TW201608238A - 利用微生物檢測回收水質的方法及其系統 - Google Patents

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張西龍
陳建孝
劉樹銀
林明權
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新能生物科技股份有限公司
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Abstract

本發明是有關於一種利用微生物檢測回收水質的方法及其系統，其係利用連續式醱酵裝置提供具有化學恆定態之目標微生物，與醱酵廢水經短時間培養後，比較與待測水樣本培養前後之菌體濃度與培養液參數值之變化值，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響、提高醱酵廢水的使用量、降低廢水處理與配製培養液的成本、節省寶貴的水資源、甚至達到零排放的環保標準。

Description

利用微生物檢測回收水質的方法及其系統
本發明是有關於一種檢測回收水質的方法及其系統，特別是有關於一種利用微生物檢測不同批次之醱酵廢水的方法及其系統。
利用醱酵製程製造酒精，其醱酵液經過蒸餾後，一般可獲得濃度3~15%的酒精，其餘約85%~97%的醱酵廢水需要處理。傳統醱酵廢水處理方式係利用生物處理及/或化學混凝等製程，除去大部份的有機質與懸浮物，經檢驗符合法定排放標準後，再將處理後的廢水放流。
上述醱酵廢水中含有金屬或非金屬離子，若能回收醱酵廢水作為微生物營養源，不僅可減少環境污染，更可減少微生物培養的營養源成本。
目前，不論研究、檢測或分析技術，針對各目標微生物適用的醱酵廢水回收測試平台，十分闕如。有鑑於此，亟需一種適用於微生物檢測回收水質的方法及系統，以提供較簡單、快速且可靠度高的方法，檢驗不同批次醱酵廢水的品質是否適合作為目標微生物的營養源，以提高醱酵廢水的使用量。
因此，本發明之一態樣是在提供一種微生物檢測回收水質的方法，其係利用連續式醱酵裝置提供具有化學恆定態之目標微生物，與醱酵廢水經短時間培養後，比較與待測水樣本培養前後之菌體濃度與培養液參數值之變化值，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響。
本發明之另一態樣是在提供一種微生物檢測回收水質的系統，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響，藉此提高醱酵廢水的使用量、降低廢水處理與配製培養液的成本、節省寶貴的水資源、甚至達到零排放的環保標準。
根據本發明之上述態樣，提出一種利用微生物檢測回收水質的方法。在一實施例中，上述方法可先提供連續式醱酵裝置。在一例示中，前述連續式醱酵裝置可包含醱酵槽，其中醱酵槽內容置培養液以培養目標微生物，使目標微生物維持在化學恆定態。在上述例示中，目標微生物之菌體濃度定義為處理前菌體濃度，且培養液具有複數個處理前參數值。
接著，在上述實施例中，進行培養步驟，以脈衝添加方式或階梯變化方式，將待測水樣本加入該醱酵槽，使上述目標微生物培養達一時間，其中待測水樣本可例如醱酵廢水，且前述時間為10分鐘至8小時。
然後，檢測目標微生物之菌體濃度以及培養液之參數值，以獲得處理後菌體濃度以及複數個處理後參數值。之後，比較培養步驟前後之菌體濃度之第一變化值及/或比較培養步驟前後的培養液參數值之一者的第二變化值。當第一變化值及/或第二變化值不為零或具有顯著差異性，則判斷待測水樣本影響目標微生物。
依據本發明一實施例，上述培養液之參數值可包括但不限於酸鹼值、溶氧量、氧化還原電位、出口氣體濃度以及主要代謝物質濃度。
依據本發明一實施例，上述目標微生物可例如為好氧菌、厭氧菌或兼性菌。
依據本發明一實施例，上述待測水樣本與培養液之一體積比為1：10至20：1。
根據本發明之其他態樣，提出一種利用微生物檢測回收水質的系統。在一實施例中，前述利用微生物檢測回收水質的系統可包含連續式醱酵裝置、待測樣本儲存槽、控制閥以及控制器。
在上述實施例中，前述連續式醱酵裝置可包含例如醱酵槽以及複數個檢測裝置。在一例示中，醱酵槽內容置培養液，以培養目標微生物，使此目標微生物維持化學恆定態，此目標微生物之菌體濃度定義為處理前菌體濃度，而培養液具有複數個處理前參數值。
在上述實施例中，前述多個檢測裝置係用以檢測目標微生物之處理前菌體濃度與處理後菌體濃度、培養液之 上述處理前參數值以及複數個處理後參數值。在一例示中，前述檢測裝置可包括但不限於酸鹼值檢測裝置、溶氧量檢測裝置、氧化還原電位檢測裝置、出口氣體濃度檢測裝置以及代謝物質檢測裝置。
在上述實施例中，上述待測樣本儲存槽可利用第一管路與醱酵槽連接，其中待測樣本儲存槽可容置待測水樣本，且待測水樣本為醱酵廢水。
在上述實施例中，上述控制閥設於第一管路中，以控制待測樣本儲存槽之待測水樣本至醱酵槽之輸出方式。在其他例示中，前述之輸出方式可包含脈衝添加方式或階梯變化方式。
在上述實施例中，上述之控制器可電性連接至上述各分析裝置，以處理、比較並判斷分析裝置獲得之處理前菌體濃度、處理後菌體濃度、多個處理前參數值以及處理後參數值。在一例示中，當前述培養步驟前理後之菌體濃度之第一變化值及/或前述培養步驟後之培養液參數值之一者的第二變化值不為零或具有顯著差異性時，則控制器判斷待測水樣本影響目標微生物。
應用本發明之利用微生物檢測回收水質的方法及其系統，其係利用連續式醱酵裝置提供具有化學恆定態之目標微生物，與醱酵廢水經短時間培養後，比較與待測水樣本培養前後之菌體濃度與培養液參數值之變化，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響，從而提高醱酵廢水的使用量、降低廢水處理與配製培養液的成 本、節省寶貴的水資源、甚至達到零排放的環保標準。
100‧‧‧方法
101‧‧‧提供連續式醱酵裝置，使目標微生物維持在化學恆定態之步驟
103‧‧‧進行培養步驟，將待測水樣本加入醱酵槽，使目標微生物培養達一時間之步驟
105‧‧‧檢測目標微生物之菌體濃度及/或培養液之至少一參數值之步驟
107‧‧‧比較培養前後的菌體濃度及/或培養液至少一參數值之變化值之步驟
109‧‧‧當上述變化值不為零或具有顯著差異性時，則判斷待 測水樣本影響目標微生物之步驟
200‧‧‧系統
201‧‧‧連續式醱酵裝置
202‧‧‧醱酵槽
203‧‧‧培養液
205‧‧‧目標微生物
207‧‧‧上蓋
209‧‧‧攪拌裝置
211‧‧‧微生物儲存槽
213/215/223/227/235‧‧‧管路
217/229‧‧‧分析裝置
218/219/225/237/239‧‧‧泵
221‧‧‧氣體儲存槽
231‧‧‧
233‧‧‧混合溶液
241/245‧‧‧檢測裝置
243/247/251‧‧‧線路
255‧‧‧控制器
301/303/305/307/309/311/313/315/317/319‧‧‧曲線
302/312‧‧‧虛線
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖係繪示根據本發明一實施例之檢測回收水質的方法的部分流程圖。
第2圖係繪示根據本發明一實施例之連續式醱酵裝置的局部示意圖。
第3A圖與第3B圖係分別繪示根據本發明一實施例之目標微生物與待測水樣本培養後之實驗變因脈衝變化的曲線圖(第3A圖)與實驗變因階梯變化的曲線圖(第3B圖)。
承前所述，本發明提供一種檢測回收水質的方法及其系統，其係利用連續式醱酵裝置提供具有化學恆定態之目標微生物，與醱酵廢水經短時間培養後，比較經培養步驟前後之菌體濃度與培養液參數值之變化值，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響。
請參閱第1圖，其係繪示根據本發明一實施例之利用微生物檢測回收水質的方法的部分流程圖。在一實施例中，如第1圖步驟101所示，本發明方法100可先提供連續式醱酵裝置，使目標微生物維持在化學恆定態，其中可使用習知的生物反應器進行。
本發明此處所稱之「化學恆定態(chemostat)」，係指利用前述連續式醱酵裝置，控制培養液的更替速率或目標微生物之稀釋速率，使目標微生物之生長速度維持在對數期(logarithmic phase)，且使目標微生物在單位時間內的細胞濃度維持恆定。由於維持目標微生物之化學恆定態之方法應為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知，在此不另贅述。
本發明之特徵之一在於利用醱酵廢水與目標微生物經短時間培養之變化作為指標，以快速篩選出有利於目標微生物生長之醱酵廢水。本發明適用的目標微生物並無特別限制，可例如好氧菌、厭氧菌或兼性厭氧菌。端視處理的醱酵廢水而異。以酒精醱酵製程的廢水為例，目標微生物可包括但不限於桿菌屬(Bacillus species)、產氣芽孢梭菌屬(Clostridium species)以及酵母菌屬(Saccharomyces species)，而其具體例子可如大腸桿菌(Escherichia coli)、產醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)以及啤酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)等。
接著，如第1圖步驟103所示，進行培養步驟，將待測水樣本加入醱酵槽，使目標微生物培養達一時間。在一實施例中，此培養步驟可利用例如脈衝添加方式或階梯變化方式，將待測水樣本加入上述之醱酵槽，使目標微生物培養達一時間。在此實施例中，待測水樣本可例如為醱酵廢水，且待測水樣本與培養液之體積比可例如為1：10至20：1。在此步驟中，目標微生物培養之時間可例如為 10分鐘至8小時，視選用的目標微生物之半生期而定。
本發明藉由較短時間培養，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響。之後，如第1圖步驟105所示，檢測目標微生物之菌體濃度及/或培養液之至少一參數值。在一實施例中，上述目標微生物在培養步驟前之菌體濃度定義為第一菌體濃度，在培養步驟後之菌體濃度定義為第二菌體濃度。上述培養液在培養步驟前具有至少一第一參數值，在培養步驟後具有至少一第二參數值。換言之，在步驟105之檢測步驟中，可獲得目標微生物之第二菌體濃度以及培養液之至少一第二參數值。
而後，如步驟107所示，比較培養前後的菌體濃度及/或培養液至少一參數值之變化值。在一實施例中，上述第一菌體濃度與第二菌體濃度之差值定義為第一變化值，上述第一參數值與第二參數值之任一者之差值定義為第二變化值。
當上述變化值不為零或具有顯著差異性，則判斷待測水樣本影響目標微生物。在一實施例中，上述變化值即為第一變化值及/或該第二變化值。
另外，本發明更提供一種利用微生物檢測回收水質的系統，以實施上述方法。請參閱第2圖，其係繪示根據本發明一實施例之連續式醱酵裝置的局部示意圖。在一實施例中，前述利用微生物檢測回收水質的系統200可包含連續式醱酵裝置201、待測樣本儲存槽231、控制閥239以及控制器255。
在上述實施例中，前述連續式醱酵裝置201可包含例如醱酵槽202以及複數個檢測裝置241及檢測裝置245，例如酸鹼值檢測裝置、溶氧量檢測裝置、導電值檢測裝置以及代謝物質檢測裝置等。醱酵槽202內容置培養液203，以培養目標微生物205，使此目標微生物205維持化學恆定態。在另一例示中，醱酵槽202可包含例如上蓋207以及攪拌裝置209，攪拌裝置209之一端可固定於上蓋207上。
在上述實施例中，前述利用微生物檢測回收水質的系統200更可包含微生物儲存槽211、氣體儲存槽221及待測樣本儲存槽231可分別經由管路213、管路223及管路235與醱酵槽202連接，以供應醱酵槽202所需的目標微生物205、氣體(圖未繪示)及待測水樣本(例如醱酵廢水)與培養基之混合溶液233，並分別藉由泵219、泵225及泵239控制輸入的菌量、氣體量及待測水量。在一例示中，待測水樣本與培養基可以預先以1：10至20：1之體積比配製成混合溶液233，利用泵239控制含有待測水樣本與培養基之混合溶液233至醱酵槽202之輸出方式，例如脈衝添加方式或階梯變化方式。
另外，醱酵槽202內的醱酵液及氣體可分別經由管路215及管路227流出，並分別利用分析裝置217及分析裝置229分析目標微生物經培養步驟前後之菌體濃度的第一變化值以及培養液經培養步驟前後之多個參數值的第二變化值。管路215可選擇性設有泵218，以利於輸送醱酵液至分析裝置217。
在上述實施例中，醱酵槽202內可設有前述多個檢測裝置241及檢測裝置245。在一例示中，前述檢測裝置241及檢測裝置245可包括但不限於酸鹼值檢測裝置、溶氧量檢測裝置、氧化還原電位檢測裝置置、出口氣體濃度檢測裝置以及代謝物質檢測裝置，以檢測培養液之多個參數值，例如酸鹼值、溶氧量、氧化還原電位、出口氣體濃度以及代謝物質濃度等。上述所得之參數值可分別利用線路243及線路247輸入至分析裝置217。
在上述實施例中，前述分析裝置217及分析裝置229可經由線路251電性連接至控制器255，以處理、比較並判斷前述分析裝置217及分析裝置229獲得之菌體濃度變化值以及多個參數值變化值。在一例示中，當前述培養步驟前理後之菌體濃度之第一變化值及/或前述培養步驟後之培養液參數值之一者的第二變化值不為零或具有顯著差異性時，則控制器255判斷待測水樣本影響目標微生物205。
本發明之利用微生物檢測回收水質的方法及其系統利用化學恆定態之目標微生物以及短時間培養步驟進行檢測，故可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響，從而提高醱酵廢水的使用量、降低廢水處理與配製培養液的成本、節省寶貴的水資源、甚至達到零排放的環保標準。
請參閱第3A圖與第3B圖，其係分別繪示根據本發明一實施例之目標微生物與待測水樣本培養後之實驗變 因脈衝變化的曲線圖(第3A圖)與實驗變因階梯變化的曲線圖(第3B圖)。第3A圖與第3B圖之橫軸代表培養時間，縱軸代表菌體量或目標產物表現量。
在第3A圖中，待測水樣本在虛線302所示之時間點，以脈衝添加方式輸入連續式培養系統之醱酵槽後，在控制器之顯示介面上呈現如曲線301所示之變化。而目標微生物與待測水樣本培養後，菌體濃度或參數值(例如酸鹼值、溶氧量、氧化還原電位、出口氣體濃度以及主要代謝物質濃度)隨著培養時間產生脈衝變化，在控制器之顯示介面上呈現如曲線305、曲線307或曲線309之變化。
目標微生物與待測水樣本培養後，倘若曲線303呈現如曲線305或曲線309之變化，且曲線305或曲線309之變化值具有顯著差異性時，則判斷待測水樣本影響目標微生物，其中曲線305對於目標微生物有正面影響，而曲線309對於目標微生物有負面影響。倘若曲線303呈現如曲線307之變化，且曲線305或曲線309之變化值為零或不具有顯著差異性時，則判斷待測水樣本不影響目標微生物。
另外，在第3B圖中，待測水樣本在虛線312所示之時間點，以階梯變化方式輸入連續式培養系統之醱酵槽後，在控制器之顯示介面上呈現如曲線311所示之變化。至於目標微生物與待測水樣本培養後，菌體濃度或參數值(例如酸鹼值、溶氧量、電流值、電阻值以及主要代謝物質濃度)隨著培養時間產生脈衝變化，在控制器之顯示介面上 呈現如曲線315、曲線317或曲線319之變化。
目標微生物與待測水樣本培養後，倘若曲線313呈現如曲線315或曲線319之變化，且曲線315或曲線319之變化值具有顯著差異性時，則判斷待測水樣本影響目標微生物，其中曲線315對於目標微生物有正面影響，而曲線319對於目標微生物有負面影響。倘若曲線313呈現如曲線317之變化，且曲線315或曲線319之變化值為零或不具有顯著差異性時，則判斷待測水樣本不影響目標微生物。
上述實施例中，每組數據之樣本數至少為3個(n≧3)。
由上述結果可知，本發明利用微生物檢測回收水質的方法及其系統確實提供具有化學恆定態之目標微生物，與醱酵廢水經短時間培養後，比較與待測水樣本培養前後之菌體濃度與培養液參數值之變化值，可快速得知不同批次的醱酵廢水對於目標微生物的影響。本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者應可理解，藉由本發明揭露的方法及其系統可提高醱酵廢水的使用量、降低廢水處理與配製培養液的成本、節省寶貴的水資源、甚至達到零排放的環保標準。
需補充的是，本發明雖以特定菌種的目標微生物、特定醱酵製程的廢水、特定的連續式醱酵裝置及培養參數值、特定的分析方法或特定儀器作為例示，說明本發明之利用微生物檢測回收水質的方法及其系統，惟本發明所屬 技術領域中任何具有通常知識者可知，本發明並不限於此，在不脫離本發明之精神和範圍內，本發明之利用微生物檢測回收水質的方法及其系統亦可使用其他菌種的目標微生物、其他醱酵製程的廢水、其他的連續式醱酵裝置及培養參數值、其他的分析方法或其他儀器建立其他相關性模式。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧方法
101‧‧‧提供連續式醱酵裝置，使目標微生物維持在化學恆定態之步驟
103‧‧‧進行培養步驟，將待測水樣本加入醱酵槽，使目標微生物培養達一時間之步驟
105‧‧‧檢測目標微生物之菌體濃度及/或培養液之至少一參數值之步驟
107‧‧‧比較培養前後的菌體濃度及/或培養液至少一參數值之變化值之步驟
109‧‧‧當上述變化值不為零或具有顯著差異性時，則判斷待測水樣本影響目標微生物之步驟

Claims (7)

  1. 一種利用微生物檢測回收水質的方法，包含：提供一連續式醱酵裝置，其中該連續式醱酵裝置至少包含一醱酵槽，該醱酵槽內容置一培養液以培養一目標微生物，使該目標微生物維持在一化學恆定態，該目標微生物之一菌體濃度定義為一第一菌體濃度，且該培養液具有至少一第一參數值；進行一培養步驟，以一脈衝添加方式或一階梯變化方式將一待測水樣本加入該醱酵槽，使該目標微生物培養達一時間，其中該待測水樣本為一醱酵廢水，且該時間為10分鐘至8小時；檢測該目標微生物之該菌體濃度及/或該培養液之該至少一第二參數值，以獲得一第二菌體濃度以及至少一第二參數值；比較該第一菌體濃度與該第二菌體濃度之一第一變化值及/或比較該些第一參數值與該些第二參數值之一者的一第二變化值；以及當該第一變化值及/或該第二變化值不為零或具有一顯著差異性，則判斷該待測水樣本影響該目標微生物。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之利用微生物檢測回收水質的方法，其中該培養液之該些參數值包括一酸鹼值、一溶氧量、一出口氣體濃度、一氧化還原電位以及一主要代謝物質濃度。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之利用微生物檢測回收水質的方法，其中該目標微生物為一好氧菌、一厭氧菌或一兼性菌。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之利用微生物檢測回收水質的方法，其中該目標微生物係選自於由桿菌屬(Bacillus species)、產氣芽孢梭菌屬(Clostridium species)以及酵母菌屬(Saccharomyces species)所組成之一族群。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之利用微生物檢測回收水質的方法，其中該目標微生物為大腸桿菌(Escherichia coli)、產醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)以及啤酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)所組成之一族群。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之利用微生物檢測回收水質的方法，其中該待測水樣本與該培養液之一體積比為1：10至20：1。
  7. 一種利用微生物檢測回收水質的系統，包含：一連續式醱酵裝置，其中該連續式醱酵裝置至少包含一醱酵槽，該醱酵槽內容置一培養液以培養一目標微生物，使該目標微生物維持在一化學恆定態；一待測樣本儲存槽，以一第一管路與該醱酵槽連接， 其中該待測樣本儲存槽係容置一待測水樣本，且該待測水樣本為一醱酵廢水，當該醱酵廢水檢測該目標微生物之該菌體濃度及/或該培養液之該至少一第二參數值，以獲得一第二菌體濃度以及至少一第二參數值；一控制閥設於該第一管路中，以控制該待測樣本儲存槽之該待測水樣本至該醱酵槽之一輸出方式，其中該輸出方式包含一脈衝添加方式或一階梯變化方式；複數個檢測裝置，其中該些檢測裝置包括一酸鹼值檢測裝置、一溶氧量檢測裝置、一氧化還原電位檢測裝置、一出口氣體濃度檢測裝置以及一主要代謝物質檢測裝置，以檢測該目標微生物未與該待測水樣本培養之一第一菌體濃度以及與該待測水樣本培養之一第二菌體濃度，並檢測該培養液未與該待測水樣本培養之該些第一參數值以及與該待測水樣本培養之複數個第二參數值；以及一控制器，電性連接至該些檢測裝置，以處理、比較並判斷該些檢測裝置獲得之該第一菌體濃度、該第二菌體濃度、該些第一參數值以及該些第二參數值時，當該第一菌體濃度與該第二菌體濃度之一第一變化值及/或該些第一參數值與該些第二參數值之一者的一第二變化值不為零或具有該顯著差異性時，則該控制器判斷該待測水樣本影響該目標微生物。
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