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藻類生質燃料(一):前景與瓶頸

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2012/07/30 ・2161字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 595 ・九年級
美國歐巴馬政府表態堅決投入藻類生質能源研究(圖片來源:http://0rz.tw/fgIbi)

在今年二月中旬,美國總統歐巴馬在佛羅里達大學的演講中,公開表態支持發展天然氣與藻類生質能源,並宣稱藻類燃料能取代美國 17% 的石油進口。同一天稍晚,白宮宣佈投入 1400 萬美金(約台幣四億兩千萬元)協助研發藻類生質能。這樣的政策似乎顯示了歐巴馬政府發展潔淨能源的決心,然而也引來了許多質疑。當時為共和黨總統參選候選人之一的 Gingrich 就大力抨擊發展藻類能源政策,他認為藻類能源技術仍須 30 至 50 年的時間才會成熟,對美國的能源安全緩不濟急。兩方人馬各持己見,究~竟~誰才是正確的呢?

我們生質能源趨勢在立場上當然是支持歐巴馬政府發展藻類生質能源的政策,但是在現階段也不能否認藻類生質能源仍有成本過高的問題,要到什麼時候才能看到藻類生質燃料進入我們的生活中仍須端看研究人員何時能在技術上有所突破或是國際油價上漲至藻類燃料可以競爭的時刻。

目前最大的藻類生質燃油公司 Solazyme 很有信心能夠突破技術上的瓶頸。Solazyme 在 2011 年製造了約 8000 公秉藻類燃油供應給美國海軍與空軍作為測試,化學藥品公司 Dow 也與 Solazyme 簽訂合約將在 2013 年購買 76,000 公秉藻油、2015 年購買 760,000 公秉以上藻類燃油作為航空燃油之用。也許在五年左右的時間之內,我們乘坐飛機所使用的燃料就會有部分含有藻類燃油。

在接下來這個系列文章裡,我們希望能為讀者更進一步的介紹什麼是藻類、藻類生質能源相關的研究以及目前產業發展與瓶頸。讓讀者對藻類生質能源有更清晰的概念與瞭解。

圖片來源:http://0rz.tw/1dVAg

什麼是藻類?

究竟藻類是什麼呢?簡單地說,藻類就是可以行光合作用的微生物。它的種類繁多、分佈廣泛,可以在海洋、河川甚至陸地都可以發現藻類的身影。依照生長環境可將藻類分為海水藻(海藻)或是淡水藻。而依照大小又可分為巨藻以及微藻(單胞藻)。例如生活中常見的紫菜、海帶其實都是巨藻的一種。值得一提的是,雖然藻類體型與陸生植物相比之下顯得相當微小,然而藻類卻供應了世界上超過 80% 的氧氣,要是少了這些藻類,大氣層中的二氧化碳將會提高三倍以上。

為什麼要用藻類生質燃料?

我們常說的藻類生質燃料,主要使用的藻種為單細胞微藻,因為它的構造簡單,不需發展根、莖、葉等器官,因此生長速度較快,具有高產量的優點。並且不同微藻所含有的營養成份各有不同, 可應用於多方面不同產業,例如生質燃料、食品、飼料或是萃取高價值化合物。除此之外,因光合微藻生長時需要吸收二氧化碳以及氮、磷……等化合物,近年來也開始將藻類培養視為環境控制的方式之一,例如以微藻吸收工廠或發電廠排放的二氧化碳,或是像之前提過 Algaewheel 以微藻養殖池取代傳統廢水處理廠中的除氮步驟。這些例子都一再強調了微藻養殖的潛力。大體而言,藻類生質燃料與其他生質燃料相比有以下三點優點:

1. 產量高:藻類生長速度快,產量高於其他植物
2. 不與食物競爭:不需與民爭糧、與糧爭地
3. 具經濟潛力:富含高經濟價值副產品如 DHA、EPA 等脂肪酸可作為食品添加物或化學藥品

藻類生質燃料的研究

事實上,微藻養殖並非新興產業,早在 1960 年代,歐洲就已經有科學家提出藻類養殖的方式,1980 年代美國能源部(DOE)開始了藻類大型計畫(Aquatic Specie Program),計畫目的著重於篩選高含油量藻種、發展開放式養殖技術以及評估花費。 1988 年在美國科羅拉多州的太陽能研究室就嘗試以直徑 20 公尺的池子培養微藻,一年生產了 4 公噸的藻體並製成 300 多公升的燃油。然而此方法所產生的燃油成本遠高於當時油價(當時原油價格約為每桶 20 美元),1996 年時當局判斷藻類燃油無法與石油競爭因此中止了計畫。然而直到近年能源危機、油價飆漲 ,於是又開始尋找合適的替代能源,藻類培養又重獲大眾重視。

目前藻類培養方法可大致分為兩類:開放式培養與密閉式光反應器 。開放式培養系統通常是利用室外水池或水道作為養殖場地,部份養殖場地在水面上會覆蓋透明帆布以隔離外來微生物污染。開放式培養池的建造費用遠比密閉式光反應器低,然而因為較難控制溫度及二氧化碳濃度等環境因子,藻體產量不及密閉式反應器。除此之外,縱使覆蓋了透明帆布,外來微生物如輪蟲仍有可能侵入養殖池,造成藻體大量減少 。與之相對,密閉式光反應器可以妥善控制環境因子,提供最佳藻類生長環境,然而昂貴的造價與操作費用,使其培養出的藻類成本居高不下,難以應用於生質燃料。而藻類生質燃料至今仍未商業化的另一困難之處為不易收穫。縱使是高濃度藻液,其固體成份僅約 1% ,這意味著仍有 99% 的水分需去除。若利用傳統加熱烘乾或是離心法除水,投入的能源消耗恐怕大於能源產出。因此開發新的養殖或收集技術是推動生質燃料產業化勢在必行之舉。

在接下來藻類生質能源介紹系列文章裡,我們將分別介紹目前產業裡不同的海藻養殖方法、各種收穫方式以及各種燃油轉化技術,分析當下遭遇的瓶頸與可能的解決方式,期待 PanSci 臥虎藏龍的讀者們能從各自的專業角度切入,提供解決方法。生質能源趨勢也有介紹部分台灣藻類研究的文章,有興趣的讀者歡迎點閱以下連結。

台灣生質能源研究組織介紹 – 前言
水產試驗所東港生技研究中心 – 蘇惠美博士
國立台灣海洋大學食品科學系 潘崇良教授
台灣電力公司的微藻碳捕捉計劃

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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》