研究背景與動機

本章主要在說明研究的動機、目的、名詞釋義。全章共分三節：第一節為研 究動機、第二節為研究目的、第三節名詞釋義。

第一節 研究背景與動機

能源是人類經濟發展的推手，能源危機常涉及到石油，電力或其他自然資源 的短缺。化石燃料為人類目前最主要的使用能源，然而世界各國蘊藏量已逐漸匱 乏，依據現有資料顯示，預估石油可開採 41 年、天然氣 67 年、煤 192 年（曲新 生，2005）。能源短缺通常會使得經濟發展受到嚴重限制，很多突如其來的經濟 衰退通常就是由能源危機引起的。而在過去能源危機的主要原因是石油價格過於 便宜，以致於使世界對其產生了過度的依賴性造成石油迅速消耗殆盡。化石燃料 的過度開發導致趨於耗竭，不僅對生態環境造成傷害，且燃燒化石燃料更會造成 空氣污染及酸雨、溫室效應等現象。

由於目前原油短缺，價格飆漲，生質能源燃料酒精、生質柴油、生質氣體，

將逐漸成為世界各國能源技術發展及應用的主流。我國政府在再生能源推動方面

（風力發電、太陽能光電、生質能、水力、地熱、太陽能熱水系統等）也不餘遺 力，近年來陸續訂定相關配套措施與獎勵辦法，預計 2020 年再生能源發電容量 配比達 10％（台電網站，2006）。

就長期能源發展的展望而言，雖然現階段化石能源及核能還是必要的選擇，

但隨著能源新科技的發展，當未來出現價格合理、可穩定供應、乾淨、低社會成 本的新能源或再生能源時，則不但滿足我們經濟發展及生活品質的需求，更將協 助我國建立「非碳家園」及「非核家園」的無污染能源使用環境的終極目標。

在眾多再生能源技術中，生質能是目前相當被廣泛應用也是最具有發展潛力 的一種再生能源，約占全世界再生能源利用的80%，我國將生質能定義為「國內 農林植物、沼氣、一般廢棄物與一般事業廢棄物等直接利用或經處理所產生之能 源」（再生能源發展條例草案，2002）。政府於2006年農業生物技術國家型科技計

畫中，也將生質能源的轉化及生產技術與微生物篩選技術列為發展重點。國家型 生質能源計畫及能源發展政策，以能源作物被利用後的全株及殘餘物作為基質。

生質能源轉化及生產技術方面主要有：生質燃料（酒精）、生質柴油以及生 質氣體等三部份，在生質燃料方面，目前農委會規劃以糖份或澱粉質高的農業作 物作為主要物料來源，以澱粉酵母或酵素將澱粉質轉化為酒精，再以純化分離技 術生產燃料酒精；在生質柴油部分，以高油份豆類（如大豆、油菜籽炸油）加以 轉化為生質柴油；而第三部份則是生質氣體 (蘇忠振，2006)。

這些能源作物如果可仿效其他農業廢棄物如稻桿、米糠、廚餘等，可經由水 解、醱酵產氫反應過程產能回收能源，例如林建勝(2006)研究中使用廚餘當作基 質最高的產氫 yield 有 96.4±37.9 mL H2/g VSSin、曾智鉉(2006)研究所使用酒廠 廢酒糟及污水處理廠廢棄物污泥作為混合基質最佳的產能效率有 811 cal/

g-COD，郭倍甄(2007)研究中所使用米糠及污水處理廠廢棄物污泥作為混合基質 最佳產能效率有 1,526 cal/g-COD。而能源作物被利用後的全株及殘餘物，因為含 有豐富纖維的固體及半固體物，所以本研究將找出有效分解固體及半固體物的水 解菌種有助於產能，例如許景富(2003)利用 Clostridium thermocellum分解不 同量之纖維素的厭氧產氫試驗及王馨儀(2006)研究能降解纖維素的嗜熱厭氧菌 的產能都有好的產能效率，所以值得做進一步深入的產能研究。

就能源政策而言，目前政府應考慮長期能源供需、國際趨勢及能源使用社會 成本，確保我國能源政策兼顧經濟發展、能源安全與環境保護，並邁向全球現階 段「低碳家園」的目標。利用國內土地種植能源作物所吸收的二氧化碳，占總體 生質能所抵減二氧化碳的 80%以上，顯示利用國內種植能源作物比用進口原料，

更具實質二氧化碳減量效果。我國氣候與土質有良好的條件，目前適合生產的能 源作物很多，包括甘藷、甘蔗、玉米、油菜籽、大豆、落花生等。但是大部分都 是單價較高的產物。我國稻米產業結構仍處產業調整過程，目前約有 22 萬公頃 每年 2 期作物的休耕農田，因此農委會正努力推動如何充分利用這些休耕農地以 發展綠色能源產業。政府目前初步規劃以雲林、嘉義、台南、高雄及屏東等 5 縣

為示範推廣地區，輔導栽培油菜、大豆及向日葵 3 種能源作物，而農民如配合政 策利用休耕田地區種植能源作物，將可獲得政府能源作物給付每公頃 6 萬元補助

（農委會，2006）。

而能源作物的用途，例如大豆富含蛋白質 35~45％及脂肪 17~23％，營養價 值極高，植株為良好的飼料、燃料及綠肥作物，可提煉食用油、潤滑油、油漆等，

甘蔗渣含豐富纖維通常被利用當製紙的材料、有機肥使用、木板製成品等用途，

葵花通常都是用來榨油做成食用油，而榨下來的葵花粕大部分被當作有機肥料所 使用，油菜大多是被當作綠肥或是觀賞，也可榨油成為生質柴油、潤滑油等，所 剩下的油菜粕可當做有機肥料所使用。

本研究評估發現油菜花具有發展優勢，根據 95 年農委會資料油菜種植面積 高達 28,694 公頃，它不但價格低價而且生長容易，不僅可以榨油轉為生質油；

在生質氣體方面，榨油所剩下的菜籽粕也可以當作產氫基質加以利用。我國油菜 的生產效益並不高，採收量僅 0.015％，剩下都作為田間綠肥使用。因應未來全 球及國內能源發展趨勢，能源作物的發展必需立基於能源永續發展，為鼓勵使用 再生能源及確保地球環境永續發展，行政院農業委員會推動種植能源作物，於 95 年 於 雲 嘉 南 等 縣 休 耕 地 ， 種 植 能 源 作 物 大 豆 及 向 日 葵 計 1,721 公 頃 ， 約 產 製 270 公 秉 生 質 柴 油 ，重新啟用休耕或廢耕農地種植能源作物。油菜、

大豆、向日葵、甘蔗等油脂含量高的能源作物為料源經過榨油及轉化技術後用來 提煉生質柴油、酒精汽油之用。農地的再利用及環境保護和自然保育，唯有仰賴 能源政策、農業政策、以及環境政策的整合規劃，才可解決休耕農地問題、增加 農村發展機會。而利用這一些能源作物或榨油後所剩的廢棄物來發展生質能源產 氫，不但可以減少榨油後的廢棄物也可以再利用以達到環境永續發展，兼具能 源、環保，農業經濟的優點，所以利用能源作物發展生質能源才可望有大的發展 空間。

近年來能源缺乏物價指數上漲，生質能源(biomass energy)廣受能源科技產 業的重視，在生質氣體方面以厭氧或兼氣微生物進行醱酵作用來產生氫氣、甲

烷、揮發酸等物質。在產氫方面，目前以厭氧醱酵產氫技術最具有發展潛力，而 在基質上面使用農業廢棄物全株及殘餘物來產能，不僅可以再利用也可以達到資 源化的目的，所以被視為最值得重視及發展的方向。

以農作物之殘餘物作為能源作物也越來越普遍，將是未來產能的趨勢。而能 源作物大多是固體或半固體物，因含大量的纖維素(cellulose)、半纖維素 (hemicellulose)及木質素(lignocellulose)等成分，相當難以分解，所以利用 能夠分解纖維素的菌種將能源作物中的纖維素、木質素等成分分解。可以將纖維 素、木質素分解菌種如:Geobacillus、Bacillus及Clostridium等菌屬的特定菌 株，在兼氣到厭氧環境下，有效的裂解纖維素及木質素。在厭氧狀態下，利用本 研究室從台中市黎明污水處理廠終沉池底泥所馴養的Clostridium為產氫菌種搭 配純種水解菌種(兼氣菌)組成反應菌液，以能源作物為基質，於兼氣的環境下經 水解菌及Clostridium的水解、醱酵及酸化反應過程得以回收H2能源。

本研究將利用由具潛力的能源作物油菜粕、大豆、豆粕、甘蔗、葵花、基質 中，先篩選出最佳產能量之作物，其中最具可行性的為油菜及油菜籽粕，所以選 用油菜及油菜籽粕作為產能基質，並從新竹食品工業發展研究所生物資源保存及 研究中心(BCRC)所購買之5株水解菌種(Bacillus 3株、Clostridium 2株)，從4 株水解菌種中找出能有效分解油菜及油菜粕纖維素的菌種，作為本研究實驗中水 解部分的菌種，再搭配本研究室所馴養的Clostridium產氫菌，先行水解基質成 為較小的分子，可以有效的被產氫菌所利用產生能源。因為能源作物含有大量的 纖維素質等，如果可以找到有效水解能源作物的菌種及方法，可以提升能源作物 被醱酵產氫菌所利用而產生更多的能源。也可以解決農業廢棄物以及增加再生能 源產量。故本研究將作一系列的試驗評估油菜及油菜籽粕具再能源化的可行性及 探討油菜及油菜籽粕最佳的產能操作條件，包括：最佳水解菌篩選、最佳基質篩 選、不同起始pH值、不同混合菌液(水解菌/產氫菌)配比、不同基質/混合菌配比、

不同的基質濃度，不同溫度等之產能批次試驗，以了解最佳產能操控條件。