TWI494427B

TWI494427B - Recycled Closed Microalgae Aquaculture Production System

Info

Publication number: TWI494427B
Application number: TW099112081A
Authority: TW
Inventors: Jiunn Tzong Wu; Chang Keng Lin; wei li Cheng
Original assignee: Jiunn Tzong Wu; Chang Keng Lin; wei li Cheng
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2015-08-01
Also published as: TW201137118A

Description

循環密閉式微藻養殖生產系統

本發明係關於一種微藻大量養殖生產技術與製程設備。

微藻養殖系統可分為「開放式」與「密閉式」兩種，開放式系統是在戶外利用陽光進行培養，而密閉式系統必須在光生化反應器中進行培養，因此開發出許多不同型式的光生化反應器，所發展出的微藻養殖系統也不同。

習知較為可行的微藻生產方法有二種：(一)培養袋養殖系統，(二)管型光生化反應器養殖系統。

習知在微藻養殖的製程可分為以下的三個製程系統，(一)培養液供給系統，(二)氣體混合循環系統，(三)養殖成品收成系統。

如第一圖所示，習知培養袋養殖系統包括：

1、培養袋配置：培養袋10a為透光性塑膠袋，將培養袋10a吊掛於固定支架11a上，使培養袋10a內微藻有效吸收光能，但培養袋10a為軟性結構，無法承載太大荷重，容積受限。

2、培養液供應系統：將培養液12a從培養液儲存槽13a內，經由培養液供應泵浦14a送至培養袋10a，進行微藻生產作業。

3、氣體混合循環系統：利用氣體循環風車16a，將CO₂供應裝置15a經由培養袋10a上方開口部，送至培養袋10a，以增加微藻培養的混合擾動效果。

4、養殖成品收成系統：養成之微藻成品會沉澱於培養袋10a下方，由於培養袋10a為透光性塑膠袋，無法在下方開口，需由微藻培養液回收泵浦17a從每一支培養袋10a，抽送至微藻液收集槽18a，無法自動化操作，耗時費力。

如第二圖所示，習知管型光生化反應器養殖系統包括：

1、管型光生化反應器配置：管型光生化反應器10b一般為透明塑料或玻璃材質組成，以南北朝向水平放置，將管型光生化反應器10b架設於固定支架11b上，以利微藻進行光合作用。而塑料材質受到紫外線照射會影響光透性，惟價格偏高。

2、培養液供應系統：將培養液12b從培養液儲存槽13b內，經由養殖循環泵浦14b打入管型光生化反應器10b內，將開關閥18b關閉，開關閥20b開啟，使管型光生化反應器10b形成一個密閉式養殖系統，微藻於管型光生化反應器10b內循環流動，進行光合作用。

3、氣體混合循環系統：利用氣體供應泵浦16b，將CO₂供應裝置15b打入管型光生化反應器10b，使CO₂與微藻於管型光生化反應器10b混合。

4、養殖成品收成系統：當收集微藻時，將開關閥25b關閉，開關閥26b開啟，使養殖循環泵浦16b與微藻液收集槽17b成一通路，將微藻液送至微藻液收集槽17b內。

微藻養殖系統在密閉式的養殖環境控制上較為容易，因而密閉式養殖的微藻收成率也較開放式養殖為高，品質也更為穩定，因此密閉式養殖系統是目前微藻養殖的主流方向。

惟以往習知的密閉式養殖系統仍然有其缺點，諸如密閉式養殖生產系統設備單元過多，養殖容積較小，成品收成無自動化，需使用大量人力，使得成本增加而降低生產效率，也因此造成生產規模受限，不易放大，這也是密閉式微藻養殖亟待突破的關卡。

因此，如何在密閉式微藻養殖系統中，開發出一種生產設備模組化，使現場操作維護簡便，一種大容量的微藻養殖反應器，讓製程設備可於工廠大量生產製造的微藻養殖系統，便是能達到有效降低生產成本，提升生產效率的有效方法。

本發明中，微藻養殖生產控制機能將微藻養殖生產系統中所需的水力泵浦、空氣風機、控制閥件、電氣控制設備及可程式控制系統，將其整合為一體的模組化單元設備，並可於工廠大量生產製造。在系統操作運轉維護時，更可集中監控微藻培養液之供給及循環，監控養殖氣體供給及循環，以及監控微藻液之成品收成，可簡化人力及場地的配置，方便維修及縮短建廠時程。

本發明中，多功能微藻養殖反應器設有多功能底座及支架結構。多功能底座設有水流進出調整開關及氣體進出調整閥，水流進出調整開關可控制微藻培養液之供給、循環及微藻液成品收成，氣體進出調整閥可控制養殖氣體之循環供給。支架結構可乘載大容積之透明塑膠培養袋，以大幅提高微藻養殖的單位產量。

而本發明的微藻養殖生產控制機可大幅改善以往習知裝置所產生的缺點，將微藻養殖的生產製程，(一)培養液供給系統，(二)氣體混合循環系統，(三)養殖成品收成系統，應用本創作將機械設備、水管系統、氣體系統、電力系統、液位及時間控制系統整合，採集中式管理控制，以提高微藻養殖的效率。

而本發明的多功能微藻養殖反應器，具有高透光性、低價格、取得容易、大容量、可自動化生產的優點，以提高微藻養殖的單位生產量。綜合有如下八個特點：

特點一：微藻養殖生產控制機能將微藻養殖的諸多元件予以整體模組化及規格化，使得本創作能在最短時間內進行製造、替換及維修，避免因故障而造成製程長時間的停機，影響到整體製程生產效能。而本創作也因被整體模組化及規格化，故能透過大量生產製造，以達到減少設備成本及建置時間的效益。

特點二：微藻養殖生產控制機能諸多將機械設備及控制元件整合安裝於密閉式的模組箱內，保護生產設備及控制元件，不受風吹日曬雨淋，可有效降低生產設備及控制元件的故障機率。更因為微藻養殖生產控制機可集中操作監控的特性，而減少了人力及場地的成本。

特點三：只要將各個管路系統連接上微藻養殖生產控制機的管路接口，便能成為一組微藻養殖生產系統，快速的進行微藻養殖生產。

特點四：多功能微藻養殖反應器設有多功能底座及支架結構。其多功能底座材質可為不銹鋼板或抗UV塑膠原料所加工而成之圓形封底形狀，再配合支架結構的組裝，藉以支撐大容積的透明塑膠培養袋，如此可容納高容量的培養液，提高微藻養殖的產量。

特點五：多功能微藻養殖反應器之多功能底座設有水流進出調整開關及氣體進出調整閥，可提供培養液供給循環、氣體混合循環及養殖成品收成製程自動化。

特點六：多功能微藻養殖反應器所使用的培養袋，其使用材質可為塑膠類透明管或塑膠類透明培養袋，二者皆具有高度的透光性，如培養袋採用塑膠類透明培養袋，更具有價格低廉、取得容易、更換方便等優點。

特點七：採密閉式培養，讓氣體在微藻養殖反應器間流動，但與外界隔離。此可使氣體在系統內部循環利用，增加氣體利用率，且氣體不外漏，避免異味或有害氣體逸流至系統外。

特點八：生產系統化及大規模的量產。一台微藻養殖生產控制機，依其不同的設備規格大小，可搭配的多功能微藻養殖反應器數量，可為一支、數十支、甚至高達數百支組合。而由多台微藻養殖生產控制機所組合而成的生產系統，所搭配的多功能微藻養殖反應器數量，更可高達數千支、數萬支至數十萬支的生產組合，而達到生產系統化及大規模的量產。

請參閱第三、四、五、六圖，係為本發明「循環密閉式微藻養殖生產系統」之實施方式，其實施方式如下：

1、第三圖實施方式：微藻養殖生產控制機及多功能微藻養殖反應器之微藻養殖生產系統

培養液供應系統：將培養液(有機或無機液體、豬禽廢水等)10排至培養液儲存槽11，再將培養液儲存槽11銜接至控制機培養液入口端管路13，透過操作微藻養殖生產控制機14，可啟動微藻養殖生產控制機14內之培養液供應泵浦15，將培養液經由控制機培養液出口端管路16送至多功能微藻養殖反應器17內，由控制機14供應培養液充滿多功能微藻養殖反應器17後，再控制將關斷閥18關閉，形成一個密閉式養殖系統

氣體混合循環系統：將CO₂供應裝置20銜接至控制機CO₂吸入端管路21，透過操作微藻養殖生產控制機14，可啟動微藻養殖生產控制機14內之氣體循環風車22，將氣體經由控制機出口端管路23送至多功能微藻養殖反應器17內之氣體噴流孔裝置24，使多功能微藻養殖反應器17內能得到生長所需之氣體環境及混合擾動效果。接著將養殖過程所產生之有機氣體、或未溶於水中之CO₂藉由多功能微藻養殖反應器17頂端之集氣管26連接至控制機回氣入口端管路28，在此透過操作微藻養殖生產控制機14的設定，可選擇將部份或全部回氣經由控制機回氣出口端管路29送至空氣污染防治裝置30處理後，再排放至大氣中；或將部份或全部回氣經由流量閥31調節接至氣體循環風車22循環再使用。

養殖成品收成系統：由微藻養殖生產控制機14控制將關斷閥18開啟，導通微藻成品至控制機收集入口端管路32，再啟動微藻養殖生產控制機14內之微藻液收成泵浦33，將微藻成品經由控制機收集出口端管路34輸送至微藻液收集槽35內，並由微藻養殖生產控制機14監控液位開關19及液位開關36的液位高度，自動將微藻液回收至微藻液收集槽35內，成為一個自動化回收系統。

2、第四圖實施方式：微藻養殖生產控制機14

微藻養殖生產控制機14主要包含了培養液供應系統、氣體混合循環系統、養殖成品收成系統以及自動控制操作盤43，為避免微藻養殖生產控制機14的內部運轉溫度過高，在模組化外箱的上下，皆設有控制機散熱百葉42。

培養液供應系統：將培養液管路(有機或無機液體、豬禽廢水等)銜接至控制機培養液入口端管路13，透過操作微藻養殖生產控制機14，可啟動微藻養殖生產控制機14內之培養液供應泵浦15，將培養液經由控制機培養液出口端管路16送至多功能微藻養殖反應器內，以形成一個培養液供應系統。

氣體混合循環系統：將CO₂供應裝置銜接至控制機CO₂吸入端管路21，透過操作微藻養殖生產控制機14，可啟動微藻養殖生產控制機14內之氣體循環風車22，將氣體經由控制機出口端管路23送至多功能微藻養殖反應器內，以提供生長所需之氣體環境及混合擾動效果。再接著將養殖過程所產生之有機氣體、或未溶於水中之CO₂經由回氣管路連接至控制機回氣入口端管路28，在此透過操作微藻養殖生產控制機14的設定，可選擇將部份或全部回氣經由控制機回氣出口端管路29送至空氣污染防治裝置處理後，再排放至大氣中；或將部份或全部回氣經由流量閥31調節接至氣體循環風車22循環再使用。

養殖成品收成系統：將多功能微藻養殖反應器培養完成之微藻液，經由微藻液收成管路連接至微藻養殖生產控制機14收集入口端管路32，再啟動微藻養殖生產控制機14內之微藻液收成泵浦33，將微藻液成品經由控制機收集出口端管路34輸送至微藻液收集槽內，以形成一個養殖成品收成系統。

3、第五圖實施方式：多功能微藻養殖反應器(甲型)44

首先將不銹鋼板或抗UV塑膠原料加工成圓形管件，將底部封閉做成一個底座45，並在底座45上預留圓孔以作為地面固定用，另在底座45側面預留三個管路開口，以供連接微藻液流量閥46及氣體供應調整閥47及氣體集氣調整閥48，以成為一個多功能用途的底座。

再將培養袋50套在支撐結構49的外面，培養袋50頂部由培養袋頂蓋52固定住，培養袋50底部套在多功能底座45上，再由培養袋固定裝置51予以固定，如此即為一個完整的多功能微藻養殖反應器(甲型)44。

培養液供給：培養液供給管路經由流量開關閥46透過多功能底座45，將培養液供應至多功能微藻養殖反應器44內，以維持養殖所需之培養液。

培養液收成：多功能微藻養殖反應器(甲型)44養殖完成之微藻液，經由多功能底座45之流量開關閥46，將培養液接至微藻液收成系統管路，即可進行微藻液收成。

氣體循環供應：氣體供應管路經由氣體供應調整閥47透過多功能底座45，將氣體供應至氣體噴流孔裝置24，以提供多功能微藻養殖反應器44內養殖所需之氣體，再由養殖反應器44頂部之集氣裝置26，將氣體經由養殖反應器44內部管路連結至多功能底座45，將氣體回收至氣體集氣調整閥48，連結至氣體回氣管路，以維持養殖過程所需之氣體循環。

4、第六圖實施方式：多功能微藻養殖反應器(乙型)53

首先將不銹鋼板或抗UV塑膠原料加工成圓形管件，將底部封閉做成一個底座54，並在底座54上預留圓孔以作為地面固定用，另在底座54側面預留三個管路開口，以供連接微藻液流量閥55及氣體供應調整閥56及氣體集氣調整閥57，以成為一個多功能用途的底座。

再將培養袋59套在支撐結構58的裡面，培養袋59頂部由培養袋頂蓋61固定住，培養袋59底部套在多功能底座54上，再由培養袋固定裝置60予以固定，如此即為一個完整的多功能微藻養殖反應器(乙型)53。

培養液供給：培養液供給管路經由流量開關閥55透過多功能底座54，將培養液供應至多功能微藻養殖反應器53內，以維持養殖所需之培養液。

培養液收成：多功能微藻養殖反應器(乙型)53養殖完成之微藻液，經由多功能底座54之流量開關閥55，將培養液接至微藻液收成系統管路，即可進行微藻液收成。

氣體循環供應：氣體供應管路經由氣體供應調整閥56透過多功能底座54，將氣體供應至氣體噴流孔裝置24，以提供多功能微藻養殖反應器53內養殖所需之氣體，再由養殖反應器53頂部之集氣裝置26，將氣體經由養殖反應器53內部管路連結至多功能底座54，將氣體回收至氣體集氣調整閥57，連結至氣體回氣管路，以維持養殖過程所需之氣體循環。

〔習知〕

第一圖

10a‧‧‧培養袋

11a‧‧‧固定支架

12a‧‧‧培養液(有機類或無機類液體等)

13a‧‧‧培養液儲存槽

14a‧‧‧培養液供應泵浦

15a‧‧‧CO₂供應裝置

16a‧‧‧氣體循環風車

17a‧‧‧微藻液回收泵浦

18a‧‧‧微藻液收集槽

19a‧‧‧關斷閥(培養液儲存槽開關)

20a‧‧‧排放閥(培養液儲存槽底部排放閥)

21a‧‧‧關斷閥(培養液供應泵浦維護閥)

22a‧‧‧關斷閥(培養液供應泵浦維護閥)

23a‧‧‧流量閥(氣體供應調整閥)

24a‧‧‧關斷閥(微藻液回收管)

25a‧‧‧檢測閥(微藻液收集槽)

26a‧‧‧關斷閥(微藻液輸送端銜接閥)

第二圖

10b‧‧‧管型光生化反應器

11b‧‧‧固定支架

12b‧‧‧培養液(有機類或無機類液體等)

13b‧‧‧培養液儲存槽

14b‧‧‧培養循環泵浦

15b‧‧‧CO₂供應裝置

16b‧‧‧氣體供應泵浦

17b‧‧‧微藻液收集槽

18b‧‧‧關斷閥(培養液儲存槽開關)

19b‧‧‧排放閥(培養液儲存槽底部排放閥)

20b‧‧‧關斷閥(微藻循環管路開關)

21b‧‧‧關斷閥(微藻循環管路開關)

22b‧‧‧流量閥(氣體供應調整閥)

23b‧‧‧關斷閥(養殖循環泵浦維護閥)

24b‧‧‧關斷閥(養殖循環泵浦維護閥)

25b‧‧‧關斷閥(管型光生化反應器開關)

26b‧‧‧關斷閥(微藻收集管路開關)

27b‧‧‧關斷閥(管型光生化反應器開關)

28b‧‧‧關斷閥(微藻液回收管)

29b‧‧‧檢測閥(微藻液收集槽)

30b‧‧‧關斷閥(微藻液輸送端銜接閥)

〔本發明〕

第三、四、五、六圖

10‧‧‧微藻培養液引進管(有機類或無機類液體等)

11‧‧‧微藻培養液儲存槽

12‧‧‧液位開關(微藻養殖培養液儲存槽)

13‧‧‧控制機培養液供應泵浦吸入端管路

14‧‧‧微藻養殖生產控制機(簡稱：控制機)

15‧‧‧培養液供應泵浦

16‧‧‧控制機培養液供應泵浦出口端管路

17‧‧‧多功能微藻養殖反應器(簡稱：養殖反應器)

18‧‧‧流量閥(培養液供應、收成使用)

19‧‧‧液位開關(多功能微藻養殖反應器使用)

20‧‧‧CO₂供應裝置

21‧‧‧控制機CO₂入口端管路

22‧‧‧氣體循環風車

23‧‧‧控制機氣體供應出口端管路

24‧‧‧氣體噴流孔裝置

25‧‧‧流量閥(氣體供應調整閥)

26‧‧‧集氣裝置

27‧‧‧流量閥(風量集氣調整閥)

28‧‧‧控制機回氣吸入端管路

29‧‧‧控制機排氣出口端管路

30‧‧‧空氣污染防治裝置

31‧‧‧流量閥(風量調整閥)

32‧‧‧控制機微藻液收成泵浦吸入端管路

33‧‧‧微藻液收成泵浦

34‧‧‧控制機微藻液出口端管路

35‧‧‧微藻液收集槽

36‧‧‧液位開關(微藻液收集槽)

37‧‧‧關斷閥(培養液儲存槽開關)

38‧‧‧排放閥(培養液儲存槽底部排放閥)

39‧‧‧關斷閥(微藻液收成管)

40‧‧‧檢測閥(微藻液收集槽)

41‧‧‧關斷閥(微藻液輸送端銜接閥)

42‧‧‧控制機散熱百葉

43‧‧‧控制機自動控制操作盤

44‧‧‧多功能微藻養殖反應器(甲型)

45‧‧‧多功能微藻養殖反應器之多功能底座(甲型)

【註：甲型為培養袋裝置在支架結構外面】

46‧‧‧流量開關閥(培養液供應、微藻液收成)

47‧‧‧氣體調整閥(氣體供應調整閥)

48‧‧‧氣體調整閥(風量集氣調整閥)

49‧‧‧多功能微藻養殖反應器之支架結構(甲型)

50‧‧‧培養袋

51‧‧‧培養袋固定裝置

52‧‧‧頂蓋(設活動式檢測口)

53‧‧‧多功能微藻養殖反應器(乙型)

【註：乙型為培養袋裝置在支架結構裡面】

54‧‧‧多功能底座(乙型)

55‧‧‧流量閥(培養液供應、微藻液收成)

56‧‧‧流量閥(氣體供應調整閥)

57‧‧‧流量閥(風量集氣調整閥)

58‧‧‧多功能微藻養殖反應器之支架結構(乙型)

59‧‧‧培養袋

60‧‧‧束帶

61‧‧‧頂蓋及檢測口

第一圖：係習知培養袋養殖系統。

第二圖：係習知管型光生化反應器養殖系統。

第三圖：係本發明「微藻養殖生產控制機及多功能微藻養殖反應器之微藻養殖生產系統」之流程圖。

第四圖：係本發明「微藻養殖生產控制機」之設備示意圖。

第五圖：係本發明「多功能微藻養殖反應器(甲型)」之設備示意圖。

第六圖：係本發明「多功能微藻養殖反應器(乙型)」之設備示意圖。