科技部補助專題研究計畫報告
以微藻養殖固碳之綠色工程技術引領水產養殖藍色經濟之永續
發展-開發創新CO2捕獲及純化技術並進行高效率微藻前處理以
利於有效成分提取及劑型製備
報 告 類 別 ： 成果報告 計 畫 類 別 ： 整合型計畫 計 畫 編 號 ： MOST 108-2621-M-006-020-執 行 期 間 ： 108年08月01日至109年07月31日 執 行 單 位 ： 國立成功大學化學工程學系（所） 計 畫 主 持 人 ： 張嘉修 共 同 主 持 人 ： 陳俊延 計畫參與人員： 碩士級-專任助理：林哲逸 碩士級-專任助理：張伯偉 碩士班研究生-兼任助理：何奈卡 碩士班研究生-兼任助理：林佳穎 碩士班研究生-兼任助理：林子翔 博士班研究生-兼任助理：蘇布穆 博士班研究生-兼任助理：陳日恒 博士後研究-博士後研究：羅泳中本研究具有政策應用參考價值：■否 □是，建議提供機關
（勾選「是」者，請列舉建議可提供施政參考之業務主管機關）
本研究具影響公共利益之重大發現：□否 □是
中 文 摘 要 ： 微藻被認為在解決全球能源、環境和食品危機方面可扮演關鍵角色 。本計畫擬建立一套功能性微藻固碳養殖及商品化的平台技術，並 著重於下游程序(downstream processing)之開發。以創新物理分離 技術進行燃燒天然氣、醱酵程序或沼氣所產生之CO2捕獲及純化，進 而將純化後之CO2應用於富含功能性成分微藻之養殖，並進行氣體壓 差破壁兼原位萃取系統之開發，以達到更高效率的功能性物質提取 。據此，本計畫主要研究方向為(1) 低溫加壓甲烷提純與CO2系統模 組流程設計，(2) 低溫加壓甲烷提純與CO2系統模組原理設計，(3) 低溫加壓甲烷提純與CO2模組各元件設計，(4) 低溫加壓甲烷提純與 CO2模組功能性測試，(5) 低溫加壓甲烷提純與CO2模組實際運行測 試，(6) 以經捕獲/純化處理之CO2進行目標微藻之養殖測試，並進 行藻體成份分析，(7) 評估微藻之氣體壓差破壁兼原位萃取製備方 法與程序可行性。本研究顯示了此低溫加壓物理分離系統能夠有效 提純沼氣中之甲烷與CO2，也可將其CO2進行微藻培養並得到6.08 mg/g之葉黃素含量，而氣體壓差破壁兼原位萃取之實驗結果可知以 丙酮作為溶劑可得葉黃素含量為4.28 mg/g，雖然葉黃素含量略低 ，但此程序但具有操作簡易、不耗時等優勢，進一步再加以優化 ，此程序將會更具有商業化之潛力。 中 文 關 鍵 詞 ： 葉黃素、低溫加壓提純系統、氣體壓差破壁兼原位萃取程序 英 文 摘 要 ： Microalgae have been recognized to play a key role in
solving the energy, environmental, and food crises. This study aims to establish a platform technology covering from microalgal cultivation to product production and
formulation with a special focus on downstream processing. First, the optimal physical separation technology was developed to capture and purify CO2 from natural gas
combustion flue gas, the fermentation processes, or biogas. The purified CO2 will be used to cultivate microalgae that are rich in functional components. Meantime, we performed the gas pressure differential and in-situ extraction procedure, to achieve higher efficiency of functional substance extraction.
Accordingly, the main research directions of this project are (1) module process design of low-temperature
pressurized methane and CO2 purification system, (2) module principle design of low-temperature pressurized methane and CO2 purification system, (3) module design of
low-temperature pressurized methane and CO2 purification system, (4) module functional test of low-temperature
pressurized methane and CO2 purification system, (5) module actual operation test of low-temperature pressurized
methane and CO2 purification system, (6) the
captured/purified CO2 conducts the cultivation test of the target microalgae as well as the analysis of the functional composition, (7) the feasibility evaluation of the
extraction procedure. This study shows that this low-temperature and pressurized physical separation system can effectively purify methane and CO2 in biogas. It can also utilize the purified CO2 from biogas to cultivate
microalgae and obtain a lutein content of 6.08 mg/g. The experimental results of in-situ extraction show that the lutein content obtained by using acetone as the solvent is 4.28 mg/g. Although the lutein content is slightly lower, this procedure has the advantages of simple operation and no time-consuming. It is further optimized that the
procedure will have more commercialization potential. 英 文 關 鍵 詞 ： Lutein, low-temperature pressurized methane and CO2
purification system, the combination of gas pressure difference and in-situ extraction procedure
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 期中進度報告
■期末報告
開發創新 CO
2捕獲及純化技術並進行高效率微藻前處理以利
於有效成分提取及劑型製備
計畫類別：□ 個別型計畫 □■ 整合型計畫
計畫編號：
執行期間：108 年 08 月 01 日至 109 年 07 月 31 日
執行機構及系所：成功大學 化學工程系
計畫主持人：張嘉修
共同主持人：陳俊延、楊勝仲
計畫參與人員：羅泳中、陳日恒、何奈卡、林佳穎、蘇布穆、林子翔、林哲逸、張伯
偉
處理方式：立即公開查詢
中 華 民 國 109 年 07 月 31 日
一、中文摘要 微藻被認為在解決全球能源、環境和食品危機方面可扮演關鍵角色。本計畫擬建立一套功 能性微藻固碳養殖及商品化的平台技術，並著重於下游程序(downstream processing)之開發。以 創新物理分離技術進行燃燒天然氣、醱酵程序或沼氣所產生之 CO2捕獲及純化，進而將純化後 之 CO2應用於富含功能性成分微藻之養殖，並進行氣體壓差破壁兼原位萃取系統之開發，以達 到更高效率的功能性物質提取。據此，本計畫主要研究方向為(1) 低溫加壓甲烷提純與 CO2系 統模組流程設計，(2) 低溫加壓甲烷提純與 CO2系統模組原理設計，(3) 低溫加壓甲烷提純與 CO2模組各元件設計，(4) 低溫加壓甲烷提純與 CO2模組功能性測試，(5) 低溫加壓甲烷提純 與 CO2模組實際運行測試，(6) 以經捕獲/純化處理之 CO2進行目標微藻之養殖測試，並進行藻 體成份分析，(7) 評估微藻之氣體壓差破壁兼原位萃取製備方法與程序可行性。本研究顯示了 此低溫加壓物理分離系統能夠有效提純沼氣中之甲烷與 CO2，也可將其 CO2進行微藻培養並 得到 6.08 mg/g 之葉黃素含量，而氣體壓差破壁兼原位萃取之實驗結果可知以丙酮作為溶劑可 得葉黃素含量為 4.28 mg/g，雖然葉黃素含量略低，但此程序但具有操作簡易、不耗時等優勢， 進一步再加以優化，此程序將會更具有商業化之潛力。 關鍵詞：葉黃素、低溫加壓提純系統、氣體壓差破壁兼原位萃取程序
二、英文摘要
Microalgae have been recognized to play a key role in solving the energy, environmental, and food crises. This study aims to establish a platform technology covering from microalgal cultivation to product production and formulation with a special focus on downstream processing. First, the optimal physical separation technology was developed to capture and purify CO2 from natural gas
combustion flue gas, the fermentation processes, or biogas. The purified CO2 will be used to cultivate
microalgae that are rich in functional components. Meantime, we performed the gas pressure differential and in-situ extraction procedure, to achieve higher efficiency of functional substance extraction.
Accordingly, the main research directions of this project are (1) module process design of low-temperature pressurized methane and CO2 purification system, (2) module principle design of
low-temperature pressurized methane and CO2 purification system, (3) module design of low-temperature
pressurized methane and CO2 purification system, (4) module functional test of low-temperature
pressurized methane and CO2 purification system, (5) module actual operation test of low-temperature
pressurized methane and CO2 purification system, (6) the captured/purified CO2 conducts the
cultivation test of the target microalgae as well as the analysis of the functional composition, (7) the feasibility evaluation of the combination of gas pressure difference and in-situ extraction procedure. This study shows that this low-temperature and pressurized physical separation system can effectively purify methane and CO2 in biogas. It can also utilize the purified CO2 from biogas to cultivate
microalgae and obtain a lutein content of 6.08 mg/g. The experimental results of in-situ extraction show that the lutein content obtained by using acetone as the solvent is 4.28 mg/g. Although the lutein content is slightly lower, this procedure has the advantages of simple operation and no time-consuming. It is further optimized that the procedure will have more commercialization potential.
Keywords: Lutein, low-temperature pressurized methane and CO2 purification system, the
三、報告內容
3.1 前言
聯合國世界氣象組織於溫室氣體公報(Greenhouse Gas Bulletin)中指出 2017 年大氣中 CO2
濃度增至 405.5 ppm，與 2016 年(403.3 ppm)及 2015 年(400.1 ppm)相比都來得高，因而減少 CO2
排放是當務之急 (World Meteorological Organization, 2017)。根據台灣環保署最新的統計資料， 台灣每年的 CO2排放量為 271 million ton，目前 CO2排放量位居全世界第 21 名；其中能源產 業 CO2排放量占比高達 60.8% (行政院環境保護署, 2017)，藉此我國於 2025 年將能源配比中的 天然氣發電占比調升為 50%，相較於燃煤發電，天然氣發電可顯著改善空氣汙染問題，但是對 於溫室效應氣體的 CO2排放，仍是亟待解決的問題。 過去本計畫主持人致力於生物碳捕獲技術的研發，利用微藻的養殖不僅具有減碳效應，且 可將 CO2轉化成微藻生物質，其可作為生產生質燃料與特用化學品的料源，甚至於基於微藻含 有豐富的動物所需營養源，以及許多生物功效性物質，因此若能高值化利用這些微藻生物質， 則微藻捕碳不僅是解決環保問題，亦可創造一高效益產業，應是國家永續發展當支持的重點科 技。以往本研究團隊致力於微藻減碳研發，但所利用的工業廢氣多來自於燃煤工廠。由於燃煤 排放廢氣中，除了 CO2外，還存在許多空污物質，例如 SO2、懸浮微粒、有機化合物等(表 1)， 致使利用燃煤工業廢氣所養殖的微藻，因為生物安全性的問題，被限縮於生質燃料與特用化學 品的生產，較難高值化利用。而今，若以天然氣發電或燃燒後所產生的廢氣，經由純化技術處 理後用來養殖微藻，再加上一些微藻生物質的精煉處理程序，相信其生物安全性的虞慮將大幅 降低，其可用於經濟動物飼料添加劑的開發，甚至於經過萃取的程序，可以開發更高價值的化 妝保養品與保健食品成分 (蘇惠美，2012)。 目前，微藻似乎在解決能源、環境和食品危機方面扮演關鍵角色。藻類的機能性成分包括 蝦紅素、葉黃素、β-胡蘿蔔素、葉綠素、藻膽蛋白、多元不飽和脂肪酸和β-1,3-葡聚糖及其他 的化合物 (蘇怡等人，2016)。舉凡色素類及多元不飽和脂肪酸等機能性成分，大多存在微藻藻 體總脂質內。而微藻細胞脂質內的有效成分萃取前，需對微藻細胞進行破壁處理 (Byreddy et.al.，2015)。微藻胞壁為多種聚醣和蛋白質的分支狀組成，結構堅韌厚實，必須利用外力使之 破壞或分解。微藻破壁的方法相當多種，包括酸、鹼、表面活性劑酵素等破壞細胞壁的葡聚醣 或蛋白質結構；亦或是透過高壓均法、超音波、微波法、蒸氣爆破、珠磨、凍融、有機溶劑等 方式直接破壞細胞壁結構 (Günerken et. al.，2015)。
微藻在採收時之濃度約在 0.5-1.0 g/L，經過高速離心機濃縮後達到 10-20%濃度。傳統使用 有機溶劑如丙酮、正己烷、二氯甲烷等作萃取劑，但萃取後必須將有機溶劑與油脂分離，處理 時間長、效率低而且有廢溶劑處理問題。比較環保且效率高的是超臨界二氧化碳萃取法，但缺 點是超臨界二氧化碳在水中溶解度高，因此許多水分會伴隨油脂萃取出來，必須作油水分離， 增加製程道次而且耗能。若先經過除水如冷凍乾燥、噴霧乾燥後再進行超臨界二氧化碳萃取， 雖然效率高但缺點是操作壓力高，通常在 50-70 MPa 導致設備昂貴，而且乾燥過程相當耗費能 源 (Yen et. al. 2015)。
表 1、各種能源燃燒後產生空氣污染物與 CO2之比較 3.2 研究目的 本計畫擬以創新物理分離技術進行天然氣、醱酵程序所產生之 CO2捕獲及純化，進而將純 化後之 CO2應用於養殖微藻。接著，開發微藻生物質利用最適化破壁技術釋出其有效成分，以 低溫萃取技術萃取微藻有效成分，並確保萃取後有效成分之活性。隨後，將更進一步開發原位 壓差破壁結合萃取系統，再以微膠囊化及微包覆技術，來提升機能性成分的保存及增加後續保 健產品、水產飼料調製與運用之彈性。本研究以天然氣、醱酵程序所產生的 CO2及微藻生質體 為載體，水產飼料添加劑為標的，價值鏈中關鍵製程技術為突破核心之生質永續循環與資源再 生之整合技術，計畫目的明確而務實。 3.3 文獻探討 本計畫之研究構想架構如圖 1所示，計畫構想以天然氣發電或燃燒後所產生的廢氣，經由 捕獲、純化技術處理後，進一步用於養殖微藻，並由微藻體富含之藻色素、多元不飽和脂肪酸、 蛋白質、碳水化合物等營養成分，開發做為水產飼料添加劑、保健產品之料源。因此，在整個 產業價值鏈活動中，微藻破壁得以釋出營養成分，Stamey 等人的研究指出，在餵養膠囊化脂質 的藻類添加產品，在對牛奶脂肪產量沒有不良影響的條件下，可以增加牛奶脂肪中的ω-3 脂肪 酸的含量 (Stamey et. Al.，2012)。所以，計畫最後以無縫膠囊包覆後處理保存技術，提升機能 性成分的保存性與後續飼料原料調製的操作彈性，均扮演重要的關鍵角色。據此本子計畫規劃 執行以下三個主要研究： (1) 利用低溫加壓模組開發最適化 CO2分離純化技術：藉由壓力與溫度變化來設計 CO2純化精 煉模組，並進一步了解不同壓力與溫度下如何有效提純 CO2濃度之設計分析，本研究主要以應 用流速 300~500 L/hr 下，壓力於 30~60 bar 之間及溫度於-30~5 oC 來進行研究。 (2) 利用高壓破壁模組進行最適化破壁技術及同步萃取模組之開發：由壓差破壁模組進行微藻 細胞壁破壞效率評估，透過高壓氣體壓力、高壓維持時間、微藻生物質含量、破壁次數等條件 來進行最適化條件研究，同時開發原位同步萃取技術開發。 (3) 有效成分之後處理保存對策：提取之藻體脂質，其藻色素成分大多具抗氧化能力，而多元 不飽和脂肪酸亦容易氧化酸敗，最後以微膠囊化及微包覆技術，來提升機能性成分的保存性與
後續飼料原料調製的操作彈性。 圖 1 計畫構想架構圖 3.4 研究方法 3.4.1 建立有效捕獲、純化 CO2之物理分離技術及最適化系統條件開發 CO2捕獲技術是指把發電、石化、 鋼鐵、水泥、造紙等主要排放源所排放的 CO2回收， 可區分成:燃燒後捕獲、燃燒前捕獲、富氧燃燒、工業製程如燃燒、氧化等方式。至今仍以降低 捕獲成本發展為趨勢，而短期內較有機會商業化的是吸收法、吸附法及薄膜分離法；吸收法中 的物理吸收法使用有機或無機液體做為吸收劑，利用溶解度隨溫度與壓力變化的原理吸收 CO2。雖然這方法在高壓低溫下吸收容量大，但僅適合在 CO2分壓較高且 CO2捕獲率要求不高 的條件下進行；而化學吸收法是目前最廣泛使用的 CO2捕獲方法，此方法使用的吸收劑包括鹼 性、胺類、醇胺類、離子液體等水溶液，它與 CO2產生化學反應進行捕獲，再以加熱進行逆反 應以再生吸收劑。由於需提供熱量再生吸收劑，因而能源消耗在捕獲成本中占相當大的比率 (談等人，2015)。 上述所提及的不論是物理吸收法或化學吸收法，皆需使用有機或無機液體作為吸收劑來進 行 CO2捕獲程序，為避免過多化學藥劑的使用，本計劃將開發一套低溫加壓物理分離系統 (圖 3)，以避免額外耗材及提高成本等問題產生。由吾人團隊近年的研究經驗歸納而知，透過 CO2 三相圖特性為設計基礎 (圖 4)，此系統模組設計入口最大流量 300~500 L/hr，分離槽設計壓力 最大為 80 bar，操作溫度為-30~5oC，透過不同壓力與溫度組合下，來進行有效提純 CO 2濃度 系統條件的開發。
圖 3 低溫加壓物理分離系統
圖 4 CO2之三相特性圖
3.4.2 以經捕獲/純化處理之 CO2進行目標微藻之養殖測試，並進行藻體主要成份分析。
微藻培養可大致區分自營性、異營性與混營性培養，其中自營性培養亦即利用無機碳以光 合作用增殖的光合自營式生長 (Huang et al., 2010)，而混營性培養能夠吸收有機化合物作為碳 源，同時使用無機化合物作為電子傳遞載體來進行培養 (Chojnacka & Marquez-Rocha, 2004)。 應用 CO2或無機碳進行光合作用的光合自營及混營培養，可捕集二氧化碳氣體，而伴隨產生的
藻體可再利用為再生能源，或其他高價值產品。此研究將利用低溫加壓物理分離系統所捕獲/ 純化處理產生之 CO2進行微藻培養，並分析其藻體主要成份。
3.4.3 氣體壓差破壁兼原位萃取系統開發 由上述商業應用製程說明及近期文獻搜尋結果，尚無高效率、低成本的商業藻壁破壁製程 出現，而由吾人團隊近年在高壓系統開發上累積的經驗，利用快速壓差破壁原理，將針對微藻 的不同型態與組成結構藻壁，開發不同的破壁對策，甚至是不同的破壁機制組合對策，才能經 濟且有效地達成破壁目的，同時開發氣體壓差破壁兼原位萃取之製備系統(圖 5)，破壁條件以 前期相關計畫執行所得之最佳結果來進行，再以低溫萃取技術進行有效成分萃取，以達到破壁 效率佳、操作時間短且提取出有效成分等最終目標。 圖 5 高壓破壁裝置研究之實驗架構 3.4.4 分析方法 (A) 細胞濃度之定量 微藻細胞重量濃度之測量採用光學密度(optical density)法，即以藻體或菌體溶液分別在定 波長 680 nm (OD680)之吸光度與細胞乾重之相對關係作檢量線，故只需測量菌液之 OD680，即 可求出相對應之藻體重量濃度。本研究利用微藻 Chlorella sorokiniana MB-1-M12 進行接下來 之實驗。 (B) 甲烷及 CO2分析
利用攜帶式氣體偵測器 (X-am 5000, Drager, Germany)來分析從天然氣、醱酵程序所產生 之甲烷與 CO2之濃度。
(C) 色素含量分析
微藻葉黃素分析：將 10 mg 凍乾藻體加入 1 ml KOH 溶液中(60% w/v)以水解脂質並破壞細 胞，將懸浮液在 40°C 的水浴中反應 40 min，然後使用乙醚重複萃取，同時取上清液直至澄清 為止，隨後再以氮氣將上清液吹乾，最後使用丙酮溶解沈澱物以高效液相層析儀(HPLC)進行葉 黃素含量分析 (Chen et al., 2017; Kitada et al., 2009)。
3.5 結果與討論
3.5.1 低溫加壓甲烷提純與 CO2系統模組流程設計
計壓力值最大為 80 bar，操作溫度為-30°C~5°C。因為脫硫後之沼氣入口壓力為 0.05 bar，所以 需先進行初步升壓至 1 bar 以上，以利驅動增壓泵浦至所需壓力值。沼氣經過交換器至設定溫 度，再進行加壓動作，使沼氣之甲烷氣與二氧化碳進行分離動作，再將氣體送入分離槽進行分 離過程，使分離槽上層為 CH4，而下層為液態 CO2，而達到提純與分離之作用。 圖 6 沼氣精製低溫加壓甲烷提純與 CO2分離技術 PI 圖 3.5.2 低溫加壓甲烷提純與 CO2系統模組原理設計 完成低溫加壓甲烷提純與 CO2系統模組 3D 設計圖，如圖 3所示。此系統模組分為沼氣增 壓、熱交換、分離槽體及氣體儲存槽等四大部分。 透過理論與 PI 流程圖進行比對與修正設計該模組。該模組主要功能規格: (1) 主要分為沼氣增壓部分、分離槽體部分、熱交換部分及氣體儲存槽等四大部分。 (2) 設備尺寸大小: 1600 x 1000 x 1560 mm (3) 電力需求: 單相 220V，60Hz，30A (4) 空壓源需求: 3HP，空氣量 120 L/min，空氣壓力 0~6 kg/cm2 (5) 冷卻系統: 溫度範圍-30°C~30°C，流量約 16~30 L/min (6) 分離槽體大小: 約 2.4L (可增壓至 100 bar) 該模組所需之空氣量計算評估，增壓泵中之空壓驅動面積為 100 mm，每分鐘作動約 50 次計 算，安全係數為 1.5 倍，計算後可知每分鐘所需空氣量約 118 L/min，模組實體照詳見圖 7。
圖 7 低溫加壓甲烷提純與 CO2系統模組實體照 3.5.3 低溫加壓甲烷提純與 CO2模組各元件設計 3.5.3.1 分離槽設計 在分離槽設計是因沼氣中含甲烷與二氧化碳之氣體比約 7:3，在分離後之甲烷成為氣體， 而二氧化成碳為液體，加壓後甲烷密度比較小，因此所需空間較大，因此槽體入口設計在槽高 度之 1/3 位置，分離槽進行分離過程後，分離槽上層為 CH4，下層為液態 CO2。為保持分離效 果在分離槽上設計有冷水夾套功能，已確保 CO2維持液態，而分離槽容積約為 2.4 L，如圖 8 所示。
3.5.3.2 氣體增壓泵模組 沼氣脫硫後將放至於沼氣袋中，沼氣壓力只有 0.05 bar 以下，無法驅動系統中之相關元件， 因此使用雙活塞式氣動增壓泵浦作為增壓動力元件，可直接將低壓沼壓加壓至所需之壓力值， 利用被壓縮的空氣來驅動在尚未達到平衡時的供給壓進行循環性的打氣，以提高輸出側的氣體 壓力，低壓力使大面積的活塞再去推小面積的活塞而產生高壓力。該部分設計入口流量約 8.0~12 L/min (每次抽入量約 160 ml)，增壓泵浦壓縮比為 16 倍，首先將前級壓力增壓至 0.2 bar， 再增壓後級出口壓力至所需壓力值 (最大值 80 bar)即可。如圖 9-10所示。 圖 9 氣體增壓泵模組設計原理 圖 10 氣體增壓泵模組 3D 設計示意圖
3.5.3.3 沼氣熱交換模組設計與規格 沼氣板式熱交換模組大小為 311*73*33 mm，因沼氣內含有硫化氫成分，因此在熱交換材 質上選擇 SUS316 為主，板片數為 10 片共二組來進行熱交換。沼氣進行加壓最大工作壓力至 75 bar，並使用水為熱交換介質，工作壓力為最大值為 30 bar，出口溫度為零度。根據這些條 件來進行規劃與 2D 圖設計(圖 11)以及模組規格如表 1所示。 表 1 沼氣熱交換規格表 圖 11 沼氣熱交換 2D 圖 3.5.4 低溫加壓甲烷提純與 CO2模組功能性測試
行氣體增壓動作，氣體經過熱交換器進行降溫動作後，再將氣體送到分離槽內，待液化二氧化 碳條件達到後並可液化，及可驗證此模組功能性測試，此模組流程設計是可以將氣體二氧化碳 進行液化回收，如圖 13所示。 測試結果: (1) 氣體流量約 6~9 L/min (約使用 500 L/hr)，溫度設定 15°C，壓力約 55~60 bar 即可液化。 (2) 氣體流量約 6~9 L/min (約使用 500 L/hr)，溫度設定 4°C，壓力約 45~50 bar 即可液化，如圖 14所示。 圖 12 沼氣精製低溫加壓分離模組模組整合建置模組 圖 13 氣體二氧化碳放置紅泥膠布沼氣袋與氣體二氧化碳進行增壓
圖 14 熱交換器進行降溫及送到分離槽內與二氧化碳液化 3.5.5 低溫加壓甲烷提純與 CO2模組實際運行測試 沼氣進行氣液分離必須滿足分離前混合氣體處於氣液兩相區，該模組主要是對沼氣進行加 壓及降溫，使沼氣中 CO2比 CH4提早液化為設計基礎。沼氣精製低溫加壓模組進行測試，首先 沼氣將先進行脫水動作，以防止設備內管路結冰，而影響熱交換效率。再藉由不同壓力及溫度 下了解生質能沼氣中之甲烷提純效果。其先以溫度零度以上開始逐步降低溫度值，然後以不同 壓力值進行測試，主要觀察在同溫度下及以不同壓力值時進行測試。接著進行下一步實驗也就 是針對溫度，以逐步降低溫度測試並進行甲烷提純效果分析。藉由增壓缸及冰水機控制進行參 數設定，由不同壓力及溫度變化來得知 對甲烷提純效果作比對，如圖 15-18所示。 從圖 17可以看出壓力值設定在 30~60 bar 時，而將溫度設定在愈低環境下，測得甲烷氣提 純值就愈高。且實驗過程中並將沼氣袋中的沼氣作循環試驗，沼氣袋中的甲烷純度有逐步提升， 因此可以證明沼氣中之 CO2確實有分離與提純。初步從實驗結果得知，原以為增升壓力值能有 效提升甲烷氣純度，但結果發現，若將溫度設定在一定溫度值時，甲烷純度提升到一定值後， 再提高壓力值對於提升甲烷氣的純度上沒有明顯效果。但反而將溫度下降後，並可以有效提高 甲烷氣純度及分離 CO2，因此可以發現溫度比壓力更能將沼氣作提純與分離之效果。 因目前設備降溫能力不足，因此我們改使用盤管熱交換器並放置於乾冰桶槽內，以乾冰來 產生低溫環境(約可產生-70°C 左右的環境溫度)，壓力值設定在 30~40 bar，實驗結果得到甲烷 氣純度提升約接近 90%左右。因此我們利用實驗之溫度與甲烷濃度相關數據推估二者相關之 曲線關係，推估結果如圖 18所示。從推估結果可以看出壓力值設定在 30~40 bar，若要提純甲 烷氣純度達較高濃度時需使用更低溫度來提純，如甲烷濃度要達到 95%時，在溫度設定上約需 設定在-80~-90°C 之間才可達到提純效果。從整體結果顯示，這給於我們對此技術在未來發展 上，提供一個研究方向。未來在設備與製程上可使用盤管熱交器其制冷方法有二：一、將盤管
之液體 CO2制成乾冰，再以乾冰作為制冷介質，提供制冷所需之低溫環境，此方法能自給自足
提供制冷介質，並達到循環經濟目的。
圖 15 實際運行測試狀況
圖 17 不同溫度與壓力下之甲烷提純值曲線圖
圖 18 溫度與甲烷濃度二者相關曲線圖
3.5.6 以經捕獲/純化處理之 CO2進行目標微藻之養殖測試，並進行藻體成份分析
11，(2)曝氣量為 0.1 vvm 2% CO2，(3)光源強度設定為 150 µmol/m2/s，(4)攪拌轉速為 300 rpm， 此培養結果與利用販售 CO2之氣體工廠所培養之結果做比較。由圖 19顯示使用低溫加壓物理 分離系統產生之 CO2所培養的微藻生長與氣體工廠生產之 CO2之培養結果相當接近；如表 2 所示，藻體生物量皆能達到 3.5 g/L，而葉黃素皆有 6 mg/g 以上之含量。由此結果可知此設備 所純化出之 CO2是能夠利用於培養微藻。 圖 19 不同 CO2來源對 Chlorella sorokiniana MB-1-M12 藻株培養之影響 表 2 不同 CO2來源對 Chlorella sorokiniana MB-1-M12 藻株培養之影響及成分分析
Type Biomass conc. (g/L) Biomass productivity (g/L/d) Lutein content (mg/g) Lutein productivity (mg/L/d) CO2
(the selling factory) 3.48±0.03 0.654±0.016 6.01±0.04 3.36±0.08 CO2
(our developed device) 3.51±0.03 0.657±0.028 6.08±0.06 3.49±0.17
3.5.7 評估微藻之氣體壓差破壁兼原位萃取製備方法與程序可行性
此研究進行氣體壓差破壁兼原位萃取之製備與可行性測試，如圖 5所示，我們將微藻藻液 (由 3.5.6 節取得，透過 OS system 破壁得到葉黃素含量為 6.08 mg/g)透過離心方式將上清液移 除，再將萃取時所使用到之溶劑添加回溶，隨後再進行氣體壓差破壁程序，最後進行藻體萃取
程序。本研究將分別測試使用不同溶劑(乙醇、乙醚及丙酮)進行破壁兼原位萃取之程序，使用 乙醇作為溶劑的條件下，可得到 3.98 mg/g 的葉黃素含量，反觀使用乙醚作為溶劑，葉黃素含 量可提升至 4.35 mg/g，而使用丙酮作為溶劑之結果，可獲得 4.28 mg/g 的葉黃素含量(圖 20)， 雖然乙醚的葉黃素含量優於丙酮，但基於成本上的考量，因而選擇丙酮作為氣體壓差破壁兼原 位萃取程序之溶劑。 圖 20 利用不同萃取溶劑進行破壁兼原位萃取之葉黃素含量結果 3.6 結論 本研究自行開發一套低溫加壓物理分離系統來進行 CO2之純化程序，經過系統模組流程 設計、系統模組原理設計、模組各元件設計(分離槽、氣壓增壓泵模組、熱交換模組等設計)， 隨後進行模組功能性測試，測試結果得知氣體流量約 6~9 L/min、溫度設為 15°C、壓力約 55~60 bar 以及氣體流量約 6~9 L/min、溫度設為 4°C、壓力約 45~50 bar 即可讓 CO2液化。最後進行
模組實際運行測試，此部分主要針對沼氣進行加壓及降溫，使沼氣中 CO2比 CH4提早液化為
設計基礎，結果顯示溫度下降後可有效提高 CH4純度及分離 CO2，因此可以發現溫度比壓力
更能將沼氣作提純與分離之效果。我們再將提純分離出來之 CO2來進行 Chlorella sorokiniana
MB-1-M12 微藻培養，由結果可以得知微藻培養結果與利用氣體工廠產生之 CO2之培養結果相
黃素含量(4.35 mg/g)，而丙酮作為溶劑的葉黃素含量雖然只達到 4.28 mg/g，但丙酮價格相較於 乙醚便宜許多，因而選擇丙酮作為氣體壓差破壁兼原位萃取程序之溶劑。
四、參考文獻
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Kiwa Kitada, Siti Machmudah, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto, Yuya Nakashima, Shoichiro Kumamoto, Takashi Hasegawa, 2009, Supercritical CO2 extraction of pigment components with
五、科技部補助專題研究計畫成果自評表 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價值（簡要敘 述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適合在學術期刊發表或申請 專利、主要發現（簡要敘述成果是否具有政策應用參考價值及具影響公共利益之重大發現） 或其他有關價值等，作一綜合評估。
1.
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估 ▓ 達成目標 □ 未達成目標（請說明，以100 字為限） □ 實驗失敗 □ 因故實驗中斷 □ 其他原因 說明：2.
研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形(請於其他欄註明專利及技轉之證號、合約、申 請及洽談等詳細資訊) 論文：□已發表□未發表之文稿 ☑撰寫中 □無 專利：□已獲得□申請中 □無 技轉：□已技轉□洽談中 □無 其他：（以200 字為限）3.
請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價值（簡要敘述 成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性，以500 字為限）。 本研究開發綠色環保的微藻養殖方法及創新有效的微藻破壁萃取方法，研究成果開啟了 微藻功能性成分提取之新方案，有機會進一步進行微藻健康食品之商業化開發。4.
主要發現 本研究具有政策應用參考價值： ▓否 □是，建議提供機關_______ (勾選「是」者，請列舉建議可提供施政參考之業務主管機關) 本研究具影響公共利益之重大發現：▓否 □是 說明：(以 150 字為限)六、科技部補助計畫衍生研發成果推廣資料表 日期： 年 月 日
科技部補助計畫
計畫名稱： 計畫主持人： 計畫編號： 領域：研發成果名稱
（中文） （英文）成果歸屬機構
發明人
(創作人)
技術說明
（中文） （200-500 字） （英文）產業別
技術
/產品應用範圍
技術移轉可行性及預期
效益
註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。七、科技部補助專題研究計畫成果彙整表 計畫主持人：張嘉修 計畫編號：MOST 108-2621-M-006-020- 計畫名稱：以微藻養殖固碳之綠色工程技術引領水產養殖藍色經濟之永續發展--開發創新 CO2 捕獲及純化技術並進行高效率微藻前處理以利於有效成分提取及劑型製備 成果項目 量化 單位 質化 （說明：各成果項目請 附 佐 證 資 料 或 細 項 說 明，如期刊名稱、年份、 卷期、起訖頁數、證號... 等） 國 內 學術性論文 期刊論文 篇 請附期刊資訊。 研討會論文 1
Jih-Heng Chen, Chun-Yen Chen and Jo-Shu
Chang, Cultivation microalgae-based CO2
fixation and lutein production processes using an indigenous microalga Chlorella sorokiniana MB-1-M12. 第十屆綠色永續生物技 術研討會，雲林，台 灣，2020/1/13-14。 專書 本 請附專書資訊。 專書論文 章 請附專書論文資訊。 技術報告 篇 其他 篇 智慧財產權 及成果 專利權 發 明 專 利 申請中 件 請附佐證資料，如申請 案號。 已獲得 請附佐證資料，如獲證 案號。 新型/設計專利 商標權 營業秘密 積體電路電路布局權 著作權 品種權 其他
收入 千元 1. 依「科技部科學技 術研究發展成果歸 屬及運用辦法」第2 條規定，研發成果 收入係指執行研究 發展之單位因管理 及運用研發成果所 獲得之授權金、權 利金、價金、股權 或其他權益。 2. 請註明合約金額。 國 外 學術性論文 期刊論文 1 (撰稿中) 篇 請附期刊資訊。 研討會論文 專書 本 請附專書資訊。 專書論文 章 請附專書論文資訊。 技術報告 篇 其他 篇 智慧財產權 及成果 專利權 發明專利 申請中 件 請附佐證資料，如申請 案號。 已獲得 請附佐證資料，如獲證 案號。 新型/設計專利 商標權 營業秘密 積體電路電路布局權 著作權 品種權 其他 技術移轉 件數 件 收入 千元 1. 依「科技部科學技 術研究發展成果歸 屬及運用辦法」第2 條規定，研發成果 收入係指執行研究 發展之單位因管理 及運用研發成果所 獲得之授權金、權 利金、價金、股權 或其他權益。 2. 請註明合約金額。 本國籍 大專生 人次 碩士生 2
參 與 計 畫 人 力 博士生 1 陳日恒 博士後研究員 1 羅泳中 專任助理 2 林哲逸、張伯偉 非本國籍 大專生 碩士生 1 何奈卡 博士生 1 蘇布穆 博士後研究員 專任助理 其他成果 (無法以量化表達之成果如辦理學術活動、獲得獎 項、重要國際合作、研究成果國際影響力及其他 協助產業技術發展之具體效益事項等，請以文字 敘述填列。)
108年度專題研究計畫成果彙整表
計畫主持人：張嘉修 計畫編號： 108-2621-M-006-020-計畫名稱：開發創新CO2捕獲及純化技術並進行高效率微藻前處理以利於有效成分提取及劑型製備 成果項目 量化 單位 質化 （說明：各成果項目請附佐證資料或細 項說明，如期刊名稱、年份、卷期、起 訖頁數、證號...等） 國 內 學術性論文 期刊論文 0 篇 研討會論文 1Jih-Heng Chen, Chun-Yen Chen and Jo-Shu Chang, Cultivation
microalgae-based CO2 fixation and lutein production processes using an indigenous microalga Chlorella sorokiniana MB-1-M12. 第十屆綠色永續生物技術研討會，雲林 ，台灣，2020/1/13-14。 專書 0 本 專書論文 0 章 技術報告 0 篇 其他 0 篇 國 外 學術性論文 期刊論文 1 篇 撰稿中 研討會論文 0 專書 0 本 專書論文 0 章 技術報告 0 篇 其他 0 篇 參 與 計 畫 人 力 本國籍 大專生 0 人次 碩士生 2 林佳穎、林子翔 博士生 1 陳日恒 博士級研究人員 1 羅泳中 專任人員 2 林哲逸、張伯偉 非本國籍 大專生 0 碩士生 1 何奈卡 博士生 1 蘇布穆 博士級研究人員 0 專任人員 0 其他成果 （無法以量化表達之成果如辦理學術活動 、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國 際影響力及其他協助產業技術發展之具體 效益事項等，請以文字敘述填列。）
