週日閱讀科學大師 永續能源--微藻產油 吳院長文騰 國立成功大學工學院 98年2月22日

目錄 壹、永續能源 貳、臺灣及國際上能源之使用現況 參、永續能源之重要性

肆、生質油 伍、微藻之培養 陸、微藻之利用 柒、結語

壹、永續能源 (1/3) 依據永續能源政策綱領，永續能源發展 應兼顧 “能源安全”、”經濟發展“ 與”環境保護” 。

壹、永續能源(2/3) 永續能源基本上是再生能源： 再生能源包含太陽能(太陽熱能、 太陽電池) 、風能、生質能、水力 及海洋能，地質能、氫能及燃料電 池。

壹、永續能源 (3/3) 永續能源政策的推動目標： 積極發展再生能源，於2025年占發電系統的8%。

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(1/5) 2007年台灣能源之供應結構 貳、臺灣及國際上能源之使用現況(1/5) 2007年台灣能源之供應結構 佔比(%)

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(2/5) 2007年台灣之發電量結構 貳、臺灣及國際上能源之使用現況(2/5) 2007年台灣之發電量結構 佔比(%)

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(3/5) 460萬噸/年 台灣汽、柴油之消費量(2007) 汽油 1000萬噸/年 柴油 能源消費量(2007) 能源與工業部門 60.41% 運輸 13.14 % 住宅 11.21 % 服務業 10.06 % 農業 0.89 %

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(4/5) 2005年統計 種類 國別 消費量 石油 美國 944.6百萬公噸 中國 327.3百萬公噸 曰本 244.2百萬公噸 俄國 130.0百萬公噸 德國 121.5百萬公噸 煤 1082百萬公噸油當量 575百萬公噸油當量 印度 213百萬公噸油當量 121百萬公噸油當量 116百萬公噸油當量

貳、臺灣及國際上能源之使用現況(5/5) 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% 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%

參、永續能源之重要(1/6) 國際上主要先進國家之能源供應情況與台灣之情況類似。石油、煤、天然氣及核能等化石燃料所提供的能源均佔90%以上。台灣能源依賴進口的程度相當高。

British Petroleum (BP)世界能源統計---2006 參、永續能源之重要性(2/6) 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

參、永續能源之重要性 (3/6) 二氧化碳之排放： 2007年台灣二氧化碳的排放量為261.3百萬公噸，約佔世界1%(每人每年均11.8萬噸) ，全世界排名第21位。

參、永續能源之重要性 (4/6) 2007年, 261.3 230 116 Predicted by Markal Model with no carbon dioxide reduction strategy

參、永續能源之重要性 (5/6) 臺灣二氧化碳排放量之政策目標： 於2016年至2020年間回到2008年 排放量。 於2025年回到2000年排放量。

參、永續能源之重要性 (6/6) 歐盟之能源政策： 在2020年 (i)二氧化碳的排放量比1990年少20% (ii)再生能源佔總能源使用量20% (iii)減少化石能源使用量20%

肆、生質油 永續能源： 太陽能(太陽熱能、太陽電池)、風能、生質能、水力及海洋能、地質能、氫能及燃料電池等。

肆、生質能 生質酒精、生質柴油、沼氣、裂解油、丁醇、氫氣等。

肆、生質油-油脂來源 (1/16) 油菜 油菜花兒 油菜花田

肆、生質油-油脂來源 (2/16) 油菜適合低溫之秋天種植。 每公頃每年約可收成2.5公噸油菜子，約有1.1公噸之油。

肆、生質油-油脂來源 (3/16) 大豆

肆、生質油-油脂來源 (4/16) 大豆栽培容易且可機械採收 生育期約100天 油之年產量約為0.45噸/公頃

肆、生質油-油脂來源 (5/16) 向日葵 向日葵花田 向日葵提煉油

肆、生質油-油脂來源 (6/16) 向日葵適合機械採收。 向日葵子含油量高。每期作約可收油1公噸/公頃。

肆、生質油-油脂來源 (7/16) 油棕櫚

肆、生質油-油脂來源 (8/16) 油桐花 油桐花 油桐 油桐果榨油

肆、生質油-油脂來源 (9/16) 麻瘋樹 痲瘋樹果實 痲瘋樹

肆、生質油-油脂來源 (10/16) 麻瘋樹之種植可利用不良土地或廢耕地。 無法機械採收，人工需求大。

肆、生質油-油脂來源 (11/16) 蓖麻 蓖麻子 蓖麻

肆、生質油-油脂來源(12/16) 蓖麻屬多年生草本植物 蓖麻易栽植，蓖麻子有毒 種植半年就開始結果，收成期約10年；2公斤的種子約可生產1公斤的油

肆、生質油-油脂來源 (13/16) 椰子

肆、生質油-油脂來源 (14/16) 植物之油脂產量 農作物 油產量(公升/每公頃) 蓖麻 1413 油菜 1190 向日葵 952 農作物 油產量(公升/每公頃) 蓖麻 1413 油菜 1190 向日葵 952 大豆 446 椰子 2689 棕櫚 5950

肆、生質油-油脂來源 (15/16) 藻類：海藻、微藻 螺旋藻 紅藻 綠藻 巨型藻

肆、生質油-油脂來源 (16/16) 微藻油產量 年產量： 油含量30% 58700 公升/每公頃 油含量70% 136900 公升/每公頃 藻種 含油量 (%乾藻重) 年產量： 油含量30% 58700 公升/每公頃 油含量70% 136900 公升/每公頃

伍、微藻之培養 生長快速 佔地面積少 操作培養容易 油脂含量高 品質穩定 具附加高單價化合物

伍、微藻之培養 環境因子影響微藻生長 CO2 微 藻 碳水化合物 葡萄糖 澱粉 油脂 纖維素 氮源 光強度 溫度 鹽度

伍、藻類之培養 培養營養源對微藻生長之影響 0.025 g/L 0.050 g/L 0.100 g/L 0.150 g/L 0.300 g/L

伍、藻類之培養 培養營養源對微藻產油之影響

伍、微藻之培養 開放式培養 – 跑道式、淺池培養 淺池培養 跑道式培養

伍、微藻之培養 開放式培養 – 圓型池、大槽型 大槽型 圓型池

伍、微藻之培養 密閉式培養 – 管式 直型管培養 螺旋管培養 戶外圓柱管培養

伍、微藻之培養 密閉式培養 – 平板式 戶外平板式培養

伍、微藻之培養 密閉式培養 – 帶狀式培養

伍、微藻之培養 Light Distribution in broth Typical Open tank Lambert-Beer’s Law : I = I0 exp[-(κxΧ +κw)Z] Transparent Rectangular Chamber (TRC) Typical Open tank Light Scattering Intensity ISL: Light scattering intensity Ia: Light intensity inside TRC W: Width, L: Length AT: Surface area of top a = 0.304, b = -14.992, c = -0.497, R2 = 0.987 Novel photobioreactor

伍、微藻之培養 Biomass Productivity Comparison of biomass productivity of N. oculata at different average irradiance intensity in open tank with 5cm-TRCs (■), 10cm-TRCs (●) and 20cm-TRCs (▲). The irradiance intensity was 660μmole photon m-2s-1 and the temperature at 38℃.

伍、微藻之培養 Lipid productivity increase 37.6% After talking about the effects of urea supplement on the biomass and lipid production of microalgae, we can realize that the appropriate urea supplement is good for lipid productivity and limited feeding of urea can increase the lipid content. We would like to employ the semi-continuous system to investigate the efficiency of lipid productivity. The semi-continuous cultivation system was initiated as a batch with an initial urea concentration of 0.1 g L-1. The batch mode was converted into semi-continuous mode by rapidly withdrawing one-fourth (0.25 L) of the working volume of the culture when cell weight reached about 1.0 g L-1. The same volume of nutrient medium was fed to the growing culture and the adding concentration of urea was 0.025 g/L. Four cycles of harvesting and nutrient feeding were done. The experimental result are shown in the left figure. We can find that the same biomass concentration was harvested at each cycle. And the urea concentration can be consumed completely at each cycle. Under same urea supplement, the lipid productivity in the semi-continuous culture is 10 % higher than that in the batch culture. The result demonstrates that the semi-continuous cultivation system is able to improve the lipid productivity efficiently. Because the biomass and lipid content can increase efficiently, under condition of limited urea supplement. Time courses of biomass and urea consumption for N. oculata in semi-continuous mode. (■) is the biomass concentration and (□) is the urea concentration. The bar chart is the lipid content. Lipid productivity increase 37.6% in the semi-continuous system

陸、微藻之利用--微藻收集 快速沉澱 分離容易

陸、微藻之利用--藻油萃取 榨油機 溶液萃取 超臨界流體萃取

Hexane pretreated(WCW) 陸、微藻之利用--生質柴油 Reactants：(1) wet cell weight of N. oculata ≒ 0.75g (DCW ≒ 0.15g) (2) 2ml 1.0M HCl/Methanol * (3) direct or hexane pretreated Reaction Temp：70℃，Reaction time：12 hours Reference (DCW) Direct reaction (WCW) Hexane pretreated(WCW) Biodiesel Conversion 20% 5.0% 10.7% Relative value 100.0% 25.0% 53.5%

陸、微藻之利用--還原糖-葡萄糖 Microalgal cell wall Cellulose is the major component of microalgal cell wall Functions: protection, maintenance The major components of cell wall in different algae

陸、微藻之利用--酵素水解 hydrolysis Reaction conditions: Working volume: 20 mL Biomass conc.：20 g/L Temperature：50 oC Total sugar in microalgae: 26 % (w/w)

陸、微藻之利用--脂肪酸分佈 0.025 0.050 0.100 0.150 0.300 C14:0 2.3 C16:0 35.9 32.3 26.7 23.2 19.5 C18:0 7.1 7.4 9.0 7.2 5.5 C18:1 29.1 32.5 37.5 37.3 26.4 C18:2 14.3 15.4 17.3 20.5 26.3 C18:3 5.2 4.4 3.1 3.6 4.2 others 8.3 8.0 6.4 8.2 15.8

願 景

柒、結語 台灣天然資源缺乏，地小人稠，風能、 太陽能、生質能等之資源有限。能源的 問題，唯有依靠產業之營運及堅強的自 有能源科技。加強能源科技研發，是必 需的重要工作。藻類產油是永續能源發 展之一重要的項目。

敬 請 指 正 !