藻 類 產 製 生 質 柴 油
生 質 能 的 重 要 性 生 質 能 的 重 要 性 生 質 能 的 重 要 性 生 質 能 的 重 要 性
全球化石能源日益短缺，能源的價格終究會高漲到令人無法負擔的地步。倡導各項節能措施，積 極開發各種替代能源，便成為現今世界各國最重要議題之一。在各種替代能源中，生質能源的開 發與利用近年來受到高度的重視。在我國的國家能源政策白皮書中有關「再生能源的生質能應用」
政策，明確指出生質能源發展的重要性。
生質能是指農林植物、沼氣、廢棄物等，直接利用或經過處理產生的能源。一般來說，可以利用 的生質能包括生質柴油、生質酒精、生質氫能、生質甲烷等。
生質柴油是把動、植物性油脂、廢食用油、廢油炸油等原料，經由轉酯化反應、中和、水洗、蒸 餾等過程，生成甲基酯類（生質柴油）的化合物。生質酒精的主要原料則是玉米澱粉、蔗糖等，
經過糖化及發酵作用生成。另外，木薯、甘薯、甜高粱、纖維質材料等也常用來生產生質酒精。
生質氫能是利用光合微生物及兼性或絕對厭氧性微生物的發酵作用，由有機物所產生。生質甲烷 則主要是以厭氧性微生物分解有機物所生成的。
國外相當積極進行有關生質能的開發利用。例如澳大利亞科學暨工業研究組織與紐西蘭皇家研究 所合資組成研究機構，共同進行生質能相關技術的開發，以便把植物的纖維或廢棄物再次加工轉 換成新產品的原料。
另外，特別值得學習的是加拿大。加拿大的國家森林資源豐富，因而廣泛利用各種原生質物料與 次生質物料，發展再生能源的相關技術。舉凡森林中的樹木及矮灌木，典型的能源作物，如白楊 屬植物、柳樹、軟草類植物及蘆葦科植物，穀類作物如草稈，豆科植物、油菜籽、玉米穀物、燈 心草等植物材料，或者是水中的物質，如各種的海草或海藻類，甚至是動物的排泄物等原生質物 料，無一遺漏。
除此之外，加拿大也發展利用來自於原生質物料，但尚未經過重大的化學或物理變化的物質，做 為生質能源的原料。例如，產品加工製造時剩下的殘餘物，像是鋸木廠產生的殘屑、樹皮、木條、
木屑等；造紙廠殘留的紙漿等廢料；農牲的排泄物；穀物的殘渣，如稻秣、米糠等穀物殼屑、乾 草、秣草、麥稈等；都市的廢棄物，如紙張、厚紙板、橡膠、皮革、天然紡織品、木材、割草後 的草料、廚房廢棄物、下水道廢物等。
在日本，由三菱總合研究所、京都府立海洋中心及東京海洋大學組成的研究團隊，也正計畫在日 本海沿岸水深 400 公尺內的海域建立養殖場。每一個養殖區塊垂吊著大約 100 根附著種苗的 繩子，總養殖面積可以達到 1 萬平方公里，估計每一年可以收穫重達 6,500 噸的乾燥海藻，
大約可以製造出 2,000 萬公升的生質酒精。
我國政府對於生質能源的開發利用，目前仍然處在初期的開發階段。第１座生質柴油示範工廠在
2004 年 9 月，於嘉義縣民雄工業區開始正式運轉。這座示範廠主要以廢食用油為原料，產品
可以提供一般柴油車輛及農機具使用。
另外，政府也利用休耕農地栽種大豆、向日葵等能源作物，用來生產生質柴油與生質酒精。農委 會在嘉義地區利用 300 公頃的休耕農地，試種玉米做為生產生質酒精所需的澱粉來源。而臺糖 公司、臺肥與中油公司，也分別規劃設廠生產生質酒精，臺糖計劃利用甘蔗，臺肥與中油則計劃 利用玉米為原料。國內還有一家公司，規劃利用「狼尾草」做為生質酒精原料。
以生質能源做為替代能源，現階段遭遇到的最大瓶頸是成本過高，其次是供應量不穩定、負的能 源淨產出值等問題。聯合國糧農組織和經濟合作暨發展組織也提出警告，在未來的 10 年，世 界對生質能源的日益依賴，可能使貧窮國家的糧食價格高漲，這些國家目前已面臨愈來愈大的便 宜糧食供給壓力。因此，能源作物應以非糧食原料，或無法做為糧食用途的部分為考量。
藻 類 生 質 柴 油 藻 類 生 質 柴 油 藻 類 生 質 柴 油 藻 類 生 質 柴 油
利用藻類做為生質能源有很大的潛力，主要的原因是藻類高生產量的特性，光合作用效率高於陸 生植物。有些藻類甚至含有高量的脂質，而脂質正是轉化成為生質柴油的重要關鍵原料。但不同 藻種的脂質含量有明顯的差異，例如紅藻門、藍藻門的藻屬，脂質含量就較其他的藻門高。生長 環境的不同，同藻屬間的脂質含量也會有很大的不同。
一般來說，脂質的成分主要有脂肪酸甘油酯的中性脂質，以及微量的其他成分，例如卵磷酯、植 磷酯等磷酯類。另外，還含有各種不同的皂化物、游離脂肪酸等。一般藻類的脂質含量大約在 20
~ 50％ 之間，有些藻類的油脂質含量更可以高達 80％。
有一些藻類在不同的生長條件下，藻體細胞的脂質含量會有差異。影響藻類脂質含量的因素，包 括物理因子與化學因子。在化學因子方面，首先是營養鹽，改變營養鹽的成分可能會影響藻細胞 的脂質含量。有研究結果指出某種綠藻（Chlorella sp.）細胞處在低氮營養的環境下，其脂質含 量比控制組的高。同樣地，有一種矽藻（Stephanodiscus minutulus）在矽、磷等營養鹽的供給 受到限制時，脂質含量會高於未受限制的。
培養藻細胞時所需的二氧化碳濃度，也會改變細胞的脂質含量。例如，把培養柯斯勒綠藻的二氧 化碳濃度從 2％ 提升至 10％，細胞乾重的脂肪酸含量可以增加 30％。也有人把一種屬於綠藻 的小球藻以異營性的方式培養，也就是說，在培養時改添加葡萄糖做為碳源。用這種培養方式，
比自營性培養（也就是添加二氧化碳者）更能增加細胞的脂質含量達到 55％ 之多。
在物理因子方面，澳大利亞科學家曾探討包括角毛藻、紅色隱藻、隱藻及一種還未確認的藻種
（Prymnesiophyte）等４種藻屬，在不同培養溫度下的生長變化差異。研究結果顯示不同的藻 種，最大脂質含量的最適溫度也不盡相同。其中，角毛藻的最適溫度是攝氏 35 度，其餘３種 藻類的最適溫度範圍則在攝氏 27 ~ 30 度間。
除了溫度以外，光照強度也會影響藻細胞的脂質含量。西班牙的科學家研究光照強度對海洋擬綠 球藻生長狀況的影響，發現細胞的增殖率隨著光照強度的增加而增大，細胞脂質的含量則由 60.7
％ 降為 33.2％。雖然如此，科學家仍然認為以脂質的單位產率而言，光照強度仍對細胞總脂質 產量有正面的幫助。換句話說，適量地提高光照強度，單位時間的脂質產量也會比較高。
光 生 物 反 應 器 培 養 光 生 物 反 應 器 培 養 光 生 物 反 應 器 培 養 光 生 物 反 應 器 培 養
另一個影響商業化的因素是如何提高藻類的放養密度，以便降低成本。以微藻為例，微藻的放大 培養方式，需要在高效率的光生物反應器中才可以進行。
目前開發的培養方式，主要包含溝渠式及立體結構光生物反應器兩種。溝渠式生物反應器常設有 槳板機來推動水流，避免藻細胞的沉降。另外，也需要考慮藻細胞的光合作用。這種形式的培養 器的一般水深在 0.3 公尺以內，所需土地面積較大。此外，由於是開放式飼養，雨天時會影響 生物質量的收成，落塵中的雜菌也可能影響藻細胞的培養。
另一種放大培養的方式是光生物反應器，這種反應器是利用內徑 10 公分以內的塑膠管柱，以 南北走向的排列方式，進行生物質量的放大培養。也可以利用具彈性的塑膠圓管，環繞成圓柱形 進行培養。
以管狀光生物反應器為例。營養鹽由貯存桶的一側加入，與循環回流的培養液經過溫度調節，利 用幫浦送入管狀光生物反應器中。之後，部分藻液會導入細胞收集系統，部分再循環回到貯存桶。
在系統中，因為細胞會利用碳源，可能造成培養液的酸鹼度升高的問題。因此，貯存桶內需要進 行內含二氧化碳氣體的曝氣。這個曝氣作用除了可以提供營養鹽的碳源外，也可以降低營養鹽的 酸鹼值，還能藉由氣提驅趕部分來自藻細胞光合作用產生的溶解氧，避免溶解氧過度飽和而影響 藻細胞的生長。
另一方面，管狀光生物反應器下的支撐斜板，通常會漆成白色，或者以鏡面鋼板為材質，增加生 物反應器的光照效果。在管狀光生物反應器中，為了避免藻細胞沉澱，管內營養鹽的流速控制非 常重要。管狀光生物反應器也必須周期性地清潔消毒，以避免其他微生物的生長。
轉 酯 化 程 序 轉 酯 化 程 序 轉 酯 化 程 序 轉 酯 化 程 序
轉酯化反應是指油脂在酸或鹼性催化劑的存在下，與烷基醇類（通常是甲醇或乙醇）作用產生直 鏈酯類（生質柴油）與副產物甘油的反應。
為了提高轉酯化效率，一般使用酸、鹼或脂肪酶來催化。不過，鹼催化比酸催化的製程快上 4,000 倍，而脂肪酶的成本較昂貴，因此商業上比較常利用鹼催化轉酯化反應。一般的鹼催化製程控制 在攝氏 60 度及 1 大氣壓下，大約 90 分鐘就可完成。但是，鹼催化製程還是有缺點，例如原 料中的游離脂肪酸不可過高，以避免與強鹼產生皂化作用而降低轉酯化效率。此外，需要無水環 境及甘油回收困難等也是它的缺點。
酸催化製程的轉酯化效率雖然低於鹼催化製程，但優點是對游離脂肪酸的甲基酯化速度快，而且 轉化率高。因此，如果能使原料先進行酸催化，把游離脂肪酸酯化，再進行鹼催化，應該可以增 加原料的使用範圍。
產製生質柴油，除了酸、鹼催化的轉酯化程序外，還有研究利用液化製程來進行轉酯化。結果指 出當系統在高溫高壓（攝氏 300 ~ 340 度，20 大氣壓）時，30 分鐘的反應時間便可以把原料
（藻泥）轉化成為油脂。液化程序的最大優勢是不需要如鹼催化製程的無水環境，也就是原料不 需要乾燥。
生物製程（酵素轉化製程）是另一個值得考慮的轉酯化程序，這個製程可以直接把游離脂肪酸轉 化成甲基酯，且比較沒有產生廢酸、廢鹼液的問題。它的缺點是反應時間長，油產率偏低，因此 目前並沒有商業化的生物製程。
過去人類大量使用地殼下的資源，使得這些資源日益減少，終究會有枯竭的一天。雖然台灣的土 地面積小，卻有四面環海的優勢。因此利用海洋資源開發生質能源，有其必要性及前景。像是藉 由海洋牧場直接利用太陽光，並且利用海水培養海藻或微藻，再進一步轉化為生質能源，以因應 未來的能源需求，應該是我們共同努力的方向。
