TWI682032B - 連續式微藻養殖模組及含有黃斑色素之微藻的養殖方法 - Google Patents

連續式微藻養殖模組及含有黃斑色素之微藻的養殖方法 Download PDF

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Abstract

提供一種連續式微藻養殖模組，包含戶外養殖單元、高密度養殖單元、誘導色素單元以及採收單元。另提供一種含有黃斑色素之微藻的養殖方法，包含將含微藻的培養液依序置於戶外養殖單元、高密度養殖單元、誘導色素單元進行不同的照光與培養，最後於採收單元收集獲得含黃斑色素的微藻生物質。

Description

連續式微藻養殖模組及含有黃斑色 素之微藻的養殖方法
本發明是有關於一種微藻養殖模組及微藻的養殖方法，且特別是有關於一種連續式微藻養殖模組及含有黃斑色素之微藻的養殖方法。
視網膜中黃斑區域的主要色素為葉黃素(Lutein)和玉米黃素(Zeaxanthin)，因此將之合稱為黃斑色素(Macular pigment)，其功能為增進視力、保護視網膜、降低白內障及預防視網膜黃斑區病變等。相較於市面上主要的金盞花來源，微藻作為黃斑色素的生產來源優點在於，微藻可於非耕地進行養殖，不需要大量的農業耕種用地，且微藻可全年收穫沒有季節性限制。
目前微藻大規模培養可利用開放池和密閉式光生物反應器兩種方式。開放池微藻培養，例如迴圈跑道池或池塘式，其養殖成本雖然相對於密閉式較低，但最大問題是無法有效控制環境因子，藻類生長所達到的細胞密度較低、 易於被其他微藻侵染，所需水量大且水蒸發量大；密閉式光生物反應器可達到較高的藻細胞密度，培養微藻的產率高，不易被雜藻侵染，水蒸發量小且所需水量少，但反應器的光照效率、氣體交換效率及懸浮微藻的攪拌效率會直接影響微藻的生物質產能。
此外，微藻生長和生產生物功效性物質所使用的養殖操作條件未必相同，現有技術多是以生產大量微藻生物質(Microalgal biomass)為主，以獲取足量的微藻生物功效性物質。因此，如何同時生產大量的微藻生物質和大量的微藻生物功效性物質，現有技術實有待改善的必要。
本揭示內容的目的在於提供一種連續式微藻養殖模組，包含戶外養殖單元、高密度養殖單元、誘導色素單元、以及採收單元，以達成連續生產微藻生物質的同時，亦能誘導微藻生產大量黃斑色素之功效，並具有產業化之可行性。
本揭示內容提供了一種連續式微藻養殖模組，包含戶外養殖單元、高密度養殖單元、誘導色素單元、以及採收單元。其中戶外養殖單元容置產黃斑色素的微藻與培養液。高密度養殖單元與戶外養殖單元彼此相連通，高密度養殖單元包含第一光源。誘導色素單元包含培養裝置以及第二光源。培養裝置包含第一入口以及第一出口，第一入口係與高密度養殖單元相連通。第二光源係相鄰於培養裝置，第二 光源為藍光光源。採收單元包含收集槽，收集槽包含第二入口以及第二出口，其中第二入口係設於收集槽的上端部，並與誘導色素單元的培養裝置的第一出口相連接；第二出口係設於收集槽的下端部。
在一些實施方式中，戶外養殖單元包含複數第一培養容器，這些第一培養容器是以讓微藻及培養液串聯或並聯通過這些第一培養容器的方式連接。藉由各第一培養容器可串聯、並聯式運作，依需求做調整以達到大規模微藻養殖。
在一些實施方式中，這些第一培養容器為透明管柱。
在一些實施方式中，高密度養殖單元的第一光源為紅光光源。
在一些實施方式中，高密度養殖單元更包含複數第二培養容器，相鄰的兩個各第二培養容器彼此相連通，且第一光源與這些第二培養容器相鄰。
在一些實施方式中，其中這些第二培養容器是以讓微藻及培養液串聯或並聯通過這些第二培養容器的方式連接。藉由各第二培養容器可串聯、並聯式運作，依需求做調整以達到使微藻生物質濃度提升的功效。
在一些實施方式中，高密度養殖單元的這些第二培養容器為透明管柱。
在一些實施方式中，誘導色素單元的培養裝置為可撓曲透明軟管並環繞第二光源。
在一些實施方式中，採收單元的收集槽更包含至少一支管以及攪拌裝置。至少一支管係設於收集槽的一側且位於第二出口上方，至少一支管係與戶外養殖單元相連接。攪拌裝置係設於收集槽內。
在一些實施方式中，連續式微藻養殖模組，更包含供應氣體單元以及回收氣體單元。供應氣體單元包含氣體輸出裝置、第一幫浦以及第二幫浦。第一幫浦係與氣體輸出裝置相連接，亦與戶外養殖單元的底部相連通。第二幫浦係與氣體輸出裝置相連接，亦與高密度養殖單元的底部相連通。回收氣體單元包含氣體收集裝置以及氣體控制裝置。氣體收集裝置係與戶外養殖單元的頂部相連通，亦與高密度養殖單元的頂部相連通。氣體控制裝置與供應氣體單元的第一幫浦、第二幫浦以及氣體收集裝置相連通。
本揭示內容另提供了一種含有黃斑色素之微藻的養殖方法，包含將含微藻的培養液置於戶外養殖單元，並於戶外進行照光與培養，以使微藻生長至第一密度。將經過戶外養殖單元培養後之含微藻的培養液流入高密度養殖單元，進行連續照射光源與培養，以使微藻生長至第二密度，且第二密度大於第一密度。將經過高密度養殖單元培養後之含微藻的培養液流入誘導色素單元，連續照射藍光光源與培養，以增加微藻內的黃斑色素。將經過誘導色素單元培養後之含微藻的培養液流入採收單元，攪拌後於收集槽底部獲得含有黃斑色素之微藻。
在一些實施方式中，含微藻的培養液為鹼性溶液。
在一些實施方式中，產黃斑色素的微藻包含綠球藻屬、擬球藻屬、杜氏藻屬、柵藻屬、衣藻屬、螺旋藻屬、叢粒藻屬或其組合。
在一些實施方式中，將經過戶外養殖單元培養後之含微藻的培養液流入高密度養殖單元的步驟，進行連續照射光源為白光或紅光。
在一些實施方式中，紅光的波長介於600nm至700nm。
在一些實施方式中，將經過高密度養殖單元培養後之含微藻的培養液流入誘導色素單元的步驟，藍光的波長介於400nm至500nm。
在一些實施方式中，含微藻的培養液在戶外養殖單元與高密度養殖單元培養的同時通入二氧化碳(CO2)。
在一些實施方式中，將經過誘導色素單元培養後之含微藻的培養液流入採收單元的步驟，包含添加絮凝劑並攪拌後於收集槽底部獲得含有黃斑色素之微藻。
在一些實施方式中，絮凝劑包含無機絮凝劑、有機絮凝劑、微生物絮凝劑、或其組合。
在一些實施方式中，有機絮凝劑為幾丁聚醣。
100、100”‧‧‧連續式微藻養殖模組
10‧‧‧戶外養殖單元
11、12、13、14‧‧‧第一培養容器
111‧‧‧第一上歧管
112‧‧‧第二上歧管
113‧‧‧第一下歧管
114‧‧‧第二下歧管
20‧‧‧高密度養殖單元
21、22、23、24‧‧‧第二培養容器
211‧‧‧第三上歧管
212‧‧‧第四上歧管
213‧‧‧第三下歧管
214‧‧‧第四下歧管
25‧‧‧第一光源
30‧‧‧誘導色素單元
31‧‧‧培養裝置
311‧‧‧第一入口
312‧‧‧第一出口
32‧‧‧第二光源
40‧‧‧採收單元
41‧‧‧收集槽
411‧‧‧第二入口
412‧‧‧第二出口
42‧‧‧攪拌裝置
43‧‧‧支管
50‧‧‧供應氣體單元
51‧‧‧氣體輸出裝置
52‧‧‧第一幫浦
53‧‧‧第二幫浦
60‧‧‧回收氣體單元
61‧‧‧氣體收集裝置
62‧‧‧氣體控制裝置
本發明上述和其他態樣、特徵及其他優點參照說明書內容並配合附加圖式得到更清楚的瞭解，其中：第1圖繪示本揭示內容之各第一培養容器與各第二培 養容器以串聯方式連結之實施例之示意圖。
第2圖繪示本揭示內容之各第一培養容器與各第二培養容器以並聯方式連結之實施例之示意圖。
第3圖為本揭示內容之經戶外養殖單元培養之微藻生物質濃度的折線圖。
第4圖為本揭示內容之經高密度養殖單元以白光或紅光培養之微藻生物質濃度的折線圖。
第5圖為本揭示內容之經誘導色素單元培養之黃斑色素濃度的柱狀圖。
第6圖為本揭示內容之經誘導色素單元培養之黃斑色素以高效液相層析法(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)分析之層析圖。
第7A-7D圖為本揭示內容之微藻經連續式微藻養殖模組培養13天之微藻生物質濃度的折線圖(第7A圖)；微藻生物質總產量的柱狀圖(第7B圖)；黃斑色素濃度的折線圖(第7C圖)；黃斑色素總產量的柱狀圖(第7D圖)。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文將參照附圖來描述本揭示內容之實施方式與具體實施例；但這並非實施或運用本揭示內容具體實施例的唯一形式。以下所揭示的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
另外，空間相對用語，如「下」、「上」等，是用以方便描述一元件或特徵與其他元件或特徵在圖式中的相對關係。這些空間相對用語旨在包含除了圖式中所示之方位以外，裝置在使用或操作時的不同方位。裝置可被另外定位(例如旋轉90度或其他方位)，而本文所使用的空間相對敘述亦可相對應地進行解釋。
本揭示內容一態樣是提供一種連續式微藻養殖模組，此連續式微藻養殖模組可因應不同微藻種，彈性調整培養條件，達到大量、高密度的微藻生物質和大量生產生物功效性物質。再者，此模組利用於微藻生物作為固碳之應用，針對沼氣或各種工業廢氣中CO2利用大量和高密度微藻養殖達到減量效果。
本揭示內容之模組，養殖生產黃斑色素之藻種其產業價值為生產微藻生物質和黃斑色素，而微藻生物質可做為生質能源、生物餌料、飼料添加劑、食品及營養補充品等，黃斑色素可做為天然類胡蘿蔔素原料使用，可應用於食品、飼料添加劑、皮膚保養品及營養補充品等。
第1圖繪示本發明各種實施方式之連續式微藻養殖模組100的示意圖。連續式微藻養殖模組100包含戶外養殖單元10、高密度養殖單元20、誘導色素單元30、採收單元40、供應氣體單元50、以及回收氣體單元60。
戶外養殖單元10包含複數第一培養容器，例如第一培養容器11、第一培養容器12、第一培養容器13、第一培養容器14。第一培養容器11、12、13、14係容置產黃 斑色素的微藻與培養液，各第一培養容器11、12、13、14彼此相連通。第一培養容器11、12、13、14各自包含第一上歧管111、第二上歧管112、第一下歧管113、以及第二下歧管114。第一上歧管111係設於各第一培養容器11、12、13、14的上端部；第二上歧管112係位置相對於第一上歧管111，且設於各第一培養容器11、12、13、14的上端部。簡言之，在第1圖中，各個第一培養容器11、12、13、14上端右側的歧管稱為第一上歧管111，各個第一培養容器11、12、13、14上端左側的歧管稱為第二上歧管112。此外，第一下歧管113係設於各第一培養容器11、12、13、14的下端部；第二下歧管114係位置相對於第一下歧管113，且設於各第一培養容器11、12、13、14的下端部。簡言之，在第1圖中，各個第一培養容器11、12、13、14下端右側的歧管稱為第一下歧管113，各個第一培養容器11、12、13、14下端左側的歧管稱為第二下歧管114。在一較佳實施例中，這些第一培養容器11、12、13、14為透明管柱，這些透明管柱的長軸與水平面所夾的角度為0至90度，角度可隨著不同地區、不同時間與不同時節調整以獲得最大的光照面積。在一較佳實施例中，這些第一培養容器11、12、13、14內的底部具有曝氣裝置。
在一較佳實施例中，各第一上歧管111、各第二上歧管112、各第一下歧管113、各第二下歧管114皆具有控制閥，以調控各個相連接的歧管是否相連通、液體是否能相流動。例如，當微藻與培養液從第一培養容器11的第 二上歧管112流入，經第一下歧管113流至第一培養容器12的第二下歧管114；微藻與培養液接著從第一培養容器12的第一上歧管111流至第一培養容器13的第二上歧管112，再從第一培養容器13的第一下歧管113流至第一培養容器14的第二下歧管114，最終由第一培養容器14的第一上歧管111流出。也就是說，微藻與培養液在第一培養容器11向下流動至第一培養容器12再向上流動，在第一培養容器13向下流動至第一培養容器14再向上流動，使各第一培養容器11、12、13、14彼此間以串聯方式連結。
在一些實施方式中，各個第一培養容器11、12、13、14為透明管柱。較佳的，這些第一培養容器11、12、13、14為使用10至200公升(L)透明管柱；更佳的，這些第一培養容器11、12、13、14，亦即各個透明管柱為10L、20L、30L、40L、50L、60L、70L、80L、90L、100L、110L、120L、130L、140L、150L、160L、170L、180L、190L、200L。
在一些實施方式中，這些第一培養容器11、12、13、14為透明管柱，透明管柱的材質為塑膠或玻璃；其中，塑膠的材質包含，但不限於聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、或聚乙烯(Polyethylene,PE)。
高密度養殖單元20包含複數第二培養容器，例如第二培養容器21、第二培養容器22、第二培養容器23、 第二培養容器24。各第二培養容器21、22、23、24包含第三上歧管211、第四上歧管212、第三下歧管213、以及第四下歧管214；第三上歧管211係設於各第二培養容器21、22、23、24的上端部；第四上歧管212係位置相對於第三上歧管211，且設於各第二培養容器21、22、23、24的上端部；第三下歧管213係設於各第二培養容器21、22、23、24的下端部；第四下歧管214係位置相對於第三下歧管213，且設於各第二培養容器21、22、23、24的下端部。在一較佳實施例中，這些第二培養容器21、22、23、24為透明管柱，以增加微藻養殖時光線照射的通透度。在一較佳實施例中，這些第二培養容器21、22、23、24內的底部具有曝氣裝置，使培養液能均勻且充分接觸通入的氣體。
在一較佳實施例中，各第三上歧管211、各第四上歧管212、各第三下歧管213、各第四下歧管214皆具有控制閥，以調控各個相連接的歧管是否相連通、液體是否能相流動。例如，當微藻與培養液從第一培養容器14的第一上歧管111流入第二培養容器21的第四上歧管212，經第三下歧管213流至第二培養容器22的第四下歧管214；微藻與培養液接著從第二培養容器22的第三上歧管211流至第二培養容器23的第四上歧管212，再從第二培養容器23的第三下歧管213流至第二培養容器24的第四下歧管214，最終由第二培養容器24的第三上歧管211流出。也就是說，微藻與培養液在第二培養容器21向下流動至第二培養容器22再向上流動，在第二培養容器23向下流動至第二培養容器24 再向上流動，使各第二培養容器21、22、23、24彼此間以串聯方式連結。第一培養容器14的第一上歧管111與第二培養容器21的第三上歧管211之間藉由幫浦相連接，以利微藻與培養液相流通。
在一些實施方式中，高密度養殖單元20的這些第二培養容器21、22、23、24為透明管柱。較佳的，這些第二培養容器21、22、23、24為使用10至100公升(L)透明管柱；更佳的，這些第二培養容器21、22、23、24，亦即各個透明管柱為10L、20L、30L、40L、50L、60L、70L、80L、90L、100L。
在一些實施方式中，這些第二培養容器21、22、23、24為透明管柱，透明管柱的材質為塑膠或玻璃；其中，塑膠的材質包含，但不限於聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、或聚乙烯(Polyethylene,PE)。
高密度養殖單元20還包含第一光源25，第一光源25相鄰於這些第二培養容器21、22、23、24。在一較佳實施例中，第一光源25為紅光光源。在一些實施方式中，第一光源25為紅光光源可發射出波長600~700nm的紅光，可促進微藻快速生長達到高產量之微藻生物質。較佳的，波長為600nm、610nm、620nm、630nm、640nm、650nm、660nm、670nm、680nm、690nm、700nm。
誘導色素單元30包含培養裝置31以及第二光 源32。培養裝置31包含第一入口311以及第一出口312，第一入口311可與第二培養容器21、22、23、24中的任一個連通，取決於第二培養容器數量及實際需求。在一較佳實施例中，培養裝置31的第一入口311係與高密度養殖單元20的第二培養容器24的第三上歧管211相連接；在一較佳實施例中，第二培養容器24的第三上歧管211與培養裝置31的第一入口311之間藉由幫浦相連接，以利微藻與培養液相流通。在一較佳實施例中，培養裝置31為可撓曲透明軟管並環繞第二光源32。在一些實施方式中，可撓曲透明軟管的材質包含，但不限於聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)、聚氨酯(Polyurethane,PU)、聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)或聚醯胺(Polyamide，PA)、鐵氟龍(氟化乙烯丙烯共聚物，Fluorinated Ethylene Propylene，FEP)。在一些實施方式中，生產黃斑色素的誘導色素單元30中利用可撓曲透明軟管環繞著第二光源32、第二光源32環繞著可撓曲透明軟管、第二光源32內置於軟管內或相互結合等光照方式，誘導軟管內的微藻生物質生產黃斑色素。第二光源32係相鄰於培養裝置31，第二光源32為藍光光源。在一些實施方式中，第二光源32為藍光光源具有波長400~500nm，可加速微藻誘導生產黃斑色素和提升黃斑色素生產量。較佳的，波長為400nm、410nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm、490nm、500nm。
採收單元40包含收集槽41、攪拌裝置42以及至 少一支管43。收集槽41包含第二入口411以及第二出口412，其中第二入口411係設於收集槽41的上端部，並與誘導色素單元30的培養裝置31的第一出口312相連接。第一出口312與第二入口411之間藉由幫浦相連接，以利微藻與培養液相流通。第二出口412係設於收集槽41的下端部。在一較佳實施例中，收集槽41係呈圓柱狀或圓錐狀。攪拌裝置42係設於收集槽41內，攪拌裝置42為攪拌葉、或攪拌棒。支管43係設於收集槽41的一側且遠離第二出口412。支管43與戶外養殖單元10的最前端的第一培養容器11的第二上歧管112(或第二下歧管114)相連接。在一較佳實施例中，支管43的數量可為三個支管43，且依序從收集槽41的頂部朝底部間隔排列，且具有控制閥可控制培養液的流出。
供應氣體單元50包含氣體輸出裝置51、第一幫浦52、以及第二幫浦53。第一幫浦52係與氣體輸出裝置51相連接，亦與戶外養殖單元10的各第一培養容器11、12、13、14的底部相連通；第二幫浦53係與氣體輸出裝置51相連接，亦與高密度養殖單元20的各第二培養容器21、22、23、24的底部相連通。
回收氣體單元60包含氣體收集裝置61以及氣體控制裝置62。氣體收集裝置61係與戶外養殖單元10的各第一培養容器11、12、13、14的頂部相連通，亦與高密度養殖單元20的各第二培養容器21、22、23、24的頂部相連通；氣體控制裝置62與供應氣體單元50的第一幫浦52、第二幫浦53以及氣體收集裝置61相連通。在一些實施方式 中，戶外養殖單元10和高密度養殖單元20所通入的氣體可為同一氣體源持續通入。在一些實施方式中，戶外養殖單元10和高密度養殖單元20所通入的氣體可為同一氣體源混入不同比例之空氣持續通入。在一些實施方式中，戶外養殖單元10和高密度養殖單元20所通入的氣體可為兩種以上氣體源依不同比例持續通入。
第2圖繪示本發明另一實施方式之連續式微藻養殖模組100”的示意圖，與第1圖之連續式微藻養殖模組100差異在於，相鄰的兩個第一培養容器11、12、13、14的上歧管相連通、相鄰的兩個第一培養容器11、12、13、14的下歧管相連通，使第一培養容器11、12、13、14彼此間以並聯方式連結。具體的說，第一培養容器11的第一上歧管111與第一培養容器12的第二上歧管112相連通，第一培養容器11的第一下歧管113與第一培養容器12的第二下歧管114相連通。第一培養容器12的第一上歧管111與第一培養容器13的第二上歧管112相連通，第一培養容器12的第一下歧管113與第一培養容器13的第二下歧管114相連通。第一培養容器13的第一上歧管111與第一培養容器14的第二上歧管112相連通，第一培養容器13的第一下歧管113與第一培養容器14的第二下歧管114相連通。
此外，在高密度養殖單元20中，相鄰的兩個第二培養容器21、22、23、24的上歧管相連通、相鄰的兩個第二培養容器21、22、23、24的下歧管相連通，使第二培養容器21、22、23、24彼此間以並聯方式連結。具體的說， 第二培養容器21的第三上歧管211與第二培養容器22的第四上歧管212相連通，第二培養容器21的第三下歧管213與第二培養容器22的第四下歧管214相連通。第二培養容器22的第三上歧管211與第二培養容器23的第四上歧管212相連通，第二培養容器22的第三下歧管213與第二培養容器23的第四下歧管214相連通。第二培養容器23的第三上歧管211與第二培養容器24的第四上歧管212相連通，第二培養容器23的第三下歧管213與第二培養容器24的第四下歧管214相連通。
本發明之另一態樣是提供一種含有黃斑色素之微藻的養殖方法。
雖然下文中利用一系列的操作或步驟來說明在此揭露之方法，但是這些操作或步驟所示的順序不應被解釋為本發明的限制。例如，某些操作或步驟可以按不同順序進行及/或與其它步驟同時進行。此外，並非必須執行所有繪示的操作、步驟及/或特徵才能實現本發明的實施方式。此外，在此所述的每一個操作或步驟可以包含數個子步驟或動作。
本揭示內容之含有黃斑色素之微藻的養殖方法包含以下操作：將含微藻的培養液置於戶外養殖單元，並於戶外進行照光與培養，以使微藻生長至第一密度；將經過戶外養殖單元培養後之含微藻的培養液流入高密度養殖單元，進行連續照射光源與培養，以使微藻生長至第二密度，且第二密度大於第一密度；將經過高密度養殖單元培養後之 含微藻的培養液流入誘導色素單元，連續照射藍光光源與培養，以增加微藻內的黃斑色素；以及將經過誘導色素單元培養後之含微藻的培養液流入採收單元，攪拌後於收集槽底部獲得含有黃斑色素之微藻。
實施例
請參閱第1圖所示，戶外養殖單元10的複數第一培養容器11、12、13、14為使用4支60L透明管柱(直徑16公分，高度300公分)，總養殖體積為240L，相鄰的第一培養容器11以串聯方式連結。90%實驗進行期間之氣候為晴天，其餘為陰天，平均日照時間為11.3小時，晴天之白日光照強度均大於1,000μmol/m2/s，平均日溫為28℃，平均夜溫為26℃，通入氣體之速率0.2vvm(每公升液體在每分鐘通入0.2公升的體積量)。含微藻的培養液起始培養濃度為0.3g/L的綠球藻(Chlorella vulgaris，又名小球藻)，培養液組成為每公升含有1.25g KNO3、1.25g KH2PO4、1g MgSO4．7H2O、83.5mg CaCl2．2H2O、0.1142g H3BO3、49.8mg FeSO4．7H2O、88.2mg ZnSO4．7H2O、14.4mg MnCl2．4H2O、10mg CuSO4、7.1mg Na2MoO4 and 4mg CoCl2．6H2O，從早上6點至晚上6點藉由供應氣體單元50的氣體輸出裝置51經由第一幫浦52通入2vol%CO2，其餘時間只通入空氣。含微藻的培養液持續以起始培養濃度0.3g/L注入第一培養容器11，隨著培養時間的增加，含微藻的培養液依序流入第一培養容器12、第一培養容器13及第一培養容器14，平均滯留時間為7天。培養至第 7天從第一培養容器14的第一上歧管111流出的微藻生物質濃度約為1.5g/L，微藻生物質產率為0.171g/L/day，如第3圖所示。
高密度養殖單元20包含複數第二培養容器，其為24支直立式10L透明管柱所組成(第1圖僅繪示四個第二培養容器21、22、23、24為例說明)，相鄰的第二培養容器21以串聯方式連結。將經過戶外養殖單元10培養後之含微藻的培養液，以綠球藻濃度為1.5g/L、流速為35L/day流入第二培養容器21，並藉由供應氣體單元50的氣體輸出裝置51經由第二幫浦53通入2vol% CO2，以0.2vvm之通氣流速連續通入2vol% CO2，室內溫度為26℃。隨著培養時間的增加，含微藻的培養液依序流經24支直立式10L透明管柱。在一些實施方式中，戶外養殖單元10和高密度養殖單元20可使用鹼性培養液進行微藻養殖，以增加培養液中CO2溶解度，有助微藻生長。鹼性培養液包含，但不限於利用氫氧化鈉(NaOH)、碳酸氫鈉(NaHCO3)或氫氧化鉀(KOH)等無機鹼性化學物質調製而得，並可利用間歇式通入含CO2氣體的方式進行調控。實驗分成兩組：(1)連續以第一光源25(紅光LED燈管，光強度300μmol/m2/s)發射出紅光照射微藻；(2)連續第一光源25(白光LED燈管，光強度300μmol/m2/s)發射出白光照射微藻；然後比較兩者微藻的生長速率。於高密度養殖單元20經過平均滯留時間為5天後(第12天)之連續培養，從高密度養殖單元20流出的微藻生物質濃度中，連續照射紅光組別的微藻生物質濃度為 6.5g/L，連續照射白光組別的微藻生物質濃度為4.5g/L，如第4圖所示。綠球藻於養殖期間連續照射紅光LED明顯相較於白光LED更能促進微藻生長，養殖5天後(第12天)連續照射紅光LED的微藻生物質產率為1.009g/L/day，相較於白光LED的微藻生物質產率0.606g/L/day，增加1.7倍。在一些實施方式中，連續照射係指24小時不停歇地進行光照。
誘導色素單元30的培養裝置31使用可撓曲透明軟管，長度可自行決定，可因應光源形式改變軟管撓曲方式，以獲得最大的光照面積。培養裝置31為管徑32mm、長度44m的鐵氟龍(氟化乙烯丙烯共聚物，Fluorinated Ethylene Propylene，FEP)材質，可內置35L培養液，第二光源32為寬100cm長100cm的藍光LED燈牆，此藍光LED燈牆為兩面照射，而培養裝置31以圍繞第二光源32約22圈的方式，進行誘導微藻生產黃斑色素。經過高密度養殖單元20以紅光培養後之含微藻的培養液以綠球藻濃度約6.5g/L、流速為35L/day流入培養裝置31，以光照強度300μmol/m2/s藍光LED燈連續照射含微藻的培養液滯留時間為24小時和48小時(第13天與第14天)。經過24和48小時培養後，每公克微藻生物質中黃斑色素含量分別提升至5.5mg(4.9mg葉黃素和0.6mg玉米黃素)和6mg(5.3mg葉黃素和0.7mg玉米黃素)，相較於無照射藍光(0小時)的黃斑色素濃度分別增加約1.7和1.8倍。顯示藍光照射不僅有助於誘導微藻生產黃斑色素，且僅需照射培養24小時即可達 到大量的黃斑色素誘導量，如第5圖所示。
採收單元40的收集槽41呈圓錐狀(上端部上圓和下端部下圓分別為直徑32cm和8cm，高為120cm的截頂圓錐體)，利用收集槽41置於底部的攪拌裝置42和添加絮凝劑以提高回收效率和縮短回收時間，收集槽41上端部具有第二入口411，收集槽41側邊由上端部每往下30cm設置一個支管43，共設置3個支管43，收集槽41下端部具有第二出口412回收微藻生物質，各支管43為回收微藻絮凝後的微藻上清液，可回收再利用於戶外養殖單元10。
將經過誘導色素單元30培養24小時後之含微藻的培養液，以富含黃斑色素之綠球藻濃度(微藻生物質濃度)約6.5g/L、流速為35L/day從收集槽41的第二入口411導入，添加食品級絮凝劑幾丁聚醣使微藻產生聚集，再使用攪拌裝置42均勻混合食品級絮凝劑，靜置等待24小時後，分別測量回收槽中經各支管43流出微藻之絮凝效率。各支管43由上而下微藻絮凝效率依序為98%(即將此層微藻排放掉後，剩餘微藻液中微藻生物質含量為98%)、95%及64%，此三層絮凝後的微藻上清液共32L由各支管43排出後可再回收入戶外養殖單元10。收集槽41內底部獲得微藻泥共3L，微藻生物質濃度為69g/L，由收集槽41的第二出口412流出收集。因此，藉由各支管43將微藻上清液再次回收，以達成將廢水再利用之經濟與減廢功效。
將富含黃斑色素的微藻泥取5mL離心(3000g，10min)並水洗一次，去除上清液後，加入5mL甲醇與 藻泥混合均勻，反應溫度45度，避光條件下反應30分鐘，將甲醇萃取液離心(3000g，10min)，收集上層的黃斑色素之甲醇萃取液，以0.22μm PVDF(Polyvinylidene difluoride)過濾膜過濾黃斑色素甲醇萃取液，並以HPLC進行成分的分析。請參閱第6圖所示，以波長445nm分析葉黃素和玉米黃素的峰值面積，再利用葉黃素和玉米黃素標準品建立標準曲線後，計算出微藻中葉黃素和玉米黃素濃度分別為每克的微藻生物質含有4.8mg(mg/g microalgal biomass)和0.6mg/g microalgal biomass，黃斑色素含量共5.4mg/g microalgal biomass。實驗結果顯示藍光照射誘導微藻生產黃斑色素後，在經過24小時的回收處理和絮凝劑的添加皆不會造成黃斑色素含量變化的影響。
戶外養殖單元10與高密度養殖單元20於養殖過程所排放的廢氣，可藉由回收氣體單元60經控制閥將廢氣收集於氣體收集裝置61，再藉由氣體控制裝置62將廢氣導入供應氣體單元50的第一幫浦52或第二幫浦53，將回收的廢氣和氣體輸出裝置51所提供的氣體混合後，各第一培養容器11、12、13、14或各第二培養容器21、22、23、24的底部通入混合後的氣體。因此，藉由供應氣體單元50提供CO2可有效利用微藻生物達到固碳的功效、藉由回收氣體單元60可將微藻生物未使用完畢的廢氣(CO2)再次利用，以達成最大經濟效益與減廢的效果。
綠球藻以本揭示內容之連續式微藻養殖模組100培養13天後，記錄從第0天至第13天的所有數值。請參 閱第7A圖至第7D圖所示，綠球藻於戶外養殖單元10培養7天後，微藻生物質濃度為1.5g/L、微藻總生物質產量為0.36kg。於第7天起經由高密度養殖單元20培養5天後，微藻濃度大幅提升為6.5g/L、微藻總生物質產量為1.6kg；此時期的微藻總黃斑色素產量由於微藻總生物質產量的提升而增加，然而黃斑色素濃度則無顯著增加，也就是說黃斑色素的含量在每克的微藻總生物質中並無顯著增加。於第12天起經由誘導色素單元30培養至1天後，微藻濃度與微藻總生物質產量並無顯著增加，但是黃斑色素濃度由第12天的3.3mg/g提升至第13天的6mg/g、微藻總黃斑色素產量於第13天接近10g。
本揭示內容之連續式微藻養殖模組100、100”可藉由各單元之間的串聯或並聯、培養液的流速控制、紅光照射促進微藻生長、藍光照射誘導微藻生產黃斑色素、有效回收微藻生物質，並以連續式操作本揭示內容之模組以獲得大量的微藻生物質和黃斑色素產量。
本揭示內容之總養殖體積與流量可視培養條件進行調整，並不限於本揭示內容之具體實施態樣；例如當微藻濃度於戶外養殖單元10培養、高密度養殖單元20時已達到生長高原期，可視情形調整適當之流速或培養之體積進入下一個單元。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。
100‧‧‧連續式微藻養殖模組
10‧‧‧戶外養殖單元
11、12、13、14‧‧‧第一培養容器
111‧‧‧第一上歧管
112‧‧‧第二上歧管
113‧‧‧第一下歧管
114‧‧‧第二下歧管
20‧‧‧高密度養殖單元
21、22、23、24‧‧‧第二培養容器
211‧‧‧第三上歧管
212‧‧‧第四上歧管
213‧‧‧第三下歧管
214‧‧‧第四下歧管
25‧‧‧第一光源
30‧‧‧誘導色素單元
31‧‧‧培養裝置
311‧‧‧第一入口
312‧‧‧第一出口
32‧‧‧第二光源
40‧‧‧採收單元
41‧‧‧收集槽
411‧‧‧第二入口
412‧‧‧第二出口
42‧‧‧攪拌裝置
43‧‧‧支管
50‧‧‧供應氣體單元
51‧‧‧氣體輸出裝置
52‧‧‧第一幫浦
53‧‧‧第二幫浦
60‧‧‧回收氣體單元
61‧‧‧氣體收集裝置
62‧‧‧氣體控制裝置

Claims (18)

  1. 一種連續式微藻養殖模組，包含：一戶外養殖單元，該戶外養殖單元容置一產黃斑色素的微藻與一培養液；一高密度養殖單元，該高密度養殖單元與該戶外養殖單元彼此相連通，該高密度養殖單元包含一第一光源，其中該第一光源為紅光或白光光源；一誘導色素單元，包含：一培養裝置，包含一第一入口以及一第一出口，該第一入口係與該高密度養殖單元相連通；以及一第二光源，該第二光源相鄰於該培養裝置，該第二光源為藍光光源；以及一採收單元，包含：一收集槽，包含一第二入口以及一第二出口，其中該第二入口係設於該收集槽的上端部，並與該誘導色素單元的培養裝置的第一出口相連接，該第二出口係設於該收集槽的下端部。
  2. 如請求項1所述之連續式微藻養殖模組，其中該戶外養殖單元包含複數第一培養容器，該些第一培養容器是以讓該微藻及該培養液串聯或並聯通過該些第一培養容器的方式連接。
  3. 如請求項2所述之連續式微藻養殖模組，其中該些第一培養容器為透明管柱。
  4. 如請求項1所述之連續式微藻養殖模組，其中該高密度養殖單元更包含複數第二培養容器，相鄰的兩個各該第二培養容器彼此相連通，且該第一光源與該些第二培養容器相鄰。
  5. 如請求項4所述之連續式微藻養殖模組，其中該些第二培養容器是以讓該微藻及該培養液串聯或並聯通過該些第二培養容器的方式連接。
  6. 如請求項4所述之連續式微藻養殖模組，其中該高密度養殖單元的該些第二培養容器為透明管柱。
  7. 如請求項1所述之連續式微藻養殖模組，其中該誘導色素單元的培養裝置為可撓曲透明軟管並環繞該第二光源。
  8. 如請求項1所述之連續式微藻養殖模組，其中該採收單元更包含：至少一支管，該至少一支管係設於該收集槽的一側且位於該第二出口上方，該至少一支管係與該戶外養殖單元相連接；以及一攪拌裝置，該攪拌裝置係設於該收集槽內。
  9. 如請求項1所述之連續式微藻養殖模組， 更包含：一供應氣體單元，包含：一氣體輸出裝置；一第一幫浦，與該氣體輸出裝置相連接，亦與該戶外養殖單元的底部相連通；以及一第二幫浦，與該氣體輸出裝置相連接，亦與該高密度養殖單元的底部相連通；以及一回收氣體單元，包含：一氣體收集裝置，與該戶外養殖單元的頂部相連通，亦與該高密度養殖單元的頂部相連通；以及一氣體控制裝置，與該供應氣體單元的第一幫浦、第二幫浦以及該氣體收集裝置相連通。
  10. 一種含有黃斑色素之微藻的養殖方法，包含：將含微藻的培養液置於一戶外養殖單元，並於戶外進行照光與培養，以使微藻生長至一第一密度；將經過該戶外養殖單元培養後之含微藻的培養液流入一高密度養殖單元，進行連續照射光源與培養，以使微藻生長至一第二密度，且該第二密度大於該第一密度，其中進行連續照射光源為白光或紅光；將經過該高密度養殖單元培養後之含微藻的培養液流入一誘導色素單元，連續照射藍光光源與培養，以增加微藻內的黃斑色素；以及將經過該誘導色素單元培養後之含微藻的培養液流入 一採收單元，攪拌後於該收集槽底部獲得含有黃斑色素之微藻。
  11. 如請求項10所述之養殖方法，其中該含微藻的培養液為鹼性溶液。
  12. 如請求項10所述之養殖方法，其中該產黃斑色素的微藻包含綠球藻屬、擬球藻屬、杜氏藻屬、柵藻屬、衣藻屬、螺旋藻屬、叢粒藻屬或其組合。
  13. 如請求項10所述之養殖方法，其中該紅光的波長介於600奈米至700奈米。
  14. 如請求項10所述之養殖方法，其中該將經過該高密度養殖單元培養後之含微藻的培養液流入一誘導色素單元的步驟，藍光的波長介於400奈米至500奈米。
  15. 如請求項10所述之養殖方法，其中該含微藻的培養液在該戶外養殖單元與該高密度養殖單元培養的同時通入二氧化碳。
  16. 如請求項10所述之養殖方法，其中該將經過該誘導色素單元培養後之含微藻的培養液流入一採收單元的步驟，包含添加絮凝劑並攪拌後於該收集槽底部獲得含有黃斑色素之微藻。
  17. 如請求項16所述之養殖方法，其中該絮凝劑包含無機絮凝劑、有機絮凝劑、微生物絮凝劑、或其組合。
  18. 如請求項17所述之養殖方法，其中該有機絮凝劑為幾丁聚醣。
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