TWI503075B

TWI503075B - 微藻養殖系統

Info

Publication number: TWI503075B
Application number: TW102134245A
Authority: TW
Inventors: Cheng Cheng Chen; Yu Ryu Lee
Original assignee: Univ Tajen
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-10-11
Also published as: TW201511665A

Description

微藻養殖系統

本發明是有關於一種養殖系統，特別是指一種微藻養殖系統。

積極開發各種替代能源，提升資源永續利用，為全球國家重要課題。各種替代能源之中，生質能僅次於石油、煤及天然氣，為全球第四大能源，因此，生質能源之開發與利用，受到很大的重視。

然而，生質能源遭遇的最大瓶頸為成本過高，其次為供應量不穩定與負能源淨產出等問題，而生質能源物料應以非糧食或無法作為糧食用途為基本考量。

微藻(Microalgae)為近年來最有潛力的生質能源來源之一。藻類營養需求，依據碳源與光能，分為光自營性、異營性、混營性與光異營性。光自營性以光線為能量來源，利用無機性二氧化碳為碳源，藉光合作用，轉化成化學能。異營性藻以有機化合物為碳源及能量來源。混營性藻類，則能利用有機碳，也能利用二氧化碳，或同時代謝兩種碳源，亦即能生長於光自營或異營狀態下。光異營性藻，則需要光線作為能源，利用有機碳化合物為碳源。光自營性藻，脂質產率普遍較低，然而所需二氧化碳能來自工廠煙道排放的二氧化碳，具有永續利用之功效，因此，目前有關產製生質柴油研究之藻類，大多為光自營性藻類。但混合營之微藻培養方式，生質量與脂質含量比自營性高，但異營性藻培養亦有受汙染之虞，而且放大量產時，需特殊生物反應器，成本也較高，而混營性與光異營性藻類，則同樣受到放大培養時可能受汙染之困擾。藻細胞培養時，改變營養鹽成分與其他培養條件，例如光照強度、溫度等等，亦會影響脂肪含量。

微藻轉化成為生質能源，雖然有相當之潛勢，但如何獲取高脂肪含量微藻，或如何利用不同培養方式，以獲取更高微藻脂肪產率，有效降低生產成本，則為此領域發展之關鍵。

因此，本發明之目的，即在提供一種微藻養殖系統，適用於一畜牧廢水以及一微藻液，其包含：一光生物反應模組，用以添加該畜牧廢水以及該微藻液；一光源模組，設置於該光生物反應模組周遭，以供應光源；一氣液控制模組，與該光生物反應模組連接以控制以控制一氣液比參數；及一水力控制模組，與該光生物反應模組連接以控制以控制一水力操作參數。

於是，本發明之功效在於根據適當之藻種進行較佳生長條件參數之設定，以有效提高微藻養殖的效率並降低養殖成本，對於環保意識日漸抬頭的今天，能夠有效降低微藻的養殖成本以及提升生長效率，相信對於生質能源的普及化是有相當程度的助益的。

〔本創作〕

5‧‧‧光生物反應模組

6‧‧‧光源模組

7‧‧‧氣液控制模組

71‧‧‧二氧化碳供應器

72‧‧‧空氣供應器

73‧‧‧控制器

8‧‧‧水力控制模組

81‧‧‧輸水幫浦

82‧‧‧流量控制元件

圖1是本發明之一較佳實施例之系統圖；圖2是不同培養條件與微藻脂肪含量分析圖；圖3是不同培養條件與微藻脂肪酸甲酯含量分析圖；及圖4是微藻生長之生長率及生物質量分析圖。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明之一較佳實施例，適用於一畜牧廢水以及一微藻液，其包含：一光生物反應模組5、一光源模組6、一氣液控制模組7及一水力控制模組8。

其中，該畜牧廢水及該微藻液添加於該光生物反應模組5中並加以混合之，該光源模組6設置於該光生物反應模組5之周圍以供給光源，該氣液控制模組7與該光生物反應模組5連接以控制其內部一氣液比(G/L)參數，該水力控制模組8與該光生物反應模組5連接以控制其一水力操作參數。

該氣液控制模組7包括一二氧化碳供應器71、一空氣供應器72及一控制器73。該二氧化碳供應器71、該空氣供應器72與該控制器73連接，以分別持續輸出二氧化碳及空氣至該控制器73中，該控制器73控制一溫度參數及該氣液比參數後，將混有空氣之二氧化碳輸送至該光生物反應模組5中以作為碳源。

該水力控制模組8包括一輸水幫浦81以及一流量控制元件82，且該流量控制元件82用以控制該輸水幫浦81之水力操作參數。

較佳地，該微藻液是取用本土綠藻種類中的一種優勢藻，其屬於綠藻植物綱(Chlorophyceae)→綠球藻目(Chlorococcales)→卵囊藻科(Oocystaceae)→Chodatella屬。

本較佳實施例之一據以實施之方式如下範例所示：微藻培養容器為5L之血清瓶，將同一批畜牧廢水先行過濾，再利用高溫高壓殺菌釜進行滅菌(1.5atm，121℃，30min)，隨後按比例，分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%添加於系列藻液中培養。培養期間，溫度設為25℃，曝氣量控制為0.5min/L，光照強度為5 Klux，培養12天，每2天測定微藻生長濃度及畜牧廢水營養鹽含量。將同一批畜牧廢水進行如上前處理，再與營養鹽進行調配成適當畜牧廢水添加比例，而後植入適量微藻母液於容量60L光生物反應器進行培養(圖1)，培養條件，溫度設定25℃，光照時間為24hrs/day，光照控制5 Klux，分別調整光生物反應器氣液比(G/L)為0.8L/L.min、0.5L/L.min、0.2L/L.min，水力停留時間(HRT)為1min、2.5min、4min(表1)，以瞭解光生物反應最佳水力操作參數。

而該微藻養殖之生長狀況，分析方式如下所述：

1.光學密度(Optical density，OD)測定：實驗先行掃描藻種之最佳偵測吸收波長為波長684nm，藻種接種第一天起，每隔24小時取適量藻液置入石英管，測其吸光值，觀察微藻生長狀況。

2.單位容積重測定：預先將濾紙(孔徑0.45μm)以90℃烘乾1小時後，取出濾紙置於乾燥器內2hrs，待其冷卻至室溫，測其重量。將培養之微藻，吸取50mL的藻液，進行藻體過濾，計算濾紙增加之重量與藻液體積，即可獲得藻細胞單位容積重。

3.生長率：微藻之生長方式，擬以一階反應方程式(F.1) 表示如下：

其中，Ct ：經t 時間培養之藻體濃度(mg/L)；Co ：初始藻體濃度(mg/L)；t ：培養時間(天)；k ：生長率(d^-1 )。

4.粗脂肪測定：將萃取杯及沸石放入鐵架，以105℃進行烘乾5min，之後放入乾燥箱內降於室溫，測重為W1，將培養一定時間的藻體，進行冷凍乾燥(FDU-2100，日本)，製成藻粉，取適量藻粉稱重為Q1，放入圓筒濾紙中，將圓筒濾紙裝填於萃取杯中，以2：1之比例加入正己烷及甲醇，進行脂肪萃取，萃取結束後，將萃取杯、及沸石放入鐵架，以105℃進行烘乾5min，之後放入乾燥箱內降於室溫，測重為W2。

5.熱值測定：將培養一定時間的藻液離心後，進行冷凍乾燥，製成藻粉。取適量藻粉稱重，於熱卡計(C2000 basic)內注入氧氣，進行燃燒，藉由燃燒室室外水分溫度變化，分析藻體熱值含量。

6.脂肪酸甲基酯(生質柴油)測定：取適量乾燥藻粉，加入NaOH/甲醇溶液，充分振盪混合，再以超音波震盪，並進行水浴加熱，以利溶劑與樣品反應。待冷卻後加入HCl/甲醇溶液及三氟化硼，之後再次進行水浴加熱加速催化。冷卻後再加入NaCl飽和溶液混合均勻，最後再加入正己烷，萃取脂肪酸甲酯並使其分層。取上層液進行脂肪酸甲酯之分析。微藻油脂經脂肪酸甲酯化，以氣相層析儀分析，將各尖峰的滯留時間(retention time)與標準品比較，確認各脂肪酸甲酯成分，並對應檢量線，求得各成分含量。

此外，不同畜牧廢水添加比例、曝氣量與溫度等培養條件，對於藻體脂肪含量之影響，顯示於圖2。圖 2(A)為溫度固定於20℃，在不同畜牧廢水添加比例與曝氣量培養下，藻體脂肪含量之變化。結果顯示，畜牧廢水添加比例在40%，曝氣量1及2L/min時，微藻脂肪含量較高，分別為19.7±0.41與19.6±0.08%，此與畜牧廢水添加比例為20%與60%相比，明顯高出許多。另外，畜牧廢水添加比例為40%及60%培養的藻體，脂肪含量隨著曝氣量增強而有明顯增加之趨勢。此結果，推測曝氣量對於微藻脂肪含量的影響程度很大。圖2(B)為溫度固定於25℃，不同畜牧廢水添加比例與曝氣量條件下，藻體脂肪含量之變化。結果同樣顯示，有曝氣的情況下，畜牧廢水添加比例為40%時，脂肪含量最高，1及2L/min曝氣量時，脂肪含量高達20.5±0.61與19.1±0.26%。而在畜牧廢水添加比例為60%，曝氣量2L/min時亦具有良好的表現，脂肪含量可至19.4±0.32%。溫度固定於30℃時，脂肪含量亦為曝氣量2L/min時最大。此結果與圖2(A)相比，說明曝氣(1及2L/min)，有助於微藻脂肪含量的提升，而畜牧廢水添加比例增加時，則需相對提高曝氣量。

綜合以上結果，歸納得知，畜牧廢水添加比例為40%，曝氣量為2L/min，溫度為30℃時，脂肪含量為23.0±0.45%，表現最佳，而畜牧廢水添加比例為60%，曝氣量為1L/min，溫度為20℃時，脂肪含量為6.0±0.46%，表現最差，此含量與最高脂肪含量相比，相差83%。表示微藻脂肪含量會因不同培養條件的影響，而有所改變。因此，欲有較高的脂肪含量，畜牧廢水添加比例為40%，較高曝氣量(2L/min)，較高溫度(30℃)時，能獲得較佳微藻脂肪含量。

脂肪酸含量亦是生質潛勢所參考的重要項目之一。脂肪經轉酯後，轉變成脂肪酸甲酯。經7天培養，不同培養條件對藻體脂肪酸甲酯之變化(不同畜牧廢水添加比例、不同曝氣量、不同溫度)，顯示於圖3(A-C)。圖3(A)為溫度固定20℃，不同畜牧廢水添加比例與曝氣量，對藻體脂肪酸甲酯之影響。結果顯示，各個畜牧廢水添加比例，當曝氣量逐漸增加，均能提升脂肪酸甲酯的含量。20%添加比例的畜牧廢水，脂肪酸甲酯由0L/min的732.39mg/L，增加至2L/min的1029.94mg/L，脂肪酸甲酯含量高出40%；40%添加比例，脂肪酸甲酯由559.39mg/L增加至888.25mg/L，脂肪酸甲酯含量高出58%；而60%添加比例，由666.43mg/L增加至2L/min的1201.13mg/L，脂肪酸甲酯含量高出80%。由此發現，各畜牧廢水添加比例，曝氣量為2L/min時，脂肪酸甲酯的含量較高，而0L/min曝氣量，脂肪酸甲酯的含量較低。而溫度固定為25℃與30℃時(圖3B、3C)，亦發現各個畜牧廢水添加比例，曝氣量增加，均能提升脂肪酸甲酯的含量，亦即，各個畜牧廢水添加比例與各培養溫度下，於有曝氣量(1、2L/min)時，脂肪酸甲酯含量高於無曝氣者(0L/min)。

此外，光生物反應模組之設計溫度25℃、光照5 Klux培養條件，以40%添加比例之畜牧廢水為對象，改變光生物反應之氣液比(0.8、0.5、0.2L/L.min)及水力停留時間(1、2.5、4min)，探討光生物反應之最佳水力操作條件。圖4為比較不同氣液比與水力停留時間培養微藻之生長變化，圖4(A)顯示，經過7天之培養，氣液比(0.8L/L.min)、水力停留時間(1min)之微藻生長率0.24d^-1 ，表現較佳，氣液比(0.5L/L.min)、水力停留時間(2.5min)培養之生長率0.19d^-1 表現次之，而氣液比(0.2L/L.min)、水力停留時間(4min)培養之生長率0.18d^-1 表現較差。氣液比(0.8L/L.min)、水力停留時間(1min)比其他兩組試程之生長率分別高出21%、33%，而生質物量方面，亦相對顯示高氣液比，有較高之生質物量(圖4B)，因此，增加氣液比與縮短水力停留時間，提供充分混合機會，有利於微藻生長。

因此，根據前述之分析方式，本較佳實施例之較佳地微藻養殖生長條件如下所示：

1.畜牧廢水濃度為70%~90%之間，可獲得較佳之生質物量；

2.畜牧廢水添加比例為40%、曝氣量2L/min以及溫度30℃時，可獲得較佳的微藻脂肪含量。

3.曝氣量2L/min時可獲得較佳的微藻脂肪酸甲酯含量。

4.氣液比0.8L/L.min、水力停留時間1min時可獲得較佳的生質物量。

綜合上述，本發明提供一種微藻養殖系統，且根據適當之藻種進行較佳生長條件參數之設定，以有效提高微藻養殖的效率並降低養殖成本，對於環保意識日漸抬頭的今天，能夠有效降低微藻的養殖成本以及提升生長效率，相信對於生質能源的普及化是有相當程度的助益的，故可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。