學術園地 |
應用黑水虻生物精煉技術將農畜剩餘資材轉換為高附加價值產品
畜產試驗所新竹分所 梁世祥、王思涵 |
財團法人農業科技研究院動物科技研究所 李孟寰、王雅鵬、林寅申 |
中山醫學大學醫學檢驗及生物技術學系 賴雯玲 編譯 |
全球經濟的快速擴張、人口增加與生活水平的提高,對糧食、飼料和生物燃料的需求相應增長。為滿足供給需求能達到平衡,農業生產在2050年時,必需實現在2012年的基礎上增產近50%,這對環境生態將造成極大負擔,未來面臨的關鍵挑戰就是用較少的投 入,生產出較多的產品。透過有效率的生物精煉技術,將農畜剩餘資材轉換為可循環再利用的高附價值產品,能夠兼顧農畜生產、資源再生與環境保護,創造三贏的永續經營目標。
生物精煉是將生物質(biomass)藉由生物轉化為其他各種產品或加工原料的轉換過 程。生物精煉的概念其實與石油精煉概念相似,其中最大的差異在於石油精煉是以石油或天然氣作為原料,得到燃料和化學原料,生物精煉則是以生物質為原料,得到的產物依其附加價值從高到低,分別可以製成生醫材料、藥品、化學品、食品、飼料添加物、飼料、肥料、燃料或能源等,例如創傷敷材、抗菌胜肽、黑色素、月桂酸、昆蟲蛋白、幾丁聚醣、土壤改良資材或生質柴油等。
黑水虻生物精煉產業的產業鏈涵蓋範圍極廣,從上游的生物材料培養飼育技術改良和生物質收集與初級處理,中游的製程環境控制和轉換技術與效率化操作管理,最後是下游產物的加工製造與產品包裝,都是生物精煉產業不可缺少的環節(圖1),分述如下:
一、 |
生物材料培養飼育技術:應用黑水虻做為生物精煉的生物材料,黑水虻培養飼育,是為了確保其最終產品的產量與品質穩定,在生物精煉效率上,追求富含蛋白質或 脂肪的黑水虻品系,能提昇整體的產業效能,使能達到符合預期的生物精煉成果。 |
二、 |
生物質原物料準備:生物質原物料具有分布範圍廣、含水量高、密度低等特性,由 於水是生物精煉產品較不需要的,會導致源頭的原物料收集、運輸和儲存成本增加,如何降低成本,提高生物質材料的密度,將是黑水虻生物精煉產業能否發展的關 鍵課題。為了提高原物料的密度,會對原物料進行前處理,包括固液分離(solid-liq- uid separation)、固形物切碎或磨碎(solids grinding or chopping)和脫水或混拌( dehydrating or mixing)處理,如此可有效提高原物料密度,同時達到大小、形狀和含水量等各方面更均質一致的原物料,有利後續的黑水虻轉換效率製程。在前處理的固液分離、固形物粉碎均質化與脫水混拌的操作,理想狀態都是在原物料產生的現場進行前處理,達到提高原物料密度之後再運送,能有效節省運輸和儲存成本。這當中仍有許多細節需要進一步考量,包括場地、處理和水電等資源成本等,不同的製程規劃代表不同的成本支出比重,需要視現況彈性考量。由於農畜剩餘資材的供應,有季節性的變化,為了確保原物料來源穩定,應設計有原物料存貯量,在質變 與產能穩定之間尋求平衡,所以原物料的暫存也是需要考慮的課題。 |
三、 |
製程環境控制:生物材料由於保有生物原有特性,特別是昆蟲屬於無脊椎的變溫動物,對環境溫度變化尤為敏感,因為在整個製程中環境條件的控制,也與生物精煉效率能否穩定可控的基礎。 |
四、 |
轉換技術與效率化操作管理:黑水虻生物精煉管理操作,採用不同的方法,會得到 不同的附加效應,像是在全球暖化潛勢(Global Warming Potential,簡稱GWP)上,第一代的槽式養殖管理,就會較第二代的立體化養殖管理,有較多的直接溫室氣體 排放,GWP的影響也較大,透過科學化的管理操作,能提昇生物精煉效率,保證場域與下游產品的衛生安全,是核心重要環節。 |
五、 |
產物的加工製造與產品包裝:藉由振動過篩分離後,得到黑水虻幼蟲與虻肥兩個高附加價值副產物,幼蟲可以精煉動物性脂肪或動物性胺基酸,做為生質柴油料源或是做為餌料應用,虻肥可做為土壤改良資材,或做為堆肥再利用。其它如蛹殼可做為萃取幾丁質原物料,可做為飼料添加物或工業、農業、生醫美容領域的各種產品原料。產品依其附加價值進行相應的包裝展示,達到運輸與品質保存,維護其應用功能與價值。 |
黑水虻生物精煉產業,預期將衝擊現有的資源回收再利用處理業、飼料養殖業、肥料製造業與生質能源產業,未來更可能擴大影響工業、農業、生醫美容或其它產業,透過生物精煉技術,可以完善農畜剩餘資材的再生循環,產品再利用於農業和工業循環,徹底消除廢棄物的產生,重新鏈結現有的上中下游相關產業,為農畜產業創造永續經營 的技術基礎,歡迎認同農業新藍海的業者,與畜試所一同開創新生物經濟產業。
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圖1.黑水虻生物精煉技術。 |