TWI557077B - 微藻採集方法 - Google Patents

Description

微藻採集方法

本發明係關於一種自液態中採集固體微藻的方法，尤其是一種利用浮選技術進行微藻藻體固液分離的方法。

1973年臺灣推動十大建設後帶動經濟快速發展，民生用水及工業用水快速增加，水污染逐漸呈現，由於水庫及河川污染呈現水體優氧化的狀況，伴隨著藻類的大量生長。季節性的藻華(algal blooms)會急劇的增加水處理程序的負荷，大量滋生的藻類除產生臭味問題外，部份藻種(如藍綠藻中之微囊藻)甚至可能釋出藻毒，危及飲用水安全。傳統的淨水處理程序，平均除藻率在90~99%間，仍有1~10%微藻會進入配水管線中，引起餘氯衰減及水質惡化等問題。然而，這些長期在淨水工程造成處理困擾的微藻，近年來受到越來越多的關注。為了抑制全球暖化的問題，世界各國無不積極投入溫室氣體減量與清潔替代能源開發之相關研究。據環保署統計，臺灣每年的二氧化碳排放量為兩億六千多萬噸，位居全世界第21名，由於微藻的高生長速率、高光能利用效率以及固定二氧化碳的特性可同時兼具固碳與產生生物質兩方面的功能，而受到越來越多的矚目。

微藻具備了一些顯著的優勢，如：(1)生長速率遠高於一般高等植物(約高出10-50倍)；(2)能四季培養採收，不受天候之環境影響；(3)生命力強，能在許多嚴苛的環境下生存，也能以海水培養；(4)能利用工程概念設計適合的反應器，避免污染及保持穩定的產率。但由於微藻細胞小(3~30μm)、具高度親水性而增加了許多分離上的難度，也因此藻體採集(harvesting)技術成為許多研究的重點。目前常用的微藻收集技術有：離心、過濾、浮除、混凝及沈降等，近年來也發展出利用電混凝結合浮除收集超音波結點聚集收集、以及 混凝等技術。依美國ASP(Aquatic Species Program)的計畫分析，濃縮分離與乾燥脫水程序所需要之成本約佔藻油生產總成本的38%，而藻體的收集佔全部生產成本的20-30%，目前還沒有一種有效而通用的方法可以有效降低能量損耗及成本，以及提高藻體殘留率。

藻液在操作時可視為一混合均勻的固液混合物，在分離過程中，系統本身的含水比率(moisture content)與脫水性(dewaterability)為決定處理效果的重要因素之一。若脫水困難，無法有效提高藻體殘留率，將會使後續固液分離設備及運輸上成本大幅增加。

一般藻體分離操作可分為四個階段，前處理、濃縮、固體分離以及後處理。前處理包括混凝劑或絮凝劑等化學藥劑的添加，以改善其沉降性及脫水性。之後的固液分離步驟則是先以重力方式進行濃縮沉降，移除大部分自由水份，再將濃縮後的懸浮液予以過濾或使用浮選方式進行分離。然而，過濾法會有堵塞及清理、定期更換的問題，而傳統以空氣作為浮選氣體的操作方式，應用在微藻採集時則有泡沬層不易形成，浮選效率不彰的問題。

本發明的目的之一為發展一種高效率，低成本的微藻採集方法。

本發明的另一目的為改善微藻藻體分離操作中，固體分離階段效率不彰的問題。

本發明提供一種微藻採集方法，包括下列步驟：提供一柱狀浮選槽；將一藻液注入該柱狀浮選槽，其中該藻液中含有微藻；自該柱狀浮選槽底端通入含氧化劑(如臭氧)之氣體，利用該氧化劑氧化藻體以釋放具界面活性物質(如表面蛋白質)所形成之氧化劑氣泡將該藻液中之該微藻帶動浮至該柱狀浮選槽頂端；以及在該柱狀浮選槽頂端收集該微藻。

微藻可包含一種或多種特定種類，例如綠球藻。在操作含 氧化劑之氣體浮選以前，可以根據該特定種類的特定生長條件，調整氧化劑之通入劑量，以便用最少之氧化劑劑量，得到足夠之微藻的界面活性物質之釋出量。

藻液在注入該柱狀浮選槽之前，可以先經過藻體分離之前處理程序處理，包括先以混凝或絮凝程序改善微藻之沉降性及脫水性，再以重力方式進行濃縮沉降，以除去微藻中大部分的自由水份。

圖1所示者為一微藻浮選系統1，包括氣體供應裝置11，含氧化劑氣體產生裝置12，流量偵測裝置13，以及浮選裝置14。氣體供應裝置11連接至含氧化劑氣體產生裝置12，以提供其製造臭氧所需的氧氣。含氧化劑氣體產生裝置12所製得之含氧化劑氣體經過流量偵測裝置13，而被傳送浮選裝置14的底端。浮選裝置14包括一柱狀浮選槽141，柱狀浮選槽141的底部設有進氣口140，進氣口140的上方則裝設有氣泡擴散器142。氣泡擴散器142為多孔玻璃或其他類似材質所構成，以便自通入柱狀浮選槽141的氣體形成微小氣泡，而均勻的分散在柱狀浮選槽141所盛裝的液體中。柱狀浮選槽141的下端設有液體取樣口143，用以擷取液體試樣，俾進行檢測。柱狀浮選槽141上方接近頂端處，則設有泡沬採集端口144，用來收集在浮選操作中浮至柱狀浮選槽14頂端的產物。

含有微藻的藻液5被注入柱狀浮選槽14中，以批次操作方式進行氣體浮選。藻液5在注入柱狀浮選槽14之前，可先經過藻體分離之前處理程序，如混凝或絮凝等改善其沉降性及脫水性，再以重力方式進行濃縮沉降，以除去大部分的自由水份，使藻液5呈現懸浮液的狀態。

含氧化劑氣體產生裝置12利用氣體供應裝置11所供應之氧氣製造含氧化劑氣體(如臭氧)，並經過流量偵測裝置13，將所產生之含氧化劑氣體自進氣口140通入柱狀浮選槽141，再經過氣泡擴散器142的多孔性材質而形成眾多微小的臭氧 氣泡51，在藻液5中分散，而帶動微藻細胞向柱狀浮選槽14的頂端浮動，並在該處形成一泡沫層52，而可透過泡沫採集端口144採集。

含氧化劑氣體在浮選過程中扮演兩種角色：浮選固態顆粒的氣泡，以及將如蛋白質等具界面活性物質自細胞表面釋放出來的表面活性劑。不同的藻類在不同的生長條件下，其表面附著的蛋白質的含量也不同，因此可經過實驗測試來決定浮選所需的最有效臭氧劑量。如果對某一種類的藻類而言，只需很少的臭氧劑量即可釋出大量的蛋白質，那麼臭氧浮選就有可能是採集該藻類的一種經濟且極有效率的方法，並且可以用最少的臭氧劑量來達到最大的表面蛋白質釋出量，以達成節省成本的效果。

以下選用自台灣南部水源中分離出來的微藻進行本發明的實例操作。依據其形態以及23S rDNA序列匹配的結果，該微藻被鑑定為ESP-6綠球藻(Chlorella Vulgaris)，其在基因銀行(GenBank)登錄號為HM070293。

用於培養ESP-6綠球藻的介質含有(克/升)：KNO₃，1.25；KH₂PO₄，1.25；MgSO₄．7H2O，1.0；CaCl₂，0.0835；FeSO₄．7H2O，0.0498；EDTA.2Na，0.5；H₃BO₃，0.1142；ZnSO₄．7H₂O，0.0882；MnCl₂．4H2O，0.0882；Na₂MoO₄．2H₂O，0.01；CuSO₄．5H2O，0.0157；Co(NO₃)₂．6H2O，0.0049。濃度2%的二氧化碳以0.2 vvm的流速持續供應於此培養介質中。在被轉移到光生物反應器作為接種物之前，ESP-6綠球藻在攝氏28度，光強度為25.0μmol/m²/s的容器中生長72小時。

在一實驗性操作中，使用10公升的玻璃容器作為光生物反應器(PBR，圖未示出)。PBR的兩側安裝有作為外部光源的TL5螢光燈管。調整照射在PBR容器壁上的光強度至25.0lmol/m²/s。經過藻體分離前處理的ESP-6綠球藻以30mg/L的接種量接種到PBR。PBR的操作條件為28℃，pH值6.0，攪 拌速率為300rpm。由此產生的微藻生物質包括28%的蛋白質，8%的碳水化合物，以及31%的脂肪。

批次浮選試驗選用內徑為5厘米和47厘米最大深度的浮選柱，作為柱狀浮選槽14。多孔質玻璃為材質的氣泡擴散器142放置在柱狀浮選槽14的底部及進氣口140的正上方，其孔徑介於30-60微米。柱狀浮選槽14頂端設有泡沫採集端口144。液體樣品則從位於氣泡擴散器142上方的液體取樣口143取出。在這個測試操作中，使用型號T-408的臭氧製造機(Welsbach，CA，USA)做為含氧化劑氣體產生裝置12，自氧氣製造臭氧，而成為浮選氣體的來源。該臭氧製造機所產生的氣體之壓力為0.65公斤/平方厘米，流速為0.6升/分鐘。所有的浮選操作過程中沒有添加任何化學品。

經由顯微鏡檢查(圖未示出)比較未處理前的原始藻類和在泡沬液體中收集到的藻類之聚凝胞體直徑，發現自原來的約2微米成長至約50微米。由此可見，在未添加任何化學藥劑的情況下，臭氧浮選可增加藻類聚凝胞體的直徑，而成為一種有效採集微藻的方法。

在測試過程中，臭氧浮選柱內存在強烈的湍流，因此，可以假定該柱中的懸浮液為混合完全的。在控制測試中，發明人曾以簡單的的氧氣曝氣做對比實驗，結果發現雖然可以產生大小約1毫米的許多微小氣泡，但此浮動氣泡並不會導致微藻細胞浮動。泡沫層雖然可形成在浮選柱頂部，但泡沫穩定性差。相反的，在臭氧浮選操作中卻可展現高效能的浮選效果。

在水和廢水處理的應用領域中，臭氧化通常被視為一種昂貴的處理程序。文獻記載中顯示，美國有七個水廠使用濃度0.4-0.8毫克劑量的臭氧作為不穩定顆粒的預氧化劑和除去總有機碳(TOC)和三鹵甲烷(THM)的前體(precursors)。在本發明的實際操作中，使用0.005-0.03毫克/毫克生物質量(biomass)的臭氧劑量即足以採集綠球藻，比習知水處理應用 程序所用者低了一兩個數量級，大大節省臭氧使用費用。因此，臭氧分散浮選是一種具前曕性的自水中採集微藻，特別是綠球藻的方法。氧化劑的使用不限於臭氧，更可為經濟考量或針對附著於微藻表面之界面活性物質的特性，選用其他氧化劑。

藻類細胞帶負電荷的親水性的表面，可部分地解釋為什麼簡單的氧氣曝氣不會產生浮選。相反的，臭氧有效地從球藻懸浮液中分散浮選分離了微藻，特別是當懸浮液包含洗過的細胞(washed cells)之時。亦即，臭氧提高了藻細胞和泡沫之間的交互作用。

C16：0脂肪酸適用於製造生質柴油。因此，以豐富含油量的微藻C-C作為原料，具有很高的潛力合成生質柴油。在本發明的實際操作中，經臭氧浮選後，在飄浮物相裏的C16：0含量從31%增加至55%，這表明臭氧浮選可以用來有效地採集微藻。

本發明使用分散的含氧化劑氣體浮選採集微藻，相較於簡單的空氣曝氣無法產生藻類漂浮，臭氧等含氧化劑氣體浮選展現極高的採集效率。針對不同生長環境的不同種類微藻，只要找到能使其放出足夠的表面附著蛋白質的最小臭氧劑量，即有機會大幅減少臭氧等氧化劑的使用量，而使處理成本降底。同時，脂質飄浮物亦可有效地收集在浮選相中，而使本發明可有效的應用在生質柴油的生產上。上述實施例僅為說明而非限制本發明，熟習本發明技術之人士得以其他方式變化實施之，然皆不脫申請專利範圍所欲保護之範疇。

1‧‧‧微藻浮選系統

11‧‧‧氣體供應裝置

12‧‧‧含氧化劑氣體產生裝置

13‧‧‧流量偵測裝置

14‧‧‧浮選裝置

141‧‧‧柱狀浮選槽

142‧‧‧氣泡擴散器

144‧‧‧泡沬採集端口

圖1為用以實施本發明之微藻採集方法之裝置的實施例示意圖。

1‧‧‧微藻浮選系統

11‧‧‧氣體供應裝置

12‧‧‧含氧化劑氣體產生裝置

13‧‧‧流量偵測裝置

14‧‧‧浮選裝置

141‧‧‧柱狀浮選槽

142‧‧‧氣泡擴散器

144‧‧‧泡沬採集端口

Claims (8)

1. 一種微藻採集方法，包括下列步驟：提供一柱狀浮選槽；將一藻液注入該柱狀浮選槽，其中該藻液中含有一微藻，該微藻表面附著有一具界面活性物質；自該柱狀浮選槽底端通入一含氧化劑氣體，利用該含氧化劑氣體所形成之含氧化劑氣泡將該藻液中之該微藻帶動浮至該柱狀浮選槽頂端；以及在該柱狀浮選槽頂端收集該微藻。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該微藻包含一特定種類。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該特定種類為一綠球藻。
4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括下列步驟：根據該特定種類之特定生長條件，調整該含氧化劑氣體之通入劑量，以便用最少之氧化劑劑量，得到足夠之該具界面活性物質之釋出量。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該藻液在注入該柱狀浮選槽之前，已先經過一藻體分離之前處理程序處理。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該藻體分離之前處理程序包括先以混凝或絮凝程序改善該微藻之沉降性及脫水性，再以重力方式進行濃縮沉降，以除去該微藻中大部分的自由水份。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該含氧化劑氣體為臭氧。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該具界面活性物質為一表面蛋白質。