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
能 源 現 況 再 生 能 源 生 質 能 源 Source: ORNL 2
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
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
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
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
納 莉 風 災 (2001) 桃 芝 風 災 (2001) 莫 拉 克 風 災 (2009) 7
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
United states patent 19
聯 合 報 記 者 喻 文 玟 台 中 報 導 2008.02.27 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
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
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
Akoh et al. 2007 J. Agric. Food Chem. 55, 8995 9005. 23 23
Shaw et al. 2008 Energ. Fuel. 22, 840 844 24 24
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
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
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 40-50 45-50 49.9 31 34 45 36.4 37 34.2 38.2 半 纖 維 素 木 質 素 24-40 18-25 25-35 25-35 20.4 18.1 24.4 17.6 28 19 35 15 22.6 16.6 29 19 24.5 23.4 24.7 23.4 資 料 來 源 : 美 國 能 源 局 27
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 Biotechnology Advances 25 (2007) 294 306
43 Biotechnology Advances 25 (2007) 294 306
44 Biotechnology Advances 25 (2007) 294 306
45 httpwww.inhabitat.com20071022power-your-car-with-algae-algae-biocrude-by-livefuels
http://science.howstuffworks.com/algae-biodiesel3.htm 46
47 http://northbynwa.com/2008/04/24/the-power-of-pond-scum-biodiesel-andhydrogen-from-algae/
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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
Chlorella sorokiniana T-89 Chlorella sorokiniana reproduces at an extremely fast rate, renewing into four new cells in every 13 24 hours, plants in 20-40 hours. Chlorella sorokiniana T-89 could be cultured at high temperature. 50
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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 + Genomic DNA PCR Selective medium With hygromycin and Carbancilin 51
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: 58,294 30000 Contig N50: 1,763 25000 Max Contig size: 15,525 20000 15000 Contig No. 10000 5000 0 <200 200-1000 1000-5000 6000-10000 >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
Illumina GAII 小 球 藻 cdna 定 序 初 步 分 析 Contigs: 4,347 10000 Conting (no) Contig N50: 480 Max Contig size: 3,565 8000 6000 7976 Conting (no) Predict functional genes: 1,435 Hypothetical protein: 815 None related seqence: 2,097 4000 2000 0 644 22 36 8 <200 200-1,000 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
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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
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
Acknowledgment 中 興 大 學 陳 玉 婷 博 士 吳 耿 東 博 士 57
10000 Hectares Location 8,269 Taipei 100 53 33 Taichung nchu 1 Campus Experimental farms Experimental Forests Kaohsiung 58
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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