微藻減碳系統與再生資源利用
一、 前言
工業持續排放CO2已嚴重影響地球氣候環境，如何減低大氣中CO2成為各國政府、企業必須面對的重大問題。在目前技術條件下，人們可供選擇的減碳方法不多，總結起來大約有以下幾種：1、用化學方法如堿液吸收CO2 (Meisen, A. and Shuai, X.1997），該方法成本高，且會帶來新的環境污染，所以至今並無實際運用。2、用物理學方法封存CO2，其中向下地層注射CO2方法曾引起很大反響。向地下油層及汽層注入CO2可以增加石油或天然汽產量，而地下廢棄的油井、汽井和煤礦井等亦可用來封存CO2, 另一種選擇是將CO2注入至密的岩石層下面（Marchetti, C.,1977）。這些方法並沒有減少CO2的總量，只是暫時封存起來。其隱憂是出現強烈的地質運動如地震，封存的CO2有可能被大量釋放，造成災難。像臺灣這種地震多發地區，這種方法尤不可行。3、向海洋中注射CO2，讓CO2溶解於海水中，或將CO2注入深海底層，借助其強大壓力形成CO2人工湖。將CO2溶解海水會改變海洋生態環境，引發生態災難。而海洋底層的CO2人工湖同樣可能因地殼運動而將CO2突然釋放出來（Spencer, D.F.,1997; Ohsumi, T.,2004）。4、利用植物光合作用吸收轉化CO2。地球早期大氣中充滿CO2並無O2，在地球漫長的進化過程中是植物的光合作用吸收CO2，並將O2釋放至大氣中，慢慢地才形成了今天人們賴以生存的氣候環境。而目前大氣CO2增加，是人類一方大量使用化石原料增加CO2釋放，另一方又不斷採伐破壞森林植被減少CO2吸收生態失去平衡而致。因此問題最終解決仍然要回歸到地球自然生態系統的運行法則。
種植樹木、培育森林、發展農業都是減碳重要措施，但臺灣地域空間有限、土地價格昂貴，其減碳潛力有限。藻類植物因吸收CO2速度快、光合速率高且生長過程可全程人工控制，而被推薦為工業減碳的首選。
二、微藻（Microalgae）減碳研究概況
微藻（Microalgae）用作減碳並生產可再生生質能源的想法最初於1960’年提出（Oswald and Golueke,1960）。1970’s 中期美國能源部（DOE）資助R&D在UC, Berkeley進行以微藻處理污水，然後將微藻轉化甲烷等再生能源的研究。為了解決微藻生產收穫成本過高問題，美國能源部（DOE）通過國家再生能源實驗室（NREL）從1980至1994投資5幹萬美金資助“Aquatic species program”（ASP）計畫。該計畫涵蓋了微藻培養至再生能源的室內實驗及Pilot Plant（座落於Roswell, New Mexico）及全部過程。研究結果表明，在美國西南部有水源土地碳源條件下，建立一過年減碳數百萬噸微藻工廠經濟上可行。
1990’年代, 由國際幾個大能源公司資助的、16個國家及EU成員參加的 IEA（International Energy Agency）Greenhouse Gas R&D Programme 開始評價各種減低溫室氣體排放技術，推動相關研究。2001年5月，IEA Greenhouse Gas R&D Programme 在加拿大Regina提出建立全球研究型機合作網路。建議研究聚焦於R&D微藻吸收電廠CO2轉化可再能源研究。
日本，1990年代，RITE (Research for Innovative Technologies of the Earth)在政府及十幾個大公司資助下，組織主持了微藻固定CO2及減低溫室氣體排放的研究。該研究專注於用光學玻璃纖維組成的封閉式光合反應器 (photobioreactor)，該專案受到日本電子公司資助，但終因成本過高而終止。日本光反應器計畫雖因成本過高沒有能進行下去，但他們在這項研究中，對1000多個微藻品種的光速率、高CO2耐受度、生長速率等特性進行了篩選，留下很多有益資料。
微藻減碳系統運行成本與系統結構、系統規模有關。下表是美國學者1996年根據他們微藻試驗所估算的運行成本。
Botryococcus braunii養殖費用與養殖方式的關係(Benemann and Oswald,1996)
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養殖方式 |
養殖面積 |
單位面積成本 $/m2 |
總成本 Total $ |
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實驗室瓶中養殖 |
400cm2 |
大於5000 |
5000 |
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封閉光合反應器 |
4m2 |
2000 |
8,000 |
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管狀反應器 |
0.04ha |
200 |
80,000 |
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塑膠長管反應器 |
0.4ha |
50 |
200,000 |
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有蓋池 |
4ha |
20 |
800,000 |
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露天帶狀池 |
40ha |
6.5 |
2,600,000 |
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露天池 |
400ha |
2.5 |
10,000,000 |
從表中我們可看到封閉的光合反應器成本最貴，改用塑膠長管仍然遠高於池塘養殖。光合反應的優點是沒有污染，微藻生長環境能完全掌控，能全自動化，適合育種、精細養殖。其缺點是成本高，養殖規模小，不易大面積推廣。相對地池塘養殖成本較低，而且隨著池塘面積增大成本不斷下降，如果養殖面積達到400ha，成本降到2.5$/m2。換算為新臺幣約每分地（200坪）伍點伍萬元新臺幣。因此，可以說大規模池塘養殖，經濟上是可行的。
三、藻減碳系統生產產品的種類與利用
影響微藻減碳系統的另一個極其重要因數是其生產產品的種類與利用。最初被考慮被用來減碳藻類是螺旋藻(Spirulina)。螺旋藻營養豐富，是重要醫療保健用品，市場需求量大，價格高，因而能提高減碳系統的運行效益。實際上，人類利用藻類已有數千年歷史，藻類不僅提供了我們碳水化合物、脂肪、蛋白質等營養物質，還用來製備胡蘿蔔素、維他命、SOD等保健產品。很多藥物也來自藻類，如小球藻類片劑能治療腸胃病，對濕疹、色斑很有效。
藻減碳系統還可用來生產魚類及其他動物飼料。自然水生生態系統中，藻類是食物鏈的低層，是最原始的生產者，它是水生生態系統中其他生命的最初能量與基本物質來源。由於藻類有豐富的碳水化合物、脂肪、蛋白質等營養物質，也是非常優質動物飼料。
藻減碳系統用來生產醫藥食品、魚類及其他動物飼料要防止污染，因此工業排放的二氧化碳必須經過純化，反過來會增加成本。但像超臨界CO2萃取工廠，使用的是高純度CO2, 因此其排放CO2是一個很理想的碳源。
微藻減碳系統還可以與汙水處理相結合，用於污染有機降解。培養藻類，在污水淨化前期可除去污水中含磷和含氮化合物。藻類光合作可向廢水中引入氧氣，改變廢水中BOD值，促進其他一些生物生長及物質分解。藻類生長還能改變水的硬度。
近年來，由於藻類研究的逐步深入，藻類作為替代能源的前景逐漸展現人們面前，並且有取代其他生質能源，成為二十一世人類可利用主要再生能源之一。藻類作為替代能源最初利用形式是將它發酵轉變甲烷、乙醇。後來人們發現可直接藻類生產油。
與其他油料植物相比，藻類產油高、生產成本較低。下表是美國學者總結不同植物產油量的比較。
Tasios Melis, Ph.D. UC Berkeley, College of Natural Resources
不同植物單位面積的產油量
§ 種類 產量 US gallons/ acre
§ 大豆Soybean 40-50
§ 油菜Rapeseed 110-145
§ 芥子Mustard 140
§ Jatropha 175
§ 油棕Palm 650
§ 綠藻Algae 5,000-7,000
§ 產油成本比較分析
§ 大豆 綠藻
§ 產量gallon/acre·yr 40-60 5000
§ 成本per gallon $1.8 $ 0.6
我們可以看到同樣面積下綠藻產油量是大豆的100倍、油菜的50倍，而每加侖油的生產成本只有大豆的三分之一。綠藻用作再能源生產極具競爭力。更重要的是因為陸地面積有限，發展油料植物必然要和糧食作物爭地，而藻類養殖則無這樣問題。
本项研究以分别构建生产食品、保健品为目标的减碳模式工厂与以生产生质能源为目的的减碳模式工厂，确立减碳系统结构及优化运行条件，探索资料再利用方法，确保减碳模式工厂营运达到利润与环境保护最大值，为大规模全面推广作准备。