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特稿2

新農業: 糧食、能源、科技
石家興

  20世紀將近結束前,曾有許多關於農業的討論,如農業發展方向在哪裡?21世紀農業趨勢是什麼?雖然農業是歷史最悠久的產業,它的發展卻好像沒有跟上社會的腳步。當時,農業經濟學家曾提出四大趨勢:
  第一,商業化(Commercialization)。農業將從勞力為主的小型農戶轉型為資本與技術為重(capital and technology intensive)的大型農業,越來越需要大規模的經營,才能降低糧食價格、滿足膨脹人口的需要;小型農業則被大型農企業整合為“一條龍”產業,在歐美稱之為垂直整合(vertical integration),經營者以成本、利潤、效率為考量,以養雞業為例:由飼料、種雞、飼養、屠宰、加工、上市、甚至到快餐,全部由一個公司完成,以降低成本,達到最高效率。農業既已商業化,就免不了造成公司與公司、地區與地區間的競爭,政府的保護勢微,企業影響增強。同時,家庭農業轉型為鄉村風格的休閒農業。
  第二,國際化(Internationalization)。農產品不再是一個國家自己享受,全球市場和國際貿易越來越重要,如以色列的橘子行銷全歐洲,在臺灣能吃到各國的蘋果,臺灣蘭花也可能像電子產品一樣暢銷全球,甚至WTO、FTA及國內討論的ECFA都是熱門議題。地區性的共同市場(common market)將扮演重要角色,達到調和保護的目的,同時在市場、價格、技術發展方面,大型跨國農企業將舉足輕重。
  第三,重視科技(Science and Technology)。特別是生物科技(biotechnology)的發展已在醫藥界掀起革命,在農業界也將大展身手;基因轉殖(GMO)及非基因轉殖(non-GMO)產品爭論不休,但面對世界人口壓力、耕地面積減少,要解決糧食問題,不用GMO 也難。科技發展出的智慧產權,如專利等,也像工業界一樣將刻意保護,知識性農業(knowledge-based agriculture)日受重視。
  第四,環境保護(Environmental Protection)。由於大量開發農地,造成水土流失;濫用化學肥料、殺蟲劑及殺草劑,嚴重污染環境;大型養殖場對動物廢料處理不當汙染空氣、土壤與水源。要解決上世紀所留下的問題,必須開發有利於環境(environmentally friendly)的經營新方式、新技術和新產品。
  第五,21世紀開始不到10年,石油價格飆升和地球暖化,造成全世界的緊張和警惕,於是挹注龐大經費,開發非化石的清潔能源,以避免被石油綁架,並可降低排放二氧化碳。目前發展最快的有太陽能、風能、及生質能。生質能包括生質酒精(bioethanol)、生質柴油(biodiesel)和生質沼氣(biogas)。生質燃料的最大好處就是碳平衡,所有動植物體的碳元素皆來自於大氣中的二氧化碳,經光合作用而固定,經呼吸作用或燃燒後,再回歸大氣層循環。農業既有大量的農畜廢料,又能生產能源作物,也只有農業系統才能大規模地生產、倉儲、運輸,來供應能源的需求量。要開發生質能源,沒有農業參與是無法成功的,因此,應該將能源生產(Energy Production)列為新世紀農業第五大趨勢。

沼氣能源
在無氧環境下,有機廢料經過水解變成小分子,透過小分子之間的分解轉換,最後由甲烷菌生成甲烷和二氧化碳的混和氣體,俗稱沼氣,沼氣含60~70%甲烷,是可燃燒的氣體能源。
30年前,我們在實驗室建立了小型沼氣瓶,有系統地進行試驗,為了找出由雞糞料生產沼氣的最佳條件,最後發現,在高溫(50~60℃)下,出氣率非常高,甚至在瓶內即可看見微細氣泡冒升,其出氣率是中溫(30~40℃)的3~4 倍,常溫(10~20℃)的10~20 倍。換句話說,同量的廢棄物,能用較小的消化槽進行反應而達到高產氣率;因此在工程上,消化槽的建造成本可以減少很多,而且較小的槽體,熱散失率亦較低。若用實驗室的結果來估算,100萬隻蛋雞的農場,其每日產生約100噸廢棄物,則每日可以產生12,000 度電(kWh),一年約可產生400 萬度的電。中國近日建造的超大型沼氣廠,位於北京德青源生態園區,利用300萬蛋雞的廢棄物發電,每年可產出1,400 萬度電,與實驗室數據依比例量化後相當接近。
臺灣早期將紅泥塑料袋設在猪舍旁邊坑內,將猪糞料沖入袋內,自上方抽出沼氣,另一端流出反應後廢水,因為簡易,當年風行一時,只是常溫發酵,效率不高。在臺南的畜產試驗所,曾將一紅泥塑料袋裝置在車頂,充氣後一個袋子約可跑7 公里(圖1)。現在瑞典的公共汽車已使用生質沼氣作燃料,在中國的某城市正在建造大型沼氣廠,集中處理全市的垃圾、人畜糞料、食物廢料及汙水,產生的沼氣純化後,利用地下管道輸送至全市各處加氣站,供應所有汽車燃料;如果成功,這將是第一個城市清潔能源。

圖1:將一袋紅泥塑料裝在車頂,充氣後可跑7 公里。

1981-1884 年,我們曾建造一座高溫沼氣槽,又稱高溫厭氧消化器(thermophilic anaerobic digester, 簡稱 TAnD),連接一座雞房(有4千隻蛋雞、每日產生400 公斤雞糞),設計為推塞式,也用紅泥塑膠袋,採高溫操作(圖2),目的在試探實驗室成果擴大的可行性,使用3年即達到與相近實驗室的結果,證實了高溫沼氣正確可行,也對以後建立更大型的發酵系統帶來信心。

圖2:1981-1884 年建造的高溫沼氣槽,經3年實驗,證實高溫沼氣可行。

農場上有了較大型的TAnD,便可研究其他副產品的利用,包括了沼液及沼渣。我們挖了兩個魚池,將吳郭魚苗放入魚籠飼養,將沼氣發酵後所產生的沼液導入其中一池,對照池不加沼液,由於沼液含豐富養分,池水碧綠,5月魚肥,不含沼液的對照池則是無藻、無草、魚苗細小(圖3&圖4)。將沼渣乾燥後進行分析其營養成分,含粗蛋白質(10%)及多種B群維生素,其中B12含量非常高,因為B12 是甲烷菌的產物。氮、磷、鉀的成分分別占3、6 及3%,是優良的肥料元素成分比。我們也試著在沼渣內加入飼料,替代磷源,結果小雞成長正常,沼渣不含毒性。

圖3:沼液富含營養成分。 圖4:添加沼液的魚肥大很多。

對於高溫沼氣槽內可能的微生物病原,我們也做了一系列的測試,包括大腸桿菌(coliforms)、真菌(fungi)、原生蟲(protozoa)與病毒(virus)的測試,發現高溫沼氣槽可滅絕所有測試過的病原;這對農場衛生、產品安全、工作人員,甚至消費大眾的健康都有莫大的助益。

整合型農業(Holistic Farming)
天地之間,各類物質分解合成循環不息,是自然界的大循環。在農畜場上的各樣產物,包括廢物,如果都能充分利用,這種小循環便是整合型農業。我們發現,在高溫厭氧消化操作之下,效率高、環境衛生好,確實有整合的可行性。厭氧消化將廢棄物轉化為固態、液態及氣態三類產物,固體可以做為作物的肥料,液體可以養魚,而氣體便是沼氣能源,可發電並取熱(圖5)。

圖5:整合型農業。

■實例一:

 

1985 年,在中國廣東第一次見識到整合型農業。一個農村70 戶,養了700頭猪,猪糞尿沖入地下沼氣池進行常溫消化,所得沼氣通過鋼管傳輸至共用的大餐廳及廚房,村民在此用餐並取熱水,沼氣即全村的熱源,部分沼液進池塘養魚,而大部分沼液、沼渣作為全山柑橘園的灌溉及施肥。因為發酵效率低,沼氣池積甚大,地表面積有一個籃球場大。

■實例二:

1992 年,我被邀請協助設計建造中國第一座大型高溫沼氣設備,地點在北京市留民營村,由聯合國UNDP 資助,基本設計與北卡州大所建相似,惟材料改用鋼筋水泥,糞料每天約5 噸,來自5 萬隻蛋雞,發酵槽僅100 m3,約為一節火車廂長度,日產沼氣300 m3,除硫後供給200百戶村民煮食、熱水、取暖;沼液供稻田灌溉施肥;沼渣乾燥後出售為有機肥。有機肥價格甚高,建造成本3年內回收,經過18 年,現仍在使用中。

■實例三:

北京長城外德青源生態農業擁有一座大型養雞場,飼養蛋雞300萬隻,每日產生約250噸糞料,2008 年建立了沼氣發電廠,轉化雞糞為電力及熱源,主要設備有4座沼氣發酵槽,每座3千立方米,雙層的球形儲氣設備,2台大型發電機,沼氣發電每年約1,400 萬千瓦上輸電網,除了供應養雞場外,也是附近鄉鎮民生用電。發電共生熱水回收為沼氣發酵加熱;沼渣及沼液則用來灌溉葡萄園、蘋果園及蔬菜大棚,是筆者所見最大型的Holistic Farming。
綜合上述,可見厭氧消化是一種平台技術(platform technology),有多重功能:
1. 生產清潔的沼氣能源,沼氣來自動植物廢料,可燃燒取熱或發電以代替化石能源,產生的碳權(carbon credit)有經濟價值,可進入國際碳市場交易。
2. 除臭減廢、防治污染、優化環境。
3. 殺滅病菌病毒、改良環境衛生,有益公眾健康。
4. 沼渣沼液保留氮、磷、鉀元素,並富含有機養分,可開發為高價值肥料,也避免二次汙染環境。
為了達到以上綜合功能,除了改進單項技術外,必須整合多種技術才能成功,包括改進工程設計以達到簡易高效;生物技術開發在改良菌種菌相,突破產氣上限;肥料工業合作,開發新型有機肥;水處理技術,有效循環利用沼液。最後還有意外的紅利,便是開發沼氣槽中全新的生物或生化產品。沼氣槽是一座微生物學大黑箱,微生物無數,寶藏也無數,仔細追究,必有所獲。以下試舉角蛋白酶為例說明,同時也作為新科技改進農業參考實例。

角蛋白酶(Keratinase)之發現
在農場操作厭氧消化時,發現羽毛在經過沼氣槽處理後即找不到蹤影,因為羽毛的結構類似毛髮、指甲,90%是角蛋白質(keratin),結構堅密而難以分解,因此猜測槽內可能有細菌能夠分解羽毛角蛋白。花了2年時間,終於成功篩選出一株細菌有能力消化並生長在羽毛上,將它定名為Bacilluslicheniformis PWD-1 (圖6)。接著幾年,我們純化出分解酵素,稱為角蛋白酶;分離出它的基因,作DNA定序;並利用近代遺傳工程技術,提高酶產量。這一連串的探索贏得7項國際專利,近年其他研究室也發現了不少新的角蛋白酶。

圖6:發現角蛋白酶,並利用近代遺傳工程技術,提高酶產量。

角蛋白酶之應用
獲北卡生技中心資助,研究室裝設了一套150 公升中型發酵設備,從此,可自行生產角蛋白酶,從數十毫克提升到數百公克,得以進行相關的應用研究。
第一項應用是利用酵素來處理羽毛,全世界每年大約可收集羽毛4~5 百萬噸,是家禽業主要的副產品。羽毛在高壓蒸煮之後,經乾燥、磨碎為羽毛粉,可用做飼料添加物,補充蛋白質,但是消化率不高,營養價值不大,而利用角蛋白酶加工羽毛粉,便可提高消化率,增加營養價值。對角蛋白酶而言,是一個特有用途。
第二項應用是意外發現,當嘗試直接添加角蛋白酶於飼料當中,竟提高了小雞在動物室裡的生長效率,後來在農場上進行試驗,也得到同樣的效果。肉雞在農場飼養42 日達上市年齡,利用高蛋白質含量及低蛋白質含量的飼料進行添加角蛋白酶,結果在低蛋白含量的飼料添加角蛋白酶的一組,雞隻可以成長得跟高蛋白飼料組相等,而高蛋白飼料添加酶則可增加更多的體重(圖7),對農戶而言,使用角蛋白酶可替代部分飼料蛋白,這代表非常可觀的利潤。

圖7:試驗證明角蛋白酶可替代部分飼料蛋白。

後來在大學農場、商用農場分別進行連續試驗,再次確定角蛋白酶能提高飼料消化率及蛋白質利用率,有助動物成長。目前,每一公噸的飼料添加半公斤的酵素可節省10%的蛋白質;以大豆市場價格計算,每噸飼料可節省約20~30 元美金,以全球3億噸飼料來估計,每年可節省60~90 億美元。
為了開發角蛋白酶產業,個人與長子石全博士於2000 年在美國共同創辦了BioResource International 生物科技公司,將該項技術朝向商業開發,經過10年努力,終於將當年實驗室的發現研發成為商業產品,工業化大量生產角蛋白酶,產品已進入全球市場,深受使用者歡迎。

結語:經驗與淺見
應用和基礎之間,應該是沒有界限的,從實驗室走向農場,到產業開發,從個人的經驗來看,這是一條基礎研究和應用研究互相交流的雙向道(two-way Street)。當初,如果自限於某個領域,如今,這條道路恐怕還在等待開發之中。

致謝:本文緣起於2010 年6月9日在中央研究院的演講,感謝中央大學黃雪莉教授,陳新同學代為錄音、打字、整理初稿。

 
 

 

 

石家興小檔案

 

1963年畢業於國立臺灣大學,1966年獲生化研究所碩士學位,在東海大學任教3年後,1969年獲康乃爾大學獎學金赴美進修,完成營養生化學博士學位。於伊利諾大學(U. Illinois)任博士後研究,1976年赴北卡羅來納州立大學(North Carolina State U.)家禽學系任教。現任北卡羅萊納州立大學榮譽教授、中央研究院特聘講座教授、中央大學國鼎講座教授、BioResource International 創辦人暨董事長。
鑽研生物科技於家畜業上的應用,首先開創高溫厭氧醱酵,高效率轉化糞料為沼氣能源,並因此首先分離出分解羽毛的細菌菌種,純化角蛋白酵素,可提高飼料中蛋白質消化率,降低飼料成本,近年更發現此一酵素可分解導致狂牛病的普昂蛋白(prion protein)。以前述研究成果獲9項世界專利。

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