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1 永 續 生 物 能 源 大 未 來 國 立 中 興 大 學 校 長 國 立 中 興 大 學 校 長 / 講 座 教 授 中 央 研 究 院 植 微 所 合 聘 研 究 員 國 科 會 傑 出 研 究 獎 傑 出 特 約 研 究 將 美 國 油 脂 化 學 會 生 物 科 技 終 身 成 就 獎 美 國 科 學 促 進 會 AAAS Fellow 國 際 生 物 催 化 與 生 物 技 術 學 會 副 會 長 中 科 園 區 產 學 訓 協 會 理 事 長 蕭 介 夫 1

2 能 源 現 況 再 生 能 源 生 質 能 源 Source: ORNL 2

3 能 源 現 況 國 際 油 品 價 格 月 比 較 趨 勢 圖 ( 美 金 / 桶 ) 九 二 九 八 九 五 無 鉛 汽 油 比 較 趨 勢 圖 ( 台 幣 / 公 升 ) 能 源 在 人 類 經 濟 活 動 中 扮 演 著 舉 足 輕 重 的 角 色, 能 源 不 僅 是 工 業 發 展 的 重 要 推 手, 更 是 維 繫 日 常 食 衣 住 行 育 樂 的 重 要 支 柱 目 前 世 界 上 的 能 源 主 要 依 賴 化 石 能 源, 隨 著 世 界 石 油 需 求 量 大 增 而 蘊 藏 量 急 劇 降 低, 能 源 危 機 的 問 題 愈 來 愈 嚴 峻, 發 展 可 永 續 利 用 之 再 生 能 源 將 是 確 保 人 類 可 以 永 續 生 存 的 唯 一 道 路 九 二 無 鉛 汽 油 :28.12 元 / 公 升 九 五 無 鉛 汽 油 :28.78 元 / 公 升 九 八 無 鉛 汽 油 :30.38 元 / 公 升 超 ( 高 ) 級 柴 油 :25.56 元 / 公 升 (2009/8) 3 資 料 來 源 : 能 源 局

4 能 源 危 機 原 油 在 未 來 40 至 60 年 間 將 會 耗 盡, 天 然 氣 的 儲 藏 量 則 應 可 供 應 80 至 100 年 能 源 危 機 同 時 也 是 食 物 短 缺 的 危 機, 因 為 現 代 農 業 相 當 仰 賴 化 學 肥 料, 而 製 造 化 學 肥 料 又 需 要 大 量 的 能 源 石 油 不 僅 儲 量 有 限, 它 會 對 生 態 環 境 造 成 破 壞 石 油 燃 燒 時 向 大 氣 層 釋 放 二 氧 化 碳, 導 致 全 球 暖 化 能 源 問 題 與 世 界 糧 食 問 題 人 口 問 題 環 境 問 題 水 資 源 虧 乏 等 習 習 相 關 4

5 地 球 暖 化 格 陵 蘭 冰 湖 戲 劇 性 消 失 地 球 溫 度 升 高, 預 期 將 造 成 格 陵 蘭 冰 原 之 類 的 廣 大 冰 凍 地 區 的 融 水 增 加, 形 成 面 積 廣 大 的 湖 泊 根 據 最 新 公 布 的 研 究, 全 球 暖 化 可 能 會 增 強 最 猛 烈 的 熱 帶 氣 旋 的 威 力 研 究 說, 在 醞 釀 氣 旋 的 熱 帶 地 區, 海 水 溫 度 每 上 升 一 度, 便 可 能 導 致 最 強 烈 風 暴 的 數 目 增 加 近 三 分 之 一 研 究 作 者 在 這 份 刊 登 於 英 國 自 然 期 刊 的 報 告 中 說 : 隨 著 海 水 暖 化, 海 洋 擁 有 更 多 能 量 能 轉 變 成 熱 帶 氣 旋 的 強 風 過 去 學 界 曾 根 據 過 往 三 十 年 的 觀 察 進 行 研 究, 結 果 發 現 由 於 海 水 暖 化, 颶 風 威 力 變 得 更 強 烈 但 是 對 大 西 洋 地 區 的 觀 測 數 據 比 針 對 印 度 洋 的 氣 旋 及 太 平 洋 的 颱 風 所 作 的 觀 測 更 詳 盡, 而 且 歷 史 更 久 遠 為 了 填 補 空 缺, 三 位 美 國 科 學 家 研 究 了 自 一 九 八 一 年 至 二 零 零 六 年 所 有 風 暴 生 成 海 域 的 衛 星 數 據 他 們 計 算 風 暴 數 目, 以 及 每 次 風 暴 期 間 的 最 大 風 速, 並 與 海 平 面 溫 度 相 比 對 在 這 二 十 五 年 中, 學 者 並 未 發 現 整 體 風 暴 數 目 增 加 但 在 最 強 烈 的 風 暴, 或 是 強 度 大 約 列 為 最 高 等 級 的 風 暴 中, 風 速 均 大 幅 增 加 5 除 了 南 太 平 洋, 幾 乎 所 有 風 暴 生 成 海 域 都 出 現 這 樣 的 趨 勢, 也 就 是 氣 旋 越 猛 烈, 變 化 就 越 大

6 研 究 : 全 球 暖 化 海 水 升 溫 威 力 更 猛 強 烈 風 暴 會 出 現 這 樣 的 狀 況, 很 明 顯 是 因 為 南 太 平 洋 已 經 是 最 溫 暖 的 海 域, 因 此 相 較 於 大 西 洋 印 度 洋 與 北 太 平 洋, 溫 度 增 加 幅 度 相 對 較 低 學 者 在 強 度 較 小 的 風 暴 中, 並 未 發 現 風 速 增 加 由 佛 羅 里 達 州 立 大 學 艾 爾 斯 納 領 導 的 研 究 團 隊 進 行 的 這 項 研 究, 支 持 所 謂 的 熱 引 擎 理 論, 這 項 理 論 的 根 據 是 在 於 一 種 概 念 : 海 水 暖 化 能 提 供 更 多 原 始 熱 能 燃 料, 驅 動 氣 旋 報 告 中 估 算, 海 水 每 升 溫 攝 氏 一 度, 會 導 致 每 年 的 強 烈 氣 旋 數 目 從 十 三 個 增 為 十 七 個, 增 幅 達 三 成 一 由 頂 尖 科 學 家 組 成 的 聯 合 國 政 府 間 氣 候 變 遷 問 題 小 組 去 年 發 布 第 四 評 估 報 告 時 說, 從 一 九 零 六 年 至 二 零 零 五 年 間, 全 球 海 平 面 溫 度 上 升 了 攝 氏 零 點 七 四 度, 其 中 絕 大 多 數 上 升 是 集 中 在 最 近 幾 十 年 該 小 組 預 測, 到 了 二 一 零 零 年, 暖 化 幅 度 將 介 於 攝 氏 一 點 八 度 至 四 度 之 間 6

7 納 莉 風 災 (2001) 桃 芝 風 災 (2001) 莫 拉 克 風 災 (2009) 7

8 聯 合 國 政 府 間 氣 候 變 遷 問 題 小 組 (IPCC)2007 年 4 月 6 日 第 二 項 報 告 聯 合 國 政 府 間 氣 候 變 遷 問 題 小 組 (IPCC), 在 2007 年 4 月 6 日 布 魯 塞 爾 公 布 了 今 年 第 二 項 報 告, 嚴 厲 警 告 全 球 暖 化 效 應 比 過 去 預 測 要 嚴 重 的 多 根 據 燃 燒 石 化 燃 料 造 成 的 溫 室 氣 體 排 放 量 推 算,2050 年 左 右 氣 溫 極 可 能 升 高 2 至 3 度, 屆 時 歐 洲 阿 爾 卑 斯 山 滑 雪 勝 地 有 70% 不 再 白 雪 皚 皚 氣 溫 升 高 攝 氏 2 度, 缺 水 人 口 將 達 20 億, 有 20% 到 30% 物 種 瀕 臨 絕 種, 有 更 多 人 因 為 營 養 不 良 疾 病 熱 浪 旱 澇 而 死 亡 在 最 嚴 重 的 情 況 下, 全 球 人 口 將 有 五 分 之 一 受 洪 水 影 響,11 億 至 32 億 人 缺 水, 全 球 出 現 大 規 模 物 種 滅 絕 8

9 再 生 能 源 太 陽 能 地 熱 能 水 力 能 海 洋 熱 能 轉 換 風 能 生 質 能 9 資 料 來 源 : 工 研 院

10 世 界 能 源 使 用 現 況 生 質 能 是 全 球 第 四 大 能 源, 近 次 於 石 油 煤 及 天 然 氣, 此 外 也 是 最 廣 泛 使 用 之 再 生 能 源, 約 佔 世 界 再 生 能 源 應 用 之 80% 天 然 氣 20.9% 石 油 34.3% 煤 25.1% 水 力 2.2% 再 生 能 源 13.1% 生 質 能 10.4% 非 再 生 廢 棄 物 0.2% 核 能 6.5% 資 料 來 源 : 國 際 能 源 總 署 其 他 再 生 能 源 0.5% 10

11 生 質 能 源 的 定 義 生 質 能 (biomass energy/ bioenergy) 泛 指 由 生 物 產 生 之 有 機 能 源 物 質 包 括 沼 氣 稻 殼 及 廢 油 等 農 業 工 業 都 市 廢 棄 物 以 及 能 源 作 物, 經 過 焚 化 氣 化 裂 解 發 酵 等 技 術 轉 換 成 燃 油 燃 氣 與 電 力 等 可 用 能 源, 其 二 氧 化 碳 的 淨 排 放 量 為 零, 所 以 生 質 能 源 除 了 做 為 替 代 能 源 外, 更 可 減 緩 溫 室 氣 體 所 帶 來 之 危 機, 兼 具 能 源 與 環 保 雙 重 貢 獻 11 資 料 來 源 : 工 研 院

12 光 合 作 用 固 定 CO2 為 生 質 物 蔗 糖 澱 粉 纖 維 素 Hemicellulose 磷 酸 六 碳 糖 磷 酸 三 碳 糖 磷 酸 五 碳 糖 代 謝 中 間 產 物 固 碳 作 用 卡 爾 文 循 環 光 合 作 用 12 資 料 來 源 :Principles of Biochemistry

13 光 合 作 用 的 原 理 光 反 應 暗 反 應 固 定 二 氧 化 碳 13 資 料 來 源 :Principles of Biochemistry

14 生 質 柴 油 的 原 理 生 質 柴 油 是 將 動 植 物 的 油 脂, 經 由 觸 媒 / 酵 素 進 行 轉 酯 化 反 應 中 和 水 洗 及 蒸 餾 等 過 程 所 產 生 的 脂 肪 酸 酯 類 油 脂 ( 油 菜 籽 油 大 豆 油 棕 梠 油 食 用 廢 油 ) 醇 類 ( 甲 醇 乙 醇 異 丙 醇 ) 固 定 化 脂 肪 酶 連 續 式 生 物 反 應 器 生 質 柴 油 + 甘 油 3ROH + 醇 類 H2C-OCOR HC-OCOR H2C-OCOR 油 脂 Lipase RCOOR RCOOR RCOOR 生 質 柴 油 + H2C-OH HC-OH H2C-OH 甘 油 14

15 適 用 於 生 產 生 質 柴 油 的 油 品 組 成 杏 核 仁 油 月 桂 葉 油 玻 璃 苣 油 椰 子 油 玉 米 油 棉 花 子 油 海 甘 藍 油 落 花 生 油 榛 果 油 麻 瘋 樹 水 黃 皮 籽 油 亞 麻 子 油 橄 欖 油 棕 櫚 油 花 生 油 罌 粟 籽 油 葡 萄 籽 油 米 糠 油 葵 花 籽 油 芝 麻 油 大 豆 油 葵 花 油 烏 桕 核 桃 仁 油 小 麥 油 15

16 生 質 柴 油 的 應 用 生 質 柴 油 (biodiesel) 的 優 點 可 被 生 物 分 解 之 再 生 能 源 可 種 植 之 再 生 能 源 最 適 合 引 擎 之 環 保 燃 料 燃 點 高 / 儲 存 安 全 性 高 可 直 接 替 代 或 混 合 一 般 柴 油 使 用 其 含 氧 成 分 可 助 燃 料 完 全 燃 燒, 有 害 廢 棄 之 污 染 排 放 低 具 經 濟 上 正 面 效 應 無 毒 性 16 資 料 來 源 : 工 研 院

17 由 藻 類 生 產 生 質 柴 油 不 與 食 物 爭 地 油 含 量 可 達 50% 以 上 可 以 利 用 猪 糞 尿 與 工 廠 產 生 之 CO 2 為 培 養 原 料, 同 時 達 到 生 產 油 之 減 廢 與 減 碳 之 多 重 效 益 可 以 同 時 生 產 機 能 性 產 品 17

18 由 白 油 桐 生 產 生 質 柴 油 利 用 廢 棄 土 地, 如 汙 染 地 鐵 路 沿 線 等 不 能 種 植 食 物 的 土 地 快 速 生 長, 可 採 種 子 30 年 以 上 綠 化, 減 少 CO 2 油 品 原 甚 佳 C 18:1 & C 18:2 為 主 18

19 United states patent 19

20 聯 合 報 記 者 喻 文 玟 台 中 報 導 中 興 大 學 校 長 蕭 介 夫 研 發 出 新 的 酵 素 基 因 重 組 脂 肪, 新 的 酵 素 能 取 代 傳 統 提 煉 生 質 柴 油 的 化 學 酵 素, 達 到 二 氧 化 碳 零 排 放 的 效 益 這 項 技 術 去 年 申 請 獲 得 世 界 專 利, 校 方 昨 天 和 產 業 界 簽 約 技 術 轉 移, 能 提 高 生 質 柴 油 生 產 的 環 保 效 益 生 質 柴 油 是 利 用 黃 豆 油 大 豆 這 類 沒 有 加 工 處 理 的 動 植 物 脂 肪, 經 過 化 學 提 煉, 產 生 環 保 的 生 質 燃 料 今 年 7 月 1 日 起, 經 濟 部 將 推 動 加 油 站 要 供 應 B1 柴 油, 在 石 化 柴 油 中 必 須 添 加 1% 的 生 質 柴 油 蕭 介 夫 指 出, 目 前 提 煉 生 質 柴 油 多 用 化 學 方 法, 在 油 脂 醇 類 中 加 入 氫 氧 化 納, 經 過 化 學 反 應 才 轉 換 成 能 源 提 煉 過 程 中, 會 排 放 二 氧 化 碳, 他 利 用 蛋 白 質 基 因 工 程 技 術 開 發 基 因 重 組 脂 肪, 當 作 化 學 反 應 的 催 化 劑, 能 減 少 高 溫 高 壓 的 污 染, 也 達 到 二 氧 化 碳 零 排 放 蕭 介 夫 是 國 內 的 酵 素 專 家, 他 花 了 近 十 年 和 研 究 團 隊 研 發 基 因 重 組 脂 肪, 投 稿 近 50 篇 國 際 期 刊 獲 肯 定, 去 年 獲 世 界 專 利 中 興 大 學 昨 天 和 國 內 最 大 的 生 質 柴 油 廠 世 界 生 物 能 源 公 司 產 學 合 作, 要 在 彰 化 嘉 義 一 帶, 推 動 白 油 桐 種 植, 提 煉 生 質 柴 油, 並 計 畫 在 彰 濱 工 業 區 打 造 一 座 年 產 量 10 萬 噸 的 生 質 柴 油 廠 世 界 生 物 能 源 公 司 董 事 長 張 榮 興 分 析, 目 前 生 質 柴 油 價 格 仍 偏 高, 平 均 1 公 噸 比 石 油 貴 300 美 金, 但 它 是 環 保 能 源, 閃 火 點 低, 不 易 燃 燒, 安 全 性 高 生 質 柴 油 最 受 肯 定 的 環 保 特 性, 它 不 像 石 化 燃 料 會 排 放 二 氧 化 碳, 即 使 意 外 傾 倒,28 天 內 可 以 被 自 然 分 解, 完 全 淨 化 20

21 已 分 別 完 成 小 型 填 充 床 及 大 型 攪 拌 型 連 續 式 生 物 反 應 器 系 統 之 建 置 與 測 試 圖 一 : 自 行 建 置 較 大 型 的 連 續 式 攪 拌 型 生 物 反 應 器 系 統 (work volume: ~30 ml) 圖 二 : 自 行 建 置 的 大 型 連 續 式 攪 拌 型 生 物 反 應 器 系 統 (work volume: ~100 ml) 21

22 完 成 以 商 業 固 定 化 酵 素 (Novozym 435) 催 化 大 豆 油 與 甲 醇 之 轉 酯 化 反 應 合 成 生 質 柴 油, 並 利 用 反 應 曲 面 法 (Response surface methodology, RSM) 及 三 階 層 三 變 數 之 部 分 因 子 實 驗 設 計 法 求 得 其 最 優 化 反 應 條 件 為 反 應 溫 度 52 ºC 流 速 0.1 ml/min 基 質 莫 耳 比 4.3:1( 甲 醇 : 大 豆 油 ), 理 論 上 可 達 74.2% 的 最 優 化 莫 耳 轉 換 率, 經 實 驗 後 證 實 可 達 約 75.2% 的 莫 耳 轉 換 率 ( 此 部 分 研 究 成 果 已 發 表 於 國 際 知 名 的 期 刊 上 ) 為 進 一 步 解 決 甲 醇 或 乙 醇 毒 害 酵 素 所 造 成 的 低 轉 換 率 問 題, 擬 初 步 以 Fed batch 式 的 生 物 反 應 系 統 進 行 測 試, 並 進 一 步 採 用 階 段 式 添 加 的 方 式, 以 期 能 提 高 商 業 化 酵 素 (Novozym 435) 之 催 化 效 率, 改 善 生 質 柴 油 的 轉 換 率 結 果 顯 示 於 50 ºC 24 小 時 的 反 應 時 間 內, 以 三 次 階 段 式 添 加 甲 醇, 不 需 額 外 添 加 水 分, 可 使 生 質 柴 油 (Fatty Acid Methyl Ester; FAME) 的 莫 耳 轉 換 率 往 上 提 升 至 80% 以 上 22

23 Akoh et al J. Agric. Food Chem. 55,

24 Shaw et al Energ. Fuel. 22,

25 生 質 酒 精 的 原 理 生 質 酒 精 植 物 的 糖 類 澱 粉 纖 維 素 木 質 素 等 碳 水 化 合 物,, 經 由 觸 媒 / 酵 素 進 行 糖 解 化 反 應 產 生 的 單 醣 ( 葡 萄 糖 為 主 ) 再 發 酵 成 酒 精 玉 米 甘 藷 小 麥 甘 蔗 甜 菜 糖 蜜 澱 粉 糖 液 化 / 糖 化 稻 桿 蔗 渣 農 業 廢 棄 物 纖 維 素 / 木 質 素 發 酵 (10% 酒 精 ) 蒸 餾 (96% 酒 精 ) 脫 水 無 水 酒 精 (100% 酒 精 ) 25

26 纖 維 素 生 質 物 之 成 分 纖 維 素 生 質 物 半 纖 維 素 (30%) Hemicellulose 纖 維 素 (44%) Cellulose 木 質 素 (26%) Lignin 酵 素 法 分 解 Hemicellulase Cellulase Lignin peroxidase Laccase 醋 酸 Acetic acid 木 糖 Xylose 阿 拉 伯 糖 Arabinose 葡 萄 糖 Glucose 酚 類 化 合 物 Phynolic compounds 26

27 常 見 生 質 物 之 纖 維 素 組 成 分 析 纖 維 素 生 質 原 料 硬 木 軟 木 白 楊 樹 柳 枝 稷 芒 草 玉 米 穗 軸 玉 米 桿 及 廢 棄 物 甘 蔗 渣 稻 桿 小 麥 桿 纖 維 素 半 纖 維 素 木 質 素 資 料 來 源 : 美 國 能 源 局 27

28 生 質 能 對 環 保 的 貢 獻 生 質 能 是 植 物 利 用 太 陽 能 與 二 氧 化 碳 進 行 光 合 作 用 促 進 植 物 生 長, 再 做 為 燃 料, 因 此 屬 於 再 生 能 源, 且 沒 有 淨 二 氧 化 碳 的 排 放, 可 以 減 緩 溫 室 氣 體 對 環 境 的 影 響 28 資 料 來 源 : 工 研 院

29 台 灣 生 質 的 能 源 推 動 策 略 I. 生 質 柴 油 的 推 動 策 略 : 短 期 : 利 用 廢 食 用 油 轉 化 製 造 生 質 柴 油 利 用 廢 休 耕 地, 重 質 能 源 作 物, 提 供 生 質 柴 油 榨 油 所 需 原 料 以 示 範 計 畫 建 立 供 油 系 統 及 使 用 習 慣, 價 差 由 能 源 基 金 或 空 氣 污 染 防 治 基 金 吸 收 中 長 期 : 選 擇 或 培 育 ( 包 括 基 因 轉 殖 ) 生 質 作 物 提 高 產 能 逐 年 以 B1 B2 方 式 全 面 推 廣, 若 屆 時 生 質 柴 油 價 格 仍 高 於 化 石 柴 油, 價 差 則 反 應 在 油 價 29 資 料 來 源 : 經 濟 部

30 台 灣 生 質 的 能 源 推 動 策 略 II. 生 質 酒 精 的 推 動 策 略 : 培 育 高 效 能 之 菌 種 之 生 質 植 物 ( 包 括 : 糖 質 澱 粉 質 及 纖 維 質 發 酵 用 ) 全 力 發 展 纖 維 素 生 產 酒 精 技 術 改 善 糖 質 澱 粉 質 之 發 酵 技 術 生 產 酵 素 是 需 要 運 用 全 球 各 地 資 源, 在 國 內 生 產 酒 精, 避 免 能 源 來 源 遭 壟 斷 以 E3 開 始 推 廣 使 用, 同 時 供 應 酒 精 汽 油 與 傳 統 汽 油 30 資 料 來 源 : 經 濟 部

31 如 何 利 用 生 物 技 術 創 造 最 優 質 生 質 物? 1. 如 何 降 低 木 質 素 含 量? 利 用 基 因 工 程 技 術 ( 基 因 靜 默 或 反 義 基 因 ) 減 少 / 阻 斷 木 質 素 的 生 合 成 以 基 因 靜 默 該 基 因 ( 輔 酶 A) 可 減 少 白 楊 樹 木 質 素 45% 的 生 合 成, 並 增 加 15% 纖 維 素 生 成 量 31

32 如 何 利 用 生 物 技 術 創 造 最 優 質 生 質 物? 2. 如 何 提 升 生 質 物 之 產 量? 利 用 基 因 工 程 技 術 增 加 澱 粉 纖 維 素 的 產 率 延 緩 開 花 時 間 以 增 加 生 質 物 產 率 32

33 如 何 利 用 生 物 技 術 創 造 最 優 質 生 質 物? 3. 增 加 其 抗 病 害 抗 旱 等 能 力 利 用 基 因 轉 殖 技 術 導 入 抗 病 害 抗 旱 或 抵 抗 惡 劣 生 存 環 境 的 相 關 基 因, 例 如 : 抗 黴 菌 蛋 白 幾 丁 質 酶 海 藻 糖 合 成 酶 等, 增 加 生 質 物 的 單 位 面 積 產 率, 並 可 減 緩 一 些 化 學 農 藥 或 肥 料 的 施 放 所 造 成 的 環 境 污 染 33

34 轉 基 因 甜 瓜 具 有 抗 病 菌 效 果 抗 黴 菌 蛋 白 (Anti-fungal protein) 屬 於 防 禦 素 (defensins), 是 一 種 小 分 子 量 之 蛋 白 質, 會 於 真 菌 細 胞 膜 形 成 孔 洞, 而 達 到 抗 菌 效 果, 導 入 甜 瓜 中 可 使 其 具 有 抗 力 枯 病 菌 的 能 力 轉 基 因 甜 瓜 對 照 組 34

35 木 瓜 幾 丁 質 酶 具 有 抗 菌 效 果 可 將 具 有 抗 病 力 的 幾 丁 質 酶 導 入 生 質 物 中 增 加 其 抗 病 力 立 枯 病 菌 疫 病 菌 白 絹 病 菌 35

36 如 何 利 用 生 物 技 術 創 造 最 優 質 生 質 物? 4. 如 何 增 加 糖 類 澱 粉 纖 維 素 的 含 量 首 先 應 先 了 解 糖 類 澱 粉 纖 維 素 的 生 合 成 途 徑 與 催 化 酵 素, 並 利 用 基 因 轉 殖 技 術 增 加 其 產 量 例 如 : 在 轉 基 因 阿 拉 伯 芥 植 物 中 抑 制 醣 解 相 關 基 因 表 達, 或 提 升 醣 生 成 相 關 基 因 表 達 可 以 提 高 蔗 糖 的 生 合 成 量 (-) (-) 醣 解 反 應 醣 生 成 反 應 (+) (+) (+) (-) 36 (+) 圖 片 來 源 :Principles of Biochemistry

37 如 何 利 用 生 物 技 術 創 造 最 優 質 生 質 物? 5. 如 何 加 油 的 含 量 與 品 質 首 先 應 先 了 解 油 脂 的 生 合 成 途 徑 與 催 化 酵 素 Acetyl-CoA caboxylase 催 化 機 制 脂 肪 酸 合 成 酶 的 結 構 37 資 料 來 源 :Principles of Biochemistry

38 利 用 蛋 白 質 工 程 提 升 酵 素 催 化 效 率 蛋 白 質 的 結 構 會 影 響 其 催 化 活 性 與 生 化 特 性, 因 此 我 們 可 以 利 用 電 腦 模 擬 蛋 白 質 結 構 的 方 式 找 出 蛋 白 質 的 活 性 中 心, 極 可 能 會 影 響 基 質 結 合 催 化 效 率 的 相 關 胺 基 酸, 進 行 directed evolution, 即 在 某 一 個 特 定 的 位 置 置 換 成 各 種 胺 基 酸, 以 篩 選 出 最 優 質 的 酵 素 假 絲 酵 母 菌 脂 肪 酶 中 LIP4 活 性 中 心 附 近 之 結 構 圖 38

39 基 因 工 程 創 造 最 優 微 生 物 以 生 產 生 質 酒 精 選 殖 出 功 能 性 基 因 ( 纖 維 素 分 解 酶 澱 粉 分 解 酶 乙 醇 脫 氫 酶 酒 精 耐 受 基 因 等 ), 以 基 因 轉 殖 技 術 異 源 表 現 於 Bacillus 表 現 載 體 中, 進 而 加 強 共 培 養 乙 醇 生 產 之 效 果, 使 達 成 -- 高 效 生 質 乙 醇 發 酵 系 統 - 之 製 程 39

40 台 灣 發 展 藻 類 為 最 佳 生 質 物 之 理 由 台 灣 四 面 環 海 適 合 大 規 模 的 海 藻 養 殖 以 海 藻 為 生 質 物 不 需 耗 費 土 地, 不 與 人 爭 地 不 與 人 爭 糧, 不 會 引 發 糧 價 的 飆 漲 以 微 藻 可 以 工 業 化 密 集 生 產 不 必 大 量 土 地 藻 類 可 累 積 油 脂 高 達 乾 重 的 60%, 這 些 油 脂 能 夠 藉 由 觸 酶 轉 化 成 生 化 柴 油 可 以 利 用 猪 糞 尿 為 氮 源 及 工 廠 CO 2 為 碳 源 達 到 減 廢 減 碳 並 產 能 藻 類 完 全 利 用 : 分 餾 多 元 不 飽 和 脂 肪 酸 可 生 產 機 能 性 食 品 殘 留 之 纖 維 素 可 用 以 生 產 生 質 酒 精 40

41 Microagal Biofuel Advantages Higher photosynthetic efficiency Larger biomass Faster growth Highest CO 2 fixation and O 2 production Easy industry culture Grown in variable climates and non-arable land including marginal areas unsuitable for agricultural purpose Use far less water than traditional crops Do not displace food crop cultures Production is not seasonal and can be harvested daily 41

42 42 Biotechnology Advances 25 (2007)

43 43 Biotechnology Advances 25 (2007)

44 44 Biotechnology Advances 25 (2007)

45 45 httpwww.inhabitat.com power-your-car-with-algae-algae-biocrude-by-livefuels

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49 Chlorella sorokiniana T-89 台 灣 嘉 義 地 區 水 田 分 離 出 來 的 一 種 單 細 胞 綠 藻 生 長 快 速, 易 於 大 量 繁 殖 及 可 在 38 度 以 上 生 長 且 含 小 球 藻 生 長 因 子, 及 高 度 不 飽 和 脂 肪 酸 及 醣 蛋 白 等 特 性 Freshwater algae ( 淡 水 藻 ) 培 養 於 TES-BG11,PH6.8 之 培 養 基 容 易 培 養, 生 長 迅 速, 單 位 面 積 的 產 量 遠 高 於 其 它 植 株, 以 及 能 有 效 利 用 有 機 碳 源 與 尿 素 的 優 點, 顯 示 這 類 藻 株 具 有 開 發 為 生 產 藻 株 之 潛 力. 油 脂 含 量 達 40% 亟 適 合 開 發 為 生 質 柴 油 之 生 質 物 49 min

50 Chlorella sorokiniana T-89 Chlorella sorokiniana reproduces at an extremely fast rate, renewing into four new cells in every hours, plants in hours. Chlorella sorokiniana T-89 could be cultured at high temperature. 50

51 Genetic improve oil production of Chlorella sorokiniana T-89 by Agrobacteriummediated transformation Mix with shaking 2days in 30 Plating the pellet and culture the T 89 for 10~11 days in 30 The overnight culture of Agrobacterium tumefaciens Genomic DNA PCR Selective medium With hygromycin and Carbancilin 51

52 Illumina GAII 小 球 藻 基 因 體 定 序 初 步 分 析 Total Read : 90,837,512 read Read Length : 36 x 36 Paired-end, insert 200 bp De Novo Assembly using Velvet Predict Genome Size of Chlorella sorokiniana T-89: 70 Mbp Total Contig Length: 53,598,346 Contig No. Contigs: 58, Contig N50: 1, Max Contig size: 15, Contig No < >10000 Total Contig Length :total length of all the contigs added together Contigs :number of contigs contained in a genome assembly Contig N50 :length of the contig containing the middle base of the genome 52

53 Illumina GAII 小 球 藻 cdna 定 序 初 步 分 析 Contigs: 4, Conting (no) Contig N50: 480 Max Contig size: 3, Conting (no) Predict functional genes: 1,435 Hypothetical protein: 815 None related seqence: 2, < ,000 1,000-2,000 2,000-3,000 >3,000 Predict functional genes include acetyl-coa carboxylase, 7-dehydrocholesterol reductase, triacylglycerol lipase-like protein, omega-6-fad, diacylglycerol acyltransferase.., lipid metabolic related proteins. 53

54 54

55 生 物 學 的 集 合 知 識 平 台 的 重 要 性 大 規 模 的 共 享 資 料 庫 蛋 白 質 表 現 模 擬 與 誘 導 的 技 術 資 料 庫 影 像 分 析 科 學 家 的 實 驗 驗 證 不 同 的 研 究 機 構 不 同 的 實 驗 室 模 擬 與 誘 導 共 享 的 技 術 資 料 庫 調 節 網 路 模 擬 技 術 分 子 機 制 模 擬 技 術 質 譜 分 析 資 掉 分 析 / 還 原 數 據 電 腦 化 及 資 料 庫 建 立 工 作 流 程 的 管 理 蛋 白 質 表 現 分 析 影 像 分 析 技 術 分 子 動 力 學 模 擬 質 譜 分 析 技 術 資 料 來 源 :GTL 55

56 永 續 生 物 能 源 人 類 發 展 永 續 化 石 能 源 日 漸 枯 竭, 亟 需 發 展 乾 淨 安 全 有 自 主 性 的 永 續 能 源 生 物 能 源 之 二 氧 化 碳 淨 排 放 量 為 零, 可 減 緩 溫 室 氣 體 所 造 成 的 威 脅 具 乾 淨 安 全 有 自 主 性 的 永 續 發 展 等 特 性 利 用 生 物 技 術 發 展 出 最 佳 生 質 物 發 展 可 快 速 生 長 高 生 質 物 產 率 抗 環 境 壓 力 ( 耐 旱 耐 鹽 抗 病 蟲 害 等 ) 之 優 質 生 質 物, 使 其 在 廢 耕 地 種 植, 並 發 展 以 農 業 廢 棄 物 為 生 質 物, 避 免 與 民 爭 食 跨 領 域 結 合 : 農 業 生 物 工 程 行 銷 法 律 等 各 方 面 人 才, 發 展 具 經 濟 性 之 永 續 生 質 能 源, 以 確 保 人 類 的 永 續 發 展 56

57 Acknowledgment 中 興 大 學 陳 玉 婷 博 士 吳 耿 東 博 士 57

58 10000 Hectares Location 8,269 Taipei Taichung nchu 1 Campus Experimental farms Experimental Forests Kaohsiung 58

59 沿 革 與 現 況 沿 革 創 校 迄 今 90 年 國 內 歷 史 最 悠 久, 規 模 第 三 之 國 立 綜 合 研 究 型 大 學 現 況 教 學 研 究 單 位 : 文 農 資 理 工 獸 醫 生 科 社 管 共 7 學 院, 及 六 大 頂 尖 跨 領 域 研 究 中 心 等 專 任 教 師 :810 人 學 生 總 數 17,074 人 : 博 士 班 1,714 人 碩 士 班 4,911 人 大 學 部 10, 449 人 59

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