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生物精煉概述(一):生物精煉與石化精煉

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/04/26 ・2424字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

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讀者在閱讀生質能源相關的資訊時,或許會注意到「生物精煉」(Biorefinery)這個名詞常常出現在這些文章當中。那麼,「生物精煉」具體的定義是什麼呢?所謂「生物精煉」是將生物質(biomass)轉化為其他各種產品或加工原料的轉換過程。根據美國NREL (National Renewable Energy Lab.) 的定義,生物精煉是以生物質(biomass)為原料,利用不同的製程技術生產燃料、電力及化工原料的過程。

如上圖所示,生物精煉的概念其實與石油精煉相當類似,其中最大的差異是生物精煉的原料是生物質,而石油精煉則是以石油或是天然氣作為原料。當然,除了得到燃料和化學原料之外,生物精煉的產物還包括了食物和飼料,這也是兩者的不同之處。此外,在部份生物精煉的過程中,還可以得到許多有高度價值的副產物。

舉例來說,以油麻菜籽做為原料提煉生物柴油時,同時可以生產副產物如菜籽多酚及菜籽蛋白等保健食物;從海藻提煉藻油的過程中也能夠得到豐富的Omega-3脂肪酸以及DHA等成份,這些成份皆可作為食品添加物而高價賣出。在上述某些案例中,副產品的價值可能更優於主產品,而驅使公司轉型並以原本的副產品做為主力產品,例如Solazyme和Aurora Algae。因此,生物精煉產業的產業鏈涵蓋範圍甚廣,從生物質的培育技術改良、製程中熱化學和生物化學的轉換技術研發、直至產物(燃料、化工原料及食品飼料)的加工製造都與生物精煉產業相關。

生物精煉與石油精煉的比較

接著我們將從原物料、製造程序以及產物等三個部份來比較生物精煉與石油精煉的差異。

A. 原物料:
參考表2.,相對於石油精煉的原料,生物質有下列幾種特性:分佈廣、密度低,且大多數的生物質含水量都相當高(以草來說,最高含水量可達90%)。問題在於水是生物精煉中較不需要、甚至是導致反應效率降低的成分,這使得每單位生物質的運輸成本往往高於石油精煉的原料。有鑑於以上特性,如何有效降低原物料的收集、運輸和儲存成本;或者換個角度想,如何提高原物料的密度,便是生物精煉產業進一步發展的關鍵課題。

表2. 兩者原物料特性比較

為了要提高原物料的密度,通常會對收割下來的原物料作前處理。前處理有兩種常見的方式:磨碎/切碎(grinding/chopping)與團塊化(pelletisation),兩者都可以提高材料密度。其中,團塊化是將切碎/磨碎的原物料(例如:稻稈)經由壓縮等物理方式進行前處理,將稻稈粉集合成為球狀或是塊狀物再作為生物精煉的原料。團塊化的好處除了有效提高原料密度之外,還提供在大小、形狀甚至含水量…等各方面更為統一的材料,有利後續的處理程序。在〈生質能源概論 ( 四 ) ─固態廢棄物衍生燃料RDF-5〉中提到的RDF-5(又稱dRDF,densified refuse derived fuel)便是一例。

無論是切碎/磨碎或是團塊化,理想的狀態都是在收割地甚至收割的當下可以進行加工,讓原物料在密度最高的狀態下被運送,有效地節省後續的運輸和儲存成本。這其中仍然有可以進一步改良的空間,舉例來說,不論是收割、切碎、團塊化,這些步驟都需要能量輸入,不同作物可能需要開發全然不同的裝置、所需能量多寡也相異,這也成為評估與選能源作物時的考量。

圖2. 顆粒狀木材(wood pellet),將生物質團塊化的實例。
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相對於石化資源(石油或者天然氣)可以連續地開採,生物質的供應是季節性的。因此為了確保整年都有原物料可以進行煉製,生物質原物料必須要能夠長期儲存。然而,由於生物質有腐爛或是枯萎的可能性,如何妥善保存生物質原物料也是另一個重要的課題。針對這個部份,有些公司會將原物料青貯以供非生產季節使用。

B. 製造程序部份:
相較於已經有100多年發展歷史的各式石油煉製的技術和製程,生物精煉目前所應用的製造程序(包含各種物理、化學、熱化學與生物化學程序)都尚待更進一步的最佳化,其中最大的課題是:如何降低成本。

其中,分離程序(separation)是目前最為昂貴而耗能的程序。在精煉製程當中最後得到的狀態常常是產物與副產物及其他原物料的混合物。分離程序即是將產物由混合物中分離出來的一道程序。即使是一個相對成熟的製造程序,分離程序所消耗的成本仍然佔了60%-80%的總成本。舉例來說,在透過發酵反應來獲得琥珀酸(Butanedioic acid)或是生質酒精時,獲得的產物是濃度低且成份複雜的水溶液。因此,尋找低耗能的方式來分離產物和其餘部份(包含未反應的原料、副產物或是水…等等)一直是改良各種生物精煉程序的重要目標。

C. 產物部份:
由於能源作物可以持續耕種收成,因此相較於石油與煤礦的有限性,生物精煉產業的產物最大的優勢在於其具有永續性、可再生的特性。另外一個相較於石油精煉產物的優勢在於生物精煉的產物對於環境較為友善。 然而即使擁有上述兩個優勢,生物精煉在產物的部份所面臨到的難題是單位生物質生成的產物量太少。因此,利用育種甚至是基因改良技術來提高既有作物的能源產出也是目前這個產業中相當受到重視的研究課題。

James Clark 及Fabien Deswarte 在其 2008年的著作 Introduction to Chemicals from Biomass中,將生物精煉依使用原料的種類多寡以及製程的複雜程度概略分成三種型態:Phase I、、Phase II以及Phase III。在對生物精煉的定義以及它與石化精煉的差異有初步的認識之後,下一篇文章我們將繼續介紹這三種型態的定義以及例證。

另外,目前《BioEnergy Today生質能源趨勢》正在進行創站20個月紀念活動,我們將利用問卷調查的方式蒐集各位寶貴的意見,希望能更加瞭解各位對BET的想法及期許。同時為了表達我們對讀者的感謝,這次活動與PanSci泛科學網合作提供了3件PanSci的聯名T-shirt來當作填寫問卷的抽獎贈品。前100名填寫問卷的讀者將可以參與這次的抽獎喔!現在就點這裡開始填寫問卷吧!

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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》