专利名称：室外温控微藻光生物反应系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种室外温控微藻光生物反应系统，特别是有关于一种借助温控水槽的水温及水深来调控光反应管的温度与光照等生长条件的室外温控微藻光生物反应系统。
背景技术：
由于单细胞微藻(algae)能借助行光合作用固定二氧化碳，并将其转换成有机生物质(biomass)，这些生物质能用来做为各种技术领域的应用，例如健康食品、食品添加物、 生化制药、绿色能源、水产养殖、废水处理等。使用微藻进行应用的优点在于微藻能不断的将二氧化碳透过光能行光合作用来转换储存成生物质，故可符合永续利用的绿色环保诉求。以微藻生产油脂(例如不饱和脂肪酸omegas)为例，其在相同培养面积之下，微藻产油能力为种植传统油脂植物作物的30倍。再者，微藻的生长大致仅需要来自空气中的二氧化碳与太阳能，且生长快速，年收成次数多，因此以微藻生产模式具有可再生性、降低成本、 减少工业污染等优势。为了满足大量生产微藻的需求，相关研究人员于是发展各式光生物反应器 (photo-bioreactor)，以供生产各种微藻，其中光生物反应器可概分为室内养殖系统及室外养殖系统。所述室内养殖系统通常使用人工光源，例如白炽灯或发光二极管(LED)的光源，而室外养殖系统则是直接使用太阳光做为光源，其养殖系统皆大致可分成封闭式光生物反应器(closed photo-bioreactor)以及开放川流式养殖池(raceway pond)。例如，美国公告第5，151，347号发明专利即揭示一种室内型封闭式光生物反应器，此室内型封闭构造的优点为容易人工控制光线及温度等生长条件，但其也常受限于室内有限空间而无法将模块尺寸大型化，且较为耗费光源电能。另外，中国台湾公告第 M360557号或第M337972号新型专利揭示一种室内型开放川流式养殖池，除了具备类似上述的优缺点之外，此室内型开放构造另可提供较低的设备成本，但由于其水体曝露于室内空气中，因此相对容易受空气中的灰尘等污染物污染而可能造成微藻在纯化时的困难。另一方面，对室外养殖系统而言，由于室外空间较大，故相对有利于将封闭式光生物反应器或开放川流式养殖池的模块大型化，以利于大规模培养微藻。例如，美国公开第 2005/(^60553号发明专利申请案即揭示一种室外型封闭式光生物反应器，相较于室内型封闭构造，此室外型封闭构造虽易于模块大型化，但由于其封闭管道位于室外开放环境中，因此较难以精准控制光线及温度等生长条件。再者，中国台湾公告第519548号发明专利揭示一种室外型开放川流式养殖池，相较于室内型开放构造，此室外型开放构造因其水体曝露于外界空气中，故不但难以精准控制光线及温度等生长条件，同时也更容易受室外空气中的灰尘等污染物污染而造成微藻在纯化时的困难。此外，若水体培养深度太深或微藻浓度太高时，太阳光将只能照射到养殖池上层部份微藻，使得下层部份微藻无法有效吸收到光能，因而容易使得培养效率降低，或造成上下层微藻处于不同生长阶段而衍生出生物质收获率降低的问题。
故，有必要提供一种室外温控微藻光生物反应系统，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种室外温控微藻光生物反应系统，其可以将封闭式的光反应管沈浸在一温控水槽内，并将整组系统设置于室外环境，以利用室外太阳光做为光源，及同时利用温控水槽内的温控水对光反应管进行恒温调控，因而可提供适合微藻生长的环境条件，故有利于大量生产微藻、提高控制微藻生长温度的精准性及便利性，并降低微藻培养成本。本发明的次要目的在于提供一种室外温控微藻光生物反应系统，其可以借助调整遮光网的透光率及/或改变温控水槽的水深，以提供适当的太阳光遮蔽功能，进而可精确调控对光反应管的光照强度，故有利于提高光照强度的调控便利性。为达成本发明的前述目的，本发明提供一种室外温控微藻光生物反应系统，其中所述室外温控微藻光生物反应系统包含一温控水槽，其设于一室外环境，且具有至少一温控水入口及至少一温控水出口，以分别输入及输出一温控水；一光反应管，其设于所述温控水槽内并沈浸于所述温控水内，且所述光反应管具有一藻水入口及一藻水出口，以分别输入及输出含有微藻的藻水，使藻水借助所述光反应管的数个透光管体及所述温控水间接吸收太阳光；一循环蓄养槽，其连通于所述光反应管的藻水出口，以接收及蓄养由所述藻水出口提供的藻水；以及，一循环泵，设于所述循环蓄养槽及所述藻水入口之间，以将所述循环蓄养槽提供的藻水导入所述藻水入口，使藻水通过所述光反应管循环流动并进行光合作用。在本发明的一实施例中，所述温控水槽的上方另设有至少一遮光网，以遮蔽部分太阳光。在本发明的一实施例中，所述温控水槽的上方另设有至少一卷动装置，以敞开或卷收所述遮光网。在本发明的一实施例中，所述光反应管是非直线状的迂回绕设于所述温控水槽内。在本发明的一实施例中，所述光反应管包含数个快拆接头来连接所述数个透光管体。在本发明的一实施例中，所述光反应管的透光管体的内或外表面另涂布一负离子涂层。在本发明的一实施例中，所述循环蓄养槽内(或是所述循环蓄养槽及所述藻水入口之间的管路上)另设有一藻水阀门调节入水量。在本发明的一实施例中，所述温控水出口具有一阀门，以调节所述温控水槽内的温控水深度。在本发明的一实施例中，所述循环蓄养槽内另设有至少一洒水头，其连通于所述藻水出口，以将所述藻水喷洒曝气将藻类行光合作用产生的氧气释放至所述循环蓄养槽内，并由盖顶排气管排出。在本发明的一实施例中，所述循环蓄养槽另连通于一注水口，以另注入新鲜的培养水。在本发明的一实施例中，所述循环蓄养槽内另具有至少一打气装置。在本发明的一实施例中，所述循环蓄养槽的顶部具有一排气管。在本发明的一实施例中，所述循环蓄养槽及所述藻水入口之间另设有一藻水回收控制阀，以利成熟藻水排出回收，及进行下一阶段的制程。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图1是本发明第一实施例室外温控微藻光生物反应系统的示意图。图2是本发明第一实施例室外温控微藻光生物反应系统的温控水槽与光反应管的侧视图。图3是本发明第一实施例室外温控微藻光生物反应系统的循环蓄养槽的剖视图。
具体实施例方式以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。再者，本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」 或[侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明， 而非用以限制本发明。请参照图1、图2及图3所示，本发明第一实施例的室外温控微藻光生物反应系统主要包含一温控水槽1、一光反应管2、一循环蓄养槽3、一循环泵4以及至少一遮光网5。请参照图1及图2所示，本发明较佳实施例的温控水槽1是由金属或工业塑料等耐用材质制成，例如玻璃纤维强化塑料，且其槽体形状可为矩形、方形、圆形、其它几何形状或任意形状，例如长、宽、高为680X320X80公分的矩形槽体。惟，上述材质、形状及其尺寸是可依实际使用需求及其所设置的室外环境来加以调整，并不加以限制。在本发明中，所述温控水槽1是适当设于一室外环境，且其槽体的顶部是呈开放状，以便接收太阳光的照射。 所述温控水槽1具有至少一温控水入口 11及至少一温控水出口 12，其中所述温控水入口 11设置在所述温控水槽1的一侧，所述温控水入口 11用以输入一温控水至所述温控水槽 1内，所述温控水可选自室外环境的海水、河水、湖水、地下水、预储的雨水或是自来水等水源，上述水源在导入至所述温控水槽1之前已具有适当温度，例如所述温控水优选取自20 至^rc的天然海水，以便使所述温控水槽1内的水温维持在30°c以下，以保持优选的生长条件，并防止其它不必要的微生物(例如鞭毛虫等)大量生长。再者，所述温控水出口 12 设置在所述温控水槽1的另一侧，所述温控水出口 12用以由所述温控水槽1内输出使用过后的温控水，以方便进行更新或循环使用所述温控水。再者，在本实施例中，必要时，本发明的温控水槽1可在所述温控水入口 11处设置一调节阀111，以供调节温控水的输入流量，或者亦可在所述温控水出口 12处设置一阀门 121，以暂时关闭所述温控水出口 12，进而控制所述温控水槽1的温控水总水深(例如30 至65公分)以及所述温控水面距离所述光反应管2顶部的深度(例如0至35公分)。所述温控水面距离所述光反应管2的深度愈大，减弱所述光反应管2吸收太阳光的程度愈明显，因而可藉此来提供适当的太阳光透光率，以调控太阳光对所述光反应管2的光照强度， 故有利于提高光照强度的调控便利性。此外，所述温控水槽1内亦可选择性设置一光度计、 一温度计及一温控水温度调节器(未绘示)，其中所述光度计用以量测所述温控水槽1水面的光照强度，所述温度计用以量测所述温控水槽1的水温，及所述温控水温度调节器用以对所述温控水进行辅助加热或冷却。请参照图1及图2所示，本发明较佳实施例的光反应管2是由塑料或玻璃等透光材质制成的圆柱状中空管体，所述透光材质优选为聚碳酸酯(PC)，其可提供约85%的透光率。同时，所述光反应管2通常是以非直线状的形式(例如S形)迂回绕设于所述温控水槽1内并沈浸于所述温控水内，其中所述光反应管2的直径可介于10至30公分之间，例如 15公分。惟，上述材质、管形、绕设形状及其尺寸是可依实际使用需求来加以调整，并不加以限制。在本发明中，所述光反应管2是可由数个透光管体21及数个快拆接头22所共同组装而成，其中所述快拆接头22优选亦为透光材质制成，所述快拆接头22有利于拆卸清洗或维修更换所述透光管体21。再者，所述光反应管2可供循环流动输送含有微藻的藻水，并同时使微藻借助所述透光管体21的透光管壁及所述温控水而间接吸收太阳光行光合作用， 其中所述光反应管2是一封闭式管路，其管内的藻水与外部的温控水无法进行任何液体交换，同时所述光反应管2内的藻水可借助外部的温控水来提供一恒温环境，以维持内部的藻水的水温于一预定水温范围内(例如20至30°C)。另外，本发明并不限制所述微藻的种类，在一实施例中，所述微藻例如可能选自拟球藻、螺旋藻或其它绿藻或蓝绿藻等。在本发明中，所述光反应管2并具有一藻水入口 23及一藻水出口 24，其中所述藻水入口 23可选择位于所述温控水槽1内或延伸至所述温控水槽1外，所述藻水入口 23是借助适当的连接管路(未标示)连通至所述循环泵4，以便将所述循环泵4提供的藻水输入至所述光反应管2内，其中所述藻水入口 23及所述循环泵4之间的连接管路亦可另设一阀体231，以选择开启或关闭所述藻水入口 23。再者，所述藻水出口 M可选择位于所述温控水槽1内或延伸至所述温控水槽1外，所述藻水出口 M是借助适当的连接管路连通至所述循环蓄养槽3，以便将所述光反应管2内的藻水输出至所述循环蓄养槽3，其中所述藻水出口 M及所述循环蓄养槽3之间的连接管路亦可另设另一阀体M1，以选择开启或关闭所述藻水出口 M。此外，在本实施例中，必要时，本发明亦可选择在所述光反应管2的透光管体 21(及快拆接头2 的内或外表面另涂布一负离子涂层(未绘示)，其可避免微藻或其它微生物附着在其表面生长形成生物薄膜影响透光性，因此所述负离子涂层有利于保持所述透光管体21的透光性，并相对减少所述透光管体21的维修清洁需求。请参照图1、图2及图3所示，本发明较佳实施例的循环蓄养槽3是由金属或工业塑料等耐用材质制成，例如为玻璃纤维强化塑料，且其槽体形状可为圆柱形或其它几何柱状或任意形状，上述材质、形状及其尺寸是可依实际使用需求及其所设置的室外环境来加以调整，并不加以限制。在本发明中，所述循环蓄养槽3连通于所述光反应管2的藻水出口 24，以接收及蓄养由所述藻水出口 M提供的藻水，其中所述循环蓄养槽3设有至少一洒水头31、至少一打气装置32、一排气管33以及一注水口 34。所述至少一洒水头31设于所述循环蓄养槽3内的一预设最高水位的上方，所述洒水头31连通于所述藻水出口 24，以便将所述藻水出口 M提供的藻水喷洒曝气至所述循环蓄养槽3内，如此可使藻水因光合作用产生的氧气经此曝气方式回到空气中。再者，所述打气装置32是由打气帮浦及气泡石所组成，其用以将空气(或二氧化碳)打入所述循环蓄养槽3内，以利用产生的气泡对槽内的藻水补助溶入二氧化碳。所述一排气管33设于所述循环蓄养槽3的顶部，以将曝气后产生的氧气或过量空气导出所述循环蓄养槽3外。所述注水口 34是可借助一阀体(未标示)连通于所述洒水头31，或者直接设置于所述循环蓄养槽3的适当侧壁位置处，所述注水口 34 可输入新鲜的培养水。再者，在本实施例中，所述循环蓄养槽3另可设有一检测窗口 35，其是一具有玻璃或透明塑料板的密封窗口，所述检测窗口 35可方便操作人员由外部进行监测所述循环蓄养槽3内部机构的运作。另外，必要时，所述循环蓄养槽3亦可选择性设有一藻水温度调节器36、一温度计、一溶氧量测计、一 PH量测计(未绘示)或其组合量测模块，其中所述温度计用以量测所述循环蓄养槽3的水温，所述溶氧量测计及PH量测计用以量测回收后的藻水的溶氧及PH值，以及所述藻水温度调节器36用以对所述回收后的藻水进行辅助加热或冷却。此外，所述藻水温度调节器36亦可能设置于所述循环蓄养槽3及所述藻水入口 23之间的连接管路(未标示)上的适当位置处。请参照图1所示，本发明较佳实施例的循环泵4是可选自各种市售帮浦，例如一变频式循环泵，但并不限于此。所述循环泵4设于所述循环蓄养槽3及所述藻水入口 23之间的连接管路(未标示)上，以提供水压来驱动所述循环蓄养槽3提供的藻水，而将藻水重新导入所述藻水入口 23内，使藻水通过所述光反应管2再次循环流动并进行光合作用。再者， 一藻水回收控制阀41是设置于所述循环蓄养槽3及所述藻水入口 23之间的连接管路上的一适当位置处可用以回收藻水，以进行收获。在本实施例中，必要时，亦可在所述循环蓄养槽3及所述藻水入口 23之间的连接管路上的一适当位置处设置一流量计及/或一温度计 (未绘示)，以监控所述藻水的流速(例如1. 5至12cm/sec)、流量(例如10至140L/min) 及/或温度(例如< 30°C )等参数。请参照图1及图2所示，本发明较佳实施例的至少一遮光网5是可选自各式半透光网材，例如由黑色尼龙绳编织而成的网材，但并不限于此。在本实施例中，本发明设置二组遮光网5，其皆设于所述温控水槽1的上方，但分别具有80%及60%的透光率，以供单独或同时敞开，以遮蔽部分太阳光，避免供应过量光照强度予所述温控水及所述光反应管2 内的藻水。再者，本发明另设有至少一卷动装置51，以敞开或卷收所述遮光网5。所述遮光网5的遮蔽程度愈大，减弱所述光反应管2吸收太阳光的程度愈明显，因而可藉此来提供适当的太阳光遮蔽率，以调控太阳光对所述光反应管2的光照强度，故有利于提高光照强度的调控便利性。如上所述，依据微藻的种类，本发明可同时调整所述二遮光网5遮蔽温控水面的程度以及控制所述温控水面距离所述光反应管2顶部的温控水深度，以调控出适当的遮光效果，来使所述光反应管2内的微藻保持在优选吸光条件。例如，在二组所述遮光网5分别具有80%及60%的透光率、所述光反应管2的透光管壁21具有85%的透光率以及所述温控水面距离所述光反应管2顶部的温控水深度为12公分等透光条件下，若所述二遮光网5皆敞开遮蔽所述温控水面，则可提供约80% (第一层遮光网)X60% (第二层遮光网)X60% (约水深12cm衰减效果)X85% (透光管壁透光率)的透光率，如此所述光反应管2内的微藻仅可接收约25%的太阳光日照强度。因此调整上述遮光因子，可获取藻类最佳的日照条件(换言之，若日照强度1600ymol/sec ·πι2经上述对象遮蔽后约剩下 400 μ mol/sec · m2的光子强度)，其中此光子强度已足以供微藻进行光合作用。若需进一步调控透光率，则可借助改变所述二遮光网5的透光率及/或所述温控水深度来顺利调控对所述光反应管2的光照程度。如上所述，相较于现有室外型的封闭式光生物反应器或开放川流式养殖池具有不易精准控制光线及温度等生长条件的缺点，第1至3图的本发明借助将封闭式的光反应管 2沈浸在所述温控水槽1内，并将整组系统设置于室外环境(例如滨海地区)，以利用室外太阳光做为免费光源，及同时利用所述温控水槽1内的温控水对所述光反应管2进行恒温调控，因而可提供适合微藻生长的环境条件，故确实有利于大量生产微藻、提高控制微藻生长温度条件的精准性及便利性并降低微藻培养成本。再者，本发明亦可借助调整所述遮光网5的透光率及/或改变所述温控水面距离所述光反应管2顶部的水深，以提供适当的太阳光遮蔽率，进而能精确调控对所述光反应管2的光照强度，故亦有利于提高光照强度的调控便利性。本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。 必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
权利要求
1.一种室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述室外温控微藻光生物反应系统包含一温控水槽，其设于一室外环境，且具有至少一温控水入口及至少一温控水出口，以分别输入及输出一温控水；一光反应管，其设于所述温控水槽内并沈浸于所述温控水内，且所述光反应管具有一藻水入口及一藻水出口，以分别输入及输出含有微藻的藻水，使藻水借助所述光反应管的数个透光管体及所述温控水间接吸收太阳光；一循环蓄养槽，其连通于所述光反应管的藻水出口，以接收及蓄养由所述藻水出口提供的藻水；以及一循环泵，设于所述循环蓄养槽及所述藻水入口之间，以将所述循环蓄养槽提供的藻水导入所述藻水入口，使藻水通过所述光反应管循环流动并进行光合作用。
2.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述温控水槽的上方另设有至少一遮光网，以遮蔽部分太阳光。
3.如权利要求2所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述温控水槽的上方另设有至少一卷动装置，以敞开或卷收所述遮光网。
4.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述光反应管是非直线状的迂回绕设于所述温控水槽内，且所述光反应管包含数个快拆接头来连接所述数个透光管体。
5.如权利要求1或4所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述光反应管的透光管体的内或外表面另涂布一负离子涂层，以防止或降低藻类的附着。
6.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述循环蓄养槽内或是所述循环蓄养槽及所述藻水入口之间的管路上另设有一藻水温度调节器。
7.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述温控水入口具有一阀体，及所述温控水出口具有一阀体，以调节所述温控水槽内的温控水深度。
8.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述循环蓄养槽内另设有至少一洒水头，其连通于所述藻水出口，以将所述藻水出口提供的藻水喷洒曝气至所述循环蓄养槽内。
9.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述循环蓄养槽内另具有至少一打气装置；及所述循环蓄养槽的顶部具有至少一排气管或通风口。
10.如权利要求1所述的室外温控微藻光生物反应系统，其特征在于所述温控水槽内另设有一温控水温度调节器。
全文摘要
本发明公开一种室外温控微藻光生物反应系统，其是将一封闭式的光反应管沈浸在一温控水槽内，并将整组系统设置于一室外环境，以利用室外太阳光做为光源，及同时利用所述温控水槽内的温控水对所述光反应管进行恒温调控，因而可提供适合微藻生长的优选环境条件。再者，亦可借助调整至少一遮光网的透光率及/或改变所述温控水槽的水深，以提供适当的太阳光遮蔽率，进而精确调控对所述光反应管的光照强度。
文档编号C12M1/38GK102199533SQ20111006522
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者黄材成 申请人:中山大学