農業廢棄物作為綠色材料的再利用與應用：材料世界網

黃一城、鄭光成 / 臺灣大學生物科技研究所

農業與食品工業每年產生大量的廢棄物，這些廢棄物通常富含蛋白質和多醣，經常被丟棄或用於動物飼養。本文介紹了許多不同的農業廢棄物與其不同的再利用方式，來增加農業廢棄物的價值，如使用榴槤皮、芋頭廢料與甘藷廢料作為纖維素、活性炭與乙醇生產的原材料。利用常溫電漿技術來降解農業廢棄物(例如：甘蔗渣、鳳梨皮)產生的有毒物質，並作為生產細菌纖維素與乙醇的替代營養物。將農業廢棄物與聚丙烯等物質結合製成一種可緩慢釋放營養物質的固定化載體，可重複分批發酵，增加目標產物產量與產率，同時降低生產成本，可用於生產麴酸、細菌纖維素與魯蘭多醣。也將農業廢棄物與3D列印技術結合，製成一個可重複使用的固定化載體來生產乙醇與乳酸菌肽。農業廢棄物的再利用除了可以降低成本還可以增加產物，已成為目前的趨勢。

【內文精選】

常溫電漿

本團隊近年來也與國家太空中心吳宗信主任團隊與工研院機械與機電系統研究所電漿單元團隊合作，主持人鄭光成教授並於2016年至美國Rutgers大學國際學院院長Mukund Karwe之實驗室與Drexel大學電漿中心訪學，成功導入常溫電漿技術，有效降解農業副產品水解過程中產生之有毒物質，如Furfural、Formic Acid、Acetic Acid及Hydroxymethylfurfural (HMF)等，顯著提高微生物之存活率與提升其生產細菌纖維素或生質乙醇之產率，對於富含纖維素或澱粉質之大宗農業(食品)副產品與廢棄物(如咖啡渣、甘蔗渣、鳳梨皮與芋頭外殼等)，提高其再利用價值並促進循環經濟。

常溫電漿是一種大氣冷等離子體(Atmospheric Cold Plasma; ACP)，是物質的第四種狀態，與固體、液體和氣體一樣，由高能帶正電的離子、電子和中性粒子(原子、分子和自由基)組成。熱等離子體由於溫度高、能量密度高，具有很強的破壞能力，適用於降解有機、醫療、電子、放射性等各類廢棄物；而與熱等離子體相反，非熱等離子體是指在大氣條件下產生低溫粒子，如帶電粒子和自由基，由於其低溫特性，非熱等離子體也被稱為大氣冷等離子體。ACP在廢物管理、材料改性、醫藥和農業等其他領域受到許多關注，因為其相對安全，對運營流程和成本降低具有貢獻。

塑料複合支架(PCS)

本研究團隊透過利用農業副產品開發出多種固定微生物細胞或酵素的載體，並應用電紡絲和電漿加工處理技術，成功將微生物細胞或酵素固定在載體上(圖二)，以用於生物轉換。一些成果包括：使用固定化根黴菌和β-葡萄糖苷酶將豆奶中的異黃酮去除醣基，增加人體吸收率；將固定化的漆酶用於銀杏酸的降解；固定化乳糖酶分解牛乳中的乳糖，減輕乳糖不耐症患者的不適感。塑料複合支架(Plastic Composite Support; PCS)由聚丙烯、農業廢棄物和微生物營養素組成，作為理想的固定支架，解決了生物反應器中的質量傳導問題。透過PCS中的氮緩慢釋放，可以維持高濃度的生物量，生產力也因此得到提高。

圖二、塑料複合支架(PCS)固定化生產麴酸

農業廢棄物

在乙醇生產方面，我們評估和優化了以含有大量澱粉殘留的芋頭皮組成的芋頭廢料(Taro Waste; TW)作為主要碳源的培養基，來培養嗜酸乳桿菌。結果顯示，最佳培養基為包含170 g/L的TW，約100 g/L的葡萄糖和9 g/L的CGM作為替代氮源。同時，糖化和發酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation; SSF)顯示出比分離水解和發酵(Separation Hydrolysis and Fermentation; SHF)更高的生物乙醇生產率。在SSF的最佳條件下，以40˚C下接種5%的Kluyveromyces marxianus K21培養22小時，可以獲得最大乙醇濃度(48.98 g/L)和生產率(2.23 g/L/h)。在5升生物反應器中，K21仍然保持其生產能力，培養20小時後可獲得43.78 g/L的乙醇(生產率為2.19 g/L/h)，相當於94.2%的理論乙醇產率。

3D列印

綠色複合材料的3D列印目前受到越來越多的重視和關注。以成本較低的填料來製備可生物降解的聚合物基複合材料，可降低成本和環境影響，同時不損害可加工性和機械性能(圖三)。有研究發現從榴櫣皮廢料中提取的羧甲基纖維素(Carboxymethyl Cellulose; CMC)，是3D列印中印刷材料的天然聚合物，可以作為擠出型3D打印機的3D打印材料之一。也有實驗室開發出將稻殼和再生聚丙烯作為複合的3D列印原料。研究也發現番茄木質纖維素、廢棄蟹殼等農業廢棄物可以作為3D列印的原料，甚至打印出來的物件具有更優異的機械性能和改善的結晶度 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。