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生物精煉概述(二)—生物精煉的型態與實際例證(上)

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/05/27 ・1599字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 600 ・九年級

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在上一篇文章《生物精煉概述(一)—生物精煉與石油精煉》的最後,我們談及James Clark與Fabien Deswarte在他們著作《Introduction to Chemicals from Biomass》中提到,生物精煉可以依使用原料的種類多寡以及製程的複雜程度分成三種型態:Phase I、Phase II以及Phase III。那麼這三者是如何作詳細區分的呢?

三種生物精煉型態的定義
A. Phase I Biorefinery:其定義是使用單一原料,經過單一固定製程產生單一主產物。
B. Phase II Biorefinery:使用單一原料,經過多種的製程後得到多種主產物。
C. Phase III Biorefinery:最為複雜的生物精煉應用:其定義是使用多種原料,經過多種製程後得到多種主產物。

Phase I Biorefinery:
下圖是利用油菜籽經由轉酯化(transesterification)生成生質柴油的流程圖。

如圖所示,這個流程是利用單一原料(油菜籽)經過單一製程產生單一主產物(生質柴油),因此這類的生物精煉應用可以被歸類為Phase I Biorefinery。另外,《生質能源概論 ( 六 ) ─生質酒精》提到的利用蔗糖經過發酵處理來生產酒精的製程也屬於這種類型的生物精煉應用。

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由於Phase I Biorefinery具有製程單純的特色,這類型的生物精煉應用不論是在歐洲、美洲甚至亞洲都已經被廣泛地商業化。然而,製程單純是優點同時也是缺點。由於其原料與製程的單一性,這類型的生物精煉就成本的角度來看幾乎沒有彈性可言。舉例來說,當原料價格上漲甚至是短缺時,製造商會馬上受到波及,除了無法稀釋原料價格波動帶來的成本衝擊外,產量與交期也會受到影響。同理,當市場上的產品價格不好或是需求降低時,製造商也幾乎沒有閃躲的空間。

Phase II Biorefinery:

上圖是一家法國公司Roquette將穀類經由酶解(Enzymatic process)、發酵(Fermentation) 過程後得到包含維他命(Vitamin)、胺基酸(Amino acids)及各種聚合物的示意圖。由於從單一原料經由多種製程得到多種主產物,這樣的生物精煉應用屬於Phase II Bioefinery。另外一個例子,我們在《藻類生質能源》專欄中有提到,從微藻煉油的過程中可於產油的同時一併提煉DHA、EPA等ɷ-3不飽和脂肪酸作為副產品,這也可以視為Phase II Biorefinery的應用。

Phase II Biorefinery的應用相較Phase I具有幾個特色:成本效益較Phase I為高,生產者也較有營運彈性。理由是產品較具多樣性,生產者可以變更主要產品來迎合不斷變化的市場需求。在生質燃料產業也有這樣的例子—Aurora Algae Inc就曾經從著重於生質柴油的生產,改成著重於海藻(algae)的生產

理論上來說,所有的Phase I Biorefinery皆有成為Phase II Biorefinery的潛力,也都有動機積極尋求副產品以增加收益。以先前文中所舉的兩個Phase I的應用為例:首先,在油菜籽轉化成為生質柴油的製造過程中,各位可以發現甘油 (glycerin) 被當作是整個反應中的副產物,其主要的原因是目前甘油因市場有限而售價低廉。而在以蔗糖發酵生產酒精的例證中,製程中所產生的蔗渣也有機會作為生成其他製程的原料。在這兩個例子中,假若能夠將這些副產物轉變成為更有價值的能源或是化學產物,整個反應的主要產物將不只是生質柴油(Biodiesel)和生質酒精(Ethanol)。又或者是玉米酒精廠的產物並不是只有玉米酒精,還有可作為飼料的DDGS,以及能夠以乾冰形式販售的二氧化碳,然而這兩項副產品的利潤並不高,因此近年來有許多製造其他副產物的嘗試,例如可以做為食品添加物或原料的木寡糖(Xylo-oligosaccharides, XOS)。簡言之,在有兩個甚至多個主要產物的情形下,不只可以增加產品線與收入來源,更能夠稀釋市場價格波動帶來的衝擊,進而讓精煉廠的收入更有保障。

將Phase I 及Phase II 介紹完畢之後,下一篇文章將為各位介紹更為複雜的Phase III Biorefinery以及它在產業界的實際應用,請各位期待並繼續關注喔!

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《生質能源概論 ( 六 ) ─生質酒精》
[產業] Aurora Algae的全新經營方向

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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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