TWI429394B - 室外溫控微藻光生物反應系統 - Google Patents

Description

室外溫控微藻光生物反應系統

本發明係關於一種室外溫控微藻光生物反應系統，特別是關於一種藉由溫控水槽之水溫及水深來調控光反應管之溫度與光照等生長條件之室外溫控微藻光生物反應系統。

由於單細胞微藻(algae)能藉由行光合作用固定二氧化碳，並將其轉換成有機生物質(biomass)，這些生物質能用來做為各種技術領域之應用，例如健康食品、食品添加物、生化製藥、綠色能源、水產養殖、廢水處理等。使用微藻進行應用的優點在於微藻能不斷的將二氧化碳透過光能行光合作用來轉換儲存成生物質，故可符合永續利用之綠色環保訴求。以微藻生產油脂(例如不飽和脂肪酸omega-3)為例，其在相同培養面積之下，微藻產油能力為種植傳統油脂植物作物的30倍。再者，微藻之生長大致僅需要來自空氣中之二氧化碳與太陽能，且生長快速，年收成次數多，因此以微藻生產模式具有可再生性、降低成本、減少工業污染等優勢。

為了滿足大量生產微藻的需求，相關研究人員於是發展各式光生物反應器(photo-bioreactor)，以供生產各種微藻，其中光生物反應器可概分為室內養殖系統及室外養殖系統。該室內養殖系統通常使用人工光源，例如白熾燈或發光二極體(LED)之光源，而室外養殖系統則是直接使用太陽光做為光源，其養殖系統皆大致可分成封閉式光生物反應器(closed photo-bioreactor)以及開放川流式養殖池(raceway pond)。

例如，美國公告第5,151,347號發明專利即揭示一種室內型封閉式光生物反應器，此室內型封閉構造之優點為容易人工控制光線及溫度等生長條件，但其也常受限於室內有限空間而無法將模組尺寸大型化，且較為耗費光源電能。另外，中華民國公告第M360557號或第M337972號新型專利揭示一種室內型開放川流式養殖池，除了具備類似上述的優缺點之外，此室內型開放構造另可提供較低之設備成本，但由於其水體曝露於室內空氣中，因此相對容易受空氣中之灰塵等污染物污染而可能造成微藻在純化時的困難。

另一方面，對室外養殖系統而言，由於室外空間較大，故相對有利於將封閉式光生物反應器或開放川流式養殖池之模組大型化，以利於大規模培養微藻。例如，美國公開第2005/0260553號發明專利申請案即揭示一種室外型封閉式光生物反應器，相較於室內型封閉構造，此室外型封閉構造雖易於模組大型化，但由於其封閉管道位於室外開放環境中，因此較難以精準控制光線及溫度等生長條件。再者，中華民國公告第519548號發明專利揭示一種室外型開放川流式養殖池，相較於室內型開放構造，此室外型開放構造因其水體曝露於外界空氣中，故不但難以精準控制光線及溫度等生長條件，同時也更容易受室外空氣中之灰塵等污染物污染而造成微藻在純化時的困難。此外，若水體培養深度太深或微藻濃度太高時，太陽光將只能照射到養殖池上層部份微藻，使得下層部份微藻無法有效吸收到光能，因而容易使得培養效率降低，或造成上下層微藻處於不同生長階段而衍生出生物質收穫率降低的問題。

故，有必要提供一種室外溫控微藻光生物反應系統，以解決習知技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種室外溫控微藻光生物反應系統，其係將封閉式之光反應管沈浸在一溫控水槽內，並將整組系統設置於室外環境，以利用室外太陽光做為光源，及同時利用溫控水槽內之溫控水對光反應管進行恆溫調控，因而可提供適合微藻生長的環境條件，故有利於大量生產微藻、提高控制微藻生長溫度之精率性及便利性，並降低微藻培養成本。

本發明之次要目的在於提供一種室外溫控微藻光生物反應系統，其係藉由調整遮光網的透光率及/或改變溫控水槽之水深，以提供適當之太陽光遮蔽功能，進而可精確調控對光反應管之光照強度，故有利於提高光照強度之調控便利性。

為達上述之目的，本發明提供一種室外溫控微藻光生物反應系統，其包含：一溫控水槽，其設於一室外環境，且具有至少一溫控水入口及至少一溫控水出口，以分別輸入及輸出一溫控水；一光反應管，其設於該溫控水槽內並沈浸於該溫控水內，且該光反應管具有一藻水入口及一藻水出口，以分別輸入及輸出含有微藻之藻水，使藻水經由該光反應管之透光管體及該溫控水間接吸收太陽光；一循環蓄養槽，其連通於該光反應管之藻水出口，以接收及蓄養由該藻水出口提供之藻水；以及，一循環泵，設於該循環蓄養槽及該藻水入口之間，以將該循環蓄養槽提供之藻水導入該藻水入口，使藻水通過該光反應管循環流動並進行光合作用。

在本發明之一實施例中，該溫控水槽之上方另設有至少一遮光網，以遮蔽部分太陽光。

在本發明之一實施例中，該溫控水槽之上方另設有至少一捲動裝置，以敞開或捲收該遮光網。

在本發明之一實施例中，該光反應管係非直線狀的迂迴繞設於該溫控水槽內。

在本發明之一實施例中，該光反應管包含數個透光管體及數個快拆接頭。

在本發明之一實施例中，該光反應管之透光管體的內或外表面另塗佈一負離子塗層。

在本發明之一實施例中，該循環蓄養槽內(或是該循環蓄養槽及該藻水入口之間的管路上)另設有一藻水閥門調節入水量。

在本發明之一實施例中，該該溫控水出口具有一閥門，以調節該溫控水槽內之溫控水深度。

在本發明之一實施例中，該循環蓄養槽內另設有至少一灑水頭，其連通於該藻水出口，以將該藻水噴灑曝氣將藻類行光合作用產生之氧氣釋放至該循環蓄養槽內，並由蓋頂排氣管排出。

在本發明之一實施例中，該循環蓄養槽另連通於一注水口，以另注入新鮮之培養水。

在本發明之一實施例中，該循環蓄養槽內另具有至少一打氣裝置。

在本發明之一實施例中，該循環蓄養槽之頂部具有一排氣管。

在本發明之一實施例中，該循環蓄養槽及該藻水入口之間另設有一藻水回收控制閥，以利成熟藻水排出回收，及進行下一階段之製程。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第1、2及3圖所示，本發明主要用以提供一種適合設置於室外環境之微藻光生物反應系統，其不但能直接使用天然之太陽光作為微藻光合作用之光源，而且亦可提供水溫與光照之可調控性，以便維持微藻生長所需之較佳環境條件。如第1至3圖所示，其揭示本發明一較佳實施例之一室外溫控微藻光生物反應系統，該微藻光生物反應系統主要包含一溫控水槽1、一光反應管2、一循環蓄養槽3、一循環泵4以及至少一遮光網5。

請參照第1及2圖所示，本發明較佳實施例之溫控水槽1係由金屬或工業塑膠等耐用材質製成，例如玻璃纖維強化塑膠，且其槽體形狀可為矩形、方形、圓形、其他幾何形狀或任意形狀，例如長、寬、高為680×320×80公分之矩形槽體。惟，上述材質、形狀及其尺寸係可依實際使用需求及其所設置之室外環境來加以調整，並不加以限制。在本發明中，該溫控水槽1係適當設於一室外環境，且其槽體之頂部係呈開放狀，以便接收太陽光之照射。該溫控水槽1具有至少一溫控水入口11及至少一溫控水出口12，其中該溫控水入口11設置在該溫控水槽1之一側，該溫控水入口11用以輸入一溫控水至該溫控水槽1內，該溫控水可選自室外環境之海水、河水、湖水、地下水、預儲之雨水或是自來水等水源，上述水源在導入至該溫控水槽1之前已具有適當溫度，例如該溫控水較佳取自20至26℃之天然海水，以便使該溫控水槽1內之水溫維持在30℃以下，以保持較佳之生長條件，並防止其他不必要的微生物(例如鞭毛蟲等)大量生長。再者，該溫控水出口12設置在該溫控水槽1之另一側，該溫控水出口12用以由該溫控水槽1內輸出使用過後之溫控水，以方便進行更新或循環使用該溫控水。

再者，在本實施例中，必要時，本發明之溫控水槽1可在該溫控水入口11處設置一調節閥111，以供調節溫控水之輸入流量，或者亦可在該溫控水出口12處設置一閥門121，以暫時關閉該溫控水出口12，進而控制該溫控水槽11之溫控水總水深(例如30至65公分)以及該溫控水面距離該光反應管2頂部的深度(例如0至35公分)。該溫控水面距離該光反應管2的深度愈大，減弱該光反應管2吸收太陽光的程度愈明顯，因而可藉此來提供適當之太陽光透光率，以調控太陽光對該光反應管2之光照強度，故有利於提高光照強度的調控便利性。此外，該溫控水槽1內亦可選擇性設置一光度計、一溫度計及一溫控水溫度調節器(未繪示)，其中該光度計用以量測該溫控水槽1水面之光照強度，該溫度計用以量測該溫控水槽1之水溫，及該溫控水溫度調節器用以對該溫控水進行輔助加熱或冷卻。

請參照第1及2圖所示，本發明較佳實施例之光反應管2係由塑膠或玻璃等透光材質製成之圓柱狀中空管體，該透光材質較佳為聚碳酸酯(PC)，其可提供約85%之透光率。同時，該光反應管2通常係以非直線狀的形式(例如S形)迂迴繞設於該溫控水槽1內並沈浸於該溫控水內，其中該光反應管2之直徑可介於10至30公分之間，例如15公分。惟，上述材質、管形、繞設形狀及其尺寸係可依實際使用需求來加以調整，並不加以限制。在本發明中，該光反應管2係可由數個透光管體21及數個快拆接頭22所共同組裝而成，其中該快拆接頭22較佳亦為透光材質製成，該快拆接頭22有利於拆卸清洗或維修更換該透光管體21。再者，該光反應管2可供循環流動輸送含有微藻之藻水，並同時使微藻經由該透光管體21之透光管壁及該溫控水而間接吸收太陽光行光合作用，其中該光反應管2係一封閉式管路，其管內之藻水與外部之溫控水無法進行任何液體交換，同時該光反應管2內之藻水可藉由外部之溫控水來提供一恆溫環境，以維持內部之藻水的水溫於一預定水溫範圍內(例如20至30℃)。另外，本發明並不限制該微藻的種類，在一實施例中，該微藻例如可能選自擬球藻、螺旋藻或其他綠藻或藍綠藻等。

在本發明中，該光反應管2並具有一藻水入口23及一藻水出口24，其中該藻水入口23可選擇位於該溫控水槽1內或延伸至該溫控水槽1外，該藻水入口23係經由適當之連接管路(未標示)連通至該循環泵4，以便將該循環泵4提供之藻水輸入至該光反應管2內，其中該藻水入口23及該循環泵4之間的連接管路亦可另設一閥體231，以選擇開啟或關閉該藻水入口23。再者，該藻水出口24可選擇位於該溫控水槽1內或延伸至該溫控水槽1外，該藻水出口24係經由適當之連接管路連通至該循環蓄養槽3，以便將該光反應管2內之藻水輸出至該循環蓄養槽3，其中該藻水出口24及該循環蓄養槽3之間的連接管路亦可另設另一閥體241，以選擇開啟或關閉該藻水出口24。此外，在本實施例中，必要時，本發明亦可選擇在該光反應管2之透光管體21(及快拆接頭22)的內或外表面另塗佈一負離子塗層(未繪示)，其可避免微藻或其他微生物附著在其表面生長形成生物薄膜影響透光性，因此該負離子塗層有利於保持該透光管體21的透光性，並相對減少該透光管體21的維修清潔需求。

請參照第1及3圖所示，本發明較佳實施例之循環蓄養槽3係由金屬或工業塑膠等耐用材質製成，例如為玻璃纖維強化塑膠，且其槽體形狀可為圓柱形或其他幾何柱狀或任意形狀，上述材質、形狀及其尺寸係可依實際使用需求及其所設置之室外環境來加以調整，並不加以限制。在本發明中，該循環蓄養槽3連通於該光反應管2之藻水出口24，以接收及蓄養由該藻水出口24提供之藻水，其中該循環蓄養槽3設有至少一灑水頭31、至少一打氣裝置32、一排氣管33以及一注水口34。該至少一灑水頭31設於該循環蓄養槽3內之一預設最高水位之上方，該灑水頭31連通於該藻水出口24，以便將該藻水出口24提供之藻水噴灑曝氣至該循環蓄養槽3內，如此可使藻水因光合作用產生之氧氣經此曝氣方式回到空氣中。再者，該打氣裝置32係由打氣幫浦及氣泡石所組成，其用以將空氣(或二氧化碳)打入該循環蓄養槽3內，以利用產生之氣泡對槽內的藻水補助溶入二氧化碳。該一排氣管33設於該循環蓄養槽3之頂部，以將曝氣後產生之氧氣或過量空氣導出該循環蓄養槽3外。該注水口34係可經由一閥體(未標示)連通於該灑水頭31，或者直接設置於該循環蓄養槽3之適當側壁位置處，該注水口34可輸入新鮮之培養水。

再者，在本實施例中，該循環蓄養槽3另可設有一檢測窗口35，其係一具有玻璃或透明塑膠板之密封窗口，該檢測窗口35可方便操作人員由外部進行監測該循環蓄養槽3內部機構的運作。另外，必要時，該循環蓄養槽3亦可選擇性設有一藻水溫度調節器36、一溫度計、一溶氧量測計、一PH量測計(未繪示)或其組合量測模組，其中該溫度計用以量測該循環蓄養槽3之水溫，該溶氧量測計及PH量測計用以量測回收後之藻水的溶氧及PH值，以及該藻水溫度調節器36用以對該回收後之藻水進行輔助加熱或冷卻。此外，該藻水溫度調節器亦可能設置於該循環蓄養槽3及該藻水入口23之間的連接管路(未標示)上之適當位置處。

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之循環泵4係可選自各種市售幫浦，例如一變頻式循環泵，但並不限於此。該循環泵4設於該循環蓄養槽3及該藻水入口23之間的連接管路(未標示)上，以提供水壓來驅動該循環蓄養槽3提供之藻水，而將藻水重新導入該藻水入口23內，使藻水通過該光反應管2再次循環流動並進行光合作用。再者，一藻水回收控制閥41係設置於該循環蓄養槽3及該藻水入口23之間的連接管路上之一適當位置處可用以回收藻水，以進行收穫。在本實施例中，必要時，亦可在該循環蓄養槽3及該藻水入口23之間的連接管路上之一適當位置處設置一流量計及/或一溫度計(未繪示)，以監控該藻水之流速(例如1.5至12cm/sec)、流量(例如10至140L/min)及/或溫度(例如<30℃)等參數。

請再參照第1及2圖所示，本發明較佳實施例之至少一遮光網5係可選自各式半透光網材，例如由黑色尼龍繩編織而成之網材，但並不限於此。在本實施例中，本發明設置二組遮光網5，其皆設於該溫控水槽1之上方，但分別具有80%及60%之透光率，以供單獨或同時敞開，以遮蔽部分太陽光，避免供應過量光照強度予該溫控水及該光反應管2內之藻水。再者，本發明另設有至少一捲動裝置51，以敞開或捲收該遮光網5。該遮光網5之遮蔽程度愈大，減弱該光反應管2吸收太陽光的程度愈明顯，因而可藉此來提供適當之太陽光遮蔽率，以調控太陽光對該光反應管2之光照強度，故有利於提高光照強度的調控便利性。如上所述，依據微藻之種類，本發明可同時調整該二遮光網5遮蔽溫控水面的程度以及控制該溫控水面距離該光反應管2頂部的溫控水深度，以調控出適當之遮光效果，來使該光反應管2內的微藻保持在較佳吸光條件。例如，在二組該遮光網5分別具有80%及60%之透光率、該光反應管2的透光管壁21具有85%之透光率以及該溫控水面距離該光反應管2頂部的溫控水深度為12公分等透光條件下，若該二遮光網5皆敞開遮蔽該溫控水面，則可提供約80%(第一層遮光網)×60%(第二層遮光網)×60%(約水深12cm衰減效果)×85%(透光管壁透光率)之透光率，如此該光反應管2內的微藻僅可接收約25%之太陽光日照強度。因此調整上述遮光因子，可穫取藻類最佳之日照條件(換言之，若日照強度1600μmol/sec‧m² 經上述物件遮蔽後約剩下400μmol/sec‧m² 之光子強度)，其中此光子強度已足以供微藻進行光合作用。若需進一步調控透光率，則可藉由改變該二遮光網5的透光率及/或該溫控水深度來順利調控對該光反應管2之光照程度。

如上所述，相較於習用室外型之封閉式光生物反應器或開放川流式養殖池具有不易精準控制光線及溫度等生長條件的缺點，第1至3圖之本發明藉由將封閉式之光反應管2沈浸在該溫控水槽1內，並將整組系統設置於室外環境(例如濱海地區)，以利用室外太陽光做為免費光源，及同時利用該溫控水槽1內之溫控水對該光反應管2進行恆溫調控，因而可提供適合微藻生長的環境條件，故確實有利於大量生產微藻、提高控制微藻生長溫度條件之精準性及便利性並降低微藻培養成本。再者，本發明亦可藉由調整該遮光網5的透光率及/或改變該溫控水面距離該光反應管2頂部之水深，以提供適當之太陽光遮蔽率，進而能精確調控對該光反應管2之光照強度，故亦有利於提高光照強度之調控便利性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。

1．．．溫控水槽

11．．．溫控水入口

111．．．閥體

12．．．溫控水出口

121．．．閥體

2．．．光反應管

21．．．透光管體

22．．．快拆接頭

23．．．藻水入口

231．．．閥體

24．．．藻水出口

241．．．閥體

3．．．循環蓄養槽

31．．．灑水頭

32．．．打氣裝置

33．．．排氣管

34．．．注水口

35．．．檢測窗口

36．．．藻水溫度調節器

4．．．循環泵

41．．．藻水回收控制閥

5．．．遮光網

51．．．捲動裝置

第1圖：本發明較佳實施例之室外溫控微藻光生物反應系統之示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例之溫控水槽與光反應管之側視圖。

第3圖：本發明較佳實施例之循環蓄養槽之剖視圖。

1．．．溫控水槽

11．．．溫控水入口

111．．．閥體

12．．．溫控水出口

121．．．閥體

2．．．光反應管

21．．．透光管體

22．．．快拆接頭

23．．．藻水入口

231．．．閥體

24．．．藻水出口

241．．．閥體

3．．．循環蓄養槽

31．．．灑水頭

32．．．打氣裝置

33．．．排氣管

34．．．注水口

35．．．檢測窗口

36．．．藻水溫度調節器

4．．．循環泵

41．．．藻水回收控制閥

5．．．遮光網

51．．．捲動裝置

Claims (7)

1. 一種室外溫控微藻光生物反應系統，其包含：一溫控水槽，其設於一室外環境，且具有至少一溫控水入口及至少一溫控水出口，以分別輸入及輸出一溫控水；一光反應管，其設於該溫控水槽內並沈浸於該溫控水內，且該光反應管具有一藻水入口及一藻水出口，以分別輸入及輸出含有微藻之藻水，使藻水經由該光反應管之透光管體及該溫控水間接吸收太陽光，該光反應管係非直線狀的迂迴繞設於該溫控水槽內，且該光反應管包含數個透光管體及數個快拆接頭，且該光反應管之透光管體的內或外表面另塗佈一負離子塗層，以防止或降低藻類之附著；一循環蓄養槽，其連通於該光反應管之藻水出口，以接收及蓄養由該藻水出口提供之藻水，該循環蓄養槽內設有至少一灑水頭，其連通於該藻水出口，以將該藻水出口提供之藻水噴灑曝氣至該循環蓄養槽內；以及一循環泵，設於該循環蓄養槽及該藻水入口之間，以將該循環蓄養槽提供之藻水導入該藻水入口，使藻水通過該光反應管循環流動並進行光合作用。
2. 如申請專利範圍第1項所述之室外溫控微藻光生物反應系統，其中該溫控水槽之上方另設有至少一遮光網，以遮蔽部分太陽光。
3. 如申請專利範圍第2項所述之室外溫控微藻光生物反應系統，其中該溫控水槽之上方另設有至少一捲動裝置，以敞開或捲收該遮光網。
4. 如申請專利範圍第1項所述之室外溫控微藻光生物反應系統，其中該循環蓄養槽內或是該循環蓄養槽及該藻水入口之間的管路上另設有一藻水溫度調節器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之室外溫控微藻光生物反應系統，其中該溫控水槽入口具有一閥體，及該溫控水出口具有一閥體，以調節該溫控水槽內之溫控水之深度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之室外溫控微藻光生物反應系統，其中該循環蓄養槽內另具有至少一打氣裝置；及該循環蓄養槽之頂部具有至少一排氣管(或通風口)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之室外溫控微藻光生物反應系統，其中該溫控水槽內另設有一溫控水溫度調節器。