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2019-04-23

不可忽視的未來產業:設計與綠藻|cacao 可口雜誌

今日,綠藻在地球上各樣的水質中、在各種氣候下蓬勃生長著。在野生還境中,它們其實是一種擾人的、討厭的鬼東西,湖泊被燐氮等物質污染,使得這發臭綠色黏液急速生長,最後導致湖泊壞死。但同時,綠藻也是我們大氣層中氧氣的重要生產者,若是加以培養繁殖,便可減少二氧化碳排放量,其生物體可以提鍊成有價值的尖端產品,像是W-3,甚至於生物燃料。事實上越來越多的綠藻,非常適合與城市的環境結合,有一部分原因是由於藻類的獨特的設計潛力,這是一個不可忽視的未來產業,也將會令人刮目相看。 

 什麼是綠藻?

藻類(algae),這個詞是個非常廣泛的術語,你可以參考幾個品種的水草,像是藍藻(藍綠藻),海藻(海帶)和綠藻。後者是一個微觀的,此物種不像其他植物,它沒有根、莖或葉,若您聽說過浮游植物或是浮游藻類,它們指的都是同樣的事情 – 微藻!這種微觀的植物利用光合作用,截取照耀我們星球的太陽能,它們非常地有效率存儲並使用這種能量作為它生長的重要來源。

微型藻對地球的生命是相當重要的,它們供給了大氣中約一半的氧氣量,同時用溫室效應裡的二氧化碳來生長。它們是第一個有光合作用過程的微型植物,大約 3.5億年前,地球過於炎熱,大氣中沒有氧氣來維持任何生命體的生長,於是這就開始了接下來的漣漪效應,慢慢地,古老的碳元素發生了變化並滲透到大氣中,隨著時間的推移,3億年後在該水域的單細胞生物進化了,而後地球便足以維持生命形式的其他反應。今日,綠藻可同時生長在鹹水海洋和淡水湖泊。陸地植物需要淡水來生長,因為大顆的鹽離子會堵塞它們的根部系統,但這對藻類來說並不是一個問題,因為綠藻沒有根,但所有不同種的藻類卻有一項共通性,那就是它們的生物量是由澱粉(碳水化合物,大量的葡萄糖)、脂類(脂肪、油)和纖維素(在藻類的細胞壁上)組成。有些綠藻含有豐富的澱粉,有些則產出大量的脂質。綠藻生物的多樣性相當龐大,它有成千上萬的亞種,每種各有其獨特的特性,而這些特性使它們的產物變得相當大量且互異,那些代表著幾乎未曾開發的資源。

轉廢料為益處

藻類有豐富的生物活性元件,像是高價值的維生素、歐米加3脂肪酸、異色的色素和抗氧化劑等等,就如同某些物種有高水平的脂質生產力。而現在,有一件大有可為的研究正在進行著,那就是試著從綠藻生物中提鍊柴油。藻類構成要素轉換成的最後產品,當然會因它是如何被產出的而有所差異,但一般而言,是通過隔離階段(從水介質中分離出來的藻類)的淨化和轉換。今日在海藻上,類似的高附加值產品已經被商業化地創造出來了,卻還有一些需要更多的研究來突破技術上的瓶頸,並且能夠在商業上被實際執行的。然而,很明顯地,藻類產品在未來有著巨大潛力。

但也許,綠藻現在如此引起關注的最重要原因不是它們最終能夠生產出些什麼,而是處理過程的物件── 二氧化碳。今日我們通過燃燒石化燃料,在短短數個世紀間將二氧化碳推返回到大氣中和海洋裡,尤其是這些碳是當時其他生物體的大量集中和沉積在岩石層中存儲超過數億個世紀的古老藻類。

大多數科學家在這個部份都同意,我們正在逐步走向災難。我們需要降低二氧化碳在大氣中的標準量至少到350 PPM(parts per million=大氣濃度),不僅僅只是去停止增加他的排放量而已,我們絕對已經超過其中的最大值了。但也許綠藻是能夠再次拯救地球的解決方案之一。當栽植藻類時,藻類農場的生產力和與之作用的碳來源有著直接的關連,每公克藻類會佔用約 2克的二氧化碳,工業碳或廢料氣體就是理想的來源,因此藻類農場實際上在碳被排放至大氣前就能夠減少它的量。舉例來說,把用來排放的煙囪接上,做為工業運作上的基本設施。基本上,綠藻將完全的使用去有效地轉化為非常巨大的價值。

我們是如何栽植它的?

綠藻可以同時生長在開放式系統,和生產規模較小的封閉式光生物反應器內存活,它只需在PET瓶或搖瓶裡種植(我在廚房窗口養了些綠藻)。開放式系統大多是天然湖泊或開放式的池塘。在商業基礎上經常使用的類型是跑道式養殖池(raceway ponds),這些池塘通常不會超過30公分深,並通過槳輪來做水循環,並與營養物質和綠藻混合。開放系統簡單,價格低廉,但一但涉及到效率問題時它們也有缺點,氣候控制和保持藻類培育的穩定和不受污染。小搖瓶對研究是有好處的,一但涉及到越來越多的生物總量或著減輕大量的二氧化碳時,小搖瓶當然無法多產。然而,它們需要開始對綠藻的養殖,經過一段時間後就可被轉移到最安全和最肥沃的生長系統裡─那就是「封閉式的光生物反應器」。為了要能夠在被提及之前生產出大部分的產品,就必須使用單一栽培種植-光生物反應器(photobioreactors)。封閉式光生物反應器許多種類型,但最常用的是「管狀系統」或者是「平板系統」。光生物反應器通常可以被垂直疊放,和池塘相對,它能將佔地面積最小化,使其與城市環境能高度整合。

藻類在光生物反應器中生長,最主要的易變因素包涵以下:

:最為重要也最難供給的變數,因為它不能被儲存,而且在理想情況下應該是在生物反應器下平均提供這樣的低強度光照。一般的陽光提供了充足的光線,但人造光線也可以被使用,特別適用於室內的種栽系統。透明玻璃或塑料材質的生物反應器應讓光合作用有效輻射(PAR),這範圍從400到700納米波長是太陽輻射光譜的一部分。這光譜的一部分,人的肉眼亦可見。有些材料往往能抗紫外線,能將其他波長拒之門外,像紫外線就無法被利用在綠藻生長上,但那可能會過熱。

混合:由於大多數生長在面對光源表面的最頂層,混合是非常重要的。每個細胞都需要於生長週期內在光亮處與黑暗間移入移出,因為他們吸取二氧化碳吐出氧氣。藻類比水重,它沒有經過混合就會下沉並且遠離它們所需的光源 。藻類增長如此之快,它在靜水中的營養素非常快速地受到限制。混合,讓營養物質和二氧化碳帶入到每個藻細胞,並提供間歇性的光線照射。攪拌也有利於氧氣從水中釋放到大氣中。今天最常用的技術是在水中吸抽空氣來混合整個系統,同時也在研究其他成本更低的系統,以提高效率。

水藻類幾乎在任何一種水質中都能生長良好。它們相當擅長,特別是在利用光合作用中溶解養分和廢水中的金屬物質,並轉換成綠色生物量。根據生長的物種的不同,生產系統可以使用廢水、灰水和鹽水或海水。生長系統可以回收水,所以唯一的水分耗損就只是蒸發。

二氧化碳大約有一半的綠藻生物量的乾燥重量是「碳」。每100噸的藻類生物能修復大約183噸二氧化碳。碳需要以氣體或碳酸氫鹽的形式加入,因為種植的藻類生長速度太快,無法從水中採取足夠的二氧化碳。高達20%二氧化碳的壓縮空氣混合物通常提供藻類在光合作用中所需的碳量,工業二氧化碳或廢煙道氣體,就是典型的來源。

營養素:海藻用肥料提供其產物的生長,是和陸地植物使用一樣的飼料,同樣的肥料也可以來自對於陸地植物過於鹹的廢物流。使用廢物流栽植藻類是另一個藻類農場如何適應並進入資源循環的完美例子,它將廢料轉變為價值。肥料或廢物流的營養素的利用效率遠超過陸地上的,因為單細胞藻類消耗的營養成分是直接的,藻類並不需要長距離運輸養分。

設計的良機

那麼, 設計該要怎麼處理這一切呢?具體相關的技術限制和藻類本身的物理性質,提供一些創新設計的獨特機會還有架構。當藻類在光生物反應器的水內生長時,人們在陽光照射的閃光下將它們塗色成鮮明,這有利於他們長成各種生動的細微差異。不同種類的微藻有不同的顏色,明亮的綠色寶石紅色和橙色。用不同的顏色不同種藻類的幾個獨立的光生物反應器系統中,每個相互交織在一起,有可能創造出非常獨特而美麗的效果。

有一些標準程序能讓藻類更適宜種植,或者甚至必需要在城市的環境裡種植。如前所述,綠藻有沒有根,所以他們並不需要寶貴的農田來發展茁壯,他們可以垂直,也可以在任和時刻任何地點生長。擁有它們在建築物裡,意味著我們可以減少碳足跡藉著不去經營一個農場和興建一棟建築物,它們可以共享同一塊土地。與城市結構的整合也意味著二氧化碳的來源和廢物流的都是現成的。

到目前為止作為建築項目的一部分藻類的培養是相當少見的東西,但不完全是聞所未聞的,可追朔到論文與屏幕架構的開始。一般來說,這些往往能推入下列類別之一:

1.城市地圖上的想像綠色點狀。有好幾個項目似乎是在處理城市規模的,試圖去想像一個重建系統,它將會取代化石燃料的時代。有趣的是,大計劃是一定需要的,但它卻不提及實際的建築品質,而這可能是從技術中所衍生出來的。

2.未來派的飛行點狀。這些可以成為一個目的,展示我們對於指日不遠未來的展望,盡力延伸我們的頭腦使之能夠想像一個新世界,在那裡事情往往不是用我們所習慣的方式去進行,而是用與眾不同的方式被完成。但它幾乎沒有什麼具體可以直接地轉換成可信賴物件。

3.前衛但小規模的裝置。探索小規模的生物以便了解它是如何運作的,透過一種傳遞性的前瞻性思維方式來瞭解。EcoLogicStudio是一個總部位於倫敦的建築工作室,做了數個類似的企劃來探索相關技術和它的設計潛力。實際上,對於大量生產而言此種規模實在是太小,然而,一但我們開始向大眾廣泛散播相關的技術時,這個規模仍然是有價值的。設計精美的小規模光生物反應器,在家窗戶前掛起或被豎立著,是很容易想像的到的畫面,它對於前瞻性思維和設計人而言是個有吸引力的產品。

還有什麼?很明顯,目前許多設計公司仍然表現出一種態度,就是傾注全力在藻類的願景仍無法使他們更嚴肅地對待綠藻,他們無法做足那些讓他們看起來至少有最低信任度的必要功課。許多類似計畫都有同樣一個問題,就藻類生產的產業規模來說,可觀的價值與利益相當難得也很難產出,但這有可能會產生足夠的生物質燃料供給大約一台摩托車的使用量,然而,現實面和調查研究結果依舊相當缺乏,像是生產技術等等的問題。小規模的光生物反應器作為一個商業化的產品可能只是第一步,但是設計一套能在工業水平上有用的且完善的藻類概念,它就必須架構在建築物規模裡、必需在建築學裡結合。這可以是作為附加物存在在現有建築物上,像舊的外牆上的新皮膚層,增加視覺品質,還可以增加一倍額外的蔭蔽給後方的空間。更有趣的概念將會被結集在光生物反應器上,並且興建特別設給有機藻類農場的新建築物。而後,建築物被型塑好讓生長能更有效地進行,充分利用建築的潛能和藻類所能呈現的視覺質感。

「急診」(Emergent)建築師,Tom Wiscombe和EcoLogicStudio是兩個好的建築師例子,他們在這個領域中一直朝這個目標向前推進,先前的計畫邊緣介於「飛行點狀」和現實主義之間,有時後現實主義應用安裝技術於建築規模上。還有一個新興的學生企劃,探索藻類在建設項目中的潛力。一個建築/設計的方法,在培養藻類生範疇內絕對可以添加額外的刺激,藻類可以反過來也能增加被光生物反應器所包圍的空間經驗的獨特的特性。設計師和建築師正在慢慢地開始意識到這一點,現在該是業界和投資者們開始見識它能力的時候了。

將工業基礎建設變更為可再生能源技術的必要性(比如說像種植綠藻),也許提供了我們一個去質疑的機會,一個去探究工業是否能用一個更基本的方式被融入進城市裡的機會。如今,我們不再親近,我們也無法真正地看清,現今的工業系統維持了我們的現代生活方式。在城市環境中的繁殖藻類農場不過只是一個技術,但它卻可展現一個更為壯闊的建築計畫排程,來徹底反思公眾基礎建設,包括了廢物處理,回收利用站和能源設施,並為一些藻類農場在城市結構中更加密切與完善,好實現更有彈性的、能自立的城市,而這僅可能發生在有「好設計」被執行的狀況下。

原文刊於cacao《可口煉金術》

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