CN112715486B - 一种连续自动化生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种连续自动化生物反应器，主要概念来自生物反应器或发酵槽的发想。主要分为三大部分，第一部分：塔式的饲养槽体，内部以隔板分出不同层次，可以区隔不同生长天数的生物体，并达到空间最佳化使用；第二部分：自动给料系统，减少投料人力，并能达到少量多次的给料，减低饲养槽体内因饲料发酵所产生的温度；第三部分：利用真空抽气原理，让槽体内的空气流动，除供应饲养生物体所需氧气外，也将生物体所产生的废气抽离，并能达到降温及降湿效果。本发明收获生物体与接种生物体同步进行。以饲养黑水虻为例，每天接种初龄幼虫，并收获老熟幼虫及虫粪，可使系统持续运作，达到最佳化饲养，节省大量人力及空间。

Description

一种连续自动化生物反应器

技术领域

本发明涉及一种自动化生产管理设备，包括三大部分，第一部分：塔式的饲养槽体，可以达到空间最佳化使用；第二部分：自动给料系统，减少投料人力，并能达到少量多次的给料，减低饲料发酵所产生的温度；第三部分：利用真空抽气原理，让槽体内的空气流动，除供应饲养生物如黑水虻所需氧气外，也将饲养生物所产生的废气抽离，并能达到降温及降湿效果。

背景技术

自动化虫体生产管理设备，于采用漏斗式饲养，设有监控及输送带设置，以便收集幼虫。然而，需要大量空间来摆放设备饲养虫体，且要很多人力来补充饲料。该项专利批次饲养，必须每次收获后，再重新开始饲养。

Black Soldier Fly Biowaste Processing-A Step-by-Step Guide，是由瑞士发展与合作署(SDC)和瑞士联邦经济教育与研发部经济事务秘书处(SECO)资助撰写与出版。主要目的在于利用黑水虻大量处理生物废弃物如厨余、食物残渣等。其采用箱盒饲养方式，需要大量人力、场地及物力投入，才能饲养虫体。

饲养时，会产生热及大量粪便与废气，因此只能限于使用固定容器，采薄层(5～10公分)化饲养，以利散热及气体交换。

薄层饲养，无通气设备，生物体生长排放的废气累积在饲养盒中，不但不利生物体发育，还有氧气不足的情况，会妨碍生物体生长，必须不断翻搅饲养盒内的饲养介质。此外，饲养容器通常无降温设备，幼虫生长及饲料发酵所产生的热，累积在容器内，使温度过高，也不利生物体生长。不管使用箱式、盒式、池式、漏斗式等方式，都需要极大空间来堆叠或放置饲养容器。

采用整批饲养，收获后需要重新再设立新的饲养流程。如此，花费很多人力，再重新设立不同批次的生产。

批次化饲养，在初龄生物体体积很小时，仍然占据相同饲养空间，造成饲养空间浪费，并只能在一定期间(10～15天)收获一次，无法每天生产生物体，无法稳定供应，因此有碍作为饲料，每天喂食其他家禽、家畜、或水产养殖来用。

除微生物饲养外(如酒类发酵)，现今多细胞生物体，如黑水虻饲养，大都无自动化给料系统，未能小量多次给料，易造成饲料在饲养盒内发酵，使温度增高，不利幼虫生长。

传统的生物反应器或发酵槽，大多用于酿酒、微生物发酵或细胞株培养等。因为培养液养分高，微生物生长快，所以很容易污染，必须在严密的环境条件控制下，才能正常运作。

本发明从发酵槽及生物反应器的概念出发，参考生物体如黑水虻的生物特性，设计连续自动化生物反应器。

发明内容

黑水虻作为当前循环经济及环境保护的明星物种，由于其具有消化有机生质废弃物能力，例如厨余、果菜市场食物残渣、动物粪便、人类粪便、污泥、豆渣、酒糟、食材工厂下脚料、屠宰场废弃物等，近年来已经在世界各国迅速发展，大量饲养黑水虻，处理有机废弃物。此外，黑水虻由于幼虫具有丰富的营养价值，可以作为饲料，饲养各种家禽、家畜、水产养殖等；也可取代鱼粉功能，作为饲料添加剂，减少海洋鱼类遭到滥捕的压力。

综合观察从前发酵槽及生物反应器的特色，即在提供大量饲养的经济效益。仔细观察饲养生物(如黑水虻幼虫)的生活习性，因此启发本发明，针对黑水虻饲养所需条件，改良发酵槽或生物反应器，经过无数次的试验与研发，终于成功发明本类似发酵槽或生物反应器的饲养系统，可以连续且自动化的饲养黑水虻及应用到其他生物体，例如其他昆虫、蚯蚓、水产养殖或饲料用生物。

本发明将薄层且平面饲养，改为立体饲养，可以大量降低饲养所需面积达10倍以上。

本发明采用连续自动化饲养，取代传统批次化生产，大量降低人力成本10倍以上，使整体饲养经济效益是传统饲养10倍以上。

本发明所称的饲养生物，包含昆虫及其幼虫(如黑水虻、蝇蛆、面包虫、蟋蟀、斜纹夜蛾、家蚕等)、蚯蚓、水产养殖生物及其它饲料用生物。

饲养槽的架设

饲养槽的大小，可依照要处理的生质废弃物量体或所要饲养的生物体，例如黑水虻数量而定，目前采用的规格有0.8x0.8x2.4米(长x宽x高)、2x2x2米(长x宽x高)、及2.4x2.4x2.4米(长x宽x高)等三种不同规格。

另外，也可以参照饲养场所可以摆放的空间，而量身订做方形或圆形饲养槽体或作成并联方式摆放。

基本上，饲养槽体越大，所需要的槽体铁件强度越高。饲养槽因采用立体饲养，相同空间可饲养的体积(以黑水虻幼虫为例)，约为薄层饲养容器的100倍。

以0.8x0.8x2.4米(长x宽x高)的饲养槽为例，在0.64平方米的空间上，可饲养体积为1.5立方米。传统的薄层箱盒饲养容器体积为0.6x0.4x0.1米(长x宽x高)，可饲养体积约为0.024立方米。

一个0.8x0.8x2.4米(长x宽x高)的饲养槽的饲养容量，约为62个薄层箱盒饲养容器(1.5/0.024＝62)。

单位面积饲养容量上，62个薄层饲养盒占有面积为0.6x0.4x62(个)＝14.9平方米，而本发明的饲养槽所占面积为0.8x0.8宽＝0.64平方米，因此换算，本发明的饲养槽，单位面积效率是薄层饲养箱的23倍。

本发明槽体内部设有数个内隔板，该些内隔板上下交错，内隔板呈向下倾斜。

当下方出料口出料后，各层内隔板上的生物体会依序往下移动，因内隔板有倾斜，所以在内隔板的下方，会形成一个三角形的空隙，作为添加饲料的空间，也使分布该层日龄的生物体(如黑水虻)会聚集在饲料周围取食，不会四处游动，创造分层连续饲养的实现。

通风系统的建立

本发明使用发酵槽或生物反应器的饲养槽方式饲养，最需要克服的障碍是通气、降温、降湿。为克服这三项障碍，我们采取真空抽气式的通风系统。

通风系统主要构建是一组强力鼓风机，加设抽风管，从饲养槽上方抽气，并在饲养槽下方开两个进气口。

当鼓风机抽风时，产生真空状况，外界新鲜气体自饲养槽底部的进气口流入，经过槽体内的饲养介质，从顶部的抽气口抽离，这样气体流动，可以提供新鲜氧气给饲养槽内的生物体(如黑水虻)呼吸，并将生物体新陈代谢产生的废气(如氨气、甲烷)抽出。

此外，饲养槽内生物体代谢及饲料发酵产生的热气，可通过气体流动排出，达到降温效果，同时也让饲养槽内的饲料含水量因风干作用而降湿。

饲料搅拌及自动给料单元的架构

本发明使用的饲料搅拌及给料单元，是螺旋输送设备或是气动隔膜泵的方式，将饲料送入槽内，并依照饲料为固料或是液态的养料而有所区分。

传统批次化薄层饲养黑水虻，在饲养期间约分三次喂给饲料，通常为第1、5、8天给一定量的饲料，易使饲料在饲养盒内发酵，产生大量热气与湿气，造成幼虫生长阻碍。

本发明设置饲料搅拌及自动给料站，依据不同饲料来源的性质差异，可调配最佳饲养配方，例如:熟厨余因为太过油腻及盐分过多，可调配生厨余(果皮或蔬菜残株)；禽畜粪便因黏着度太高，可调配粗糠或麦麸皮。

经过调配的饲料，在搅拌机内充分搅拌均匀，经由自动化控制系统，从输送管输送到各个饲料投入口。

以饲养黑水虻为例，取100克的黑水虻卵，放在薄层饲养盒，盒内放置一公斤的70％含水量小鸡饲料。其上再放置一个架高10公分的孵化架，将卵放在孵化架上。卵孵化后的幼虫，从孵化架掉入小鸡饲料上取食。到第5日龄时，取出初龄幼虫秤重，并计算幼虫数。

本发明饲料的含水量为40％至90％。

本发明饲料的含水量为50％至80％。

本发明饲料的含水量为60％至70％。

本发明以自动控制方式，依照饲养槽内不同生物体日龄期，投入不同量体饲料。

本发明可以达到每小时投料一次，避免饲养槽内的饲料发酵产生热气。

附图说明

图1为本发明黑水虻饲养槽的剖视图。

具体实施方式

准备材料

(1)饲养槽体为0.8x0.8x2.4米。

(2)饲料为含水量约70％的豆渣。

(3)饲养生物体源：黑水虻，在农场豆渣储存桶采集的幼虫，羽化后累代饲养。

(4)薄层饲养盒0.6x0.4x0.1米的塑胶桶。

初龄幼虫

取100克的黑水虻卵，放在薄层饲养盒，盒内放置一公斤的70％含水量小鸡饲料，其上再放置一个架高10公分的孵化架，将卵放在孵化架上，卵孵化后的幼虫，从孵化架掉入小鸡饲料上取食。到第5日龄时，取出初龄幼虫秤重并计算幼虫数。

接种幼虫

将所有的初龄幼虫，从饲养槽上方的初龄幼虫投入口，放进饲养槽饲养。每一批虫，均由100克虫卵孵化的幼虫组成，分批接种到饲养槽内。

饲料投入

饲养初期，第一批虫接种后，每天补给饲料，分别从饲料投入口投入饲料。本饲养槽从顶部至底部，共有10个饲料投入口，从上到下，依序为第1天、第2天…第10天等。饲料的投入，由自动化控制系统，由不同的投入口投入不同的饲料量。

饲料投入量控制

饲料的投入，由自动化控制系统，由不同的投入口投入不同的饲料量。按照不同天数，投与不同重量的70％含水豆渣。饲养初期，每个投入口的饲料量分配如下：第1天补给0.5公斤，第2天1公斤，第3天2公斤，第4天8公斤，第5天16公斤，第6天32公斤，第7天32公斤，第8天16公斤，第9天8公斤，第10天不喂食。

分批接种初龄幼虫

每天接种一批100克卵孵化的初龄幼虫，并依照饲料投入量喂食。第10天，开始每天收获虫体。如此周而复始，可达到连续自动化饲养的目标。

收获虫体

收获时，打开饲养槽下方的收获出料口，每次收获约230公斤的虫体与虫粪混合物。

收获后处理

收获的虫体与虫粪混合物，放入干燥桶，以鼓风机出风口的热风干燥，约4小时后，取出干燥的混合物，以筛网过滤虫粪后，所得虫体即可作为家禽、家畜饲料，或进一步干燥制成虫干保存。

塔式饲养槽1，可依照需要订制不同尺寸，饲养槽内设置不同内隔板2，可间隔不同龄期幼虫，达到分龄连续饲养。

饲养槽底部有收获虫体出料口3，长大成熟幼虫，从出料口掉落并收获。

自出料口掉落的成熟幼虫，以输送车传送到收获桶4。

饲料搅拌及自动给料单元5，调配不同性质饲料并搅拌均匀，调配好的饲料，通过自动化设备，经由饲料输送管6，输送到各个饲料投入口7，饲养槽内的通气系统，主要由一台鼓风机8驱动，鼓风机经由抽风管9，自槽体顶部抽风口10抽风，形成负压式真空。

饲养槽底部开两个进气口11，因为槽体负压关系，而使外界新鲜气体流入，饲养槽顶部有初龄幼虫投入口12，每天投入约5日龄的幼虫。

综合上述实施例的说明，当可充分了解本发明的操作、使用及本发明产生的功效，以上所述实施例仅是本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，都属与本发明涵盖的范围内。

符号说明

1 饲养槽

2 内隔板

3 收获虫体出料口

4 收获桶

5 饲料搅拌及自动给料单元

6 饲料输送管

7 饲料投入口

8 鼓风机

9 抽风管

10 抽风口

11 进气口

12 初龄幼虫投入口

Claims (9)

1.一种连续自动化生物反应器，该反应器包含:

槽体，该槽体内部设有复数个内隔板，其中该复数个内隔板彼此间，是上下交错的形状，并呈向下倾斜；

出料口，该出料口设于该槽体下方，用以收获虫体；

饲料搅拌及给料单元，设于该槽体的一侧，与该槽体中间用输送管连接，并通过该输送管将饲料送入该槽体内部的至少一个饲料投入口；及

通风系统，该通风系统包含抽风管、抽风口、抽风装置及至少一个进气口，该抽风装置与该槽体间用抽风管连接，该抽风管与该抽风口相连，使该槽体内部形成负压。

2.根据权利要求1所述的反应器，该反应器进一步包含收获桶，用于收集成熟幼虫。

3.根据权利要求1所述的反应器，其中该抽风装置是驱动鼓风机，用于使饲养槽体内部通气。

4.根据权利要求1所述的反应器，该反应器进一步包含投入口，用于放入所要培养的饲养生物。

5.根据权利要求1所述的反应器，其中该饲料是豆渣、厨余或禽畜的粪便。

6.根据权利要求1或5所述的反应器，其中该饲料的含水量为40％至90％。

7.根据权利要求1所述的反应器，其中该饲料搅拌及给料单元，是螺旋输送设备。

8.根据权利要求1所述的反应器，其中该饲料搅拌及给料单元是一种气动隔膜泵设备。

9.根据权利要求4所述的反应器，其中该饲养生物包含昆虫、蚯蚓、水产养殖生物及其它饲料用生物。

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