藻類處理二氧化碳技術

美國密西根科技大學黃教授[5]曾在美國能源部之贊助下進行以生物洗滌塔(BioScrubber) 去除煙道氣中CO2之研究，該研究是以微生物在洗滌塔內攝取CO2作為碳源。一般而言即使 碳化是微生物培養中最困難的過程，但大部分的研究仍採用CO2直接曝氣(bubble)方式直接通 入培養系統(cultivating system)中。由於透過氣液界面將 CO2傳送到水中的速率緩慢，所以會

有大量 CO2 在溶進水中並被微生物攝取消耗之前即已離開生物反應器(bioreactor)。日本的 RITE(Research Institute of Innovative Technology)所開發之生物反應器，其 CO2 利 用 率 (utilization rate)只有 50%，而一般 open photobioreactor systems 更只有 20%。為了要達到 U.S.

DOE [6]之目標 90%去除率，該研究採用先以氨水將 CO2吸收到水中形成碳酸銨或碳酸氫銨 最佳之氮源亦因藻種而異。可分偏好 NH4+之藻類，如 Gracilaria foliifera 及 Neoagardhiella bailey[8]。以及偏好 NO3-之藻類，如 Porphyra yezoensis。

除了醇胺及氨水可以當作CO2吸收劑外，也有以NaOH [10-14]、Ca(OH)2 [15]或 Mg(OH)2 DIC(dissolved inorganic carbon) pump，造成藻液之鹼化，而固碳時產生鹼化之現象可由 Borowitzka 針對 CO2溶解於液體中，經由光合作用進行固碳，提出一連串反應式來說明，其

研究顯示藻類在低CO2濃度環境下，碳酸酐酶CA(carbonic anhydrase)活性會增強，造成 藻 類 內 部 碳 的 累 積 ， 而 加 強 CO2 之 固 定[19]，這種作用稱為 CCM (CO2 concentration mechanism)。當 CO2 累積濃度升高後，會使 CO2 固定酵素 Rubisco(ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase)活性增強，使藻類固碳能力及光合作用加強。而 CA 酵素在微藻光合作 用所擔任之角色，如圖1-2 所示。

藻類之培養及利用受到重視，首先是以微藻生物材料當成再生燃料的概念。該想法由 Oswald 和 Golueke 提出[19]。當時的概念是以廢水培養藻類，同時製造氧氣以供廢水之氧化

年代的能源危機，更為此一概念注入一劑強心針。1980 年代的研究，除了甲烷之製造外，亦 針對產生生化柴油及大規模之生產程序進行研究[21]。美國能源部透過與國家再生能源實驗 室及數個大學機構、民間團體共同進行的ASP(Aquatic Species Program)，已在美國墨西哥州 成功地操作0.2 公頃之實廠[22]。儘管藉由該研究已證實大規模生產方式的可行性，但若要符 合經濟效益，仍須藉由工程技術改進，來進行高密度生產[23]。1990 年代世界各國廣泛地進 行以發電廠煙道氣所含之CO2進行減除之研究，其中以日本之研究最多。例如日本Takasago Research and Development Center 等多個研究單位與 Tohoku 電廠合作進行連續幾年度微藻以 煙道氣二氧化碳培養之研究[24]。其利用實際煙道氣之 CO2，以開放式渠道進行大面積培養，

可連續一年未有中斷操作之情形，而且，所產生的微藻，其熱值介於4,000 至 5,000kcal/kg 之 間，可有效地當成固體燃料。另外，由RITE (Research for Innovative Technologies of the Earth) 所 資 助 研 究 ， 強 調 不 同 設 計 下 的 密 閉 式 光 合 生 物 反 應 器 可 生 產 高 價 值 的 共 生 產 物(co- production)。近年來，隨著藻類生物技術在商業價值上之發展，已成功取得數種具高商業價 值的藻種，例如由Haematococcus pluvialis 獲得可做為營養食品之胡蘿蔔素。不過，經過幾十 來的研究，藻類在燃料生產及CO2減除方面，仍未被實用化。為了整合過去及發展未來之相 關技術，由美國能源部、EniTechnologie、義大利石油公司 ENI 研發部門，藉 IEA Greenhouse R&D Programmea 之協助，於 2002 年成立「International Network for Biofixation of CO2 and Greenhouse Gas Abatement with Microalgae」。其成員包括有Arizona Public Service(美國的電力 公司)、Rio Tinto(國際礦產公司)、ENEL Produzione Ricerca(義大利電力公司研發部門)、EPRI(美 國各電力公司贊助的研究組織)及 Gas Technology Institute(由美國氣體公司所贊助)。其主旨在 藉由共同的工作平台來驗證各項技術及經濟可行性，進一步研擬藻類固碳研究發展的藍圖 [25]。

針對光合生物反應器設計，若要操作高密度培養，須考量以下因素[26]：

光的利用：藻類可利用之光波段大致為可見光範圍(400~700nm)，但一般研究中發現可行 光合作用的葉綠體只吸收某些波長範圍的光波。由於葉綠體chlorophyll a、b 的吸收光譜可發 現兩處主要吸收峰，分別位於450nm 與 680nm 附近。因此，可選擇或製造促進藻類生長之光 O2濃度高時，會使CO2固定酵素Rubisco(ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase)固碳的 能力(carboxylase)增強，反之則會使氧化酵素(oxygenase)活性增大，而減低光合作用能力。一 般來說，以煙道氣15% CO2溶解至培養液中，依熱力學是可行的。但若依其動力學而說，則 與不同pH 值下碳酸平衡物種(如圖 1-3 所示)及反應時間有關。儘管提昇 pH 值可有效提昇二 氧化碳之傳輸，但一般以曝氣方式培養之系統，CO2 大部份無法進入液膜而逸散出來，尤其 是操作在低 pH 值之情況下。酸鹼值之耐受性，亦是藻種之重要特性。有些藻種偏向鹼性，

故在pH 10 時，仍容易生長，亦有偏向酸耐受性的藻種，pH 3.5 仍可正常生長。 般來說，藻類之繁殖，除誘導期(lag phase)外，其生長速率在一定條件下可以下式表示[27]：

k=2.303 log(Nt/No) (CSTR)試驗結果顯示，當煙道氣流量為 8.0 L/min，達到穩定狀態時，藻濃度為 0.381 g/L，

DCB-T1 最佳固定率為 71.84 mg/min，即 608.5 mg CO2/L/day，相當於 1.6 g CO2 /day。另一菌 株Isochrysis sp. CCMP1324 進行 CSTR 試驗結果顯示當煙道氣流量為 8.0 L/min，藻種濃度為 2.0 g/L，CO2固定率最佳為86.20 mg/min，即 730 mg CO2/L/day，相當於 0.36 g CO2/day [29]。