TWM532144U - 藻類通氣培養裝置 - Google Patents

Description

藻類通氣培養裝置

本創作涉及一種藻類培養裝置，尤指一種用於藻類培養的封閉式藻類通氣培養裝置。

自工業革命開始，人類對於地球耗竭性能源的需求與日俱增，歷史上每次的能源危機都帶來經濟上的巨大損失。耗竭性能源如：煤炭、石油、天然氣等化石燃料與核燃料、礦產等，雖然帶給人們生活上便利，但對地球的破壞也日益嚴重，包括：溫室效應、氣候變遷、生物型態轉變等。因耗竭性能源消耗速度過快且無法於短時間內再生成，使人們不得不開始尋找與研究其他替代能源，而再生能源由於具有低碳排放量與永續利用的特性，目前各國正積極發展再生能源，以取代耗竭性能源。

現有可利用的再生能源包括：風力、太陽能、地熱、海水溫差、波浪、潮汐、黑潮及海流、生質能等。其中，生質能泛指利用各種自然或人為化學反應，將有機物中蘊含的化學能釋出，轉化為供人類使用之熱能。目前，生質能轉換(Biomass conversion)主要有三種：(1).物理轉換，例如：將廢棄物分類壓縮，從植物中搾油等；(2).熱轉換，包括：熱解、燃燒、氣化等，可產生熱、氣體與油，其中，燃燒為最常使用的手段；及(3).生物轉換，係利用微生物或酵素將生質轉化成酒精、生質燃油或沼氣等。由於生質能除利用有機物自身攜帶 的能量外，亦可透過植物、微生物的生理機制，透過利用太陽能的方式，將水分及二氧化碳轉化為化學能，因此，除可產生能源外，也同時降低污染及二氧化碳的排放。

早期生質能多以農林作物為原料，如將甘蔗、甜菜、玉米、菜籽油、大豆油、棕櫚油等作物利用水解、發酵、轉酯化等技術，製造生質能源。或以農業及都市廢棄物，例如：稻桿、稻梗、木屑、蔗渣、廢油脂等為原料，利用纖維素水解、發酵、轉酯化等技術，製造生質酒精或生質柴油等替代能源。近代生質能係以藻類為原料，再利用油脂萃取、水解、轉酯化等技術來生產生質能。

由於以農林作物或農業及都市廢棄物作為生質能原料，容易造成糧食作物能源化而造成糧食短缺，耕地面積的擴張亦讓雨林面積逐年縮小，而導致物種滅絕及溫室效應等問題的發生。

不同於農林作物或農業及都市廢棄物，藻類具有高碳吸附量、高油脂含量、易於培養、生長時間短等優勢，且其並非糧食作物，不影響糧食的供應，因藻類對於環境耐受度高易於培養，除可在海中立體培養外，甚至可於都市或工業廢水培中養，在新式的培養方法下，其所需的土地面積日益縮小，且亦不受天候影響。此外，藻類行光合作用時可吸收二氧化碳，亦有效改善溫室效應。

現有應用於生質能的藻類可粗分為微藻(Micro algae)與巨藻(Macro algae)，在製造生質燃料方面則以單細胞的微藻為主。

微藻的數量繁多，目前已知的種類超過3,000種，分布在全球各地，顯見其具有很高的環境適應力而易於培養，例如：柵藻屬(Scenedesmus)、紅球藻屬(Haematococcus)、小球藻屬(Chlorella)、節螺藻屬(Arthrospira) 等。而依據不同藻類特性，現有的主要的培養基包括：BBM、f/2、花寶二號、Jaworski’s、BG-11、Mes-Volvox等。

微藻除含油量高外，其含碳量亦超過50%，顯示其於培養時需要大量的二氧化碳，此一特性亦有助於解決部分溫室氣體排放的問題，目前國外已有利用燃煤電廠排放的二氧化碳養殖微藻的相關研究。此外，微藻亦可多元化的應用，例如雨生紅球藻可提取蝦紅素用於保健食品及動物飼料，另外還有一些藻油可製作生質柴油、蛋白質可製作動物飼料、碳水化合物可發酵為酒精，而氮與磷等則可作為土壤肥料。

使用微藻製造生質燃料，過程大致包括：藻種選取、養殖、採收、濃縮與萃取等步驟。藉由藻種的選取，可選出含油量高、易於養殖與採收、後端製程成本低的藻種。而藻類的養殖，可分為開放式與封閉式兩種模式，目前藻類養殖多採用開放式，雖成本低且技術門檻不高，但在養殖過程中易受氣候、雜質、外界生物等因素影響而阻礙藻類的生長，且開放式的空間也降低了藻類對光與二氧化碳的利用率，因而降低了生質能製造的效率。封閉式系統則為一種密閉的光合生物反應器，能培育純種的微藻，同時可有效控制環境條件，以提高藻類對光能與二氧化碳的利用率，且封閉系統的培養密度高，容易採收。

現有封閉式系統，如圖1所示，圖1係為現有用於藻類培養的藻類通氣培養裝置的示意圖，其包括培養瓶11，培養瓶11具有瓶身111及瓶頸112，瓶口位於瓶頸112並連接具有彈性的矽膠塞21，使培養瓶11形成封閉的狀態。進氣管31穿設固定於矽膠塞21上，且通過瓶頸112，進氣管31的出氣端311位在瓶身111內並連接一個氣泡細化器41；進氣管31的進氣端312位於相對於出氣端311的另一側，並依序連接快接球閥51及濾菌膜61。此外，出氣管71亦穿設固定於矽膠塞2上，出氣管71的第一端711位在瓶身111內並高於藻類培養液91的液面； 出氣管71的第二端712位於相對於第一端711的另一側，並連接一個L型快速接頭81。

於圖1中，濾菌膜61的孔隙為0.22μm，濾菌膜61透過管路連接空氣幫浦(未示於圖中)，空氣幫浦打出的空氣先通過濾菌膜61，以過濾掉空氣中的雜質或細菌後，隨後通過進氣管31，並藉由出氣端311連接的氣泡細化器41將空氣細化成許多微小的氣泡911，氣泡911一方面協助藻類培養液91中氣體的交換，另一方面藉由氣泡911的浮力來擾動藻類培養液91，使藻類培養液91可維持在均質的狀態，同時亦避免藻類培養液91中的藻類沉澱。而散逸至藻類培養液91液面的氣泡911則透過出氣管71排放至瓶外。

於現有技術中，可利用L型快速接頭81連接一管路至裝有5%濃食鹽水的容器中(未示於圖中)，排放出的氣體則利用管路打入5%濃食鹽水中，在5%濃食鹽水中形成氣泡後，再自裝有5%濃食鹽水的容器散逸至外界環境中，如此可避免環境中的空氣透過出氣管71與培養瓶11內的氣體環境直接接觸，而可降低藻類培養液91交叉感染的機會。

但如圖1所示，現有的藻類通氣培養裝置其藉由具有彈性的矽膠塞21塞住培養瓶11的瓶口，使培養瓶11內形成封閉的培養系統，但若欲於培養過程中，對培養中的藻類進行取樣觀察，矽膠塞21可能因長時間的連接使其難以取下，或在矽膠塞21取下的過程中使力過度而造成進氣管31、接球閥51、濾菌膜61、出氣管71或L型快速接頭81等通氣套件的損壞。且現有的通氣套件如進氣管31，其材質多為塑膠軟管(如：RO管)，僅能使用75%酒精進行滅菌消毒，無法使用高溫高壓的方式滅菌，因此，於培養前的預備過程中，並不適合將通氣套件放入無菌操作台中進行組裝。此外，氣泡細化器41產生的微小氣泡911雖有效達到氣體交換的目的，但大量的微小氣泡往往會打斷如雨生紅球藻等微藻類的鞭毛，而影響其生長，因此培養過程中，往往需降低進氣量以避免藻類鞭毛 被打斷的情況發生，但降低進氣量以減少產生微小氣泡911的方式也同時降低了藻類培養液91中氣體的交換率，另一方面，由於氣泡911的量減少了，擾動藻類培養液91的能力亦同時下降，如此造成藻類培養液91無法循環並維持在均質的狀態，增生的藻類也容易因循環不良，產生沉澱或貼附在瓶身111的內壁或底部上的現象，沉澱或貼附的藻類因氣體或養份交換不易而容易發生死亡的情況，進而影響整個藻類通氣培養裝置中培養液狀態的平衡。

有鑑於此，如何製作一個可完整滅菌，且氣泡不易打斷藻類鞭毛，又可同時維持藻類培養液高度循環的藻類通氣培養裝置，為本創作欲解決的技術課題。

本創作提供一種可完整滅菌的藻類通氣培養裝置，且出氣端具有較大的氣孔，以產生較大的氣泡，使其不易打斷藻類鞭毛，並可同時維持藻類培養液高度的循環。

根據上述，本創作的主要目的在於提供一種藻類通氣培養裝置，其係用於藻類培養，包括：培養瓶，用於裝載藻類培養液；上蓋，用於與培養瓶結合，上蓋頂面具有開孔；氣密塞，設置於上蓋與培養瓶之間，氣密塞用於使培養瓶內形成封閉的培養環境；進氣管，用於連接空氣幫浦，並於藻類培養液中形成氣泡；以及出氣管，用於排放培養瓶中的氣體；其中，進氣管與出氣管係穿設固定於氣密塞。

於上述較佳實施方式中，其中培養瓶由瓶頸及瓶身所構成，瓶頸外表面具有螺紋結構。

於上述較佳實施方式中，其中上蓋為中空螺蓋。

於上述較佳實施方式中，其中氣密塞由第一氣密部、第二氣密部及第三氣密部所構成。

於上述較佳實施方式中，其中進氣管具有出氣端，出氣端包括至少一氣孔。

於上述較佳實施方式中，氣孔的直徑介於0.1mm至10mm之間。

於上述較佳實施方式中，其中培養瓶包括循環套筒。

於上述較佳實施方式中，其中進氣管及出氣管為玻璃材質。

於上述較佳實施方式中，其中氣密塞為可滅菌的鐵氟龍、矽膠或聚丙烯。

於上述較佳實施方式中，其中培養瓶的容積介於50mL至20L之間。

根據上述的實施例，本創作可以提供一個可完整滅菌，且氣泡不易打斷藻類鞭毛，並且具密閉性以減少水份的蒸散，又可同時維持藻類培養液高度循環的藻類通氣培養裝置。

11、12‧‧‧培養瓶

111、121‧‧‧瓶身

112、122‧‧‧瓶頸

1221‧‧‧瓶口

21‧‧‧矽膠塞

22‧‧‧氣密塞

221‧‧‧第一氣密部

222‧‧‧第二氣密部

223‧‧‧第三氣密部

23‧‧‧上蓋

231‧‧‧開孔

31、32‧‧‧進氣管

311、321‧‧‧出氣端

312、322‧‧‧進氣端

3211‧‧‧切口

3212‧‧‧氣孔

41‧‧‧氣泡細化器

42‧‧‧循環套筒

421‧‧‧阻隔層

422‧‧‧固持部

51、52‧‧‧快接球閥

61、62‧‧‧濾菌膜

71、72‧‧‧出氣管

711、721‧‧‧第一端

712、722‧‧‧第二端

81、82‧‧‧L型快速接頭

91、92‧‧‧藻類培養液

911、921‧‧‧氣泡

D₁‧‧‧外徑

D₂‧‧‧內徑

F‧‧‧水流箭頭

圖1係為現有藻類通氣培養裝置的示意圖；圖2係為本創作培養瓶氣密套件的分解圖；圖3係為本創作培養瓶氣密套件組裝的示意圖； 圖4係為本創作藻類通氣培養裝置的示意圖；圖5係為本創作進氣管出氣端第一實施方式的示意圖；及圖6係為本創作進氣管出氣端第二實施方式的示意圖。

本創作的優點及特徵以及達到其方法將參照例示性實施例及附圖進行更詳細的描述而更容易理解。然而，本創作可以不同形式來實現且不應被理解僅限於此處所陳述的實施例。相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的此些實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇。

首先，請參閱圖2及圖3，其中，圖2係為本創作培養瓶氣密套件的分解圖；圖3係為本創作培養瓶氣密套件組裝的示意圖。如圖2所示，培養瓶氣密套件包括：培養瓶12、氣密塞22及蓋23，其中，培養瓶12是由瓶身121及具瓶口1221的瓶頸122所構成，且於瓶頸122的外表面上具有複數個螺紋結構，使得內表面具有螺紋槽的上蓋23可藉由瓶頸122外表面上的螺紋結構與培養瓶12緊密結合；於一較佳實施方式中，上蓋23可為一個帶有對應於瓶頸122螺紋結構的中空螺蓋，且上蓋23的頂面具有一個開孔231。此外，具有彈性的氣密塞22是由第一氣密部221、第二氣密部222及第三氣密部223所構成，其中，氣密塞22為可以選擇滅菌的材質，例如：鐵氟龍、矽膠、聚丙烯等。另外，第一氣密部221的直徑與瓶頸12的內徑D₂相同，而第二氣密部222的直徑與瓶頸122的外徑D₁相同；其中，外徑D₁大於內徑D₂；而第三氣密部223的直徑與上蓋23頂面的開孔231的直徑相同。當然，本創作雖僅提出以螺紋結構讓上 蓋23與培養瓶12緊密結合，但亦可使用其它可拆卸的卡扣形式，而不以螺紋結構結合的形式為限，此外，培養瓶12的容積介於50mL至20L之間。

接著，請繼續參閱圖3，當培養瓶氣密套件組裝後，上蓋23藉由瓶頸122上的螺紋結構與培養瓶12緊密結合，氣密塞22的第一氣密部221經由瓶口1221塞入瓶頸122中，由於第二氣密部222的直徑與瓶頸122的外徑D₁相同，使第二氣密部222可與瓶口1221相互抵頂，以避免氣密塞22掉入瓶身121中，第三氣密部223則穿過上蓋23頂面的開孔231而突出於中空螺蓋23的頂面，另一方面，中空螺蓋23頂面的邊緣亦可抵頂第二氣密部222，使第二氣密部222可與瓶口1221緊密貼合，如此，藉由上蓋23、氣密塞22與瓶頸122的緊密結合，讓培養瓶12內形成封閉的培養環境。

再接著，請參閱圖4，圖4係為本創作藻類通氣培養裝置的示意圖。如圖4所示，培養瓶12具有瓶身121及瓶頸122，瓶頸112藉由上蓋23、氣密塞22與瓶頸122的緊密結合，使瓶身121內形成封閉的培養環境。進氣管32穿設固定於氣密塞22上並通過瓶頸122，進氣管32的出氣端321位在瓶身121，同時出氣端321具有氣孔(請參閱圖5及圖6)以產生較大的氣泡；進氣管32的進氣端322位於相對於出氣端321的另一側，並依序連接快接球閥52及濾菌膜62。此外，出氣管72亦穿設固定於氣密塞22上，出氣管72的第一端721位在瓶身121內並高於藻類培養液92的液面；出氣管72具有L型的轉折並於第二端722處連接一個L型快速接頭82。與本創作較佳的實施方式中，進氣管32與出氣管72為玻璃材質，使其可進行高溫高壓的滅菌處理，而方便在無菌操作台中進行組裝，另一方面，由於進氣管32與出氣管72為玻璃材質，於使用後，可對進氣管32與出氣管72進行酸洗，清理十分地方便。此外，由於氣密套件與培養瓶均為可滅菌材質，因此 可將整組藻類通氣培養裝置組裝完成後直接進行滅菌，一較佳的滅菌方式可以121℃的高壓溼熱滅菌法對整組藻類通氣培養裝置進行滅菌程序。

另外，於圖4中，濾菌膜62的孔隙為0.22μm，濾菌膜62透過管路連接空氣幫浦(未示於圖中)，於一較佳的實施方式中，可於濾菌膜62與空氣幫浦間加裝孔隙為5μm或1μm的濾心，以降低濾菌膜62阻塞的機率。空氣幫浦打出的空氣通過濾菌膜62過濾掉空氣中的雜質或細菌後，隨後通過進氣管32，並藉由出氣端321的氣孔(請參閱圖5及圖6)形成較大的氣泡921。

此外，瓶身121內更設置有空心的循環套筒42，循環套筒42由阻隔層421及設置於阻隔層421表面的多個固持部422所構成，循環套筒42藉由固持部422抵頂瓶身121的內壁，讓循環套筒42維持在瓶身121內固定的位置，於一較佳的實施方式中，循環套筒42維持在一固定的位置並浸泡於藻類培養液92中，當氣泡921產生時，一方面協助藻類培養液92中氣體的交換，另一方面藉由氣泡921浮力的擾動，帶動阻隔層421內的藻類培養液92向上流動，在到達阻隔層421頂部後，則開始沿瓶身121的內壁向下流動(如水流箭頭F所示)，如此，可使藻類培養液92維持在循環流動的均質的狀態，如此可提高藻類氣體與養份的交換率，同時亦避免增生的藻類沉澱或貼附在瓶身1212的內壁或底部上。而散逸至藻類培養液92液面的氣泡921則透過出氣管72排放至瓶外。

請參閱圖5及圖6，圖5係為本創作進氣管出氣端第一實施方式的示意圖；圖6係為本創作進氣管出氣端第二實施方式的示意圖。首先，如圖5所示，進氣管32的出氣端321具有一個切口3211，切口可以是平面切口或是斜面切口，但一般斜面切口較適合氣泡的轉向。氣泡可自切口3211生成，同時若切口3211為斜面切口時，可藉由切口3211的轉向，調整氣泡上升的位置。其次，如圖6所示，進氣管32的出氣端321具有複數個氣孔3212，氣泡可自氣孔3212生成， 且使用者在培養不同藻類時，可依據需求製作多種具有不同直徑的氣孔3212，用以產生不同大小的氣泡，其中，氣孔3212的直徑介於0.1mm至10mm之間。

於培養過程中，使用者可藉由拆卸上蓋23與氣密塞22對藻類培養液92進行取樣觀察，於本創作又一實施方式中，可額外在氣密塞22或瓶身121的表面設置至少一個取樣孔(未示於圖中)，讓使用者毋須拆卸上蓋23與氣密塞22即可進行取樣。

相較於習知技術，本創作提供一種可進行高溫高壓滅菌的藻類通氣培養裝置，使其便於在無菌操作台中進行組裝，氣密套件除可簡易拆卸外，亦可達到完整的氣密效果，而完整的氣密效果亦可有效降低藻類培養液水分的蒸散。此外，由於進氣管於藻類培養液中產生較大的氣泡，可避免打斷藻類的鞭毛，而有助於藻類的增生。再者，其中的循環套筒可有效提高藻類培養液的循環並有利於藻類氣體與養份的交換，亦同時避免增生的藻類沉澱或貼附在瓶身的內壁或底部上；故，本創作實為一極具產業價值之創作。

本創作得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護。

12‧‧‧培養瓶

121‧‧‧瓶身

122‧‧‧瓶頸

1221‧‧‧瓶口

221‧‧‧第一氣密部

222‧‧‧第二氣密部

223‧‧‧第三氣密部

23‧‧‧上蓋

231‧‧‧開孔

D₁‧‧‧外徑

D₂‧‧‧內徑

Claims (10)

1. 一種藻類通氣培養裝置，包括：一培養瓶，用於裝載一藻類培養液；一上蓋，用於與該培養瓶結合，該上蓋頂面具有一開孔；一氣密塞，設置於該上蓋與該培養瓶之間，該氣密塞用於使該培養瓶內形成封閉的培養環境；一進氣管，用於連接空氣幫浦，並於該藻類培養液中形成氣泡；以及一出氣管，用於排放該培養瓶中的氣體；其中，該進氣管與該出氣管係穿設固定於該氣密塞。
2. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該培養瓶由一瓶頸及一瓶身所構成，該瓶頸外表面具有複數個螺紋結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該上蓋為一中空螺蓋。
4. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該氣密塞由第一氣密部、第二氣密部及第三氣密部所構成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該進氣管具有一出氣端，該出氣端包括至少一氣孔。
6. 如申請專利範圍第5項所述之藻類通氣培養裝置，其中該至少一氣孔的直徑介於0.1mm至10mm之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該培養瓶包括一循環套筒。
8. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該進氣管及該出氣管為玻璃材質。
9. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該氣密塞為可滅菌的鐵氟龍、矽膠或聚丙烯。
10. 如申請專利範圍第1項所述之藻類通氣培養裝置，其中該培養瓶的容積介於50mL至20L之間。