國際油價持續攀升，讓原本已浮上檯面的能源危機一觸即發，先進國家無不積極開發替代新能源，其中生質柴油算是比較成熟的技術，但以糧食作物生產生質柴油卻發生排擠人類糧食的後遺症，科學家們乃將眼光移到地球最原始的生物「微藻」身上，它的藻油產值大又不太占空間，潛力無窮，國內的工研院在這方面的技術亦急起直追，一旦成熟並完成技轉後，可望成為最賺錢的生物科技之一。

■文／楊順發  圖／味丹企業．笠銓攝影

什麼是「微藻」？「微藻」屬於真核微生物的一種，在演化過程中出現的很早，至今存在於地球已有35億年的歷史，也是世界上最早進行光合作用的原核生物，它們的祖先很有可能是所有植物的始祖。有的「微藻」是以單細胞的形式存在，不過有些會聚集成群。絕大部份的「微藻」細胞大小介於幾微米到幾百微米之間，一般要在光學顯微鏡下才能一窺全貌，因而被稱「微藻」，它遍佈在地球上各個有水的角落。

伊始於美國「藻類衍生可再生性運輸燃料的計畫」

藻類被形容為「地球之肺」，它們供給地球百分之九十的氧氣(百分之十則由植物所提供)。它也是許多生物的食物來源，大到全世界的生物—鯨魚，小到陸地上的小昆蟲，都以藻類為食；若干藻類也是人類的食物之一。在一百多年前，酵母首先被發現能夠蓄積油脂，後來其他能夠蓄積油脂的微生物，包括細菌、藻類與真菌類等也陸續被發現。二次大戰期間，由於物資缺乏，德國科學家甚至以微藻行光合作用時會釋出油脂的現象，萃取食用油。

1937年及1979年先後爆發兩次的能源危機，石油飆漲，美國能源部於是從1978年到1996年間長期資助由藻類衍生可再生性運輸燃料的計畫，此計畫稱為水生物種計畫(Aquatic Species Program, ASP)，主要在進行含高油脂藻類經大量培養後再轉製成生質柴油的研究。在將近二十年的研究計畫中，發展許多操控藻類成長的因素及其生長系統工程技術。

儘管該計畫成果豐碩，然而，卻因成本過高而宣告計畫停止。當時原油每桶雖然已升到24美元，但以微藻生產生質柴油，就當時的科技，每桶成本卻高達80美元，根本不具經濟價值。

這二、三年，由於傳出石油有枯竭之虞，油價再度一路狂飆，2008年初，國際原油價格首度突破每桶100美元的關卡，之後雖有回跌，但仍始終保持在每桶80美元之上。加上地球暖化、全球氣候異常，掀起節能減碳風潮，尋找替代能源再度成為顯學。目前生質柴油和酒精是兩種被大規模生產的生質燃料，這兩種生質燃料是主要的汽柴油替代品，可直接用於引擎內燃機。然而，這兩種生質燃料主要由農作物中萃取的油脂、糖和澱粉轉化而成，嚴重排擠糧食耕地，造成糧食短缺、糧價高漲的後遺症，為人所詬病。

於是科學家開始轉向非糧食作物的第二代生質燃料，其原料範圍可擴及各種木質纖維素、藻類等，其更能解決糧食與燃料所引發的安全與環境問題。為了降低目前利用陸基生質燃料原料對環境與農業的威脅，以微藻衍生之生質燃料是具潛力之作法。根據美國再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)早期的研究指出，微藻是具潛力的油脂(三酸甘油酯，20-50％)與醱酵物質(澱粉或多糖，20-50％)的來源，尤其微藻之油脂單位面積產量可達陸生作物的45-220倍（約為黃豆的25~200倍，也比棕櫚樹高2~16倍），成為目前備受注目的研究議題。

工研院開發具競爭力的微藻產油關鍵技術

藻類由於具有較高的面積生產力(productivities)、低的水需求量、土地幾乎不受限制且可以生長在鹽水中。近年來已有越來越多利用藻類生產能源的研究。微藻可能提供幾個不同類型的可再生的生物燃料，包括從微藻油脂萃取的生質柴油、由藻類厭氧代謝所產生的甲烷、藉光合生物產氫和利用熱化學方法將藻體轉化成生質燃料等。雖然利用微藻作為未來的替代燃料不是首創，但因石油價格不斷攀升以及全球氣溫暖化的問題而使其再度浮上檯面，為了減緩化石燃料的開發和減緩因消耗化石燃料產生的CO2排放量，研發微藻油脂生產生質柴油成為勢在必行的趨勢。

去年一月，經濟部能源局積極委託工研院執行「多原料源液態生質燃料技術開發與推廣計畫」，主要在進行具競爭力微藻產油關鍵技術開發，此研究計畫由李宏台博士主持，除了結合工研院綠能、材化與機械三所的人員之外，還涵蓋台灣大學、成功大學、中央大學、大葉大學等的學者專家，並結合農委會東港生技中心、鴻潔公司（位於彰濱工業區）。李宏台博士於1996年進入工研院服務，目前擔任工研院綠能與環境研究所正研究員兼新能源技術組組長，亞太經合會新及再生能源技術專家小組主席，並曾任中華生質能源學會理事長。

計畫目標為「開發微藻基因改質與養殖、低耗能採收系統及連續式藻油萃取技術等關鍵技術，以加速微藻產製生質燃料商業化量產之實現。」。藻油生產的基本程序包括篩選適當藻種，經由一連串小規模的光合生物反應器進行殖種放大培養，然後將其接種至佔地可高達數百公頃之培養系統。養殖所得到之藻液必須經由濃縮、乾燥、破壁、萃取等程序，方能將油脂由藻體中分離出來。因此，整個藻油生產程序是結合生物、化學與物理等多重程序，因此也增加其技術發展之困難度。

李宏台指出，微藻在行光合作用時主要會生產三樣東西，包括：碳水化合物、油脂和多醣體，不同的藻類其釋出的油脂含量各有不同，經過該小組在實驗室的研究，篩選出的小球藻和擬球藻，其釋出的油脂高達50％以上，最具培養價值。



建構微藻產油商業化發展的技術平台

工研院的技術團隊目前已建立微藻生質燃料生產測試系統，並於今年九月底在台北國際發明暨技術交易展「能源科技館」中，呈現各項微藻產油技術之研發成果。此次展示的「高效率濾帶採收系統」及「連續式藻油萃取系統」原型機裝置，更建構了微藻產油商業化發展的技術平台。

李宏台指出，微藻培養時含水量極大，每一公升的水中，微藻含量約只有一公克，藉由工研院開發之「高效率濾帶採收系統」，可以在低能耗的條件下將微藻濃度提高至每公升150克。而所得到含水率仍高達85％的藻泥可利用此套「連續式藻油萃取系統」，在不需乾燥的情況下，直接進行連續的細胞破裂與藻油萃取，不同於傳統需要乾燥後才能萃取的方式，大量節省能源的消耗。

雖然目前工研院的研究計畫已獲致初步的成果，但從實驗室跨入試量產，乃至正式量產，其間還有很多技術門檻必須去突破，包括微藻的大量培養、微藻的採收和藻油的萃取，必須讓技術更成熟穩定。該小組希望能在2014年進行試量產。

微藻的培養系統依照其形式主要可分為開放式與密閉式，開放式培養主要優點在於建造與操作較容易，所以在1950年代即有利用渠道式養殖池大量生產藻體，雖然渠道式養殖池較便宜，其藻體之生產力也較低，且其整個系統的冷卻幾乎僅靠水的蒸發，因此溫度會隨著日夜或季節變動，且水的蒸散會十分明顯。此外，渠道式養殖池的另一問題是所供應的二氧化碳會泄散，所以二氧化碳的使用效率比光合反應器差，並且在開放式的養殖系統中攪拌效率較差，使得底部的藻體的生長情形不佳。

為了克服開放式養殖的缺點（包括污染問題、環境無法控制、蒸發、適合藻種有限、低體積產率和需要大土地面積等），有許多研究聚焦於發展適合的密閉系統。密閉的系統可置於室內使用人工光源或以導光系統利用自然光，或者設置於戶外直接使用太陽光，但前者由於需要有昂貴光源或導光及分散光的系統，所以不利於商業化生質能源之利用。不過，在大規模生質燃料生產中，其可能需要高達數百公頃的藻類養殖系統，若以現在的光合生物反應器進行生產，則需要成千上萬的反應器，其將耗費大量設備與操作成本。

選擇或開發一個適當的微藻培養系統，將明顯提升微藻之生產效能和經濟效益，此一議題目前已有相當多的討論，但似乎仍無定論，目前看起來，因為成本的問題，商業化生產微藻比較傾向利用開放式系統，但是密閉系統提供較佳的污染控制、質傳效率等各種微藻培養相關重要參數。目前在工研院2公頃的培養系統中，驗證可結合兩者之優點，此一方向應該是未來發展之重點。



主要的關鍵在於其經濟競爭性

此外，藻類產製生質燃料之製程分為上游製程(Upstream Process)與下游製程(Downstream Process)，上游製程為藻類培養，以獲得藻體為產物，下游製程主要將所生產之藻體，經由採收、濃縮、乾燥、萃取、溶劑回收及純化等程序獲得所需要的油脂。以往有關於藻類的研究，較著重於養殖系統之改善，然而根據ASP的研究顯示，下游的採收與利用程序亦將近佔藻油生產成本的一半。目前對於各種下游製程雖然已有許多報導，然而各單元間如何組合出最佳化的程序則少有人提及，若無法開發出一個符合經濟與能源效益之程序，微藻生質燃料技術的商業化仍將遙不可及。

李宏台指出，養藻真的是一門很好的生意。養藻過程微藻會吸收二氧化碳，釋出大量的氧氣。微藻體內含有40 ~ 50％ 的碳，生成 1 公斤的微藻細胞，需要 1.5 ~ 2.0 公斤的二氧化碳，微藻強大的減碳功能可見一斑。

台電大林發電廠的「微藻固碳計畫」即為國內成功的案例。該廠斥資700萬元，完成一座面積達10平方公尺的微藻養殖池及一座光合反應器，以養殖微藻方式進行減碳，經過研究，微藻養殖的固碳一年可達58到90公噸／公頃，相較於種樹減碳成效為一年25公噸／公頃，高出二至四倍。

未來，養藻業者可以出租藻類給高排碳量的公司行號，協助減碳，從中賺取租金利潤。而微藻三天即可採收一次，用來製作藻油，賣給油品業者，再賺取第二筆利潤。最後，藻油生產過程中分離出的副產品醣類、蛋白質，可以製造成高價值的健康食品和藥品，又賺了第三筆利潤。

味丹生技與所屬東海綠藻工廠致力在綠藻與螺旋藻等藻類保健食品的生產與加工已長達35年以上，據研究人員指出，綠藻含有豐富的蛋白質、礦物質、維生素、葉綠素、β-胡蘿蔔素、葉黃素(lutein)及膳食纖維等天然營養素，非常適合作為保健食品。其中，蛋白質含量高達68%，更難得的是含有一般植物性蛋白質所缺乏的人體必需胺基酸。所含的礦物質和維生素B群非常豐富，可以補充人體所需；β-胡蘿蔔素和葉黃素(lutein)對維持視力有正面的幫助；葉綠素及膳食纖維對消化道的功能維持，以及排便順暢也有很明顯的功效。以熱水將綠藻細胞進行萃取並精製所得的營養成分，稱為綠藻生長促進因子(Chlorella Growth Factor，簡稱為CGF)的成分。CGF是由一種含硫的核甘酸與胜 類結合成的複合成分(nucleotide-peptide complex)，已經實驗證實具有促進乳酸菌、酵母菌、兒童生長的作用，對人體生理機能的活化和創傷的癒合也有幫助。

有關綠藻的免疫調節功能等保健功效研究相當多，尤其是有助降低機會性病原菌的感染、延長負瘤動物的壽命或改善其造血功能等。目前國內味丹生技等綠藻生產公司陸續透過實驗證實，綠藻具有調節免疫、改善腸胃道菌相與調整血脂等保健功效，也先後取得衛生署健康食品認證。除調節免疫等功效外，有關綠藻其他保健功能的研究也相當多，主要包括減緩老化、減少戴奧辛的吸收與體內蓄積、調節血糖及其併發症的改善。

台灣極適合發展為全球的藻油生產基地

或許微藻萃取生質柴油欲達到商業量產還有一大段路要走，但李宏台相信現代科技一日千里，其中諸項技術瓶頸終將能找到解決的對策。李宏台強調，台灣的氣候和海島型的地理條件，多的是乾淨的海水和閒置的漁塭，可以說是最理想的養藻環境；加上台灣擁有具水準的高等人才和深厚的工業基礎，極適合發展為全球的藻油生產基地。