生質能源的固態利用方式：固態廢棄物衍生燃料RDF-5（densified refuse derived fuel, dRDF或RDF-5）

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

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。

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