模仿光合作用機制的仿生創意與減碳契機

模仿光合作用機制的仿生創意與減碳契機 (Microalgae to Capture co2)
佛光大學未來與樂活產業學系專任助理教授 周鴻騰

挑戰與危機：將地球的大氣層類比想像為一個碳浴缸 (Carbon bathtub)，溫室氣體（以二氧化碳量最多）好比是從水龍頭流出來的水（碳源），而森林、濕地、海洋、土壤、大氣層等多種管道則是二氧化碳的去處，就好比是小小的出水口（碳匯）。現在的情況是二氧化碳排入大氣的速度比移除的速度快，而碳浴缸將會愈來愈滿，快超過地球能夠承受的能力 (Carrying capacity)。

由於二氧化碳的去處大部分留在大氣層裡，而溫室氣體具有集熱的能力，導致溫室效應加劇，造成了全球平均溫度持續升高。全球暖化過程中同時造成氣候變遷的現象，包括：溫度變化、極端氣候事件、海平面上升、降水改變等 (IPCC,2007)。現在要想辦法如何把流入到碳浴缸的二氧化碳量減慢減少，而流出口需要加大加快呢？

圖一、碳浴缸示意圖。 （圖片來源：國家地理頻道 National Geographic Society. http://ngm.nationalgeographic.com/big-idea/05/carbon-bath 文字來源：http://www.sdec.ntpc.edu.tw/epaper/10110/1.htm）

仿生創意與減碳契機：節能減碳行動大家第一個想到的是就是種樹救地球。森林是地球上二氧化碳匯集的地方之一，當樹木行光合作用（光反應與碳反應）會不斷把大氣中游離的二氧化碳固定。林木行光合作用處於在生長狀態，對大氣中二氧化碳的吸存會增加。由此可見種植樹木、培育森林、都是減碳重要措施，但是臺灣植樹的空間有限，又因土地價格昂貴，可能導致減碳潛力受到限制。那麼，那一種生物能比樹木達到更快的減碳效益呢？根據國際能源總署 (International Energy Agency, IEA, 2002) 的研究，植樹減碳 25 噸 / 公頃 / 年，而培養微藻減 120 ~ 160 噸 / 公頃 / 年，藻類植物因吸收二氧化碳速度快、光合速率高且生長過程可全程人工控制，顯示微藻的碳捕捉能力遠高於植樹減碳。

植物或藻類行光合作用的機制，其與微藻減碳系統相似，是因為藻類屬於原生生物界，只需要二氧化碳、水、養分和陽光就能存活，能生存於湖泊、海洋、河川等水域。如果我們模仿藻類行光合作用的機制，研發光生物反應器來捕捉空氣中的二氧化碳，將二氧化碳轉換成食物或生質燃料，就能減碳大氣中的二氧化碳並且創造綠色商機。

然而，模仿光合作用的機制尚須不斷研發克服藻類生長環境因子的限制（光照強度、二氧化碳濃度、氧氣含量、環境溫度、鹽度、養分與酸鹼值）。此外尚需優化微藻培養條件，篩選出能夠高效固定二氧化碳的微藻藻株、培養基配方的改良，再選擇合適的光生物反應器形式（例如管道式、平板式、臥式圓柱型、垂直圓柱型、塑膠袋式等）才能發展具有經濟規模的微藻減碳產業。

實際成功的例子諸如：我國台電綜合研究所在大林火力發電廠以本土的微藻為對象，長期觀察生長特性後，篩選出符合我國電廠煙氣高溫及酸性環境的黃金藻 (Isochrysis sp) 及螺旋藻 (Spirulina sp)。從火力發電廠煙道抽取煙氣，以海水脫硫後供應養藻系統，利用微藻生長特性，吸收大自然的光、熱及電廠的二氧化碳後，進行光合作用轉化成生生不息的微藻生質體並釋放出氧氣。把藻類、二氧化碳、水和日光轉換成生質的過程中，可以得到糧食與能源等副產品（闕壯群，2009；陳曉薇等人，2012）。微藻類固碳能夠彌補越來越嚴重的減碳問題、還有助於改善水污染問題、還可以創造就業機會，因此微藻減碳具有二氧化碳減量、能源再生、就業機會的三項優點，是朝向永續社會的綠色商機。

圖二、「光合作用機制」與「微藻減碳系統（光生物反應器）」的相似點 （紅色虛線雙箭頭） （圖片來源：劉智淵 (2008)。微藻減碳–溫室氣體減量的動人遠景。臺電月刊，550，4-15。臺灣電力公司。）

參考文獻

1. 闕壯群 (2009)。微藻類固碳工程。科學發展。433期，6-11。科技部。
2. 陳曉薇、陳茂景、陳鳳惠 (2012)。燃煤電廠減碳技術「微藻減碳」技術應用與挑戰。能源報導。5-7。經濟部能源局。
3. Solomon, S. (Ed.). (2007). Climate change 2007-the physical science basis: Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC (Vol. 4). Cambridge University Press.
4. International Energy Agency (IEA) (2003). Renewables Information 2003. OECD Publishing, Paris.