本研究主要開發一新型之微藻光生物反應器 ─ 「海上自動控溫及混合型波動光生物反應器」，主要目的為降低微藻生產過程中所需之能源消耗與生產成本，以及充分利用海洋之自然環境優勢，可降低對陸地之過度依賴，朝向廣闊之海洋發展。

此光生物反應器主要以隔板水槽為架構中心，探討其受海洋波浪外力作用後產生位移，水槽內之液體因隔板引致漩渦之特性，達到內部液體之攪拌混合效果，並以數值方法模擬其內部能量變化，建立參數以建構出光生物反應器之模型，以此方法來取代微藻生長過程中所需之曝氣能源，及利用海水比熱大不易吸熱與放熱之特性，來達到光生物反應器之降溫需求，並以全反射之側光光纖系統來改善系統內之光照不均之問題。

於西子灣現場養殖結果顯示，其藻液之平均溫度可降低約20%；於水體模擬震動平台養殖結果，確立可使用隔板系統來取代微藻生長過程中所需之攪拌混合能源；側光光纖系統可提高系統內之光照效率，並可改善藻體間之遮蔽效應問題，提升其生長速率；當交錯型隔板與側光光纖系統兩者相互搭配，可得到最佳化之結果。

The present study developed a new – typed Photobioreactor, “ Automatically Temperature Controllable and Wave-Mixed Photobioreactor System, ATCWPS “ . The main propose of the study is to reduce the energy consumption and production cost during the process of cultivation. It can be cut down the over-dependent of nature resource on the land and expand the ocean by using the advantage of the nature marine environment.

The Photobioreactor based on baffled tanks is investigated and the effect of the displacement of the Photobioreactor induced by external waves on liquid sloshing is discussed. The vortices generated by baffles can mix the fluid in the Photobioreactor. The influence of water depths and baffle height can be utilized to develop the model of Photobioreactor by simulating the inner change of energy, and to decrease the temperature of Photobioreactor with the characteristic of seawater specific heat. The problem of non-averaged light in the system by optical fiber system of total internal refraction is also improved in this work.

The result of the experiment made in the Shi-Hzuwan ( Bay ) aquaculture site shows the average temperature of algae liquid can be declined about 20%. The results of vibrating platform cultivation shows the baffled system can increase the energy of mixing micro-algae in the growing process. Optical fiber system of total internal refraction can enhance the light efficiency, and thus not only can improve the shading effect among algae, but speed up its growing rate. When the staggered baffles and the optical fiber system of total internal refraction are combined, the optimal result of the growth rate of algae can be obtained in this work.

論文審定書 i
謝誌 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xiv
符號說明 xvi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 6
1.3 文章架構 7
第二章 文獻回顧 8
2.1 藻類 8
2.2 藻類生理介紹 9
2.2.1 光合作用 9
2.2.2 生長曲線 12
2.3 藻類商品應用 14
2.3.1 保健食品 14
2.3.2 生質能源 16
2.3.3 汙染防治 25
2.4 影響藻類生長之環境因子 26
2.4.1 光源 26
2.4.2 二氧化碳濃度 30
2.4.3 溫度 31
2.4.4 pH值 31
2.4.5 溶氧濃度 32
2.4.6 混合攪拌效果 32
2.5 藻類生長方式介紹 33
2.6 藻類生長測量方式 36
2.7 藻類培養系統簡介 38
2.7.1 開放式微藻培養系統 38
2.7.2 密閉式微藻培養系統 40
2.8 藻類培養策略簡介 44
第三章 設計概念與理論方法 46
3.1 設計概念 46
3.2 海水控溫 48
3.2.1 海水表層溫度 51
3.3 海洋波浪動力混合系統模型概念簡介 54
3.4 光生物反應器之模型參數建立 57
3.4.1 不同水深、隔板數與隔板高度下之混合效能比較 60
第四章 實驗藻種與設備說明 73
4.1 實驗藻種來源 73
4.2 實驗儀器與設備 74
4.3 養殖水體處理方法 79
4.4 培養基配方 80
4.5 藻類濃度分析方法 82
4.5.1 微藻之特性波長選定 82
4.5.2 微藻濃度分析方法 84
4.5.3 微藻密度分析 86
4.5.4 微藻吸光度與藻密度之檢量線 90
4.5.5 微藻類生長模式計算 90
4.6 繼代培養與前培養 92
4.6.1 繼代培養 92
4.6.2 前培養 94
第五章 西子灣現場養殖系統 95
5.1 現場環境基本資料 95
5.2 海上戶外養殖系統規劃與建立方法 98
5.2.1 海上結構物受力分析 101
5.2.2 海上結構物錨碇與錨碇纜繩受力系統分析 104
5.2.3 錨碇與錨碇纜繩系統建立 106
5.2.4 曝氣與供電系統 110
5.2.5 光生物反應系統現場整體設置 113
5.2.6 實驗流程步驟 117
5.3 環境系統分析與實驗結果 119
5.3.1 環境監測資料 ( 光照強度與環境溫度 ) 122
5.3.2 海水降溫模式 124
5.3.3 微藻生長量分析 126
5.3.4 檢討分析與改善方法 128
第六章 水體模擬震動平台養殖系統 130
6.1 水體模擬震動平台設備 130
6.2 側光光纖系統 133
6.2.1 發光二極體 ( LED ) 光源 133
6.2.2 發光二極體 ( LED ) 之發光角度 134
6.2.3 全反射模式之側光光纖 138
6.3 實驗流程 143
6.4 傳統型隔板之實驗設置與結果分析 ─ 側光光纖系統 144
6.4.1 實驗系統規劃與建立 144
6.4.2 環境監測資料 ( 光照強度與環境溫度 ) 147
6.4.3 微藻生長量分析 149
6.5 交錯型隔板之實驗設置與結果分析 ─ 側光光纖系統 153
6.5.1 實驗系統規劃與建立 155
6.5.2 環境監測資料 ( 光照強度與環境溫度 ) 156
6.5.3 微藻生長量分析 158
6.6 交錯型隔板之實驗設置與結果分析 ─ 外部光源系統 161
6.6.1 實驗系統規劃與建立 161
6.6.2 環境監測資料 ( 光照強度與環境溫度 ) 162
6.6.3 微藻生長量分析 164
第七章 結論與未來展望 166
7.1 結論 166
7.2 未來展望 167
參考文獻 169
附錄A、西子灣現場養殖之錨錠系統零件規格 173
附錄B、光生物反應器之工程圖面 176
附錄C、微藻吸光度與藻密度之檢量線 182

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