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將厭氧消化系統結合微藻自營-混合營養培養,將營養之廢棄物轉化為動物生質飼料來源

2021/06/11 @國際

摘要

歐盟和英國主要利用厭氧消化系統處理農業廢棄物,但同時也產生過量的厭氧消化物,而微藻能進行生物修復並利用營養廢棄物,並可作為多種商業應用的生物質來源。英國斯旺西大學的研究團隊開發新的循環經濟模式,第一階段將微藻以自營培養將厭氧消化物的養分吸收,第二階段利用微過濾膜技術濃縮在自營培養後獲得的生物質,並以混合營養條件進一步促進藻類生長,提高生物質的品質和產量,此生物質具有豐富蛋白質與類胡蘿蔔素,適合作為動物飼料。

示意圖

將厭氧消化系統結合微藻自營-混合營養培養,將營養之廢棄物轉化為動物生質飼料來源

  為了減少釋放到生態系統中的廢棄物,避免過多營養流入水體造成優養化厭氧消化(Anaerobic digestion, AD)是歐盟和英國用於處理有機廢棄物的主要技術,然而隨著厭氧消化系統的規模擴大,也產生了過多的營養物質(即厭氧消化物(digestate))。英國斯旺西大學(Swansea University)的Claudio Fuentes-Grünewald博士領導研究團隊執行歐盟西北歐區域計畫(Interreg NEW)資助的ALG-AD計畫,以一種新的循環經濟模式大規模生產高品質且永續的動物生質飼料,概念為將從食物和農業廢棄物之厭氧消化所產生的厭氧消化物應用於培養微藻(microalgae)生物質,以作為動物飼料和其他延伸產品。
  微藻培養主要有三種不同的生長方式:自營、異營和混合營養,自營培養為在封閉系統中微藻利用光作為能源、CO2為碳源和養分(主要是氮和磷)來生長,混合營養培養則使微藻在光照下同時利用無機CO2和有機碳源,在短時間內增加生物質,然而欲結合自營與混合營養兩種不同的生長模式(autotrophic-mixotrophic growth),其困難點為高濃度的有機碳源會使混合營養(mixotrophic)生長過程產生細菌污染之風險。為了最大程度降低風險並避免培養物損壞,可以採用非細胞破壞性、低能耗的方法將其純化,例如微過濾膜技術(microfiltration),該方法廣泛應用於脫鹽與純化,目前已用於不同規模的微藻培養,例如上游製程中的水過濾和養分製備,以及下游製程中的生物質脫水和代謝物分餾。
  為了驗證將循環經濟概念應用於厭氧消化系統的可行性,研究團隊在英國的中間試驗工廠實驗在工業規模下,將厭氧消化系統結合自營與混合營養兩種不同的生長模式(autotrophic-mixotrophic growth),第一階段利用微藻的自營生長,從厭氧消化物中攝取氮和磷;第二階段利用微過濾膜技術濃縮在自營培養後獲得的生物質,將濃縮生物質中大部分細菌污染去除,同時維持微藻細胞完整,並以混合營養條件進一步促進生長,以提高生物質的品質和產量。微藻培養物能夠在厭氧消化物中生長(13.8g/L)、吸收養分及生物修復(氮 > 134 mg/L/天),從而獲得高品質的微藻生物質(蛋白質含量45%),此生物質具有豐富蛋白質與類胡蘿蔔素,適合作為動物飼料。
  研究團隊認為該技術具有消化幾千噸沼渣的潛力,希望藉由最大程度地減少浪費、優化資源的再利用,達成良好的循環經濟並創造數千個新的永續工作機會。 【延伸閱讀】利用海洋微藻開發魚飼料,使養殖漁業生產更具永續性

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