：工研院IEK ITIS計畫 產業分析師 游佩芬
出版日期：2010/04/08
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