微 藻 產 油 生 化 工 程 期 中 進 度 報 告 指導老師：毛慶豐 教授 學生：49640006林洸緯、49640009彭家慶、 微 藻 產 油 指導老師：毛慶豐 教授 學生：49640006林洸緯、49640009彭家慶、 49640021潘佾函、49640022蕭欣恬、49640036邱琬婷 49540057劉季杭、49540086白佳雯

目錄 發展微藻產油之重要性 建廠目標與程序 經濟可行性評估

子目錄(1/3) 台灣及國際上之能源使用現況 各種類能源可開採年限 微藻產油解除CO2排放的困擾 建廠目標與程序 經濟可行性評估 發展微藻產油之重要性 台灣及國際上之能源使用現況 各種類能源可開採年限 微藻產油解除CO2排放的困擾 建廠目標與程序 經濟可行性評估

台灣及國際上之能源使用現況 各國能源供應結構(2005年) 種類 石油 煤 天然氣 核能 其他 美國 40.7% 23.5% 22.1% 國別 石油 煤 天然氣 核能 其他 美國 40.7% 23.5% 22.1% 9.1% 4.5% 日本 47.8% 21.7% 13.2% 13.8% 3.4% 韓國 47.6% 11.9% 16.0% 1.03% 台灣 44.0% 35.9% 8.5% 9.9% 1.7% 中國 19.2% 60.3% 2.5% 0.8% 17.3%

British Petroleum (BP)世界能源統計---2006 各種類能源可開採年限 British Petroleum (BP)世界能源統計---2006 2005年統計 種類 蘊藏量 可開採年限 日產 石油 1.2007兆桶 40.6年 8109萬桶 天然氣 179.8兆m3 65.1年 2.76兆m3 煤 9090.6億公噸 油當量 155年 28.87億公噸 鈾 474.3萬公噸 114年 4.16萬公噸

微藻產油解除CO2排放的困擾

子目錄(2/3) 建廠目標與程序 發展微藻產油之重要性 經濟可行性評估 建廠目標 藻類選取 藻類養殖 藻類採收 脫水濃縮 藻油萃取 溶劑回收 藻油轉酯化生質柴油 經濟可行性評估

建廠目標 利用微藻產油建造一煉油廠，產量為每年一 百萬加侖(約3788公秉)。 1立方公尺cubic meter = 1公秉 = 1000公升liter = 219.98加侖 gallon(UK) = 264.171gallon(USA)

藻類產製生質燃料製程圖 藻類養殖 藻類採收 脫水濃縮 藻油萃取 溶劑回收 藻油轉脂化

藻種選取 藻類：巨藻、微藻 螺旋藻 紅藻 綠藻

藻種選取(1/3) 微藻細胞油脂含量分佈於14-72 %共有33 株， 其中淡水藻種佔21株，油脂含量以 Chlorella pyrenoidosa與Monalanthus salina最高，可達72 % (Ratledge, 1989)。 Ratledge, C., 1989, Biotechnology of oil and fats, In Microbial Lipids,Vol. 2, Edited by Ratledge, C. & Wilkinson, S. G., Academic Press,London.

藻種選取(2/3)

藻種選取(3/3) 藻細胞主要包括碳水化合物、蛋白質及脂肪三種成分 (Sheehanet al., 1998)，藻類依分類不同貯存物質也不一樣， 褐藻細胞之貯存物質以碳水化合物為主， 紅藻及綠藻為葡萄 糖聚合物(glucosepolymer)，甲藻多為澱粉，而矽藻常以脂 肪為貯存物質(Tortora et al.,2005)。 雖然一般藻類細胞中均含有脂肪，不同藻種其脂肪含量有明 顯之差異(Borowitzka, 1988a)。脂肪含量較多的金藻綱及綠 藻綱中，某些藻種油脂含量可達70 %，隱藻綱、黃藻綱及裸 藻綱是屬於脂肪含量較少之藻種，普遍低於20 %。總脂質中 包括中性脂質、醣脂質及磷脂質三部分，一般中性脂質又稱 甘油脂，為含量最多的脂質。動、植物常以三酸甘油脂的形 式儲存脂質，三酸甘油脂可以轉化為含硫量、黏度及熔點較 低之酯類，如甲基酯(Kosaric & Velikonja, 1995)，即生質 柴油(biodesel)。

環境因子影響微藻生長 光源 溫度 培養液 組成成份 水的鹽度 二氧化碳 藻類在受光照的狀況下，油脂含量上升。 溫度低於30℃，藻類脂肪含量隨溫度上升； 溫度高於30℃，藻類脂肪含量隨溫度驟減。 培養液 組成成份 氮源限制的條件下，藻類會大量儲存油脂。 培養矽藻時則須增加矽含量，因矽藻細胞膜多以矽所組成。 水的鹽度 鹽度影響細胞膜的滲透性，而根據研究，會影響光合作用的運行，藻類油脂含量會受到鹽度影響。 二氧化碳 1kg的藻類細胞乾重需要約1.5～2kg的二氧化碳提供藻類代謝。 二氧化碳提供量愈多，藻類產量愈多。

微藻養殖 藻類養殖池分為開放式及密閉式。開放式培 養有跑道型、圓池型、大槽型；密閉式有直 型管培養(橫、斜)、螺旋管培養、戶外圓柱 管培養、戶外平板式培養、帶狀式培養。

開放式V.S.密閉式生物反應器 特徵 開放系統 密閉系統 面積/體積比值 小 大 藻種 受限制 易適應 族群密度 低 高 採收效率 汙染 可能 水分蒸發損失 防止 光利用效率 差/一般 一般/優 氣體輸送 差 一般/高 溫度控制 無 優 藻脂肪量、產量 投資、操作成本 少 多

戶外圓柱管式反應器 優點：大的光照面積、相當好的生質物產率、相對比較便宜 限制：pH值、溶氧及CO2濃度隨著管長有梯度變化、污染阻塞、 具有某種程度的藻類附著於內壁的成長、較大的土地空間需 求。 為了解決這些限制，我們會選一個自然陽光充沛的鄰海的地 區且附近有工廠，設置一個培養場，每個培養池裡都設置幫 浦打氣，引導工廠所排出來的CO2，利用幫浦把CO2通入水中， 增加水中的CO2含量，並且定時去清除附著在管壁的藻類，雖 然耗費人工，但能增加產率。當陽光過大，溫度過高，就用 透明的隔熱板蓋住，一來避免溫度過高，微藻死亡，二來又 有陽光可以照進去培養池。如果光合作用效率還不夠，可以 利用光網設計（light-matrix design）增加可用的光照量， 是目前開發的藻類生長系統中較具技術先進性的研究。光網 設計主要的目的，是在相同時間下增加藻體曝露於可用光照 的量，且沒有減少培養空間內體積。

藻類採收 微藻採收的困難點： 微藻顆粒小---過濾與浮除分離困難。 微藻密度與水相近---沉降與離心採收不易。 胞外水（323～1,995） 胞內水(5～10) 幹細胞(1) 微藻採收的困難點： 微藻顆粒小---過濾與浮除分離困難。 微藻密度與水相近---沉降與離心採收不易。 微藻液含水比例大---獲得單位藻體乾重需要脫 水移除的水份量大。 胞外水脫除(易)：沉降、浮除、離心、過濾。 胞內水脫除(難)：加熱或日曬。 決策：各項技術各有其優劣與適用範圍，目前 仍無一通用的採收技術可以適用於所有的藻種 與所有案例。

脫水濃縮 微藻細胞的濃縮分為機械脫水(mechanical dewatering)及熱乾燥(thermal drying)，熱乾 燥法較機械脫水法耗費能源，因此為藻細胞在 使用熱乾燥法之前，應先用機械脫水步驟。 熱乾燥法有噴霧乾燥(常用於健康食品的生產製 程，設備較昂貴)、滾筒乾燥(適合生產生質柴 油、便宜)、真空閃蒸乾燥、冷凍乾燥。

藻油萃取(1/3) 一般藻油之萃取溶劑多為極性溶劑與非極性溶 劑混合之共溶劑(co-solvent)。 極性溶劑多為醇類，如：甲醇、乙醇、異丙醇 及丁醇等，可溶於同為極性物質的水，並將細 胞壁破壞。 非極性溶劑如：正己烷、氯仿等，可溶於同為 非極性物質的油脂，而不溶於水。 如此，形成兩液相，而達到油脂被萃取至非極 性溶劑相之目的。

藻油萃取(2/3) 生質物乾燥的操作費用相當高，因此可將濕的 微藻生質物泥先以細胞破壁前處理，再進入萃 取步驟。 常見的微藻細胞破壁方法有： 機械式：高壓均質、球磨法、超音波法、高壓 釜法等。 非機械式：冷凍法、加酸法、加鹼法、酵素法 及溶劑與滲透壓衝擊法等。

藻油萃取(3/3) 超臨界二氧化碳流體萃取法：回收率幾乎可達 100%，且無須使用對環境有害的化學溶劑。 CO2之臨界溫度為31 ℃，臨界壓力為72.9atm， 超臨界CO2萃取可操作在40～50 ℃及241～379 之條件下，此時CO2同時具有液體及氣體的特性， 較易穿透細胞壁，是很有效率又無毒的溶劑， 缺點為設備昂貴且CO2回收較耗費能源。

溶劑回收 油脂與非極性溶劑之混合液，須以蒸餾塔將溶 劑於塔頂回收再利用，塔底則為油脂。 此程序較耗費能源，因此如何降低溶劑與油脂 的比例，將是一大挑戰。

藻油轉酯化反應 轉酯化係利用油脂料源與甲醇(或乙醇)，在 酸或者鹼性催化劑和高溫(230～250℃)下進 行轉酯化反應，可產生脂肪酸甲酯(或乙酯) 及副產物甘油(約10%)等產物；經分離甘油 後，再經洗滌、蒸餾去除雜質，即得生質柴 油(工研院能環所, 2005)。

子目錄(3/3) 發展微藻產油之重要性 建廠目標與程序 經濟可行性評估 期末發表

經濟可行性評估 各程序佔生質物生產總成本百分比 藻類養殖【～５０％】 藻類採收【～２５％】 脫水濃縮【～１０％】 藻油萃取【～１０％】 溶劑回收（暫不考量） 藻油轉酯化生質柴油（暫不考量） 【～５％】是其餘成本，例如：工程應急費用。

參考文獻 吳文騰，「永續能源-微藻產油」，周日閱讀科 學大師，2009.02。 吳佩芬，「利用本土淡水藻類產製生質柴油之可 行性評估」，逢甲環工所碩士論文，2006.08。 張瑞玉，「微藻產製生質柴油之經濟潛力」，化 工資訊與商情 77期，2009.11。 盧文章、王振諧，「藻類培養之光合生物反應器 發展現況」，化工資訊與商情 77期，2009.11。 邱至強，「棕櫚油生質柴油的燃料劣化特性之探 討」，海洋輪機所碩士論文，2008.07。 張惟閔，「微藻培養於新型光生化反應器之系統 開發」，清華化工所碩士論文，2005.06。

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