以生技產製生物燃料

生物科技與生質能

未來 50 年，能源需求的增加與溫室效應會嚴重影響世界經濟。要解決這些問題，多樣化的科技選擇是必要的，其中生物科技被認為會在未來的能源世界中扮演重要角色。

歐盟在 2005 年發表的一份〈能源研究的指標與評價〉報告中也提到，生物技術被認為是未來能源研究的關鍵性共通科技。據估計，利用生物科技發展的生質能，到本世紀末會占能源消耗量的三分之一，重要性將不亞於化石燃料。利用生技製造生物燃料需要對不同化學成分、蛋白質的作用機制與細胞系統等進行全面的了解。生物科技更可與奈米科技結合，發展奈米生物結構，並開發新的生物燃料製造策略。

其中，藉由基因工程發展出來的生物體，更被認為是全球燃料的下一個來源。美國能源部也從 2003 年開始進行「由基因體了解生命」（genome to life, GTL）的計畫，以達到能源獨立、生物污染整治與固定二氧化碳的目的。

在學界與民間研究方面，2000 年因完成人體基因定序而聲名大噪的科學家文特（J. Craig Venter）正進行一項「合成基因體」的計畫，打算合成新的有機體來製氫、分泌無污染的加熱燃料並分解溫室氣體。計畫的第一步著重於製造產生「氫」與「乙醇」的生物工廠。目前這項計畫所使用的基因來源主要是海洋微生物，另外也會試驗一些哺乳類基因。

史丹佛大學也有研究團隊正在進行利用土壤微生物吸收光能，來分解水製造氫的計畫。而麻州的「綠色燃料科技公司」則研究以海藻做為「生物反應器」，在吸收光能、水與含碳廢氣後，轉變為生質燃料。美國基因體研究所也在 2005 年 11 月底發表了一篇關於產氫菌的論文，他們發現這種細菌具有抗熱、抗壓、抗輻射等潛能。這些研究新資訊都顯示以基因工程發展生質能，是部分先進國家的研發風潮。

本文主要是根據歐盟能源研究發表的評估報告、美國能源部近年來發展的計畫，再輔以其他最新科技發展，討論未來生技發展生質乙醇與生質柴油的展望。以其他生物科技生產生質能的方法（如光合產氫法），則不在討論的範圍內。

以生技產製生質乙醇

美國能源部在GTL計畫的進程報告中特別指出，以纖維素生產乙醇會是未來重點研究項目。這裡所指的纖維素，還包括半纖維素與木質素，這些都是構成植物細胞壁的成分，存在於所有的植物中，因此數量多，原料取得容易。然而纖維素是多醣聚合物，又是細胞壁的主要成分，要分解它相對也較困難，這也是以纖維素產製乙醇的最大挑戰。在 GTL 計畫中有關乙醇的研究目標有兩項：短期希望改善纖維素瓷系統，長期則希望能整合產製乙醇的生物處理過程。

今日美國的生質乙醇主要從澱粉轉換而來，每年消耗量約 40 億加侖，替代了 2％ 的化石燃料用量，每年約可減少 1.8％ 的二氧化碳排放。發展由纖維素製造乙醇的短期目標，是希望能用廢纖維素為原料，乙醇的產能便能從澱粉原料的 14％ 增加為 37％，每年產量約 200 億加侖，將可替代 10％ 的化石燃料，減少 9％ 的二氧化碳排放。長期的目標則是發展纖維素作物，期望能讓產能超過 37％，年生產 300 到 2,000 億加侖的乙醇，以替代 15 ~ 100％ 的化石燃料使用量，並減少 14 ~ 90％ 的二氧化碳排放。

目前由纖維素製造乙醇，仍需許多科學研究的配合，包括利用高效能的基因定序與運算尋找多樣的纖維素酶；利用先進顯影技術了解纖維素酶與纖維晶體之間的作用，以突破纖維素水解的障礙；大規模生產纖維素酶、醣類運送蛋白質與其他蛋白質的系統，改進目前的蛋白質生產與特性鑑定方法；發展穩定且有效的菌落培養方法；整合相關技術以決定哪種酵素在發酵時能有活性表現與作用，並決定哪種新陳代謝分子會影響酵素的表現；不同微生物對由纖維素製造乙醇有著不同的優勢，藉由基因工程進行整合以發揮最大的效能。

至於歐盟也和美國一樣，把利用生技生產乙醇列為未來的研究重點，並提出下列工作要點：發展利用大腸桿菌、產酸克雷伯氏菌、運動發酵單胞菌等基改生物體，進行木質纖維素的發酵，並訂定 90 ~ 95％ 轉換率是產製乙醇的經濟門檻；整合纖維素水解過程，利用伊文氏植物病原桿菌大量生產，或者把纖維素基因植入大腸桿菌以生產乙醇。近程目標是希望研發出能去除副產品毒性的生物、物理或化學反應，遠程目標則是藉由基因工程研發容忍度高的菌種。

綜觀未來利用生技由纖維素製造酒精，面臨著下列的挑戰。首先，研究人員必須檢驗分析數以萬計的天然纖維素瓷、其他酵素、代謝作用中的分子結構，以及上千種基改的變異酵素，以尋找最恰當的酵素與機制。此外，還要模擬纖維素水解、醣類運輸、以及發酵過程，這些都必須借重基礎的研究。最後，要把上百種分別模擬出來的機制整合至單一微生物或穩定的菌落中運作。