工程業的宏觀與微觀

人類未來的能源將有相當一大塊寄託在微生物上，因無論是第一、第二或第三代的生質能源（Biomass energy），很大一部分都是以植物和有機物利用微生物進行分解，發酵及轉化等作用而製取的。

亙古以來，這種微小而看不見的微生物延綿久遠，無所不在，可生存於火山口、乾旱、酷寒、高溫、濃鹽……的環境。研究者甚至在馬里亞納海溝（其最大深度為海平面下10,911公尺）深處及放射性廢棄物中，或太空梭上發現到不同的微生物蹤跡。

微生物概可分類為：細菌（Bacteria）、古菌（Archaea）、真菌（Fungi）、原生生物（Protozoan）、藻類（Algae）、病毒（Virus）、類病毒（Viroid）、擬病毒（Virusoid）、朊毒體（Prion）……等等，其大小為0.8～1,000μm不等，1μm = 10–6m。

一提及此，都會令人不寒而慄。細菌會讓人聯想到沙眼、結核病、痢疾、瘧疾、白喉、破傷風、傷寒、霍亂、淋病、梅毒、炭疽病、鼠疫（黑死病）。而病毒的牽涉更及於流感病毒、H1N1（A型流感）、H7N9（禽流感—亞型）、H5N1（A禽流感）、諾羅病毒、天花、水痘、麻疹、小兒麻痺、日本腦炎、SARS（嚴重急性呼吸道症候群）、愛滋病（AIDS，HIV病毒）、輪狀病毒、帶狀皰疹、B型肝炎、狂犬病、狂牛症、登革熱、禽流感、伊波拉病毒、Mers（中東呼吸症候群）、茲卡（Zika）乃至如鼻咽癌、子宮頸癌、肝癌等的腫瘤肇因病毒。

其實，多數的微生物對人類及生物是無害的，在人類的身體就存在著大量的有益菌群（一個有趣的數字，你身體內有益及有害的細菌總數，是你身體內細胞總數的4倍，甚至有一說是10倍），產生天然抗生素，抑制有害菌的著落與生長，且能協助產生如維生素和胺基酸等營養物。許多細菌也是獨有的氮的轉換者，使氮轉換為生物能利用的型式。所以，有的微生物固然是生物的天敵，但也有的是不可或缺的良友。

人類很早就就利用細菌發酵做出了各種食品，如：茶葉、醬、醬油、味噌、酒釀、米酒、葡萄酒、啤酒、穀類酒、醋（米醋、水果醋）、麵包、饅頭、優格（包括優酪乳，養樂多）、乳酪、火腿、豆腐乳、臭豆腐、泡菜、酸菜、味精、某些咖啡與巧克力。而在工業上，如採礦、水淨化、沼氣發酵、製革、紡織、石化，以及藥品如：抗生素、疫苗（利用細菌及病毒製造疫苗而產生免疫反應）、胺基酸、葡萄糖、維他命、酶製劑、生態農藥（Biological pesticide）、食品添加劑等等，利用微生物的酶催化及代謝作用而製成。若沒有微生物，眾多生物就失去必需的營養來源，細菌也是生物死亡殘體的降解者，否則，地球上將堆滿汙穢與垃圾。

在此對臺灣人與日本人喜愛的一些與細菌發酵有關的食品及藥品，國人赴日都愛購買，介紹如下，希勿亂服：

紅麴─若是作為醫藥服用，紅麴膠囊含紅麴菌素K（Monacolin K）具有降低膽固醇，尤其是降低LDL（低密度膽固醇）的作用；如膠囊含有GABA（佳保），則有降低血壓、舒解壓力及助眠的功能，但服用都一定要遵照醫囑，因為已服用的藥物可能與紅麴產生加成的作用，會加重肝與腎的負擔，而且必須是衛生署通過的紅麴膠囊。如屬食品，紅麴也就是我國的紅糟，如福州人常吃的紅糟魚、紅糟肉，是以蒸煮過的米，加入紅麴菌，經過7～9天的生長發酵後乾燥而成，但製造的過程、溫度、水分、時間都有要求，否則易感染紅麴毒素（Citrinin），故食品應為TQF（臺灣優良食品發展協會）或CAS（臺灣優良農產品發展協會）認證的工廠出品。許多水果如葡萄柚、蘋果、山渣都含有紅麴相似的成分，不宜多與藥物或食品重複食用，孕婦與肝腎的病患也不宜食用。

納豆激（Natto Kinase）─是將黃豆洗淨、浸漬、蒸煮，加入納豆發酵菌，經深層發酵後冷藏，產出的帶有黏性與獨特氣味的食品，因含有天然的血栓溶解酵素，後命名為納豆激酶，是納豆發酵後產生的天然蛋白酶，且被認為無論是阿斯匹靈、魚油、紅麴、銀杏、維他命E等僅能預防血栓，但納豆激酶兼具預防及改善溶解血管中已形成的血栓，一般尿激酶的抗血栓藥品只能在體內維持幾十分鐘，而納豆激酶每日服用2,000～4,000FU（Fibrin unit）能在體內作用8～12小時，可以降低血液中纖維蛋白原所引起的血栓性疾病，如膽固醇過高、高血壓、動脈粥狀硬化、靜脈曲張、視網膜中心靜脈堵塞、痔瘡、老人癡呆、腦心血管栓塞、心絞痛及梗塞等病症。但下列狀況不宜食用：消化性潰瘍、痔瘡出血，及手術、拔牙、胃腸鏡檢查前一週，低血壓或貧血嚴重，孩童、孕婦及哺乳、女性經期，與防凝化物或同效成分如上述阿斯匹靈抗血栓藥劑、魚油等並服，以免出血惡化。選購應有權威機構認證，如JNKA，即Japan Natto Kinase Association，日本納豆激酶協會，且應遵醫師指導。

朝日愛表斯錠（ASAHI EBIOS）─含乾燥酵母、磷酸氫鈣、天然啤酒酵母，可以幫助乳酸菌（Lactobacillus）等益生菌生長環境，改善消化不良、食慾不振。酵母含有豐富的維他命B1、B2、B6、蛋白質、礦物質、葡聚醣、核酸和食物纖維，每日劑量應有7,125mg。

新表飛鳴（武田藥廠）─主要成分為比菲德氏菌（B. bifidum）、糞鏈球菌（S. faecalis）、嗜酸乳桿菌（L. acidophilus）等益生菌，可以抑制腸道中壞菌的增生，緩解軟便及腹脹、便秘（Constipation），如無這些症狀，建議不要隨意服用。

若元錠（Wakamoto）─膚色包裝為胃腸錠，主成分為米麴菌（含六種消化酵素）、啤酒酵母、糞鏈球菌，同時具有消化、整腸、營養的功能，但單一劑量分別較EBIOS及新表飛鳴為低。白色包裝為整腸藥，主要成分為比菲德氏菌、龍根菌（Longum）、嗜酸乳桿菌等乳酸菌（益生菌），功能接近新表飛鳴，用於軟便、便祕的改善，如無此症狀不宜使用。

細菌發酵在生質能源中具有很可觀及可期望的潛力，也是解決全球暖化的一大契機。全球暖化來自溫室效應，我們在此宜對其做一次說明。

地球外圍覆蓋著大氣層，它能夠吸收太陽的輻射熱，但也能將熱能輻射至太空外，因為吸收的輻射分量略大於釋放至外太空的分量，此稱為「天然的溫室效應」。若沒有此溫室效應，地球表面的溫度會低於–18℃，而不能維持在現在的平均溫度15℃。大氣層主要的溫室氣體，即阻止輻射回返至太空的氣體，包括了CO2（55%）、CFCs（氟氯碳化物，24%）、CH4（15%）、N2O（Nitrous Oxide，笑氣，6%）、O3（臭氧）等。至於Steam雖然存量甚大，但因可凝結成水，故不被認為是肇因氣體。在過去的10,000年間，地球平均溫度只上升了2℃，但在過去的100年來，地表溫度上升了0.3～0.6℃，海平面則持續上升了10～15公分。自工業革命後，人類大量地使用礦物燃料（煤、石油、天然氣）作為（如發電、汽車、飛機、鐵路等）動力之能源，以及生活逐漸優裕，大量的工業生產及動植物養殖，大量開發使森林消失、生態巨變、垃圾增加，焚燒及森林大火頻生，在在使得溫室氣體高漲，CO2濃度增加了幾乎30%，科學家預測到2100年時，地表溫度將較現在增加1.5～5.8℃，海平面將上升15～90公分，這時全球生態環境及氣候，將有深遠及難以預測的影響，這種「非自然的溫室效應」可能造成：

1. 水蒸發加速，各地區降水型態將改變，不正常大雨強風處則易澇，而長久乾旱處則趨向沙漠化。

2. 植物、農作物的分布及生長力變異，生長終將受限制，破壞生態環境及生態平衡。

3. 海洋暖化、海平面上升、窪地海水倒灌，地球1/3海岸周圍人口遭受生存的威脅。

4. 糧食、食物、水源、魚獲量供應失調，引發國際社會經濟的動盪。

5. 各地氣候失常，某些地區冷且更濕冷，某些地區夏季更乾熱，某些地區則更濕熱，聖嬰成為常態。

6. 南北極冰山融解，荷蘭、曼谷、東京將被淹沒，孟加拉可能消失，氣候變熱使人類抗病能力降低，引發生物大遷徙，如腦炎、狂犬病、登革熱、黃熱病、過敏症及各種病毒等，將大肆漫延流行。

早期第一代生質能源是利用大豆、玉米、薯類、小麥、甘蔗、甜菜、油菜、棕櫚等的碳水化合物，如澱粉及糖分或脂質經過水解作用使其成為多醣─Polysaccharide（(C6H10O5)n），再在厭氧的條件下以生物發酵的過程使其經單醣─Monosaccharides（(CH2O)n）再轉為酒精（Alcohol，乙醇，Ethanol, C2H5OH），亦即利用酶與酒精酵母菌的作用，將葡萄糖─Glucose（C6H12O6）轉化製造酒精，而後再大力提升其濃度成為燃料，其濃度的提升可利用分子篩法（Molecular sieve）或蒸餾萃取法（Extractive distillation）達成。這是早期的生質能源，其對二氧化碳的消簡功能較小，但在地球上仍有大量饑餓人口的同時，這種與糧爭地、與糧爭水、與糧爭肥料、與糧爭資源的作法，對美國、巴西這樣地廣人稀的國家也許可以接受，但對臺灣或日本而言，應屬於不適當。在中國也會有很多爭議，因中國同時是糧食與能源的進口大國。

較先進的第三代科技是，在海洋經濟水域、海岸、戶外池塘或生物反應器，養殖快速生長的藻類（如龍鬚菜、石蒓、馬尾藻、石花菜、海帶等綠藻、紅藻、褐藻及微藻），餵養海水與大氣中（排放）的二氧化碳，可降低溫室效應與海水酸化，其所產出的藻油（Algae oil）及藻類多糖（Algae polysaccharide），以各種分解（水解）酵素將多糖降解為單糖，如葡萄糖或木糖─Xylose（C5H10O5），經過微生物、細菌、酵母菌可代謝的過程，作為產製生質柴油、生質乙醇、沼氣（CH4，甲烷）、生質氫氣（Bio-H2）等能源，以及其他高附加價值產品。這應是保護環境及長治久安的綠能與生質能源（Bio-energy），其中多糖降解為單糖的產出率有待突破，以決定其成本影響之所在。

日本與丹麥在此生質能源領域較為領先，紐西蘭、澳洲、美國、加拿大、英德法與北歐國家都有相當發展。臺大、成大、逢甲、工研院、中油、臺糖、臺肥與海洋大學的專屬研究所，也在進行這類實驗。在Google可找到一篇文獻：〈生產生質酒精目前及未來的研究簡介〉，作者陳衍昌，國立臺灣海洋大學臺灣藻類資源應用研發中心，有興趣的讀者可前往Google查閱，可惜一些關鍵數據，因申請專利由作者以X號取代，盼望臺灣這海島國家，能在此領域發揮出光熱來。

中國對利用糧作物的積稈（臺灣也叫梗或莖，如玉米梗、高梁梗、稻莖、小麥莖）為原料，而攝取生質能源稱之為第二代生質能，處於積極研發的情況，因中國積稈量每年產量達7～8億噸，如予以直接燃燒其熱效率僅有10%，且產生大量汙染和CO2。光合作用是植物及藻類和某些細菌利用光能將二氧化碳、水或硫化氫（H2S）轉化為碳水化合物，成為其養分，使其逐漸成長，其中一部分儲存於積稈中，如利用積稈氣化集中供氣、積稈發酵製沼、積稈發酵製燃料酒精、積稈壓塊成型及炭化種種技術，使其成為再生能源的價廉底質。

中國已研製將積稈、木屑、玉米稈、棉花稈適度地分散解熱，轉化為生質油，產油率可達到50%以上。積稈富含纖維，他們也研發了採用酸水解（Acid hydrolysis）和酶水解（Enzymatic hydrolysis）相結合的工藝處理技術，對積稈中的木質進行破壞和去除，然後分步發酵產生乙醇，使積稈原料的轉化率超過18%以上。另外，引進南非金山大學的生物製氫技術，採用甜高粱稈、玉米稈，利用厭氧發酵製取氫氣，是植物纖維素製氫的經濟且環保的利用方式。積稈的主要成分為纖維素和半纖維素，利用化學或生物技術轉化為可溶性糖，然後利用微生物發酵將可溶性糖轉化為有機酸等化工原料，除了廢物的資源化利用及發展外，同時極有助於環境汙染的改善。第二代生質能源的產製過程概分為三個階段：

1. 預處理：以氣爆、濕氣化、稀酸法，或上述綜合法，將纖維素、半纖維素、木質素予以破壞，使之鬆散以利於後繼製程（預處過程耗能量較大具關鍵產製性能）。

2. 水解：以酶法、酸法，使上述預處料化解為六碳糖（Hexose, C6H12O6，有多種類如葡萄糖—Glucose，果糖—Fructose，半乳糖—Galactose，甘露糖—Mannose等同分異構物）；另有五碳糖（Pentose, C5H10O5，如核糖—Ribose，去氧核糖—Deoxyribose，木糖—Xylose）。

3. 發酵：以優選菌種對糖類進行發酵，生產酒精。

對上述第三代的海藻發酵，也在中國各大學及研究單位尋求突破。我看過一篇浙江大學碩士論文，研究者夏天虹，於2013年3月完成的文獻〈大型海藻（海帶）提取生物質能源的實驗研究〉。雖不能代表全中國的研究範圍與水準，但也可表示某一方面的努力。其全文數十頁，在「豆丁網」完全刊載，有興趣者可以點入參閱。在此我僅將其前導文節錄如下供您分享：該文係以海帶（屬褐藻，碳水化合物占乾重的51.32%）為原料，採用厭氧發酵菌（Anaerobic fermentation zymocyte）製取生物乙醇與甲烷（沼氣）的實驗研究。

人類未來的能源將有相當一大塊寄託在微生物上，因無論是第一、第二或第三代的生質能源（Biomass energy），很大一部分都是以植物和有機物利用微生物進行分解，發酵及轉化等作用而製取的。

亙古以來，這種微小而看不見的微生物延綿久遠，無所不在，可生存於火山口、乾旱、酷寒、高溫、濃鹽……的環境。研究者甚至在馬里亞納海溝（其最大深度為海平面下10,911公尺）深處及放射性廢棄物中，或太空梭上發現到不同的微生物蹤跡。

微生物概可分類為：細菌（Bacteria）、古菌（Archaea）、真菌（Fungi）、原生生物（Protozoan）、藻類（Algae）...

前言
第一章　未來生質能源的兩大要項一細菌發酵和熱裂解
第二章　HSLA-80, HSLA-100, HSLA-115一艦艇建造用鋼材
第三章　幾個巨大的工程一在構建中的及已完成的
第四章　頁岩氣及頁岩油一能解決天然氣與石油的問題？
第五章　海水淡化及光電與風電的能耐？
第六章　話說高速鐵路一兼論一帶一路
第七章　雙相不鏽鋼一以2205及2507為常用代表
第八章　鋁、鈦、稀土金屬一戰略金屬材料
後　記

前言
第一章　未來生質能源的兩大要項一細菌發酵和熱裂解
第二章　HSLA-80, HSLA-100, HSLA-115一艦艇建造用鋼材
第三章　幾個巨大的工程一在構建中的及已完成的
第四章　頁岩氣及頁岩油一能解決天然氣與石油的問題？
第五章　海水淡化及光電與風電的能耐？
第六章　話說高速鐵路一兼論一帶一路
第七章　雙相不鏽鋼一以2205及2507為常用代表
第八章　鋁、鈦、稀土金屬一戰略金屬材料
後　記