脈衝電場應用於微藻油脂萃取與永續利用之探討
學生姓名:
李御禎
指導教授:
王上達
學 期:
114上
摘 要:
隨著能源危機與淨零政策推動，微藻因具備高光合效率、高脂質含量及不佔耕地 等優勢，被視為極具潛力的生質能源與功能性脂質來源。然而，微藻細胞壁結構堅固，對脂質釋放造成障礙，傳統破壁方法如超音波、機械研磨與酵素水解常面臨效率 不足、能耗高及製程放大困難等挑戰。本研究旨在評估脈衝電場 (pulsed electric field, PEF) 技術作為一種非熱、低能耗且可控的細胞破壁方式，應用於提升微藻的脂質萃取效率與資源利用潛力。PEF 透過高電場脈衝誘導 Chlorella 細胞膜產生可逆性電穿孔，提升膜通透性，促進胞內脂質與水溶性成分釋放。實驗結果顯示，導電度 (σ) 與電場強度 (E) 會共同影響比能量輸入 (Wsp) 與細胞穿孔率，進而控制脂質萃取率。在 400 μS/cm 導電度與 35 kV/cm 電場條件下，Chlorella 的脂質回收率可達 25.5%，穿孔率達 83.8%，為最佳萃取表現，但若電場強度過高則反而導致細胞過度破壞與脂質流失。在 Nannochloropsis 實驗中，PEF 處理後導電度明顯提升，樣品 3 (20 kV/cm, 400 Hz, 30 min) 之導電度增加達 38%，顯示其破壁效果最佳。透過光學顯微鏡觀察可見胞外油滴
釋出，細胞結構多數仍完整，證明 PEF 為一種以可逆性破壁為主的高選擇性技術。比較不同培養液條件發現，在低導電度蒸餾水中進行 PEF (PEF-DW) 可提升油脂回收至 2.59 g，優於 RM 培養基 (1.275 g)，且高於超音波處理 (2.36 g)，證明 PEF 對脂質萃取更具效率與穩定性。進一步針對 Auxenochlorella protothecoides 進行放大實驗時發現，其生物質組成分析結果顯示其脂質含量達 39.8%、碳水化合物 23.9%、蛋白質 9.1%、 灰分僅 1.4%，具有作為生質能源與高值原料的潛力。PEF 處理後，懸浮液導電度由原始的 1070 μS/cm 急劇上升至 2290 μS/cm，顯示細胞膜已發生有效穿孔，胞內帶電離子與小分子物質迅速釋出，證實電場處理對細胞通透性具顯著影響。在小體積 5 mL 操作下，脂質回收率高達 98.1%；放大至 300 mL 時，仍可維持 59.5% 與 78.7% 的高回收率，顯示其具實際規模應用潛力。綜合而言，本研究證實 PEF 為一項高效能、低能耗、非熱、具選擇性與可放大的微藻破壁與脂質萃取技術，適用於細胞壁堅固的海水或淡水藻種。其可顯著提升脂質萃取效率與品質，並降低後續加工複雜度與能耗，未來在生質能源、功能性脂質、保健食品與綠色生技製程等領域皆具高度應用潛力與發展價值。
釋出，細胞結構多數仍完整，證明 PEF 為一種以可逆性破壁為主的高選擇性技術。比較不同培養液條件發現，在低導電度蒸餾水中進行 PEF (PEF-DW) 可提升油脂回收至 2.59 g，優於 RM 培養基 (1.275 g)，且高於超音波處理 (2.36 g)，證明 PEF 對脂質萃取更具效率與穩定性。進一步針對 Auxenochlorella protothecoides 進行放大實驗時發現，其生物質組成分析結果顯示其脂質含量達 39.8%、碳水化合物 23.9%、蛋白質 9.1%、 灰分僅 1.4%，具有作為生質能源與高值原料的潛力。PEF 處理後，懸浮液導電度由原始的 1070 μS/cm 急劇上升至 2290 μS/cm，顯示細胞膜已發生有效穿孔，胞內帶電離子與小分子物質迅速釋出，證實電場處理對細胞通透性具顯著影響。在小體積 5 mL 操作下，脂質回收率高達 98.1%；放大至 300 mL 時，仍可維持 59.5% 與 78.7% 的高回收率，顯示其具實際規模應用潛力。綜合而言，本研究證實 PEF 為一項高效能、低能耗、非熱、具選擇性與可放大的微藻破壁與脂質萃取技術，適用於細胞壁堅固的海水或淡水藻種。其可顯著提升脂質萃取效率與品質，並降低後續加工複雜度與能耗，未來在生質能源、功能性脂質、保健食品與綠色生技製程等領域皆具高度應用潛力與發展價值。
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