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生質能源的液態利用方式:生質酒精與生質柴油

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/01/15 ・2675字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

液態生質燃料,是目前生質燃料(Biofuel)的主要使用方式,泛指經由生物或化學方法將生物質(Biomass)轉化而取得之液態燃料。生質酒精與生質柴油是目前最常見的液態生質燃料,可與汽油或柴油混合後直接使用於一般車輛。相較於傳統石油,生質燃料的溫室氣體排放量較低,而且爆震程度小,不易傷害引擎。接下來我們將逐一介紹生質酒精與生質柴油的製作方式與目前發展。

生質酒精

A. 生質酒精的特點
生質酒精最主要的優點是可直接與石化汽油混合,而且在低濃度(<10%)混合的情況下,一般車輛甚至無須修改引擎即可直接使用。另外,生質酒精的二氧化碳排放量較石化汽油少20%以上。然而由於酒精燃燒熱值相對低於石化汽油,使用混合酒精的汽油將會增加油耗。同時,因酒精吸水性較強,若酒精汽油混合比例過高,有可能造成車內管線腐蝕。(註1)

B. 生質酒精的原料與製程

生質酒精是透過酵母菌進行發酵,將原料中的醣分解為酒精,接著利用蒸餾法將水份與酒精分離,製成高濃度的無水酒精。生質酒精根據原料的不同可再細分為醣類酒精、澱粉酒精與纖維酒精三種。

醣類酒精:醣類酒精的原料為蔗糖、甜高粱或是甜菜等富含糖分的作物。將糖份自作物中榨取之後,便可經發酵處理製成酒精。巴西目前就是以蔗糖作為生質酒精的主要原料。

澱粉酒精:澱粉酒精的原料為玉米、木薯、甘薯或是稻米之類的高澱粉含量作物。值得注意的是澱粉為多醣分子,而酵母菌轉換多醣的能力較差,因此製作澱粉酒精的過程需額外增加水解步驟,將多醣分解為單醣分子後,再行發酵作用製成酒精。美國大部份生質酒精都是由玉米製成,至於台灣的台糖公司則是計畫推廣增種甘蔗面積並利用休耕地種植甘薯以取得足夠的原料供應台灣的酒精用量。

纖維酒精:纖維酒精的原料為木質纖維素,存在於各種草本與木本植物中,因此原料不再侷限於糧食作物,可以選擇生長期長或是適應力強的植物作為能源作物。另外也可將各種農業廢棄物如稻米桿、蔗渣與林木廢棄物轉化為酒精。這種利用方式一來避免了處理廢棄物的花費,二來取代汽油減少污染,三來不需與糧食競爭土地,是目前生質酒精熱門研究項目,台灣的成功大學也正發展將芒草製成纖維素酒精的研究。由於木質纖維素的結構非常堅固(圖1),需事先以物理或化學方式破壞外層細胞壁與木質纖維結構才能有效進行酵素水解,將纖維素與半纖維素分解為單醣類以供酵母菌製作酒精。目前纖維酒精的問題為前處理成本高昂(註2),若再加上原料價錢難以與石化燃料競爭,因此眾多科學家正投入前處理的研究以期研發出更低價的製程。

圖1. 纖維素、半纖維素與木質素互相纏繞,形成堅固結構

C. 生質酒精的發展及利用情形

生質酒精的推廣及使用首推美國及巴西。美國目前普遍使用參雜10%生質酒精的E10汽油(註3)。Ford、Chrysler、Toyota等汽車公司也推出了彈性燃料車(Flexible Fuel Vehicle),可自動偵測酒精與汽油混合比例,自行調整引擎內油料噴射系數與點火時間。美國部份加油站也有提供高酒精混合比例的E85汽油讓民眾選擇。巴西則是自1970年代開始發展酒精汽油至今。目前巴西全國加油站提供E22與E93酒精汽油,是現今世界上唯一不再使用純汽油的國家。台灣方面,自2007年起政府開始推動公務車使用E3汽油,至2009年為止在台北高雄已有13個加油站提供E3汽油。

生質柴油

A. 生質柴油的特點
傳統石化柴油與汽油事實上都是烴類(碳氫化合物)混合物的通稱。兩者的差別在於汽油所含烴類碳鏈長度在C4~C12之間,柴油所含烴類碳鏈長度在C10~C22之間。相對於汽油,柴油擁有較高燃燒熱值 (註4)、較低燃點與較高的黏稠度等特點。

生質柴油是利用化學轉酯化技術將動植物油脂轉化為物理及化學性質都與烴類化合物相當類似的脂肪酸酯。這個產物可直接使用於柴油引擎,且與石化柴油低濃度混合 (B5) 的情況下可作為引擎潤滑劑。生質柴油的熱值雖較傳統石化柴油少(純生質柴油(B100)的熱值約為石化柴油的八至九成),對於減輕環境污染卻有顯著的幫助。以B20為例,與傳統石化柴油相比可減少 12%微粒、20%碳氫化合物、12%一氧化碳排放量以及近乎零硫化物排放。

B. 生質柴油的原料與製程

生質柴油的製作過程其實並不算困難,硬體要求也不高,網路上甚至有許多教你在家DIY動手做生質柴油的影片。讀者可以試著自行以”Making Biodiesel”作為關鍵字來搜尋相關影片(註5)。上一段提到轉酯化技術,其目的是要讓油脂中的三酸甘油酯與醇類在鹼性環境中反應,分解為三條碳鏈(脂肪酸酯)與甘油,而其中的脂肪酸酯就是生質柴油。在分離甘油與脂肪酸酯之後,利用蒸餾水將脂肪酸酯中的皂類去除,即可得到純化後的生質柴油。在原料的部份,舉凡向日葵油、花生油、大豆油、椰子油、棕櫚油等植物油或是油炸過後的廢食用油都可作為生質柴油的原料。生質能源趨勢部落格之前的文章有提過美國公司結盟進行全國性廢食用油回收的例子,既可處理廢棄食用油的問題,又可製造生質柴油。

C. 生質柴油的發展及利用情形

目前生質柴油的全球產量由2001年的 962,690 公秉 (kiloliter) 增加至 2010年的 19.95 百萬公秉 (billion liter)。全球前五大生產國依序為:德國、美國(17.7%)、法國、阿根廷、巴西,共佔68.4%。亞太地區主要生產國為:澳洲、中國、印度。台灣目前有新日化、鴻潔能源等生質柴油煉製廠回收廢食用油以提煉生質柴油,惟因台灣廢食用油回收通路尚未完善,目前仍由東南亞一帶進口棕櫚油作為原料以供應國內需求。同時,政府也自 2006年開始推動綠色公務車計畫,指定部份公務車使用 B20 生質柴油,2009年全面推動 B1生質柴油,推估產量約 45,000公秉,今年(2011)的預計產量則為100,000公秉。

結語
在目前生質能源產業中,生質燃料相對來說獲得較多關注,其原因在於生質燃料相對於其他使用型態有以下幾點顯著的優勢。首先,相較於氣體燃料與固體燃料,生質燃料具有易於儲藏、運送的優點;其次,生質燃料的原料大部分為能源作物,種植能源作物一方面能夠活化休耕地,增加農村工作機會,另一方面也降低減輕進口油品仰賴度。最後,生質燃料的發展也助於農業廢棄物及廢棄食用油的處理。整體而言,因應國際油價上漲及存量減少,生質燃料的重要性在近期的未來應會愈加提昇。

註1. 車用管線中部份結構是以塑膠製成,而酒精對於塑膠累具有腐蝕性。另外,由於酒精吸水性強,在燃料中混和酒精會導致燃料含水率增加,容易讓酸或鹽溶於水中並進入燃料管線內,進而腐蝕管壁。
註2. 美國能源部預估製造每公升纖維酒精成本約 0.3-0.58美元(9.07-17.4新台幣)
註3. E10中的E代表酒精,10代表酒精與汽油混合比
註4. 柴油燃燒熱為 37.3 MJ/L,汽油燃燒熱為34.2 MJ/L。
註5. 以下這部影片是Make Magazine 所製作的生質柴油教學,建議有興趣的讀者觀看。

Weekend Project: Making Biodiesel

原文刊載於 BioEnergy Today 生質能源趨勢

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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
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三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》