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循環經濟於農業副產品之應用

2019-10-15
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文/鍾啟東(企劃處)

循環經濟(Circular Economy)是一種再生系統,藉由減緩、封閉與縮小物質與能量循環,使得資源的投入與廢棄、排放達成減量化的目標。其理念起源於1966年美國經濟學家鮑爾丁(K.E.Boulding)發表的文章〈未來太空船地球經濟學(The Economics of the Coming Spaceship Earth)〉,在文章中把地球比喻為宇宙中的孤立飛船,沒有無限物質的儲備庫,既沒有開採也不能被污染,人類必須要回到自己在生態系統循環中的位置,進行物質再生產,當無法由外部取得資源時,在此封閉型經濟中資源和副產品須儘可能要求保留在生物循環系統中,透過持續的內部資源循環自給自足延長壽命。

但自工業革命以來,人們一直採用「一次消費」 (原料-生產-利用-廢棄)的線性模式,從自然環境開採原物料後,加工製造成商品,商品被購買使用後就直接丟棄。工業製程和人們的生活方式不斷的消耗著有限的資源,以此製造商品,最後再直接掩埋或焚燒。​但在人口增長、高度都市化、供應鏈全球化的同時,氣候變遷、自然生態惡化、大量廢棄物等各種問題的嚴重性急遽升高。不論是商業、環境或社會等面向,各界都必須及早因應此挑戰。

與線性經濟造成的資源衰竭不同,生物循環經濟是建立在物質的不斷循環利用上的經濟發展模式,形成「資源、產品、再生資源」的循環,使整個系統產生極少的廢棄物,甚至達成零廢棄的終極目標。在循環經濟中,我們學習大自然的法則「只有放錯地方的資源,沒有真正的廢棄物」,進而從根本上解決經濟發展與環境衝擊的矛盾。
農業副產品應用例子
農業副產品(Agro-Waste, Agricultural By-product)是一個相當大的生質料源,現行農業生產過程在農作物收穫後,無法再供給食用部分,包含植物修剪產生的枝條葉片或稻桿、稻草、玉米桿等,存留於田間的副產品規模仍相當大,更占農業溫室氣體排放的10%以上;而循環農業具有將資源利用效率極大化的特質,結合廢棄物再生利用,達到減量及加值的生產模式,成為全球農業發展的新潮流。其中許多循環農業需應用不同的生物循環重要科技,包含發酵(Fermentation)技術、堆肥技術(composting)、菌藻類及微生物處理(biofactories)、生物精煉(biorefinery)、厭氧分解(anaerobic digestion)、仿生科技(biomimicry)等、將這些副產品轉換為新的且有用的產品,不僅可減少農業帶來的環境影響,更能為農民提供新的收入來源。以下針對生物精煉、生物炭、沼氣發電等三個重要科技進行介紹。
生物精煉
生質材料(biomass)可經由生物精煉技術加以應用,生物精煉的概念類似於石油精煉,目的是將生質材料全數轉化為生質能源(如生質柴油、生質酒精)或化學品(如乙烯、丁二醇),其中第一代生質能源的製造以醣類、澱粉類作物為主,巴西及美國最早利用甘蔗及玉米做為原料,第二代生質能源的製造,乃使用木質纖維素(lignocellulose)為原料製作生質燃料,不同的是,木質纖維素大量存在於地球上的草本與木本植物,以及各式農業、木材與其他廢棄物之中,使得生質能源發展不需要大量使用現有的糧食作物,且因其來源多且廣,將可減緩糧食與能源間的衝突,並延緩過度開墾問題。重要化學品,則可代替石油,合成人造聚合物;最標準的例子為丹麥酵素公司Novozymes以玉米各部位及其副產品作為原料,以生物精煉製造食品、高品質飼料、生質能源、再生材料。
生物炭
生物炭(Biochar)最早起源於科學家對亞馬遜黑土的研究,而在日本農業上使用生物炭也有千年的歷史。生物炭是有機物質在密閉低氧環境中,經加熱分解產生的固態物質。但有別於一般用於燃料之傳統木炭,其纖細多孔的結構有極佳吸附力,可捕捉與封存大氣中的二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)及甲烷(CH4)等溫室氣體,將它轉化成非常穩定的形式,並儲存在土壤中達數千年之久。在農業應用上,它是一種作為土壤改良劑的木炭,能改善酸化土質、具有復育土壤、促進作物生長及固碳之效果,能幫助植物生長,可以增加農業生產力,並有助於減少化學肥料的使用。另外使用生物炭則有顯著的淨化水質效果,也提升土壤保水能力。國內目前已有利用台南官田菱角殼製成生物炭之技術,在製作過程還可萃取多酚類化合物及異黃酮,生產美妝保養品。
沼氣發電
沼氣發電是藉由厭氧生物發酵分解有機物(動植物或動物排泄物,大多利用農林漁牧及民生廢棄物)成為生質沼氣(biogas),其步驟包含水解、酸化及甲烷化,生質沼氣可做為發電機的燃料以產生電力。
資料來源,台灣經濟研究院生物科技產業中心。
循環經濟的商業模式
循環經濟的主體就是「經濟」,其核心就是「商業模式的創新」,商業模式其實是促進整個循環經濟最大的力量。

在大自然中,農業經過千萬年演化,其產業生態系統以萬物都是養分,沒有廢棄物,任何副產物都是另一製程原料,歸納出從以搖籃到搖籃的模式,「塵歸塵,土歸土」,扭轉工業社會線性經濟從搖籃到墳墓的思維。目前企業及學研專家探索使用農業資源轉化為新用途的方法,並製成食物、藥品等,讓過去從不被看見或不被視為材料的「農業廢棄物」透過循環經濟商業模式,變成具有高附加價值的商品,並為農民生計創造新的機會,進一步實現自然資源永續發展之目標,舉例如下。

1.酒糟與酒粕:製酒業者副產品,特別是其內富含的醣類,可利用細菌的酵素反應功能,轉化為乙醇、丁醇跟丙酮等高附加價值的產物,酒粕可供提煉化妝品原料及添加於食品,剩下的固體,也還能夠提供給養殖漁業的漁民以及畜牧業作為飼料營養補充品,產生額外利潤。
2.醬油豆渣:純釀造醬油會產生約15%含鹽黃豆渣,其中約40%成分是蛋白質,經過發效轉化後,可變身為高價值的胺基酸肥料營養液,而研究發現,胺基酸養肥料營養液對於植物的生長有相當大的幫助,除避免清運焚燒處理,預計可提升約百倍的價值。在大陸A股市場,賣醬油的海天味業,總市值超過人民幣3,000億元。

3.動物內臟:牛、羊、豬隻屠宰後,60%為內臟、血液、骨頭、皮等副產物,若善加運用可製成功能性食品、美容產品、保健營養品、醫藥等領域;另外肉雞副產品雞肝富含豐富蛋白質、鐵、維生素B2,可增強免疫力,抗氧化,而水解物可降低血液中的三酸甘油酯濃度,對於動物心血管、腦部保護及肝臟具有良好效果。另經由萃取能應用於寵物保健食品,將會有很大的商機。
4.牡蠣殼:臺灣西部沿海養殖業棄置的牡蠣殼中主要碳酸鈣成分經煆燒處理、研磨過篩、及其他合成製程技術,可轉化為臨床用醫材,應用於骨科與牙科的填補材,所製成的人工骨粉具有良好的生物相容性,相較於傳統人工骨粉生物活性佳、癒合速度快,成本極具市場競爭力,為農副產物的應用價值大幅提昇。
5.咖啡渣:除了回收當園藝肥料及除臭機能衣外,在蘇格蘭一新創公司專注於從咖啡渣中提取「油」,其所產的「油」相當環保,可用在食品、飲料、化妝品及藥物等方面,成為棕櫚油替代品之目標。得以減少雨林之破壞而保護地球環境。

循環經濟不只是一個產業,而是跨產業的,其重視用合作取代競爭,如何與周遭的合作夥伴相互學習、相互分享,建立一個良性的生態系統。關於商業模式的運用,公司可以根據自己的特色、產業所處的位置及外在環境條件,選擇適合的平台組合;最終用循環經濟的概念,重新反思企業經營與改變商業模式,終極目的是如何讓不同公司獲得長期的、永續的、可預期的利潤。

臺灣以農立國,「新農業」及「循環經濟」是目前我國5+2創新產業發展之重點,而在農糧食品的生產與價值鏈上,加上過往在農業科技的研發能量其實相當可觀,更蘊含無限商機,成功關鍵應在完善更多技術可行性的驗證,並且搭配開發新的商業模式與發掘更多跨業結合機會,除能有助於本地農糧產業附加價值的提升之外,更能為相關產業向國際前進打好根基。
參考資料:
  1. “循環經濟於農業之應用與願景”農科新世紀,第18期,2017/12/01,陳枻廷、余祁暐、孫智麗。
  2. “循環經濟商業模式有幾種?歐盟專家告訴你如何看”2018-12-19,作者:綠學院/羅時芳、Aleyn Smith-Gillespie。
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