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小兵立大功:當二氧化碳碰上藻類

2016/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 1397

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整理撰文/謝惠子
受訪/中油綠能科技研究所 黃冬梨所長
資料、圖片提供/中油綠能科技研究所

穿越20 億年的漫長歲月,古老的藻類不再只是單純的植物始祖,而是被賦予新任務:利用光合作用,將溫室氣體二氧化碳、再加上水,進行轉換為藻體(醣類),為二氧化碳減量及再利用,提供一條綠色路徑。

2015年COP21會議達成為地球降溫的共識,期望能限制溫升在2˚C以內及全球碳總量維持在1兆噸以下,並希望於2050年至2100年間達到溫室氣體零排放量。我國於2015年6月通過的《溫室氣體減量及管理法》,訂定排放目標為:2050年的二氧化碳排放量降至2005年的50%,約為1.22億噸,相當於回復到1991年的排放水準,因此,如何將二氧化碳有效減量及再利用,已是重要課題。

二氧化碳大變身:捕捉與再利用其來有自

「二氧化碳再利用可分為物理性、化學性與生物性等三個方向。」中油綠能科技研究所黃冬梨所長做了上述簡潔的說明。像是石油礦區在開採末期階段時,會將二氧化碳打入地層,再次擠壓出岩層縫隙間之儲油,這是石油增產(Enhanced Oil Recovery, EOR)常用的一種方式,也是二氧化碳的一種物理性應用方式。中油高雄煉油廠關廠前,曾將廠內氫氣工廠的尾氣(二氧化碳濃度高於95%),轉售給福宏公司精煉至CO2純度99%以上,以供鑄造、飲料及醫療等用途。聯華氣體於2015年完成氫氣工廠尾氣捕捉二氧化碳的工廠,年產1 萬噸高純度食品級二氧化碳。「整體來說,國內二氧化碳市場並不大,年需量約20萬噸左右,未來仍須創造需求,才可提高二氧化碳再利用的市場。」黃所長說。

在化學性利用方面,二氧化碳可藉由與氨進行反應生產尿素,每年全球的需求量可達到500萬至3,000萬公噸,是二氧化碳再利用的第2大市場。「至於生物性利用方面,就是綠色植物的角色,大氣中的二氧化碳平衡就靠它了。海中的各種藻類也是功不可沒!」黃所長解釋,植物能夠透過光合作用,將二氧化碳還原為生物質,其中微藻的光合作用效率為3~6%,遠高於陸上植物(1%),「所以在油價高漲時期,國內外有許多國家型計畫進行微藻固碳生產生質油料的研究,雖然微藻細胞分裂速度快,但囿於水中光線穿透力的限制,最終藻體濃度都是低於1公克/公升的,回收需耗費大量能源、且成本高,使得利用微藻生產生質油的經濟可行性較低。反之,若能鼓勵大家平日都食用藻類,將是普羅大眾亦能親力實踐減碳的好行為,畢竟養藻是一種有效的生物減碳方式。」

看藻類變魔術

「做為國內主要的油氣供應者,中油有義務投入這場減碳任務。」根據考證,石油是由史前的藻類遺跡經過地底下的高壓與高溫逐漸轉化而成,說來藻類和油公司是最早有淵源的,黃所長笑稱。

藻類是以陽光為能源,將二氧化碳轉變為藻體,而藻體的組成包含油脂、蛋白質、醣類等,具減碳效益。「因此,中油在2012年成立綠能科技研究所,二氧化碳再利用便為研究主軸之一,其中海藻養殖是最天然的方式,兼具生物減碳、及水質再淨化之氮、磷移除等效益,養殖後採收的藻體,可應用於食用、各種生技原料、檢驗試劑製造等多種高值化用途,故綠能所積極投入這個領域的研究。」

藻類培養學問多

若從藻類培養的方式來談,黃所長解說,可依照能量來源及碳源的不同來分,常見的有:光自營、異營及混營等三種培養方式。

光自營培養是指微藻利用陽光做為唯一能量來源,再以二氧化碳做為碳源,將太陽能轉變為藻體,進行二氧化碳的直接利用。

異營培養則意味著微藻僅以有機碳源做為能源和碳源。異營培養可消除自營培養時,光不足的不利因素,進行高密度培養。另外,如利用工業發酵系統進行異營式培養微藻,可克服微藻自營培養的諸多缺點,是提高微藻產量與產物產率的有效途徑之一,但已失去生物減碳的意義,因為不是以二氧化碳做為生長所需的碳源。

至於混營又稱兼營,是在利用光能和二氧化碳等無機碳源的同時,以有機碳做為補充碳源和能源的一種培養方法。微藻的混營培養過程包括:光能的吸收轉化、二氧化碳的吸收固定、有機物的同化等,是比較複雜的生化過程。

但是,並非所有藻種都可以適應異營或是混營培養,因此需要通過篩選找出適合異營或是混營生長的藻種。「藻類藉由光合作用的機制,將大氣中的二氧化碳轉為人類可利用的各種有機質,依目的不同,可篩選不同的藻種。進行藻體成分的分析,驗證其特殊功能。培養時由實驗室到戶外逐步放大測試,這是相當花時間的基礎工作。」黃所長表示,中油綠能所除自行研究外,亦曾積極參與第二期能源國家型科技計畫,進行「微藻二氧化碳固定及轉化生質燃料與化學品之再利用關鍵技術開發」研究,並於2014年與微藻團隊(成大、交大、金屬中心等組成)簽訂合作意願書,希望能夠加速產業相關應用的開發時程。

小小藻類用處大大

目前國內在微藻固碳研究方面,由經濟部能源局支持、工研院與台泥技術合作,投入微藻固碳與應用技術已有成果。其利用鈣迴路碳捕捉技術,可以使額外能源耗用小於20%,碳捕捉率高達90%以上,且每噸二氧化碳捕捉成本低於30美元。每年除了可望為台泥貢獻4,800公噸的減碳量,亦將所捕捉的二氧化碳用於微藻及雨生紅球藻培養,並從雨生紅球藻中提取蝦紅素,初期年產量約160公斤,產值約新臺幣4,096萬元,綠色循環經濟商機前景看好。

台電則是於1988年就開始進行微藻固碳的研究,2004年在高雄大林發電廠進行「微藻固定CO2整合研究計畫」,在培養溫室的屋頂設置薄膜式太陽能板,讓太陽光的紅光區帶能夠透入溫室,促進微藻生長,並儲存電力供應晚上LED以提供光照,使微藻可以在夜間持續生長。由於不是所有的藻類都適合戶外養殖,加上微藻放大養殖受限於土地面積及氣候等條件,所以台電研發出立體式光合反應器(28噸),克服了土地空間與一些外在條件的限制,估計減碳效益每年每公頃約74公噸。因為在大林電廠的實驗成果卓越,所以在林口電廠設置了第2座微藻固碳實驗養殖場,擴大實驗規模;未來將持續依據市場及經濟導向,開發微藻資源整合多元應用。

中油綠能所於2014年完成戶外微藻養殖試驗工場的籌建及運轉,至於今年(2016)的研究重點,則是以液化天然氣廠的冷排水,進行大型紅藻養殖。「中油液化天然氣接收站的冷排水,被暱稱為鑽石水,低溫、潔淨且量大,適合應用於養殖大型海藻。我們先在實驗室進行藻種培養,逐步放大,再接種至戶外養殖系統。」黃所長指出,目前室內養殖規模已可達1.5噸,能夠做為戶外放大10噸及20噸養殖池的藻種源,而且藉由冷排水低溫的優勢,讓適合於20~25℃生長的紅藻,在臺灣也可以生長良好且維持高品質。

因為所養的海藻為多細胞生物,肉眼即可見,故利用篩網過濾即可採收,相較於微藻需要高速離心或混凝劑,能夠節省更多採收成本。「就在今年底,我們的戶外紅藻水養殖試驗工廠將完成,此試驗場共有1個10噸及2個20噸養殖池,以冷排水做為水源,養殖大型海藻,這是國內首次利用冷排水於陸上養殖海藻的先例。」不過黃所長也不忘提醒,雖然此法可以捕捉二氧化碳,但數量仍是有限。若要能夠大量減碳,仍需開發二氧化碳的其他利用方法。二氧化碳是穩定的化合物,不容易進行進一步的反應,但觸媒的突破性發展讓嵌入二氧化碳的高分子合成,已能進入商業化期程。此類物質可取代現有來自石油碳氫化合物的高分子物質,由於使用量大,若經濟可行,將使二氧化碳的減量成效更為具體有效。

未來進行式:以微力融入世界

「或許大家不知道,30幾年前,臺灣曾是綠藻的重要生產國,全球有高達70%的綠藻(小球藻)就是在臺灣生產的,一般都採用開放式圓形養殖池來生產綠藻,用於製造保健食品、美容保養品等,這是大家較為熟知的。」黃所長說,目前中國大陸已躍居全球綠藻總產量的最大國家,而臺灣在品質上依舊領先中國大陸,高值化應用需持續開發,才能保有相對優勢。

「由於能源國家型科技計畫傳統上常由化工、化學背景學者專家主導,所以建議可邀請長期進行藻類養殖研究之生物背景學者專家、以及國內藻類生產廠商加入或諮詢,將有助於研究方向的掌握,使研究成果更具有商業化價值。」誠如雨果所言:「進步,意味著目標不斷前移、階段不斷更新。」唯有不斷地精進與突破,並廣納各方力量,才能開創更多的可能性!


關鍵字:藻類,二氧化碳,微藻,紅藻,冷排水

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