子計畫三：農業廢棄物高價值化
主持人：李進發
團隊成員：陳洵一、林坤儀、林弘萍(成大)
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
本核心計畫目標在開發高價值化農業廢棄物，並評估其應用性。在循環經濟體系中，要同時考量不同材料的循環再利用，而「循環農業」為生物循環及工業循環的重要核心，適合做為各產業生物廢棄物的「資源化平台」。台灣發展農業循環經濟除可能模式包含先期規劃、短中長程除短期盡快發展沼氣發電外，中程規劃上需計畫對現有廢棄物進行資源化，對不同階段廢棄物設計不同的處理方式，經過循環經濟轉型後作效益評估，將「補助」發展循環經濟的「支出」概念，轉為「投資」循環經濟的「收益」。本計畫更結合農業廢棄物之衍生物，以及電子產業廢棄物之金屬元素回收，開發出各式催化劑，再利用此類衍生催化劑應用於生質轉換。更將針對羥甲基糠醛、香莢蘭醇、糠醛、乙醯丙酸等農業廢棄物之水解產物來進行高值化轉換研究，這些衍生物具有高價潛力，為現今工業產品、藥品等所需要之前驅物質，稱作是高價化產物轉換之衍生平台。另一方面，此類農業廢棄物衍生之催化劑除了應用於本身高價化產物之轉換反應，更可以催化重要化學反應，作為合成重要藥物分子的關鍵步驟。
農業為臺灣產業發展之基礎，然而農業生產過程中衍生出多生質廢棄物，其中多數為木質纖維素型廢棄物。由於臺灣長期能資源依賴進口，但木質纖維素型廢棄物可經轉換成各項價值附加產物，因此若發展出可加以利用和資源化木質纖維素型廢棄物將是臺灣邁向永續發展重要關鍵技術。在各種生物質衍生物中5-羥甲基糠醛 (HMF）特別重要，因為HMF可以從各種纖維素衍生的碳水化合物（如葡萄糖和果糖）中萃取獲得，更可將HMF氧化後得到許多高價值附加產物，包括2,5-二甲酰呋喃（DFF），其為一種用途廣泛的化合物，可用於合成聚合物，藥物，有機導體和交聯劑。本年度計畫中提出並首次使用了銅基金屬有機骨架（MOF）HKUST-1作為具有TEMPO的異相催化劑，用於在O2環境下將HMF氧化轉化為DFF。儘管TEMPO和HKUST-1個別無法有效地將HMF氧化為DFF，HKUST-1和TEMPO的組合可成功地將HMF轉化為DFF，並且沒有其它副產物。在120°C的條件下，反應時間可能短至3小時並可獲得高於96％的HMF轉化率、高於99％的選擇性和96％的產率，這指出HKUST-1 TEMPO O2是相當有效及高選擇性的HMF轉換為DFF之催化程序。本研究也指出含銅金屬有機架構物HKUST-1為一相當高效之異相觸媒又可方便於反應結束後進行回收，以達到綠色製程之目標，為臺灣循環經濟發展向前邁進一步。
二、學術研究面向推動重點、成果與特色亮點
本計畫針對非均相觸媒開發、高分子與奈米複合材合成以及綠色環境科學技術等方面之相關論文發表，將計畫於每年發表超過五篇高質量論文(該領域前百分之二十)於SCI期刊上。
具有分解角蛋白與纖維質能力之菌株篩選，極其在羽毛及牛糞與肉雞糞的應用除了產業的實質應用，我們計畫每年都可以發表重要期刊，用菌株催化生質轉換及過渡金屬耦合反應將是另一個未曾探索的新領域。
開發高價值化農業廢棄物，結合農業廢棄物之衍生物，以及電子產業廢棄物之金屬元素回收，開發出各式催化劑，再利用此類衍生催化劑應用於生質轉換、過渡金屬催化耦合反應。另一個重要工作將利用菌株分解角蛋白與纖維質的能力，嘗試將羽毛生產成羽毛粉做為飼料原料使用，牛糞與肉雞糞生產成有機肥料。對此研究課題，我們做出如下表之SWOT分析因應：
本年度計畫中提出並首次使用了銅基金屬有機骨架（MOF）HKUST-1作為具有TEMPO的異相催化劑，用於在氧氣環境下將HMF氧化轉化為DFF。儘管TEMPO和HKUST-1個別無法有效地將HMF氧化為DFF，HKUST-1和TEMPO的組合可成功地將HMF轉化為DFF，並且沒有其它副產物。部分研究成果成功發表於Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 102, 2019, 242-249 (Impact Factor: 3.834)。
另一方面，本組也成功開發出奈米化澎潤土可作為飼料中黴菌毒素吸附劑。
三、產學合作面向推動重點、成果與特色亮點
透過產學合作的方式，了解業界的需求，進而協助國內廠商建立農業廢棄物衍生材料及製程開發技術。另一方面，輔導國內傳統農業廢棄物再利用廠商產業升級，轉型成新穎產業並擴大相關市場。因此，廠商必定樂意投入大量的研究經費。可以達到永續經營的規劃。
透過本研究計畫之成果也成功取得產學合作之契機，本年度已與大江生醫國際股份有限公司進行產學合作，協助大江生醫國際股份有限公司評估各樣生物資材再利用之可行性，成果豐碩。
自2016年，林坤儀教授以金屬有機架構物材料為核心平台配合國家政策積極發展循環經濟，開發金屬有機架構物衍生觸媒，將農業廢棄物木質纖維素物質轉換成高單價之特用化學品，該技術也獲得科技部產學合作計畫以及哥倫布計畫之補助，具體實現廢棄物資源化，提升國內循環經濟技術並讓臺灣向永續發展的目標更邁進一步。林坤儀教授在環境奈米材料和環境化工技術成果也屢獲國際學術組織肯定，榮獲出版社Frontiers Publishers邀請擔任多項期刊副主編，提升我國於該領域之國際形象。
圖說：使用HKUST-1結合TEMPO氧化HMF轉換成DFF之機制 
